Конденсатор и RC-цепи

Один из простых примеров RC цепи это схема задержки которую можно применить например при включить пламя в горелке с задержкой, чтобы газ успел пройти. Схема управляет нагрузкой в качестве которой может быть реле, управляющее в свою очередь более мощным потребителем.
При подаче напряжения, оно проходит через резистор и начинает заряжать конденсатор, т.е. часть напряжения уходит на конденсатор и только после полной его зарядке напряжение в полном объеме идет дальше. В результате мы получаем задержку сигнала микросекунды
Схема задержки может применяться как для задержки включения, так и для задержки выключения

В отличие от схемы задержки в дифференцирующей RC-цепи конденсатор и резистор стоят обратно, что позволяет опираться на том что ток протекающий через конденсатор, прямопропорцианален скорости изменения напряжения. Т.е. чем выше скорость изменения напряжения, тем выше ток и наоборот, если напряжение не меняется, то и тока нет, так как напряжение становится постоянным, а конденсатор как мы знаем для постоянного напряжения является разрывом цепи.
Если на входе будет прямоугольный сигнал как на рисунке, то на выходе мы получим только участки, где происходит изменение напряжения, т.е. по сути мы получаем только маркеры или точки изменения напряжения.
Дифференциал автомобиля или задний мост изображенный на картинки даст Вам большее понятие о принципе работке, по сути мы имеем вращение вала с двигателя, которое передается на оси, направление и скорость вращение оси может менять от конструктива, а вот начало вращение оси происходит всегда с началом вращения вала

Интегрирующая цепь очень похожи на цепь задержки. Как мы видим на рисунке у нас есть входное напряжение в форме миандра (прямоугольников) которое за счет нашей интегрирующей цепи мы можем преобразовать в пилообразный сигнал.
В зависимости от периода сигнала, мы видим изменение формы, так при малом периоде входной и выходной сигналы почти не чем не отличаются, так как времени для зарядки и разрядки конденсатора вполне достаточно, но при увеличении периода, конденсатор не будет успевать полностью разрядится/зарядиться
Т.е. если входное напряжение представляется из себя прямоугольные импульсы от 0 до 5 вольт, то на выходе при высоком периоде мы получим 2.5 вольта

Емкость конденсатора называют количество заряда, которое может вобрать в себя конденсатор. Основаная характеристика конденсатора которая измеряется в Фарадах. 1 F это очень большая величина и такие конденсаторы встречаются крайне редка(например в автозвуке, когда нужно очень громко слушать «низа»), на практике же применяют в основном конденсаторы с емкость микро или пико фарад.

Основное различие конденсатора это полярные и неполярные, но встречаются еще и переменные конденсаторы, например в радиолах, где для настройки частоты мы крутим ручку, меняя емкость конденсатора, но на практике это применяется редко.

Если конденсатор полярный то его полярность указывается обязательно, так же как и номинальное напряжение. На схеме конденсатор обозначается с помощью двух пластин, если ни на одной из пластин нет символа «+» значит конденсатор неполярный и наоборот. Так же может быть подстроечный или переменный конденсатор, которые на схеме обозначаются стрелками.

Стоит помнить, что в цепях переменного тока применение полярные конденсаторов недопустимо (есть редкие исключения), т.е. если Вы видите полярный конденсатор, то скорее всего перед Вами именно цепь с постоянным направление тока. И в тоже время в цепях в высокой частотой емкость конденсатора меняется, зачастую в меньшую сторону

Номинальное напряжение конденсатора должно быть минимум на 30% выше чем напряжение в цепи, т.е. если у Вас цепь в 12 вольт, то минимальный конденсатор должен быть на 16 вольт, можно конечно же поставить и на 25 V (там многие мастера и делают), если он проходит по габаритам.

Электролитические конденсаторы состоят из двух пластин, между которых находится бумага, пропитанная электролитом в качестве диэлектрика. Пластины скручены в трубочку для увеличения площади, а следовательно и емкости. Сверху на электролитическом конденсаторе есть крест, в виде почти прорубленного корпуса, что дает возможность корпусу лопнуть в нужном месте, без сильной деформации и больших последствий. Иногда конденсаторы не лопают на специальном месте, а вздуваются, что создает у мастеров по ремонту выражение «Беременный конденсатор».

ESR (Equivalent Serial Resistance или эквивалентное последовательное сопротивление) так же важный параметр который учитывает что конденсатор не является идеальным устройством, в любом случае через его диэлектрик проходит ток, хоть и ничтожно маленький, но он есть. Так же как и есть индуктивность скрученной фольги, хоть и проявляется она только на высоких частотах, но она есть и отбросить совсем ее нельзя, так же как и нельзя забывать про сопротивление проводников соединяющих пластины с платой. Если отсуммировать все эти параметры, то мы получим ESR, который не должен быть выше значений в таблице, но и не больше 4-5 Ом.

Vloss (Voltage loss или потеря напряжения) - это потеря напряжения после воздействия импульса зарядки, т.е. предположим что мы подключили конденсатор к 9V, если мы отключим конденсатор от источника тока и измеряем напряжение в идеальном конденсаторе должно быть те же 9 V, но по факту это число будет немного ниже. Допускается отклонение в 3-5%, все что больше уже брак. Второе название Vloss это добротность конденсатора.

Керамические конденсаторы не имеют полярность и могут быть как с DIP корпусе (с ножками), так и в корпусе для поверхностного монтажа SMD

Танталовые конденсаторы конденсатор очень похожий на обычный керамический конденсатор, но имеет метку (КОТОРАЯ ОЗНАЧАЕТ +) и маркировку на корпусе, по данной маркировке можно определить емкость, напряжение и даже дату производства.

После того как мы изучили резистор и конденсатор, самое время изучить RC-цепи. Которая как раз и стоит из конденсатора и резистора. Как мы знаем резистор статичный элемент, чьи характеристики подчинены закону ома, в то время как конденсатор может заряжаться и разряжаться.
Во время заряда конденсатора ток стремиться к бесконечности а напряжение равно 0, что говорит о коротком замыкании, а после заряда ток останавливается, а напряжение становиться равным напряжению источника. В реальных условиях зарядка и разрядка конденсатора происходит не мгновенно.

Рассчитаем за сколько зарядится на 95% конденсатор емкостью 10 uF через резистор в 100 Ом:
T= C*R = 0.000001 * 100 = 0.001c
3T = 0.003c = 95% (троекратная постоянная времени)

ФВЧ и ФНЧ основаны на том, что конденсатор для высокой частоты является идеальным проводником, а резистор наоборот. Для постоянной составляющей конденсатор является разрывом цепи, а резистор проводником.

Конденсатор это устройство имеющие два основных параметра НАПРЯЖЕНИЕ и ЕМКОСТЬ. Конденсаторы не рассеивают энергию, так как напряжение и ток у них смещены относительно друг друга на 90 градусов.


Если мы вспомним урок с резисторами, то вспомним что, ток проходящий через резистор прямопропорционален напряжению, а вот в конденсаторе не все так просто, ведь ток пропорционален не просто напряжению, а скорости изменения этого напряжения. Так если изменить напряжение на конденсаторе емкостью 1 фарад на 1 вольт за 1 секунду, то получим ток равный 1 ампер.

По своей конструкции конденсатор является двумя проводниками расположенными очень близко друг к другу, но не касающийся. Чем больше площадь проводников и меньше расстояние между ними, тем выше емкость конденсаторов.

В зависимости от материала диэлектрика (изолятора) между проводниками и конструктивных особенностей конденсаторы делятся на следующие группы

- Электролитические : фильтрация в источниках питания
Танталовые : схемы где требуется большая емкость
Керамические : некритичные схемы
Еще (Слюдяные, Полиэфирные, Тефлоновым, Стеклянные и т/д/)

При параллельном соединение двух конденсаторов их общая емкость равна их сумме, в тоже время при последовательном соединение формула немного сложнее

С=С1*C2/(C1+C2)

Так например возьмем ходовой конденсатор 470 мкФ, который устанавливается в блоках питания модулей управления стиральных машин, при параллельном соединение мы получим 940 мкФ, а вот при последовательном 235 мкФ и тут все очевидно, так как это половина от их емкости. Но давайте возьмем два конденсатора на 470 и 680, так же соединенных последовательно и получаем примерно 278 мкФ и чтобы уж совсем было понятно возьмем 10 и 680, (10*680/(10+680)=9.855) или МЕНЬШЕ МЕНЬШЕГО из конденсаторов при любых раскладах.



В цепях переменного тока существуют две основные характеристики
Изменение напряжение U и тока I во времени
Изменение амплитуду при изменение частоты сигнала
Для начала мы затронем первый вариант (временной), а чуть позже мы разберем и частотную характеристику

Если рассмотреть простейшую RC цепь, то заряженный до 1 вольта конденсатор в 1мкФ подключенный к резистору 1 кОм будет разряжаться, а сила тока в цепи составит 1 мА.
Разряжается или заряжается конденсатор за 5 произведение RC или в нашем случае 5 мс