ziņas

Kondensatori ir viens no visbiežāk izmantotajiem komponentiem shēmas plates.Turpinot pieaugt elektronisko ierīču (no mobilajiem tālruņiem līdz automašīnām) skaitam, pieaug arī pieprasījums pēc kondensatoriem. Covid-19 pandēmija ir pārtraukusi globālo pusvadītāju komponentu piegādes ķēdi. pasīvajiem komponentiem, un kondensatori ir bijuši deficīts1.
Diskusijas par kondensatoru tēmu var viegli pārvērst grāmatā vai vārdnīcā. Pirmkārt, ir dažādi kondensatoru veidi, piemēram, elektrolītiskie kondensatori, plēves kondensatori, keramikas kondensatori un tā tālāk. Pēc tam vienā tipā ir dažādi dielektriskie materiāli.Ir arī dažādas klases.Kas attiecas uz fizisko uzbūvi, ir divu un trīs terminālu kondensatoru veidi.Ir arī X2Y tipa kondensators, kas būtībā ir Y kondensatoru pāris, kas iekapsulēti vienā.Kas par 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 internetā atrodamo, bet ar praktiskiem piemēriem parādīšu, kā izvēlēties un lietot kondensatorus. Tiks apskatīti arī daži mazāk zināmi kondensatoru izvēles aspekti, piemēram, kapacitātes samazināšanās. Pēc šī raksta izlasīšanas jūs jābūt labai izpratnei par 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 elektrolīta funkcija kondensators?"un "Kāda ir keramiskā kondensatora funkcija 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 uz kondensatoriem raugās no vienkāršas ķēdes perspektīvas, nevis no lauka teorijas perspektīvas. Ķēdes teorijas skatījums 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 līdzvērtīga sērijas pretestība ( ESR) un līdzvērtīga virknes induktivitāte (ESL) liek kondensatora pretestībai mainīties ar frekvenci.
Šis modelis pilnībā izskaidro ķēdes veiktspēju, kad ķēde tiek pārslēgta lēni.Tomēr, palielinoties frekvencei, lietas kļūst arvien sarežģītākas. Kādā brīdī komponents sāk izrādīt nelinearitāti. Kad frekvence palielinās, vienkāršais LCR modelis ir savi 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 spēj uzglabāt vairāk enerģijas nekā keramiskie kondensatori. Bet enerģijas pārvades ziņā , keramiskie kondensatori var pārraidīt enerģiju ātrāk.Tas izskaidro, kāpēc keramiskie kondensatori ir jānovieto blakus mikroshēmai, jo mikroshēmai ir augstāka 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 kondensators var uzglabāt, un otrs ir tas, cik ātri šo enerģiju var pārnest. Abi ir atkarīgi no kondensatora ražošanas metodes, dielektriskā materiāla, savienojums 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 (puse). gaismas ātrums FR4 materiālos), ir nepieciešams laiks, lai pārsūtītu enerģiju. Turklāt pastāv pretestības neatbilstība starp avotu un pārvades līniju un slodzi. Tas nozīmē, ka enerģija nekad netiks pārsūtīta vienā braucienā, bet vairākos turp un atpakaļ5, tāpēc, kad slēdzis ātri pārslēdzas, mēs redzam aizkavi un zvana pārslēgšanas viļņu formā.
2. attēls. Nepieciešams laiks, lai enerģija izplatītos telpā;impedances neatbilstība izraisa vairākus enerģijas pārneses braucienus turp un atpakaļ.
Fakts, ka enerģijas pārnešana prasa laiku un vairākus braucienus turp un atpakaļ, norāda uz to, ka mums ir jāatrod enerģijas avots pēc iespējas tuvāk slodzei un jāatrod veids, kā ātri pārnest enerģiju. Pirmais parasti tiek panākts, samazinot fizisko slodzi. attālums 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 atbalstam. soļa pieprasījums.Atstarpe starp slodzi un blakus esošajiem vadītājiem ir tas, ko mēs saucam par parazitāro/savstarpējo kapacitāti (sk. 2. attēlu).
Mēs izmantojam šādus piemērus, lai parādītu, kā izmantot elektrolītiskos kondensatorus, daudzslāņu keramikas 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 termiskās cilpas laukums nozīmē, ka enerģijas pārnešana prasa ilgāku laiku, tāpēc veiktspēja tiks ietekmēta.
Lai to pierādītu, tika izveidots pazemināts līdzstrāvas-līdzstrāvas pārveidotājs. Iepriekšējās atbilstības EMC testa iestatījums, kas parādīts 4. attēlā, veic emisijas skenēšanu no 150 kHz līdz 108 MHz.
Ir svarīgi nodrošināt, ka šajā gadījuma izpētē izmantotie kondensatori ir no viena ražotāja, lai izvairītos no atšķirībām pretestības raksturlielumos. Lodējot kondensatoru uz PCB, pārliecinieties, ka nav garu vadu, jo tas palielinās ESL kondensators.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 trokšņu 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 pie augstākām frekvencēm starpība 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 slēdzi, mēs samazinām enerģijas pārneses laiku, kas efektīvi palielina kondensatora pakāpienu reakciju.
Rezultāts sniedz mums ļoti svarīgu mācību. Viena kondensatora kapacitātes palielināšana parasti neatbalstīs pakāpenisku pieprasījumu pēc vairāk enerģijas.Ja iespējams, izmantojiet dažus mazākus kapacitatīvos komponentus.Tam ir daudz labu iemeslu.Pirmais ir izmaksas. Parasti Runājot par vienu un to pašu iepakojuma izmēru, kondensatora izmaksas palielinās eksponenciāli līdz ar kapacitātes vērtību. Viena kondensatora izmantošana var būt dārgāka nekā vairāku mazāku kondensatoru izmantošana. Otrs iemesls ir izmērs. Produkta dizainā ierobežojošais faktors parasti ir augstums. Lielas ietilpības kondensatoriem augstums bieži ir pārāk liels izstrādājuma dizainam. Trešais iemesls ir EMC veiktspēja, ko mēs 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 keramiskajiem kondensatoriem kapacitātes vērtībai nevajadzētu būt tik svarīgai. Svarīgs apsvērums šeit ir noteikt, kurā frekvencē enerģijas pārsūtīšanas 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 keramiskos kondensatorus ar viszemāko ESR un ESL, pirms kondensatorus pievieno RF atskaites punktam, izmantojot garas pēdas. Ir vērts pieminēt, ka MLCC ESL parasti ir daudz. zemāka par savienojuma induktivitāti uz plates.Savienojuma induktivitāte joprojām ir vissvarīgākais parametrs, kas ietekmē keramikas kondensatoru augstfrekvences pretestību7.
7. attēlā parādīts slikts piemērs. Garas pēdas (0,5 collas garas) ievieš vismaz 10nH induktivitāti. Simulācijas rezultāts parāda, ka kondensatora pretestība kļūst daudz augstāka, nekā paredzēts 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 savienojot mazas vērtības rezistoru (piemēram, 1 omu) virknē ar kondensatoru. Šāda veida metode izmanto komponentus ar zudumiem, lai nomāktu sistēmu. Cita metode ir izmantot citu kapacitāti. vērtību, lai pārvietotu rezonansi uz zemāku vai augstāku rezonanses punktu.
Plēves kondensatorus izmanto daudzās lietojumprogrammās. Tie ir izvēlētie kondensatori lieljaudas līdzstrāvas-līdzstrāvas pārveidotājiem, un tos izmanto kā EMI slāpēšanas filtrus elektropārvades līnijās (maiņstrāvas un līdzstrāvas) un parastā režīma filtrēšanas konfigurācijās. Mēs izmantojam X kondensatoru kā piemērs, 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, ja tas tiek izmantots gadiem ilgi? Tas jo īpaši attiecas uz gadījumiem, kad kondensators tiek izmantots mitrā vidē. Esmu redzējis kapacitātes vērtību X kondensators gada vai divu laikā samazinās tikai līdz dažiem procentiem no tā nominālās vērtības, tāpēc sistēma, kas sākotnēji bija izstrādāta ar X kondensatoru, faktiski zaudēja visu aizsardzību, kas varētu būt priekšgala kondensatoram.
Tātad, kas notika? Mitrums gaiss var noplūst kondensatorā, pa vadu un starp kārbu un epoksīda pārklājuma maisījumu. Pēc tam alumīnija metalizāciju var oksidēt. Alumīnija oksīds ir labs elektriskais izolators, tādējādi samazinot kapacitāti. Tā ir problēma, kas ar visiem plēves kondensatoriem nāksies saskarties. 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 izdziedīs.
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 var izvēlēties plānāku kondensatoru.
Tomēr, ja kondensators ir pastāvīgi pievienots strāvas avotam, tam jābūt ļoti uzticamam. Kondensatoru oksidēšanās nav neizbēgama. Ja kondensatora epoksīda materiālam ir laba kvalitāte un kondensators nav bieži pakļauts ekstremālām temperatūrām, vērtībai jābūt minimālai.
Šajā rakstā vispirms tika iepazīstināts ar kondensatoru lauka teorijas skatījumu.Praktiskie piemēri un simulācijas rezultāti parāda, kā izvēlēties un izmantot visizplatītākos kondensatoru veidus.Ceram, 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, traucējummeklēšanā un apmācībā. Viņa padziļinātās zināšanas spēka elektronikā, digitālajā elektronikā, motoros un produktu dizainā ir guvušas 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