Конденсатор в схеме: что делает и куда его ставят
На любой плате Arduino десяток конденсаторов, и ни один из них не делает ничего заметного — пока его не убрать. Тогда плата начинает перезагружаться от каждого включения мотора, датчик отдаёт шум, а кнопка срабатывает трижды за одно нажатие. Конденсатор — деталь, которая не работает, а не даёт схеме сломаться.
Эта страница про то, как он обозначается, что делает на самом деле и в каких четырёх местах его ставят в схемах с микроконтроллером.
Как обозначается
Две параллельные черты — это и есть конденсатор: две пластины, между которыми ток не течёт. У полярного одна пластина рисуется дугой или закрашенной, а у прямой стоит плюс. Буква на схеме — C, номер — порядковый: C1, C2. Рядом — ёмкость: 100n, 10µ, 470µ.
Что он делает
Конденсатор запасает заряд и отдаёт его обратно. Постоянный ток через него не идёт: зарядился — и всё, дальше он разрыв цепи. А вот любое изменение напряжения он пропускает: пока напряжение растёт, он берёт ток на зарядку, пока падает — отдаёт.
Из этого одного свойства следуют все применения. Напряжение питания просело на миллисекунду — конденсатор отдал заряд и просадку сгладил. На линии помеха — конденсатор её «съел», забрав всплеск на зарядку. Кнопка дребезжит — конденсатор не успевает за дребезгом и выдаёт плавный фронт.
Ёмкость меряется в фарадах, но фарад огромен: в схемах живут микрофарады (мкФ, µF), нанофарады (нФ) и пикофарады (пФ). Тысяча пикофарад — нанофарада, тысяча нанофарад — микрофарада. Чем больше ёмкость, тем больше заряда запасает и тем медленнее реагирует.
Два вида, которые надо различать
Керамический — маленький и быстрый
Плоский диск или прямоугольник на плате, ёмкость от пикофарад до единиц микрофарад. Полярности нет, ставится любой стороной. Быстрый: успевает за помехами в мегагерцы. Именно он стоит рядом с каждой микросхемой.
Электролитический — большой и полярный
Бочонок с полосой на боку, ёмкость от единиц до тысяч микрофарад. Полоса — минус, длинная ножка — плюс. Перепутать нельзя: в обратной полярности он греется и взрывается, буквально, с хлопком и белым дымом. Медленный, зато запасает много — это буфер по питанию.
Правило платы: рядом с чипом керамика на 100 нФ, на входе питания электролит на сотни микрофарад. Они не заменяют друг друга, а работают вместе: электролит держит просадки, керамика режет помехи.
Куда ставят в схемах с Arduino
По питанию: рядом с каждой микросхемой
Керамика 100 нФ между выводом питания и землёй, как можно ближе к чипу. Когда микросхема резко берёт ток, конденсатор отдаёт заряд быстрее, чем успеет прийти от источника по длинным дорожкам. На модулях он уже стоит; когда паяете микросхему сами — обязателен.
Буфер под нагрузку: мотор, реле, радио
Электролит 470–1000 мкФ по питанию платы, если рядом мотор или модуль Wi-Fi. В момент старта мотора напряжение проседает, и плата сбрасывается; конденсатор переживает эту миллисекунду. Самая частая причина «ESP32 перезагружается при включении Wi-Fi» лечится именно им. Подробнее про питание.
Против дребезга кнопки
100 нФ параллельно кнопке. Контакты при нажатии дребезжат микросекунды, и плата видит десяток нажатий вместо одного. Конденсатор сглаживает фронт, и нажатие становится одним. Программный способ тоже есть, и он описан на странице кнопки.
Фильтр: из ШИМ в напряжение
Резистор 1–10 кОм последовательно, конденсатор 1–10 мкФ на землю после него. ШИМ с вывода превращается в плавное напряжение: так из цифрового вывода получают аналоговый выход для стрелочного прибора или управления яркостью лампы через диммер. Чем больше произведение R на C, тем ровнее, но медленнее.
Как читать номинал
На электролите ёмкость и напряжение написаны словами: 470µF 16V. На керамике — трёхзначный код, как у SMD-резисторов: две цифры и множитель, результат в пикофарадах.
| 101 | 100 пФ |
| 102 | 1 нФ |
| 103 | 10 нФ |
| 104 | 100 нФ — самый частый на платах |
| 105 | 1 мкФ |
| 224 | 220 нФ |
| 474 | 470 нФ |
Напряжение на корпусе — предел, а не рабочее значение. Берут с запасом хотя бы в полтора раза: в цепь на 5 В — конденсатор на 10 или 16 В, в цепь на 12 В — на 25.
Параллельно ёмкости складываются: два по 100 мкФ — это 200. Последовательно — уменьшаются, как сопротивления в параллели. На практике нужно первое: если нет электролита на 1000 мкФ, ставят два по 470 рядом.
На чём попадаются
Электролит наоборот
Полоса на корпусе — минус, и он идёт на землю. Обратная полярность — нагрев, вздутие и хлопок. Проверяйте перед подачей питания, особенно на макетке, где ножки легко воткнуть не в те ряды.
Керамика в конце длинного провода
Конденсатор по питанию работает только рядом с чипом. В десяти сантиметрах провода он бесполезен: индуктивность провода не даст ему отдать заряд вовремя. Ножки короткие, место — вплотную к выводу питания.
Слишком большой буфер на USB
Электролит на 4700 мкФ по питанию платы в момент включения берёт такой ток, что USB-порт уходит в защиту, и плата не стартует. Для платы хватает 470–1000 мкФ; больше — только при отдельном источнике.
Ёмкость «примерно» — это нормально
Допуск керамики — десятки процентов, и 100 нФ на деле может быть 80. Для фильтров по питанию это не имеет значения: там важен порядок величины. Точность нужна только в таймерах и генераторах, и там берут плёночные.