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 на пасивни компоненти, а кондензаторите биле 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 терминали. Постои и кондензатор од типот X2Y, кој во суштина е пар Y кондензатори инкапсулирани во едно. Што е со суперкондензаторите ?Факт е дека ако седнете и почнете да ги читате упатствата за избор на кондензатори од големите производители, можете лесно да го поминете денот!
Бидејќи оваа статија се однесува на основите, ќе користам поинаков метод како и обично. Како што беше споменато 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 го повторувам она што можете да го 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 кондензатори, како што е деградацијата на капацитетот. Откако ќе ја прочитате оваа статија, ќе треба да има 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 електроника за електрична енергија. На шематскиот дијаграм на постоечкиот производ, ќе ги прашаме потенцијалните кандидати „Која е функцијата на електролитичката врска DC кондензатор?"и „Која е функцијата на керамичкиот кондензатор 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 гледна точка на едноставно коло, а не од гледна точка на теоријата на полето. Гледањето на теоријата на кола не е погрешно. На 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 еквивалентниот сериски отпор ( ESR) и еквивалентна сериска индуктивност (ESL) прават импедансата на кондензаторот да се менува 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 било поставено истото прашање за интервју, би ги носел моите очила за набљудување на теоријата на теренот и би рекол дека двата типа 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. Едниот е колку енергија може да складира кондензаторот, а другиот е колку брзо оваа енергија може да се пренесе. И двата зависат од методот на производство на кондензаторот, диелектричниот материјал. врската со кондензаторот и така натаму.
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 се движи со брзина на светлината (половина брзината на светлината во материјалите FR4), потребно е време за пренос на енергија. Покрај тоа, постои несовпаѓање на импедансата помеѓу изворот и далноводот и товарот. Тоа значи дека енергијата никогаш нема да се пренесе во едно патување, туку во повеќе кружни патувања5, поради што кога прекинувачот брзо се префрла, гледаме доцнења и ѕвонење во преклопниот брановид.
Слика 2: Потребно е време енергијата да се пропагира во вселената;Несовпаѓањето на импедансата предизвикува повеќекратни кружни патувања на пренос на енергија.
Фактот дека за пренос на енергија е потребно време и повеќекратни кружни патувања ни кажува дека треба да го лоцираме изворот на енергија што е можно поблиску до товарот и треба да најдеме начин за брзо пренесување енергија. Првото обично се постигнува со намалување на физичката растојание помеѓу оптоварувањето, прекинувачот и кондензаторот. Последното се постигнува со собирање група кондензатори со најмала импеданса.
Теоријата на терен, исто така, објаснува што предизвикува шум од заеднички режим. Накратко, бучавата 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 побарувачката на чекори. Просторот помеѓу оптоварувањето и блиските спроводници е она што го нарекуваме паразитски/меѓусебна капацитивност (види Слика 2).
Ги користиме следните примери за да покажеме како се користат електролитски кондензатори, повеќеслојни керамички кондензатори (MLCC) и филмски кондензатори. И теоријата на кола и полето се користат за објаснување на перформансите на избраните кондензатори.
Електролитичките кондензатори главно се користат во DC врската како главен извор на енергија. Изборот на електролитски кондензатор често зависи од:
За перформансите на EMC, 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, па перформансите ќе бидат засегнати.
За да го докаже ова, беше изграден конвертор за DC-DC кој се намалува.
Важно е да се осигурате 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.На слика 5 се прикажани 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. , ефикасно го 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. прекинувачот, го намалуваме времето на пренос на енергија, што ефикасно го зголемува чекорот одзив на кондензаторот.
Резултатот ни кажува многу важна лекција. Зголемувањето на капацитетот на еден кондензатор генерално нема да ја поддржи потребата од чекори за повеќе енергија. Ако е можно, користете некои помали капацитивни компоненти. Има многу добри причини за ова. Првата е цената. кажано, 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 од компонентите.За кондензаторите со голем капацитет, висината е често преголема за дизајн на производот. Третата причина е перформансите на EMC 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. Важно е да се одреди на која фреквенција брзината на пренос на енергија е доволна за вашата апликација.
Ова е уште едно недоразбирање на MLCC. Видов дека инженерите 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 приклучокот на плочата.Индукциската индуктивност на поврзувањето е сепак 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 во фреквенциската 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 на 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 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 се потисне системот. Друг метод е да се користи друг капацитет вредност за поместување на резонанца во пониска или повисока резонантна точка.
Филмските кондензатори се користат во многу апликации. Тие се кондензатори на избор за DC-DC конвертори со висока моќност и се користат како филтри за потиснување на EMI преку далноводи (AC и DC) и конфигурации за филтрирање во заеднички режим. Ние земаме X кондензатор како пример за илустрација на 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. Ја видов вредноста на капацитетот на X кондензаторот паѓа 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.
Значи, што се случило? Воздухот со влага може да истече во кондензаторот, нагоре по жицата и помеѓу кутијата и епоксидното соединение за саксии. Метализацијата на алуминиумот потоа може да се оксидира.Алумината е добар електричен изолатор, со што се намалува капацитетот. Ова е проблем што 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 брендови. и тешко дека ќе се излечи.
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, и тогаш 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. Доколку епоксидниот материјал на кондензаторот е со добар квалитет и кондензаторот не е често изложен на екстремни температури, падот на вредноста треба да биде минимална.
Во овој напис, прво 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 имаше компании 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