Вести

Кондензаторите се една од најчесто користените компоненти на таблите.Како што бројот на електронски уреди (од мобилни телефони до автомобили) продолжува да се зголемува, така се зголемува и побарувачката за кондензатори.Пандемијата „Ковид 19“ го наруши глобалниот синџир на снабдување со компоненти од полупроводници до пасивни компоненти, а кондензаторите беа дефицитарни1.
Дискусиите на тема кондензатори лесно може да се претворат во книга или речник.Прво, постојат различни типови на кондензатори, како што се електролитски кондензатори, филмски кондензатори, керамички кондензатори и така натаму.Потоа, во истиот тип, постојат различни диелектрични материјали.Постојат и различни класи.Што се однесува до физичката структура, постојат типови на кондензатори со два и три терминални кондензатори.Исто така, постои кондензатор од типот X2Y, кој во суштина е пар Y кондензатори затворени во еден.Што е со суперкондензаторите?Факт е дека ако седнете и почнете да ги читате упатствата за избор на кондензатори од големите производители, лесно можете да го поминете денот!
Бидејќи оваа статија е за основите, ќе користам поинаков метод како и обично.Како што споменавме претходно, водичите за избор на кондензатори може лесно да се најдат на веб-страниците на добавувачите 3 и 4, а теренските инженери обично можат да одговорат на повеќето прашања за кондензаторите.Во оваа статија, нема да повторам што можете да најдете на Интернет, туку ќе покажам како да изберете и користите кондензатори преку практични примери.Ќе бидат опфатени и некои помалку познати аспекти на изборот на кондензатор, како што е деградацијата на капацитетот.Откако ќе ја прочитате оваа статија, треба да имате добро разбирање за употребата на кондензаторите.
Пред неколку години, кога работев во компанија за производство на електронска опрема, имавме прашање за интервју со инженер за енергетска електроника.На шематскиот дијаграм на постоечкиот производ, ќе ги прашаме потенцијалните кандидати „Која е функцијата на електролитичкиот кондензатор со еднонасочна врска?и „Која е функцијата на керамичкиот кондензатор што се наоѓа веднаш до чипот?Се надеваме дека точниот одговор е DC автобус кондензатор Се користи за складирање на енергија, керамички кондензатори се користат за филтрирање.
„Точниот“ одговор што го бараме всушност покажува дека сите од дизајнерскиот тим гледаат на кондензаторите од перспектива на едноставно коло, а не од перспектива на теоријата на полето.Погледот на теоријата на кола не е погрешен.При ниски фреквенции (од неколку kHz до неколку MHz), теоријата на кола обично може добро да го објасни проблемот.Тоа е затоа што на пониски фреквенции, сигналот е главно во диференцијален режим.Користејќи ја теоријата на кола, можеме да го видиме кондензаторот прикажан на Слика 1, каде што отпорот на еквивалентна серија (ESR) и еквивалентната сериска индуктивност (ESL) ја менуваат импедансата на кондензаторот со фреквенцијата.
Овој модел целосно ги објаснува перформансите на колото кога колото се префрлува бавно.Меѓутоа, како што се зголемува фреквенцијата, работите стануваат сè покомплицирани.Во одреден момент, компонентата почнува да покажува нелинеарност.Кога фреквенцијата се зголемува, едноставниот LCR модел има свои ограничувања.
Денес, кога би ми го поставиле истото прашање за интервју, би ги носел моите очила за набљудување на теоријата на теренот и би рекол дека двата типа на кондензатори се уреди за складирање енергија.Разликата е во тоа што електролитските кондензатори можат да складираат повеќе енергија од керамичките кондензатори.Но, во однос на преносот на енергија, керамичките кондензатори можат побрзо да пренесуваат енергија.Ова објаснува зошто керамичките кондензатори треба да се постават до чипот, бидејќи чипот има поголема фреквенција на префрлување и брзина на префрлување во споредба со главното коло за напојување.
Од оваа перспектива, можеме едноставно да дефинираме два стандарди за изведба за кондензаторите.Едната е колку енергија може да складира кондензаторот, а другата е колку брзо може да се пренесе оваа енергија.И двете зависат од методот на производство на кондензаторот, диелектричниот материјал, врската со кондензаторот итн.
Кога прекинувачот во колото е затворен (види слика 2), тоа покажува дека на товарот му е потребна енергија од изворот на енергија.Брзината со која се затвора овој прекинувач ја одредува итноста на побарувачката на енергија.Бидејќи енергијата патува со брзина на светлината (половина од брзината на светлината во материјалите FR4), потребно е време да се пренесе енергијата.Покрај тоа, постои несовпаѓање на импедансата помеѓу изворот и далноводот и оптоварувањето.Тоа значи дека енергијата никогаш нема да се префрли во едно патување, туку во повеќе кружни патувања5, поради што кога прекинувачот брзо ќе се префрли, ќе видиме доцнења и ѕвонење во преклопниот бран.
Слика 2: Потребно е време енергијата да се пропагира во вселената;Несовпаѓањето на импедансата предизвикува повеќекратни кружни патувања на пренос на енергија.
Фактот дека испораката на енергија бара време и повеќекратни кружни патувања ни кажува дека треба да ја придвижиме енергијата што е можно поблиску до товарот и треба да најдеме начин да ја испорачаме брзо.Првото обично се постигнува со намалување на физичкото растојание помеѓу оптоварувањето, прекинувачот и кондензаторот.Последново се постигнува со собирање група кондензатори со најмала импеданса.
Теоријата на терен исто така објаснува што предизвикува шум на заеднички режим.Накратко, шум од заеднички режим се генерира кога побарувачката за енергија на товарот не е исполнета за време на префрлувањето.Затоа, енергијата складирана во просторот помеѓу товарот и блиските проводници ќе биде обезбедена за поддршка на побарувачката за чекори.Просторот помеѓу оптоварувањето и блиските проводници е она што го нарекуваме паразитски/меѓусебна капацитивност (види слика 2).
Ги користиме следните примери за да покажеме како да користиме електролитски кондензатори, повеќеслојни керамички кондензатори (MLCC) и филмски кондензатори.За објаснување на перформансите на избраните кондензатори се користат и теоријата на кола и полето.
Електролитичките кондензатори главно се користат во DC врската како главен извор на енергија.Изборот на електролитски кондензатор често зависи од:
За перформансите на ЕМС, најважните карактеристики на кондензаторите се карактеристиките на импедансата и фреквенцијата.Спроведените емисии со ниска фреквенција секогаш зависат од перформансите на кондензаторот за еднонасочна врска.
Импедансата на DC врската зависи не само од ESR и ESL на кондензаторот, туку и од областа на топлинската јамка, како што е прикажано на слика 3. Поголема површина на топлинска јамка значи дека преносот на енергија трае подолго, така што перформансите ќе бидат засегнати.
За да се докаже ова, беше изграден конвертор на DC-DC кој се намалува.Поставувањето EMC тест пред усогласеност прикажано на Слика 4 врши спроведено скенирање на емисија помеѓу 150 kHz и 108 MHz.
Важно е да се осигура дека кондензаторите што се користат во оваа студија на случај се од ист производител за да се избегнат разлики во карактеристиките на импедансата.Кога го лемете кондензаторот на ПХБ, проверете дали нема долги проводи, бидејќи тоа ќе го зголеми ESL на кондензаторот.Слика 5 ги прикажува трите конфигурации.
Резултатите од спроведените емисии од овие три конфигурации се прикажани на слика 6. Може да се види дека, во споредба со еден кондензатор од 680 µF, двата кондензатори од 330 µF постигнуваат перформанси за намалување на бучавата од 6 dB во поширок опсег на фреквенции.
Од теоријата на кола може да се каже дека со поврзување на два кондензатори паралелно, и ESL и ESR се преполовуваат.Од гледна точка на теоријата на теренот, не постои само еден извор на енергија, туку два извори на енергија се испорачуваат на истото оптоварување, со што ефикасно се намалува целокупното време на пренос на енергија.Меѓутоа, на повисоки фреквенции, разликата помеѓу два кондензатори од 330 µF и еден кондензатор од 680 µF ќе се намали.Ова е затоа што бучавата со висока фреквенција укажува на недоволна енергетска реакција на чекорот.При поместување на кондензатор од 330 µF поблиску до прекинувачот, го намалуваме времето на пренос на енергија, што ефективно го зголемува чекорниот одговор на кондензаторот.
Резултатот ни кажува многу важна лекција.Зголемувањето на капацитетот на еден кондензатор генерално нема да ја поддржи чекорната побарувачка за повеќе енергија.Ако е можно, користете некои помали капацитивни компоненти.Има многу добри причини за ова.Првиот е трошок.Општо земено, за иста големина на пакувањето, цената на кондензаторот се зголемува експоненцијално со вредноста на капацитетот.Користењето на еден кондензатор може да биде поскапо од користењето на неколку помали кондензатори.Втората причина е големината.Ограничувачкиот фактор во дизајнот на производот е обично висината на компонентите.За кондензатори со голем капацитет, висината е често преголема, што не е погодно за дизајн на производот.Третата причина е перформансите на ЕМС што ги видовме во студијата на случај.
Друг фактор што треба да се земе предвид кога користите електролитски кондензатор е тоа што кога ќе поврзете два кондензатори во серија за да го споделите напонот, ќе ви треба отпорник за балансирање 6.
Како што споменавме порано, керамичките кондензатори се минијатурни уреди кои можат брзо да обезбедат енергија.Често ми се поставува прашањето „Колку кондензатор ми треба?Одговорот на ова прашање е дека за керамичките кондензатори, вредноста на капацитетот не треба да биде толку важна.Важното размислување овде е да се одреди на која фреквенција брзината на пренос на енергија е доволна за вашата апликација.Ако спроведената емисија не успее на 100 MHz, тогаш кондензаторот со најмала импеданса на 100 MHz ќе биде добар избор.
Ова е уште едно недоразбирање на MLCC.Сум видел инженери трошат многу енергија избирајќи керамички кондензатори со најниски ESR и ESL пред да ги поврзат кондензаторите со референтната точка RF преку долги траги.Вреди да се спомене дека ESL на MLCC обично е многу пониска од индуктивноста на поврзувањето на таблата.Индуктивноста на поврзувањето сè уште е најважниот параметар кој влијае на високата фреквентна импеданса на керамичките кондензатори7.
Слика 7 покажува лош пример.Долгите траги (долги 0,5 инчи) воведуваат најмалку 10nH индуктивност.Резултатот од симулацијата покажува дека импедансата на кондензаторот станува многу повисока од очекуваната на фреквентната точка (50 MHz).
Еден од проблемите со MLCC е тоа што тие имаат тенденција да резонираат со индуктивната структура на таблата.Ова може да се види во примерот прикажан на Слика 8, каде што употребата на MLCC од 10 µF воведува резонанца на приближно 300 kHz.
Можете да ја намалите резонанцијата со избирање на компонента со поголем ESR или едноставно ставање отпорник со мала вредност (како 1 ом) во серија со кондензатор.Овој тип на метод користи компоненти со загуби за да го потисне системот.Друг метод е да се користи друга вредност на капацитетот за да се премести резонанцијата до пониска или повисока резонантна точка.
Филмски кондензатори се користат во многу апликации.Тие се избор на кондензатори за DC-DC конвертори со голема моќност и се користат како филтри за потиснување на EMI преку далноводи (AC и DC) и конфигурации за филтрирање во заеднички режим.Земаме X кондензатор како пример за да илустрираме некои од главните точки на користење на филмски кондензатори.
Ако се случи настан на пренапон, тоа помага да се ограничи максималниот напон на напонот на линијата, па затоа обично се користи со минлив напонски супресор (TVS) или варистори со метален оксид (MOV).
Можеби веќе го знаете сето ова, но дали знаевте дека вредноста на капацитетот на X кондензаторот може значително да се намали со години на употреба?Ова е особено точно ако кондензаторот се користи во влажна средина.Сум видел дека вредноста на капацитетот на X кондензаторот се намалува само на неколку проценти од неговата номинална вредност во рок од една или две години, така што системот првично дизајниран со кондензаторот X всушност ја изгуби сета заштита што може да ја има предниот кондензатор.
Што се случи?Воздухот со влага може да истече во кондензаторот, нагоре по жицата и помеѓу кутијата и епоксидната смеса за тенџере.Алуминиумската метализација потоа може да се оксидира.Алумина е добар електричен изолатор, а со тоа ја намалува капацитивноста.Ова е проблем со кој ќе се сретнат сите филмски кондензатори.Прашањето за кое зборувам е дебелината на филмот.Реномираните брендови на кондензатори користат подебели филмови, што резултира со поголеми кондензатори од другите марки.Потенкиот филм го прави кондензаторот помалку робустен на преоптоварување (напон, струја или температура) и веројатно нема да се залечи сам по себе.
Ако X кондензаторот не е трајно поврзан со напојувањето, тогаш не треба да се грижите.На пример, за производ кој има тврд прекинувач помеѓу напојувањето и кондензаторот, големината може да биде поважна од животниот век, а потоа можете да изберете потенок кондензатор.
Меѓутоа, ако кондензаторот е трајно поврзан со изворот на енергија, тој мора да биде многу сигурен.Оксидацијата на кондензаторите не е неизбежна.Ако епоксидниот материјал на кондензаторот е со добар квалитет и кондензаторот не е често изложен на екстремни температури, падот на вредноста треба да биде минимален.
Во овој напис, за прв пат го претставивме погледот на теоријата на полето на кондензаторите.Практичните примери и резултатите од симулацијата покажуваат како да се изберат и користат најчестите типови на кондензатори.Се надеваме дека оваа информација може да ви помогне посеопфатно да ја разберете улогата на кондензаторите во електронскиот и ЕМС дизајнот.
Д-р Мин Џанг е основач и главен консултант за EMC на Mach One Design Ltd, инженерска компанија со седиште во Велика Британија, специјализирана за EMC консалтинг, решавање проблеми и обука.Неговото длабинско знаење во електрониката, дигиталната електроника, моторите и дизајнот на производи им донесе корист на компаниите ширум светот.
In Compliance е главниот извор на вести, информации, едукација и инспирација за професионалците од електротехниката и електронското инженерство.
Воздухопловни автомобилски комуникации Потрошувачка електроника Образование Енергија и енергетска индустрија Информатичка технологија Медицинска воена и национална одбрана