Стандартный ряд конденсаторов: Стандартные значения конденсаторов

Конденсаторные основы, рабочие и различные типы конденсаторов с их применениями в цепях

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

мы немного разберемся с интересной математикой, которая поможет нам проектировать схемы с конденсаторами.

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 расположены 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 изготовлена ​​крышка — 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.

код	Picofarad (pF)	Нанофарад (нФ)	Микрофарад (мкФ)
100	10	0.01	0,00001
150	15	0,015	0,000015
220	22	0,022	0,000022
330	33	0.033	0,000033
470	47	0,047	0,000047
331	330	0,33	0,00033
821	820	0.82	0,00082
102	1000	1,0	0,001
152	1500	1,5	0,0015
202	2000	2.0	0,002
502	5000	5,0	0,005
103	10000	10	0,01
683	68000	68	0.068
104	100000	100	0,1
154	150000	150	0,15
334	330000	330	0.33
684	680000	680	0,68
105	1000000	1000	1,0
335	3300000	3300	3.3

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. Они имеют 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. Параллельное объединение этих меньших предельных значений в конечном итоге даст вам большее значение и выполнит работу, если 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, на пластинах стремительно накапливается заряд, 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 у вас остается только 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, таким образом 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 будут обеспечивать 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.

Устройства

, 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 номинальными характеристиками, такими как 450 В, 1500 мкФ, которые могут хранить значительные количества энергии.

Заключение

Вот так! 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!

конденсаторов — learn.sparkfun.com

Избранные любимец 69

Введение

Конденсатор — это двухконтактный электрический компонент. Наряду с резисторами и катушками индуктивности, они являются одним из самых фундаментальных пассивных компонентов, которые мы используем. Вам бы очень хотелось найти схему, в которой у не было конденсатора.

Что делает конденсаторы особенными, так это их способность хранить энергию ; они как полностью заряженный электрический аккумулятор. Caps , как мы обычно называем их, имеют все виды критических применений в цепях. Общие области применения включают локальное накопление энергии, подавление скачков напряжения и сложную фильтрацию сигналов.

В этом уроке

В этом уроке мы рассмотрим все виды конденсаторных тем, в том числе:

• Как сделан конденсатор
• Как работает конденсатор
• Единицы емкости
• Типы конденсаторов
• Как распознать конденсаторы
• Как емкость объединяется последовательно и параллельно
• Применение обычных конденсаторов

Рекомендуемое чтение

Некоторые концепции в этом руководстве основаны на предыдущих знаниях в области электроники.Прежде чем перейти к этому уроку, сначала прочитайте (хотя бы скимминг):

---

Символы и Единицы

Схемные символы

Существует два распространенных способа нарисовать конденсатор на схеме. У них всегда есть две клеммы, которые продолжают подключаться к остальной части цепи. Символ конденсаторов состоит из двух параллельных линий, которые являются либо плоскими, либо изогнутыми; Обе линии должны быть параллельны друг другу, закрыты, но не касаться друг друга (это на самом деле представляет собой способ изготовления конденсатора.Трудно описать, просто показать:

(1) и (2) являются символами стандартной конденсаторной цепи. (3) является примером символов конденсаторов в действии в цепи регулятора напряжения.

Символ с изогнутой линией (# 2 на фото выше) указывает, что конденсатор поляризован, то есть, вероятно, это электролитический конденсатор. Подробнее об этом в разделе «Типы конденсаторов» этого руководства.

Каждый конденсатор должен сопровождаться именем — C1, C2 и т. Д., — и ценность. Значение должно указывать емкость конденсатора; сколько у него фарадов. Кстати о фарадах …

Емкостные Единицы

Не все конденсаторы созданы равными. Каждый конденсатор имеет определенную емкость. Емкость конденсатора говорит вам , сколько заряда он может хранить , чем больше емкость, тем больше емкость для хранения заряда. Стандартная единица емкости называется Фарад , что сокращенно F .

Оказывается, что фарад — это лот емкостью , даже 0,001F (1 милифарад — 1мФ) — большой конденсатор. Обычно вы видите конденсаторы в диапазоне от пико- (10 ^-12 ) до микрофарад (10 ^-6 ).

Имя префикса	Сокращение	Вес	Эквивалентные Фарады
Picofarad	pF	10 -12	0,000000000001 F
нанофарад	нФ	10 -9	0.000000001 F
Микрофарад	мкФ	10 -6	0,000001 F
Милифарад	mF	10 -3	0,001 F
Килофарад	кФ	10 3	1000 F

Когда вы попадаете в диапазон емкости от Фарада до Килофарада, вы начинаете говорить о специальных крышках, называемых конденсаторами super или ultra .

---

Теория конденсаторов

Примечание : материал на этой странице не является абсолютно критичным для начинающих электронщиков, и он становится немного сложнее к концу. Мы рекомендуем прочитать раздел «Как изготавливается конденсатор», остальные, вероятно, можно пропустить, если у вас болит голова.

Как сделан конденсатор

Схематический символ для конденсатора на самом деле очень похож на то, как он сделан.Конденсатор создан из двух металлических пластин и изолирующего материала, называемого диэлектриком . Металлические пластины расположены очень близко друг к другу, параллельно, но диэлектрик расположен между ними, чтобы они не соприкасались.

Ваш стандартный конденсаторный сэндвич: две металлические пластины, разделенные изолирующим диэлектриком.

Диэлектрик может быть изготовлен из всех видов изоляционных материалов: бумаги, стекла, резины, керамики, пластика или чего-либо, что будет препятствовать протеканию тока.

Пластины изготовлены из проводящего материала: алюминия, тантала, серебра или других металлов. Каждый из них подключен к клеммному проводу, который в конечном итоге подключается к остальной части цепи.

Емкость конденсатора — сколько у него фарад — зависит от его конструкции. Большая емкость требует большего конденсатора. Пластины с большей площадью поверхности перекрытия обеспечивают большую емкость, в то время как большее расстояние между пластинами означает меньшую емкость. Материал диэлектрика даже влияет на количество фарадов в кепке.Общая емкость конденсатора может быть рассчитана по уравнению:

, где ε _r — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (постоянное значение, определяемое диэлектрическим материалом), A — это площадь области, в которой пластины перекрывают друг друга, и d — расстояние между пластинами.

Как работает конденсатор

Электрический ток — это поток электрического заряда, который электрические компоненты используют для зажигания, или вращения, или для того, что они делают.Когда ток течет в конденсатор, заряды «залипают» на пластинах, потому что они не могут пройти через изолирующий диэлектрик. Электроны — отрицательно заряженные частицы — всасываются в одну из пластин, и она становится в целом отрицательно заряженной. Большая масса отрицательных зарядов на одной пластине отталкивает, как заряды на другой пластине, делая ее положительно заряженной.

Положительные и отрицательные заряды на каждой из этих пластин притягивают друг друга, потому что это то, что делают противоположные заряды.Но с диэлектриком, сидящим между ними, столько, сколько они хотят собраться вместе, заряды будут навсегда налипать на пластину (пока им не будет куда-то еще идти). Стационарные заряды на этих пластинах создают электрическое поле, которое влияет на электрическую потенциальную энергию и напряжение. Когда заряды группируются на таком конденсаторе, колпачок накапливает электрическую энергию так же, как аккумулятор может накапливать химическую энергию.

Зарядка и разрядка

Когда положительные и отрицательные заряды сливаются на пластинах конденсатора, конденсатор становится заряженным .Конденсатор может сохранять свое электрическое поле — удерживать заряд — потому что положительные и отрицательные заряды на каждой из пластин притягивают друг друга, но никогда не достигают друг друга.

В какой-то момент пластины конденсаторов будут настолько заряжены, что просто не смогут больше их принимать. На одной пластине достаточно отрицательных зарядов, чтобы они могли отразить любые другие, которые пытаются присоединиться. Именно здесь в игру вступает емкость конденсатора емкостью (Фарад), которая сообщает вам максимальное количество заряда, которое может хранить крышка.

Если в цепи создан путь, который позволяет зарядам найти другой путь друг к другу, они покинут конденсатор, и он разрядит .

Например, в приведенной ниже схеме батарею можно использовать для наведения электрического потенциала через конденсатор. Это приведет к тому, что на каждой из пластин будут накапливаться равные, но противоположные заряды, пока они не станут настолько полными, что больше не будут отталкивать ток. Светодиод, установленный последовательно с крышкой, может обеспечить путь для тока, а энергия, накопленная в конденсаторе, может быть использована для кратковременного освещения светодиода.

Расчет заряда, напряжения и тока

Емкость конденсатора — сколько фарад у него есть — говорит вам, сколько заряда он может хранить. Сколько заряда конденсатора составляет , который в настоящее время хранится в , зависит от разности потенциалов (напряжения) между его пластинами. Это соотношение между зарядом, емкостью и напряжением можно смоделировать с помощью следующего уравнения:

Заряд (Q), хранящийся в конденсаторе, является произведением его емкости (C) и приложенного к нему напряжения (V).

Емкость конденсатора всегда должна быть постоянной, известной величиной. Таким образом, мы можем отрегулировать напряжение, чтобы увеличить или уменьшить заряд крышки. Больше напряжения означает больше заряда, меньше напряжения … меньше заряда.

Это уравнение также дает нам хороший способ определить значение одного фарада. Один фарад (F) — это способность хранить одну единицу энергии (кулоны) на каждый вольт.

Расчетный ток

Мы можем сделать еще одно уравнение заряда / напряжения / емкости, чтобы выяснить, как емкость и напряжение влияют на ток, потому что ток — это скорость потока заряда.Суть отношения конденсатора к напряжению и току такова: величина тока через конденсатор зависит как от емкости, так и от того, насколько быстро напряжение растет или падает . Если напряжение на конденсаторе быстро возрастает, через конденсатор будет индуцироваться большой положительный ток. Более медленный рост напряжения на конденсаторе равняется меньшему току через него. Если напряжение на конденсаторе стабильное и неизменное, ток не пройдет через него.

(Это уродливо и входит в исчисление. Это не все, что нужно, пока вы не приступите к анализу во временной области, разработке фильтров и другим грубым вещам, поэтому переходите к следующей странице, если вам не нравится это уравнение .) Уравнение для расчета тока через конденсатор:

Часть этого уравнения в dV / dt является производной (причудливый способ сказать мгновенную скорость ) напряжения во времени, это эквивалентно выражению «как быстро напряжение растет или падает в этот самый момент».Большой вывод из этого уравнения состоит в том, что если напряжение устойчиво , производная равна нулю, что означает, что ток также равен нулю . Вот почему ток не может течь через конденсатор, поддерживающий постоянное напряжение постоянного тока.

---

Типы конденсаторов

Существуют всевозможные типы конденсаторов, каждый с определенными характеристиками и недостатками, которые делают его лучше для одних приложений, чем для других.

При выборе типов конденсаторов необходимо учитывать несколько факторов:

• Размер — Размер как с точки зрения физического объема и емкости.Обычно конденсатор является самым большим компонентом в цепи. Они также могут быть очень маленькими. Большая емкость обычно требует большего конденсатора.
• Максимальное напряжение — Каждый конденсатор рассчитан на максимальное напряжение, которое может быть пропущено через него. Некоторые конденсаторы могут быть рассчитаны на 1,5 В, другие могут быть рассчитаны на 100 В. Превышение максимального напряжения обычно приводит к разрушению конденсатора.
• Ток утечки — Конденсаторы не идеальны.Каждая крышка склонна пропускать небольшое количество тока через диэлектрик от одного контакта к другому. Эта крошечная потеря тока (обычно наноампер или меньше) называется утечкой. Утечка приводит к тому, что энергия, накопленная в конденсаторе, медленно, но обязательно стекает.
• Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) — Клеммы конденсатора не являются на 100% проводящими, они всегда будут иметь небольшое сопротивление (обычно менее 0,01 Ом). Это сопротивление становится проблемой, когда через крышку проходит большой ток, что приводит к потере тепла и мощности.
• Допуск — Конденсаторы также не могут иметь точную и точную емкость. Каждая крышка рассчитана на номинальную емкость, но в зависимости от типа точное значение может варьироваться от ± 1% до ± 20% от требуемого значения.

Керамические конденсаторы

Наиболее часто используемым и производимым конденсатором является керамический конденсатор. Название происходит от материала, из которого сделан их диэлектрик.

Керамические конденсаторы обычно бывают как физически, так и емкостными. малы .Трудно найти керамический конденсатор намного больше, чем 10 мкФ. Керамический колпачок для поверхностного монтажа обычно находится в крошечной упаковке 0402 (0,4 мм х 0,2 мм), 0603 (0,6 мм х 0,3 мм) или 0805. Сквозные керамические колпачки обычно выглядят как маленькие (обычно желтые или красные) лампочки с двумя выступающими клеммами.

Две крышки в сквозном, радиальном корпусе; крышка 22 пФ слева и 0,1 мкФ справа. Посередине — крошечная крышка для поверхностного монтажа 0,1 мкФ 0603.

По сравнению со столь же популярными электролитическими крышками, керамика является почти почти идеальным конденсатором (намного более низкие значения ESR и токи утечки), но их небольшая емкость может быть ограничивающей.Они, как правило, самый дешевый вариант тоже. Эти заглушки хорошо подходят для высокочастотных соединений и развязки.

Алюминий и тантал Электролитик

Электролитики

хороши тем, что могут вместить емкостью в относительно небольшой объем. Если вам нужен конденсатор в диапазоне 1 мкФ-1 мФ, вы, скорее всего, найдете его в электролитической форме. Они особенно хорошо подходят для высоковольтных применений из-за их относительно высоких значений максимального напряжения.

Алюминиевые электролитические конденсаторы, наиболее популярные в семействе электролитов, обычно выглядят как маленькие консервные банки, причем оба провода идут снизу.

Ассортимент сквозных и поверхностных электролитических конденсаторов. Обратите внимание, что у каждого есть свой метод маркировки катода (отрицательный вывод).

К сожалению, электролитические колпачки обычно поляризованы . У них есть положительный вывод — анод — и отрицательный вывод, называемый катодом.Когда напряжение подается на электролитическую крышку, анод должен иметь более высокое напряжение, чем катод. Катод электролитического конденсатора обычно обозначается знаком «-» и цветной полоской на корпусе. Ножка анода также может быть немного длиннее в качестве другого признака. Если на электролитический колпачок подать напряжение в обратном направлении, они эффектно выйдут из строя (сделав щелчков и взорвавшись), и навсегда. После срабатывания электролитик будет вести себя как короткое замыкание.

Эти колпачки также печально известны утечкой — позволяя небольшим величинам тока (порядка нА) проходить через диэлектрик от одного контакта к другому. Это делает электролитические колпачки менее чем идеальными для хранения энергии, что, к сожалению, учитывая их высокую емкость и номинальное напряжение.

суперконденсаторы

Если вы ищете конденсатор, предназначенный для накопления энергии, обратите внимание на суперконденсаторы. Эти колпачки имеют уникальную конструкцию, обеспечивающую и высоких емкостей в диапазоне Фарад.

1F (!) Суперконденсатор. Высокая емкость, но рассчитана только на 2,5 В. Обратите внимание, что они также поляризованы.

Несмотря на то, что они могут хранить огромное количество заряда, суперкапы не могут справиться с очень высоким напряжением. Этот суперкап 10F рассчитан только на 2,5 В макс. Больше чем это разрушит это. Супер-колпачки обычно устанавливаются последовательно для достижения более высокого номинального напряжения (при одновременном снижении общей емкости).

Основным применением суперконденсаторов является хранение и выделение энергии , подобно батареям, которые являются их основным конкурентом.Хотя суперкапы не могут удерживать столько энергии, сколько батарея одинакового размера, они могут высвободить ее гораздо быстрее и, как правило, имеют более продолжительный срок службы.

Другие

Электролитические и керамические колпачки покрывают около 80% типов конденсаторов (а суперкапсеты только около 2%, но они супер!). Другим распространенным типом конденсаторов является пленочный конденсатор , который характеризуется очень низкими паразитными потерями (ESR), что делает их отличными для работы с очень высокими токами.

Есть много других менее распространенных конденсаторов. Переменные конденсаторы могут создавать диапазон емкостей, что делает их хорошей альтернативой переменным резисторам в цепях настройки. Скрученные провода или печатные платы могут создавать емкость (иногда нежелательную), поскольку каждый состоит из двух проводников, разделенных изолятором. Лейденские банки — стеклянная банка, наполненная и окруженная проводниками — это О.Г. из семейства конденсаторов. Наконец, конечно, конденсаторы потока (странная комбинация индуктора и конденсатора) имеют решающее значение, если вы когда-нибудь планируете отправиться обратно в славные дни.

---

Конденсаторы последовательно / параллельно

Подобно резисторам, несколько конденсаторов могут быть объединены последовательно или параллельно для создания объединенной эквивалентной емкости. Конденсаторы, однако, складываются таким образом, что это , полностью противоположный резисторов.

конденсаторов в параллель

Когда конденсаторы размещены параллельно друг другу, общая емкость — это просто сумма всех емкостей .Это аналогично тому, как резисторы добавляют в серии.

Так, например, если бы у вас было три конденсатора со значениями 10 мкФ, 1 мкФ и 0,1 мкФ параллельно, общая емкость была бы 11,1 мкФ (10 + 1 + 0,1).

Конденсаторы серии

Очень похоже на то, что параллельно добавлять резисторы очень сложно, конденсаторы становятся забавными, когда их помещают в серию серии . Общая емкость последовательно соединенных конденсаторов N является обратной величиной суммы всех обратных емкостей.

Если у вас есть только двух конденсаторов последовательно, вы можете использовать метод «product-over-sum» для расчета общей емкости:

Если еще больше уточнить это уравнение, если у вас есть двух конденсаторов с равными значениями в серии , общая емкость равна половине их значения.Например, два суперконденсатора 10F, соединенные последовательно, будут давать общую емкость 5F (это также будет иметь преимущество, заключающееся в удвоении номинального напряжения всего конденсатора, с 2,5 до 5 В).

---

Примеры применения

Существует множество приложений для этого изящного маленького (на самом деле они довольно большого) пассивного компонента. Чтобы дать вам представление об их широком спектре использования, вот несколько примеров:

Конденсаторы развязывающие (байпасные)

Многие конденсаторы, которые вы видите в цепях, особенно с интегральной схемой, разъединяются.Задача развязывающего конденсатора состоит в подавлении высокочастотного шума в сигналах источника питания. Они снимают крошечные колебания напряжения, которые в противном случае могут быть вредными для чувствительных микросхем, из источника питания.

В некотором смысле развязывающие конденсаторы действуют как очень маленький локальный источник питания для интегральных схем (почти как источник бесперебойного питания для компьютеров). Если источник питания очень временно сбрасывает свое напряжение (что на самом деле является довольно распространенным явлением, особенно когда цепь, к которой он подключен, постоянно переключает требования к нагрузке), развязывающий конденсатор может кратковременно подавать питание при правильном напряжении.Вот почему эти конденсаторы также называют байпас крышки; они могут временно действовать как источник питания, в обход источника питания .

Разъединяющие конденсаторы подключаются между источником питания (5 В, 3,3 В и т. Д.) И землей. Для обхода источника питания нередко используют два или более конденсатора с разными значениями, даже разных типов, потому что некоторые значения конденсаторов будут лучше, чем другие, при фильтрации определенных частот шума.

В этой схеме используются три развязывающих конденсатора, чтобы помочь уменьшить шум в источнике напряжения акселерометра.Два керамических 0,1 мкФ и один танталовый электролитический 10 мкФ разделенный режим развязки.

Хотя кажется, что это может создать короткое замыкание от источника питания к земле, через конденсатор на землю могут проходить только высокочастотные сигналы. Сигнал постоянного тока поступит на ИС, как и нужно. Другая причина, по которой они называются конденсаторами байпаса, заключается в том, что высокие частоты (в диапазоне кГц-МГц) обходят микросхему и вместо этого проходят через конденсатор, чтобы попасть на землю.

При физическом размещении развязывающих конденсаторов они всегда должны быть расположены как можно ближе к ИС.Чем дальше они, тем менее эффективными они будут.

Вот схема физической схемы из схемы выше. Крошечная черная микросхема окружена двумя конденсаторами по 0,1 мкФ (коричневые колпачки) и одним электролитическим танталовым конденсатором 10 мкФ (высокая, черная / серая прямоугольная крышка).

Чтобы следовать хорошей инженерной практике, всегда добавляйте хотя бы один развязывающий конденсатор к каждой микросхеме. Обычно 0,1 мкФ является хорошим выбором, или даже добавьте 1 мкФ или 10 мкФ крышки. Это дешевое дополнение, которое помогает убедиться, что микросхема не подвергается большим провалам или скачкам напряжения.

Блок питания для фильтрации

Диодные выпрямители

могут использоваться для преобразования переменного напряжения, выходящего из вашей стены, в постоянное напряжение, требуемое большинством электроники. Но одни только диоды не могут превратить сигнал переменного тока в чистый сигнал постоянного тока, им нужна помощь конденсаторов! Добавив параллельный конденсатор к мостовому выпрямителю, выпрямленный сигнал будет выглядеть так:

Может быть превращен в почти постоянный сигнал постоянного тока, например:

Конденсаторы

— это упрямые компоненты, они всегда будут пытаться противостоять внезапным изменениям напряжения.Конденсатор фильтра будет заряжаться при увеличении выпрямленного напряжения. Когда выпрямленное напряжение, поступающее в крышку, начинает стремительно снижаться, конденсатор получает доступ к банку накопленной энергии и очень медленно разряжается, подавая энергию на нагрузку. Конденсатор не должен полностью разряжаться до того, как входной выпрямленный сигнал снова начнет увеличиваться, заряжая крышку. Этот танец повторяется много раз в секунду, снова и снова, пока используется источник питания.

Цепь питания переменного тока в постоянный.Крышка фильтра (C1) имеет решающее значение для сглаживания сигнала постоянного тока, передаваемого в цепь нагрузки.

Если вы разорвете любой источник переменного тока, вы обязательно найдете хотя бы один довольно большой конденсатор. Ниже приведены данные по настенному адаптеру 9 В пост. Заметили там конденсаторы?

Конденсаторов может быть больше, чем вы думаете! Имеются четыре электролитические крышки в жестяной банке в диапазоне от 47 до 1000 мкФ. Большой желтый прямоугольник на переднем плане — высоковольтный 0.Крышка из полипропиленовой пленки 1 мкФ. Синяя крышка в форме диска и маленькая зеленая в центре — это керамика.

Хранение и поставка энергии

Кажется очевидным, что если конденсатор накапливает энергию, одно из многих его применений будет поставлять эту энергию в цепь, как аккумулятор. Проблема в том, что конденсаторы имеют гораздо меньшую плотность энергии, чем батареи; они просто не могут аккумулировать столько энергии, сколько химическая батарея одинакового размера (но этот разрыв сокращается!).

Преимущество конденсаторов в том, что они обычно служат дольше, чем батареи, что делает их лучшим выбором для окружающей среды. Они также способны доставлять энергию намного быстрее, чем батареи, что делает их полезными для приложений, которым требуется короткий, но большой заряд энергии. Вспышка камеры может получать энергию от конденсатора (который, в свою очередь, вероятно, был заряжен аккумулятором).

Батарея или конденсатор?

	Аккумулятор	Конденсатор
Вместимость	✓
Плотность энергии	✓
Уровень заряда / разряда		✓
Срок службы		✓

Фильтрация сигналов

Конденсаторы

имеют уникальную реакцию на сигналы различных частот.Они могут блокировать низкочастотные или постоянные составляющие сигнала, позволяя проходить более высоким частотам. Они как вышибала в очень эксклюзивном клубе только для высоких частот.

Фильтрация сигналов может быть полезна во всех видах приложений обработки сигналов. Радиоприемники могут использовать конденсатор (среди других компонентов) для настройки нежелательных частот.

Другой пример фильтрации конденсаторных сигналов — это пассивные кроссоверные схемы внутри динамиков, которые разделяют один аудиосигнал на множество.Последовательный конденсатор блокирует низкие частоты, поэтому оставшиеся высокочастотные части сигнала могут попасть в твитер динамика. В низкочастотном проходном сабвуферном контуре высокие частоты в большинстве случаев могут быть заземлены через параллельный конденсатор.

Очень простой пример звуковой схемы кроссовера. Конденсатор блокирует низкие частоты, а индуктор блокирует высокие частоты. Каждый может быть использован для доставки правильного сигнала на настроенные аудио драйверы.

девальвация

При работе с конденсаторами важно проектировать ваши схемы с конденсаторами, которые имеют гораздо более высокий допуск, чем потенциально самый высокий скачок напряжения в вашей системе.

Вот отличное видео от SparkFun Engineer Shawn о том, что происходит с различными типами конденсаторов, когда вам не удается снизить номинал конденсаторов и превысить их максимальные характеристики напряжения. Вы можете прочитать больше о его экспериментах здесь.

---

Покупка конденсаторов

Храните на этих маленьких компонентах накопления энергии или используйте их в качестве начального блока питания.

Наши рекомендации:

SparkFun Конденсаторный комплект

31 доступно KIT-13698

Это комплект, который предоставляет вам базовый ассортимент конденсаторов для запуска или продолжения работы с электроникой. Нет времени…

9

Конденсатор керамический 0.1uF

В наличии COM-08375

Это очень распространенный конденсатор емкостью 0,1 мкФ. Используется во всех видах приложений для отделения микросхем от источников питания. 0,1 «разнесенный лист…

1

Супер Конденсатор — 10F / 2.5V

В наличии COM-00746

Да, вы правильно прочитали — конденсатор 10 Фарад. Этот маленький колпачок можно заряжать, а затем медленно рассеивать, выполняя…

3

Ресурсы и дальнейшее развитие

Уфф.Почувствуйте себя экспертом по конденсаторам ?! Хотите узнать больше об основах электроники? Если вы еще этого не сделали, подумайте о прочтении некоторых других распространенных компонентов электроники:

Или, может быть, некоторые из этих уроков привлекут ваше внимание?

---

,