vijesti

Kondenzatori su jedna od najčešće korišćenih komponenti na štampanim pločama. Kako broj elektronskih uređaja (od mobilnih telefona do automobila) nastavlja da raste, tako raste i potražnja za kondenzatorima. Pandemija Covida 19 poremetila je globalni lanac opskrbe komponentama od poluvodiča do pasivnih komponenti, a kondenzatori su bili u nedostatku1.
Rasprave na temu kondenzatora lako se mogu pretvoriti u knjigu ili rječnik. Prvo, postoje različite vrste kondenzatora, kao što su elektrolitski kondenzatori, filmski kondenzatori, keramički kondenzatori i tako dalje. Zatim, u istom tipu, postoje različiti dielektrični materijali. Postoje i različite klase. Što se tiče fizičke strukture, postoje tipovi kondenzatora sa dva i tri terminala. Tu je i kondenzator tipa X2Y, koji je u suštini par Y kondenzatora kapsuliranih u jednom. Šta je sa superkondenzatorima? Činjenica je da ako sjednete i počnete čitati vodiče za odabir kondenzatora od velikih proizvođača, lako ćete provesti dan!
Budući da je ovaj članak o osnovama, koristit ću drugu metodu kao i obično. Kao što je ranije spomenuto, vodiči za odabir kondenzatora mogu se lako pronaći na web stranicama dobavljača 3 i 4, a terenski inženjeri obično mogu odgovoriti na većinu pitanja o kondenzatorima. U ovom članku neću ponavljati ono što možete pronaći na internetu, već ću na praktičnim primjerima pokazati kako odabrati i koristiti kondenzatore. Neki manje poznati aspekti odabira kondenzatora, kao što je degradacija kapaciteta, također će biti pokriveni. Nakon čitanja ovog članka, trebali biste dobro razumjeti upotrebu kondenzatora.
Prije nekoliko godina, kada sam radio u kompaniji koja se bavila proizvodnjom elektronske opreme, imali smo pitanje za intervju za inženjera energetske elektronike. Na šematskom dijagramu postojećeg proizvoda pitat ćemo potencijalne kandidate „Koja je funkcija elektrolitičkog kondenzatora istosmjerne veze?“ i "Koja je funkcija keramičkog kondenzatora koji se nalazi pored čipa?" Nadamo se da je tačan odgovor kondenzator istosmjerne sabirnice. Koristi se za skladištenje energije, a keramički kondenzatori se koriste za filtriranje.
“Tačan” odgovor koji tražimo zapravo pokazuje da svi u dizajnerskom timu gledaju na kondenzatore iz perspektive jednostavnog kola, a ne iz perspektive teorije polja. Tačka gledišta teorije kola nije pogrešna. Na niskim frekvencijama (od nekoliko kHz do nekoliko MHz), teorija kola obično može dobro objasniti problem. To je zato što je na nižim frekvencijama signal uglavnom u diferencijalnom modu. Koristeći teoriju kola, možemo vidjeti kondenzator prikazan na slici 1, gdje ekvivalentni serijski otpor (ESR) i ekvivalentna serijska induktivnost (ESL) čine da se impedansa kondenzatora mijenja sa frekvencijom.
Ovaj model u potpunosti objašnjava performanse kola kada se kolo sporo prebacuje. Međutim, kako se učestalost povećava, stvari postaju sve složenije. U nekom trenutku, komponenta počinje da pokazuje nelinearnost. Kada se frekvencija poveća, jednostavan LCR model ima svoja ograničenja.
Danas, kada bi mi se postavilo isto pitanje za intervju, nosio bih svoje naočale za posmatranje teorije polja i rekao da su oba tipa kondenzatora uređaji za skladištenje energije. Razlika je u tome što elektrolitski kondenzatori mogu pohraniti više energije od keramičkih kondenzatora. Ali u smislu prijenosa energije, keramički kondenzatori mogu brže prenositi energiju. Ovo objašnjava zašto keramičke kondenzatore treba postaviti pored čipa, jer čip ima veću frekvenciju prebacivanja i brzinu prebacivanja u odnosu na glavni strujni krug.
Iz ove perspektive, možemo jednostavno definirati dva standarda performansi za kondenzatore. Jedno je koliko energije kondenzator može pohraniti, a drugo je koliko brzo se ta energija može prenijeti. Oboje zavisi od načina proizvodnje kondenzatora, dielektričnog materijala, veze sa kondenzatorom itd.
Kada je sklopka u kolu zatvorena (vidi sliku 2), to ukazuje da je opterećenju potrebna energija iz izvora napajanja. Brzina kojom se ovaj prekidač zatvara određuje hitnost potražnje za energijom. Budući da energija putuje brzinom svjetlosti (polovina brzine svjetlosti u FR4 materijalima), potrebno je vrijeme za prijenos energije. Osim toga, postoji neusklađenost impedancije između izvora i dalekovoda i opterećenja. To znači da se energija nikada neće prenositi u jednom putu, već u više kružnih putovanja5, zbog čega ćemo, kada se prekidač brzo prebaci, vidjeti kašnjenja i zvonjenje u talasnom obliku prebacivanja.
Slika 2: Potrebno je vrijeme da se energija širi u svemiru; Neusklađenost impedancije uzrokuje višestruka kružna putovanja prijenosa energije.
Činjenica da je za isporuku energije potrebno vrijeme i višestruka kružna putovanja govori nam da energiju trebamo premjestiti što bliže opterećenju i moramo pronaći način da je isporučimo brzo. Prvi se obično postiže smanjenjem fizičke udaljenosti između opterećenja, prekidača i kondenzatora. Ovo poslednje se postiže okupljanjem grupe kondenzatora sa najmanjom impedansom.
Teorija polja takođe objašnjava šta uzrokuje šum uobičajenog moda. Ukratko, šum uobičajenog moda nastaje kada energetski zahtjev opterećenja nije zadovoljen tokom prebacivanja. Stoga će energija pohranjena u prostoru između opterećenja i obližnjih provodnika biti osigurana da podrži zahtjeve koraka. Prostor između opterećenja i obližnjih vodiča je ono što nazivamo parazitski/međusobni kapacitet (vidi sliku 2).
Koristimo sljedeće primjere da pokažemo kako koristiti elektrolitičke kondenzatore, višeslojne keramičke kondenzatore (MLCC) i filmske kondenzatore. Za objašnjenje performansi odabranih kondenzatora koriste se i teorija kola i polja.
Elektrolitički kondenzatori se uglavnom koriste u DC linku kao glavni izvor energije. Izbor elektrolitskog kondenzatora često zavisi od:
Za EMC performanse, najvažnije karakteristike kondenzatora su impedancija i frekvencijske karakteristike. Emisije niske frekvencije uvijek zavise od performansi kondenzatora DC veze.
Impedansa DC veze ne zavisi samo od ESR i ESL kondenzatora, već i od površine termalne petlje, kao što je prikazano na slici 3. Veća površina termalne petlje znači da prijenos energije traje duže, pa performanse će biti pogođeno.
DC-DC pretvarač je napravljen da to dokaže. Postavka EMC testa prije usklađenosti prikazana na slici 4 izvodi skeniranje sprovedene emisije između 150 kHz i 108 MHz.
Važno je osigurati da su kondenzatori korišteni u ovoj studiji slučaja svi istog proizvođača kako bi se izbjegle razlike u karakteristikama impedanse. Prilikom lemljenja kondenzatora na PCB, pazite da nema dugih vodova, jer će to povećati ESL kondenzatora. Slika 5 prikazuje tri konfiguracije.
Rezultati sprovedene emisije ove tri konfiguracije prikazani su na slici 6. Može se videti da, u poređenju sa jednim kondenzatorom od 680 µF, dva kondenzatora od 330 µF postižu performanse smanjenja buke od 6 dB u širem frekventnom opsegu.
Iz teorije kola može se reći da se paralelnim povezivanjem dva kondenzatora, i ESL i ESR prepolovljuju. Sa stanovišta teorije polja, ne postoji samo jedan izvor energije, već se dva izvora energije napajaju na isto opterećenje, efektivno smanjujući ukupno vrijeme prijenosa energije. Međutim, na višim frekvencijama, razlika između dva kondenzatora od 330 µF i jednog kondenzatora od 680 µF će se smanjiti. To je zato što šum visoke frekvencije ukazuje na nedovoljan energetski odziv koraka. Kada pomičemo kondenzator od 330 µF bliže prekidaču, smanjujemo vrijeme prijenosa energije, što efektivno povećava korak odziva kondenzatora.
Rezultat nam govori veoma važnu lekciju. Povećanje kapacitivnosti jednog kondenzatora generalno neće podržati korak potražnje za više energije. Ako je moguće, koristite neke manje kapacitivne komponente. Za to postoji mnogo dobrih razloga. Prvi je trošak. Uopšteno govoreći, za istu veličinu paketa, cijena kondenzatora raste eksponencijalno sa vrijednošću kapacitivnosti. Upotreba jednog kondenzatora može biti skuplja od korištenja nekoliko manjih kondenzatora. Drugi razlog je veličina. Ograničavajući faktor u dizajnu proizvoda obično je visina komponenti. Za kondenzatore velikog kapaciteta visina je često prevelika, što nije prikladno za dizajn proizvoda. Treći razlog je EMC performanse koje smo vidjeli u studiji slučaja.
Još jedan faktor koji treba uzeti u obzir pri korištenju elektrolitskog kondenzatora je da kada spojite dva kondenzatora u seriju kako biste podijelili napon, trebat će vam balansni otpornik 6.
Kao što je ranije spomenuto, keramički kondenzatori su minijaturni uređaji koji mogu brzo osigurati energiju. Često mi se postavlja pitanje "Koliko mi je kondenzatora potrebno?" Odgovor na ovo pitanje je da za keramičke kondenzatore vrijednost kapacitivnosti ne bi trebala biti toliko važna. Ovdje je važno da se odredi na kojoj frekvenciji je brzina prijenosa energije dovoljna za vašu primjenu. Ako sprovedena emisija ne uspije na 100 MHz, onda će kondenzator s najmanjom impedancijom na 100 MHz biti dobar izbor.
Ovo je još jedan nesporazum MLCC-a. Vidio sam da inženjeri troše mnogo energije birajući keramičke kondenzatore sa najnižim ESR i ESL prije povezivanja kondenzatora na RF referentnu tačku kroz duge tragove. Vrijedi napomenuti da je ESL MLCC obično mnogo niži od induktivnosti veze na ploči. Induktivnost priključka je još uvijek najvažniji parametar koji utječe na impedanciju visoke frekvencije keramičkih kondenzatora7.
Slika 7 prikazuje loš primjer. Dugi tragovi (dužine 0,5 inča) uvode najmanje 10nH induktivnost. Rezultat simulacije pokazuje da impedansa kondenzatora postaje mnogo veća od očekivane u tački frekvencije (50 MHz).
Jedan od problema sa MLCC-ovima je taj što oni imaju tendenciju da rezoniraju sa induktivnom strukturom na ploči. Ovo se može vidjeti u primjeru prikazanom na slici 8, gdje upotreba 10 µF MLCC uvodi rezonanciju na približno 300 kHz.
Rezonanciju možete smanjiti odabirom komponente sa većim ESR-om ili jednostavnim stavljanjem otpornika male vrijednosti (kao što je 1 ohm) u seriju s kondenzatorom. Ova vrsta metode koristi komponente s gubicima za potiskivanje sistema. Druga metoda je korištenje druge vrijednosti kapacitivnosti za pomicanje rezonancije na nižu ili višu tačku rezonancije.
Filmski kondenzatori se koriste u mnogim aplikacijama. Oni su kondenzatori po izboru za DC-DC pretvarače velike snage i koriste se kao filteri za suzbijanje elektromagnetskih potresa preko energetskih vodova (AC i DC) i konfiguracija filtera zajedničkog načina rada. Uzimamo X kondenzator kao primjer kako bismo ilustrirali neke od glavnih točaka upotrebe filmskih kondenzatora.
Ako dođe do prenapona, to pomaže u ograničavanju vršnog napona na liniji, pa se obično koristi sa supresorom prolaznog napona (TVS) ili varistorom od metalnog oksida (MOV).
Možda već znate sve ovo, ali jeste li znali da se vrijednost kapacitivnosti X kondenzatora može značajno smanjiti s godinama korištenja? Ovo je posebno tačno ako se kondenzator koristi u vlažnom okruženju. Video sam da je vrednost kapacitivnosti X kondenzatora pala samo na nekoliko procenata njegove nominalne vrednosti u roku od godinu ili dve, tako da je sistem prvobitno dizajniran sa X kondenzatorom zapravo izgubio svu zaštitu koju bi mogao imati prednji kondenzator.
Šta se desilo? Vlažni zrak može procuriti u kondenzator, uz žicu i između kutije i epoksidne smjese za zalivanje. Metalizacija aluminijuma se tada može oksidirati. Glinica je dobar električni izolator, čime se smanjuje kapacitet. Ovo je problem sa kojim će se susresti svi filmski kondenzatori. Pitanje o kojem govorim je debljina filma. Renomirani brendovi kondenzatora koriste deblje filmove, što rezultira većim kondenzatorima od drugih marki. Tanji film čini kondenzator manje otpornim na preopterećenje (napon, struja ili temperatura) i malo je vjerovatno da će se sam zacijeliti.
Ako X kondenzator nije stalno priključen na napajanje, onda ne morate brinuti. Na primjer, za proizvod koji ima čvrsti prekidač između napajanja i kondenzatora, veličina može biti važnija od života i tada možete odabrati tanji kondenzator.
Međutim, ako je kondenzator stalno povezan na izvor napajanja, on mora biti vrlo pouzdan. Oksidacija kondenzatora nije neizbježna. Ako je epoksidni materijal kondenzatora dobrog kvaliteta i kondenzator nije često izložen ekstremnim temperaturama, pad vrijednosti bi trebao biti minimalan.
U ovom članku, prvi put je predstavljen pogled teorije polja na kondenzatore. Praktični primjeri i rezultati simulacije pokazuju kako odabrati i koristiti najčešće tipove kondenzatora. Nadamo se da vam ove informacije mogu pomoći da sveobuhvatnije shvatite ulogu kondenzatora u elektronskom i EMC dizajnu.
Dr. Min Zhang je osnivač i glavni konsultant za EMC Mach One Design Ltd, inženjerske kompanije sa sjedištem u Velikoj Britaniji specijalizirane za EMC savjetovanje, rješavanje problema i obuku. Njegovo duboko znanje o energetskoj elektronici, digitalnoj elektronici, motorima i dizajnu proizvoda koristilo je kompanijama širom svijeta.
In Compliance je glavni izvor vijesti, informacija, obrazovanja i inspiracije za profesionalce u oblasti elektrotehnike i elektronike.
Vazduhoplovstvo Automobilske komunikacije Potrošačka elektronika Obrazovanje Energetika i energetska industrija Informaciona tehnologija Medicina Vojska i nacionalna odbrana