Применение конденсаторов в схемотехнике

В предыдущих статьях я представил конденсатор и его расчеты. В этой статье рассказывается о некоторых примерах применение конденсаторов и о том, как их использовать в схемотехнике.

Схемы обычно делятся на три категории: цифровые, аналоговые и комбинированные. Роль конденсаторов в каждой из этих цепей различна, но функция конденсатора постоянна. То есть обкладки конденсатора пропускают ток в первый момент его поступления. А после этого они накапливают электрические заряды и блокируют их прохождение (по постоянному току).

Например, как говорилось в предыдущей статье о конденсаторе, даже синусоидальный сигнал, проходящий через конденсатор, имеет разность фаз. Емкость конденсатора также создает сопротивление, отличное от типа рассеяния тепла (реактивное сопротивление).

***»»Проекты по электронике, программированию и Arduino, включая исходные коды, схемы и планы печатных плат для инженеров, студентов и любителей»»***

Применение конденсаторов в цифровой схеме

Каждая цепь имеет диапазон напряжения. Например, от 0 до 5 вольт. Цифровая схема — это схема, компоненты которой обычно имеют выходы, например: 0 вольт или 5 вольт. Например, напряжение 2,5 и… не имеет в себе конкретного значения и должно определяться как логический 0 или 1.

Для удобства низкое напряжение (земля/GND/0В) в теории цепей означает 0, а высокое напряжение (VCC/5В) означает логическую 1.

Конденсаторы применяются в цифровых схемах в основном в качестве развязывающего фильтра для уменьшения шумов или в качестве конденсатора тактового генератора.

Другими словами, ни один сигнал не является полностью линейным. Всегда присутствуют некоторые, даже очень незначительные, колебания напряжения и шумы.

Эти колебания напряжения иногда находятся в диапазоне микровольт. Но он также может войти в большое колебание на несколько тысячных долей секунды и перейти в логический диапазон 0–1.

Чтобы этого не произошло, в качестве поглотителей шума используются конденсаторы, которые называются «развязывающими». Один вывод развязывающего конденсатора должен быть подключен к сигнальной линии, другой – к земле.

Посмотрите на следующую схему:

Верхняя часть представляет собой блок регулятора напряжения, который преобразует напряжение от 5 до 12 В в 3,3 В для остальных компонентов.

Понятно, что такое преобразование напряжения внесет в схему некоторый шум. Поэтому производители регуляторов всегда рекомендуют использовать на входе и выходе регулятора развязывающие конденсаторы.

На входе используются два конденсатора емкостью 1 миллифарад и 100 нанофарад.

Конденсатор емкостью 1 миллифарад установлен для двух целей: подачи внезапных токов, необходимых деталям, а также для устранения низкочастотных шумов.

Конденсатор емкостью 100 нанофарад используется для устранения высокочастотных колебаний/помех, которые могут возникнуть на пути адаптера к регулятору.

Вход должен быть стандартным напряжением 12 В постоянного тока, поэтому для входа достаточно двух конденсаторов. Но на выходе регулятора используется большее число.

Три ступени фильтра: 1 мкФ для подачи тока, 22 мкФ для устранения среднечастотных шумов и 100 нФ для устранения высокочастотных шумов.

Также на входе модуля U2, который находится на выводе 8, использованы еще два развязывающих конденсатора для устранения помех на пути от стабилизатора к модулю. В схеме печатной платы эти два конденсатора должны быть расположены очень близко к выводу 8, чтобы обеспечить достаточную эффективность.

Для выводов переключателей также используется конденсатор, причем лучше использовать конденсатор сравнительно небольшой емкости. Например, конденсатор лучше поставить между выводом 1 ключа SW1 и землей (0 В).

Учитывая, что время нажатия клавиши составляет около полсекунды, подойдет конденсатор емкостью от 10 до 100 нанофарад.

Конденсатор меньшей емкости используется меньше времени, а конденсатор большей емкости — больше времени.

Применение конденсаторов в аналоговой схеме

Связь между частотой, проходящей через конденсатор, емкостью и сопротивлением (реактивным сопротивлением) следующая:

В приведенном выше соотношении R — реактивное сопротивление, C — емкость конденсатора в фарадах, 2π — число 2*pi (3,1415), а F (частота среза) — максимальная частота (для параллельного конденсатора) или минимальная частота. (для последовательного конденсатора).

В первые моменты положительные заряды накапливаются за первой обкладкой конденсатора. Они вызывают отрицательный ветер на противоположной стороне, и после этого за счет изменения фазы входной мощности переменного тока положительный заряд разряжается с первой стороны и заменяется отрицательным зарядом.

Положительный заряд вызывает замену положительного заряда отрицательным зарядом на противоположной стороне.

При этом изменяется заряд входного переменного тока, но с разницей фаз 90 градусов. То есть, когда синусоидальная волна поднимается на первой пластине конденсатора, она падает на другой пластине.

Но емкость конденсатора ограничена для отвода тока, что и вызывает «реактивное сопротивление».

Эту функцию можно использовать для частотных фильтров.

Если подключить выход конденсатора к потребителю, то если входная частота конденсатора снизится до уровня ниже частоты среза, ток потребления будет уменьшаться до тех пор, пока не достигнет нуля. Это называется фильтром верхних частот.

Если один конец конденсатора подключить к входу потребителя, а другой конец — к земле, то на частоте среза конденсатор начинает препятствовать поступлению тока к потребителю, пропуская его от себя.

Если входная частота увеличивается, потребителю будет течь меньший ток, пока он не станет равным нулю. Это называется фильтром нижних частот.

На рисунке ниже показаны два типа применение конденсаторов в качестве фильтров:

Вы можете использовать это интересное свойство конденсаторов в качестве фильтра любым другим способом.

Фильтры также используются как непропускающие (два фильтра параллельно) и пропускающие (два последовательных фильтра).

На принципиальной схеме (шпионский микрофон) C14 — это фильтр нижних частот, а C13 — фильтр верхних частот.

В общем, теоретически рассчитать точную емкость конденсатора фильтра сложно. Поэтому лучший метод — рассчитать расчетный диапазон и найти лучшую емкость путем тестирования различных конденсаторов в расчетном диапазоне с помощью измерительного инструмента.

Лучшим измерительным инструментом в этой области является осциллограф, отображающий форму сигнала.