Site Loader
Posted on 17.11.2018

Содержание

Sprint Layout 5. Подробная инструкция. Часть 2. — Начинающим — Теория

Sailanser

Часть №2. Проектируем печатную плату.

Нарисуем простенькую платку, создадим корпус TQFP-32 и узнаем, как обрисовать платку найденную в Интернете.

В прошлой части мы познакомились с программой, узнали что, где, прячется, что настраивается, а что нет, узнали небольшие фишки, которые есть в программе.
Теперь попробуем после прочитанного в первой части, нарисовать простенькую плату.

В качестве образца возьмем простую схему, ее я откопал в одном из старых журналов, говорить в каком не буду, может кто из посетителей сайта и вспомнит этот журнал.

Видим что схема старая пережила много чего, и правки карандашом и заливку спиртоканифольным флюсом, но для наших целей она подходит идеально по причине своей простоты.
Прежде чем будем рисовать нашу платку проанализируем схему на предмет того что нам из деталей понадобится.

  • Две микросхемы в DIP корпусах  по 14 ножек у каждой микросхемы.
  • Шесть резисторов.
  • Один полярный конденсатор и два обычных конденсатора.
  • Один диод.
  • Один транзистор.
  • Три светодиода.

Начнем рисовать наши детали, и для начала определимся, как выглядят наши микросхемы и какие они имеют размеры.

Вот так выглядят эти микросхемы в DIP корпусах, и имеют размеры между ножками которые составляют 2,54 мм и  между рядами ножек эти размеры 7,62 мм.
Теперь нарисуем эти микросхемы и сохраним их как макрос, дабы в дальнейшем не рисовать заново и у нас будет готовый макрос для последующих проектов.

Запускаем нашу программу и ставим активным слой К2, размер контактной площадки равным 1,3 мм ее форму выбираем «Закругленный вертикально» ширину проводника равной 0,5 мм, и шаг сетки выставим равным 2,54 мм.
Теперь согласно размерам, которые я приводил выше нарисуем нашу микросхему.

Теперь проверим ее размеры. Впрочем, если делать по сетке это и не требуется. Куда она денется с подводной лодки?

Все получилось как и планировалось.
Тогда сохраним нашу будущую плату. Нажимаем на иконку дискеты и водим в поле название файла.

Мы нарисовали расположение ножек микросхемы, но наша микросхемка имеет какой-то незаконченный вид и выглядит сиротливо, надо придать ей более опрятный вид. Надо сделать контур шелкографии.
Для этого переключим шаг сетки на 0,3175 поставим толщину проводника равной 0,1 мм и сделаем активным слой В1.

Теперь щелкаем по иконке Проводник и нарисуем небольшой контур, щелкаем левой кнопкой мышки, когда надо поставить точку, и правой когда надо завершить линию, потом щелкнем по иконке Полигон и сделаем небольшой треугольник в левой части этого контура.

Этим треугольником мы обозначим, где у нас будет первый вывод микросхемы.

Почему я нарисовал именно так?
Все очень просто у нас в программе по умолчанию пять слоев это слои К1,В1,К2,В2,U.
Слой К2 это сторона пайки (нижняя) компонентов, слой В1 это маркировка компонентов, т.е куда что ставить или слой шелкографии который потом можно будет нанести на лицевую сторону платы.
Слой К1 это верхняя сторона платы если делаем плату двухсторонней, соответственно слой В2 это слой маркировки или шелкографии для верхней стороны и соответственно слой U это контур платы.

Вот теперь наша микросхемка выглядит более опрятно и аккуратно.

Почему делаю именно так? Да просто потому что меня удручают платы сделанные кое как и на скорую руку бывает скачаешь какую нить платку из сети, а там только контактные площадки и больше ничего. Приходится проверять по схеме каждое соединение, что откуда пришло, что куда идти должно…

Но я отвлекся.  Мы сделали нашу микросхемку в корпусе DIP-14 теперь нам надо ее сохранить как макрос для того дабы в последствии не рисовать подобное , а просто взять из библиотеки и перенести на плату. К слову сказать, вряд ли ты найдешь SL5 без макросов вобще. Какой то минимальный набор стандартных корпусов уже есть в папке макросов. А по сети ходят целые комплекты из макросборок.

Теперь зажмем левую кнопку мыши и выделим все что мы только что нарисовали.

Потом нажмем на иконку замка — сгруппируем. А лучше запомнить хоткеи и юзать их.

И все наши три объекта сгруппируются в один

После этого выберем Файл, Сохранить как макрос…

И зададим ему имя DIP-14. Также не помешает создать дерево папок в директории макросов. И не сваливать все сборки в одну помойку, а сортировать их по разделам.

Теперь нажмем на кнопку макросы:

Вот она буква М на микросхеме.
И посмотрим в окне макросов наш только что созданный макрос

Вот наш только что созданный макрос высветился в окошке справа снизу.
Теперь можно просто перетащить его оттуда на сетку мышкой.

Отлично, но не мешало бы определиться какого же размера будет наша плата, я прикинул по габаритам деталей как их примерно можно раскидать и посчитал в итоге у меня размер получился 51мм на 26 мм.
Переключаемся на слой U — слой фрезеровки или границы платы. На заводе по этому контуру пройдутся фрезой при изготовлении.

Ставим толщину проводника 0,1 мм

Выбираем шаг сетки равным 1 мм

И рисуем контур нашей будущей платы.

Наблюдательный человек скажет ага, начальная точка контура не лежит непосредственно на нуле и будет абсолютно прав я например когда рисую свои платы всегда отступаю сверху и слева по 1 мм. Обусловлено это тем, что в дальнейшем плата будет делаться либо
с помощью метода ЛУТ либо с помощью фоторезиста, а в последнем необходимо чтобы на шаблоне были негативные дорожки, т.е белые дорожки на темном фоне, и при таком подходе в проектировании платы готовый шаблон потом легче вырезать, делать несколько копий на одном листе. Да и сама плата при таком подходе выглядит гораздо красивее. Многие наверно качали платы из сети и самый прикол получается, когда открываешь такую плату а там, чертежик посередине огромного листа и какие то кресты блин по краям.


Теперь поменяем шаг сетки на 0,635 мм.

И примерно поставим наши микросхемы

Теперь нам надо нарисовать конденсатор.
Выбираем Контакт, Круг

Шаг сетки оставим тот же равный 0,635 мм.
Поставим внешний круг нашей площадки равный 2мм а внутренний 0,6 мм

И поставим две контактные площадки на расстоянии 2,54 мм

В схеме у нас конденсатор небольшой емкости и такого расстояния между выводами будет вполне достаточно.
Теперь переключимся на слой В1.

И на нем нарисуем примерный радиус нашего конденсатора, для этого нам понадобиться инструмент дуга.

Выберем ее и у нас появится перекрестье на экране, а также курсор изменит свой внешний вид. Вот мы его и поставим как раз посередине наших двух контактов.

Теперь удерживая левую кнопку мышки немного потянем вырисовывая круг под наш диаметер конденсатора, а также с помощью проводника, нарисуем знак плюсика и условное изображение конденсатора.

Рисуем, естественно, по слою шелкографии.

Вот мы и получили наш конденсатор смотрим в схему и видим что он подключается к выводам 4,5 и 1 микросхемы вот примерно туда его и воткнем.
Теперь установим ширину дорожки равной 0,8 мм и начнем соединять ножки микросхемы, соединяем очень просто, сначала щелкнули на одной ножке микросхемы левой кнопкой микросхемы потом на другой, и после того как довел проводник (дорожку) туда куда хотели щелкаем правой, после то как щелкнули правой дорожка больше не будет продолжаться.

Теперь по аналогичному принципу строим детали, ставя их в нашу плату рисуем между ними проводники, чешем в затылке когда не получается куда то проложить проводник, думаем, опять прокладывая проводники и в некоторых местах не забываем менять ширину проводника, таким образом постепенно выстраивая плату, также при прокладывая проводники нажимаем на клавиатуре пробел эта кнопка меняет углы изгиба проводника, рекомендую попробовать вещь прикольная. Отдельно хочу остановиться на группировке объектов несколько объектов можно собрать в один щелкая на них левой кнопкой мишки с зажатым шифтом, и потом нажать группировку. Итак, рисуем, рисуем, В итоге получаем вот это:

Помимо всего прочего в слоях, есть одна интересная веешь, такая как отключение видимости слоя, достаточно шелкнуть на имени НЕАКТИВНОГО слоя чтобы сделать его невидимым. Удобно когда проверяешь плату, чтобы всякие лишние линии не мозолили глаз и не отвлекали.

В результате плата выглядит так:

Вот наша платка и готова, осталось всего ничего добавить несколько крепежных отверстий, вообще отверстия лучше проектировать на самом первом этапе создания платы.
Отверстия сделаем теми же самыми контактными площадками, после травления у нас будут маленькие точки, и мы точно просверлим отверстия для крепления.

Теперь немного пояснений по печати зеркального/незеркального изображения. Обычно проблема возникает с ЛУТом, когда по неопытности печатаешь изображение не в том отображении.  Проблема решается на самом деле просто.

Во всех программах разводки плат у нас принято что текстолит «прозрачный” поэтому мы рисуем дорожки глядя как бы сквозь плату. Так проще, в том смысле что нумерация выводов микросхем у нас получается естественной, а не зеркальной  и не путаешься.  Так вот. Нижний слой уже у нас зеркальный. Его печатаем как есть.

А вот верхний надо зеркалить. Так что когда будете делать двусторонку (хотя не советую, большую часть плат можно развести по одной стороне) то ее верхнюю сторону надо будет уже зеркалить при печати.

Вот мы нарисовали простую платку осталось всего несколько маленьких штришков.
Уменьшить общий размер рабочего поля и вывести на печать. Впрочем, можно просто вывести на печать как есть.

Если вы печатает для ЛУТа или фотошаблон для резиста, то надо чтобы цвет был максимально темный и непрозрачный. А дорожки у нас по дефолту зеленые и при печати будут серыми. Это легко решается выбором черного цвета для печати. Также надо выключить все другие слои. Такие как шелкография и оборотная сторона платы. Иначе будет каша.

Зададим несколько копий, мало ли вдруг запортачим:

Вот мы и нарисовали простенькую платку расположили несколько копий на листе напечатали изготовили и наслаждаемся готовым.

Все это конечно хорошо но и саму платку не мешало бы закончить, довести до ума, да и положить в архив, вдруг когда пригодиться, или кому то переслать потом надо будет, а у нас не подписаны даже элементы что и где стоит, в принципе то можно и так мы то все помним но вот другой человек которому мы это дадим будет долго материться, сверяя по схеме. Сделаем последний штришок, поставим обозначения элементов и их номинал.
Сначала переключимся на слой B1.

Теперь выберем иконку текст, в ней проставим размер шрифта 1. 0 мм (как сделать, дабы можно было писать шрифтом меньше чем 1,5 мм я уже писал так что смотрим внимательно) включим английский язык на клавиатуре и начнем расставлять обозначения элементов в зависимости, от элемента перед постановкой надписи будем нажимать кнопочки с углами поворота шрифта 0,90,180, или 270 градусов.

После того как расставили все обозначения элементов можем их выровнять дабы смотрелось более аккуратно, после всех этих действий наша платка выглядит вот так:

Теперь осталось самое интересное, это проставить номиналы деталей, выделяем левой кнопкой какую либо деталь и жмем на ней правой кнопкой мышки, в выпадающем меню выбираем пункт, Обозначить.

И в поле пишем наш номинал резистора R1 согласно схеме он у нас 1,5К
Написали, жмем ОК и потом если подведем указатель к резистору R1 то у нас высветиться его номинал.

Таким образом проставляем номиналы всех деталей и если ничего больше нет то отправляем платку в архив. Единственно не забываем одну вещь программа не любит русские буковки так что все надписи делаем исключительно на английском языке. Впрочем это не касается обозначений номинала во всплывающих подсказках.

Вот мы и сделали простую плату.

Создание корпуса TQFP-32
Идем дальше теперь мы нарисуем немного сложный корпус, а именно TQFP-32 для этого на нашей платке сделаем вторую вкладку. Делается она очень легко, нажимаем вот тут

Прямо на надписи правой кнопкой мышки и в выпадающем меню выбираем Новая плата. После отвечаем утвердительно на вопрос, откроем свойства новой платки и назовем ее TQFP-32.

Теперь открываем даташит на микросхему которую собрались рисовать сделаем например смотря на даташит от ATmega-8.

Вот что пишут нам в самом даташите. Параметров дофига, но ничего. Сначала уменьшим размер сетки до 0,15785 мм на всякий случай, а потом откроем такую фишку программы как Создатель макроса.

Опции ->Создатель макроса.

После того как открыли, то мы перед собой видим такое окно.

Смотрим в даташит на микросхему и видим квадрат у которого с каждой стороны ножки блин, ну да ничего не беде просто в верхнем выпадающем меню выберем другое расположение а именно Четырехсторонний и щелкнем на контакте SMD. Вот и все теперь заглядывая в даташит, и в это окошко смотрим куда какой параметр вводить, в итоге заполняем все поля, и получаем такой результат:

Теперь щелкаем на кнопке ОК. Наш корпус становится красным и привязан к мышке и потом щелкаем в любом месте экрана.

Теперь у нас остался совсем маленький штришок это приблизить изображение крутя колесо мышки от себя, переключиться на слой В2, и нарисовать контур микросхемы и обозначить где у нас будет первая ножка.

Вот и все, наш корпус под микросхему TQFP-32 создан, теперь если что можно распечатать, его на бумажку приложить микросхему и если немного нет так то слегка подкорректировать параметры, а потом сохранить как макрос дабы в дальнейшем уже подобный корпус не рисовать.

Отрисовка картинки
И последний шаг нашего урока, я расскажу как из изображения платы найденного в журнале или на просторах Интернета сделать платку.

Для этого создадим следующую вкладку и назовем ее Интернет.
Дабы для повторения долго не искать выйдем в Интернет и в поисковике наберем «Печатная плата» поисковик выкинет кучу ссылок и картинок выберем из них что либо просто так.

Вот мы видим такую картинку из левой части нам надо только размеры и все они у нас 37,5 на 30 мм.
Вот мы с такими размерами и нарисуем контур на слое U.

После того как нарисовали, возьмем наше изображение и с помощью графического редактора уберем все что у нас находиться в левой части, она нам в принципе не нужна а правую часть сохраним в файл с расширением .ВМР. Если сканируем платку из какого то журнала то лучше сканировать с разрешением 600 dip и сохранять в файл .ВМР После того как сохранили в программе переходим на слой К2 нажимаем на иконку ШАБЛОН.

Вот она квадратик разделенный на две части зеленую и желтую и на нем нарисованы дорожки.
После того как нажали, у нас откроется вот такое окошко.

Нажимаем кнопку Загрузить… и выбираем наш файл. После этого экран у нас примет такой вид

Крупновато будет, не правда ли? Вот и я о том. Теперь смотрим от чего мы можем оттолкнуться на этой плате, т.е  размеры чего мы знаем точно, а у нас их два это сами размеры платы и микросхема в DIP корпусе, отлично вот по этим размерам мы и будем меняя параметры в окошках  Размер, СдвигX, СдвигY подгонять наше изображение до приемлемого критерия.
У меня получилось вот с такими параметрами.

Вот и все теперь просто обрисовываем деталями эту картинку. Вполне возможны случаи когда детали могут не попадать со 100% на нарисованное на картинке, это не страшно главное есть картинка на фоновом слое и набор макросов с фиксированным размером а это самое главное. В программе Sprint-Layout имеется великолепный набор макросов, да и постепенно когда будут рисоваться новые детали он еще и будет пополняться своими.

Когда наложен шаблон на задний фон и делаем его обрисовку то дополнительно можно поиграть вот с этими двумя кнопочками

Если нажать на верхнюю то пока ее держим станут невидимыми наши дорожки, а если на нижнюю то пока ее держим станет невидимой наша картинка которую наложили фоном.

Вот в принципе и все о программе Sprint-Layout, думаю для начинающих её осваивать, информации и так предостаточно, трудно всё сразу запомнить, что и куда нажимать, как и что делать, но это всё придёт с практикой.

Удачного создания плат!

 

Скачать новую, русскую версию программы Sprint-Layout 6.0_rus, с большой библиотекой макросов, с русским «хелпом», с возможностью делать надписи на плате русским языком, можно отсюда.

 
 

Статья распечатана с  сайта Электроника для всех:

 

DipTrace Рисование принципиальной схемы и трассирование печатной платы
Дата: 28 Августа 2014.
Автор: Алексей
Наконец-то у меня появилось свободное время. И так, на чем мы остановились. Схема. Ну как обычно «Хелоу Ворд!» рисуем схему мультивибратора. (та что на транзисторах и резисторах с конденсаторами, а не то о чем подумали многие). Я взял картинку из статьи про PCAD-2006. Думаю схема мультивибратора не поменялась за все это время.
Для того чтобы нарисовать принципиальную схему в среде DipTrace нам понадобится запустить приложение под названием Schematic DT. Запускаем.
Я специально удалил все библиотеки для того чтобы показать как их подключать. Подключение библиотек. В верхнем меню выбираем Библиотека->Подключение библиотек…
Откроется вот такое окошко. 99% что оно у вас будет заполнено родными библиотеками. Это ничего страшного. Будем добавлять к существующим.
Теперь в этом окне нажимаем на кнопочку Добавить.
Ломимся в папку с нашими библиотеками, выбираем их и давим Открыть. Все, библиотеки подключены.
Для того чтобы программа увидела наши библиотеки, выделяем их все и жмем на кнопку со стрелками.
Теперь жмем на кнопку Закрыть и наши библиотеки тут же становятся видны в программе.
Библиотеки добавили, теперь давайте рисовать схему. Наверху над рабочим полем расположился список в строчку имен библиотек. Если в строчку не уместились все библиотеки, то их можно подвигать вправо, влево нажимая на стрелочки справа от строчки. Если имен много, то правее стрелок есть еще одна маленькая стрелка, нажав на нее можно вывести скрол и быстро переместиться по строчке с именами библиотек. Если библиотек совсем много, а в каждой немеренное количество элементов, то тут поможет только поиск. На самом верху находим иконку бинокль и жмем на нее. Появится окно поиска. К примеру нам нужно найти МК ATmega8A. В поле Название: вписываем ATmega8A. В Область поиска выбираем Подключенные, то есть искать только в наших библиотеках. И нажимаем Поиск. Система найдет МК(если он есть в библиотеках) и выведет все его данные. Также можно нажать на кнопку Корпус и посмотреть какой корпус у этой микросхемы.
Если все устраивает, жмем Place. Теперь узнав как выбирать детали, давайте соберем все же наш мультивибратор. Выбираем шаг сетка 1мм. Находим резисторы, транзисторы, конденсаторы и кидаем на рабочее поле.
Теперь нам надо их расставить по своим местам. С конденсаторами все ясно, а вот с резисторами и транзисторами. Вращать в DipTrace нужно так. Выделяем объект и нажимаем пробел. Также если нужно повернуть несколько объектов, как у нас четыре то выделяем все четыре и жмем пробел. Теперь транзисторы. Если глянуть на схему, то правый транзистор нормально расположен, а вот левый надо бы как-нибудь отзеркалить. За это отвечает функция Отражение. Проще всего добраться до нее нажав на требуемом объекте правой кнопкой и наведя курсор на функцию выбрать горизонтальное или вертикальное отражение.
Теперь упорядочим детали как на схеме.
Замечательно. Деталь на своих местах, теперь их надо связать проводниками. Наверху в инструментах жмем на иконку Установка связи и по схеме обвязываем наши детали.
К сожалению DipTrace не рисует соединения под углом. Или что-то не знаю, но я так и не победил эту напасть. Теперь нам понадобится разъем питания. Рисуем.
Ну схему нарисовали, теперь пора трассировать. Жмем Файл->Преобразовать в плату. И наблюдаем за процессом.
Просто жмем Ок.
Вот что получилось на выходе.
Теперь все расставляем все по местам. У меня получилось так.
Теперь давайте запустим автотрассировщик. Для этого для начала нужно рассказать ему, какая толщина дорожки, какие зазоры, на каких поверхностях. Для этого нажимаем на кнопочку параметры трассировки в верхнем меню и смотрим в появившееся окно. Из всех параметров пока нам нужны два верхних, это ширина трассы и межтрассовое расстояние. С учетом размеров деталей я выбрал 0,5.
Жмем Ок и все готово. Чтобы запустить автотрассировщик нужно просто нажать на зеленую стрелку в верхнем меню .
Две секунды и все готово))) Дальше ручками наводим марафет, а для полного удовлетворения над проделанной работой жмем на кнопочку 3D и лицезреем на нашу красоту.
К сожалению в 99% 3D модель у вас не получится так как нет 3D моделей. А вот о том как создавать 3D модели я расскажу и скорее всего видео выложу в следующей раз.
Все что я описал это лишь малая часть возможностей этой программы. Если у кого возникнут трудности, пишите в комментариях, на почту или через обратную связь. Буду помогать по мере возможностей.


DipTrace создаем корпус элемента

алекс    31.01.15

как сделать так.. чтоб она разводила только в верхнем слое . т.е для smd монтажа без переходов и т.д и т.п???


Алексей    31.01.15

«Настройки Автотрассировки» Снять галочку «Использовать все доступные слои» и в окошке «Количества слоев» поставить 1


Павел    25.12.15 22:25

Как объединить платы из разных проектов в один комплект?


Алексей    25.12.15 22:37

Я не нашел как это делать. Контур платы может быть только один.


Виталий    22.11.17 19:42

Спасибо! А как сделать, чтобы разъем остался сверху, а SMD компоненты снизу платы?


Алексей    22.11.17 22:54

Выбрать нужный компонент. Затем нажать на нем правой кнопкой мыши. В появившемся меню выбрать пункт «Изменить сторону».


АНОНИМ    12.02.18 15:10

Доброго времени суток , прикрепитесь пожалуйста библиотеку , которые вы использовали…


Алексей    13.02.18 12:19

У меня ее больше нет.


Ury    19.11.18 13:48

А подскажите, пожалуйста, в «лицензии» 1000/4 что входит в 1000 — SMD площадки, переходные отверстия, собственно пины?


Алексей    21.11.18 09:36

Да

Регулируемый блок питания. Разработка печатной платы

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. В первой части статьи мы вместе разобрались с работой блока питания, а также определились, какие нужны детали для его изготовления. В этой части разработаем и нарисуем печатную плату на бумаге.

Печатку будем делать дедовским способом. По-современному я попробовал и мне не понравилось. Уж больно много надо дополнительных приспособлений и навыков, плюс, изучение программы, в которой рисуется печатная плата, специальная бумага, на которую надо наносить рисунок специальным образом и тонером, а затем все это гладить утюгом, и только потом вытравливать.

А если промахнулся с тонером, бумагой, или не догладил, то приходится дорисовывать дорожки фломастером вручную. Одним словом геморрой и трата времени. Но это мое личное мнение. Во всяком случае Вам надо попробовать и понять дедовский метод, так как все с него начинали. А как поймете сам процесс, тогда вперед на освоение современных технологий.

Берем обычный тетрадный лист в клеточку, и в верхней части рисуем схему. Если схема большая, то можно этого не делать, главное, чтобы она была перед глазами.

Все электрические и принципиальные схемы рисуются и читаются слева направо, поэтому рисовать дорожки и компоновать детали на плате будем также слева направо.

Теперь запоминайте: обратная сторона бумаги является стороной платы, на которой будут установлены радиодетали. А сторона бумаги, на которой рисуются дорожки – это будет сторона печатной платы со стороны дорожек.

Поехали.
Выбираем середину листа бумаги. Берем конденсатор С1 и ножками слегка вдавливаем в лист, чтобы от них остались следы на бумаге. Карандашом рисуем габарит конденсатора и его условное обозначение, а ручкой отмечаем выводы.

Еще момент. Если у Вас конденсатор горизонтального исполнения, или слишком большой, то его нет смысла крепить на плате, так как она будет слишком большой. Достаточно сделать два отверстия под выводы, и уже при монтаже, проводами соединим конденсатор с платой.

Здесь же рядом с конденсатором, располагаем диодный мост, состоящий из диодов VD1 – VD4. Выложите на бумагу все четыре диода и определитесь, как и где они будут находиться на плате. Мне показалось, что удобным будет разместить их под конденсатором.

Берем два диода и загибаем их выводы, как показано на средней части рисунка. Можно диодами надавливать на бумагу, как это делали конденсатором, а можно просто положить диоды рядом друг с другом и выводы отметить ручкой, при этом оставляйте расстояние между корпусами диодов. Достаточно будет 1мм.

Расстояние между выводами под резисторы, диоды и постоянные конденсаторы делайте на 1мм шире, чем есть на самом деле. Пусть будет шире, чем уже.

Между парой точек рисуем обозначение диода, как на правой части рисунка.

Теперь в кучу «собираем» диодный мост и конденсатор.
Верхние два диода соединяем анодами, а нижние два диода катодами — это будет выходная часть моста (рис №1). Далее, катод первого диода соединяем с анодом четвертого диода, а катод второго диода соединяем с анодом третьего — это будет входная часть моста (рис №2).

Отмечаем два отверстия для подачи переменного напряжения и обязательно указываем, что это будет «вход» (рис №3). Ну и определяемся с плюсовым выводом конденсатора C1. Выводы диодного моста «плюс» и «минус» соединяем с аналогичными выводами конденсатора (рис №4).

Следующим по схеме идут резистор R1 и диод VD5.
Кладем их на лист бумаги (рис №1), размечаем, как они будут располагаться на плате, отмечаем выводы и рисуем условные обозначения резистора и диода, как показано на рисунке №2. Внутри резистора указываем его номинал. В нашем случае это 10кОм.

Теперь согласно схеме эти элементы соединяем между собой дорожками. На рисунке №3 эти дорожки указаны стрелками.

У нас получается, что по схеме «минус» от конденсатора С1 приходит на верхний вывод резистора R1, значит, соответствующий вывод конденсатора соединяем дорожкой с соответствующим выводом резистора.

Нижний вывод резистора R1 и катод диода VD5 соединены между собой, значит, соединяем эти выводы дорожкой (средняя стрелка). Ну и анод диода VD5 соединяем с плюсом диодного моста. Надеюсь, принцип понятен? Идем дальше.

Следующими в схеме идут транзистор VT1, стабилитрон VD6 и резистор R2.
Кладем новые и предыдущие детали (резистор R1 и диод VD5) на бумагу, располагаем их, размечаем положение, и отмечаем отверстия под выводы. У резистора указываем номинал 360 Ом, а у транзистора отмечаем выводы базы, коллектора и эмиттера.

Теперь эти элементы соединяем согласно схеме. Базу транзистора соединяем с резистором R1 и катодом диода VD5 (рис №1). Анод стабилитрона VD6 соединяем с нижним выводом резистора R2 (рис №2), и с коллектором транзистора VT1 (рис №3). Верхний по схеме вывод резистора R2 соединяем с верхним выводом резистора R1 или минусовой шиной (рис №3).

Следующим идет переменный резистор R3. Его на плате крепить не будем, а сделаем только три отверстия под выводы. Резистор, как и конденсатор, соединять с платой будем проводами.

Кладем на бумагу стабилитрон VD6 и рядом с ним отмечаем три отверстия (рис №1). Анод и катод стабилитрона соединяем с верхним и нижним выводами переменного резистора (рис №2). И здесь же, катод стабилитрона VD6 соединяем с анодом диода VD5 и общей плюсовой шиной (рис №2).

Следующими по схеме идут управляющий транзистор VT2 и его нагрузочный резистор R4. Кладем их на бумагу, размечаем и отмечаем (рис №1 и №2). Средний вывод переменного резистора R3 соединяем с базой транзистора VT2. Верхний вывод резистора R4 соединяем с эмиттером транзистора VT2, а нижний вывод резистора R4 – с нижним выводом переменного резистора R3 и плюсовой шиной.

Теперь размечаем отверстия для мощного транзистора VT3. Он так же, как и резистор R3, не будет располагаться на плате, а соединяться с ней проводами.
Базу транзистора VT3 соединяем с эмиттером транзистора VT2.
Коллектор VT3 соединяем с коллектором VT2, верхним выводом резистора R2 и общей минусовой шиной (рис №3).

Нам осталось определиться с расположением нагрузочного резистора R5 и до конца соединить оставшиеся детали. Верхний вывод резистора R5 соединяется с эмиттером транзистора VT3 и эмиттером транзистора VT1, а нижний вывод резистора R5 соединяется с резистором R4 и плюсовой шиной.

Не забываем отметить два отверстия под выходные гнезда ХТ1 и ХТ2.

Ну вот, Вы разработали и нарисовали на бумаге (пока еще) свою первую печатную плату. Но это только начало, так как ее еще надо довести до ума. А это: проверить на ошибки, просверлить отверстия под детали, нанести рисунок дорожек на медную поверхность, затем плата вытравливается в хлорном железе, после вытравливания наносится припой на дорожки, и только потом на плату припаиваются детали. Всем этим займемся в следующей части.
Удачи!

Можем ли мы построить конденсаторы на печатной плате?

Я часто использую этот метод для высокочастотных систем с высокой реактивной мощностью. Однако я хочу предупредить, что «нормальный» материал печатной платы, такой как стекловолоконный текстолит FR4, работает не так, как ожидалось. Он имеет tan (fi) около 0,035, что означает, что в моих конструкциях емкостный конденсатор емкостью 100 пФ при 4 кВ и 10 Ампер 100 МГц «немного нагревается» … В первые секунды 200 C и после минуты 400 C.

Некоторое время я пытался приклеить радиаторы с обеих сторон, пытался погрузить их в охлаждающую жидкость и т. Д. По логике это совсем нехорошо. Инфракрасная фотография показала равномерное поле температуры на поверхности, без каких-либо измененных пятен вокруг прилипания проволоки, таким образом, это определенно является причиной диэлектрического нагрева, а не эффекта Фуко в меди.

Наилучшим решением, которое я нашел в моем случае, было производство Rogers Inc. (в Бельгии) печатной платы на основе тефлона, которая (есть разные материалы, я приведу число для лучших) имеет tan (fi) = 0,0003. Разница действительно стоит денег. И уверен, что этот конденсатор намного дешевле, чем Vishay серии kVAR или Jennings и т. Д.

Во-вторых: часто «людям с катушками Тесла» нужны такие вещи, как кепки 40 кВ, и они работают на частотах диапазона кГц, поэтому диэлектрический нагрев для них не так важен. Тогда нет ничего лучше напольной ковровой ПВХ-плитки полутвердого типа в рулонах толщиной около 2 … 3 мм. Положите две медные листочки между ними и скатайте в «колбасу». Этот материал «как есть» может сохраняться до 40 кВ или на пределе 50, и его эпсилон составляет от 2,7 до 3,3 с коэффициентом рассеяния от 0,006 до 0,017. Таким образом, за исключением того, что медь может слегка «ходить» или образовывать воздушные карманы, ПВХ следует рассматривать как гораздо лучший материал для конденсаторов по сравнению с эпоксидной печатной платой из стекловолокна.

3) Я читаю здесь о своих испытаниях по поводу бумаги. Остается написанным, что цифры на бумажных изделиях: целлофановая пленка: e = 6,7 … 7,6 и tan = 0,065 … 0,01, бумажные волокна 6,5 и 0,005; крафт-ткань 1,8 и 0,001-0,0015; тряпичная хлопчатобумажная ткань 1,7 и 0,0008-0,0065; картон 3,2 и 0,008. Логично, что в случае пропитанных сортов бумаги пропитывающий химикат оказывает основное влияние. Таким образом, бумага является материалом с потерями, однако даже она действует лучше, чем печатная плата.

Разводка питания и развязка по питанию для печатных плат

Хорошие способы развязки позволяют сократить количество развязывающих конденсаторов.
Главным является правильный выбор конденсаторов и грамотная разводка.

1. ТОКИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЛОГИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ

Не секрет, что при смене логических состояний у большинства цифровых устройств возникает большой бросок тока, который следует сразу за фронтом тактового сигнала (рис. 1).

Например, схеме, работающей на частоте 100 МГц и потребляющей в среднем около 4 А, реально может потребоваться 20 А тока в течение первых нескольких наносекунд тактовой последовательности. (Причина возникновения больших токов при смене логических состояний рассмотрена в статье Б. Картера «Техника разводки печатных плат»)
Очевидно, что питание этой схемы от 20-амперного источника увеличит размеры и стоимость изделия. Менее очевидно, что паразитные последовательные индуктивности соединительных проводов, проводников печатной платы и выводов компонентов могут сделать невозможным быструю ответную реакцию мощного источника питания на мгновенные изменения тока. С другой стороны, недостаточная нагрузочная способность источника будет приводить к возникновению нестабильных падений напряжений на шинах питания и земли. Это явление обычно проявляется как высокочастотный шум.

2. ПРИМЕНЕНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ В КАЧЕСТВЕ ЭЛЕМЕНТОВ РАЗВЯЗКИ ПИТАНИЯ
 
Применение развязывающих конденсаторов позволяет распределить рабочий ток между потребителями, используя низкоимпедансные (т.е. низкоиндуктивные для токов ВЧ) пути прохождения тока. Практически это означает, что развязывающие конденсаторы непосредственно обслуживают цифровые компоненты, в то время как источник питания занимается их перезарядом. Ключом к созданию работоспособной и удачной схемы развязки является правильный выбор применяемых конденсаторов и правильная разводка цепей их подключения.

Использование конденсаторов в качестве элементов развязки требует понимания основ их работы. На рисунке 2а показан идеальный конденсатор — емкость для накопления и хранения заряда и для освобождения от него. На рисунке 3 приведена частотная зависимость импеданса идеального конденсатора — монотонное уменьшение значения при увеличении частоты. Поскольку основной шум цифровых систем является высокочастотным шумом (>50 МГц), уменьшение импеданса на высоких частотах хорошо соответствует задаче развязки цепей питания.

К сожалению, поведение реального конденсатора не такое простое; его модель показана на рисунке 2б. Физическое устройство реального конденсатора включает в себя эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентную последовательную индуктивность (ESL). К тому же, реальный конденсатор обладает сопротивлением утечки. Сумма этих паразитных эффектов приводит к изменению характера частотной зависимости импеданса (рис. 3).

Низшая точка импедансной зависимости известна как частота собственного резонанса. Разработчики часто пытаются подобрать конденсаторы с собственной резонансной частотой, находящейся близко от рабочей частоты системы. Однако, параметры реальных конденсаторов делают этот подбор нецелесообразным при тактовой частоте, превышающей 100 МГц. Важное правило, которое следует помнить: развязывающие конденсаторы допустимо использовать на частотах более низких, чем частота их собственного резонанса, до тех пор, пока их импеданс на этих частотах остается достаточно низким.

Падение напряжения на эквивалентном последовательном сопротивлении конденсатора пропорционально протекающему через него току. Поскольку важным является поддержание питающего напряжения стабильным, желательным является использование в цепях развязки конденсаторов с малым ESR (т.е. с меньшим, чем 200 мОм). Эквивалентная последовательная индуктивность определяет скорость реагирования конденсатора на изменения тока — конденсаторы с более низким значением ESL будут реагировать более быстро на изменения протекающего тока, что очень важно для цепей высокочастотной развязки. Несмотря на то, что, как параметр ESR более широко описан и изучен, ESL, наверное, более важен. Все конденсаторы для поверхностного монтажа, приведенные в таблице 1, обладают достаточно низкими значениями ESL. 

Эквивалентное сопротивление и индуктивность конденсаторов
Типоразмер ESL min (нГн) ESL max (нГн)
0402 0,54 1,90
0603 0,54 1,95
0805 0,70 1,94
1206 1,37 2,26
1210 0,61 1,55
1812 0,91 2,25
с радиальными выводами 6,0 15,0
с осевыми выводами 12,0 20,0

Конденсаторы с материалом типа I в качестве диэлектрика не ухудшают свои характеристики от времени и воздействия температуры, но малое значение диэлектрической постоянной делает их использование в качестве компонентов развязки неэффективным. Конденсаторы с материалом II типа (т.е. X7R) являются более хорошим выбором из-за хорошей долговременной стабильности (10% потерь в течение 10 лет), температурных характеристик и высокого значения диэлектрической постоянной. Материал типа III обладает наивысшим значением диэлектрической постоянной и плохими температурными показателями (от 50 до 75% потерь при работе на предельных температурах) и плохой долговременной стабильностью (20% потерь в течение 10 лет). Среди популярных диэлектриков многослойная керамика и синтетика обладают небольшими эквивалентными последовательными индуктивностью и сопротивлением. Керамические конденсаторы более легко доставаемы. Танталовые конденсаторы часто используются как общие элементы развязки по низкой частоте, однако они не подходят для локальной развязки.

В таблице 1 показаны типичные значения ESL для различных типов корпусов конденсаторов. Типоразмер является определяющим элементом эквивалентной последовательной индуктивности — обычно конденсатор меньшего размера обладает меньшим значением ESL при таком же значении емкости. Конденсаторы с большими значениями ESL не годятся для использования в качестве элементов развязки.

В общем случае, правильной стратегией является поиск конденсатора с наибольшей емкостью при наименьших габаритных размерах (это верно лишь с точки зрения ESL, но не всегда правильно с точки зрения другого важнейшего параметра конденсаторов — диэлектрической абсорбции — прим. переводчика). Однако при таком выборе необходимо быть внимательным. Высота корпуса конденсатора в достаточно значительной мере оказывает влияние на ESL. Для перекрывающихся диапазонов ESL в таблице 1 возможен выбор корпуса с меньшим посадочным местом на печатной плате. Однако значение ESL может оказаться большим. Поэтому при выборе типа конденсатора необходимо руководствоваться параметрами производителя для определения лучшего компромиссного варианта.
 
3. ИНДУКТИВНОСТЬ ПРОВОДНИКА
 
При разводке компонентов и цепей основным препятствием хорошей развязки является индуктивность. С весьма грубыми приближениями можно считать, что индуктивность трассы с волновым сопротивлением 50 Ом на материале FR-4 будет составлять около 9 пГн на каждые 0,025 мм длины. Индуктивность одиночного переходного отверстия примерно равняется 500 пГн и зависит от геометрической конфигурации.

Индуктивность пропорциональна длине, поэтому важно минимизировать длину проводника между выводами компонента и развязывающего конденсатора. Индуктивность обратно пропорциональна ширине трассы, поэтому широкие проводники более предпочтительны, чем узкие.
Помните, что путь тока всегда представляет собой петлю, и эта петля должна быть минимизирована. Уменьшение расстояния между выводом питания компонента и выводом конденсатора может и не уменьшить общую индуктивность. Как правильно расположить конденсатор? Ближе к выводу питания компонента? Или ближе к выводу земли? Или посередине между этими выводами? Некоторые источники рекомендуют располагать конденсатор вблизи от вывода, наиболее удаленного от полигона питания или земли.

4. ВАРИАНТЫ РАЗВОДКИ КОНДЕНСАТОРОВ РАЗВЯЗКИ
 
Хорошая разводка чрезвычайно важна для эффективной работы цепей развязки. Как видно из таблицы 1, конденсаторы со значением эффективной последовательной индуктивности менее 1 нГн вполне доступны. Добавление всего лишь 2 нГн утроит значение ESL конденсатора. Рисунок 4 демонстрирует изменение частоты собственного резонанса и увеличение интегрального реактивного сопротивления при добавлении индуктивности проводника в 2 нГн к собственной индуктивности (0,8 нГн) конденсатора емкостью 4,7 нФ.

На рисунке 5 показано несколько методов размещения и подключения конденсатора развязки. Для упрощения на схемах показаны лишь выводы конденсатора и вывод питания активного компонента. Соединению между выводом конденсатора и общим выводом питания компонента также должно быть уделено значительное внимание.

На рисунке 5A показана наиболее часто встречающаяся конфигурация разводки. Вывод питания компонента подключен коротким проводником к шине питания во внутреннем слое через переходное отверстие. Конденсатор развязки, расположенный на другой стороне платы, подключен к этому же переходному отверстию. Несмотря на то, что такой подход часто обусловливается простотой разводки, он позволяет эффективно работать цепям развязки и экономит пространство разводки. Два одиночных отверстия добавят в цепь развязки около 1 нГн паразитной индуктивности.

Если конденсатор расположен на расстоянии 50 мил (1,27 мм) от вывода компонента, то добавляемая индуктивность в лучшем случае составит около 0,9 нГн. При более удаленном размещении конденсатора от активного компонента проводники будут более длинными, а паразитная индуктивность будет иметь большее значение.
 
Вариант B представляет собой значительное улучшение варианта A с размещением конденсатора развязки и активного компонента на одной стороне печатной платы. Конденсатор подключен после паразитной индуктивности переходного отверстия. При достаточно коротких проводниках схема развязки вносит дополнительно менее 1 нГн паразитной индуктивности.

Вариант D представляет собой развитие варианта A — для уменьшения собственной индуктивности и увеличения распределенной емкости проводники сделаны шире, что также улучшает характеристики цепи развязки.

Вариант E — модификация варианта B с более широкими проводниками и более хорошими характеристиками.

На первый взгляд кажется, что вариант C совершенно не подходит для разводки цепей развязки, поскольку нет проводников, напрямую подключающих активный компонент к конденсатору развязки; фактически они оба подключены через отверстия к полигонам питания и земли, которые расположены во внутренних слоях. При четырех отверстиях к цепям развязки добавится минимум 2 нГн паразитной индуктивности. Однако очень широкие проводники питания и земли практически не будут добавлять индуктивности при не очень большой длине. Такой вариант разводки пригоден, когда конденсатор развязки не может быть размещен достаточно близко к активному компоненту.

Вариант F — улучшение варианта C добавлением дополнительных параллельных отверстий. Такое добавление приводит к уменьшению паразитной индуктивности переходных отверстий в два раза, позволяет улучшить качественные характеристики схемы и должно использоваться всякий раз, когда позволяет место.

5. ПРИМЕНЕНИЕ СОСТАВНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ
 
Поскольку емкости при параллельном соединении суммируются, а результирующая индуктивность уменьшается, то параллельное соединение двух небольших конденсаторов с одинаковыми значениями емкости может привести к качественному выигрышу, по сравнению с применением одного большого конденсатора. Конечным результатом будет такая же емкость развязки и меньшая паразитная эквивалентная последовательная индуктивность.

На практике обычно избегают использования конденсаторов с разными значениями емкостей для создания локальной развязки. Составные конденсаторы с разными емкостями обладают частотной зависимостью импеданса, складывающейся из частотных зависимостей импедансов отдельных конденсаторов. Пример показан на рисунке 6.

Конденсатор емкостью 47 нФ используется для развязки низких частот, а конденсатор емкостью 150 пФ — для высоких. На первый взгляд, можно предположить, что параллельное соединение этих конденсаторов позволит улучшить импедансную характеристику.

К сожалению, это не так. Такое соединение может породить существенные проблемы на частотах, находящихся между собственными резонансными частотами конденсаторов. На рисунке 7 видно, что комбинация двух конденсаторов создает антирезонансный пик (а, следовательно, повышенное сопротивление) на суммарной частотной характеристике.

Источник данной проблемы легко определяется при рассмотрении эквивалентной схемы, показанной на рисунке 8. Результатом соединения паразитных компонентов конденсаторов является классический резонансный контур.

Тем не менее, составные конденсаторы, используемые в качестве элементов развязки, достаточно широко используются в прецизионных схемах. В этом случае к выбору конденсаторов необходимо подходить с большой тщательностью, моделируя схемы, включающие все паразитные компоненты.
 

Joe Thompson
Decoupling Strategies for PCBs
PCD&M, October 2003

Благодарим сайт elart.narod.ru за предоставленный перевод

Подробнее

Выполнение профессиональной разводки печатных плат в Москве и Санкт-Петербурге.

САПР для Arduino / Arduino / RoboCraft. Роботы? Это просто!

Меня всё интересовало – как рисуют схемы вроде этой схемы Blink-а:

И вот я нашёл ответ 🙂 Для этого используется замечательная программа
Fritzing

Девиз программы – «От прототипа к продукту» (From prototype to product) – полностью оправданный и соответствующий всей философии Arduino!

На сайте можно скачать архив с программой, разархивировать её и запустить файл
Fritzing.exe

Появится окно программы:

Для начала можно посмотреть примеры
Меню File – Open Example
Например, тот же стандартный Blink 🙂
(File – Open Example – Digital – Output — Blink)

Откроется уже знакомая схема 🙂

Но! Эта программа так же даёт возможность посмотреть принципиальную схему

и увидеть – какой рисунок нужно изготовить на печатной плате (причём его можно экспортировать в pdf-файл для последующей распечатки и изготовления ЛУТ-ом)

Как видно – схема формируется в формате шилда для ардуины 🙂

Доступ к этим схемам доступен по кнопкам Schematic и PCB (Printed Circuit Board — печатная плата)
или через меню View (Show Breadboard/ Show Schematic / Show PCB)

Примерами дело не ограничивается – в этой программе можно создавать и собственные проекты! Из готовых элементов, список которых можно посмотреть в правом верхнем углу — PARTS

, либо из собственных!

Среди базовых элементов есть не только светодиод, резистор, конденсатор, кнопка, транзистор, но и сама плата Arduino, макетная плата и даже моторчики 🙂
Чтобы поместить их на схему – их достаточно выбрать из списка и перетащить на рабочее пространство левой кнопкой мышки 🙂

Рисовать схему можно как в режиме макетной платы – так и в режиме принципиальной схемы. Вторая схема будет строиться автоматически!
Т.е. набросав схему на макетной плате – она автоматически построится и в виде принципиальной схемы 😉

Для примера – перетащим на поле светодиод, резистор и блок с батарейками.

При наведении на контакты элементов указатель превращается в крестик и нажав левую кнопку мышки и протянув до другого контакта – можно соединить их проводом.

Если щёлкнуть на проводе правой кнопкой мышки – провод можно либо удалить – либо выбрать для него другой цвет 🙂

Теперь перейдём в режим Schematic и увидим принципиальную схему нашего соединения:

Чтобы она стала покрасивее – можно воспользоваться функцией автотрассировки ( голубая кнопка Autoroute)

Вот! Совсем другое дело 🙂

Можно посмотреть как будет выглядеть эта схема – если вдруг захотим перенести её на печатную плату – для это переходим в режим PCB 🙂

Теперь можно посмотреть другие примеры, а потом начать рисовать красивые и понятные схемы для Arduino 🙂

далее: Проектирование Arduino-шилда за 1 минуту!

Ссылки
fritzing.org
fritzing-app github

По теме
Ардуино что это и зачем?
Arduino, термины, начало работы
КМБ для начинающих ардуинщиков
Состав стартера (точка входа для начинающих ардуинщиков)

КОНСТРУИРУЕМ ПЕЧАТНУЮ ПЛАТУ | МОДЕЛИСТ-КОНСТРУКТОР

Начинающие радиолюбители часто не решаются приступить к сборке радиоэлектронного устройства только потому, что в его описании отсутствует рисунок печатной платы, а разработать ее самостоятельно может не каждый. Действительно, без достаточного опыта сделать это непросто: надо знать, как выбрать оптимальные размеры, правильно расположить элементы, своевременно обнаружить и исправить ошибки. Поэтому мы рекомендуем осваивать конструирование печатных плат с простейших.

Размеры платы и расположение печатных проводников зависят от количества устанавливаемых на ней элементов и их типов, поэтому не приступайте к работе, не убедившись, что подготовили все необходимые радиодетали. Их подбирают в соответствии с принципиальной схемой и описанием прибора, а также с учетом возможной замены. Прежде всего нужно правильно выбрать типы конденсаторов: важны не только емкость и рабочее напряжение, на которое они рассчитаны, но и их частотные свойства и качества диэлектрика. Если, к примеру, в радиочастотном устройстве применить конденсаторы на базе низкочастотной керамики или бумажные (МБМ, БМ-2 и др.), то оно может оказаться вообще неработоспособным.

Рис. 1. Способы установки радиоэлементов на плате

Между установленными на печатной плате элементами часто возникают сложные взаимные связи. Их влияние удается ослабить, располагая элементы с учетом принципа их действия и увеличивая расстояния между ними. Поэтому не следует стремиться к уменьшению размеров платы за счет уплотнения монтажа. Тесный монтаж может ухудшить и тепловой режим электронного прибора, что нарушит его нормальную работу. В радиочастотных устройствах нельзя излишне удлинять соединительные проводники, располагать элементы отдельных каскадов в непосредственной близости друг от друга, размещать рядом входные и выходные цепи.

Рис. 2. Аппликации радиоэлементов:

а — резисторы МЛТ, б — маломощные транзисторы, в — конденсатор КМ-5, г — конденсатор К50-6.

Пожалуй, с наибольшими трудностями приходится сталкиваться при разработке печатных плат усилителей и генераторов, причем с ростом рабочей частоты, коэффициента усиления, числа каскадов, а также с увеличением мощности, с повышением требований к стабильности частоты и генерируемого напряжения задача усложняется. Проще всего разрабатывать печатные платы для блоков питания — достаточно лишь обеспечить нормальный тепловой режим элементов и, разумеется, не допустить ошибок. Кстати, ошибки в рисунке платы необходимо выявлять на всех этапах разработки: чем раньше они будут обнаружены, тем легче их исправить.

Радиолюбители применяют как односторонние, так и двусторонние печатные платы. Начинающим рекомендуем только односторонние. Все радиоэлементы на них располагаются с одной стороны, а соединяющие выводы элементов печатные проводники — с другой.

Способы установки элементов на плате могут быть разными (рис. 1). Выводы каждого из них формуют — изгибают, чтобы придать им определенную конфигурацию, причем расположение изгибов и расстояние от корпусе до места пайки должны соответствовать условиям эксплуатации данного элемента, сведения о котором можно найти в справочниках.

Так, у транзисторов можно изгибать выводы не ближе 2 мм от корпуса, в свою очередь, радиус изгиба зависит от диаметра вывода — чем он толще, тем меньше допустимое искривление. Выводы мощных транзисторов (КТ803, КТ805 и им подобных) гнуть нельзя, а полупроводниковые приборы с выводами короче 10 мм начинающим радиолюбителям лучше не использовать.

Порядок размещения радиоэлементов на печатной плате называют компоновкой. От нее в немалой степени зависит работоспособность электронного устройства. К примеру, неудачное расположение элементов на плате генератора может стать причиной его неустойчивой работы, а у усилителя радиочастот вызвать самовозбуждение.

Рис. 3. Принципиальная схема усилителя

Используют аппликационный, графический, модельный и натурный способы компоновки. Для начинающих первый наиболее приемлем. В пределах будущей платы оптимально размещают аппликации (рис. 2) — кусочки плотной бумаги, не которых изображены контуры радиоэлементов с учетом способа их установки и формовки выводов. Элементы при этом изображают немного большими, чем натуральные, способствуя тем самым уменьшению взаимных связей и улучшению теплового режима устройства.

Кроме контуров радиоэлементов, на аппликациях указывают контактные площадки для подключения выводов (в виде кружочков d 2,5 мм), позиционные обозначения по принципиальной схеме (например, VТI, R4, С2), названия выводов полупроводниковых приборов, полярность включения электролитических конденсаторов и т. д.

Расстояния между изображениями контактных площадок не должны быть менее 1 мм. Рисунок выполняется на чертежной бумаге тушью или шариковой ручкой, позиционные обозначения и номера точек соединения (о них чуть позже) рекомендуется проставлять карандашом, что позволит использовать аппликации многократно, стирая надписи и заменяя их новыми. На обороте рисунка указывают конкретные типы элементов, которым он соответствует (например, МП16, МП26, МП39, МП42). Таким образом создают набор аппликаций и затем используют их при разработке различных печатных плат.

Р и с. 4. Размещение аппликаций.

Учитываются и возможности соединения платы с другими блоками, источниками питания, элементами коммутации, регулировки и индикации, входящими в конструкцию. Важно также выбрать, как расположить платы в корпусе аппарата — горизонтально или вертикально, определить число и расположение узлов крепления, а также их конструкцию (стойки, кронштейны и т. д.). Для них и элементов внешних соединений необходимо заранее наметить места на плате, свободные от радиоэлементов и контактных площадок.

Перед началом компоновочных работ перечертите принципиальную схему на отдельном листе бумаги и пронумеруйте на ней все точки соединений элементов и внешних связей платы. Подбирая аппликации, впишите в соответствующие кружки номера точек, а в контуры радиоэлементов — их позиционные обозначения. Полезно составить табличку, указывающую, сколько раз каждый из номеров точек соединения встречается на аппликациях. Она поможет контролировать ход составления рисунка платы и избежать грубых ошибок.

На листе миллиметровой бумаги проведите две взаимно перпендикулярные линии. Место их пересечения определит положение одного из углов будущей платы. С него и начните раскладку аппликаций, стремясь разместить их так, чтобы одинаковые номера выводов элементов оказались как можно ближе друг к другу, а изображения пассивных элементов каскадов тяготели к соответствующим транзисторам. Сладите за тем, чтобы контактные площадки не находились в непосредственной близости от участков, которые будут заняты узлами крепления.

В результате все аппликации должны примерно с одинаковой плотностью разместиться в пределах прямоугольника, контактные площадки для внешних соединений находиться на краях платы, а площадки для подключения входных и выходных проводов — на максимальном удалении друг от друга. Убедившись в этом, замкните контур платы, проведя недостающие линии сторон прямоугольника.

Закрепите каждую аппликацию на выбранном для нее месте резиновым клеем, наложите на рисунок лист кальки и перенесите на него контуры платы, радиоэлементов и контактных площадок. На изображениях элементов пометьте их позиционные обозначения, на контактных площадках — их номера. Теперь можно приступить к разработке рисунка печатных проводников. Для этого используйте сначала лицевую сторону рисунка на кальке (вид со стороны установки элементов).

Соедините поочередно тонкими карандашными линиями все контактные площадки с одинаковыми номерами, сверяясь по таблице. Ход линий выбирайте таким, чтобы каждую из них можно было расширить до 1 мм при зазоре между соседними линиями не менее 1 мм. Если в цепи будут протекать значительные токи, ширину соответствующих проводников нужно увеличить до 2—3 мм. Может случиться так, что проводники пересекутся. В этом случае придется одну из линий разорвать и на ее концах, находящихся по обе стороны пересекаемой линии, изобразить дополнительные контактные площадки с номером разорванной линии Во время монтажа они должны быть соединены проволочной перемычкой, а пока ее нужно изобразить пунктирной линией с надписью «пер.».

Переверните лист кальки обратной стороной (вид со стороны печатных проводников), изобразите поочередно, руководствуясь тонкими линиями, все печатные проводники шириной 1 мм, выдерживая тот же зазор между соседними проводниками и контактными площадками. (Ширина проводника, соединяемого с «заземленным» выводом источника питания, должна быть больше.) Вы получите рисунок платы с постоянной шириной проводников. Его можно доработать до другой разновидности — с постоянным зазором между проводниками. Платы с таким рисунком широко используются при изготовлении заводских и радиолюбительских устройств, при этом обычно за счет свободных мест между другими проводниками максимально увеличивается площадь, занимаемая «заземляемым» проводником. Достоинства этих плат — большая эффективность общего провода, лучшая экранировка элементов и значительная экономия раствора при травлении.

Рис. 5. Печатная плата УЗЧ

Калька — материал непрочный, поэтому рисунок печатных проводников необходимо перевести на лист плотной бумаги. Кроме проводников с центрами будущих отверстий для выводов элементов, на этом рисунке указывают отверстия для крепления платы и крупногабаритных элементов, контуры вырезок (если они имеются). Это и есть вспомогательный рисунок для непосредственной работы с заготовкой из фольгированного материала (см. статью «Как сделать печатную плату», «М-К» № 11 за 1985 г.). Оригинал, выполненный на кальке, используйте как руководство при установке элементов на изготовленную печатную плату.

Рассмотрим в качестве примера порядок разработки платы для монтажа усилителя мощности звуковых частот. В устройстве использовано 6 маломощных транзисторов, 10 постоянных резисторов, один полупроводниковый диод, 5 электролитических конденсаторов и 2 конденсатора других типов. Выберем конденсаторы К50-6, КЛС (С7) и БМ-1 (С8).

Принципиальная схема усилителя с сохранением прежних обозначений и пронумерованными точками соединения элементов показана на рисунке 3. Расположение аппликаций и рисунок печатных проводников изображены соответственно на рисунках 4 и 5. Из-за малого расстояния между выводами электролитических конденсаторов (2,5 мм) форма контактных площадок для них изменена.

Размеры платы могут быть уменьшены, если резисторы установить вертикально, а элементы разместить плотнее. В данном случае это допустимо, так как в усилителе отсутствуют большие напряжения и токи, а коэффициент его усиления невелик

В. князькин

Рекомендуем почитать

  • «ДЕЛЬФИН» ВЫХОДИТ НА ФАРВАТЕР
    Мечты у каждого свои. Кто о чем, а Сергей Дмитриевич Руденко, сотрудник городской станции юных техников, что в г. Слуцке Минской области, мечтает о детском техническом парке. И не только…
  • ГЛИССЕР «ПИОНЕР»
    По зеркалу лесного озера в клубах водяной пыли скользит, распластавшись, как чайка, белый глиссер. За кормой в стремительных виражах и разворотах мчится, оставляя на воде белые пенящиеся…
Навигация записиКонденсаторы

— learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 73

Введение

Конденсатор — это двухполюсный электрический компонент. Наряду с резисторами и катушками индуктивности, они являются одними из самых фундаментальных пассивных компонентов , которые мы используем. Вам придется очень внимательно поискать схему, в которой не имеет конденсатора.

Особенностью конденсаторов является их способность накапливать энергию ; они похожи на полностью заряженную электрическую батарею. Колпачки , как мы их обычно называем, имеют самые разные критические приложения в схемах. Общие приложения включают локальное накопление энергии, подавление скачков напряжения и комплексную фильтрацию сигналов.

Рассмотрено в этом учебном пособии

В этом руководстве мы рассмотрим всевозможные темы, связанные с конденсаторами, в том числе:

  • Как делается конденсатор
  • Как работает конденсатор
  • Емкость
  • Типы конденсаторов
  • Как распознать конденсаторы
  • Как емкость сочетается последовательно и параллельно
  • Применение конденсаторов общего назначения

Рекомендуемая литература

Некоторые концепции в этом руководстве основаны на предыдущих знаниях в области электроники.Прежде чем переходить к этому руководству, подумайте о том, чтобы сначала прочитать (хотя бы бегло просмотр) эти:

Обозначения и единицы измерения

Условные обозначения цепей

Есть два распространенных способа изобразить конденсатор на схеме. У них всегда есть две клеммы, которые подключаются к остальной цепи. Символ конденсаторов состоит из двух параллельных линий, которые могут быть плоскими или изогнутыми; обе линии должны быть параллельны друг другу, близко друг к другу, но не соприкасаться (это фактически показывает, как сделан конденсатор.Сложно описать, проще просто показать:

(1) и (2) — стандартные обозначения цепи конденсатора. (3) представляет собой пример символов конденсаторов в действии в цепи регулятора напряжения.

Символ с изогнутой линией (№2 на фото выше) указывает на то, что конденсатор поляризован, что означает, что это, вероятно, электролитический конденсатор. Подробнее об этом в разделе о типах конденсаторов этого руководства.

Каждый конденсатор должен сопровождаться названием — C1, C2 и т. Д.. — и стоимость. Значение должно указывать на емкость конденсатора; сколько там фарадов. Кстати о фарадах …

Емкость

Не все конденсаторы одинаковы. Каждый конденсатор имеет определенную емкость. Емкость конденсатора говорит вам, сколько заряда он может хранить , большая емкость означает большую емкость для хранения заряда. Стандартная единица измерения емкости называется фарад , сокращенно F .

Получается, что фарад — это лот емкости, даже 0,001 Ф (1 миллифарад — 1 мФ) — это большой конденсатор. Обычно вы увидите конденсаторы с номиналом от пико- (10 -12 ) до микрофарад (10 -6 ).

9
Имя префикса Аббревиатура Вес Эквивалентные фарады
Пикофарад пФ 10 -12 0,000000000001 F
Нанофарад nF 10 0.000000001 F
Микрофарад мкФ 10 -6 0,000001 F
Милифарад мФ 10 -3 0,001 F
Килофарад килофарад килофарад 10 3 1000 Ф

Когда вы переходите к диапазону емкости от фарада до килофарада, вы начинаете говорить о специальных конденсаторах, которые называются конденсаторами super или ultra .

Теория конденсаторов

Примечание : Материал на этой странице не совсем критичен для понимания новичками в электронике … и к концу все становится немного сложнее. Мы рекомендуем прочитать раздел Как делается конденсатор , остальные, вероятно, можно было бы пропустить, если они вызывают у вас головную боль.

Как делается конденсатор

Условное обозначение конденсатора на самом деле очень похоже на то, как он сделан.Конденсатор состоит из двух металлических пластин и изоляционного материала, называемого диэлектриком . Металлические пластины расположены очень близко друг к другу, параллельно, но между ними находится диэлектрик, чтобы они не соприкасались.

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

Диэлектрик может быть изготовлен из любых изоляционных материалов: бумаги, стекла, резины, керамики, пластика или всего, что препятствует прохождению 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 схемы.

Емкость конденсатора — сколько в нем фарад — зависит от его конструкции. Для большей емкости требуется конденсатор большего размера. Пластины с большей площадью перекрытия поверхности обеспечивают большую емкость, в то время как большее расстояние между пластинами означает меньшую емкость. Материал диэлектрика даже влияет на то, сколько фарад имеет колпачок.Полная емкость конденсатора может быть рассчитана по формуле:

Где ε r — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (постоянное значение, определяемое материалом диэлектрика), A — площадь перекрытия пластин друг с другом, а d — расстояние между пластинами.

Как работает конденсатор

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

Положительный и отрицательный заряды на каждой из этих пластин притягиваются друг к другу, потому что это то, что делают противоположные заряды.Но с диэлектриком, сидящим между ними, как бы они ни хотели соединиться, заряды навсегда останутся на пластине (пока им не будет куда-то идти). Неподвижные заряды на этих пластинах создают электрическое поле, которое влияет на электрическую потенциальную энергию и напряжение. Когда заряды группируются на таком конденсаторе, крышка накапливает электрическую энергию так же, как батарея может накапливать химическую энергию.

Зарядка и разрядка

Когда положительный и отрицательный заряды сливаются на пластинах конденсатора, конденсатор становится заряженным .Конденсатор может сохранять свое электрическое поле — удерживать свой заряд — потому что положительный и отрицательный заряды на каждой из пластин притягиваются друг к другу, но никогда не достигают друг друга.

В какой-то момент обкладки конденсатора будут настолько заряжены, что просто не смогут больше принимать их. На одной пластине достаточно отрицательных зарядов, чтобы они могли отразить любые другие, которые попытаются присоединиться. Именно здесь вступает в игру емкость конденсатора ( фарад), которая говорит вам о максимальном количестве заряда, которое может хранить конденсатор.

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

Например, в схеме ниже можно использовать батарею для создания электрического потенциала на конденсаторе. Это вызовет нарастание одинаковых, но противоположных зарядов на каждой из пластин, пока они не станут настолько полными, что оттолкнут ток от протекания. Светодиод, расположенный последовательно с крышкой, может обеспечивать путь для тока, а энергия, запасенная в конденсаторе, может использоваться для кратковременного освещения светодиода.

Расчет заряда, напряжения и тока

Емкость конденсатора — сколько в нем фарад — говорит вам, сколько заряда он может хранить. Сколько заряда хранит конденсатор в настоящее время, зависит от разности потенциалов (напряжения) между его пластинами. Эта взаимосвязь между зарядом, емкостью и напряжением может быть смоделирована следующим уравнением:

Заряд (Q), накопленный 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 регулировать напряжение, чтобы увеличивать или уменьшать 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.

Расчет тока

Мы можем пойти дальше по уравнению 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, как быстро напряжение растет или падает . Если напряжение на конденсаторе быстро растет, через конденсатор будет индуцироваться большой положительный ток. Более медленный рост напряжения на конденсаторе означает меньший ток через него. Если напряжение на конденсаторе стабильное и неизменное, через него не будет проходить ток.

(Это некрасиво, и это касается вычислений. Это не все, что нужно, пока вы не перейдете 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 dV / dt представляет собой производную (причудливый способ сказать мгновенная скорость ) напряжения во времени, это эквивалентно тому, «насколько быстро напряжение растет или падает в этот самый момент».Большой вывод из этого уравнения заключается в том, что если напряжение стабильно , производная равна нулю, что означает, что ток также равен нулю . Вот почему ток не может течь через конденсатор, поддерживающий постоянное постоянное напряжение.

Типы конденсаторов

Существуют всевозможные типы конденсаторов, каждый из которых имеет определенные особенности и недостатки, которые делают его лучше для одних приложений, чем для других.

При выборе типа конденсатора необходимо учитывать несколько факторов:

  • Размер — Размер как по физическому объему, так и по емкости.Конденсатор нередко является самым большим компонентом в цепи. Также они могут быть очень маленькими. Для большей емкости обычно требуется конденсатор большего размера.
  • Максимальное напряжение — Каждый конденсатор рассчитан на максимальное падение напряжения на нем. Некоторые конденсаторы могут быть рассчитаны на 1,5 В, другие — 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 вывода к другому. Эта крошечная потеря тока (обычно наноампер или меньше) называется утечкой. Утечка заставляет энергию, накопленную в конденсаторе, медленно, но верно истощаться.
  • Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) — Выводы конденсатора не на 100% проводящие, они всегда будут иметь небольшое сопротивление (обычно менее 0,01 Ом). Это сопротивление становится проблемой, когда через колпачок проходит большой ток, вызывая потери тепла и мощности.
  • Допуск — Конденсаторы также не могут иметь точную, точную емкость. Каждая крышка будет рассчитана на свою номинальную емкость, но, в зависимости от типа, точное значение может варьироваться от ± 1% до ± 20% от желаемого значения.

Конденсаторы керамические

Наиболее часто используемый и производимый конденсатор — керамический конденсатор. Название происходит от материала, из которого сделан их диэлектрик.

Керамические конденсаторы обычно бывают физически и емкостными малыми .Трудно найти керамический конденсатор больше 10 мкФ. Керамический колпачок для поверхностного монтажа обычно находится в крошечном корпусе 0402 (0,4 мм x 0,2 мм), 0603 (0,6 мм x 0,3 мм) или 0805. Керамические колпачки со сквозными отверстиями обычно выглядят как маленькие (обычно желтые или красные) лампочки с двумя выступающими клеммами.

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

По сравнению с не менее популярными электролитическими крышками, керамические конденсаторы являются более близкими к идеальным (гораздо более низкими значениями ESR и токов утечки), но их небольшая емкость может быть ограничивающей.Как правило, они также являются наименее дорогим вариантом. Эти колпачки хорошо подходят для высокочастотной связи и развязки.

Электролитический алюминий и тантал

Электролитики

хороши тем, что они могут упаковать много емкости в относительно небольшой объем. Если вам нужен конденсатор емкостью от 1 мкФ до 1 мФ, вы, скорее всего, найдете его в электролитической форме. Они особенно хорошо подходят для высоковольтных приложений из-за их относительно высокого максимального номинального напряжения.

Алюминиевые электролитические конденсаторы, самые популярные из семейства электролитических, обычно выглядят как маленькие жестяные банки с обоими выводами, выходящими снизу.

Ассортимент электролитических конденсаторов сквозного и поверхностного монтажа. Обратите внимание, что у каждого из них есть метод маркировки катода (отрицательный вывод).

К сожалению, электролитические крышки обычно поляризованы . У них есть положительный вывод — анод — и отрицательный вывод, называемый катодом.Когда напряжение подается на электролитический колпачок, анод должен иметь более высокое напряжение, чем катод. Катод электролитического конденсатора обычно обозначается знаком «-» и цветной полосой на корпусе. Ножка анода также может быть немного длиннее, как еще один признак. Если на электролитический колпачок подать напряжение в обратном направлении, они выйдут из строя (из-за чего лопнет и разорвется) и навсегда. После лопания электролитик будет вести себя как короткое замыкание.

Эти колпачки также известны утечкой — позволяя небольшим токам (порядка нА) проходить через диэлектрик от одного вывода к другому. Это делает электролитические колпачки менее чем идеальными для хранения энергии, что, к сожалению, с учетом их высокой емкости и номинального напряжения.

Суперконденсаторы

Если вы ищете конденсатор, предназначенный для хранения энергии, не ищите ничего, кроме суперконденсаторов. Эти колпачки имеют уникальную конструкцию, обеспечивающую – высоких емкостей в диапазоне фарад.

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

Хотя они могут хранить огромное количество заряда, суперкаперы не могут работать с очень высокими напряжениями. Этот суперконденсатор 10F рассчитан только на максимальное напряжение 2,5 В. Любое большее, чем это, разрушит его. Суперэлементы обычно устанавливаются последовательно для достижения более высокого номинального напряжения (при уменьшении общей емкости).

Основное применение суперконденсаторов в — накопление и выделение энергии , как батареи, которые являются их основным конкурентом.Хотя суперконденсаторы не могут удерживать столько энергии, сколько батарея того же размера, они могут высвобождать ее намного быстрее и обычно имеют гораздо больший срок службы.

Другое

Электролитические и керамические крышки покрывают около 80% типов конденсаторов (а суперкапсы только около 2%, но они супер!). Другой распространенный тип конденсатора — пленочный конденсатор , который отличается очень низкими паразитными потерями (ESR), что делает их идеальными для работы с очень высокими токами.

Есть много других менее распространенных конденсаторов. Переменные конденсаторы могут производить различные емкости, что делает их хорошей альтернативой переменным резисторам в схемах настройки. Скрученные провода или печатные платы могут создавать емкость (иногда нежелательную), потому что каждый состоит из двух проводников, разделенных изолятором. Лейденские кувшины — стеклянная банка, наполненная проводниками и окруженная ими, — это O.G. семейства конденсаторов. Наконец, конечно, конденсаторы потока (странная комбинация катушки индуктивности и конденсатора) имеют решающее значение, если вы когда-нибудь планируете вернуться в дни славы.

Конденсаторы последовательно / параллельно

Как и резисторы, несколько конденсаторов можно объединить последовательно или параллельно для создания комбинированной эквивалентной емкости. Конденсаторы, однако, складываются таким образом, что полностью противоположны резисторам.

Конденсаторы параллельно

Когда конденсаторы размещаются параллельно друг другу, общая емкость равна сумме всех емкостей .Это аналогично тому, как резисторы добавляются последовательно.

Так, например, если у вас есть три конденсатора номиналом 10 мкФ, 1 мкФ и 0,1 мкФ, подключенные параллельно, общая емкость будет 11,1 мкФ (10 + 1 + 0,1).

Конденсаторы серии

Подобно тому, как резисторы сложно добавить параллельно, конденсаторы становятся неприятными при установке в серии . Общая емкость последовательно соединенных конденсаторов Н и обратна сумме всех обратных емкостей.

Если у вас есть только двух конденсаторов , соединенных последовательно, вы можете использовать метод «произведение над суммой» для расчета общей емкости:

Если продолжить это уравнение, если у вас есть двух одинаковых конденсаторов, соединенных последовательно , общая емкость составляет половину их значения.Например, два суперконденсатора по 10 Ф, соединенные последовательно, дадут общую емкость 5 Ф (это также позволит удвоить номинальное напряжение всего конденсатора с 2,5 В до 5 В).

Примеры применения

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

Развязные (байпасные) конденсаторы

Многие конденсаторы, которые вы видите в схемах, особенно те, которые имеют интегральную схему, развязывают.Задача развязывающего конденсатора — подавить высокочастотный шум в сигналах источника питания. Они снимают с источника напряжения крошечные колебания напряжения, которые в противном случае могли бы нанести вред чувствительным микросхемам.

В каком-то смысле развязывающие конденсаторы действуют как очень маленький локальный источник питания для микросхем (почти как источник бесперебойного питания для компьютеров). Если в источнике питания очень быстро падает напряжение (что на самом деле довольно часто, особенно когда цепь, которую он питает, постоянно переключает требования к нагрузке), разделительный конденсатор может кратковременно подавать питание с правильным напряжением.Вот почему эти конденсаторы также называются байпасными конденсаторами; они могут временно действовать как источник питания в обход источника питания.

Разделительные конденсаторы подключаются между источником питания (5 В, 3,3 В и т. Д.) И землей. Нередко для обхода источника питания используют два или более конденсаторов с разным номиналом или даже разных типов, потому что некоторые номиналы конденсаторов будут лучше, чем другие, при фильтрации определенных частот шума.

На этой схеме три развязывающих конденсатора используются для уменьшения шума в источнике напряжения акселерометра.Две керамические 0,1 мкФ и одна танталовая электролитическая 10 мкФ разделенные функции развязки.

Хотя кажется, что это может привести к короткому замыканию между питанием и землей, только высокочастотные сигналы могут проходить через конденсатор на землю. Сигнал постоянного тока поступит на ИС, как и нужно. Другая причина, по которой они называются шунтирующими конденсаторами, заключается в том, что высокие частоты (в диапазоне кГц-МГц) обходят ИС, а не проходят через конденсатор, чтобы добраться до земли.

При физическом размещении развязывающих конденсаторов их всегда следует располагать как можно ближе к ИС.Чем дальше они находятся, тем менее эффективны.

Вот схема физической схемы из схемы выше. Крошечная черная ИС окружена двумя конденсаторами по 0,1 мкФ (коричневые крышки) и одним электролитическим танталовым конденсатором 10 мкФ (высокая прямоугольная крышка черного / серого цвета).

Чтобы следовать хорошей инженерной практике, всегда добавляйте хотя бы один развязывающий конденсатор к каждой ИС. Обычно хорошим выбором является 0,1 мкФ или даже дополнительные конденсаторы на 1 мкФ или 10 мкФ. Это дешевое дополнение, и они помогают убедиться, что микросхема не подвергается сильным провалам или скачкам напряжения.

Фильтр источника питания

Диодные выпрямители

могут использоваться для преобразования переменного напряжения, выходящего из вашей стены, в постоянное напряжение, необходимое для большинства электронных устройств. Но сами по себе диоды не могут превратить сигнал переменного тока в чистый сигнал постоянного тока, им нужна помощь конденсаторов! При добавлении параллельного конденсатора к мостовому выпрямителю выпрямленный сигнал выглядит следующим образом:

Может быть преобразован в сигнал постоянного тока близкого к уровню, например:

Конденсаторы — упрямые компоненты, они всегда будут пытаться противостоять резким перепадам напряжения.Конденсатор фильтра будет заряжаться по мере увеличения выпрямленного напряжения. Когда выпрямленное напряжение, поступающее в конденсатор, начинает быстро снижаться, конденсатор получит доступ к своему банку накопленной энергии, и он будет очень медленно разряжаться, передавая энергию нагрузке. Конденсатор не должен полностью разрядиться, пока входной выпрямленный сигнал не начнет снова увеличиваться, заряжая конденсатор. Этот танец разыгрывается много раз в секунду, многократно, пока используется источник питания.

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

Если вы разорвите любой блок питания переменного тока в постоянный, вы обязательно найдете хотя бы один довольно большой конденсатор. Ниже показаны внутренности настенного адаптера постоянного тока на 9 В. Заметили там конденсаторы?

Конденсаторов может быть больше, чем вы думаете! Есть четыре электролитических крышки, похожие на жестяную банку, в диапазоне от 47 мкФ до 1000 мкФ. Большой желтый прямоугольник на переднем плане — это высоковольтный 0.Крышка из полипропиленовой пленки 1 мкФ. И синяя дискообразная крышка, и маленькая зеленая посередине — керамические.

Хранение и поставка энергии

Кажется очевидным, что если конденсатор накапливает энергию, одно из множества его применений будет подавать эту энергию в цепь, как аккумулятор. Проблема в том, что конденсаторы имеют гораздо более низкую плотность энергии , чем батареи; они просто не могут вместить столько же энергии, как химическая батарея того же размера (но этот разрыв сокращается!).

Плюс конденсаторов в том, что они обычно служат дольше, чем батареи, что делает их лучшим выбором с экологической точки зрения. Они также способны выдавать энергию намного быстрее, чем аккумулятор, что делает их подходящими для приложений, которым требуется короткий, но большой всплеск мощности. Вспышка камеры может получать питание от конденсатора (который, в свою очередь, вероятно, заряжался от аккумулятора).

Батарея или конденсатор?
90 ✓
Батарея Конденсатор
Емкость ✓
Плотность энергии ✓
Скорость заряда / разряда ✓
Срок службы

Фильтрация сигналов

Конденсаторы

обладают уникальной реакцией на сигналы различной частоты.Они могут блокировать низкочастотные компоненты или составляющие сигнала постоянного тока, позволяя при этом проходить более высоким частотам. Они как вышибалы 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 отключения нежелательных частот.

Еще один пример фильтрации сигнала конденсатора — это пассивные схемы кроссовера внутри громкоговорителей, которые разделяют один аудиосигнал на несколько.Последовательный конденсатор блокирует низкие частоты, поэтому оставшиеся высокочастотные части сигнала могут поступать на твитер динамика. При прохождении низких частот в цепи сабвуфера высокие частоты в основном могут быть шунтированы на землю через параллельный конденсатор.

Очень простой пример схемы кроссовера аудио. Конденсатор блокирует низкие частоты, а катушка индуктивности блокирует высокие частоты. Каждый из них может использоваться для доставки нужного сигнала настроенным аудиодрайверам.

Снижение рейтинга

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

Вот отличное видео от инженера SparkFun Шона о том, что происходит с различными типами конденсаторов, когда вы не можете снизить номинальные характеристики конденсаторов и превысить их максимальное напряжение. Вы можете узнать больше о его экспериментах здесь.

Закупка конденсаторов

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

Наши рекомендации:

Комплект конденсаторов SparkFun

В наличии КОМПЛЕКТ-13698

Это комплект, который предоставляет вам базовый ассортимент конденсаторов, чтобы начать или продолжить возиться с электроникой. Нет мес…

9

Конденсатор керамический 0.1 мкФ

Нет на складе COM-08375

Это очень распространенный конденсатор емкостью 0,1 мкФ. Используется во всевозможных приложениях для разъединения микросхем от источников питания. Расстояние между листами 0,1 дюйма…

1

Суперконденсатор — 10Ф / 2.5В

В наличии COM-00746

Да, вы правильно прочитали — конденсатор 10 Фарад. Этот маленький колпачок можно зарядить, а затем медленно рассеять на протяжении всего…

3

Ресурсы и дальнейшее развитие

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

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

Как читать схему

Добавлено в избранное Любимый 98

Условные обозначения (часть 1)

Готовы ли вы к шквалу компонентов схемы? Вот некоторые из стандартизированных основных схематических символов для различных компонентов.

Резисторы

Самый фундаментальный из схемных компонентов и символов! Резисторы на схеме обычно представлены несколькими зигзагообразными линиями с двумя выводами , выходящими наружу. В схемах, использующих международные символы, вместо волнистых линий может использоваться безликий прямоугольник.

Потенциометры и переменные резисторы

Переменные резисторы и потенциометры дополняют обозначение стандартного резистора стрелкой. Переменный резистор остается устройством с двумя выводами, поэтому стрелка просто расположена по диагонали посередине.Потенциометр — это трехконтактное устройство, поэтому стрелка становится третьей клеммой (дворником).

Конденсаторы

Обычно используются два символа конденсатора. Один символ представляет поляризованный (обычно электролитический или танталовый) конденсатор, а другой — неполяризованные колпачки. В каждом случае есть две клеммы, перпендикулярно входящие в пластины.

Символ с одной изогнутой пластиной указывает на то, что конденсатор поляризован. Изогнутая пластина обычно представляет собой катод конденсатора, который должен иметь более низкое напряжение, чем положительный анодный вывод.Знак плюс также должен быть добавлен к положительному выводу символа поляризованного конденсатора.

Катушки индуктивности

Катушки индуктивности

обычно представлены серией изогнутых выступов или петлевых катушек. Международные символы могут просто обозначать катушку индуктивности как закрашенный прямоугольник.

Переключатели

Коммутаторы

существуют во многих различных формах. Самый простой переключатель, однополюсный / однопозиционный (SPST), представляет собой две клеммы с полусоединенной линией, представляющей исполнительный механизм (часть, которая соединяет клеммы вместе).

Переключатели с более чем одним ходом, такие как SPDT и SP3T ниже, добавляют больше посадочных мест для привода.

Многополюсные переключатели обычно имеют несколько одинаковых переключателей с пунктирной линией, пересекающей средний привод.

Источники энергии

Так же, как существует множество вариантов питания вашего проекта, существует множество символов схем источника питания, помогающих указать источник питания.

Источники постоянного или переменного напряжения

В большинстве случаев при работе с электроникой вы будете использовать источники постоянного напряжения.Мы можем использовать любой из этих двух символов, чтобы определить, подает ли источник постоянный ток (DC) или переменный ток (AC):

Батарейки

Батарейки, будь то цилиндрические, щелочные батарейки типа AA или литий-полимерные аккумуляторные батареи, обычно выглядят как пара непропорциональных параллельных линий:

Чем больше пар линий, тем больше ячеек в батарее. Кроме того, более длинная линия обычно используется для обозначения положительной клеммы, а более короткая линия соединяется с отрицательной клеммой.

Узлы напряжения

Иногда — особенно на очень загруженных схемах — вы можете назначить специальные символы для узловых напряжений. Вы можете подключать устройства к этим символам с одним контактом , и они будут напрямую связаны с 5 В, 3,3 В, VCC или GND (землей). Узлы положительного напряжения обычно обозначаются стрелкой, направленной вверх, в то время как узлы заземления обычно включают от одной до трех плоских линий (или иногда стрелку или треугольник, направленную вниз).

← Предыдущая страница
Обзор

Конденсаторы слишком большой емкости «плохо» для схемы?

Я ограничу свой ответ / добавление отказами типа «прожига», потому что в противном случае существует действительно длинный список схем, которые могут работать со сбоями (любой фильтр верхних частот, любая петля обратной связи и т. Д.)) и в зависимости от того, что они контролируют, вещи могут сгореть / взорваться. Пример, который SunnyBoyNY привел с выходной крышкой SMPS, на самом деле является примером петли обратной связи. Более скромно, любой операционный усилитель может (и будет) колебаться с большой / правой емкостью на своем выходе; и когда это произойдет, он нагреется. Если он не имеет тепловой защиты / отключения, он может быть поврежден. Во всех этих случаях проблема возникает из-за уменьшения запаса по фазе на [увеличенное] ограничение. Я не буду вдаваться в подробности по этому поводу, потому что теорию управления LTI почти наверняка слишком сложно понять [сразу] тем, кто задается вопросом о проблеме повреждения слишком большого конденсатора.

Однако даже в линейном источнике питания конденсатор, размер которого превышает размер выпрямителя (диода), может привести к выходу из строя выпрямителя из-за увеличения пикового [зарядного] тока. Ниже приведена учебная иллюстрация проблемы (для однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром):

Чем плавнее становится отфильтрованное напряжение (меньше пульсаций), тем плавнее ток нагрузки, но та же энергия передается конденсатору в течение более короткого периода времени (интервал проводимости), поэтому диод видит более высокий повторяющийся пик / импульсный ток, когда конденсатор увеличен.На самом деле это просто повторяющаяся версия наихудшего сценария, который представляет собой пусковой ток, когда конденсатор полностью разряжен (в этом случае пик на самом деле будет намного выше), но стоит отметить, что диоды имеют разные / более низкие номинальные токи для повторяющихся нагрузок и «неповторяющихся» событий (что немного неправильно, такие события могут повторяться далеко от частоты сети; это приложение хорошо читается для жаргона, связанного со спецификациями диодов).

Менее очевидным вариантом [потому что здесь не используются конденсаторы] этой проблемы пускового тока является емкость затвора полевого МОП-транзистора.Сделайте его слишком большим [скажем, изменив / увеличив модель MOSFET, чтобы он мог переключать большую нагрузку], и пусковой ток затвора может повредить вывод IO микроконтроллера …; Избежание такого сценария — одна из [многих] причин, по которым схема драйвера MOSFET может усложняться.

Наконец, упомянутые проблемы не являются непреодолимыми. Можно скомпенсировать петли обратной связи (один из способов сделать это — добавить / увеличить конденсатор [ы], но в другой части схемы). Что касается ограничения пускового тока (напрямую), существует множество решений, наиболее очевидным из которых является добавление катушки индуктивности.

Что такое развязывающий конденсатор и как узнать, нужен ли он?

Обычно люди дают одно объяснение, когда их спрашивают, какова функция развязки конденсаторов, но на самом деле они выполняют несколько задач.

Вот список вещей, которые мне известны:

Уменьшают отскок от земли

Скачок заземления — это явление, при котором изменяющаяся разность напряжений на земле отрицательно влияет (в основном) на аналоговые и (иногда) цифровые сигналы.Для аналоговых сигналов, таких как, например, аудио, это может проявляться в виде высокого шума. Для цифровых сигналов это может означать переходы отсутствующих / задержанных / ложных сигналов.

Изменяющаяся разность напряжений вызывается созданием и коллапсом магнитных полей, вызванных изменением протекания тока.

Чем длиннее путь, по которому протекает ток, тем выше связанная с ним индуктивность и тем сильнее становится отскок земли. Множественные пути прохождения тока также усугубляют проблему, а также скорость, с которой изменяется ток.

Очевидно, что ток протекает между источником питания и подключенной ИС, но несколько менее очевидно также между «взаимодействующими» ИС. Текущий поток, связанный с двумя ИС, выглядит следующим образом; блок питания -> IC 1 -> IC 2 -> Земля -> блок питания.

Разделительный конденсатор эффективно уменьшает длину пути тока, работая как источник питания, тем самым уменьшая индуктивность и, следовательно, колебания земли.

Предыдущий пример становится; Цоколь -> IC 1 -> IC 2 -> Земля -> Цоколь

Поддерживают стабильный уровень напряжения

Колебания уровня напряжения могут быть вызваны двумя причинами:

  • Индуктивность дорожки / провода уменьшает максимальную скорость изменения тока через эту дорожку / провод; внезапное увеличение «спроса» на ток приведет к падению напряжения; внезапное снижение «спроса» на ток приведет к скачку напряжения.
  • Источникам питания (особенно импульсного типа) требуется время, чтобы среагировать, и они будут немного отставать от текущего спроса.

Разделительный конденсатор сглаживает потребление тока и уменьшает любые падения или скачки напряжения.

Они МОГУТ снизить EMI (трансмиссия)

Когда мы говорим об электромагнитных помехах, мы имеем в виду либо передачу непреднамеренных электромагнитных помех, либо получение преднамеренных или непреднамеренных электромагнитных сигналов, которые мешают работе вашего устройства.Обычно это относится к самой трансмиссии.

Размещение (развязка) конденсаторов между плоскостями питания и земли изменяет коэффициент передачи в диапазоне частот. По-видимому, использование только одного значения для ваших конденсаторов для всей печатной платы, а также конденсаторов с потерями / высоким сопротивлением — это путь, если вам нужно уменьшить EMI, однако это идет вразрез с общей практикой (которая защищает порядок увеличения емкости по мере приближения к источнику питания).Большинство людей на самом деле не заботятся об электромагнитных помехах, если они создают схемы для своего хобби (хотя радиолюбители обычно это делают), но это становится неизбежным, когда вы разрабатываете схему для массового производства.

А (развязывающий) конденсатор МОЖЕТ уменьшить непреднамеренное электромагнитное излучение, создаваемое вашей схемой.

Чтобы ответить на оставшиеся вопросы ..

Как узнать, нужен ли он мне, и если да, то какого размера и где он нужен? идти?

Обычно вы устанавливаете развязывающий конденсатор, когда это возможно, выбирая наименьший физический размер с наибольшим значением как можно ближе к выводу источника питания ИС.

Будет ли 4-битный сдвиговый регистр параллельного доступа SN74195N использоваться с Ардуино нужен? (Чтобы использовать мой текущий проект в качестве примера) Почему или почему нет?

Это, вероятно, сработает нормально, но зачем беспокоиться о «вероятно», если вы можете увеличить шансы, разместив компонент, который стоит несколько центов, а в некоторых случаях даже один цент?

Электролитические конденсаторы — условные обозначения конденсаторов

При проектировании посадочных мест для электролитических конденсаторов важно разместить четкие указательные метки, чтобы показать ориентацию компонентов.Поскольку этот тип конденсаторов поляризован (они должны быть размещены в определенной ориентации), они должны иметь на печатной плате метки, помогающие определить, как их следует размещать. Четкость маркировки компонентов является ключом к тому, чтобы изготовление вашей конструкции проходило гладко, и синий дым не выходил из ваших конденсаторов. Тем более, что электролитические конденсаторы сделаны из тантала, поскольку они имеют тенденцию к катастрофическим последствиям, когда они включаются в обратном направлении.

Электролитический конденсатор

Электролитические конденсаторы

— один из самых популярных типов конденсаторов, используемых в конструкции платы.Они дешевы и обеспечивают хороший баланс физического размера и емкости. Есть четыре физических вида электролитических конденсаторов; Банка SMT, корпус SMT, PTH радиальный и PTH осевой. Каждый стиль обозначен немного по-своему. Обычно они отмечены полосой на катодной стороне конденсатора, указывающей отрицательный вывод, но есть некоторые исключения. Это отличается от типичного схематического обозначения с положительной или анодной маркировкой!

Схематическое обозначение

Типичный поляризованный конденсатор будет выглядеть, как показано на схеме ниже.Положительная или анодная сторона конденсатора отмечена знаком «+». Поскольку электролитические конденсаторы поляризованы, я использую на схемах символ (показанный ниже).

Схематический символ поляризованных конденсаторов, как показано в Eagle.

Электролитический конденсатор в форме банки для поверхностного монтажа

Эти конденсаторы отмечены на верхней части банки черной меткой. Однако цвет марки иногда зависит от производителя. Пластиковая основа конденсатора также имеет фаску с положительной или анодной стороны.

SMT Can Electrolytic Capactor: Маркировка указывает на отрицательную или катодную сторону.

Площадь основания типичного электролитического конденсатора SMT.

Электролитический конденсатор в корпусе SMT

Конденсаторы этого типа обычно имеют внутри тантал или ниобий, но есть несколько электролитических полимеров. Стиль корпуса означает, что он имеет форму резистора 0805 или керамического конденсатора. В отличие от других корпусов для конденсаторов, они обычно имеют положительную или анодную маркировку.

Электролиты типа корпуса

SMT обычно имеют анодную / положительную маркировку. Осторожно!

Место для электролитических конденсаторов в корпусе SMT.

Радиальный электролитический конденсатор PTH

Радиальные колпачки имеют как анод, так и катод, выходящие на одну сторону конденсатора. В 99% случаев они отмечены контрастной полосой на катоде или отрицательной стороне конденсатора.

Маркировка радиально поляризованного электролитического конденсатора

PTH.

Площадь основания для радиальных электролитических конденсаторов PTH.

Осевой электролитический конденсатор PTH

Конденсаторы осевого типа

используются не очень часто, но интересны тем, как они маркированы. Отрицательная или катодная полоса проходит по их стороне аналогично радиальному стилю, но на маркировке есть стрелка, указывающая, какая сторона отрицательная или катодная.

Электролитический осевой тип PTH. Катодная полоса направлена ​​на катод.

Площадь основания для электролитического конденсатора осевого типа PTH.

В следующий раз на файлах посадочных мест…

Самая важная вещь, о которой нужно помнить, — это свериться с техническим паспортом деталей и увидеть, как полярность обозначена на детали. Копирование внешнего вида детали на ваших платах шелкография гарантирует гораздо больший успех при сборке платы. Я надеюсь, что это улучшит ваши следы на доске и упростит создание ваших продуктов и прототипов. В следующий раз в файлах посадочных мест мы поговорим о танталовых конденсаторах.

Ознакомьтесь с предыдущей публикацией из этой серии: Файлы отпечатков — диоды

Был ли этот пост полезным? Хотите, чтобы мы обсудили еще какие-то темы? Если да, сообщите нам об этом в Твиттере.

Начни сегодня.

создать учетную запись

Лаборатория 4 — Зарядка и разрядка конденсатора

Введение

Конденсаторы — это устройства, которые могут накапливать электрический заряд и энергию. Конденсаторы имеют несколько применений, например, в качестве фильтров в источниках питания постоянного тока и в качестве аккумуляторов энергии для импульсных лазеров. Конденсаторы пропускают переменный ток, но не постоянный, поэтому они используются для блокировки постоянной составляющей сигнала, чтобы можно было измерить переменную составляющую.Физика плазмы использует способность конденсаторов накапливать энергию. В физике плазмы часто необходимы короткие импульсы энергии при чрезвычайно высоких напряжениях и токах. Конденсатор можно медленно заряжать до необходимого напряжения, а затем быстро разряжать для обеспечения необходимой энергии. Можно даже зарядить несколько конденсаторов до определенного напряжения, а затем разрядить их таким образом, чтобы получить от системы большее напряжение (но не больше энергии), чем было вложено. В этом эксперименте используется схема RC , которая является одной из простейших схем, в которых используется конденсатор.Вы изучите эту схему и способы изменения ее эффективной емкости, комбинируя конденсаторы последовательно и параллельно.

Обсуждение принципов

Конденсатор состоит из двух проводов, разделенных небольшим расстоянием. Когда проводники подключены к зарядному устройству (например, к батарее), заряд передается от одного проводника к другому до тех пор, пока разность потенциалов между проводниками из-за их равного, но противоположного заряда не станет равной разности потенциалов между клеммами. зарядного устройства.Количество заряда, накопленного на любом проводнике, прямо пропорционально напряжению, а константа пропорциональности известна как емкость . Это записывается алгебраически как Заряд C измеряется в единицах кулонов (C), напряжение

ΔV

в вольт (В) и емкость C в единицах фарад (F). Конденсаторы — физические устройства; Емкость — это свойство устройств.

Зарядка и разрядка

В простой RC-цепи резистор и конденсатор соединены последовательно с батареей и переключателем. См. Рис.1.

Рисунок 1 : Простая RC-цепь

Когда переключатель находится в положении 1, как показано на рис. 1 (а), заряд на проводниках через некоторое время достигает максимального значения. Когда переключатель переведен в положение 2, как показано на рис. 1 (b), аккумулятор больше не является частью цепи и, следовательно, заряд конденсатора не может быть восполнен.В результате конденсатор разряжается через резистор. Если мы хотим исследовать зарядку и разрядку конденсатора, нас интересует, что происходит сразу после после того, как переключатель перемещается в положение 1 или положение 2, а не дальнейшее поведение схемы в ее установившемся состоянии. Для схемы, показанной на рис. 1 (а), уравнение петли Кирхгофа можно записать как Решение уравнения. (2) — это

(3)

Q = Q f
1 — e (−t / RC)
где

Q f

представляет окончательный заряд конденсатора, который накапливается через бесконечный промежуток времени, R — сопротивление цепи, а C — емкость конденсатора.Из этого выражения вы можете видеть, что заряд растет экспоненциально во время процесса зарядки. См. Рис. 2 (а). Когда переключатель перемещается в положение 2, для схемы, показанной на рис. 1 (b), уравнение петли Кирхгофа теперь имеет вид Решение уравнения. (4) является

(5)

Q = Q 0 e (−t / RC)

где

Q 0

представляет собой начальный заряд конденсатора в начале разряда, то есть при

t = 0.

Из этого выражения видно, что заряд экспоненциально спадает при разряде конденсатора и что для полной разрядки требуется бесконечное количество времени. См. Рис. 2 (b).

Рисунок 2 : График изменения во времени

Постоянная времени

τ Продукт

RC

(имеющий единицы времени) имеет особое значение; это называется постоянной времени цепи. Постоянная времени — это время, необходимое для повышения заряда зарядного конденсатора до 63% от его конечного значения.Другими словами, когда

t = RC,

(6)

Q = Q f
1 — e −1
а также

(7)

1 — e −1 = 0,632.

Другой способ описать постоянную времени — сказать, что это количество секунд, необходимое для того, чтобы заряд на разряжающем конденсаторе упал до 36,8%

(e -1 = 0,368)

от своего начального значения.Мы можем использовать определение

(I = dQ / dt)

тока через резистор и уравнение. (3) Q = Q f
1 — e (−t / RC)
и уравнение. (5)

Q = Q 0 e (−t / RC)

, чтобы получить выражение для тока во время процессов зарядки и разрядки.

(8)

зарядка: I = + I 0 e −t / RC

(9)

разгрузка: I = −I 0 e −t / RC

где в формуле.(8)

зарядка: I = + I 0 e −t / RC

и уравнение. (9)

разряд: I = −I 0 e −t / RC

— максимальный ток в цепи в момент времени t = 0. Тогда разность потенциалов на резисторе будет выражаться следующим образом.

(10)

зарядка: ΔV = + ΔV f e −t / RC

(11)

нагнетание: ΔV = — ΔV 0 e −t / RC

Обратите внимание, что во время процесса разрядки ток будет течь через резистор в обратном направлении.Следовательно, I и

ΔV

в уравнении. (9)

разряд: I = −I 0 e −t / RC

и уравнение. (11)

разряд: ΔV = — ΔV 0 e −t / RC

отрицательны. Это напряжение как функция времени показано на рис.3.

Рисунок 3 : Напряжение на резисторе как функция времени

Полезно описывать зарядку и разрядку с точки зрения разности потенциалов между проводниками (т.е.е., «напряжение на конденсаторе»), поскольку напряжение на конденсаторе можно измерить непосредственно в лаборатории. Используя соотношение

Q = C ΔV,

Eq. (3) Q = Q f
1 — e (−t / RC)
и уравнение. (5)

Q = Q 0 e (−t / RC)

, которые описывают зарядку и разрядку конденсатора, можно переписать в терминах напряжения. Просто разделите оба уравнения на

C,

, и отношения станут следующими.

(12)

зарядка: ΔV = ΔV f
1 — e (−t / RC)

(13)

нагнетание: ΔV = ΔV 0 e (−t / RC)

Обратите внимание, что эти два уравнения похожи по форме на формулу. (3) Q = Q f
1 — e (−t / RC)
и уравнение. 5

Q = Q 0 e (−t / RC)

.График зависимости напряжения на конденсаторе от времени показан на рисунке 4 ниже.

Рисунок 4 : Напряжение на конденсаторе как функция времени

Переставив уравнение. (12) зарядка: ΔV = ΔV f
1 — e (−t / RC)
получаем Возьмите натуральный логарифм (ln) от обеих частей этого выражения и умножьте на –1, чтобы получить

(15)

−ln
=.

График зависимости

−ln ((ΔV f — ΔV) / ΔV f )

от времени даст прямолинейный график с наклоном 1/ RC . Точно так же для процесса разряда уравнение. 13

разрядка: ΔV = ΔV 0 e (−t / RC)

можно переписать, чтобы получить Возьмите натуральный логарифм (ln) от обеих частей этого выражения и умножьте на –1, чтобы получить

(17)

−ln
=.

График зависимости

−ln (ΔV) / ΔV 0 )

от времени даст прямолинейный график с наклоном 1/ RC .

Использование прямоугольной волны для имитации роли переключателя

В этом эксперименте вместо переключателя мы будем использовать генератор сигналов, который может генерировать периодические волновые формы различной формы, такие как синусоидальная волна, треугольная волна и прямоугольная волна. Также можно регулировать как частоту, так и амплитуду формы волны. Здесь мы будем использовать генератор сигналов для создания изменяющегося во времени напряжения прямоугольной формы на конденсаторе, аналогичного показанному на рис.5.

Рисунок 5 : Прямоугольная волна с периодом Τ

Выходное напряжение генератора сигналов изменяется назад и вперед от постоянного положительного значения до постоянного нуля вольт через равные интервалы времени t . Время

T = 2t

— это период прямоугольной волны. В течение первой половины цикла, когда напряжение положительное, это похоже на то, что переключатель находится в положении 1. Во второй половине цикла, когда напряжение равно нулю, это то же самое, что переключатель в положении 2. .Таким образом, прямоугольная волна, представляющая собой напряжение постоянного тока, которое периодически включается и выключается, служит одновременно аккумулятором и переключателем в схеме, показанной на рис.1. Генератор сигналов позволяет выполнять это переключение многократно, и можно оптимизировать сбор данных, регулируя частоту повторения. Эта частота будет зависеть от постоянной времени RC-цепи. Когда время t больше постоянной времени τ RC-цепи, у конденсатора будет достаточно времени для зарядки и разрядки, и напряжение на конденсаторе будет таким, как показано на рис.4.

Цель

В этом эксперименте (смоделированный компьютером) осциллограф будет использоваться для отслеживания разности потенциалов и, следовательно, косвенно заряда конденсатора. Измерения напряжения будут использоваться двумя разными способами для вычисления постоянной времени цепи. Наконец, конденсаторы будут подключены параллельно, чтобы проверить их эквивалентную емкость цепи.

Оборудование

  • Печатная плата PASCO
  • Сигнальный интерфейс с выходной мощностью
  • Соединительные провода
  • Программное обеспечение Capstone

Процедура

Распечатайте лист для этой лабораторной работы.Этот лист понадобится вам для записи ваших данных.

Настройка RC-цепи

Печатная плата RLC, которую вы будете использовать, среди других элементов состоит из трех резисторов и двух конденсаторов. См. Рис. 6 ниже. Теоретически вы можете использовать разные комбинации резисторов и конденсаторов. В этом эксперименте вы будете использовать резисторы 33 и 100 Ом и два конденсатора.

Рисунок 6 : Печатная плата RLC

1

Подключите крайнюю правую выходную клемму сигнального интерфейса к резистору 33 Ом в точке 2.

2

Чтобы обойти индуктор, подключите провод от точки 8 к точке 9.

3

Подключите точку 6 ко второй выходной клемме сигнального интерфейса, чтобы замкнуть цепь.

4

Подключите пробник напряжения к аналоговому каналу A.

5

Чтобы измерить напряжение на конденсаторе, подключите черный провод датчика напряжения к точке 6, а красный провод — к точке 9. Убедитесь, что земля интерфейса (вывод «-») подключена к той же стороне конденсатора, что и земля генератора сигналов (выход мощности).Подключение вашей схемы должно выглядеть так, как показано на рис.7.

Рисунок 7 : Принципиальная схема

Контрольная точка 1:
Попросите своего технического специалиста проверить соединения вашей цепи.

Процедура A: Постоянная времени контура

В этом эксперименте мы будем использовать компьютер для эмуляции осциллографа.

6

Откройте файл Capstone, связанный с этой лабораторной работой.Отобразится экран, аналогичный показанному на рис. 8.

Рисунок 8 : Начальный экран файла Capstone

7

Настройте генератор сигналов на создание положительной прямоугольной волны, выбрав положительную прямоугольную волну в окне генератора сигналов, как показано на рисунке 9 ниже.

Рисунок 9 : Окно генератора сигналов

8

Если это еще не установлено при открытии файла Capstone, настройте генератор сигналов на создание прямоугольной волны амплитудой 5 В с частотой 20 Гц и установите смещение напряжения на 5 В.

9

Включите генератор сигналов, щелкнув ON в окне генератора сигналов.

10

Чтобы контролировать сигнал, нажмите кнопку START в главном окне. Потребуется отрегулировать шкалы времени и напряжения, чтобы получить кривую сигнала, подобную показанной на рис. 10. Это позволит вам наблюдать, как напряжение на конденсаторе изменяется как функция времени. Для этого установите курсор на любое значение вдоль оси, которую вы хотите увеличить, и переместите курсор влево-вправо или вверх-вниз по мере необходимости.При правильном увеличении у вас будет только одна длина волны на графике, как на кривой на рис.10.

Рисунок 10 : Трасса сигнала

Если в любой момент вы захотите удалить записанный набор данных, нажмите кнопку Delete Last Run под графиком.

11

Нажмите кнопку Показать координаты из кнопок над графиком. См. Рис.11.

Рисунок 11 : Показать координаты

Когда активна функция отображения координат, показания напряжения и времени отображаются, куда бы вы их ни перетащили, как на рис.11. Используя этот инструмент, определите и запишите время начала (то есть, когда линия начала расти с 0 вольт) на рабочем листе.

12

Вычислите 63,2% от максимального напряжения,

ΔV f ,

(которое должно быть 5 В), настройку по амплитуде генератора сигналов. Используя Show Coordinates , определите и запишите время начала (то есть, когда кривая началась вверх с 0 вольт) на рабочем листе.

13

Из этих двух значений времени определите и запишите время, необходимое для перехода сигнала от Δ V = 0 до Δ V = 0.632

ΔV f .

Это ваше экспериментальное значение для RC .

14

В рабочем листе введите принятые значения сопротивления и емкости, которые напечатаны на печатной плате.

15

Вычислите экспериментальное значение емкости, используя свое экспериментальное значение для RC и принятое значение R . Запишите это на листе.

16

Вычислите ошибку в процентах, используя два значения емкости.См. Приложение Б.

Контрольная точка 2:
Попросите своего технического специалиста проверить ваши данные и расчеты, прежде чем продолжить.

Процедура B: Расчет емкости графическими методами

17

Запишите максимальное напряжение на листе.

18

Из записанных данных найдите время, при котором Δ V = 1, 2, 3 и 4 вольта на восходящей части кривой с помощью интеллектуального инструмента.Запишите эту информацию в таблицу данных 1 на рабочем листе. Примечание : Возможно, вам придется сильно увеличить масштаб, чтобы получить необходимую точность при использовании интеллектуального инструмента.

19

Выполните необходимые вычисления, чтобы заполнить Таблицу данных 1.

20

Используя Excel, постройте график

−ln ((ΔV f — ΔV) / ΔV f )

в зависимости от времени. См. Приложение G.

21

Используйте параметр линии тренда в Excel, чтобы нарисовать линию, наиболее подходящую для ваших данных, определить наклон линии и записать это значение на листе.См. Приложение H.

22

По значению крутизны определите постоянную времени и емкость. Запишите эти значения на листе.

23

Вычислите ошибку в процентах между этим значением емкости и принятым значением.

Контрольная точка 3:
Попросите своего технического специалиста проверить ваши данные, график и расчеты, прежде чем продолжить.

Процедура C: Измерение эффективной емкости

Емкость увеличивается непосредственно при параллельном подключении конденсаторов и в обратном порядке при последовательном подключении.Это противоположно правилу для резисторов. Для конденсаторов, подключенных параллельно, эффективная емкость определяется выражением

(18)

C eff = C 1 + C 2 + C 3 +. . .

а для конденсаторов, включенных последовательно, эффективная емкость равна

24

Подключите второй конденсатор (330 мкМ Ф) параллельно конденсатору, используемому в процедуре A, подключив провод от точки 6 к точке 7.

25

Переключите резистор на резистор 10 Ом, переместив соединение из точки 2 в точку 1.

26

Запишите другой набор данных, щелкнув START в главном окне. После того, как вы записали второй набор данных, вы можете захотеть отобразить только эти данные на графике и удалить набор данных 1. Для этого удалите первый прогон (см. Примечание к шагу 10). На графике вы будете видеть только одну длину волны.

27

В этой части эксперимента вы будете рассматривать разрядную часть кривой. Теперь начальное напряжение

ΔV 0

будет наивысшим значением пика перед тем, как график начнет спадать.Запишите это значение на листе.

28

Из записанных данных найдите время, при котором Δ V = 1, 2, 3 и 4 вольта на спадающей части кривой, используя интеллектуальный инструмент. ( Примечание : вам может потребоваться большое увеличение, чтобы получить необходимую точность при использовании интеллектуального инструмента). Запишите эту информацию в таблицу данных 2 на рабочем листе.

29

Выполните необходимые вычисления, чтобы заполнить Таблицу данных 2.

30

Используя Excel, постройте график зависимости

−ln (ΔV) / ΔV 0 )

от времени.

31

Используйте параметр линии тренда в Excel, чтобы нарисовать линию, наиболее подходящую для ваших данных, определить наклон линии и записать это значение на листе.

32

По значению наклона определите постоянную времени и запишите это значение в рабочий лист.

33

Вычислите

C eff ,

эффективную емкость параллельной комбинации, используя принятое значение для R .

34

Сравните это экспериментальное значение с тем, что вы получили из уравнения.18

C eff = C 1 + C 2 + C 3 +. . .

и принятые значения емкости путем вычисления ошибки в процентах между двумя значениями.

Контрольная точка 4:
Попросите своего технического специалиста проверить ваши данные и расчеты, прежде чем продолжить.

Copyright © 2012 Advanced Instructional Systems, Inc. и Государственный университет Северной Каролины | Кредиты

Основные принципы работы конденсаторов

, работа и различные типы конденсаторов и их применение в схемах

Конденсаторы — это слово, кажется, подсказывает идею емкости , что, согласно словарю, означает «способность что-то удерживать».Это ровно то же самое, что конденсатор — он держит электрический заряд. Но что делает его обычным компонентом почти во всех электронных схемах? Давайте разберемся с конденсаторами, чтобы понять, что они делают и как их можно использовать в этой статье.

Что такое конденсатор?

Конденсатор в самом примитивном виде состоит из двух проводящих пластин, разделенных диэлектрической средой. Термин «диэлектрик» — это просто модное слово для изолятора, который может быть поляризован, т.е.е. образуют отрицательные и положительные заряды на противоположных гранях. Когда напряжение подается на эти две пластины, ток течет через проводящие пластины. Одна сторона заряжается положительно (отсутствие электронов), а другая сторона заряжается отрицательно (избыточные электроны). Все мы знакомы с тем фактом, что в отличие от зарядов притягиваются, поэтому, поскольку пластины заряжены противоположно, заряды на пластинах притягиваются.

Помните, что между пластинами находится изолятор , поэтому заряды не могут «течь», чтобы уравновесить друг друга, и (в идеале) застревают во взаимном притяжении и остаются на месте.Именно так конденсаторы выполняют свою основную функцию — удержание или накопление заряда.

Обозначение конденсаторов

Поскольку конденсаторы имеют две параллельные металлические пластины, как обсуждалось выше, их символ обозначает то же самое. По крайней мере,

легко нарисовать

На практике конденсаторы больше не представляют собой просто две пластины с зазором между ними, в случае алюминиевых электролитов две пластины имеют форму металлической фольги, свернутой с прокладкой между ними в трубке.

Второй набор символов обозначает поляризованные конденсаторы, то есть конденсаторы, у которых внутренняя конструкция определяет положительные и отрицательные клеммы. Случайное переключение этих клемм почти наверняка приведет к серьезному отказу (особенно для более крупных образцов), выбросу кусочков фольги и бумажных счетчиков из места отказа, и в большинстве случаев с очень неприятным запахом.

Номинальная емкость и напряжение конденсатора

Конденсаторы измеряются в фарадах ; он назван в честь известного британского электрохимика Майкла Фарадея.Единица емкости, заменяющая кулон на вольт. Кулон (произносится как «ку-лом») — это единица S.I. для заряда, а вольт, как мы знаем, — это единица измерения напряжения или разности потенциалов. Это делает Фарад количеством заряда, хранящегося на вольт разности потенциалов. Этот простой способ математического рассмотрения конденсатора поддается широкому диапазону интерпретаций, что проявляется во множестве смертельно сложных математических уравнений, таких как интегралы, показатели и векторы, которые мы, инженеры, будем использовать при работе с конденсаторами, что выходит за рамки простого Объем этой статьи.Однако позже в статье

мы разберемся с небольшой интересной математикой, которая поможет нам разрабатывать схемы с конденсаторами.

Конечно, Фарад (один кулон на вольт) — очень большая единица для большинства практических целей (поскольку кулон сам по себе представляет собой довольно большой заряд, как вы, возможно, уже знаете), поэтому большинство конденсаторов (кроме очень больших) ) измеряются в микрофарадах, или одной миллионной (0,000001) фарада. Предположим, у вас есть конденсатор с показателем 25 В 10 мкФ (префикс «u» означает «микро», это искажение греческого символа «μ», означающего «микро») на пластиковой внешней крышке.Поскольку колпачок (короткий в мире электроники для конденсаторов) рассчитан на 10 мкФ, он может удерживать заряд в десять микрокулонов (то есть десять миллионных долей Кулона, 0,000010 C) на вольт напряжения на его выводах. 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, вероятно, является наиболее важным показателем для конденсатора. Он сообщает вам, какое напряжение конденсатор может выдержать на своих выводах, прежде чем он выйдет из строя ………!

Работа конденсатора

В основном то, что происходит внутри конденсатора, заключается в том, что изолятор между этими пластинами подвергается процессу, называемому «диэлектрическим пробоем», что означает, что изолятор больше не может изолировать, поскольку напряжение на изоляторе слишком велико, чтобы он мог оставаться изолятором. .Физика, лежащая в основе, несколько выходит за рамки, но все, что вам нужно знать, чтобы понять, почему это происходит, — это то, что ни один изолятор не является идеальным, то есть до определенного момента. Даже самый прочный мост разрушается при перегрузке. То, что здесь происходит, похоже. Чтобы уменьшить пробой, вы можете увеличить зазор между двумя пластинами, но это имеет компромисс — уменьшенную емкость, поскольку пластины расположены дальше друг от друга и заряды не притягиваются так сильно, как при сближении — во многом как как ведут себя магниты.

Хорошее практическое правило — использовать колпачки, рассчитанные на напряжение на 50% выше, чем то, что можно ожидать от вашей схемы. Это оставляет большой запас прочности. Например, если вам нужен конденсатор для развязки (не беспокойтесь, развязка будет объяснена позже в статье) шины питания 12 В, вы можете обойтись и конденсатором 16 В, но рекомендуется использовать конденсатор 25 В, поскольку 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 стандартной емкостью конденсатора — вы не найдете конденсатора с таким номинальным напряжением.Ближайший — 25 В.

Различные типы конденсаторов

Причина диапазонов напряжения пробоя связана с материалом, используемым в качестве диэлектрика, который также является основой классификации конденсаторов:

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Это, наверное, самые узнаваемые конденсаторов типа . Они поставляются в характерных металлических банках с пластиковой оболочкой, с четко указанными значениями напряжения и емкости и белой полосой для обозначения катода.Название происходит от того факта, что, как упоминалось выше, «пластины» изготовлены из алюминиевой фольги, подвергнутой химическому травлению. Процесс травления делает алюминий пористым (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 при гораздо более низком напряжении.Вы можете ожидать увидеть электролиты от 0,1 мкФ до таких монстров, как 100 мФ, и с номинальным напряжением от нескольких вольт до примерно 500 В. Однако их внутреннее сопротивление обычно велико.

БОКОВОЕ ПРИМЕЧАНИЕ: Внутреннее сопротивление в конденсаторах обусловлено материалами, из которых изготовлен колпачок, например, сопротивлением алюминиевой фольги или сопротивлением проводов.

Конденсаторы керамические

Это колпачки с керамическим диэлектриком.Поскольку предел пробоя для керамического диэлектрика довольно высок, вы можете ожидать увидеть керамические колпачки с сумасшедшими пробивными напряжениями, такими как 10 кВ. Однако емкость обычно бывает низкой, в диапазоне от пикофарад (0,000000000001F) до нескольких десятков микрофарад. Как правило, они намного меньше конденсаторов других типов , как показано на рисунке. У них также очень маленькое внутреннее сопротивление.

Идентификация керамических конденсаторов

Значение керамической емкости на керамическом конденсаторе не указывается напрямую.0 равно 0.

Номинальное напряжение конденсатора можно найти, используя строку под этим кодом. Если линия есть, то значение напряжения составляет 50/100 В, если линии нет, то это 500 В.

Наиболее часто используемые значения конденсаторов вместе с их преобразованием в Пико Фарад, Нано Фарад и микрофарады приведены ниже.

Код

пикофарад (пФ)

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, имеют высокое напряжение пробоя (из-за поведения пластиковых полимеров) и низкую емкость.Единственная разница в том, что они, как правило, немного больше, хотя внешне выглядят как керамические колпачки. Внутреннее сопротивление сопоставимо с керамическими колпачками.

Танталовые и ниобиевые конденсаторы

Эти колпачки технически подпадают под категорию электролитических конденсаторов. Здесь электролит представляет собой твердый материал из оксидов тантала или ниобия. У них очень низкое внутреннее сопротивление для данной емкости, однако они менее устойчивы к перенапряжению по сравнению с другими типами (керамика лучше всего) и, как правило, капут без особого предупреждения и с большим количеством неприятного черного дыма.

Конденсаторы специального назначения

К ним относятся серебряно-слюдяные колпачки, конденсаторы с номиналом X и Y и т. Д. Конденсаторы с номиналом X и Y, например, созданы для фильтрации линии — более прочная конструкция и более высокие номиналы напряжения, а также низкие емкости, чтобы уменьшить ток, проходящий через них. при подаче напряжения переменного тока и для ограничения энергии, хранящейся в цоколе, при подаче напряжения постоянного тока.

Суперконденсаторы и ультраконденсаторы

Они выводят конденсаторы на совершенно новый уровень, значительно увеличивая их емкость, иногда до сотен Фарад! Это возможно благодаря какой-то умной химии.Суперконденсаторы и ультраконденсаторы ликвидируют разрыв между конденсаторами и химическими батареями. Однако они бывают с очень низким напряжением.

И это почти все распространенных типов конденсаторов , которые вы обычно можете встретить в мире электроники.

Принцип работы конденсаторов в цепях

Первой полезной задачей было бы научиться рассчитывать запасы энергии в конденсаторе, который определяется формулой

.

E = 1 / 2CV 2

Где E — запасенная энергия в джоулях, C — емкость в фарадах, а V — напряжение в вольтах.Обратите внимание, что это уравнение принимает форму многих других уравнений Ньютона для энергии, аккуратное пасхальное яйцо!

Предположим, у вас есть крышка, рассчитанная на напряжение 50 В и емкость 1000 мкФ, запасенная энергия при полных 50 В будет:

1/2 * 0,001000F * 50 В * 50 В

Что составляет жалкие 1,25Дж накопленной энергии.

Это выявляет главный недостаток конденсаторов как устройств накопления энергии — накопленная энергия для данного размера очень мала, батарея того же размера будет иметь как минимум в тысячу раз больше накопленной энергии! Однако у крышек гораздо более низкое внутреннее сопротивление, чем у химических батарей, что позволяет им быстро сбрасывать всю накопленную энергию.Замыкание батареи приведет 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 выводах конденсатора.Подумайте об этом с точки зрения единицы измерения — вольт в секунду для заданного тока и емкости. Не беспокойтесь о маленькой букве «d», это просто математический способ сказать «до предельного нуля».

Допустим, у вас есть источник питания, который выдает постоянное напряжение 5 В при постоянном токе 1 мА, а затем, изменив 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

Значит, конденсатор будет заряжаться до 5 В в 0.5 секунд. (Помните, что конденсатор может заряжаться только до максимального напряжения, подаваемого на него, и никогда больше, они не могут волшебным образом «создать» напряжение.)

Такое предсказуемое поведение конденсатора делает его очень полезным для генерации временных задержек, например, с помощью небольшой дополнительной схемы. Вы можете изменить уравнение, чтобы получить время.

А теперь о хорошем — реальных конденсаторных схемах!

Поведение конденсатора в цепях

Давайте начнем с простого — разные способы соединения конденсаторов.Это похоже на соединение двух резисторов — вы можете подключить их последовательно или параллельно.

Конденсаторы параллельно

На рисунке ниже показаны три конденсатора, подключенные параллельно, со всеми соответствующими положительными и отрицательными клеммами, соединенными вместе (при условии, что колпачки поляризованы). Общая емкость этого устройства — это просто сумма всех емкостей всех конденсаторов в цепи. Это имеет смысл, поскольку параллельное соединение пластин конденсатора увеличивает площадь поверхности, увеличивая емкость.

Максимальное напряжение, которое может выдержать такая схема, — это напряжение наименьшего конденсатора, поскольку напряжение является общим для всех конденсаторов.

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. Однако максимальное напряжение, которое вы можете подать на эту батарею (связку соединенных вместе конденсаторов, можно назвать «батареей конденсаторов»), будет всего 25 В.Если вы поместите что-то большее, чем это, на этом берегу, будут летать искры, так как вы превысите максимальное значение. напряжение конденсатора 25В.

Конденсаторы последовательно

Параллельное подключение конденсаторов особенно полезно, если вам нужна большая емкость, но у вас есть только небольшие значения. Параллельное соединение этих меньших значений значений в конечном итоге даст вам большее значение и выполнит свою работу, если вы помните о напряжении.

Последовательное соединение конденсаторов несколько сложнее.Емкость рассчитывается по формуле:

1 / Cобщ. = 1 / C1 + 1 / C2 +… + 1 / Cn

Где C1, C2… Cn — емкости каждого конденсатора, используемого в цепи.

Напряжение, с которым теперь может справиться банк, представляет собой сумму всех номинальных напряжений.

Если у вас есть конденсатор, рассчитанный на 10 В 1 мкФ, и конденсатор на 50 В 10 мкФ, то напряжение, которое банк может выдерживать последовательно, составит 10 В + 50 В = 60 В. Емкость составляет 0,9091 мкФ.

Зависимость напряжения конденсатора от времени

Что, если мы хотим зарядить конденсатор? Мы могли бы просто подключить его к источнику напряжения, как показано на рисунке ниже.Здесь может произойти следующее: в момент подключения источника напряжения, если предположить, что крышка полностью разряжена, заряды стремятся накапливаться на пластинах, что приводит к очень большому (теоретически бесконечному!) Всплеску тока, ограниченному только внутренним сопротивлением конденсатора. конденсатор. Это, конечно, нежелательно, если ваш источник питания представляет собой что-то вроде батареи. Разумной идеей было бы добавить резистор последовательно с конденсатором и источником напряжения для ограничения тока, как показано на рисунке, и вуаля! У вас есть что-то, что инженеры называют RC-цепью, «R» для резистора и «C» для конденсатора!

Эта схема демонстрирует интересное поведение.Когда напряжение подается на сторону резистора, обозначенную «I», напряжение на конденсаторе медленно растет, поскольку ток ограничен. График выглядит примерно так:

Более склонные к математике из моих зрителей узнают форму наклона — она ​​напоминает форму экспоненциальной функции!

Помните, как я сказал, что заглавные буквы можно использовать для создания задержек по времени? Это один из способов сделать это без источника постоянного тока (который требует дополнительных схем).Поскольку время, необходимое для достижения определенного напряжения, предсказуемо, если мы знаем емкость, напряжение и сопротивление, мы можем создавать схемы с временной задержкой.

Произведение сопротивления и емкости, RC, известно как постоянная времени цепи. Этот параметр становится полезным при фактическом определении времени для точного достижения заданного напряжения, как показано на графике ниже.

Из графика видно, что конденсатор достигает 63% приложенного напряжения за одну постоянную времени и так далее.

Это принцип, который использует всесезонный таймер 555, хотя расчетные уравнения немного отличаются.

Еще одно интересное применение схем RC — фильтрация сигналов, то есть удаление из схемы электрического сигнала нежелательной частоты. RC-цепи требуется определенное время для зарядки и разрядки от источника. Если мы применим периодическую волну с периодом времени больше, чем RC, то такой же сигнал появится на выходе с очень небольшими искажениями.Однако при увеличении частоты сигнал продолжает менять полярность быстрее, чем цепь может заряжаться и разряжаться, и в конечном итоге после определенного момента сигнал исчезает, и все, что у вас остается, — это чистый постоянный ток! Это называется ослаблением сигнала. Как вы можете видеть, RC-схема действует как фильтр, который блокирует сигналы переменного тока (даже те, которые наложены на постоянный ток, т.е. имеющие смещение постоянного тока) за пределами 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

интересным образом ведут себя при подключении к цепям переменного тока. С точки зрения сигнала, их можно рассматривать как частотно-зависимые резисторы. Как видно выше, RC-схема блокирует весь переменный ток от сигнала, 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 через себя постоянный ток.Однако сигнал переменного тока имеет постоянно изменяющиеся напряжения, поэтому одна пластина видит изменяющееся напряжение и индуцирует противоположный заряд на другой пластине, как показано на рисунке:

В целом это позволяет току «проходить» через конденсатор на относительно высоких частотах. Добавление резистора параллельно выходу создает фильтр высоких частот, то есть фильтр, который пропускает только высокие частоты и блокирует все сигналы постоянного тока.

«Сопротивление переменного тока» или импеданс 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 на природе встречаются конденсаторы

Ладно, теории хватило. Давайте рассмотрим множество вариантов использования конденсаторов .

Первое место, где 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 он нужен нагрузке.

Вот два снимка осциллографа, которые показывают эффект отсутствия конденсатора на выводах источника питания.Как видите, наличие конденсаторов значительно снижает «шум» на шинах источника питания, тем самым защищая хрупкие детали от внезапных скачков напряжения.

Их также называют «развязывающими» конденсаторами , поскольку они «развязывают» участки цепи, в которой они установлены, от источника питания. Иногда провода питания на печатной 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 питания похоже на временную «батарею» меньшего размера на устройстве, обеспечивающую всплески тока, когда это необходимо, и зарядку, когда устройство потребляет малую мощность.

Вы можете использовать формулу I / C = dV / dt для расчета емкости, необходимой для устранения «пульсаций» напряжения с клемм источника питания.

Предположим, у вас есть источник питания , напряжение которого изменяется от 11,5 В до 12 В (пульсации) каждые 10 мс, что является обычным для устройств с питанием от сети из-за частоты 50 Гц, и вам необходимо надеть колпачок на клеммы, чтобы сгладить Напряжение.Если ток нагрузки в этом случае равен 1А, то мы можем переписать формулу таким образом, чтобы узнать емкость:

(I * dt) / dV

Где I — ток нагрузки, dt — период шума, а dV — напряжение пульсации. Подставляя значения, мы обнаруживаем, что нам нужна емкость 20000 мкФ. Может показаться, что это много, но вы можете обойтись гораздо меньшим. Полученное значение служит только ориентировочным.

В реальной жизни вы можете встретить несколько типов и значений конденсаторов на трассах питания, это необходимо для уменьшения содержания шума на многих частотах и ​​получения максимально плавного напряжения.

Еще одно применение конденсаторов — в таких сложных фильтрах, как этот:

Но более простым фильтром был бы RC-фильтр , здесь описан один интересный фильтр.

Плата микроконтроллера Arduino известна всем. Универсальный инструмент, но вы никогда не задумывались, почему аналоговые выходы выдают цифровой сигнал ШИМ? Это потому, что они были разработаны для использования с внешней сетью фильтрации для сглаживания напряжения ШИМ до истинно аналогового напряжения.Это можно сделать с помощью таких простых деталей, как резистор 1 кОм и конденсатор 10 мкФ. Попытайся!

Другое использование, как упомянуто выше, — это время. Простой генератор может быть построен с использованием логического элемента И-НЕ (попробуйте выяснить, почему логический элемент И не работает), резистора и конденсатора.

Предполагая, что изначально на конденсаторе нет напряжения, входы И-НЕ (которые связаны вместе) видят на них напряжение, близкое к 0 В, и включают выход. Теперь крышка заряжается через резистор.Когда он достигает «высокого» порога затвора, выходной сигнал переключается на низкий уровень, и теперь колпачок разряжается. Этот цикл продолжает формировать выходной сигнал прямоугольной формы с частотой, зависящей от значений R и C.

Наконец, еще одним интересным применением конденсаторов является накопление энергии. Конечно, конденсаторы не подходят для аккумуляторов, но для некоторых приложений, которые быстро нуждаются в энергии, лучше всего подходят конденсаторы.

Устройства, такие как койлганы (больше можно найти в Интернете), нуждаются в большом импульсе тока для ускорения снаряда, поэтому для таких целей используются высоковольтные конденсаторы, часто с такими номиналами, как 450 В, 1500 мкФ, которые могут хранить значительные количества. энергии.

Заключение

Вот и все! Теперь вы знаете о конденсаторах значительно больше, чем то, с чего начинали. Теперь вы можете проектировать простые конденсаторные цепи. Помните, что есть еще много чего узнать, и не переключайте клеммы источника питания!

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *