Конденсаторы

Компоненты

Содержание

Назначение
Основные характеристики и разновидности
Применение
Пример

Назначение конденсаторов

Конденсатор - своего рода аккумулятор с очень малой емкостью. Он быстро разряжается, но и очень быстро заряжается.

Работает это так. При подаче напряжения конденсатор, как губка, впитывает в себя энергию на протяжении некоторого времени и удерживает, пока напряжение не пропадет. При отключении питания, накопленную энергию конденсатор отдает в цепь примерно за то же время, что и копил ее. Что это за время и как его вычислить, узнаем чуть позже.

В анимации процесс накопления и отдачи энергии выглядит так:

Щелкая переключателем, мы подаем или отключаем питание в цепи, а вольтметр наглядно показывает, что происходит с напряжением на этом участке.

Основные характеристики и разновидности

Номинальная ёмкость, измеряемая в Фарадах и обозначаемая в формулах буквой “С” латинской,
Точность в процентах плюс-минус от номинала,
Максимальное напряжение в Вольтах, превышение этого параметра выведет конденсатор из строя почти сразу.

По исполнению конденсаторы делятся на два вида: керамический и электролитический. Керамический не имеет полярности, подключать его можно как угодно, максимальная ёмкость ограничена 1 мкФ.

На схемах керамический конденсатор обозначается как две параллельные прямые линии:

Его подвид - переменный конденсатор (ёмкость которого может меняться механическим, электрическим способом или под воздействием температуры) - на схеме дополнительно снабжается стрелкой:

Для ёмкости побольше используются электролитические конденсаторы, они полярны, то есть при подключении нужно убедиться, что плюс контактирует с плюсом, а минус с минусом. Минус маркируется на корпусе заметной белой линией.

На схемах электролитический конденсатор изображается похожим образом, только вторая из параллельных линий изогнута в сторону первой:

Номинальная ёмкость электролитических конденсаторов указывается прямо на корпусе. Ёмкость же керамических, ввиду их малых размеров, маркируется всего тремя цифрами: первые две - основная ёмкость в пикофарадах, третья - множитель. Например: маркировка “103”, это 10 пФ * 10^3 = 10 нФ. “220”, это 22 пФ 10^0 = 22 пФ. И так далее.

Время заряда и разряда конденсатора зависит от его ёмкости и сопротивления цепи. Чем больше то и другое, тем длительнее время заряда-разряда. Для обозначения этой характеристики используется понятие “постоянная времени”, которая вычисляется по формуле:

t=R*C

Где: t- постоянная времени в секундах, R - сопротивление цепи в Омах, C - ёмкость конденсатора в Фарадах. Например, возьмем конденсатор 100 мкФ, добавим резистор 1 кОм, и посчитаем: 100*10^-6 * 1*10^3 = 100*10^-3, то есть 100 миллисекунд или 0,1 секунды.

Вообще, за время конденсатор заряжается или разряжается только на 63%, до 99% он делает это впятеро дольше, потому, что процесс протекает неравномерно. Но, чтобы отличать логический ноль от единицы вполне достаточно ⅔ заряда.

Заряд:

Разряд:

В цепи, где резистор отсутствует, сопротивление все равно существует, в проводах, контактах и других компонентах, но, как правило, суммарное сопротивление всех элементов очень мало, поэтому конденсатор, в такой схеме, разрядится почти мгновенно.

Применение

Конденсаторы в электронике применяются очень часто и для многих назначений. Чаще всего:

для сглаживания пульсаций в питании,
для сглаживания импульсов в сигналах,
как источник дополнительной энергии при запуске мощного потребителя с большим стартовым током,
как аккумулятор в случае отключения основного питания, как правило, чтобы успеть сохранить важную информацию в энергонезависимой памяти,
для получения импульса большой мощности, превышающей возможности питания.

Пример

В качестве примера приведем альтернативный программному аппаратный способ борьбы с дребезгом кнопки и прочих механических переключателей, так называемую RC-цепь, состоящую из резистора и конденсатора. В некоторых ситуациях просто необходимо именно подавление дребезга, например, когда сигнал подключен к пину с включенным прерыванием. Но и в иных случаях он немного разгрузит контроллер и позволит сэкономить чуток его памяти.

К Ардуино подключено две кнопки: к пину 3 - кнопка без RC-цепи, только подтянута резистором 100 кОм к плюсу, к пину 2 - кнопка тоже подтянута к плюсу, но дополнительно оборудована RC-цепью.

На принципиальной схеме все выглядит немного проще и понятнее:

При нажатие на первую кнопку, на пин поступает сигнал с дребезгом:

Какие-то миллисекунды или даже микросекунды сигнал хаотически меняется из-за несовершенства механических контактов, особенно старых, грязных и окисленных. Когда есть возможность, этот период пропускается программно, контроллер делает повторное считывание через 5-20 мс.

С правильно рассчитанной RC-цепью такого безобразия нет. Нажатие кнопки с дребезгом теперь выглядит примерно так:

На нашей схеме установлен керамический конденсатор на 1 мкФ и резистор на 100 кОм, что, согласно формуле дает нам “постоянную времени” равную 10 мс. За 10 мс напряжение на пине гарантировано не упадет до уровня, который контроллер считает нулем, чего вполне хватит для сглаживания практически любого дребезга.