Конденсаторы: характеристики, виды и RC-цепь против дребезга
Как конденсатор накапливает и отдаёт заряд, что означает маркировка и как RC-цепь убирает дребезг кнопки.
Что делает конденсатор
Конденсатор можно сравнить с аккумулятором очень малой ёмкости: он быстро заряжается и так же быстро разряжается. При подаче напряжения он в течение некоторого времени накапливает энергию и удерживает её, пока напряжение есть. После отключения питания накопленное возвращается в цепь примерно за то же время, какое ушло на заряд.
Параметры и разновидности
Основных характеристик три: номинальная ёмкость в фарадах (в формулах обозначается C), точность в процентах от номинала и максимальное напряжение. Превышение последнего выводит конденсатор из строя почти сразу.
По исполнению различают керамические и электролитические конденсаторы. Керамические неполярны, их можно включать любой стороной, а ёмкость ограничена 1 мкФ. Их подвид - переменные конденсаторы, ёмкость которых меняется механически, электрически или под действием температуры.
Для больших ёмкостей применяют электролитические конденсаторы. Они полярны: плюс должен приходиться на плюс, минус на минус. Минусовой вывод отмечен на корпусе заметной белой полосой.
У электролитических конденсаторов ёмкость написана на корпусе. На керамических из-за малого размера ставят код из трёх цифр: первые две - значение в пикофарадах, третья - показатель степени множителя. Так, «103» означает 10 пФ x 10^3 = 10 нФ, а «220» - 22 пФ.
Постоянная времени
Длительность заряда и разряда зависит от ёмкости и сопротивления цепи: чем они больше, тем процесс дольше. Эту зависимость описывает постоянная времени t = R x C, где t выражено в секундах, R в омах, C в фарадах. Для конденсатора 100 мкФ и резистора 1 кОм получается 0,1 с.
За одну постоянную времени конденсатор заряжается или разряжается лишь на 63%, поскольку процесс идёт неравномерно; до 99% требуется впятеро больше времени. Для различения логических нуля и единицы достаточно примерно двух третей заряда.
Если резистора в цепи нет, сопротивление всё равно присутствует в проводах и контактах, но оно очень мало, и конденсатор разряжается почти мгновенно.
Где применяются
- сглаживание пульсаций питания;
- сглаживание импульсов в сигнальных цепях;
- дополнительный источник энергии при запуске нагрузки с большим стартовым током;
- резерв при пропадании питания, чтобы успеть сохранить данные в энергонезависимую память;
- получение импульса, мощность которого превышает возможности источника питания.
Пример: аппаратное подавление дребезга
Дребезг кнопок и других механических переключателей обычно устраняют программно: контроллер повторно считывает вход через 5-20 мс. Альтернатива - RC-цепь из резистора и конденсатора. Она необходима, например, когда сигнал заведён на вывод с включённым прерыванием, а в остальных случаях немного разгружает контроллер и экономит его память.
В примере к Arduino подключены две кнопки. Первая, на пине 3, только подтянута к плюсу резистором 100 кОм. Вторая, на пине 2, подтянута так же, но дополнена RC-цепью с керамическим конденсатором 1 мкФ и резистором 100 кОм. При нажатии первой кнопки сигнал в течение микро- или миллисекунд хаотически скачет из-за несовершенства контактов, особенно старых, грязных и окисленных. У второй кнопки напряжение меняется плавно и за время дребезга не успевает дойти до уровня, который контроллер принимает за ноль.