vijesti

Kondenzatori su jedna od najčešće korištenih komponenti na tiskanim 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 na pasivne komponente, a kondenzatori su bili u nedostatku1.
Rasprave o temi kondenzatora mogu se lako 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 se ovaj članak odnosi na osnove, 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 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 čitanja ovog članka, treba dobro razumjeti upotrebu kondenzatora.
Prije mnogo godina, dok sam radio u tvrtki koja se bavila proizvodnjom elektroničke opreme, imali smo pitanje za intervju za inženjera energetske elektronike. Na shematskom dijagramu postojećeg proizvoda pitat ćemo potencijalne kandidate „Koja je funkcija elektrolitičkog međukruga istosmjerne struje kondenzator?" i "Koja je funkcija keramičkog kondenzatora pored 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 kruga nije pogrešno. Na niskim frekvencijama (od nekoliko kHz na nekoliko MHz), teorija sklopa obično može dobro objasniti problem. To je zato što je na nižim frekvencijama signal uglavnom u diferencijalnom načinu rada. Koristeći teoriju sklopa, možemo vidjeti kondenzator prikazan na slici 1, gdje je ekvivalentni serijski otpor ( ESR) i ekvivalentni serijski induktivitet (ESL) čine da se impedancija kondenzatora mijenja s frekvencijom.
Ovaj model u potpunosti objašnjava izvedbu sklopa kada se sklop sporo prebacuje. Međutim, kako se frekvencija 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, nosio 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 u smislu prijenosa energije , keramički kondenzatori mogu brže prenositi energiju. To objašnjava zašto keramičke kondenzatore treba postaviti uz čip, jer čip ima veću frekvenciju prebacivanja i brzinu prebacivanja u usporedbi s glavnim strujnim krugom.
Iz ove perspektive, možemo jednostavno definirati dva standarda izvedbe za kondenzatore. Jedan je koliko energije kondenzator može pohraniti, a drugi je koliko brzo se ta energija može prenijeti. Oba ovise o metodi proizvodnje kondenzatora, dielektričnom materijalu, veza s kondenzatorom i tako dalje.
Kada je prekidač u strujnom krugu zatvoren (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 brzina svjetlosti u materijalima FR4), potrebno je vrijeme za prijenos energije. Osim toga, postoji neusklađenost impedancije između izvora i prijenosne linije i opterećenja. To znači da se energija nikada neće prenijeti u jednom putovanju, već u više kružna putovanja5, zbog čega kada se prekidač brzo prebacuje, vidimo kašnjenja i zvonjavu u valnom obliku preklopa.
Slika 2: Potrebno je vrijeme da se energija proširi u svemiru; neusklađenost impedancije uzrokuje višestruka povratna putovanja prijenosa energije.
Činjenica da prijenos energije zahtijeva vrijeme i više povratnih putovanja govori nam da moramo locirati izvor energije što je moguće bliže opterećenju i moramo pronaći način za brz prijenos energije. Prvo se obično postiže smanjenjem fizičke udaljenost između opterećenja, prekidača i kondenzatora. Potonji se postiže skupljanjem grupe kondenzatora s najmanjom impedancijom.
Teorija polja također objašnjava što uzrokuje šum zajedničkog načina rada. Ukratko, šum uobičajenog načina rada nastaje kada potreba za energijom opterećenja nije zadovoljena tijekom prebacivanja. Stoga će energija pohranjena u prostoru između opterećenja i obližnjih vodiča biti osigurana za podršku zahtjev koraka. Prostor između opterećenja i obližnjih vodiča je ono što nazivamo parazitni/međusobni kapacitet (vidi sliku 2).
Koristimo sljedeće primjere da pokažemo kako koristiti elektrolitske kondenzatore, višeslojne keramičke kondenzatore (MLCC) i filmske kondenzatore. Za objašnjenje performansi odabranih kondenzatora koriste se teorija strujnog kruga i teorija polja.
Elektrolitički kondenzatori se uglavnom koriste u istosmjernom međukrugu kao glavni izvor energije. Izbor elektrolitskog kondenzatora često ovisi o:
Za performanse elektromagnetske kompatibilnosti, najvažnije karakteristike kondenzatora su impedancija i frekvencijske karakteristike. Niskofrekventne provedene emisije uvijek ovise o performansama 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 kako bi se to dokazalo. Postavka EMC testa prije usklađivanja prikazana na slici 4 izvodi dirigirano skeniranje emisije između 150kHz i 108MHz.
Važno je osigurati da svi kondenzatori koji se koriste u ovoj studiji slučaja budu od istog proizvođača kako bi se izbjegle razlike u karakteristikama impedancije. Prilikom lemljenja kondenzatora na PCB-u, provjerite da nema dugih vodova jer će to povećati ESL kondenzator. 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 kruga 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 , učinkovito 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 visokofrekventni šum ukazuje na nedovoljan odziv energije koraka. Kada pomičete kondenzator od 330 µF bliže prekidačem, smanjujemo vrijeme prijenosa energije, što učinkovito povećava odziv kondenzatora.
Rezultat nam govori vrlo važnu lekciju. Povećanje kapaciteta jednog kondenzatora općenito neće podržati postupnu potražnju za više energije. Ako je moguće, koristite neke manje kapacitivne komponente. Za to postoji mnogo dobrih razloga. Prvi je trošak. Općenito govoreći, za istu veličinu paketa, cijena kondenzatora raste eksponencijalno 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 za dizajn proizvoda. Treći razlog je EMC izvedba koju 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 me pitaju "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 jedan nesporazum MLCC-a. Vidio sam kako inženjeri troše mnogo energije birajući keramičke kondenzatore s najnižim ESR-om i ESL-om prije spajanja kondenzatora na RF referentnu točku kroz duge tragove. Vrijedno je spomenuti da je ESL MLCC-a obično mnogo veći. niži od priključnog induktiviteta na pločici. Priključni induktivitet je još uvijek 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-a 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 drugog kapaciteta vrijednost za pomicanje rezonancije na nižu ili višu točku rezonancije.
Kondenzatori s filmom koriste se 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 konfiguracije filtriranja zajedničkog načina rada. Uzimamo X kondenzator kao primjer za ilustraciju nekih 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 znate sve ovo, ali jeste li znali da se vrijednost kapaciteta X kondenzatora može znatno smanjiti s godinama korištenja? To je osobito istinito ako se kondenzator koristi u vlažnom okruženju. Vidio sam vrijednost kapaciteta X kondenzator 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? Vlažni zrak može procuriti u kondenzator, uz žicu i između kutije i epoksidne mase za zalivanje. Aluminijska metalizacija tada može oksidirati. Aluminij je dobar električni izolator, čime se smanjuje kapacitet. To je problem koji svi filmski kondenzatori će se susresti. Problem o kojem govorim je debljina filma. Renomirane marke kondenzatora koriste deblje slojeve, što rezultira većim kondenzatorima od ostalih marki. Tanji sloj čini kondenzator manje otpornim na preopterećenje (napon, struja ili temperatura), i malo je vjerojatno da će se sam izliječiti.
Ako X kondenzator nije trajno spojen na napajanje, tada se ne trebate 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 trajno 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 vrijednost bi trebala biti minimalna.
U ovom je članku 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 sveobuhvatnije razumijete 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 imalo je koristi tvrtki 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