Часть 3

В предыдущем разделе я попытался убедить вас, что конденсатор имеет не только емкость, но и ряд других параметров. Мы пришли к выводу, что свойства конденсатора зависят, прежде всего, от диэлектрика. Установлено, что в диэлектрике есть потери мощности, которые могут быть описаны как последовательное эквивалентное сопротивление – ЭПС (ESR). Вы также обозначил проблемы индуктивности и зависимость параметров конденсаторов от температуры, влажности и других факторов. Может быть, немного страшно. Такое большое количество взаимосвязанных параметров. Как во всем этом не растеряться?

Помните! В электронике, нет никакой магии, только непреложные законы физики. Если вы хотите быть хорошим электронщиком, тогда должны усвоить большой объем информации. О несложных вещях, но без которых, вы будете двигаться в электронике, как в темноте.

В молодости, я игнорировал знания, накопленные "умниками". Мне показалось, что практика важней всего. Действительно, практика важна, если только не тратить слишком много времени на изобретение велосипеда, очень утомительно открывать то, что другие уже давно открыли и описали.

Однако, если вы не хотите, анализировать графики, таблицы и отчеты, и делать выводы, вы должны смириться с тем, что большое количество спроектированных и сделанных вами схем не будет работать вообще, либо не будет работать, так как вы ожидаете. Одной из причин могут быть конденсаторы, элементы кажутся примитивными, почти тривиальными.

Моя задача заключается в том, чтобы дать вам необходимые знания в наиболее практичной и доступной форме; но знайте, что с помощью несколько коротких статей не возможно дать все. Для этого в тему нужно «погружаться» постепенно.

Во-первых, я дам вам несколько важных советов и информацию - она освещают всю проблему, что бы привлечь вас к наиболее важным вопросам.

Для начала, вы узнаете, какие существует конденсаторы, и две особых области применения конденсаторов, где следует обратить особое внимание. Это знание является абсолютно необходимым каждому электронщику. Эту часть материала вы найдете под заголовком,  взятым из старой песни: "Что каждый мальчик должен знать".

Остальной материал, называемый "только для любознательных" и "Основные области применения", содержит следующий уровень знаний. Вы можете найти его в следующем номере EdW. Вам не нужно читать, если вы хотите только повторять устройства. Знание вам нужно, если вы планируете самостоятельно проектировать электронные схемы. И я смею полагать, что независимо от вашего возраста, я хотел бы предложит вам решать задачи Школы конструкторов. Так что не стоит недооценивать "тривиальные" конденсаторы. Мы хотели бы призвать вас, тщательно проанализировать и понять данный материал – я пытался найти наиболее важную информацию для вас, действительно полезную на практике.

Конечно, вы можете и на практике, и получить те же самые выводы. Теперь я знаю, что я не мог сделать это в свое время без «происшествий», разочарований и неудач.

Если вы готовы учиться, и извлекать уроки из неудач, я уверен, что через некоторое время вы будете очень довольны собой.

Что каждый мальчик должен знать

Помните, основной принцип прост: каждый тип конденсатор обладает различными свойствами и подходит для конкретного применения.  Нет идеальных конденсаторов подходящих для всего.

Для современного радиолюбителя есть три основных типа конденсатор:

- электролитические

- керамические

- пленочные

Электролитические конденсаторы, которые используются во всех электронных схемах в цепях питания в качестве фильтрующих конденсаторов и источниках питания.

Также используются в качестве конденсаторов связи и развязывающих в низкочастотных устройствах, работающих на частотах до 100 кГц.

Керамические конденсаторы обычно используются в схемах высокой частоты, либо как элементы резонансного контура, для связи, развязки, фильтрации.

Пленочные конденсаторы используются для "средних частот", примерно от нескольких герц до нескольких мегагерц максимум. Также широко используется в RC цепях генераторов и фильтров. Некоторые виды пленочные конденсаторы предназначены для использования в импульсных схемах.

Для получения дополнительной информации смотрите материалы "только для любопытных".

В дополнение, в одном из эпизодов я расскажу вам, какими конденсаторами не нужно загромождать себе голову и мастерскую, а какие могут быть полезны.

Развязка цепей питания

Наиболее распространенной причиной проблем, связанных с конденсаторами являются их (несовершенные) характеристики на высоких частотах.

Я думаю, что каждый встречался с самовозбуждением схемы.   У меня в основном возбуждались усилители. И как на зло, когда я хотел сделать хороший генератор – так получалось, что система не возбуждались.

Причины могут быть разные – одна из них является использование неправильных конденсаторов в цепях фильтров и развязки питания.

Неправильные конденсаторы (или их отсутствие)  также могут быть причиной большой

В области высоких частот (так же, как и для коротких импульсных помех), некоторые конденсаторы имеют значительное сопротивление ESR. Это сопротивление значительно снижает эффективность фильтрации сигналов высокой частоты.   Кроме того индуктивность самого конденсатора снижает добротность.

Не говорите мне, что вас это не касается, потому что вы будете делать только низкочастотные схемы. Какие транзисторы вы используете? Знаете ли вы, что популярные «НЧ» транзисторы, например BC548, BC108 могут усиливать сигналы с частотой до нескольких сотен мегагерц? Является ли это "низкой частотой"? Кроме того, операционные усилители - достойный операционный усилитель предназначен для аудио приложений, например, NE5532, имеет полосу пропускания до 10 МГц!

Таким образом, практически все схемы должны обеспечивать адекватную развязку цепей питания на высоких частотах.

Обычно  используется параллельный электролитическому конденсатору крошечный керамический конденсатор (называется сегнетоэлектрический) емкостью 47 .. 220nF. Я покажу вам это ниже.

И какая должна быть емкость "электролита"? Казалось бы, что чем больше, тем лучше. Не обязательно!

Как же так? Большой конденсатор имеет более низкое реактивное сопротивление и сопротивление ESR, и поэтому должны лучше ослаблять любую пульсацию напряжения.

Если вы не используете стабилизатор, тогда в самом деле, чем больше, тем лучше, потому что это уменьшает размах пульсаций. Но если у вас в схеме есть стабилизатор, даже популярный 78xx, чрезмерное увеличение емкости фильтра не дает практически ничего! Стабилизатор уже снижает пульсации напряжения питания. Одним из важных параметров стабилизатора является его (динамическое) выходное сопротивление. Оно показывает, насколько измениться напряжения при изменении тока нагрузки. Это сопротивление на частотах ниже 1 кГц, даже у популярных стабилизаторов не превышает 30 .. 50 миллиом (0,03 ... 0,05 Ом). Между тем на пример конденсатор электролитический 100μF/16V на частоте 50Гц имеет реактивное сопротивление больше чем 30 Ом и сопротивление ESR более чем 1,5 Ом!

Как вы можете видеть, увеличение емкости  мало что дает - на низких частотах решающее значение для подавления помех имеет стабилизатор, а не конденсатора. Однако конденсатор, необходим, что бы предотвратить самовозбуждение стабилизатора. В условиях более высоких частот ситуация несколько иная, потому что выходное сопротивление стабилизатора и ESR конденсатора больше, но все равно окончательный вывод тот же - не обязательно использовать электролиты с очень большой емкостью. Обычно в цепях питания используется электролитические конденсаторы емкостью 22 .. 220μF.

Может быть, вы достаточно давно занимаетесь электроникой и запротестуете: я ни когда не ставил маленькие керамических конденсаторов и как-то мои схемы работали. Возможно. Поздравляем вас с успехом! Может быть, некоторые действительно работают "как-то". Вы знаете пословицу: "Хотели как лучше, получилось как всегда"? Но я не я спорил с вами, на самом деле многие схемы могут работать практически без развязывающих конденсаторов в цепях питания. В другой раз нужен небольшой электролит.

Скажу больше: размещение конденсаторов в неправильном место на плате может свисти его работу на нет. Часто, вам нужно использовать не один, а несколько конденсаторы развязки: один рядом со стабилизатором, другие в различных точках питаемой схемы.

Эти общие положения не является исчерпывающим в борьбе с самовозбуждением и помехами, так как здесь имеют большую роль силовые проводники схемы, особенно массы. Важный вопрос, однако в настоящей статье не рассматривается.

Данный материал просто, поощряет использование конденсаторов развязки в каждой проектируемой схеме. Возьмите это, как правило: гораздо лучше использовать слишком много конденсаторов развязки питания, чем не достаточно. Не жалейте  несколько пенни на десятке конденсаторов. В общем, вы сэкономите много нервов и разочарования.

Точность схемы

Другая область применения конденсаторов. Я хочу обратить внимание существуют схемы, которые требуют точности и стабильности параметров.

Вы будете строить, а может, и не будете строить различные типы фильтров и генераторов настроенных на определенную частоту. Частота должна быть постоянной, независимо от изменений температуры и других факторов.

Для генератора и LC фильтра для высоких частот этот вопрос относительно простой, потому что там должны быть катушка и стабильные керамические конденсаторы с емкостью 1 .. 1000pF (так называемый тип 1), их выпускаются с четко определенными температурными коэффициентами. Подобрав конденсаторы с температурным коэффициентом можно скомпенсировать изменение температуры и добиться хорошей стабильности.

Гораздо сложнее с фильтрами и генераторами низкой частоты, которые сейчас делают  в основном как активные схемы, с применением операционных усилителей и RC элементов. Здесь емкость должна быть больше, чем 1nF, так что вы не можете использовать хорошие керамические конденсаторы (так называемый тип 1).

В то время как керамические конденсаторы с емкостью менее 1nF изготавливаются из керамики с хорошими параметрами, у керамического конденсатора с большей емкостью, диэлектрик намного хуже. Это как правило сегнетоэлектрическая керамика, она называется так из-за состава диэлектрического материала, - это так называемый тип 2. Похожие параметры имеют конденсаторы типа 3, с еще меньшими размерами, иногда называют полупроводниковыми конденсаторы (это настоящие конденсаторы они не имеют практически ничего общего с диодам и транзисторами).

Несколько минут назад я советовал вам применять такие конденсаторы для развязки питания.

Для этой цели они выдающиеся. Тем не менее, совершенно не подходит для точных схем. Емкость этих конденсаторов может меняться с температурой до нескольких десятков процентов! Что еще хуже, т ужасно (внимание, это любопытно!) – емкость также зависит от типа приложенного напряжения!

Это правда что в стабильности керамических конденсаторов емкостью несколько десятков нанофарад, при покупке не может быть ни какой уверенности.

Поэтому примем правило: не использовать крошечные керамические конденсаторы с емкостью больше, чем 1nF в RC и LC цепях.

Пленочные конденсаторы имеют лучшую стабильность, чем керамические.

Лучшие здесь конденсаторы полистироловые – польские KSF и зарубежные KS – известные больше как стирофлексовые (на практике говорят коротко: стрифлекс). Они имеют небольшой температурный коэффициент емкости примерно на -0,013% / ° C, а также небольшую зависимость емкости от относительной влажности.

Тем не менее, в настоящее время наиболее популярны на рынке полиэфирные конденсаторы, отечественные MKSE и зарубежные MKT с несколько худшей стабильностью, можно ожидать изменение емкости в пределах ± 3%. Много это или допустимо? Это зависит от требований к схеме. Большинство любительских конструкций, не требует большей стабильности. Таким образом, в RC цепи мы обычно используем конденсаторы MKSE (MKT).

Часто, вам также понадобится генераторы или одновибраторы очень медленных пульсов порядка секунд, минут или даже часов. Конечно, вы захотите использовать, "электролиты".

Какая будет стабильность параметров таких систем?

Наверное, помните, что емкость «мокрых электролитов" может значительно изменяться, в следствии, повреждения и повторное формирование слоя диэлектрика - оксида. Изменения в емкости может быть до нескольких десятков процентов.

Еще хуже проблема тока утечки. В системах с большой постоянной времени RC используется обычно резисторы с значением около мегаом, так что вы можете обнаружить, что ток, протекающий через резистор меньше, чем ток утечки разформованного конденсатора! Устройство не будет работать! Для предотвращения этого электролитических конденсаторы всегда должны быть под напряжением. Тогда они будут всегда заформованы и их ток утечки будет не значительный.

В целом, однако, в системах, требующих высокой точности и стабильность времени любой ценой, избегайте применение "электролитов". Вместо них используйте генераторы с твердотельными конденсаторами, а для получения большего времени используйте цифровые делители (счетчики). Здесь рекомендуются микросхемы CMOS 4541, которые позволяют создавать стабильные генераторы, на любое время.

В предыдущем разделе я обещал вам, что мы что ни будь, поломаем. Конечно поломаем!

Теперь вы можете рассмотреть свойства конденсаторов самостоятельно.

Если у вас есть измеритель емкости, можно измерить емкость в разных условиях разных типов конденсаторов. Влияние температуры. Измерьте емкость: "холодного" и после нагревания. Выясните, на сколько измениться емкость конденсатора после пайки.

Проверьте таким образом, конденсаторы различных типов, сравните полученные  результаты. Одно из таких практических занятий будет полезнее, чем несколько страниц описания характеристик этих элементов. И когда измерите, взмите нож, плоскогубцы, и посмотрите, как они устроенны.