В предыдущих статьях я представил конденсатор и его расчеты. В этой статье рассказывается о некоторых примерах применение конденсаторов и о том, как их использовать в схемотехнике.
Схемы обычно делятся на три категории: цифровые, аналоговые и комбинированные. Роль конденсаторов в каждой из этих цепей различна, но функция конденсатора постоянна. То есть обкладки конденсатора пропускают ток в первый момент его поступления. А после этого они накапливают электрические заряды и блокируют их прохождение (по постоянному току).
Например, как говорилось в предыдущей статье о конденсаторе, даже синусоидальный сигнал, проходящий через конденсатор, имеет разность фаз. Емкость конденсатора также создает сопротивление, отличное от типа рассеяния тепла (реактивное сопротивление).
***»»Проекты по электронике, программированию и Arduino, включая исходные коды, схемы и планы печатных плат для инженеров, студентов и любителей»»***
Применение конденсаторов в цифровой схеме
Для удобства низкое напряжение (земля/GND/0В) в теории цепей означает 0, а высокое напряжение (VCC/5В) означает логическую 1.
Конденсаторы применяются в цифровых схемах в основном в качестве развязывающего фильтра для уменьшения шумов или в качестве конденсатора тактового генератора.
Другими словами, ни один сигнал не является полностью линейным. Всегда присутствуют некоторые, даже очень незначительные, колебания напряжения и шумы.
Чтобы этого не произошло, в качестве поглотителей шума используются конденсаторы, которые называются «развязывающими». Один вывод развязывающего конденсатора должен быть подключен к сигнальной линии, другой – к земле.
Посмотрите на следующую схему:
Верхняя часть представляет собой блок регулятора напряжения, который преобразует напряжение от 5 до 12 В в 3,3 В для остальных компонентов.
Понятно, что такое преобразование напряжения внесет в схему некоторый шум. Поэтому производители регуляторов всегда рекомендуют использовать на входе и выходе регулятора развязывающие конденсаторы.
На входе используются два конденсатора емкостью 1 миллифарад и 100 нанофарад.
Конденсатор емкостью 1 миллифарад установлен для двух целей: подачи внезапных токов, необходимых деталям, а также для устранения низкочастотных шумов.
Конденсатор емкостью 100 нанофарад используется для устранения высокочастотных колебаний/помех, которые могут возникнуть на пути адаптера к регулятору.
Вход должен быть стандартным напряжением 12 В постоянного тока, поэтому для входа достаточно двух конденсаторов. Но на выходе регулятора используется большее число.
Три ступени фильтра: 1 мкФ для подачи тока, 22 мкФ для устранения среднечастотных шумов и 100 нФ для устранения высокочастотных шумов.
Также на входе модуля U2, который находится на выводе 8, использованы еще два развязывающих конденсатора для устранения помех на пути от стабилизатора к модулю. В схеме печатной платы эти два конденсатора должны быть расположены очень близко к выводу 8, чтобы обеспечить достаточную эффективность.
Для выводов переключателей также используется конденсатор, причем лучше использовать конденсатор сравнительно небольшой емкости. Например, конденсатор лучше поставить между выводом 1 ключа SW1 и землей (0 В).
Учитывая, что время нажатия клавиши составляет около полсекунды, подойдет конденсатор емкостью от 10 до 100 нанофарад.
Конденсатор меньшей емкости используется меньше времени, а конденсатор большей емкости — больше времени.
Применение конденсаторов в аналоговой схеме
Связь между частотой, проходящей через конденсатор, емкостью и сопротивлением (реактивным сопротивлением) следующая:
В приведенном выше соотношении R — реактивное сопротивление, C — емкость конденсатора в фарадах, 2π — число 2*pi (3,1415), а F (частота среза) — максимальная частота (для параллельного конденсатора) или минимальная частота. (для последовательного конденсатора).
В первые моменты положительные заряды накапливаются за первой обкладкой конденсатора. Они вызывают отрицательный ветер на противоположной стороне, и после этого за счет изменения фазы входной мощности переменного тока положительный заряд разряжается с первой стороны и заменяется отрицательным зарядом.
Положительный заряд вызывает замену положительного заряда отрицательным зарядом на противоположной стороне.
При этом изменяется заряд входного переменного тока, но с разницей фаз 90 градусов. То есть, когда синусоидальная волна поднимается на первой пластине конденсатора, она падает на другой пластине.
Но емкость конденсатора ограничена для отвода тока, что и вызывает «реактивное сопротивление».
Эту функцию можно использовать для частотных фильтров.
Если подключить выход конденсатора к потребителю, то если входная частота конденсатора снизится до уровня ниже частоты среза, ток потребления будет уменьшаться до тех пор, пока не достигнет нуля. Это называется фильтром верхних частот.
Если один конец конденсатора подключить к входу потребителя, а другой конец — к земле, то на частоте среза конденсатор начинает препятствовать поступлению тока к потребителю, пропуская его от себя.
Если входная частота увеличивается, потребителю будет течь меньший ток, пока он не станет равным нулю. Это называется фильтром нижних частот.
На рисунке ниже показаны два типа применение конденсаторов в качестве фильтров:
Фильтры также используются как непропускающие (два фильтра параллельно) и пропускающие (два последовательных фильтра).
На принципиальной схеме (шпионский микрофон) C14 — это фильтр нижних частот, а C13 — фильтр верхних частот.
В общем, теоретически рассчитать точную емкость конденсатора фильтра сложно. Поэтому лучший метод — рассчитать расчетный диапазон и найти лучшую емкость путем тестирования различных конденсаторов в расчетном диапазоне с помощью измерительного инструмента.
Лучшим измерительным инструментом в этой области является осциллограф, отображающий форму сигнала.
Все заземляющие точки в сборках печатных плат должны иметь одинаковый потенциал. Однако по разным причинам напряжение контрольных точек заземления может меняться. Это явление и называется дребезгом земли. В идеале для интегральной схемы, установленной на печатную плату, должно выполняться условие, при котором разница потенциалов между выводом источника напряжения и заземлением микросхемы равна разнице потенциалов между выводом источника напряжения и заземлением печатной платы. На практике эти разности потенциалов не всегда одинаковы. Прежде чем мы подробно объясним причины этого явления, давайте рассмотрим эффективные методы заземления печатного узла.
Как правильно заземлить печатную плату?
В больших электрических системах, например в оборудовании для электрических подстанций или передающем оборудовании, возвратный тракт тока напрямую соединен с физической землей. Такой метод называется прямым заземлением. Однако для многих электронных цепей он неприменим. Так, сборки печатных плат в автомобилях или летательных аппаратах изолированы от физического заземления, поэтому их проектируют с использованием точек или плоскостей, поддерживающих потенциал земли, чтобы обеспечить возвратный токовый тракт платы. Этот способ называется непрямым заземлением. Кратко рассмотрим заземления разных типов в печатных платах.
Заземление на шасси (корпус)
Общая точка заземления, подключенная к металлическому корпусу устройства, называется заземлением на шасси. В ней собираются вместе все точки заземления на печатной плате, что обеспечивает защиту от поражения электрическим током и физическую защиту устройства, так как предотвращает протекание тока через поверхность корпуса. Таким образом, контуры заземления, наводящие электромагнитные поля, не образуются.
Земля логических сигналов (сигнальная земля)
Сигнальная земля — точка на печатной плате, относительно которой измеряются сигналы. Эта контрольная точка обычно находится на поверхности платы и соединяется с внутренним заземляющим слоем. Поскольку при использовании заземления такого типа возможна инжекция шума в этих точках, они размещаются на самой печатной плате, а не изолируются в другом месте. Корректность выполнения сигнальных заземлений очень важна, особенно для плат, которые работают с точными низкими напряжениями, например в медицинском оборудовании. В таких печатных платах даже малейшие шумовые сигналы могут привести к нарушению целостности сигнала. Аналоговые и цифровые части одной платы можно присоединять к одному и тому же сигнальному заземлению.
Плоскость заземления
Плоскость заземления — слой в сборке печатной платы, удерживающий потенциал 0 В, работающий как опорная плоскость и отвод для возвратных токов, циркулирующих на плате. Сигнальные точки заземления, располагающиеся на поверхности, подключаются к плоскости заземления через переходные отверстия. Таким образом, плоскость заземления обеспечивает эффективный возврат сигнала и напряжения, сокращая уровень помех. Еще более эффективны способ — сохранять непрерывность плоскостей заземления, так как это позволяет избежать образования петель заземления, а значит, возникновения альтернативных трактов возврата тока.
Заземление через заземляющий электрод
Заземление через электрод — это прямое заземление от платы к физической земле. Данный метод используется в платах электронных приборов, так как короткие замыкания или другие дефекты, например когда токоведущий компонент соприкасается с шасси/крышкой оборудования, могут стать причиной поражения пользователя электрическим током. По этой причине все высоковольтные цепи требуют заземления.
Причина возникновения контуров заземления
Контуры заземления — это множественные возвратные тракты тока, появившиеся из-за разницы земляных потенциалов по всей цепи. При возникновении этого дефекта ток циркулирует по другим более коротким путям, чем желаемый возвратный тракт. В идеале все точки заземления и плоскости на печатной плате должны иметь одинаковый потенциал, но в реальности в выводах, соединяющих микросхему с платой, присутствует индуктивность, которая создает небольшие перепады напряжения и становится причиной дребезга земли.
Хотя наведенная паразитная индуктивность очень мала по величине, во многих цифровых логических устройствах, например транзисторах, ее возникновение нельзя игнорировать. В быстродействую щих коммутационных схемах с логическими элементами сигнальные напряжения переключаются между высоким логическим значением 1 и низким 0. Когда напряжение цепи равно 1, выходное напряжение приближается к напряжению VCC. Если же напряжение равно 0, это значит, что выходное напряжение приближается к потенциалу земли (0 В). Из-за упомянутой выше индуктивности напряжение заземления начинает колебаться или изменяться до значений, отличных от 0 В, что и становится причиной возникновения дребезга земли. Дребезг приводит к тому, что схема ошибочно интерпретирует низкий уровень (значение 0) как высокий (значение 1). Таким образом, нарушается работа цифровых логических устройств по всей плате.
Помимо этого, дребезг земли становится причиной возникновения шумов на печатной плате, что негативно влияет на целостность сигнала. При проектировании печатной платы необходимо устранить вероятность возникновения этого дефекта.
Как возникает дребезг земли?
Возникновение дребезга земли можно объяснить с помощью рис. 1, на котором показана логическая схема на комплементарных МОП-структурах, подключенная к выходной нагрузке с емкостью CL и сопротивлением RL.
В этой статье вы найдете важные различия между VCC, VEE, VDD и VSS. Узнайте, откуда взялись эти термины и их применение в практической электронике.
Скорее всего, вы встречали один из терминов VCC, VEE, VDD или VSS при повседневном знакомстве с электроникой.
Эти символы могут обозначать источники питания ваших электронных схем или микросхем.
Однако задумывались ли вы о значении каждого конкретного символа в этих символах?
Обо всем этом вы узнаете здесь. Вы также изучите некоторые практические применения этих терминов в своих схемах.
Конструкторы обычно используют VCC в классических схемах с биполярным транзистором (BJT).
BJT — это устройство, используемое для усиления или управления электрическим сигналом. В основном это устройство, управляемое по току.
Как вы увидите ниже, BJT представляет собой трехконтактный компонент с контактным коллектором (C), эмиттером (E) и базой (B).
Уникальность BJT заключается в том, что для правильной работы они должны быть смещены. Как правило, типичной конфигурацией BJT является конфигурация с общим эмиттером.
Присмотревшись к схеме, можно увидеть, что ее источником питания является VCC. Считается, что традиционно термин VCC возник из-за того, что этот источник подает напряжение коллектора или VC.
Двойное обозначение CC отличает VCC (питание коллектора транзистора) от VC (напряжение на выводе коллектора).
Однако вы также увидите символ VCC, привязанный к контактам питания некоторых микросхем, особенно классических.
В этих чипах используется старая (но проверенная) технология производства с использованием BJT.
Ниже приведен пример микросхемы под названием операционный усилитель UA 741 от National Semiconductor.
Внутренняя конструкция этой микросхемы в основном состоит из биполярных транзисторов. Вывод VCC в основном подключен к питанию коллекторных выводов транзисторов в схеме.
Что такое VEE в полной форме в электронике?
Как и VCC, VEE возник из другого контакта BJT, называемого эмиттером. Напряжение на выводе эмиттера равно VE или напряжение эмиттера.
В связи с этим родился термин VEE, который подает питание или землю на вывод эмиттера, чтобы отличать его от VE.
Обычно инженеры-схемотехники рассматривают VEE как землю в базовой конфигурации с общим эмиттером.
Однако существуют различные конфигурации общего эмиттера. Одной из таких конфигураций является схема, стабилизированная эмиттером.
В такой схеме между выводом эмиттера и землей включен резистор; таким образом, VEE и GND в этой схеме неравны.
Опять же, как и в случае с VCC, вы найдете множество классических микросхем с символом VEE в качестве источника питания.
Эти микросхемы обычно изготавливаются из BJT. Обычно проектировщики подключают эти контакты к GND или отрицательному потенциалу.
Однако некоторые микросхемы отличают клемму VEE от клеммы заземления, указывая, что для вывода VEE требуется отрицательное напряжение питания.
Вот пример микросхемы, называемой аналоговым мультиплексором/демультиплексором CD74HC4051.
Если у вас есть только один источник напряжения питания и вам не нужен отрицательный потенциал, вы сможете подключить VEE и GND.
Что такое ВДД в полной форме в Электронике?
Если VCC родился из схем BJT, то термин VDD пришел из схем FET (или полевых транзисторов).
Как и биполярные транзисторы, разработчики в основном используют полевые транзисторы для усиления или управления электрическим сигналом. Полевые транзисторы представляют собой компоненты с тремя клеммами: D для стока, G для затвора и S для истока.
В отличие от биполярных транзисторов, полевые транзисторы в основном представляют собой устройства, управляемые напряжением. FETS также имеют более высокие входные импедансы, чем их BJT-аналог.
Ниже приведена простая схема полевого транзистора (в частности, типа MOSFET). Присмотревшись, можно увидеть, что источником питания является VDD, который питает сток.
Считается, что традиционно термин VDD возник из-за того, что этот источник подает напряжение стока или VD.
Двойное обозначение DD отличает VDD (источник питания стока транзистора) от VD (напряжение на стоке).
Кроме того, вы увидите символ VDD, привязанный к контактам питания некоторых микросхем, особенно новых.
В этих чипах используется более эффективная технология производства с использованием полевых транзисторов. Микросхемы, изготовленные на полевых транзисторах, более устойчивы к температуре, имеют более высокую плотность упаковки транзисторов и проще в изготовлении.
Ниже приведен пример микросхемы, микроконтроллера PIC16F877A от Microchip Technology, в котором используются технологии производства полевых транзисторов.
Что такое VSS в полном виде в Электронике?
Как и VDD, VSS поступает от другого контакта на FET-устройстве, называемого источником. Напряжение на этом выводе истока называется VS, или напряжение источника.
VSS подает питание или землю на этот вывод источника. Двойной SS в термине VSS отличает питание VSS от VS или напряжения источника.
Обратите внимание, что VSS может равняться земле в базовой конфигурации N-канального полевого транзистора.
Опять же, как и в случае с VDD, вы найдете множество современных чипов с символом VSS в качестве источника питания. Разработчики схем обычно подключают эти контакты к GND или отрицательному потенциалу.
Как обсуждалось ранее в термине VDD, эти микросхемы обычно изготавливаются с использованием современной технологии полевых транзисторов.
В примере микроконтроллера PIC16F877A VSS используется в качестве заземляющего контакта, как показано ниже.
Использование этого чипа в схеме покажет вам соединения между VDD и VSS. Ниже схема подает +5 В на VDD, который подает его на контакты VDD микроконтроллера.
Схема обеспечивает контакты VSS микроконтроллера заземлением или нулевым потенциалом. В этом примере схемы мигает светодиод с помощью микроконтроллера.
Для выполнения этой задачи в MCU дополнительно записывается прошивка. Обратите внимание, что потенциал земли схемы полностью привязан к VSS.
Здесь вы узнали термины VCC, VDD, VEE и VSS. В основном это контакты источника питания, которые подают питание на электронную схему или микросхему.
VCC был получен из напряжения коллектора биполярного транзистора, VDD из напряжения стока полевого транзистора, VEE из напряжения эмиттера биполярного транзистора и VSS из напряжения истока полевого транзистора.
Также помните, что хотя контакты VEE и VSS в основном подключаются к земле, они также могут иметь отрицательный потенциал в зависимости от применения ваших схем.