Конденсаторы и фильтрация мощности

КонденсаторыЭта статья посвящена следующей группе пассивных элементов, встречающихся почти в каждом электронном устройстве.

Речь идет о конденсаторах, которые могут действовать как небольшие батареи, накапливающие в себе электрическую энергию. Благодаря этому, конденсаторы идеальны в качестве силовых фильтров.

Что такое конденсаторы?

Конденсаторы можно разделить на два типа: полярные и неполярные. Так что для одних типов конденсаторов важно знать полярность при включении их в схему, а для других совершенно безразлично. Ниже показаны различные типы конденсаторов:

Конденсаторы различных типов

Конденсаторы подключаются параллельно с питанием, благодаря чему они ведут себя так же, как батареи: они заряжаются во время нормальной работы и разряжаются, когда нашего источника питания временно недостаточно.

Полярные конденсаторы

К полярным конденсаторам относятся электролитические конденсаторы. Эти элементы нужно уметь правильно подключать. Ножки конденсаторов имеют разную длину: более длинная — плюс, более короткая — минус.

Обычно, на схемах, знак плюс указывает на выход, который должен быть подключен к плюсовой шине питания («плюс» от батареи).

Пример электролитического конденсатора
Пример электролитического конденсатора с описанным символом

Как устроен электролитический конденсатор?

Внутри такой конденсатор состоит из двух материалов с диэлектриком (т.е. бумагой, пропитанной электролитом). Эти материалы плотно скатываются и запрессовываются в алюминиевый стаканчик, который закрывается резиновой пробкой. Материалы отличаются друг от друга:  один из них представляет собой металлический электрод, а другой — электролит. Поэтому так важно знать полярность данного конденсатора.

На картинках ниже показан урезанный конденсатор емкостью 100 мкФ:

Конденсатор в разбореКонденсатор в разборе 2Конденсатор в разборе 3
Конденсатор после снятия корпусаСкрученные материалы конденсатораМатериалы конденсаторов в развернутом виде

Всегда внимательно проверяйте полярность!

Не правильное подключение конденсатора может вызвать повреждение, короткое замыкание или взрыв!

Подбирая конденсаторы, нужно выбирать элементы с соответствующим рабочим напряжением, и помните о правильности их подключения.

Следующий эксперимент с неправильным подключением конденсатора был проведен нами в безопасных контролируемых условиях. Не делайте этого самостоятельно! На фото ниже показано, что происходит с конденсатором, напряжение которого обратно пропорционально.

И кстати, подумайте, а что было бы, если бы мы подключили 20 таких конденсаторов, и при включении все они взорвались? Ниже представлены фото до включения питания и после:

Рабочий конденсаторКонденсатор подключен неправильно
Рабочий конденсаторНеправильно подключенный конденсатор

Бывает, что конденсатор со временем может перестать работать. Нерабочий конденсатор можно определить на глаз, его распирает, стаканчик как бы вздувается. Конденсаторы большей емкости снабжены предохранительными механизмами, в виде прорезей в верхней его части.

Защита электролитических конденсаторов

Эти прорези работают как предохранительный клапан, который открывается при повышении внутреннего давления до того, как произойдет взрыв. Выше вы видите электролитический конденсатор, в котором сработал такой предохранительный механизм.

Неполярные конденсаторы

Неполярных конденсаторов, довольно много, и их разнообразие связано с материалами, из которых изготовлены диэлектрики, находящиеся между пластинами. Среди прочего используются:

  • керамические конденсаторы,
  • полиэфирные и полипропиленовые конденсаторы.

У каждой группы таких конденсаторов разные применения. Керамические конденсаторы используются, например, в системах, где напряжения могут изменяться очень и очень часто, а фольговые конденсаторы — в системах, работающих при сетевом напряжении, их используют из-за высокого сопротивления напряжению (порядка сотен вольт) и малых потерь.

Керамических конденсаторов достаточно для микроконтроллерной электроники и большинства цифровых схем.

Независимо от типа неполяризованного конденсатора, на схеме они представлены одинаково. Безполярные конденсаторы, в зависимости от способа их изготовления, также доступны в различных корпусах.

Популярные керамические конденсаторы выглядят как маленькие коричневые «пилюли».

Пример керамического конденсатора

Также стоит из любопытства узнать, как выглядят элементы, которыми мы сейчас заниматься не будем. Пленочные конденсаторы известны как прямоугольные кубики разного цвета:

Пленочный конденсаторКорпус поврежденРазвернутая фольга
Пленочный конденсаторПоврежденный корпус пленочного конденсатораРазвернутая фольга конденсатора

Существуют также танталовые конденсаторы, сочетающие в себе преимущества электролитических (большая емкость) и керамических (отсутствие высыхания, низкие потери) конденсаторов, но они не очень популярны среди новичков из-за относительно высокой цены.

Танталовый конденсатор (вверх)Танталовый конденсатор (внизу)
Танталовый конденсатор (вид сверху) Танталовый конденсатор (вид снизу)
На танталовых конденсаторах, цветная полоса на корпусе, указывает на положительный полюс! Если припаять эти компоненты наоборот, они вызовут короткое замыкание!

Емкость конденсатора

Конденсаторы в основном характеризуются двумя параметрами: емкостью и рабочим напряжением. Первый описывает способность накапливать заряд и выражается в фарадах (символ F). Однако это очень большая единица, поэтому на практике вы в основном встретите:

  • пикофарады [пФ] (1 пФ = 0,000,000,000,001 Ф),
  • нанофарады [нФ] (1 нФ = 0,000,000,001 Ф),
  • микрофарады [мкФ] (1 мкФ = 0,000 001 Ф).
Греческую букву «ми» [μ] проблематично написать на компьютере, поэтому латинская буква [u] часто используется для обозначения сходства.

Рабочее напряжение конденсатора

Этот параметр выражается в вольтах [В] и определяет, какое напряжение может существовать между пластинами конденсатора без риска его повреждения. Это предельное значение, поэтому вам следует использовать элементы с напряжением выше, чем ожидаемое в цепи. Наиболее распространенные рабочие напряжения конденсаторов: 10 В, 16 В, 25 В, 35 В, 50 В, 63 В и 100 В.

Максимальное рабочее напряжение существенно влияет на размер конденсаторов. Например, самый большой (физически) конденсатор на фото ниже имеет наименьшую емкость, но способен выдерживать очень высокое напряжение (330 В).

Самый большой конденсатор

Например, для системы питающейся от автомобильного аккумулятора (напряжение 12,8 В, максимум 14,4 В или даже> 15 В), вы можете использовать конденсаторы на 16 В, но это будет очень маленький запас. Лучше использовать конденсаторы, адаптированные к напряжению, например 25 В.

Однозначного ответа на вопрос, насколько выше ожидаемого будет рабочее напряжение конденсатора, которое появится на нем при работе, нет. Часто предполагается, что по крайней мере 20% запаса выше максимального ожидаемого напряжения.

Некоторые электролитические конденсаторы небольшой емкости, например 1 мкФ или 2,2 мкФ, производятся только для напряжений 50 В и выше. Противопоказаний к использованию в цепи с напряжением в несколько вольт нет.

Использование конденсаторов на практике

Конденсаторы — не особо впечатляющие элементы (ну, может быть, не считая взрыва выше). Их начинают ценить, когда они перестают работать, и устройство начинает «сходить с ума» из-за скачков напряжения.

Однако давайте проведем простой эксперимент, который позволит вам увидеть своими глазами, как конденсаторы накапливают энергию. Нам понадобятся:

  • Макетная плата,
  • Аккумулятор 9 В с клеммами,
  • Резистор 1 кОм,
  • Зеленый светодиод,
  • Конденсаторы 1000 мкФ, 220 мкФ и 100 нФ,
  • Один провод к плате.
Схема для подключения конденсатора
Экспериментальная схема для подключения конденсатора

Мы поговоримм о светодиодах более подробно в следующей статье. Вкратце: этот элемент горит (в данном случае зеленым), когда через него протекает слабый ток (1-30 мА). На данный момент достаточно подключить диод по приведенной выше схеме, т.е. более короткую ножку диода к земле (минус), а более длинную — к плюсу через резистор.

Помните о правильной полярности электролитического конденсатора. Минус отмечен вертикальной полосой на корпусе!
Сборка на платеСхема подключения
Практическая сборка на платеСхема подключения элементов

При включении питания (в виде батареи) диод мигает — не сразу, но быстро. При отключении батареи, светодиод (индикатор) постепенно гаснет. Этот эффект связан с пропускной способностью нашей цепи. На первом этапе заряжается конденсатор, а на втором отдает свою энергию светодиоду. Правильная работа цепи показана на анимации ниже:

Работа конденсатора
Работа конденсатора в цепи

Проверьте, как ведет себя система при очень быстром подключении и отключении аккумулятора. Диод будет постоянно гореть. Итак … конденсаторные фильтры снижают напряжение на входе в систему!

Подключение конденсаторов

Конденсаторы, как и резисторы, можно подключать последовательно и параллельно. Однако эффекты от этих комбинаций противоположны!

Последовательно соединяют только конденсаторы с емкостью меньше, чем у самого маленького используемого элемента. А конденсаторы с емкостью, большей, чем самая большая из используемых, соединяют параллельно. Формулы для расчета полученных значений несложны, но их стоит иметь под рукой.

Подключение конденсаторов параллельно и последовательно
Подключение конденсаторов параллельно (слева) и последовательно (справа)

Здесь также следует обращать внимание на количество конденсаторов и стандартизировать их, прежде чем подставлять их в формулу! Стоит помнить о таких возможностях подключения конденсаторов, но на практике это применяется нечасто.

Теперь вы можете попробовать протестировать предыдущую схему, вставив на плату параллельно подключенные конденсаторы:

Параллельное подключение конденсаторов
Пример параллельного подключения конденсаторов

Кстати, некоторые более дорогие мультиметры имеют функцию измерения емкости конденсаторов. Измеряемый конденсатор необходимо предварительно разрядить, путем короткого замыкания его выводов, иначе тестер может выйти из строя! Но, откровенно говоря, с практической точки зрения, эта функция используется очень редко, так что … не придется сожалеть о том, что ее нет.

Использование конденсаторов

Что касается цифровых технологий, конденсаторы в основном используются для фильтрации мощности. Цифровые схемы (включая микроконтроллеры) чувствительны к помехам, которые могут вызвать их неисправность (например, зависание). Следовательно, питание каждой цифровой схемы должно фильтроваться (например, керамическими конденсаторами 100 нФ).

Фильтрация заключается в подключении конденсаторов между линией питания и землей.

Конденсаторы не пропускают постоянный ток (их можно подключать к батарее, не опасаясь короткого замыкания), но они проводят переменный ток. В результате, помехи в виде переменного напряжения, замыкаются на землю.

Электролитические конденсаторы, несмотря на большую емкость, неэффективны для фильтрации сигналов с действительно высокими частотами. Это связано с особенностью, называемой последовательной индуктивностью (об индуктивности позже). С другой стороны, керамические конденсаторы не могут эффективно отфильтровывать низкочастотный шум.

По указанным выше причинам, наиболее эффективным является параллельное соединение обоих типов конденсаторов: электролитических и керамических.
Фильтр из электролитического и керамического конденсатора
Пример фильтра, состоящего из электролитического и керамического конденсатора

Какие мощности использовать?

Однозначного ответа здесь нет. Чаще всего используются керамические конденсаторы емкостью 100 нФ, но это не критично. С электролитическими конденсаторами дело обстоит иначе, в зависимости от того, где они установлены в цепи. Конденсатор, используемый рядом с микроконтроллером, должен иметь емкость ~ 10–100 мкФ. С другой стороны, фильтрующий блок питания всей цепи может иметь уже несколько сотен микрофарад.

Слишком большая емкость конденсатора (как правило) не причинит вреда.
Питание на интегральной схеме
Конденсаторы фильтра — питание на интегральной схеме

Большой символ в правой части схемы, представляет собой пример микроконтроллера (интегральной схемы). На данный момент вам не нужно вникать в эту информацию. Самое главное, что вы должны знать, это то, что питание на него подается через «фильтр», состоящий из двух конденсаторов.

RC-фильтры

Конденсаторы в сочетании с резисторами образуют RC-фильтры. Однако этот вопрос выходит за рамки материала, рассматриваемого в данной статье. Подробнее о них, мы напишем в следующей статье.

Вывод

Несмотря на простоту эксплуатации, роль конденсаторов в электронике очень велика. Фактически, вы узнаете о преимуществах конденсаторов позже, когда начнете создавать свои схемы, оснащенные микроконтроллерами, моторами и другими элементами. Помните, без правильного количества конденсаторов ничего не будет работать должным образом.

С Уважением, МониторБанк

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *