вести

Кондензатори су једна од најчешће коришћених компоненти на штампаним плочама. Како број електронских уређаја (од мобилних телефона до аутомобила) наставља да расте, тако расте и потражња за кондензаторима. Пандемија Цовид-а 19 пореметила је глобални ланац снабдевања компонентама од полупроводника до пасивних компоненти, а кондензатори су били у недостатку1.
Дискусије на тему кондензатора лако се могу претворити у књигу или речник. Прво, постоје различите врсте кондензатора, као што су електролитски кондензатори, филмски кондензатори, керамички кондензатори и тако даље. Затим, у истом типу, постоје различити диелектрични материјали. Постоје и различите класе. Што се тиче физичке структуре, постоје типови кондензатора са два и три терминала. Постоји и кондензатор типа Кс2И, који је у суштини пар И кондензатора инкапсулираних у једном. Шта је са суперкондензаторима? Чињеница је да ако седнете и почнете да читате водиче за избор кондензатора од великих произвођача, лако ћете провести дан!
Пошто је овај чланак о основама, користићу другачији метод као и обично. Као што је раније поменуто, водичи за избор кондензатора могу се лако пронаћи на веб локацијама добављача 3 и 4, а инжењери на терену обично могу одговорити на већину питања о кондензаторима. У овом чланку нећу понављати оно што можете пронаћи на Интернету, већ ћу на практичним примерима показати како одабрати и користити кондензаторе. Неки мање познати аспекти избора кондензатора, као што је деградација капацитета, такође ће бити покривени. Након читања овог чланка, требало би да добро разумете употребу кондензатора.
Пре много година, када сам радио у компанији која се бавила производњом електронске опреме, имали смо питање за интервју за инжењера енергетске електронике. На шематском дијаграму постојећег производа, питаћемо потенцијалне кандидате „Која је функција електролитичког кондензатора ДЦ везе?“ и „Која је функција керамичког кондензатора који се налази поред чипа?“ Надамо се да је тачан одговор кондензатор ДЦ магистрале Користи се за складиштење енергије, а керамички кондензатори се користе за филтрирање.
„Тачан“ одговор који тражимо заправо показује да сви у дизајнерском тиму гледају на кондензаторе из перспективе једноставног кола, а не из перспективе теорије поља. Тачка гледишта теорије кола није погрешна. На ниским фреквенцијама (од неколико кХз до неколико МХз), теорија кола обично може добро објаснити проблем. То је зато што је на нижим фреквенцијама сигнал углавном у диференцијалном режиму. Користећи теорију кола, можемо видети кондензатор приказан на слици 1, где еквивалентни серијски отпор (ЕСР) и еквивалентна серијска индуктивност (ЕСЛ) чине да се импеданса кондензатора мења са фреквенцијом.
Овај модел у потпуности објашњава перформансе кола када се коло пребацује споро. Међутим, како се фреквенција повећава, ствари постају све компликованије. У неком тренутку, компонента почиње да показује нелинеарност. Када се фреквенција повећа, једноставан ЛЦР модел има своја ограничења.
Данас, да ми се постави исто питање за интервју, носио бих своје наочаре за посматрање теорије поља и рекао да су оба типа кондензатора уређаји за складиштење енергије. Разлика је у томе што електролитски кондензатори могу да складиште више енергије од керамичких кондензатора. Али у погледу преноса енергије, керамички кондензатори могу брже преносити енергију. Ово објашњава зашто керамичке кондензаторе треба поставити поред чипа, јер чип има већу фреквенцију пребацивања и брзину пребацивања у односу на главно струјно коло.
Из ове перспективе, можемо једноставно дефинисати два стандарда перформанси за кондензаторе. Једно је колико енергије кондензатор може да ускладишти, а друго је колико брзо се ова енергија може пренети. Оба зависе од начина производње кондензатора, диелектричног материјала, везе са кондензатором и тако даље.
Када је прекидач у колу затворен (види слику 2), то указује да је оптерећењу потребна енергија из извора напајања. Брзина којом се овај прекидач затвара одређује хитност потражње за енергијом. Пошто енергија путује брзином светлости (половина брзине светлости у ФР4 материјалима), потребно је време за пренос енергије. Поред тога, постоји неусклађеност импедансе између извора и далековода и оптерећења. То значи да енергија никада неће бити пренета у једном путу, већ у више кружних путовања5, због чега када се прекидач брзо пребаци, видећемо кашњења и звоњење у таласном облику пребацивања.
Слика 2: Потребно је време да се енергија шири у свемиру; Неусклађеност импедансе изазива вишеструка кружна путовања преноса енергије.
Чињеница да је за испоруку енергије потребно време и вишеструка кружна путовања говори нам да морамо да померимо енергију што је могуће ближе оптерећењу и да пронађемо начин да је испоручимо брзо. Први се обично постиже смањењем физичког растојања између оптерећења, прекидача и кондензатора. Ово последње се постиже окупљањем групе кондензатора са најмањом импедансом.
Теорија поља такође објашњава шта узрокује шум уобичајеног мода. Укратко, шум уобичајеног мода се генерише када потреба за енергијом оптерећења није задовољена током пребацивања. Због тога ће енергија ускладиштена у простору између оптерећења и оближњих проводника бити обезбеђена да подржи потражњу корака. Простор између оптерећења и оближњих проводника је оно што називамо паразитски/међусобни капацитет (види слику 2).
Користимо следеће примере да покажемо како да користимо електролитичке кондензаторе, вишеслојне керамичке кондензаторе (МЛЦЦ) и филмске кондензаторе. За објашњење перформанси одабраних кондензатора користе се и теорија кола и поља.
Електролитички кондензатори се углавном користе у ДЦ линку као главни извор енергије. Избор електролитског кондензатора често зависи од:
За ЕМЦ перформансе, најважније карактеристике кондензатора су импеданса и фреквенцијске карактеристике. Емисије ниске фреквенције увек зависе од перформанси кондензатора ДЦ везе.
Импеданса ДЦ везе не зависи само од ЕСР и ЕСЛ кондензатора, већ и од површине термичке петље, као што је приказано на слици 3. Већа површина термалне петље значи да пренос енергије траје дуже, па перформансе биће погођени.
ДЦ-ДЦ претварач је направљен да то докаже. Подешавање ЕМЦ теста пре усаглашености приказано на слици 4 изводи спроведено скенирање емисије између 150 кХз и 108 МХз.
Важно је осигурати да су кондензатори коришћени у овој студији случаја сви истог произвођача како би се избегле разлике у карактеристикама импедансе. Када лемите кондензатор на штампаној плочи, уверите се да нема дугих водова, јер ће то повећати ЕСЛ кондензатора. Слика 5 приказује три конфигурације.
Резултати спроведене емисије ове три конфигурације приказани су на слици 6. Може се видети да, у поређењу са једним кондензатором од 680 µФ, два кондензатора од 330 µФ постижу перформансе смањења буке од 6 дБ у ширем фреквентном опсегу.
Из теорије кола се може рећи да се паралелним повезивањем два кондензатора и ЕСЛ и ЕСР преполови. Са становишта теорије поља, не постоји само један извор енергије, већ се два извора енергије напајају на исто оптерећење, ефективно смањујући укупно време преноса енергије. Међутим, на вишим фреквенцијама, разлика између два кондензатора од 330 µФ и једног кондензатора од 680 µФ ће се смањити. То је зато што шум високе фреквенције указује на недовољан енергетски одговор корака. Када померите кондензатор од 330 µФ ближе прекидачу, смањујемо време преноса енергије, што ефективно повећава корак одзива кондензатора.
Резултат нам говори веома важну лекцију. Повећање капацитивности једног кондензатора генерално неће подржати корак захтева за више енергије. Ако је могуће, користите неке мање капацитивне компоненте. За то постоји много добрих разлога. Први је трошак. Уопштено говорећи, за исту величину паковања, цена кондензатора расте експоненцијално са вредношћу капацитивности. Коришћење једног кондензатора може бити скупље од употребе неколико мањих кондензатора. Други разлог је величина. Ограничавајући фактор у дизајну производа је обично висина компоненти. За кондензаторе великог капацитета, висина је често превелика, што није погодно за дизајн производа. Трећи разлог је ЕМЦ перформансе које смо видели у студији случаја.
Још један фактор који треба узети у обзир када користите електролитички кондензатор је да када повежете два кондензатора у серију да бисте поделили напон, биће вам потребан балансни отпорник 6.
Као што је раније поменуто, керамички кондензатори су минијатурни уређаји који могу брзо да обезбеде енергију. Често ми се поставља питање "Колико кондензатора ми треба?" Одговор на ово питање је да за керамичке кондензаторе вредност капацитивности не би требало да буде толико важна. Овде је важно да се утврди на којој фреквенцији је брзина преноса енергије довољна за вашу примену. Ако спроведена емисија не успе на 100 МХз, онда ће кондензатор са најмањом импедансом на 100 МХз бити добар избор.
Ово је још један неспоразум МЛЦЦ-а. Видео сам инжењере како троше много енергије бирајући керамичке кондензаторе са најнижим ЕСР и ЕСЛ пре него што повежу кондензаторе са РФ референтном тачком кроз дуге трагове. Вреди напоменути да је ЕСЛ МЛЦЦ обично много нижи од индуктивности везе на плочи. Индуктивност везе је и даље најважнији параметар који утиче на импедансу високе фреквенције керамичких кондензатора7.
Слика 7 показује лош пример. Дуги трагови (дужине 0,5 инча) уводе најмање 10нХ индуктивност. Резултат симулације показује да импеданса кондензатора постаје много већа од очекиване у тачки фреквенције (50 МХз).
Један од проблема са МЛЦЦ-овима је тај што они имају тенденцију да резонирају са индуктивном структуром на плочи. Ово се може видети у примеру приказаном на слици 8, ​​где употреба МЛЦЦ од 10 µФ уводи резонанцију на приближно 300 кХз.
Можете смањити резонанцу тако што ћете изабрати компоненту са већим ЕСР-ом или једноставно ставити отпорник мале вредности (као што је 1 охм) у серију са кондензатором. Ова врста методе користи компоненте са губицима да потисне систем. Други метод је коришћење друге вредности капацитивности за померање резонанце на нижу или вишу тачку резонанције.
Филмски кондензатори се користе у многим апликацијама. Они су кондензатори по избору за ДЦ-ДЦ претвараче велике снаге и користе се као филтери за сузбијање електромагнетских електромагнетних таласа преко енергетских водова (АЦ и ДЦ) и конфигурација филтера заједничког режима. Узимамо Кс кондензатор као пример да бисмо илустровали неке од главних тачака употребе филмских кондензатора.
Ако дође до пренапона, то помаже да се ограничи напон вршног напона на линији, тако да се обично користи са супресором пролазног напона (ТВС) или варистором од металног оксида (МОВ).
Можда већ знате све ово, али да ли сте знали да се вредност капацитивности Кс кондензатора може значајно смањити са годинама употребе? Ово је посебно тачно ако се кондензатор користи у влажном окружењу. Видео сам да је вредност капацитивности Кс кондензатора опала само на неколико процената његове номиналне вредности у року од годину или две, тако да је систем првобитно дизајниран са Кс кондензатором заправо изгубио сву заштиту коју би могао имати предњи кондензатор.
Па, шта се десило? Влажни ваздух може да процури у кондензатор, уз жицу и између кутије и епоксидне масе за заливање. Метализација алуминијума се тада може оксидирати. Глиница је добар електрични изолатор, чиме се смањује капацитет. Ово је проблем са којим ће се сусрести сви филмски кондензатори. Питање о коме говорим је дебљина филма. Реномирани брендови кондензатора користе дебље филмове, што резултира већим кондензаторима од других брендова. Тањи филм чини кондензатор мање отпорним на преоптерећење (напон, струја или температура) и мало је вероватно да ће се сам залечити.
Ако Кс кондензатор није трајно повезан са напајањем, онда не морате да бринете. На пример, за производ који има чврсти прекидач између напајања и кондензатора, величина може бити важнија од живота и тада можете изабрати тањи кондензатор.
Међутим, ако је кондензатор стално повезан са извором напајања, он мора бити веома поуздан. Оксидација кондензатора није неизбежна. Ако је епоксидни материјал кондензатора доброг квалитета и кондензатор није често изложен екстремним температурама, пад вредности треба да буде минималан.
У овом чланку, први пут је представљен поглед теорије поља на кондензаторе. Практични примери и резултати симулације показују како одабрати и користити најчешће типове кондензатора. Надамо се да вам ове информације могу помоћи да свеобухватније разумете улогу кондензатора у електронском и ЕМЦ дизајну.
Др Мин Зханг је оснивач и главни ЕМЦ консултант компаније Мацх Оне Десигн Лтд, инжењерске компаније са седиштем у Великој Британији специјализоване за ЕМЦ консалтинг, решавање проблема и обуку. Његово дубоко знање о енергетској електроници, дигиталној електроници, моторима и дизајну производа користило је компанијама широм света.
Ин Цомплианце је главни извор вести, информација, образовања и инспирације за професионалце у области електротехнике и електронике.
Ваздухопловство Аутомобилске комуникације Потрошачка електроника Образовање Енергетика и електроенергетска индустрија Информационе технологије Медицина Војска и национална одбрана