vijesti

Kondenzatori su jedna od najčešće korištenih komponenti na sklopnim pločama. Kako broj elektroničkih uređaja (od mobitela do automobila) nastavlja rasti, 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 istoj vrsti, postoje različiti dielektrični materijali. Postoje i različite klase. Što se tiče fizičke strukture, postoje tipovi kondenzatora s dva i tri terminala. Postoji i kondenzator tipa X2Y, koji je u biti par Y kondenzatora inkapsuliranih u jedan. Što je sa superkondenzatorima? Činjenica je da ako sjednete i počnete čitati vodiče za odabir kondenzatora velikih proizvođača, lako možete provesti dan!
Budući da je ovaj članak o osnovama, upotrijebit 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 kroz praktične primjere 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 mnogo godina, dok sam radio u tvrtki koja je proizvodila elektroničku opremu, imali smo pitanje za intervju za inženjera energetske elektronike. Na shematskom dijagramu postojećeg proizvoda pitat ćemo potencijalne kandidate "Koja je funkcija elektrolitskog kondenzatora istosmjernog međukruga?" i "Koja je funkcija keramičkog kondenzatora koji se nalazi pokraj čipa?" Nadamo se da je točan odgovor kondenzator istosmjerne sabirnice. Koristi se za pohranu energije, keramički kondenzatori se koriste za filtriranje.
"Točan" odgovor koji tražimo zapravo pokazuje da svi u dizajnerskom timu gledaju na kondenzatore iz perspektive jednostavnog kruga, a ne iz perspektive teorije polja. Gledište teorije sklopova nije pogrešno. Na niskim frekvencijama (od nekoliko kHz do nekoliko MHz), teorija sklopova obično može dobro objasniti problem. To je zato što je na nižim frekvencijama signal uglavnom u diferencijalnom načinu rada. Koristeći teoriju strujnog kruga, možemo vidjeti kondenzator prikazan na slici 1, gdje ekvivalentni serijski otpor (ESR) i ekvivalentni serijski induktivitet (ESL) čine da se impedancija kondenzatora mijenja s frekvencijom.
Ovaj model u potpunosti objašnjava izvedbu strujnog kruga kada se sklop sporo prebacuje. Međutim, kako se učestalost povećava, stvari postaju sve kompliciranije. U nekom trenutku komponenta počinje pokazivati ​​nelinearnost. Kada se frekvencija povećava, jednostavni LCR model ima svoja ograničenja.
Danas, da mi se postavi isto pitanje za intervju, stavio bih svoje naočale za promatranje teorije polja i rekao da su obje vrste kondenzatora uređaji za pohranu energije. Razlika je u tome što elektrolitički kondenzatori mogu pohraniti više energije od keramičkih kondenzatora. Ali što se tiče prijenosa energije, keramički kondenzatori mogu brže prenositi energiju. Ovo objašnjava zašto je potrebno postaviti keramičke kondenzatore uz čip, jer čip ima veću frekvenciju preklapanja i brzinu preklapanja u usporedbi s glavnim strujnim krugom.
Iz ove perspektive, možemo jednostavno definirati dva standarda performansi za kondenzatore. Jedno je koliko energije kondenzator može pohraniti, a drugo koliko brzo se ta energija može prenijeti. I jedno i drugo ovisi o načinu proizvodnje kondenzatora, dielektričnom materijalu, vezi s kondenzatorom itd.
Kada je sklopka u strujnom krugu zatvorena (vidi sliku 2), to znači 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 (pola brzine svjetlosti u FR4 materijalima), potrebno je vrijeme za prijenos energije. Osim toga, postoji neusklađenost impedancije između izvora i dalekovoda te opterećenja. To znači da se energija nikada neće prenijeti u jednom obilasku, već u više povratnih putovanja5, zbog čega ćemo, kada se prekidač brzo prebaci, vidjeti kašnjenja i zvonjenje u valnom obliku prebacivanja.
Slika 2: Potrebno je vrijeme da se energija proširi u svemiru; neusklađenost impedancije uzrokuje višestruka povratna putovanja prijenosa energije.
Činjenica da je za isporuku energije potrebno vrijeme i više povratnih putovanja govori nam da moramo premjestiti energiju što je moguće bliže opterećenju i moramo pronaći način da je brzo isporučimo. Prvo se obično postiže smanjenjem fizičke udaljenosti između opterećenja, prekidača i kondenzatora. Potonje se postiže skupljanjem grupe kondenzatora s najmanjom impedancijom.
Teorija polja također objašnjava što uzrokuje šum uobičajenog načina rada. Ukratko, buka uobičajenog načina rada nastaje kada se ne zadovolji potreba za energijom za vrijeme prebacivanja. Stoga će energija pohranjena u prostoru između opterećenja i obližnjih vodiča biti osigurana za podršku zahtjevu koraka. Prostor između opterećenja i obližnjih vodiča je ono što nazivamo parazitni/međusobni kapacitet (vidi sliku 2).
Koristimo sljedeće primjere kako bismo pokazali kako koristiti elektrolitske kondenzatore, višeslojne keramičke kondenzatore (MLCC) i filmske kondenzatore. I teorija strujnog kruga i teorija polja koriste se za objašnjenje performansi odabranih kondenzatora.
Elektrolitički kondenzatori uglavnom se koriste u istosmjernom međukrugu kao glavni izvor energije. Izbor elektrolitskog kondenzatora često ovisi o:
Za EMC performanse, najvažnije karakteristike kondenzatora su impedancija i frekvencijske karakteristike. Niskofrekventne provedene emisije uvijek ovise o učinku kondenzatora istosmjernog međukruga.
Impedancija istosmjernog međukruga ne ovisi samo o ESR i ESL kondenzatora, već io području toplinske petlje, kao što je prikazano na slici 3. Veće područje toplinske petlje znači da prijenos energije traje dulje, pa performanse će utjecati.
Snižavajući DC-DC pretvarač napravljen je da to dokaže. Postavka EMC testa prije usklađivanja prikazana na slici 4 izvodi dirigirano skeniranje emisije između 150kHz i 108MHz.
Važno je osigurati da svi kondenzatori korišteni u ovoj studiji slučaja budu od istog proizvođača kako bi se izbjegle razlike u karakteristikama impedancije. Prilikom lemljenja kondenzatora na PCB-u, pazite da nema dugih vodova jer će to povećati ESL kondenzatora. Slika 5 prikazuje tri konfiguracije.
Rezultati dirigirane emisije ove tri konfiguracije prikazani su na slici 6. Može se vidjeti da, u usporedbi s jednim kondenzatorom od 680 µF, dva kondenzatora od 330 µF postižu učinak smanjenja šuma od 6 dB u širem frekvencijskom rasponu.
Iz teorije sklopa može se reći da se paralelnim spajanjem dvaju kondenzatora ESL i ESR prepolovljuju. Sa stajališta teorije polja, ne postoji samo jedan izvor energije, već se dva izvora energije opskrbljuju istom opterećenju, čime se učinkovito smanjuje ukupno vrijeme prijenosa energije. Međutim, pri višim frekvencijama, razlika između dva kondenzatora od 330 µF i jednog kondenzatora od 680 µF će se smanjiti. To je zato što visokofrekventni šum ukazuje na nedovoljan odziv energije koraka. Kada pomičemo kondenzator od 330 µF bliže prekidaču, smanjujemo vrijeme prijenosa energije, što učinkovito povećava odziv kondenzatora na korak.
Rezultat nam govori vrlo važnu lekciju. Povećanje kapaciteta jednog kondenzatora općenito neće podržati zahtjeve koraka za više energije. Ako je moguće, koristite neke manje kapacitivne komponente. Mnogo je dobrih razloga za to. Prvi je trošak. Općenito govoreći, za istu veličinu paketa, cijena kondenzatora eksponencijalno raste s vrijednošću kapaciteta. Korištenje jednog kondenzatora može biti skuplje 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 učinak koji smo vidjeli u studiji slučaja.
Još jedan čimbenik koji treba uzeti u obzir pri korištenju elektrolitskog kondenzatora je taj da će vam trebati otpornik za uravnoteženje 6, kada spojite dva kondenzatora u seriju za dijeljenje napona.
Kao što je ranije spomenuto, keramički kondenzatori su minijaturni uređaji koji mogu brzo osigurati energiju. Često mi postavljaju pitanje "Koliko kondenzatora trebam?" Odgovor na ovo pitanje je da za keramičke kondenzatore vrijednost kapaciteta ne bi trebala biti toliko važna. Ovdje je važno odrediti na kojoj je frekvenciji brzina prijenosa energije dovoljna za vašu primjenu. Ako dirigirana emisija ne uspije na 100 MHz, tada će kondenzator s najmanjom impedancijom na 100 MHz biti dobar izbor.
Ovo je još jedno pogrešno shvaćanje MLCC-a. Vidio sam kako inženjeri troše mnogo energije birajući keramičke kondenzatore s najnižim ESR i ESL prije spajanja kondenzatora na RF referentnu točku kroz duge tragove. Vrijedno je spomenuti da je ESL MLCC-a obično mnogo niži od priključnog induktiviteta na pločici. Priključni induktivitet još uvijek je najvažniji parametar koji utječe na visokofrekventnu impedanciju keramičkih kondenzatora7.
Slika 7 prikazuje loš primjer. Dugi tragovi (dugi 0,5 inča) uvode induktivitet od najmanje 10nH. Rezultat simulacije pokazuje da impedancija kondenzatora postaje mnogo veća od očekivane na frekvencijskoj točki (50 MHz).
Jedan od problema s MLCC-ima je taj što imaju tendenciju rezonirati s induktivnom strukturom na ploči. To se može vidjeti u primjeru prikazanom na slici 8, gdje upotreba MLCC od 10 µF uvodi rezonanciju na približno 300 kHz.
Rezonanciju možete smanjiti odabirom komponente s većim ESR-om ili jednostavnim spajanjem otpornika male vrijednosti (kao što je 1 ohm) u seriju s kondenzatorom. Ova vrsta metode koristi komponente s gubicima za potiskivanje sustava. Druga metoda je korištenje druge vrijednosti kapacitivnosti za pomicanje rezonancije na nižu ili višu točku rezonancije.
Filmski kondenzatori se koriste u mnogim primjenama. Oni su kondenzatori izbora za DC-DC pretvarače velike snage i koriste se kao filtri za suzbijanje elektromagnetskih smetnji preko električnih vodova (AC i DC) i u konfiguracijama filtriranja zajedničkog načina rada. Uzimamo X kondenzator kao primjer kako bismo ilustrirali neke od glavnih točaka korištenja filmskih kondenzatora.
Ako dođe do prenapona, pomaže u ograničavanju vršnog napona na liniji, pa se obično koristi s prigušivačem prijelaznog napona (TVS) ili varistorom od metalnog oksida (MOV).
Možda već sve ovo znate, ali jeste li znali da se vrijednost kapaciteta X kondenzatora može značajno smanjiti tijekom godina korištenja? Ovo je osobito istinito ako se kondenzator koristi u vlažnom okruženju. Vidio sam da vrijednost kapaciteta X kondenzatora pada samo na nekoliko postotaka svoje nazivne vrijednosti u roku od godinu ili dvije, tako da je sustav izvorno dizajniran s X kondenzatorom zapravo izgubio svu zaštitu koju je prednji kondenzator mogao imati.
Dakle, što se dogodilo? Vlažan zrak može procuriti u kondenzator, uz žicu i između kutije i epoksidne mase za zalivanje. Aluminijska metalizacija tada se može oksidirati. Glinica je dobar električni izolator, čime se smanjuje kapacitet. Ovo je problem s kojim će se susresti svi filmski kondenzatori. Problem o kojem govorim je debljina filma. Renomirane marke kondenzatora koriste deblje filmove, što rezultira većim kondenzatorima od ostalih marki. Tanji film čini kondenzator manje otpornim na preopterećenje (napon, struja ili temperatura) i malo je vjerojatno da će se sam zacijeliti.
Ako X kondenzator nije stalno spojen na napajanje, onda se ne morate brinuti. Na primjer, za proizvod koji ima čvrsti prekidač između napajanja i kondenzatora, veličina može biti važnija od životnog vijeka, a tada možete odabrati tanji kondenzator.
Međutim, ako je kondenzator stalno spojen na izvor napajanja, mora biti vrlo pouzdan. Oksidacija kondenzatora nije neizbježna. Ako je epoksidni materijal kondenzatora dobre kvalitete i kondenzator nije često izložen ekstremnim temperaturama, pad vrijednosti bi trebao biti minimalan.
U ovom je članku prvi put predstavljen pogled na kondenzatore iz teorije polja. Praktični primjeri i rezultati simulacije pokazuju kako odabrati i koristiti najčešće tipove kondenzatora. Nadamo se da vam ove informacije mogu pomoći da cjelovitije shvatite ulogu kondenzatora u elektroničkom i EMC dizajnu.
Dr. Min Zhang je osnivač i glavni EMC konzultant Mach One Design Ltd, inženjerske tvrtke sa sjedištem u Velikoj Britaniji specijalizirane za EMC savjetovanje, rješavanje problema i obuku. Njegovo dubinsko znanje o energetskoj elektronici, digitalnoj elektronici, motorima i dizajnu proizvoda koristilo je tvrtkama diljem svijeta.
In Compliance je glavni izvor vijesti, informacija, obrazovanja i inspiracije za stručnjake u elektrotehnici i elektroničkom inženjerstvu.
Zrakoplovstvo Automobilske komunikacije Potrošačka elektronika Obrazovanje Energija i struja Informacijska tehnologija Medicinska vojska i nacionalna obrana