ziņas

Kondensatori ir viens no visbiežāk izmantotajiem shēmas plates komponentiem. Turpinot pieaugt elektronisko ierīču skaitam (no mobilajiem telefoniem līdz automašīnām), pieaug arī pieprasījums pēc kondensatoriem. Covid-19 pandēmija ir pārtraukusi globālo komponentu piegādes ķēdi no pusvadītājiem līdz pasīvajiem komponentiem, un kondensatoru ir bijis deficīts1.
Diskusijas par kondensatoru tēmu var viegli pārvērst grāmatā vai vārdnīcā. Pirmkārt, ir dažāda veida kondensatori, piemēram, elektrolītiskie kondensatori, plēves kondensatori, keramikas kondensatori un tā tālāk. Tad vienā un tajā pašā veidā ir dažādi dielektriskie materiāli. Ir arī dažādas klases. Attiecībā uz fizisko struktūru ir divu un trīs spaiļu kondensatoru veidi. Ir arī X2Y tipa kondensators, kas būtībā ir Y kondensatoru pāris, kas iekapsulēti vienā. Kā ar superkondensatoriem? Fakts ir tāds, ka, apsēdieties un sākat lasīt lielāko ražotāju kondensatoru izvēles rokasgrāmatas, jūs varat viegli pavadīt dienu!
Tā kā šis raksts ir par pamatiem, es izmantošu citu metodi, kā parasti. Kā minēts iepriekš, kondensatoru izvēles rokasgrāmatas var viegli atrast piegādātāju vietnēs 3 un 4, un lauka inženieri parasti var atbildēt uz lielāko daļu jautājumu par kondensatoriem. Šajā rakstā es neatkārtošu to, ko varat atrast internetā, bet ar praktiskiem piemēriem parādīšu, kā izvēlēties un izmantot kondensatorus. Tiks apskatīti arī daži mazāk zināmi kondensatora izvēles aspekti, piemēram, kapacitātes samazināšanās. Pēc šī raksta izlasīšanas jums vajadzētu labi izprast kondensatoru izmantošanu.
Pirms gadiem, kad strādāju uzņēmumā, kas ražoja elektroniskās iekārtas, mums bija intervijas jautājums energoelektronikas inženierim. Esošā produkta shematiskajā diagrammā potenciālajiem kandidātiem jautāsim “Kāda ir līdzstrāvas posma elektrolītiskā kondensatora funkcija?” un "Kāda ir keramiskā kondensatora funkcija, kas atrodas blakus mikroshēmai?" Mēs ceram, ka pareizā atbilde ir līdzstrāvas kopnes kondensators Izmanto enerģijas uzkrāšanai, keramikas kondensatori tiek izmantoti filtrēšanai.
“Pareizā” atbilde, ko mēs meklējam, patiesībā parāda, ka visi projektēšanas komandas locekļi skatās uz kondensatoriem no vienkāršas ķēdes perspektīvas, nevis no lauka teorijas viedokļa. Ķēžu teorijas viedoklis nav nepareizs. Zemās frekvencēs (no dažiem kHz līdz dažiem MHz) ķēdes teorija parasti var labi izskaidrot problēmu. Tas ir tāpēc, ka zemākās frekvencēs signāls galvenokārt ir diferenciālā režīmā. Izmantojot ķēdes teoriju, mēs varam redzēt kondensatoru, kas parādīts 1. attēlā, kur ekvivalentā virknes pretestība (ESR) un ekvivalentā virknes induktivitāte (ESL) liek kondensatora pretestībai mainīties līdz ar frekvenci.
Šis modelis pilnībā izskaidro ķēdes darbību, kad ķēde tiek pārslēgta lēni. Tomēr, palielinoties biežumam, lietas kļūst arvien sarežģītākas. Kādā brīdī komponents sāk parādīt nelinearitāti. Kad frekvence palielinās, vienkāršajam LCR modelim ir ierobežojumi.
Šodien, ja man uzdotu to pašu intervijas jautājumu, es valkātu savas lauka teorijas novērošanas brilles un teiktu, ka abi kondensatoru veidi ir enerģijas uzkrāšanas ierīces. Atšķirība ir tāda, ka elektrolītiskie kondensatori var uzglabāt vairāk enerģijas nekā keramikas kondensatori. Bet enerģijas pārvades ziņā keramikas kondensatori var pārraidīt enerģiju ātrāk. Tas izskaidro, kāpēc keramiskie kondensatori ir jānovieto blakus mikroshēmai, jo mikroshēmai ir lielāka pārslēgšanas frekvence un pārslēgšanas ātrums, salīdzinot ar galveno strāvas ķēdi.
No šī viedokļa mēs varam vienkārši definēt divus kondensatoru veiktspējas standartus. Viens ir tas, cik daudz enerģijas var uzglabāt kondensators, un otrs ir tas, cik ātri šo enerģiju var pārnest. Abi ir atkarīgi no kondensatora ražošanas metodes, dielektriskā materiāla, savienojuma ar kondensatoru utt.
Kad slēdzis ķēdē ir aizvērts (sk. 2. attēlu), tas norāda, ka slodzei ir nepieciešama enerģija no strāvas avota. Ātrums, ar kādu šis slēdzis aizveras, nosaka enerģijas pieprasījuma steidzamību. Tā kā enerģija pārvietojas ar gaismas ātrumu (uz pusi no gaismas ātruma FR4 materiālos), enerģijas pārnešanai nepieciešams laiks. Turklāt pastāv pretestības neatbilstība starp avotu un pārvades līniju un slodzi. Tas nozīmē, ka enerģija nekad netiks pārsūtīta vienā braucienā, bet gan vairākos turp un atpakaļ 5, tāpēc, kad slēdzis tiek ātri pārslēgts, pārslēgšanas viļņu formā redzēsim aizkavi un zvana signālus.
2. attēls. Nepieciešams laiks, lai enerģija izplatītos telpā; impedances neatbilstība izraisa vairākus enerģijas pārneses braucienus turp un atpakaļ.
Fakts, ka enerģijas piegāde prasa laiku un vairākus braucienus turp un atpakaļ, norāda uz to, ka mums ir jāpārvieto enerģija pēc iespējas tuvāk kravai, un mums ir jāatrod veids, kā to ātri piegādāt. Pirmais parasti tiek panākts, samazinot fizisko attālumu starp slodzi, slēdzi un kondensatoru. Pēdējais tiek panākts, apkopojot kondensatoru grupu ar mazāko pretestību.
Lauka teorija arī izskaidro, kas izraisa parastā režīma troksni. Īsāk sakot, kopējā režīma troksnis rodas, ja pārslēgšanas laikā netiek apmierināts slodzes enerģijas pieprasījums. Tāpēc enerģija, kas uzkrāta telpā starp slodzi un blakus esošajiem vadītājiem, tiks nodrošināta, lai atbalstītu pakāpienu pieprasījumu. Telpu starp slodzi un blakus esošajiem vadītājiem mēs saucam par parazītisko/savstarpējo kapacitāti (sk. 2. attēlu).
Mēs izmantojam šādus piemērus, lai parādītu, kā izmantot elektrolītiskos kondensatorus, daudzslāņu keramiskos kondensatorus (MLCC) un plēves kondensatorus. Lai izskaidrotu izvēlēto kondensatoru veiktspēju, tiek izmantota gan ķēdes, gan lauka teorija.
Elektrolītiskie kondensatori galvenokārt tiek izmantoti līdzstrāvas savienojumā kā galvenais enerģijas avots. Elektrolītiskā kondensatora izvēle bieži ir atkarīga no:
EMC veiktspējai vissvarīgākie kondensatoru raksturlielumi ir pretestības un frekvences raksturlielumi. Zemas frekvences vadītās emisijas vienmēr ir atkarīgas no līdzstrāvas posma kondensatora veiktspējas.
Līdzstrāvas posma pretestība ir atkarīga ne tikai no kondensatora ESR un ESL, bet arī no termiskās cilpas laukuma, kā parādīts 3. attēlā. Lielāks siltuma cilpas laukums nozīmē, ka enerģijas pārnešana prasa ilgāku laiku, tāpēc veiktspēja tiks ietekmēta.
Lai to pierādītu, tika izveidots pazemināts līdzstrāvas-līdzstrāvas pārveidotājs. Iepriekšējas atbilstības EMC testa iestatījums, kas parādīts 4. attēlā, veic veikto emisijas skenēšanu no 150 kHz līdz 108 MHz.
Ir svarīgi nodrošināt, lai šajā gadījuma izpētē izmantotie kondensatori būtu no viena ražotāja, lai izvairītos no atšķirībām pretestības raksturlielumos. Lodējot kondensatoru uz PCB, pārliecinieties, ka nav garu vadu, jo tas palielinās kondensatora ESL. 5. attēlā parādītas trīs konfigurācijas.
Šo trīs konfigurāciju veiktās emisijas rezultāti ir parādīti 6. attēlā. Var redzēt, ka, salīdzinot ar vienu 680 µF kondensatoru, divi 330 µF kondensatori nodrošina trokšņa samazināšanas veiktspēju 6 dB plašākā frekvenču diapazonā.
No ķēdes teorijas var teikt, ka, paralēli savienojot divus kondensatorus, gan ESL, gan ESR samazinās uz pusi. No lauka teorijas viedokļa ir ne tikai viens enerģijas avots, bet divi enerģijas avoti tiek piegādāti vienai slodzei, efektīvi samazinot kopējo enerģijas pārraides laiku. Tomēr augstākās frekvencēs atšķirība starp diviem 330 µF kondensatoriem un vienu 680 µF kondensatoru samazināsies. Tas ir tāpēc, ka augstas frekvences troksnis norāda uz nepietiekamu soļa enerģijas reakciju. Pārvietojot 330 µF kondensatoru tuvāk slēdzim, mēs samazinām enerģijas pārneses laiku, kas efektīvi palielina kondensatora soļu reakciju.
Rezultāts mums sniedz ļoti svarīgu mācību. Viena kondensatora kapacitātes palielināšana parasti neatbalsta pakāpenisku pieprasījumu pēc vairāk enerģijas. Ja iespējams, izmantojiet dažus mazākus kapacitatīvos komponentus. Tam ir daudz labu iemeslu. Pirmais ir izmaksas. Vispārīgi runājot, tāda paša iepakojuma izmēra gadījumā kondensatora izmaksas eksponenciāli palielinās līdz ar kapacitātes vērtību. Viena kondensatora izmantošana var būt dārgāka nekā vairāku mazāku kondensatoru izmantošana. Otrs iemesls ir izmērs. Produkta dizaina ierobežojošais faktors parasti ir sastāvdaļu augstums. Lielas ietilpības kondensatoriem augstums bieži ir pārāk liels, kas nav piemērots izstrādājuma projektēšanai. Trešais iemesls ir EMC veiktspēja, ko redzējām gadījuma izpētē.
Vēl viens faktors, kas jāņem vērā, lietojot elektrolītisko kondensatoru, ir tas, ka, savienojot divus kondensatorus virknē, lai sadalītu spriegumu, jums būs nepieciešams balansēšanas rezistors 6.
Kā minēts iepriekš, keramikas kondensatori ir miniatūras ierīces, kas var ātri nodrošināt enerģiju. Man bieži tiek uzdots jautājums "Cik daudz kondensatora man ir nepieciešams?" Atbilde uz šo jautājumu ir tāda, ka keramikas kondensatoriem kapacitātes vērtībai nevajadzētu būt tik svarīgai. Svarīgs apsvērums šeit ir noteikt, ar kādu frekvenci enerģijas pārneses ātrums ir pietiekams jūsu lietojumam. Ja vadītā emisija neizdodas pie 100 MHz, tad kondensators ar mazāko pretestību 100 MHz būs laba izvēle.
Šis ir vēl viens MLCC pārpratums. Esmu redzējis, ka inženieri tērē daudz enerģijas, izvēloties keramikas kondensatorus ar viszemāko ESR un ESL, pirms kondensatorus savieno ar RF atskaites punktu, izmantojot garas pēdas. Ir vērts pieminēt, ka MLCC ESL parasti ir daudz zemāks nekā savienojuma induktivitāte uz plates. Savienojuma induktivitāte joprojām ir vissvarīgākais parametrs, kas ietekmē keramisko kondensatoru augstfrekvences pretestību7.
7. attēlā parādīts slikts piemērs. Garas pēdas (0,5 collas garas) nodrošina vismaz 10nH induktivitāti. Simulācijas rezultāts parāda, ka kondensatora pretestība kļūst daudz lielāka, nekā gaidīts frekvences punktā (50 MHz).
Viena no MLCC problēmām ir tā, ka tām ir tendence rezonēt ar paneļa induktīvo struktūru. To var redzēt piemērā, kas parādīts 8. attēlā, kur 10 µF MLCC izmantošana rada rezonansi pie aptuveni 300 kHz.
Jūs varat samazināt rezonansi, izvēloties komponentu ar lielāku ESR vai vienkārši ievietojot mazas vērtības rezistoru (piemēram, 1 omu) virknē ar kondensatoru. Šāda veida metode izmanto komponentus ar zaudējumiem, lai apspiestu sistēmu. Vēl viena metode ir izmantot citu kapacitātes vērtību, lai pārvietotu rezonansi uz zemāku vai augstāku rezonanses punktu.
Plēves kondensatori tiek izmantoti daudzos lietojumos. Tie ir izvēlētie kondensatori lieljaudas līdzstrāvas-līdzstrāvas pārveidotājiem un tiek izmantoti kā EMI slāpēšanas filtri elektropārvades līnijās (maiņstrāva un līdzstrāva) un parastā režīma filtrēšanas konfigurācijās. Mēs ņemam X kondensatoru kā piemēru, lai ilustrētu dažus galvenos plēves kondensatoru izmantošanas punktus.
Ja notiek pārsprieguma notikums, tas palīdz ierobežot maksimālā sprieguma spriegumu līnijā, tāpēc to parasti izmanto kopā ar īslaicīgu sprieguma slāpētāju (TVS) vai metāla oksīda varistoru (MOV).
Iespējams, jūs jau to visu zināt, bet vai zinājāt, ka X kondensatora kapacitātes vērtību var ievērojami samazināt, gadiem ilgi lietojot? Tas jo īpaši attiecas uz gadījumiem, kad kondensators tiek izmantots mitrā vidē. Esmu redzējis, ka X kondensatora kapacitātes vērtība gada vai divu laikā samazinās tikai līdz dažiem procentiem no tā nominālās vērtības, tāpēc sistēma, kas sākotnēji tika izstrādāta ar X kondensatoru, faktiski zaudēja visu aizsardzību, kas varētu būt priekšgala kondensatoram.
Kas notika? Mitrums gaiss var noplūst kondensatorā, augšup pa vadu un starp kasti un epoksīda maisījumu. Pēc tam alumīnija metalizāciju var oksidēt. Alumīnija oksīds ir labs elektriskais izolators, tādējādi samazinot kapacitāti. Šī ir problēma, ar kuru saskarsies visi plēves kondensatori. Problēma, par kuru es runāju, ir plēves biezums. Cienījamie kondensatoru zīmoli izmanto biezākas plēves, kā rezultātā kondensatori ir lielāki nekā citu zīmolu kondensatori. Plānāka plēve padara kondensatoru mazāk izturīgu pret pārslodzi (spriegums, strāva vai temperatūra), un maz ticams, ka tas pats sadzīs.
Ja X kondensators nav pastāvīgi pievienots barošanas avotam, jums nav jāuztraucas. Piemēram, izstrādājumam, kuram ir ciets slēdzis starp barošanas avotu un kondensatoru, izmērs var būt svarīgāks par dzīvību, un tad varat izvēlēties plānāku kondensatoru.
Tomēr, ja kondensators ir pastāvīgi pievienots strāvas avotam, tam jābūt ļoti uzticamam. Kondensatoru oksidēšana nav neizbēgama. Ja kondensatora epoksīda materiālam ir laba kvalitāte un kondensators nav bieži pakļauts ekstremālām temperatūrām, vērtības kritumam jābūt minimālam.
Šajā rakstā vispirms tika iepazīstināts ar kondensatoru lauka teorijas skatījumu. Praktiskie piemēri un simulācijas rezultāti parāda, kā izvēlēties un izmantot visbiežāk sastopamos kondensatoru veidus. Cerams, ka šī informācija var palīdzēt jums izprast kondensatoru lomu elektroniskajā un EMC projektēšanā.
Dr Mins Džans ir Mach One Design Ltd dibinātājs un galvenais EMC konsultants. Apvienotajā Karalistē bāzēts inženiertehniskais uzņēmums, kas specializējas EMC konsultācijās, problēmu novēršanā un apmācībā. Viņa padziļinātās zināšanas jaudas elektronikā, digitālajā elektronikā, motoros un produktu dizainā ir devušas labumu uzņēmumiem visā pasaulē.
In Compliance ir galvenais ziņu, informācijas, izglītības un iedvesmas avots elektrotehnikas un elektroniskās inženierijas speciālistiem.
Aviācija, automobiļi, sakari, plaša patēriņa elektronika, izglītība, enerģētika un enerģētika, informācijas tehnoloģija, medicīniskā militārā un valsts aizsardzība