žinios

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 puslaidininkių komponentų tiekimo grandinę. prie pasyviųjų komponentų, o kondensatorių trūko1.
Diskusijas kondensatorių tema galima nesunkiai paversti knyga ar žodynu. Pirma, yra įvairių tipų kondensatoriai, pvz., elektrolitiniai kondensatoriai, plėveliniai kondensatoriai, keraminiai kondensatoriai ir pan. Tada to paties tipo kondensatoriai yra skirtingi. dielektrinės medžiagos.Yra ir skirtingų 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, supakuota 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 svetainėse 3 ir 4, o lauko inžinieriai paprastai gali atsakyti į daugumą klausimų apie kondensatorius.Šiame straipsnyje, Nekartosiu, ką galite rasti internete, bet pademonstruosiu, kaip pasirinkti ir naudoti kondensatorius per praktinius pavyzdžius. Taip pat bus aptariami kai kurie mažiau žinomi kondensatorių pasirinkimo aspektai, pavyzdžiui, talpos sumažėjimas. Perskaitę šį straipsnį, jūs turėtų gerai suprasti kondensatorių naudojimą.
Prieš daugelį metų, kai dirbau įmonėje, gaminančioje elektroninę įrangą, turėjome pokalbio klausimą su galios elektronikos inžinieriumi. Esamo gaminio scheminėje schemoje potencialių kandidatų paklausime „Kokia yra nuolatinės srovės grandies elektrolitinė funkcija. kondensatorius?"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 požiūriu nėra klaidinga. 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 kondensatorių, parodytą 1 paveiksle, kur lygiavertė serijinė varža ( ESR) ir lygiavertė serijinė induktyvumas (ESL) kondensatoriaus varžą keičia dažniu.
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 apribojimus.
Šiandien, jei manęs paklaustų to paties interviu klausimo, aš užsidėjau lauko teorijos stebėjimo akinius ir sakyčiau, kad abu kondensatorių tipai yra energijos kaupimo įrenginiai. Skirtumas tas, kad elektrolitiniai kondensatoriai gali sukaupti daugiau energijos nei keraminiai. Bet kalbant apie energijos perdavimą , keraminiai kondensatoriai gali perduoti energiją greičiau.Tai paaiškina, kodėl keraminius kondensatorius reikia dėti šalia lusto, nes lustas turi didesnį perjungimo dažnį ir perjungimo greitį, palyginti su pagrindine maitinimo grandine.
Žvelgiant iš šios perspektyvos, galime paprasčiausiai apibrėžti du kondensatorių veikimo standartus. Vienas – kiek energijos kondensatorius gali sukaupti, o kitas – kaip greitai ši energija gali būti perduodama. Abu priklauso nuo kondensatoriaus gamybos būdo, dielektrinės medžiagos, jungtis su kondensatoriumi ir pan.
Kai grandinėje esantis jungiklis yra uždarytas (žr. 2 pav.), tai rodo, kad apkrovai reikia energijos iš maitinimo šaltinio. Greitis, kuriuo šis jungiklis užsidaro, lemia energijos poreikio skubumą.Kadangi energija keliauja šviesos greičiu (pusė šviesos greitis FR4 medžiagose), energijos perdavimas užtrunka. Be to, yra šaltinio ir perdavimo linijos bei apkrovos impedanso neatitikimas. Tai reiškia, kad energija niekada nebus perduodama per vieną kelionę, o per kelias pirmyn ir atgal5, todėl kai jungiklis greitai persijungia, perjungimo signalo formoje matome vėlavimus ir skambėjimą.
2 pav. Energijai pasklisti erdvėje reikia laiko;impedanso neatitikimas sukelia daugybę energijos perdavimo pirmyn ir atgal.
Tai, kad energijos perdavimas užtrunka ir daug kartų keliauja pirmyn ir atgal, rodo, kad energijos šaltinį reikia rasti kuo arčiau krovinio ir rasti būdą, kaip greitai perduoti energiją. Pirmasis paprastai pasiekiamas sumažinus fizinį krūvį. atstumas tarp apkrovos, jungiklio ir kondensatoriaus.Pastarasis pasiekiamas surenkant kondensatorių grupę su mažiausia varža.
Lauko teorija taip pat paaiškina, kas sukelia bendrojo režimo triukšmą. Trumpai tariant, bendrojo režimo triukšmas susidaro, kai perjungimo metu nepatenkinama apkrovos energijos poreikis. Todėl energija, sukaupta erdvėje tarp apkrovos ir šalia esančių laidininkų, bus skirta palaikyti. žingsnio poreikis.Tarpą tarp apkrovos ir šalia esančių laidininkų vadiname parazitine/abipuse talpa (žr. 2 pav.).
Siekdami parodyti, kaip naudoti elektrolitinius kondensatorius, daugiasluoksnius keraminius kondensatorius (MLCC) ir plėvelinius kondensatorius, naudojame šiuos pavyzdžius. Pasirinktų kondensatorių veikimui paaiškinti naudojama grandinės ir lauko teorija.
Elektrolitiniai kondensatoriai daugiausia naudojami nuolatinės srovės grandyje kaip pagrindinis energijos šaltinis. Elektrolitinio kondensatoriaus pasirinkimas dažnai priklauso nuo:
Siekiant užtikrinti EMS veikimą, svarbiausios kondensatorių charakteristikos yra varžos ir dažnio charakteristikos. Žemo dažnio laidieji spinduliai visada priklauso nuo nuolatinės srovės jungties kondensatoriaus veikimo.
Nuolatinės srovės grandinės varža priklauso ne tik nuo kondensatoriaus ESR ir ESL, bet ir nuo šiluminės kilpos ploto, kaip parodyta 3 paveiksle. Didesnis šiluminės kilpos plotas reiškia, kad energijos perdavimas užtrunka ilgiau, todėl našumas bus paveiktas.
Tai įrodyti buvo sukurtas sumažintas nuolatinės srovės ir nuolatinės srovės keitiklis. Išankstinio atitikties EMC bandymo sąranka, parodyta 4 paveiksle, atlieka emisijos 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 ESL kondensatorius.5 paveiksle pavaizduotos 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, o du energijos šaltiniai tiekiami tai pačiai apkrovai. , efektyviai sumažindamas 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 žingsninį energijos atsaką. Perkeliant 330 µF kondensatorių arčiau jungiklį, sumažiname energijos perdavimo laiką, o tai efektyviai padidina kondensatoriaus žingsninį atsaką.
Rezultatas mums pasako labai svarbią pamoką.Padidinus vieno kondensatoriaus talpą, paprastai nepalaikomas didesnis energijos poreikis.Jei įmanoma, naudokite kai kuriuos mažesnius talpinius komponentus.Tai yra daug svarių priežasčių.Pirmoji yra kaina.Paprastai Kalbant apie tą patį pakuotės dydį, kondensatoriaus kaina didėja eksponentiškai didėjant talpos vertei.Naudoti vieną kondensatorių gali būti brangiau nei naudojant kelis mažesnius kondensatorius.Antra priežastis yra dydis.Apribojantis veiksnys gaminant dizainą paprastai yra aukštis komponentų.Didelės talpos kondensatorių aukštis dažnai yra per didelis gaminio projektavimui.Trečia 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 toks, kad keraminiams kondensatoriams talpos vertė neturėtų būti tokia svarbi. Čia svarbu nustatyti, kokiu dažniu energijos perdavimo greitis yra pakankamas jūsų programai. Jei 100 MHz dažnių spinduliuotė nepavyksta, kondensatorius su mažiausia varža 100 MHz bus geras pasirinkimas.
Tai dar vienas MLCC nesusipratimas. Mačiau, kad inžinieriai išleidžia 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 už jungimo induktyvumą plokštėje.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) įveda bent 10nH 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 pavaizduotame 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. Šio tipo metoduose sistemos slopinimui naudojami nuostolingi komponentai. Kitas būdas yra naudoti kitą talpą. reikšmę, kad perkeltumėte rezonansą į žemesnį ar aukštesnį rezonanso tašką.
Plėveliniai kondensatoriai naudojami daugelyje programų. Jie yra pasirinktini didelės galios nuolatinės srovės ir nuolatinės srovės keitiklių kondensatoriai ir naudojami kaip EMI slopinimo filtrai elektros linijose (AC ir DC) ir bendrojo režimo filtravimo konfigūracijoms. Mes laikome X kondensatorių kaip pavyzdys, iliustruojantis 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 talpos vertę X kondensatorius 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, virš laido ir tarp dėžutės bei epoksidinio mišinio. Tada aliuminio metalizacija gali būti oksiduojama. Aliuminio oksidas yra geras elektros izoliatorius, todėl sumažėja talpa. Tai yra problema, visi plėveliniai kondensatoriai susidurs. 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 išgydys pats.
Jei X kondensatorius nėra nuolat prijungtas prie maitinimo šaltinio, jums nereikės nerimauti. Pavyzdžiui, gaminyje, kuriame yra kietas maitinimo šaltinio ir kondensatoriaus perjungimas, dydis gali būti svarbesnis už gyvybę ir tada galima rinktis plonesnį kondensatorių.
Tačiau jei kondensatorius yra nuolat prijungtas prie maitinimo šaltinio, jis turi būti labai patikimas.Kondensatorių oksidacija neišvengiama.Jei kondensatoriaus epoksidinė medžiaga yra geros kokybės ir kondensatorius nėra dažnai veikiamas ekstremalios temperatūros, vertė turi būti minimali.
Šiame straipsnyje pirmą kartą buvo pristatytas kondensatorių lauko teorijos vaizdas.Praktiniai pavyzdžiai ir modeliavimo rezultatai rodo, kaip pasirinkti ir naudoti dažniausiai naudojamus kondensatorių tipus. Tikimės, kad ši informacija padės išsamiau suprasti kondensatorių vaidmenį elektroninėje ir EMS projekte.
Dr. Min Zhang yra Mach One Design Ltd, Jungtinėje Karalystėje įsikūrusios inžinerinės įmonės, kurios specializacija yra EMC konsultacijos, trikčių šalinimas ir mokymas, įkūrėjas ir vyriausiasis EMC konsultantas. Jo išsamios žinios apie galios elektroniką, skaitmeninę elektroniką, variklius ir gaminių dizainą buvo naudingos. įmonių 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