вести

Кондензатори су једна од најчешће коришћених компоненти на штампаним плочама. Како број електронских уређаја (од мобилних телефона до аутомобила) наставља да расте, расте и потражња за кондензаторима. Пандемија Цовид-а 19 пореметила је глобални ланац снабдевања компонентама од полупроводника на пасивне компоненте, а кондензатори су били у недостатку1.
Дискусије на тему кондензатора могу се лако 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. Такође постоје 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 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 да одговоре на већину питања о кондензаторима. У овом чланку, Нећу понављати оно што можете пронаћи на Интернету, али ћу показати како да изаберете и користите кондензаторе кроз практичне примере. Неки мање познати аспекти избора кондензатора, као што је деградација капацитивности, такође ће бити покривени. Након што прочитате овај чланак, ви ћете треба добро разумети употребу кондензатора.
Пре много година, када сам радио у компанији која се бавила производњом електронске опреме, имали смо питање на интервјуу за инжењера енергетске електронике. На шематском дијаграму постојећег производа питаћемо потенцијалне кандидате „Која је функција електролизе ДЦ везе? кондензатор?" и „Која је функција керамичког кондензатора 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 на неколико МХз), теорија кола обично може добро да објасни 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 је 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 споро пребацује. Међутим, како се фреквенција повећава, ствари постају све компликованије. У неком тренутку компонента почиње да показује нелинеарност. Када се фреквенција повећава, једноставан ЛЦР модел има своја ограничења.
Данас, када би ми поставили исто питање за интервју, носио бих 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 него керамички кондензатори. Али у погледу преноса енергије , керамички кондензатори могу брже да преносе енергију. Ово објашњава зашто керамичке кондензаторе треба поставити поред чипа, јер чип има већу фреквенцију пребацивања и брзину пребацивања у поређењу са главним струјним колом.
Из ове перспективе, можемо једноставно дефинисати два стандарда перформанси за кондензаторе. Један је колико енергије кондензатор може да ускладишти, а други је колико брзо ова енергија може да се пренесе. Оба зависе од начина производње кондензатора, диелектричног материјала, веза 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 (пола брзина 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 кружна путовања5, због чега када се прекидач брзо пребаци, видимо 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 пренос енергије потребно време и вишеструка кружна путовања говори нам да морамо да лоцирамо извор енергије што је могуће ближе оптерећењу и да пронађемо начин да брзо пренесемо енергију. Прво се обично постиже смањењем физичког растојање између оптерећења, прекидача и кондензатора. Ово последње се постиже окупљањем групе кондензатора са најмањом импедансом.
Теорија поља такође објашњава шта узрокује буку заједничког мода. Укратко, шум заједничког мода се генерише када енергетски захтев оптерећења није задовољен током пребацивања. Због тога ће енергија ускладиштена у простору између оптерећења и оближњих проводника бити обезбеђена за подршку Размак између оптерећења и оближњих проводника је оно што називамо паразитским/међусобним капацитетом (види слику 2).
Користимо следеће примере да покажемо како да користимо електролитичке кондензаторе, вишеслојне керамичке кондензаторе (МЛЦЦ) и филмске кондензаторе. За објашњење перформанси изабраних 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 фреквентне карактеристике. Нискофреквентне спроведене емисије увек зависе од перформанси кондензатора ДЦ везе.
Импеданса ДЦ везе не зависи само од ЕСР и ЕСЛ кондензатора, већ и од површине термалне 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 докаже ово. Поставка ЕМЦ теста пре усаглашености приказана на слици 4 врши скенирање спроведене емисије између 150 кХз и 108 МХз.
Важно је осигурати да су кондензатори коришћени у овој студији случаја од истог произвођача како би се избегле разлике у карактеристикама импедансе. Када лемите кондензатор на штампану плочу, уверите се да нема дугих каблова, јер ће то повећати ЕСЛ од кондензатор.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 може се рећи да се паралелним повезивањем два кондензатора преполови и ЕСЛ и ЕСР. 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. Приликом померања кондензатора од 330 µФ ближе прекидач, 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. Постоји много добрих разлога за ово. Први је цена. Генерално говорећи, за исту величину паковања, цена кондензатора расте експоненцијално са вредношћу капацитивности. Коришћење једног кондензатора може бити скупље од коришћења неколико мањих кондензатора. Други разлог је величина. Ограничавајући фактор у дизајну производа је обично висина компоненти. За кондензаторе великог капацитета, висина је често превелика 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 ми је кондензатора потребно?“ 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 да инжењери троше много енергије бирајући керамичке кондензаторе са најнижим ЕСР и ЕСЛ пре него што повежу кондензаторе са РФ референтном тачком преко дугих трагова. Вреди напоменути да је ЕСЛ МЛЦЦ-а обично много нижа од прикључне индуктивности на плочи.Индуктивност везе је и даље најважнији параметар који утиче на импедансу високе фреквенције керамичких кондензатора7.
Слика 7 приказује лош пример. Дуги трагови (дужине 0,5 инча) уводе најмање 10нХ индуктивност. Резултат симулације показује да импеданса кондензатора постаје много већа од очекиване на 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-а од 10 µФ уводи резонанцију на приближно 300 кХз.
Можете смањити резонанцију одабиром компоненте са већим ЕСР-ом или једноставним стављањем отпорника мале вредности (као што је 1 охм) у серију са кондензатором. Ова врста методе користи компоненте са губицима за потискивање система. Други метод је коришћење друге капацитивности вредност за померање резонанције 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 зрачења преко електричних водова (АЦ и ДЦ) и конфигурације филтера заједничког режима. Ми узимамо Кс кондензатор као пример који илуструје 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 коришћења? Ово је посебно тачно ако се кондензатор користи у влажном окружењу. Видео сам вредност капацитивности Кс кондензатор падне само на неколико процената своје 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.
Дакле, шта се десило? Ваздух влаге може да процури у кондензатор, уз жицу и између кутије и епоксидне масе за заливање. Алуминијумска метализација тада може да се оксидира. Алуминијум је добар електрични изолатор, чиме се смањује капацитет. Ово је проблем који сви филмски кондензатори ће се сусрести. Проблем о којем 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 излечити.
Ако Кс кондензатор није трајно повезан са напајањем, онда не морате да бринете. На пример, за производ који има чврст прекидач између извора напајања и кондензатора, величина може бити важнија од животног века и онда можете изабрати тањи кондензатор.
Међутим, ако је кондензатор стално повезан на извор напајања, он мора бити веома поуздан. Оксидација кондензатора није неизбежна. Ако је кондензаторски епоксидни материјал доброг квалитета и кондензатор није често изложен екстремним температурама, пад у вредност треба да буде минимална.
У овом чланку смо први пут представили поглед на теорију поља кондензатора. 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 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 је од користи компаније 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