Comment un condensateur bloque-t-il le courant continu?

Je suis confus avec ça! Comment un condensateur bloque-t-il le courant continu?

• J'ai vu de nombreux circuits utilisant des condensateurs alimentés en courant continu. Donc, si le condensateur bloque le CC, pourquoi devrait-il être utilisé dans de tels circuits?
• En outre, la tension nominale est indiquée en tant que valeur CC sur le condensateur. Que signifie-t-il?

Je pense que cela aiderait à comprendre comment un condensateur bloque le courant continu tout en permettant le courant alternatif.

Commençons par la source de courant continu la plus simple, une batterie:

Lorsque cette batterie est utilisée pour alimenter quelque chose, des électrons sont attirés dans le côté + de la batterie et poussés vers le côté - .

Fixons quelques fils à la batterie:

Il n'y a toujours pas de circuit complet ici (les fils ne vont nulle part), donc il n'y a pas de courant.

Mais cela ne signifie pas qu'il n'y avait pas de courant. Vous voyez, les atomes dans le fil de cuivre sont constitués d'un noyau d'atomes de cuivre, entourés de leurs électrons. Il peut être utile de considérer le fil de cuivre comme des ions de cuivre positifs, avec des électrons flottant autour:

Note: J'utilise le symbole e ^- pour représenter un électron

Dans un métal, il est très facile de pousser les électrons. Dans notre cas, nous avons une batterie attachée. Il est capable d’aspirer des électrons du fil:

Le fil attaché au positif côté de la batterie a des électrons aspiré hors de celui - ci. Ces électrons sont ensuite poussés du côté négatif de la batterie dans le fil attaché au côté négatif.

Il est important de noter que la batterie ne peut pas éliminer tous les électrons. Les électrons sont généralement attirés par les ions positifs qu’ils laissent derrière eux; il est donc difficile d'éliminer tous les électrons.

À la fin, notre fil rouge aura une légère charge positive (car il manque des électrons) et le fil noir aura une légère charge négative (car il a des électrons supplémentaires).

Ainsi, lorsque vous connectez la batterie à ces câbles pour la première fois, seul un peu de courant circule. La batterie ne peut pas déplacer beaucoup d'électrons, le courant circule très brièvement, puis s'arrête.

Si vous avez déconnecté la batterie, l'avez retournée, puis reconnectée: les électrons du fil noir seraient aspirés dans la batterie et enfoncés dans le fil rouge. Encore une fois, il n'y aurait qu'une infime quantité de courant, puis cela s'arrêterait.

Le problème avec l'utilisation de deux fils est que nous n'avons pas beaucoup d'électrons à déplacer. Ce dont nous avons besoin, c’est d’une grande réserve d’électrons, d’un gros morceau de métal. C'est ce qu'est un condensateur: un gros morceau de métal attaché aux extrémités de chaque fil.

Avec ce gros morceau de métal, il y a beaucoup plus d'électrons que nous pouvons facilement déplacer. Maintenant, le côté "positif" peut avoir beaucoup plus d'électrons aspirés, et le côté "négatif" peut avoir beaucoup plus d'électrons poussés à l'intérieur:

Donc, si vous appliquez une source de courant alternatif à un condensateur, une partie de ce courant sera autorisée à circuler, mais après un certain temps, il n'y aura plus d'électrons à pousser et le flux s'arrêtera. C’est une chance pour la source de courant alternatif, puisqu’elle s’inverse, et le courant est autorisé à circuler une fois de plus.

Mais pourquoi un condensateur est évalué en DC volts

Un condensateur n'est pas juste deux morceaux de métal. Une autre caractéristique du condensateur est qu'il utilise deux morceaux de métal très proches l'un de l'autre (imaginez une couche de papier ciré prise en sandwich entre deux feuilles de papier d'aluminium).

La raison pour laquelle ils utilisent une "feuille d'étain" séparée par un "papier ciré" est qu'ils veulent que les électrons négatifs soient très proches des "trous" positifs qu'ils ont laissés. Cela provoque l'attraction des électrons vers les "trous" positifs:

Parce que les électrons sont négatifs et que les "trous" sont positifs, les électrons sont attirés par les trous. Cela fait que les électrons y restent réellement. Vous pouvez maintenant retirer la batterie et le condensateur fait tenir cette charge.

C'est pourquoi un condensateur peut stocker une charge; les électrons étant attirés par les trous qu'ils ont laissés.

Mais ce papier ciré n’est pas un isolant parfait; ça va permettre des fuites. Mais le vrai problème vient du fait que vous avez trop d' empilement d'électrons. Le champ électrique entre les deux " plaques " du condensateur peut devenir si intense qu'il provoque une panne du papier ciré, endommageant de manière permanente le condensateur:

En réalité, un condensateur n'est plus en feuille d'étain ni en papier ciré; ils utilisent de meilleurs matériaux. Mais il y a toujours un point, une "tension", où l'isolant entre les deux plaques parallèles tombe en panne, détruisant l'appareil. Il s'agit de la tension continue maximale nominale du condensateur .

Laissez-moi voir si je peux ajouter une perspective supplémentaire aux 3 autres réponses.

Les condensateurs agissent comme un court-circuit dans les hautes fréquences et un ouvert dans les basses fréquences.

Donc, voici deux cas:

Condensateur en série avec signal

Dans cette situation, le courant alternatif peut passer, mais le courant continu est bloqué. Ceci est communément appelé un condensateur de couplage.

Condensateur en parallèle avec le signal

Dans cette situation, le courant continu peut passer, mais le courant alternatif est mis à la masse, ce qui le bloque. Ceci est communément appelé un condensateur de découplage.

Qu'est-ce que AC?

J'ai utilisé les termes "High Freq" et "Low Freq" plutôt vaguement car ils ne sont associés à aucun nombre. Je l’ai fait parce que ce qui est considéré comme faible ou élevé dépend de ce qui se passe dans le reste du circuit. Si vous souhaitez en savoir plus à ce sujet, vous pouvez en savoir plus sur les filtres passe-bas sur Wikipedia ou sur certaines de nos questions sur les filtres RC .

Tension nominale

La tension que vous voyez avec les condensateurs est la tension maximale que vous pouvez appliquer en toute sécurité au condensateur avant que vous ne commenciez à courir le risque d'une panne physique du condensateur. Parfois, cela se produit sous la forme d'une explosion, parfois d'un incendie ou parfois simplement chaud.

L'explication réside dans le fait que les accusations opposées s'attirent. Un condensateur est une construction compacte de 2 plaques conductrices séparées par un isolant très fin. Si vous y placez DC, un côté sera chargé positivement et l'autre côté, négativement. Les deux charges s’attirent mais ne peuvent pas franchir la barrière isolante. Il n'y a pas de courant. Donc, c'est la fin de l'histoire pour DC.
Pour ca c'est différent. Une partie subira successivement des charges positives et négatives et attirera des charges négatives et positives. Ainsi, les changements d'un côté de la barrière provoquent des changements de l'autre côté, de sorte qu'il semble que les charges traversent la barrière et que le courant passe effectivement à travers le condensateur.

Un condensateur chargé est toujours chargé en courant continu, c’est-à-dire qu’un côté a les charges positives et que l’autre est négatif. Ces charges constituent un stockage d'énergie électrique , nécessaire dans de nombreux circuits.

La tension maximale est déterminée par la barrière isolante. Au-dessus d'une certaine tension, il tombera en panne et créera un court-circuit. Cela peut arriver sous DC mais aussi sous AC.

Une façon simple d’y penser est qu’un condensateur en série bloque le CC, alors qu’un condensateur parallèle permet de maintenir une tension constante.

Il s’agit en réalité de deux applications du même comportement: un condensateur réagit pour essayer de maintenir constante la tension sur lui-même. Dans le cas de la série, il est assez heureux de supprimer une différence de tension constante, mais tout changement brusque d’un côté est répercuté sur l’autre pour maintenir la différence de tension constante. Dans le cas parallèle, tout changement brusque de tension réagira.

La quantité de charge qui se développe sur les plaques d'un condensateur avec une tension donnée à ses bornes est régie par la formule:

$Q = C \times V$

La différenciation des deux côtés (le courant est la dérivée temporelle de la charge) donne:

$I = C \times \dfrac {dV}{dt}$

$\dfrac{dV}{dt} = 0$

Ainsi, un condensateur ne laisse passer aucun courant "à travers" pour la tension continue (c.-à-d. Qu'il bloque le courant continu).

La tension aux bornes d'un condensateur doit également changer de manière continue, de sorte que les condensateurs ont pour effet de "retenir" une tension une fois qu'ils y sont chargés, jusqu'à ce que cette tension puisse être déchargée via une résistance. Une utilisation très courante des condensateurs est donc de stabiliser les tensions de rail et de découpler les rails de la terre.

La tension nominale correspond à la tension que vous pouvez appliquer sur les plaques avant que les forces électrostatiques décomposent les propriétés matérielles du matériau diélectrique entre les plaques, le rendant ainsi cassé en tant que condensateur :).

Ce n’est pas une réponse très technique, mais c’est une explication graphique que je trouve très drôle et simple:

Ma réponse à de telles questions est toujours "eau". L'eau qui circule dans les tuyaux est une analogie étonnamment précise pour le courant circulant dans les fils. Le courant est la quantité d’eau qui passe dans un tuyau. La différence de tension devient la différence de pression d'eau. Les tuyaux sont supposés reposer à plat, de sorte que la gravité ne joue aucun rôle.

Dans une telle analogie, une batterie est une pompe à eau et un condensateur est une membrane en caoutchouc qui bloque complètement le tuyau. Le courant continu est une eau qui coule constamment dans une direction à travers un tuyau. AC est l'eau qui coule tout le temps.

Dans cet esprit, il est évident qu'un condensateur bloque le courant continu: puisque la membrane ne peut s'étirer que jusqu'à présent, l'eau ne peut pas continuer à couler dans la même direction. Il y aura un écoulement pendant que la membrane s'étire (c'est-à-dire que le condensateur se charge), mais à un moment donné, elle s'étire suffisamment pour équilibrer complètement la pression de l'eau, bloquant ainsi tout écoulement ultérieur.

Il devient également évident qu'un condensateur ne bloquera pas complètement le courant alternatif, mais cela dépend des propriétés de la membrane. Si la membrane est suffisamment extensible (capacité élevée), il ne sera pas difficile pour l'eau de circuler rapidement. Si la membrane est vraiment assez rigide (par exemple une mince feuille de plastique), cela correspond à une faible capacité et si l'eau s'écoule lentement, cet écoulement sera bloqué, mais des oscillations à très haute fréquence le traverseront tout de même.

Cette analogie m'a été si exceptionnellement utile que je me demande vraiment pourquoi elle n'est pas utilisée plus largement.

Tout d’abord, un condensateur bloque le courant continu et présente une impédance plus faible en courant alternatif, tandis qu’un inducteur a tendance à bloquer le courant alternatif tout en dépassant très facilement le courant continu. Par "blocage", nous entendons qu'il offre une impédance élevée au signal dont nous parlons.

Cependant, nous devons d’abord définir quelques termes pour expliquer cela. Vous savez ce qu'est la résistance, non? La résistance est l’opposition au courant qui entraîne la combustion du pouvoir, mesurée en watts. Peu importe que le courant soit alternatif ou continu, la puissance dissipée par une résistance parfaite est la même pour les deux.

La résistance est donc un type d ’« impédance »au courant. Il y en a 2 autres - "réactance inductive" et "réactance capacitive". Les deux sont également mesurés en ohms, comme la résistance, mais les deux sont différents en ce sens qu’ils varient d’une fréquence à l’autre, et qu’ils ne consomment pas d’énergie comme une résistance. Donc, tous ensemble, il existe 3 types d'impédance - résistive, inductive et capacitive.

La quantité de blocage ou d'impédance des inductances en ohms peut être déterminée par:

Où 2pi vaut environ 6,28, f est la fréquence (AC, évidemment) d'un signal, L est l'inductance mesurée en henries et "X sub L" est la réactance inductive en ohms.

La réactance inductive est l'impédance d'un composant due à l'inductance; c'est une sorte de résistance, mais elle ne brûle pas réellement la puissance en watts comme le fait une résistance, et comme "f" pour la fréquence doit être alimenté, sa valeur varie avec la fréquence pour un inducteur donné.

Notez que lorsque la fréquence augmente, l'impédance (résistance CA) augmente également en ohms. Et notez que si la fréquence est égale à zéro, l'impédance le fait aussi. Une fréquence égale à zéro signifie continu, de sorte que les inductances n'ont pratiquement aucune résistance au flux de courant continu. Et à mesure que la fréquence augmente, l'impédance augmente également.

Les condensateurs sont l’inverse: la formule de la réactance capacitive est

Ici, C est la capacité du bouchon en farads, "2pi" et "f" sont les mêmes que ci-dessus, et "X-sub-C" est la réactance capacitive en ohms. Notez que la réactance est ici "divisée par" de la fréquence et de la capacité - cela donne des valeurs d'impédance qui diminuent avec la fréquence et la capacité. Donc, si la fréquence est élevée, l'impédance sera faible, et si la fréquence est proche de zéro, ce qui est DC, l'impédance sera presque infinie - en d'autres termes, les condensateurs bloquent le courant continu, mais passent AC, et plus la fréquence de le signal alternatif, moins l'impédance à lui.

Je vais opter pour l'approche qualitative à retirer la plus courte:

En effet, un condensateur sur les rails CC permet de court-circuiter tous les signaux alternatifs qui pourraient sinon atteindre les rails d’alimentation, afin de réduire la quantité de courant alternatif sur votre circuit CC .

La tension nominale sur un capuchon est la tension maximale (somme du courant continu et de tout courant alternatif présent!) Que le capuchon devrait voir. Dépasser cette tension et le bouchon échouera.