Конденсаторы — слово, по-видимому, предлагает идею емкостью , что, согласно словарю, означает «способность удерживать что-то». Это ровно , что делает конденсатор — он держит электрический заряд. Но что делает его общим компонентом почти во всех электронных схемах? Давайте разберем материал за конденсаторами, чтобы понять, что он делает и как их можно использовать в этой статье.

Что такое конденсатор?

Конденсатор в своей наиболее примитивной форме состоит из двух проводящих пластин, разделенных диэлектрической средой. Термин диэлектрик — это просто причудливое слово для изолятора, который может быть поляризован, то есть образовывать отрицательные и положительные заряды на противоположных гранях. Когда напряжение подается на эти две пластины, ток проходит через проводящие пластины. Одна сторона получает положительный заряд (недостаток электронов), а другая сторона получает отрицательный заряд (избыток электронов).Мы все знакомы с тем фактом, что в отличие от зарядов притягиваются, поэтому, поскольку пластины заряжены противоположно, заряды на пластинах притягиваются.

Помните, что между пластинами имеется изолятор , поэтому заряды не могут «течь», чтобы уравновесить друг друга, и (в идеале) застряли в состоянии взаимного притяжения и остаются на месте. И именно так конденсаторы выполняют свою основную функцию — удержание или хранение заряда.

Символ конденсаторов

Поскольку конденсаторы имеют две параллельные металлические пластины, как обсуждалось выше, их символьный вид представляет собой то же самое.По крайней мере, легко нарисовать

В практическом случае конденсаторы — это уже не просто две пластины с зазором между ними, в случае алюминиевой электролитики две пластины принимают форму металлической фольги, свернутой с прокладкой между ними в трубке.

Второй набор символов обозначает поляризованные конденсаторы, то есть те, которые определили положительные и отрицательные клеммы внутренней конструкцией. Случайное изменение положения этих терминалов почти наверняка приведет к впечатляющему отказу (особенно для более крупных образцов), выбросу кусков фольги и бумажных счетчиков с места повреждения и в большинстве случаев пахнущему очень плохо.

Емкость и номинальное напряжение для конденсатора

Конденсаторы измеряются в Фарад ; он назван в честь известного британского электрохимика Майкла Фарадея. Единица емкости, обозначающая кулон на вольт. Кулон (произносится как «koo-lom») — это единица S.I. для заряда, а вольт, как мы знаем, это единица измерения напряжения или разности потенциалов. Это делает Фарад количеством заряда, хранимым на вольт разности потенциалов.Этот простой способ математического взгляда на конденсатор предоставляет широкий спектр интерпретаций, что проявляется в множестве смертельно сложных математических уравнений, таких как интегралы, показатели и векторы, которые мы, инженеры, будем использовать при работе с конденсаторами, что выходит далеко за рамки объем этой статьи. Однако в статье

Конечно, Фарад (один кулон на вольт) является очень большой единицей для большинства практических целей (поскольку сам кулон является довольно большой величиной заряда, как вы, возможно, уже знаете), поэтому большинство конденсаторов (кроме очень больших) ) измеряются в микрофарадах или в миллионных долях (0.000001) Фарада. Предположим, у вас есть конденсатор, который читает 25V 10uF (префикс «u» означает микро, это искажение греческого символа µ («му»), означающего «микро») на пластиковой наружной крышке. Поскольку колпачок (в электронном мире — это конденсаторы) рассчитан на 10 мкФ, на его клеммах может храниться заряд в десять микрокулонов (то есть десять миллионных долей кулона, 0,000010 С) на вольт напряжения. Это означает, что при максимальном напряжении 25 В конденсатор может удерживать заряд 25 В x 10 мкФ, что составляет 0.000250 кулонов.

Помните, я сказал «максимальное» напряжение. Максимальное напряжение, пожалуй, самый важный показатель на конденсаторе. Он говорит вам, какое напряжение конденсатор может выдержать на своих клеммах, прежде чем он пойдет KABOOM ………!

Работа конденсатора

По сути, внутри конденсатора происходит то, что изолятор между этими пластинами подвергается процессу, называемому «пробой диэлектрика», то есть изолятор больше не может изолировать, поскольку напряжение на изоляторе слишком велико, чтобы он мог оставаться изолятором. ,Основная физика несколько выходит за рамки, но все, что вам нужно знать, чтобы понять, почему это происходит, это то, что ни один изолятор не является префектом, то есть до определенного момента. Даже самый сильный мост разрушается, если он перегружен. То, что здесь происходит, похоже. Чтобы уменьшить пробой, вы можете увеличить зазор между двумя пластинами, но это связано с компромиссом — уменьшенной емкостью, так как пластины находятся дальше друг от друга, и заряды не притягиваются так сильно, как при приближении — во многом как как ведут себя магниты.

Хорошее эмпирическое правило — использовать колпачки, рассчитанные на напряжение, превышающее на 50% то, что может ожидать ваша схема. Это оставляет широкий запас прочности. Например, если вам нужен колпачок для разъединения (не беспокойтесь, разъединение объясняется далее в статье) шины питания 12 В, вы можете избежать использования конденсатора 16 В, но рекомендуется использовать конденсатор 25 В, так как он дает вам широкий запас прочности. Хорошо, вы узнали это !! Да, 25 В, конечно, не на 25% больше, чем 12 В, но 18 В не является стандартным значением конденсатора — вы не найдете ни одного с таким номинальным напряжением.Ближайший 25В.

Различные типы конденсаторов

Причиной диапазонов пробивного напряжения является материал, используемый в качестве диэлектрика, который также является основой для классификации конденсаторов:

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Это, пожалуй, самые узнаваемые типов конденсаторов . Они поставляются в отличительных металлических банках с пластиковой оболочкой, с четко обозначенными значениями напряжения и емкости и белой полосой для обозначения катода.Название происходит от того факта, что, как упомянуто выше, «пластины» сделаны из химически травленой алюминиевой фольги. Процесс травления делает алюминий пористым (почти как губка) и значительно увеличивает площадь его поверхности, что увеличивает емкость. Диэлектрик представляет собой тонкий слой оксида алюминия. Эти конденсаторы заполнены маслом, которое действует как электролит, отсюда и название. Электролитические конденсаторы поляризованы из-за их внутренней конструкции. Они имеют большую емкость по сравнению с другими членами семейства конденсаторов, но гораздо более низкие напряжения.Вы можете ожидать, что электролитический электролит от 0,1 мкФ до монстров, таких как 100 мФ, и с номинальным напряжением от нескольких вольт до примерно 500 В. Их внутренние сопротивления, однако, имеют тенденцию быть высокими.

СТОРОНА ПРИМЕЧАНИЕ: Внутреннее сопротивление в конденсаторах обусловлено материалами, из которых изготовлен колпачок — например, сопротивлением алюминиевой фольги или сопротивлением выводов.

Керамические конденсаторы

Это колпачки с керамическим диэлектриком.Поскольку предел пробоя керамического диэлектрика достаточно высок, вы можете ожидать появления керамических колпачков с невероятными напряжениями пробоя, такими как 10 кВ. Однако емкость имеет тенденцию быть низкой, в диапазоне от пикофарад (0,000000000001F) до нескольких десятков микрофарад. Как правило, они намного меньше, чем других типов конденсаторов , как показано на рисунке. Они также имеют очень маленькие внутренние сопротивления.

Идентификация керамических конденсаторов

Значение керамической емкости не будет прямо упомянуто на керамическом конденсаторе.0 равно 0.

Номинальное напряжение конденсатора можно найти с помощью строки под этим кодом. Если есть линия, то значение напряжения составляет 50/100 В, если линии нет, то оно составляет 500 В.

Ниже приведены наиболее часто используемые значения конденсаторов и их преобразование в Пико Фарад, Нано Фарад и Микрофарад.

Пленочные конденсаторы

Как следует из названия, диэлектрик в этих конденсаторах представляет собой пластиковую пленку, часто знакомую пластику, такую ​​как майлар и полиэстер. Они имеют те же свойства, что и керамические колпачки, высокие пробивные напряжения (из-за поведения пластиковых полимеров) и низкие емкости. Разница лишь в том, что они имеют тенденцию быть немного больше, хотя внешне они похожи на керамические колпачки. Внутреннее сопротивление сравнимо с керамическими крышками.

Танталовые и ниобиевые конденсаторы

Эти крышки технически подпадают под категорию электролитических конденсаторов. Здесь электролит представляет собой твердый материал, изготовленный из оксидов тантала или ниобия. У них очень низкое внутреннее сопротивление для данной емкости, однако они менее защищены от перенапряжения по сравнению с другими типами (керамика имеет лучшие характеристики) и имеют тенденцию капать без особого предупреждения и с большим количеством неприятного черного дыма.

Конденсаторы специального назначения

К ним относятся серебристо-слюдяные колпачки, колпачки X и Y и т. Д.Конденсаторы с номиналами X и Y, например, предназначены для линейной фильтрации — более прочная конструкция и более высокие номинальные напряжения, а также низкие емкости, для уменьшения тока, проходящего через него при подаче переменного напряжения, и для ограничения энергии, хранящейся в крышке, если постоянный ток напряжение приложено.

Суперконденсаторы и ультраконденсаторы

Они выводят конденсаторы на совершенно новый уровень, со значительно увеличенными емкостями, иногда в диапазоне сотен Фарад! Это возможно из-за какой-то умной химии.Суперконденсаторы и ультраконденсаторы ликвидируют разрыв между конденсаторами и химическими батареями. Однако они приходят в очень низком напряжении.

И это почти все распространенных типов конденсаторов , с которыми вы обычно можете столкнуться в мире электроники.

Как конденсаторы ведут себя в цепях

Первой полезной задачей было бы узнать, как рассчитать запасы энергии в конденсаторе, который задается формулой

E = 1 / 2CV ²

Где E — энергия, запасенная в джоулях, C — емкость в Фарадах, а V — напряжение в вольтах.Обратите внимание, что это уравнение принимает форму многих других ньютоновских уравнений для энергии, аккуратного пасхального яйца!

Предположим, что у вас есть крышка, рассчитанная на напряжение 50 В и емкостью 1000 мкФ, накопленная энергия при полных 50 В будет:

1/2 * 0,001000F * 50В * 50В

, который получается жалкими 1,25 Дж накопленной энергии.

Это выявляет существенный недостаток конденсаторов в качестве устройств накопления энергии — запас энергии для заданного размера очень низкий, аккумулятор такого же размера будет иметь как минимум в тысячу раз больше накопленной энергии! Тем не менее, колпачки имеют значительно более низкое внутреннее сопротивление, чем химические батареи, что позволяет им быстро сбрасывать всю накопленную энергию.Короткое замыкание батареи может привести к ее нагреву только из-за мощности, рассеиваемой внутренним сопротивлением, но короткое замыкание конденсатора вызовет только несколько искр, поскольку весь заряд сбрасывается сразу без повреждения конденсатора.

Во-вторых, есть еще одна аккуратная формула, которая связывает напряжение, ток и емкость:

I / C = DV / DT

Где I — ток, подаваемый на конденсатор в амперах, C — емкость в Фарадах, а dV / dt — скорость изменения напряжения на клеммах конденсатора.Думайте об этом с точки зрения его единицы — вольт в секунду для данного тока и емкости. Не беспокойтесь о маленьком «d», это просто математический способ сказать «до предела ноль».

Допустим, у вас есть источник питания, который выдает постоянное напряжение 5 В при постоянном токе 1 мА, а затем, переставив уравнение, мы можем найти время, необходимое для зарядки конденсатора 100 мкФ до 5 В:

дт = CdV / I

dt = (0,000100F * 5 В) / 0,001A

dt = 0,5 секунды

Таким образом, конденсатор будет заряжаться до 5 В в 0.5 секунд. (Помните, что конденсатор может заряжать только до максимального напряжения, подаваемого на него, и никогда больше, они не могут волшебным образом «создавать» напряжение.)

Такое предсказуемое поведение конденсатора делает его очень полезным для генерации временных задержек, например, с небольшими дополнительными схемами. Вы можете изменить уравнение, чтобы получить время.

Теперь для хороших вещей — фактические конденсаторные цепи!

Конденсаторное поведение в цепях

Давайте начнем с простого — различные способы соединения конденсаторов.Это почти то же самое, что подключить два резистора — вы можете подключить их последовательно или параллельно.

Параллельно Конденсаторы

На рисунке ниже показаны три конденсатора, соединенных параллельно, со всеми соответствующими положительными и отрицательными клеммами, соединенными вместе (при условии, что крышки поляризованы). Общая емкость этого устройства является просто суммой всех емкостей всех конденсаторов в цепи. Это имеет смысл, поскольку параллельное соединение пластин конденсатора увеличивает площадь поверхности, увеличивая емкость.

Максимальное напряжение, с которым может работать этот тип устройства, — это напряжение наименьшего конденсатора, поскольку напряжение является общим для всех колпачков.

Пример должен прояснить это. Предположим, у вас есть два конденсатора, один с номиналом 25 В 470 мкФ, а другой 35 В 1000 мкФ. Общая емкость будет 470 мкФ + 1000 мкФ = 1470 мкФ. Тем не менее, максимальное напряжение, которое вы можете подать на этот блок (пучок конденсаторов, соединенных вместе, можно назвать конденсатором «банк»), составляет всего 25 В.Если вы положите что-нибудь выше этого банка, искры полетят, так как вы превысите макс. напряжение на конденсаторе 25 В.

Конденсаторы серии

Подключение конденсаторов параллельно особенно полезно, когда вы хотите большую емкость, и у вас есть только небольшие значения. Параллельно соединяя эти меньшие значения, вы в конечном итоге получите большее значение и сделаете свою работу, предполагая, что вы помните о напряжении.

Теперь поставить конденсаторы в ряд немного сложнее.Емкость дается по формуле:

1 / Ctotal = 1 / C1 + 1 / C2 +… + 1 / Cn

Где C1, C2… Cn — емкости каждого конденсатора, используемого в цепи.

Напряжение, которое теперь может выдерживать банк, является суммой всех номинальных напряжений.

Если вы получили колпачок, рассчитанный на 10 В 1 мкФ, и колпачок, рассчитанный на 50 В 10 мкФ, то напряжение, которое банк может выдерживать последовательно, составляет 10 В + 50 В = 60 В. Емкость составляет 0,9091 мкФ.

Напряжение на конденсаторе против времени

Что если мы хотим зарядить конденсатор? Мы могли бы просто подключить его к источнику напряжения, как показано на рисунке ниже.Здесь произошло бы то, что в тот момент, когда источник напряжения подключен, предполагая, что крышка полностью разряжена, заряды стремительно накапливаются на пластинах, что приводит к очень большому (теоретически бесконечному!) Всплеску тока, ограниченному только внутренним сопротивлением конденсатор. Конечно, это нежелательно, если в вашем блоке питания есть что-то вроде аккумулятора. Разумной идеей было бы добавить последовательно резистор с конденсатором и источником напряжения, чтобы ограничить ток, как на рисунке, и вуаля! У вас есть что-то, что инженеры называют RC-цепью, «R» для резистора и «C» для конденсатора!

Эта схема показывает интересное поведение.Когда напряжение подключено к стороне резистора с маркировкой «I», напряжение на конденсаторе медленно увеличивается, поскольку ток ограничен. График выглядит примерно так:

Более математически склонные мои зрители распознали бы форму наклона — это похоже на экспоненциальную функцию!

Помните, как я сказал, что ограничения могут быть использованы для создания задержек? Это один из способов сделать это без источника постоянного тока (который требует дополнительной схемы).Поскольку время, необходимое для достижения определенного напряжения, предсказуемо, если мы знаем емкость, напряжение и сопротивление, мы можем создать схемы задержки.

Произведение сопротивления и емкости, RC, известно как постоянная времени цепи. Этот параметр становится полезным для точного определения времени достижения заданного напряжения, как показано на рисунке ниже.

Из графика видно, что конденсатор достигает 63% от приложенного напряжения за одну постоянную времени и так далее.

Это принцип, который использует всесезонный таймер 555, хотя расчетные уравнения немного другие.

Другим интересным применением RC-схем является фильтрация сигналов, то есть удаление электрического сигнала нежелательной частоты из схемы. RC-цепь требует определенного количества времени для зарядки и разрядки от источника. Если мы применяем периодическую волну с периодом времени больше, чем RC, то тот же сигнал появится на выходе с очень небольшим искажением.Однако при увеличении частоты сигнал продолжает менять полярность быстрее, чем цепь может заряжаться и разряжаться, и в конце концов после определенной точки сигнал исчезает, и все, что у вас остается, это чистый постоянный ток! Это называется ослаблением сигнала. Как вы можете видеть, RC-схема действует как фильтр, который блокирует сигналы переменного тока (даже сигналы, наложенные на постоянный ток, то есть имеющие смещение постоянного тока) за пределы определенной частоты. Этот вид фильтра называется фильтром нижних частот, то есть он пропускает низкие частоты, но не пропускает высокие частоты.

Конденсаторы в цепях переменного тока

Конденсаторы ведут себя интересным образом при установке в цепи переменного тока. С точки зрения сигнала их можно рассматривать как частотно-зависимые резисторы. Как видно выше, RC-цепь блокирует все переменные сигналы, но что происходит, когда конденсатор соединен последовательно с источником переменного напряжения? С точностью до наоборот!

Поскольку конденсатор представляет собой всего лишь две металлические пластины, разделенные изолятором, он не пропускает постоянный ток через него.Однако сигнал переменного тока имеет постоянно меняющиеся напряжения, поэтому одна пластина видит изменяющееся напряжение и вызывает противоположный заряд на другой пластине, как показано на рисунке:

Это дает общий эффект пропускания тока через конденсатор на относительно высоких частотах. Добавление резистора параллельно с выходом создает фильтр верхних частот, то есть фильтр, который пропускает только высокие частоты и блокирует все сигналы постоянного тока.

«Сопротивление переменному току» или полное сопротивление конденсатора определяется по формуле:

XC = 1 / (2 * π * f * C)

Где XC — емкостное реактивное сопротивление или импеданс, f — частота, а C — емкость.Вы можете использовать эту формулу для расчета виртуального «сопротивления» конденсатора в цепи переменного тока.

Где конденсаторы найдены в дикой природе

Хорошо, этого было достаточно, теория. Давайте посмотрим на многие использования конденсаторов .

Первое место, которое вы могли бы ожидать увидеть конденсаторы, — это всевозможные источники питания в качестве фильтров и для развязки. Они действуют как зарядные резервуары, обеспечивая быстрый ток, когда нагрузка в этом нуждается.

Вот два снимка осциллографа, которые показывают эффект отсутствия и наличия конденсатора на выводах блока питания.Как вы можете видеть, наличие конденсаторов значительно снижает «шум» на шинах электропитания, тем самым защищая чувствительные детали от внезапных скачков напряжения.

Их также называют «развязывающими» конденсаторами , поскольку они «развязывают» участки цепи, на которой они смонтированы, от источника питания. Иногда силовые провода на плате могут быть довольно длинными и иметь высокую индуктивность и сопротивление. Это может привести к тому, что они обеспечат меньший ток, чем обычно.Наличие конденсатора на конце линии электропитания похоже на наличие меньшей временной «батареи» на устройстве, обеспечивающей выбросы тока при необходимости и зарядку, когда устройство потребляет низкую мощность.

Вы можете использовать формулу I / C = dV / dt, чтобы рассчитать необходимую емкость для снятия «пульсирующего» напряжения с клемм источника питания.

Предположим, у вас есть источник питания , напряжение которого изменяется от 11,5 В до 12 В (пульсация) каждые 10 мс, что является обычным явлением в устройствах с питанием от сети из-за частоты 50 Гц, и вам необходимо поместить крышку на клеммы, чтобы сгладить напряжение.Если ток нагрузки в этом случае равен 1А, то мы можем изменить формулу таким образом, чтобы определить емкость:

(I * DT) / DV

Где I — ток нагрузки, dt — период времени шума, а dV — пульсирующее напряжение. Подставляя значения, мы находим, что нам нужна емкость 20000 мкФ. Теперь это может показаться много, но вы могли бы сойти с рук гораздо меньше. Полученное значение служит только ориентиром.

В реальной жизни вы можете найти несколько типов и значений конденсаторов на разных линиях электропередачи, чтобы снизить уровень шума на многих частотах и ​​получить максимально плавное напряжение.

Другое использование конденсаторов в сложных фильтрах, подобных этому:

Но более простым фильтром будет RC-фильтр , здесь описан один интересный фильтр.

Всем известна плата микроконтроллера Arduino. Универсальный инструмент, но вы никогда не задумывались, почему аналоговые выходы излучают цифровой сигнал ШИМ? Это потому, что они были разработаны для использования с внешней сетью фильтрации для сглаживания напряжения ШИМ до действительно аналогового напряжения.Это можно сделать с помощью таких простых деталей, как резистор 1 кОм и конденсатор 10 мкФ. Попытайся!

Другое использование, как упомянуто выше, является временем. Простой генератор может быть построен с использованием вентиля NAND (попробуйте выяснить, почему вентили AND не будут работать), резистором и конденсатором.

Предполагая, что изначально на конденсаторе нет напряжения, входы NAND (которые связаны вместе) видят около 0 В на них и включают выход. Крышка теперь заряжается через резистор.Когда он достигает «высокого» порога затвора, выходной сигнал мигает низко, и крышка теперь разряжается. Этот цикл продолжает производить прямоугольный выходной сигнал с частотой, зависящей от значений R и C.

Наконец, еще одним интересным применением конденсаторов является накопление энергии. Конечно, конденсаторы не подходят для батарей, но для некоторых применений, которым требуется быстрая энергия, крышки лучше всего подходят для работы.

, такие как ружья (больше можно найти в сети), нуждаются в большом импульсе тока для ускорения снаряда, поэтому для таких целей используются конденсаторы высокого напряжения, часто с такими характеристиками, как 450 В 1500 мкФ, которые могут хранить значительные количества энергии.

Заключение

Вот и все! Теперь вы знаете о конденсаторах гораздо больше, чем то, с чего начинали. Теперь вы можете создавать простые конденсаторные схемы. Помните, что есть чему поучиться, и не переключайте клеммы блока питания!