naujienos

Kondensatoriai yra vienas iš dažniausiai naudojamų grandinių plokščių komponentų. Vis didėjant elektroninių prietaisų (nuo mobiliųjų telefonų iki automobilių) skaičiui, didėja ir kondensatorių paklausa. Covid 19 pandemija sutrikdė pasaulinę komponentų tiekimo grandinę nuo puslaidininkių iki pasyviųjų komponentų, o kondensatorių trūko1.
Diskusijas kondensatorių tema galima nesunkiai paversti knyga ar žodynu. Pirma, yra įvairių tipų kondensatoriai, pavyzdžiui, elektrolitiniai kondensatoriai, plėveliniai kondensatoriai, keraminiai kondensatoriai ir pan. Tada to paties tipo dielektrinės medžiagos yra skirtingos. Taip pat yra įvairių klasių. Kalbant apie fizinę struktūrą, yra dviejų ir trijų gnybtų kondensatorių tipai. Taip pat yra X2Y tipo kondensatorius, kuris iš esmės yra Y kondensatorių pora, įdėta į vieną. O kaip su superkondensatoriais? Faktas yra tas, kad jei atsisėsite ir pradėsite skaityti pagrindinių gamintojų kondensatorių pasirinkimo vadovus, galėsite lengvai praleisti dieną!
Kadangi šis straipsnis yra apie pagrindus, kaip įprasta, naudosiu kitą metodą. Kaip minėta anksčiau, kondensatorių pasirinkimo vadovus galima lengvai rasti tiekėjų 3 ir 4 svetainėse, o lauko inžinieriai paprastai gali atsakyti į daugumą klausimų apie kondensatorius. Šiame straipsnyje nekartosiu to, ką galite rasti internete, bet pademonstruosiu, kaip pasirinkti ir naudoti kondensatorius per praktinius pavyzdžius. Taip pat bus nagrinėjami kai kurie mažiau žinomi kondensatoriaus pasirinkimo aspektai, pavyzdžiui, talpos sumažėjimas. Perskaitę šį straipsnį, turėtumėte gerai suprasti kondensatorių naudojimą.
Prieš daugelį metų, kai dirbau įmonėje, gaminančioje elektroninę įrangą, turėjome pokalbio klausimą su galios elektronikos inžinieriumi. Esamo gaminio schemoje potencialių kandidatų paklausime „Kokia yra nuolatinės srovės grandinės elektrolitinio kondensatoriaus funkcija? ir „Kokia yra keraminio kondensatoriaus, esančio šalia lusto, funkcija? Tikimės, kad teisingas atsakymas yra nuolatinės srovės magistralės kondensatorius Naudojami energijos kaupimui, filtravimui naudojami keraminiai kondensatoriai.
„Teisingas“ atsakymas, kurio ieškome, iš tikrųjų rodo, kad visi projektavimo komandos nariai į kondensatorius žiūri iš paprastos grandinės, o ne iš lauko teorijos perspektyvos. Grandinės teorijos požiūris nėra klaidingas. Esant žemiems dažniams (nuo kelių kHz iki kelių MHz), grandinės teorija paprastai gali gerai paaiškinti problemą. Taip yra todėl, kad esant žemesniems dažniams, signalas daugiausia yra diferencialiniu režimu. Naudodami grandinės teoriją, galime pamatyti 1 paveiksle parodytą kondensatorių, kuriame ekvivalentinė serijinė varža (ESR) ir lygiavertė nuoseklioji induktyvumas (ESL) keičia kondensatoriaus varžą priklausomai nuo dažnio.
Šis modelis visiškai paaiškina grandinės veikimą, kai grandinė perjungiama lėtai. Tačiau, didėjant dažniui, viskas tampa vis sudėtingesnė. Tam tikru momentu komponentas pradeda rodyti netiesiškumą. Kai dažnis didėja, paprastas LCR modelis turi savo apribojimų.
Šiandien, jei manęs paklaustų to paties interviu klausimo, aš užsidėjau lauko teorijos stebėjimo akinius ir sakyčiau, kad abu kondensatorių tipai yra energijos kaupikliai. Skirtumas tas, kad elektrolitiniai kondensatoriai gali sukaupti daugiau energijos nei keraminiai. Tačiau, kalbant apie energijos perdavimą, keraminiai kondensatoriai gali perduoti energiją greičiau. Tai paaiškina, kodėl prie lusto reikia dėti keraminius kondensatorius, nes lustas turi didesnį perjungimo dažnį ir perjungimo greitį lyginant su pagrindine maitinimo grandine.
Iš šios perspektyvos galime tiesiog apibrėžti du kondensatorių veikimo standartus. Viena – kiek energijos gali sukaupti kondensatorius, o kita – kaip greitai ši energija gali būti perduodama. Abu priklauso nuo kondensatoriaus gamybos būdo, dielektriko medžiagos, jungties su kondensatoriumi ir pan.
Kai grandinės jungiklis uždarytas (žr. 2 pav.), tai rodo, kad apkrovai reikia energijos iš maitinimo šaltinio. Greitis, kuriuo šis jungiklis užsidaro, lemia energijos poreikio skubumą. Kadangi energija sklinda šviesos greičiu (pusė šviesos greičio FR4 medžiagose), energijai perduoti reikia laiko. Be to, yra impedanso neatitikimas tarp šaltinio ir perdavimo linijos bei apkrovos. Tai reiškia, kad energija niekada nebus perduodama per vieną reisą, o per kelias keliones pirmyn ir atgal5, todėl greitai perjungus jungiklį, perjungimo bangos formoje matysime vėlavimus ir skambėjimą.
2 pav. Energijai pasklisti erdvėje reikia laiko; impedanso neatitikimas sukelia daugybę energijos perdavimo pirmyn ir atgal.
Tai, kad energijos tiekimas užtrunka ir daug kartų keliauja pirmyn ir atgal, rodo, kad turime perkelti energiją kuo arčiau krovinio ir turime rasti būdą, kaip ją greitai pristatyti. Pirmasis paprastai pasiekiamas sumažinus fizinį atstumą tarp apkrovos, jungiklio ir kondensatoriaus. Pastarasis pasiekiamas surenkant kondensatorių grupę su mažiausia varža.
Lauko teorija taip pat paaiškina, kas sukelia bendro režimo triukšmą. Trumpai tariant, bendrojo režimo triukšmas susidaro, kai perjungimo metu nėra patenkinamas apkrovos energijos poreikis. Todėl energija, sukaupta erdvėje tarp apkrovos ir šalia esančių laidininkų, bus aprūpinta žingsnio poreikiu. Tarpas tarp apkrovos ir šalia esančių laidininkų yra tai, ką mes vadiname parazitine / abipuse talpa (žr. 2 pav.).
Naudojame šiuos pavyzdžius norėdami parodyti, kaip naudoti elektrolitinius kondensatorius, daugiasluoksnius keraminius kondensatorius (MLCC) ir plėvelinius kondensatorius. Pasirinktų kondensatorių veikimui paaiškinti naudojama tiek grandinė, tiek lauko teorija.
Elektrolitiniai kondensatoriai daugiausia naudojami nuolatinės srovės jungtyje kaip pagrindinis energijos šaltinis. Elektrolitinio kondensatoriaus pasirinkimas dažnai priklauso nuo:
EMC veikimui svarbiausios kondensatorių charakteristikos yra varžos ir dažnio charakteristikos. Žemo dažnio laidieji spinduliai visada priklauso nuo nuolatinės srovės grandinės kondensatoriaus veikimo.
Nuolatinės srovės jungties varža priklauso ne tik nuo kondensatoriaus ESR ir ESL, bet ir nuo šiluminės kilpos ploto, kaip parodyta 3 pav. Didesnis šiluminės kilpos plotas reiškia, kad energijos perdavimas užtrunka ilgiau, todėl našumas bus paveiktas.
Tai įrodyti buvo sukurtas sumažintas nuolatinės srovės keitiklis. Išankstinio atitikties EMC bandymo sąranka, parodyta 4 paveiksle, atlieka spinduliuotės nuskaitymą nuo 150 kHz iki 108 MHz.
Svarbu užtikrinti, kad šiame atvejo tyrime naudojami kondensatoriai būtų to paties gamintojo, kad būtų išvengta varžos charakteristikų skirtumų. Lituodami kondensatorių ant PCB, įsitikinkite, kad nėra ilgų laidų, nes tai padidins kondensatoriaus ESL. 5 paveiksle parodytos trys konfigūracijos.
Šių trijų konfigūracijų emisijos rezultatai parodyti 6 paveiksle. Matyti, kad, palyginti su vienu 680 µF kondensatoriumi, du 330 µF kondensatoriai pasiekia 6 dB triukšmo mažinimo efektyvumą platesniame dažnių diapazone.
Iš grandinės teorijos galima teigti, kad lygiagrečiai sujungus du kondensatorius, tiek ESL, tiek ESR sumažėja perpus. Lauko teorijos požiūriu yra ne tik vienas energijos šaltinis, bet du energijos šaltiniai tiekiami tai pačiai apkrovai, efektyviai sumažinant bendrą energijos perdavimo laiką. Tačiau esant aukštesniems dažniams skirtumas tarp dviejų 330 µF kondensatorių ir vieno 680 µF kondensatoriaus sumažės. Taip yra todėl, kad aukšto dažnio triukšmas rodo nepakankamą žingsnio energijos atsaką. Perkeldami 330 µF kondensatorių arčiau jungiklio, sumažiname energijos perdavimo laiką, o tai efektyviai padidina kondensatoriaus žingsninį atsaką.
Rezultatas mums pasako labai svarbią pamoką. Vieno kondensatoriaus talpos padidinimas paprastai nepalaikys laipsniško daugiau energijos poreikio. Jei įmanoma, naudokite mažesnius talpinius komponentus. Tam yra daug gerų priežasčių. Pirmasis yra kaina. Paprastai tariant, to paties dydžio pakuotės kondensatoriaus kaina didėja eksponentiškai didėjant talpos vertei. Vieno kondensatoriaus naudojimas gali būti brangesnis nei kelių mažesnių kondensatorių naudojimas. Antra priežastis – dydis. Gaminio dizaino ribojantis veiksnys dažniausiai yra komponentų aukštis. Didelės talpos kondensatoriams aukštis dažnai būna per didelis, o tai netinka gaminio projektavimui. Trečioji priežastis yra EMC veikimas, kurį matėme atvejo tyrime.
Kitas veiksnys, į kurį reikia atsižvelgti naudojant elektrolitinį kondensatorių, yra tas, kad kai nuosekliai sujungiate du kondensatorius, kad pasidalytumėte įtampą, jums reikės balansavimo rezistoriaus 6.
Kaip minėta anksčiau, keraminiai kondensatoriai yra miniatiūriniai įrenginiai, galintys greitai tiekti energiją. Man dažnai užduodamas klausimas „Kiek kondensatoriaus man reikia? Atsakymas į šį klausimą yra tas, kad keraminiams kondensatoriams talpos vertė neturėtų būti tokia svarbi. Čia svarbu nustatyti, kokiu dažniu energijos perdavimo greitis yra pakankamas jūsų programai. Jei laidi spinduliuotė nepavyksta esant 100 MHz, tada kondensatorius su mažiausia varža 100 MHz bus geras pasirinkimas.
Tai dar vienas MLCC nesusipratimas. Mačiau, kad inžinieriai išeikvoja daug energijos rinkdamiesi keraminius kondensatorius su mažiausiu ESR ir ESL prieš prijungdami kondensatorius prie RF atskaitos taško per ilgus pėdsakus. Verta paminėti, kad MLCC ESL paprastai yra daug mažesnis nei plokštės prijungimo induktyvumas. Jungties induktyvumas vis dar yra svarbiausias parametras, turintis įtakos keraminių kondensatorių aukšto dažnio varžai7.
7 paveiksle parodytas blogas pavyzdys. Ilgi pėdsakai (0,5 colio ilgio) sukuria mažiausiai 10 nH induktyvumą. Modeliavimo rezultatas rodo, kad kondensatoriaus varža tampa daug didesnė nei tikėtasi dažnio taške (50 MHz).
Viena iš MLCC problemų yra ta, kad jie linkę rezonuoti su indukcine plokštės struktūra. Tai matyti 8 paveiksle parodytame pavyzdyje, kur naudojant 10 µF MLCC atsiranda maždaug 300 kHz rezonansas.
Galite sumažinti rezonansą pasirinkdami komponentą su didesniu ESR arba tiesiog sujungdami mažos vertės rezistorių (pvz., 1 omą) nuosekliai su kondensatoriumi. Šis metodas naudoja nuostolingus komponentus, kad slopintų sistemą. Kitas būdas yra naudoti kitą talpos vertę, kad perkeltumėte rezonansą į žemesnį ar aukštesnį rezonanso tašką.
Plėvelės kondensatoriai naudojami daugelyje programų. Jie yra pasirinkti kondensatoriai didelės galios DC-DC keitikliams ir naudojami kaip EMI slopinimo filtrai elektros linijose (AC ir DC) ir bendrojo režimo filtravimo konfigūracijose. Kaip pavyzdį paimame X kondensatorių, kad parodytume kai kuriuos pagrindinius plėvelinių kondensatorių naudojimo aspektus.
Jei įvyksta viršįtampis, tai padeda apriboti didžiausią įtampos įtampą linijoje, todėl dažniausiai naudojamas su trumpalaikiu įtampos slopintuvu (TVS) arba metalo oksido varistoriumi (MOV).
Galbūt jau žinote visa tai, bet ar žinojote, kad naudojant daugelį metų X kondensatoriaus talpos vertė gali būti žymiai sumažinta? Tai ypač aktualu, jei kondensatorius naudojamas drėgnoje aplinkoje. Mačiau, kad X kondensatoriaus talpos vertė per metus ar dvejus nukrenta tik iki kelių procentų vardinės vertės, todėl iš pradžių su X kondensatoriumi sukurta sistema iš tikrųjų prarado visą apsaugą, kurią galėjo turėti priekinis kondensatorius.
Taigi, kas atsitiko? Drėgmės oras gali nutekėti į kondensatorių, aukštyn laidu ir tarp dėžutės bei epoksidinio mišinio. Tada aliuminio metalizacija gali būti oksiduojama. Aliuminio oksidas yra geras elektros izoliatorius, todėl sumažėja talpa. Tai yra problema, su kuria susidurs visi plėvelės kondensatoriai. Problema, apie kurią kalbu, yra plėvelės storis. Garsių gamintojų kondensatoriai naudoja storesnes plėveles, todėl kondensatoriai yra didesni nei kitų gamintojų. Dėl plonesnės plėvelės kondensatorius mažiau atsparus perkrovai (įtampai, srovei ar temperatūrai), ir mažai tikėtina, kad jis savaime išgys.
Jei X kondensatorius nėra nuolat prijungtas prie maitinimo šaltinio, jums nereikia jaudintis. Pavyzdžiui, gaminiui, kuriame yra kietas maitinimo šaltinio ir kondensatoriaus perjungimas, dydis gali būti svarbesnis už gyvybę, o tada galite pasirinkti plonesnį kondensatorių.
Tačiau jei kondensatorius yra nuolat prijungtas prie maitinimo šaltinio, jis turi būti labai patikimas. Kondensatorių oksidacija nėra neišvengiama. Jei kondensatoriaus epoksidinė medžiaga yra geros kokybės ir kondensatorius nėra dažnai veikiamas ekstremalios temperatūros, vertės kritimas turėtų būti minimalus.
Šiame straipsnyje pirmą kartą buvo pristatytas kondensatorių lauko teorijos vaizdas. Praktiniai pavyzdžiai ir modeliavimo rezultatai parodo, kaip pasirinkti ir naudoti dažniausiai naudojamus kondensatorių tipus. Tikimės, kad ši informacija padės išsamiau suprasti kondensatorių vaidmenį kuriant elektroniką ir EMC.
Dr. Min Zhang yra Mach One Design Ltd, Jungtinėje Karalystėje įsikūrusios inžinerijos įmonės, besispecializuojančios EMC konsultavimo, trikčių šalinimo ir mokymo srityse, įkūrėjas ir vyriausiasis EMC konsultantas. Jo gilios žinios apie galios elektroniką, skaitmeninę elektroniką, variklius ir gaminių dizainą buvo naudingos įmonėms visame pasaulyje.
„In Compliance“ yra pagrindinis elektros ir elektronikos inžinerijos specialistų naujienų, informacijos, švietimo ir įkvėpimo šaltinis.
Orlaiviai ir automobiliai Komunikacijos Buitinė elektronika Švietimas Energetika ir elektros pramonė Informacinės technologijos Medicina Kariuomenė ir Krašto apsauga