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 snabdevanja komponentama od poluprovodnika na pasivne komponente, a kondenzatori su bili u nedostatku1.
Rasprave na temu kondenzatora lako se mogu pretvoriti u knjigu ili rečnik. 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. Takođe postoje različite klase. Što se fizičke strukture tiče, postoje tipovi kondenzatora sa dva i tri terminala. Postoji 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 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, ali ću pokazati kako odabrati i koristiti kondenzatore kroz praktične primjere. Neki manje poznati aspekti odabira kondenzatora, kao što je degradacija kapaciteta, također će biti pokriveni. Nakon što pročitate ovaj članak, vi ćete treba dobro razumjeti upotrebu kondenzatora.
Prije nekoliko godina, kada sam radio u firmi koja se bavila proizvodnjom elektronske opreme, imali smo pitanje na razgovoru za inženjera energetske elektronike. Na šematskom dijagramu postojećeg proizvoda pitaćemo potencijalne kandidate „Koja je funkcija elektrolize DC veze kondenzator?" i "Koja je funkcija keramičkog kondenzatora 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. Stajalište teorije kola nije pogrešno. Na niskim frekvencijama (od nekoliko kHz na 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 je 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 krug sporo prebacuje. Međutim, kako se frekvencija povećava, stvari postaju sve komplikovanije. U nekom trenutku komponenta počinje da pokazuje nelinearnost. Kada se frekvencija povećava, jednostavan LCR model ima svoja ograničenja.
Danas, da mi je postavljeno isto pitanje za intervju, nosio bih svoje naočare 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. Jedan je koliko energije kondenzator može pohraniti, a drugi je koliko brzo se ova energija može prenijeti. Oba zavise od načina proizvodnje kondenzatora, dielektričnog materijala, veza sa kondenzatorom i tako dalje.
Kada je prekidač u kolu zatvoren (vidi sliku 2), to ukazuje da je opterećenju potrebna energija iz izvora napajanja. Brzina kojom se ovaj prekidač zatvara određuje hitnost potražnje za energijom. Pošto energija putuje brzinom svjetlosti (pola brzina 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 kružna putovanja5, zbog čega kada se prekidač brzo prebaci, vidimo 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 prijenos energije zahtijeva vrijeme i višestruka kružna putovanja govori nam da izvor energije moramo locirati što bliže opterećenju, te da moramo pronaći način da brzo prenesemo energiju. Prvo se obično postiže smanjenjem fizičkog rastojanje između opterećenja, prekidača i kondenzatora. Ovo poslednje se postiže okupljanjem grupe kondenzatora sa najmanjom impedancijom.
Teorija polja također objašnjava šta uzrokuje buku u uobičajenom modu. Ukratko, šum uobičajenog moda nastaje kada energetski zahtjev opterećenja nije zadovoljen tokom prebacivanja. Stoga će energija pohranjena u prostoru između opterećenja i obližnjih vodiča biti osigurana za podršku Razmak između opterećenja i obližnjih provodnika je ono što zovemo 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 ovisi o:
Za EMC performanse, najvažnije karakteristike kondenzatora su impedansa i frekvencijske karakteristike. Niskofrekventne provodljive emisije uvijek zavise od performansi kondenzatora DC linka.
Impedansa istosmjerne veze ne ovisi samo o ESR i ESL kondenzatora, već i o površini 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 dokaže ovo. Postavka EMC testa prije usklađenosti prikazana na slici 4 izvodi skeniranje 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 od kondenzator. Slika 5 prikazuje tri konfiguracije.
Rezultati sprovedene emisije ove tri konfiguracije prikazani su na slici 6. Može se vidjeti 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 prepolovi i ESL i ESR. 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 odgovor koraka. Prilikom pomicanja kondenzatora od 330 µF bliže prekidača, smanjujemo vrijeme prijenosa energije, što efektivno povećava korak odziva kondenzatora.
Rezultat nam govori vrlo važnu lekciju. Povećanje kapacitivnosti jednog kondenzatora općenito neće podržati zahtjeve koraka za više energije. Ako je moguće, koristite neke manje kapacitivne komponente. Postoji mnogo dobrih razloga za to. Prvi je cijena. Općenito govoreći, za istu veličinu pakovanja, 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 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 kondenzatora mi treba?“ Odgovor na ovo pitanje je da za keramičke kondenzatore vrijednost kapacitivnosti ne bi trebala biti toliko važna. Ovdje je važno uzeti u obzir da odredite na kojoj frekvenciji je brzina prijenosa energije dovoljna za vašu primjenu. Ako kondukcijska 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 nego što povežu kondenzatore na RF referentnu tačku kroz duge tragove. Vrijedi spomenuti da je ESL MLCC-a obično mnogo niža od priključne induktivnosti na ploči. Induktivnost veze je još uvijek najvažniji parametar koji utječe na impedanciju visoke frekvencije keramičkih kondenzatora7.
Slika 7 prikazuje loš primjer. Dugi tragovi (dužine 0,5 inča) unose induktivnost od najmanje 10 nH. 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. To se može videti u primeru prikazanom na slici 8, gde upotreba MLCC od 10 µF uvodi rezonanciju na približno 300 kHz.
Možete smanjiti rezonanciju 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 kapacitivnosti vrijednost 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 zračenja preko električnih vodova (AC i DC) i konfiguracije filtera zajedničkog načina rada. Mi uzimamo X kondenzator kao primjer koji ilustruje 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 istinito ako se kondenzator koristi u vlažnom okruženju. Vidio sam vrijednost kapacitivnosti od X kondenzator padne samo na nekoliko procenata svoje 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.
Dakle, šta se dogodilo? Vlažni zrak može procuriti u kondenzator, uz žicu i između kutije i epoksidne smjese za zalivanje. Aluminijska metalizacija se tada može oksidirati. Aluminij je dobar električni izolator, čime se smanjuje kapacitet. Ovo je problem koji svi filmski kondenzatori će se susresti. Problem 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 izliječiti.
Ako X kondenzator nije trajno povezan na napajanje, onda ne morate brinuti. Na primjer, za proizvod koji ima čvrsti prekidač između napajanja i kondenzatora, veličina može biti važnija od životnog vijeka i tada možete odabrati tanji kondenzator.
Međutim, ako je kondenzator stalno priključen na izvor napajanja, on mora biti vrlo pouzdan. Oksidacija kondenzatora nije neizbježna. Ako je kondenzatorski epoksidni materijal dobrog kvaliteta i kondenzator nije često izložen ekstremnim temperaturama, pad vrijednost bi trebala biti minimalna.
U ovom članku je prvi put 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 shvatite ulogu kondenzatora u elektronskom i EMC dizajnu na sveobuhvatniji način.
Dr. Min Zhang je osnivač i glavni EMC konsultant Mach One Design Ltd, inženjerske kompanije sa sjedištem u Velikoj Britaniji specijalizirane za EMC savjetovanje, rješavanje problema i obuku. Njegovo duboko znanje u energetskoj elektronici, digitalnoj elektronici, motorima i dizajnu proizvoda je od koristi kompanije 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