Что такое конденсатор и как он используется
Приветствую, друзья!
Мы уже рассматривали, как устроены «кирпичики», из которых собран компьютер.
Вы уже знаете, как устроены и как работают полупроводниковые диоды, полевые и биполярные транзисторы.
Вы уже знакомы с таким понятием, как SMD компоненты.
Давайте познакомимся с еще одной интереснейшей штуковиной — конденсатором.
Из всего многообразия конденсаторов мы рассмотрим лишь те, которые используются в компьютерах и периферийных устройствах.
Что такое конденсатор?
Конденсатор — это деталь с двумя выводами (двухполюсник), позволяющая накапливать энергию.
Конденсатор характеризуется такой величиной, как ёмкость.
Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше энергии он может накопить и тем (грубо говоря) больше его габариты.
Конденсатор может не только накапливать энергию, но и отдавать ее.
Именно в таком режиме он чаще всего и работает.
Конденсатор, в отличие от транзистора, является пассивным компонентом, т.е. есть он не может генерировать или усиливать сигнал.
Как устроен конденсатор?
В простейшем случае конденсатор состоит из двух металлических пластин (обкладок) и диэлектрика (изолятора) между ними. Чем больше размер пластин и чем меньше зазор между ними, тем больше емкость конденсатора.
Вообще говоря, конденсатор накапливает на обкладках заряд (множество элементарных частиц, каждая из которых обладает элементарным зарядом). Чем больший заряд накоплен, тем большая запасена энергия. Ёмкость конденсатора зависит также и от вида диэлектрика.
Две пластины, разделенные тонким воздушным слоем (воздух — тоже диэлектрик), обладают очень небольшой емкостью, и в таком виде конденсаторы не используются.
С помощью специальных материалов и технологических ухищрений научились достаточно большую ёмкость втискивать в очень небольшой объём.
Самый характерный пример — электролитические конденсаторы.
В них две металлические обкладки в виде длинных полос (чаще всего из алюминиевой фольги) разделены слоем бумаги, пропитанной электролитом.
Электролит вызывает образование тонкой пленки оксида (окисла), которая является хорошим диэлектриком.
Поэтому электролитические конденсаторы называют ещё оксидными. Полосы сворачивают и помещают в цилиндрический алюминиевый корпус.
Раньше выводы конденсаторов делали из меди – как из материала с высокой электропроводностью. Теперь же их нередко делают из более дешевых сплавов на основе железа. В этом можно убедиться, если поднести к ним магнит. Фирмачи научились экономить!
В керамических конденсаторах диэлектриком служит пластинка из керамики, а обкладками – напыленные на керамику пленки металлических сплавов.
В каких единицах измеряется емкость конденсатора?
Основная единица для измерения ёмкости – Фарад (Ф, старое название – Фарада).
Но это очень большая величина, поэтому на практике используются её производные — пикофарад (пФ, пикофарада), нанофарад (нФ, нанофарада), микрофарад (мкФ, микрофарада).
Один микрофарад = 1 000 нанофарад = 1 000 000 пикофарад.
В компьютерных блоках питания и в материнских платах используются электролитические конденсаторы ёмкостью несколько сотен или тысяч микрофарад.
Там же применяется малогабаритные керамические конденсаторы ёмкостью несколько сотен или тысяч пикофарад.
Керамические конденсаторы используются чаще всего в виде SMD компонентов.
Как обозначаются конденсаторы в электрических схемах?
Конденсаторы в электрических схемах обозначается в виде двух вертикальных черточек, разделенных небольшим пространством. Графическое изображение напоминает те самые две пластины, разделенные воздушным диэлектриком.
У электролитических конденсаторов возле одной из черточек (обкладок) помещается знак «+».
Это потому, что электролитические конденсаторы обычно имеют полярность, которую надо соблюдать при монтаже.
Отметим, что в некоторых случаях применяются электролитические неполярные конденсаторы.
Рядом наносится значение ёмкости конденсатора.
А если конденсатор электролитический — то и величина его рабочего напряжения.
Записи вида 1000 p (1000 pF) и 3,9 n (3,9 nF) означают соответственно 1000 пикофарад и 3,9 нанофарад (или 3900 пикофарад).
Запись вида 1000uFx16V означает емкость 1000 микрофарад и рабочее напряжение 16 Вольт.
Напротив отрицательного электрода на корпусе конденсатора наносится соответствующая маркировка (знак «-»).
Где и как используются конденсаторы?
Перед тем как начать рассказывать об области применения конденсаторов, вспомним, что конденсатор это — две пластины, разделенные диэлектриком. Поэтому ток через конденсатор (в первом приближении) идти не может. Однако в цепи с конденсатором могут происходить процессы заряд и разряда. И во время этих процессов в цепи будут протекать токи заряда или разряда.
Таким образом, если переменное напряжение будет приложено к цепи с конденсатором, в ней будет протекать переменный ток. Поэтому конденсатор можно охарактеризовать такой величиной как емкостное сопротивление (обозначается в технической литературе как Хс).
Емкостное сопротивление зависит от ёмкости конденсатора и частоты приложенного напряжения. Чем ёмкость и частота больше, тем меньше емкостное сопротивление. На этих эффектах основано применение конденсаторов в схемах фильтрации источников питания.
В компьютерных блоках питания для получения постоянных напряжений +3,3, +5, и +12 В используется двухполупериодная схема выпрямление с двумя диодами и фильтрующим конденсатором. Без конденсатора на нагрузке будет пульсирующее напряжение одной полярности.
Источник постоянного напряжения можно представить в виде эквивалентной схемы из генератора и двух сопротивлений, где R1 — это внутреннее сопротивление выпрямителя, а R2 — емкостное сопротивление конденсатора.
Генератор – это сумма постоянного и переменного напряжений (пульсирующее напряжение содержит в себе постоянную и переменную составляющую).
Таким образом, сигнал с генератора подается на частотно-зависимый делитель напряжения. Выходной сигнал снимается с нижнего плеча (конденсатора). Для постоянного напряжения сопротивление конденсатора очень велико, гораздо больше сопротивления выпрямителя. Поэтому уменьшения постоянного напряжения не происходит.
Для переменного напряжения сопротивления конденсатора очень мало, гораздо меньше сопротивления выпрямителя, поэтому происходит сильное ослабление переменной составляющей.
В реальной схеме ситуация несколько сложнее, так как к нижнему плечу делителя подключена нагрузка, обладающая сопротивлением. Поэтому полностью избавиться от пульсаций нельзя, можно только свести их к какому-то небольшому значению.
Вообще, такая комбинация активного сопротивления и конденсатора называется фильтром нижних частот, который пропускает постоянную составляющую и какой-то диапазон низких частот.
Чем выше частота входного переменного напряжения, тем сильнее оно ослабляется.
Так как необходимо сильное подавление пульсаций переменного напряжения, то используется электролитические конденсаторы большой емкости.
Назначение керамических SMD конденсаторов на материнской плате — подавлять высокочастотные помехи, возникающие при переключении транзисторов в микросхемах. Таким образом, электролитические конденсаторы фильтруют относительно низкочастотные помехи и пульсации, а керамические — более высокочастотные.
Приведем еще один пример разделения переменной и постоянной составляющей. Пусть в схеме на рисунке сигнал в точке А будет иметь постоянную составляющую 5 В и переменную амплитудой 2 В.
После конденсатора, в точке В будет уже только переменная составляющая той же амплитудой 2 В (если емкостное сопротивление конденсатора мало для такой частоты). Интересно, не правда ли?
По существу, это тоже частотно-зависимый делитель напряжения, где в виде нижнего плеча выступает сопротивление нагрузки. Такую комбинацию называют фильтром верхних частот, который не пропускает постоянную составляющие и низкие частоты, так как в емкостное сопротивление будет для них большим.
Заканчивая, отметим маленькую деталь: так как максимальное напряжение на конденсаторе будет равно сумме постоянной и переменной составляющей, его рабочее напряжение должно быть не менее этой величины.