====== Конденсаторы: электролитические и керамические, ёмкость и заряд ======

Конденсатор (capacitor, cap) — это маленький «аккумулятор», который быстро заряжается при наличии
напряжения вокруг него и быстро разряжается обратно, когда напряжения недостаточно для удержания заряда.

Основной характеристикой конденсатора является ёмкость. Она обозначается символом //C//,
единица её измерения — Фарад. Чем больше ёмкость, тем больший заряд может удерживать конденсатор при заданном напряжении. Также чем //больше// ёмкость, тем //меньше// скорость зарядки и разрядки.

Типичные значения, применяемые в микроэлектронике: от десятков пикофарад (pF, пФ = 0,000000000001 Ф)
до десятков микрофарад (μF, мкФ = 0,000001 Ф).
Самые распространённые типы конденсаторов: керамический и электролитический. Керамические меньше по
размеру и обычно имеют ёмкость до 1 мкФ; им всё равно какой из контактов будет подключен к плюсу,
а какой — к минусу. Электролитические конденсаторы имеют ёмкости от 100 пФ и они полярны: к плюсу
должен быть подключен конкретный контакт. Ножка, соответствующая плюсу, делается длинее.

{{ :схемотехника:caps-0.png?nolink& |}}

Конденсатор представляет собой две пластины, разделённые слоем диэлектрика. Пластины скапливают
заряд: одна положительный, другая отрицательный; тем самым внутри создаётся [[схемотехника:напряжение-и-ток|напряжение]]. Изолирующий
диэлектрик не даёт внутреннему напряжению превратиться во внутренний [[схемотехника:напряжение-и-ток|ток]], который бы уравнял пластины.

===== Зарядка и разрядка =====

Рассмотрим такую схему:

{{ :схемотехника:caps-1.png?nolink& |}}

Пока переключатель находится в положении 1, на конденсаторе создаётся напряжение — он заряжается.
Заряд //Q// на пластине в определённый момент времени расчитывается по формуле:

<latex>$$ Q = C V_{in} \left( 1 - e^{\frac{-t}{RC}} \right) $$</latex>

//C// — ёмкость, //e// — экспонента (константа ≈ 2.71828), //t// — время с момента начала зарядки.
Заряд на второй пластине по значению всегда точно такой же, но с противоположным знаком. Если резистор
//R// убрать, останется лишь небольшое сопротивление проводов (оно и станет значением //R//)
и зарядка будет происходить очень быстро.

Изобразив функцию на графике, получим такую картину:

{{ :схемотехника:cap-charge.png?nolink& |}}

Как видно, заряд растёт не равномерно, а обратно-экспоненциально. Это связанно с тем, что по
мере того, как заряд копится, он создаёт всё большее и большее обратное напряжение //V<sub>c</sub>//,
которое «сопротивляется» //V<sub>in</sub>//.

<latex>$$ V_c = \frac{Q}{C} $$</latex>

Заканчивается всё тем, что //V<sub>c</sub>// становится равным по значению //V<sub>in</sub>// и
ток перестаёт течь вовсе. В этот момент говорят, что конденсатор достиг точки насыщения (equilibrium).
Заряд при этом достигает максимума.

<latex>$$ Q_{max} = V_{in} \cdot C $$</latex>

Вспомнив [[схемотехника:резисторы#закон_ома|Закон Ома]], мы можем изобразить зависимость силы тока в нашей
цепи при зарядке конденсатора.

<latex>$$ I = \frac{V_{in} - V_c}{R} $$</latex>

{{ :схемотехника:cap-i-charge.png?nolink& |}}

Теперь, когда система находится в равновесии, поставим переключатель в положение 2.

{{ :схемотехника:caps-2.png?nolink& |}}

На пластинах конденсатора заряды противоположных знаков, они создают напряжение — появляется ток
через нагрузку (Load). Ток пойдёт в противоположном направлении, если сравнивать с направлением
источника питания. Разрядка тоже будет происходить наоборот: сначала заряд будет теряться быстро,
затем, с падением напряжения создаваемого им же, всё медленее и медленее. Если за //Q<sub>0</sub>//
обозначить заряд, который был на конденсаторе изначально, то:

<latex>$$ Q = Q_0 \cdot e^{\frac{-t}{R_L C}} \hspace{40pt} V_c = \frac{Q_0}{C} e^{\frac{-t}{R_L C}} \hspace{40pt} I = \frac{Q_0}{R_L C} e^{\frac{-t}{R_L C}} $$</latex>

Эти величины на графике выглядят следующим образом:

{{ :схемотехника:cap-discharge.png?nolink& |}}

Опять же, через некоторое время система придёт в состояние покоя: весь заряд потеряется, напряжение
исчезнет, течение тока прекратится.

Если снова воспользоваться переключателем, всё начнётся по кругу. Таким образом конденсатор
ничего не делает кроме как размыкает цепь когда напряжение постоянно; и «работает», когда напряжение
резко меняется. Это его свойство и определяет когда и как он применяется на практике.

===== Применение на практике =====

Среди наиболее распространённых в микроэлектронике можно выделить такие шаблоны:
  - Резервный конденсатор (bypass cap) — для уменьшения ряби напряжения питания
  - Фильтрующий конденсатор (filter cap) — для разделения постоянной и изменяющейся составляющих напряжения, для выделения сигнала

==== Резервный конденсатор ====

Многие схемы расчитаны на получение постоянного, стабильного питания. Например 5 В. Их им поставляет источник питания. Но
идеальных систем не существует и в случае резкого изменения потребления тока устройством, например когда включается компонент,
источник питания не успевает «отреагировать» моментально и происходит кратковременный спад напряжения. Кроме того, в случаях
когда провод от источника питания до схемы достаточно длинный, он начинает работать как антенна и тоже вносить нежелательный
шум в уровень напряжения.

{{ :схемотехника:cap-noise.png?nolink& |}}

Обычно отклонение от идеального напряжения не превышает тысячной доли вольта и это являние абсолютно незначительно, если речь
идёт о питании, например, светодиодов или электродвигателя. Но в логических цепях, где переключение логического нуля и
логической единицы происходит на основе изменения малых напряжений, шумы питания могут быть ошибочно приняты за сигнал,
что приведёт к неверному переключению, которое по принципу домино поставит систему в непредсказуемое состояние.

Для предотвращения таких сбоев, непосредственно перед схемой ставят резервный конденсатор

{{ :схемотехника:caps-3.png?nolink& |}}

В моменты, когда напряжение полное, конденсатор заряжается до насыщения и становится запасом резервного заряда. Как только
уровень напряжения на линии падает, резервный конденсатор выступает в роли быстрой батарейки, отдавая накопленный ранее
заряд, чтобы заполнить пробел пока ситуация не нормализуется. Такая помощь основному источнику питания происходит огромное
количество раз ежесекундно.

Если рассуждать с другой точки зрения: конденсатор выделяет из постоянного напряжения переменную составляющую и пропуская её
через себя, уводит её с линии питания в землю. Именно поэтому резервный конденсатор также называют «bypass capacitor».

В итоге, сглаженное напряжение выглядит так:

{{ :схемотехника:cap-noise-filtered.png?nolink& |}}

Типичный конденсаторы, который используется для этих целей — керамические, номиналом 10 или 100 нФ. Большие электролитические
слабо подходят на эту роль, т.к. они медленее и не смогут быстро отдавать свой заряд в этих условиях, где шум обладает
высокой частотой.

В одном устройстве резервные конденсаторы могут присутствовать во множестве мест: перед каждой схемой, представляющей собой
самостоятельную единицу. Так, например, на Arduino уже есть резервные конденсаторы, которые обеспечивают стабильную работу
процессора, но перед питанием подключаемого к нему LCD экрана должен быть установлен свой собственный.


==== Фильтрующий конденсатор ====

Фильтрующий конденсатор используется для снятия сигнала с сенсора, который передаёт его в форме изменяющегося напряжения.
Примерами таких сенсоров являеются микрофон или активная Wi-Fi антенна.

Рассмотрим схему подключения электретного микрофона. Электретный микрофон — самый распространённый и повсеместный: именно
такой применяется в мобильных телефонах, в компьютерных аксессуарах, системах громкой связи.

{{ :схемотехника:caps-4.png?nolink& |}}

Для своей работы микрофон требует питания. В состоянии тишины, его сопротивление велико и составляет десятки килоом. Когда на него
воздействует звук, затвор встроенного внутри [[схемотехника:транзисторы#полевые_транзисторы|полевого транзистора]] открывается и микрофон теряет внутреннее сопротивление. Потеря
и восстановление сопротивления происходит много раз ежесекундно и соответствует фазе звуковой волны.

На выходе нам интересно напряжение только в те моменты, когда звук есть. Если бы не было конденсатора //C//, на выход всегда бы
дополнительно воздействовало постоянное напряжение питания.
//C// блокирует эту постоянную составляющую и пропускает только отклонения, которые и соответствуют звуку.

Слышимый звук, который нам и интересен, находится низкочастотном диапазоне: 20 Гц - 20 кГц. Чтобы выделить из напряжения
именно сигнал звука, а не высокочастотные шумы питания, в качестве //C// используется медленный электролитический
конденсатор номиналом 10 мкФ. Если был бы использован быстрый конденсатор, например, на 10 нФ, на выход прошли бы сигналы, не
связанные со звуком.

Обратите внимание, что выходной сигнал поставляется в виде отрицательного напряжения. То есть при соединении выхода с землёй,
ток потечёт из земли к выходу. Пиковые значения напряжения в случае с микрофоном составляют десятки милливольт. Чтобы перевернуть
напряжение обратно и увеличить его значение, выход //V<sub>out</sub>// обычно подключают к операционному уселителю.

===== Соединение конденсаторов =====

Если сравнивать с соединением [[схемотехника:резисторы|резисторов]], расчёт итогового номинала конденсаторов выглядит наоборот.

При параллельном соединении суммарная ёмкость суммируется:

{{ :схемотехника:caps-6.png?nolink& |}}

<latex>$$ C_t = C_1 + C_2 + \hdots + C_N $$</latex>

При последовательном соединении, итоговая ёмкость расчитывается по формуле:

{{ :схемотехника:caps-5.png?nolink& |}}

<latex>$$ C_t = \frac1{\frac1{C_1} + \frac1{C_2} + \hdots + \frac1{C_N}} $$</latex>

Если конденсатора всего два, то при последовательном соединении:

<latex>$$ C_t = \frac{C_1 \cdot C_2}{C_1 + C_2} $$</latex>

В частном случае двух одинаховых конденсаторов суммарная ёмкость последовательного соединения равна половине ёмкости каждого.


===== Предельные характеристики =====

В документации на каждый конденсатор указано максимальное допустимое напряжение. Его превышение может привести к
пробою диэлектрика и взрыву конденсатора. Для электролитических конденсаторов обязательно должна быть соблюдена полярность.
В противном случае либо вытечет электролит, либо опять же будет взрыв.

{{youtube>_WheLp0RdLQ?medium}}