novice

Kondenzatorji so ena najpogosteje uporabljenih komponent na tiskanih vezjih. Ker število elektronskih naprav (od mobilnih telefonov do avtomobilov) še naprej narašča, se povečuje tudi povpraševanje po kondenzatorjih. Pandemija Covida 19 je prekinila globalno dobavno verigo komponent od polprevodnikov do pasivnih komponent, kondenzatorjev pa primanjkuje1.
Razprave na temo kondenzatorjev se zlahka spremenijo v knjigo ali slovar. Prvič, obstajajo različne vrste kondenzatorjev, kot so elektrolitski kondenzatorji, filmski kondenzatorji, keramični kondenzatorji in tako naprej. Nato so v isti vrsti različni dielektrični materiali. Obstajajo tudi različni razredi. Kar zadeva fizično strukturo, obstajajo dvopolne in tripolne vrste kondenzatorjev. Obstaja tudi kondenzator tipa X2Y, ki je v bistvu par kondenzatorjev Y, zapakiranih v enega. Kaj pa superkondenzatorji? Dejstvo je, da če se usedete in začnete brati navodila za izbiro kondenzatorjev večjih proizvajalcev, lahko preprosto preživite dan!
Ker ta članek govori o osnovah, bom kot običajno uporabil drugo metodo. Kot smo že omenili, lahko vodnike za izbiro kondenzatorjev zlahka najdete na spletnih mestih dobaviteljev 3 in 4, inženirji na terenu pa lahko običajno odgovorijo na večino vprašanj o kondenzatorjih. V tem članku ne bom ponavljal tega, kar lahko najdete na internetu, ampak vam bom s praktičnimi primeri pokazal, kako izbrati in uporabljati kondenzatorje. Zajeti bodo tudi nekateri manj znani vidiki izbire kondenzatorja, kot je degradacija kapacitivnosti. Po branju tega članka bi morali dobro razumeti uporabo kondenzatorjev.
Pred leti, ko sem delal v podjetju, ki je izdelovalo elektronsko opremo, smo imeli vprašanje na razgovoru za inženirja močnostne elektronike. Na shematskem diagramu obstoječega izdelka bomo potencialne kandidate vprašali "Kakšna je funkcija elektrolitskega kondenzatorja enosmernega vmesnega toka?" in "Kakšna je funkcija keramičnega kondenzatorja, ki se nahaja poleg čipa?" Upamo, da je pravilen odgovor kondenzator DC vodila Uporablja se za shranjevanje energije, keramični kondenzatorji se uporabljajo za filtriranje.
"Pravilni" odgovor, ki ga iščemo, dejansko kaže, da vsi v oblikovalski skupini gledajo na kondenzatorje z vidika preprostega vezja, ne z vidika teorije polja. Stališče teorije vezja ni napačno. Pri nizkih frekvencah (od nekaj kHz do nekaj MHz) lahko teorija vezja običajno dobro razloži problem. To je zato, ker je pri nižjih frekvencah signal večinoma v diferencialnem načinu. Z uporabo teorije vezja lahko vidimo kondenzator, prikazan na sliki 1, kjer ekvivalentna serijska upornost (ESR) in ekvivalentna serijska induktivnost (ESL) povzročita, da se impedanca kondenzatorja spreminja s frekvenco.
Ta model v celoti pojasnjuje delovanje vezja, ko se vezje preklaplja počasi. Z večanjem frekvence pa se stvari vedno bolj zapletajo. Na neki točki začne komponenta kazati nelinearnost. Ko se frekvenca poveča, ima preprost model LCR svoje omejitve.
Če bi mi danes postavili isto vprašanje za intervju, bi si nadel očala za opazovanje teorije polja in rekel, da sta obe vrsti kondenzatorjev napravi za shranjevanje energije. Razlika je v tem, da lahko elektrolitski kondenzatorji shranijo več energije kot keramični kondenzatorji. Kar zadeva prenos energije, lahko keramični kondenzatorji hitreje prenašajo energijo. To pojasnjuje, zakaj je treba poleg čipa namestiti keramične kondenzatorje, saj ima čip višjo preklopno frekvenco in preklopno hitrost v primerjavi z glavnim napajalnim krogom.
S tega vidika lahko preprosto definiramo dva standarda zmogljivosti za kondenzatorje. Eno je, koliko energije lahko shrani kondenzator, drugo pa, kako hitro se lahko ta energija prenese. Oboje je odvisno od načina izdelave kondenzatorja, dielektričnega materiala, povezave s kondenzatorjem itd.
Ko je stikalo v vezju zaprto (glej sliko 2), to pomeni, da obremenitev potrebuje energijo iz vira energije. Hitrost, s katero se to stikalo zapre, določa nujnost povpraševanja po energiji. Ker energija potuje s svetlobno hitrostjo (polovična hitrost svetlobe v materialih FR4), je za prenos energije potreben čas. Poleg tega obstaja neusklajenost impedance med virom in prenosnim vodom ter obremenitvijo. To pomeni, da se energija ne bo nikoli prenesla v eni vožnji, temveč v več povratnih vožnjah5, zato bomo pri hitrem preklopu stikala opazili zakasnitve in zvonjenje v valovni obliki preklopa.
Slika 2: Za širjenje energije v vesolju je potreben čas; neusklajenost impedance povzroči več povratnih prenosov energije.
Dejstvo, da je za dostavo energije potreben čas in večkratna povratna potovanja, nam pove, da moramo energijo premakniti čim bližje bremenu in moramo najti način, kako jo hitro dostaviti. Prvo običajno dosežemo z zmanjšanjem fizične razdalje med bremenom, stikalom in kondenzatorjem. Slednje dosežemo z zbiranjem skupine kondenzatorjev z najmanjšo impedanco.
Teorija polja tudi pojasnjuje, kaj povzroča skupni način šuma. Skratka, skupni način hrupa nastane, ko med preklapljanjem ni izpolnjena energijska potreba bremena. Zato bo energija, shranjena v prostoru med obremenitvijo in bližnjimi vodniki, zagotovljena za podporo povpraševanja po stopnicah. Prostor med bremenom in bližnjimi vodniki imenujemo parazitna/medsebojna kapacitivnost (glej sliko 2).
Naslednje primere uporabljamo za prikaz uporabe elektrolitskih kondenzatorjev, večplastnih keramičnih kondenzatorjev (MLCC) in filmskih kondenzatorjev. Za razlago delovanja izbranih kondenzatorjev se uporabljata teorija vezja in polja.
Elektrolitski kondenzatorji se v glavnem uporabljajo v vmesnem tokokrogu kot glavni vir energije. Izbira elektrolitskega kondenzatorja je pogosto odvisna od:
Za zmogljivost EMC sta najpomembnejši lastnosti kondenzatorjev impedanca in frekvenčna karakteristika. Nizkofrekvenčne prevodne emisije so vedno odvisne od zmogljivosti kondenzatorja vmesnega toka.
Impedanca enosmernega tokokroga ni odvisna samo od ESR in ESL kondenzatorja, temveč tudi od površine toplotne zanke, kot je prikazano na sliki 3. Večja površina toplotne zanke pomeni, da prenos energije traja dlje, zato je zmogljivost bo prizadeto.
V dokaz tega je bil zgrajen padajoči pretvornik DC-DC. Nastavitev preskusa elektromagnetne združljivosti pred skladnostjo, prikazana na sliki 4, izvede skeniranje dirigiranih emisij med 150 kHz in 108 MHz.
Pomembno je zagotoviti, da so vsi kondenzatorji, uporabljeni v tej študiji primera, istega proizvajalca, da se izognete razlikam v impedančnih karakteristikah. Pri spajkanju kondenzatorja na tiskano vezje se prepričajte, da ni dolgih vodnikov, saj bo to povečalo ESL kondenzatorja. Slika 5 prikazuje tri konfiguracije.
Rezultati prevodnih emisij teh treh konfiguracij so prikazani na sliki 6. Vidimo lahko, da dva kondenzatorja s 330 µF v primerjavi z enim samim kondenzatorjem s 680 µF dosežeta zmanjšanje hrupa za 6 dB v širšem frekvenčnem območju.
Iz teorije vezja lahko rečemo, da se z vzporedno povezavo dveh kondenzatorjev ESL in ESR prepolovita. Z vidika teorije polja ne obstaja le en vir energije, ampak sta dva vira energije dobavljena istemu bremenu, kar učinkovito zmanjša skupni čas prenosa energije. Vendar se bo pri višjih frekvencah razlika med dvema kondenzatorjema 330 µF in enim kondenzatorjem 680 µF zmanjšala. To je zato, ker visokofrekvenčni hrup kaže na nezadosten energijski odziv koraka. Ko kondenzator 330 µF približamo stikalu, skrajšamo čas prenosa energije, kar učinkovito poveča odzivnost kondenzatorja na korak.
Rezultat nam pove zelo pomembno lekcijo. Povečanje kapacitivnosti enega samega kondenzatorja na splošno ne bo podprlo stopnjevalne zahteve po več energije. Če je mogoče, uporabite nekaj manjših kapacitivnih komponent. Za to obstaja veliko dobrih razlogov. Prvi je strošek. Na splošno velja, da pri enaki velikosti ohišja cena kondenzatorja eksponentno narašča z vrednostjo kapacitivnosti. Uporaba enega samega kondenzatorja je lahko dražja kot uporaba več manjših kondenzatorjev. Drugi razlog je velikost. Omejitveni dejavnik pri oblikovanju izdelka je običajno višina komponent. Pri kondenzatorjih z veliko kapaciteto je višina pogosto prevelika, kar ni primerno za načrtovanje izdelka. Tretji razlog je učinkovitost EMC, ki smo jo videli v študiji primera.
Drug dejavnik, ki ga je treba upoštevati pri uporabi elektrolitskega kondenzatorja, je ta, da ko zaporedno povežete dva kondenzatorja za delitev napetosti, boste potrebovali izravnalni upor 6.
Kot smo že omenili, so keramični kondenzatorji miniaturne naprave, ki lahko hitro zagotovijo energijo. Pogosto mi postavljajo vprašanje "Koliko kondenzatorja potrebujem?" Odgovor na to vprašanje je, da pri keramičnih kondenzatorjih vrednost kapacitivnosti ne bi smela biti tako pomembna. Pri tem je pomembno določiti, pri kateri frekvenci je hitrost prenosa energije zadostna za vašo aplikacijo. Če prevodna emisija odpove pri 100 MHz, bo kondenzator z najmanjšo impedanco pri 100 MHz dobra izbira.
To je še eno napačno razumevanje MLCC. Videl sem, da so inženirji porabili veliko energije za izbiro keramičnih kondenzatorjev z najnižjo ESR in ESL, preden so kondenzatorje povezali z referenčno točko RF prek dolgih sledi. Omeniti velja, da je ESL MLCC običajno veliko nižji od priključne induktivnosti na plošči. Priključna induktivnost je še vedno najpomembnejši parameter, ki vpliva na visokofrekvenčno impedanco keramičnih kondenzatorjev7.
Slika 7 prikazuje slab primer. Dolge sledi (dolge 0,5 palca) uvedejo vsaj 10nH induktivnost. Rezultat simulacije kaže, da postane impedanca kondenzatorja veliko višja od pričakovane na frekvenčni točki (50 MHz).
Ena od težav z MLCC je, da ponavadi resonirajo z induktivno strukturo na plošči. To je razvidno iz primera, prikazanega na sliki 8, kjer uporaba 10 µF MLCC povzroči resonanco pri približno 300 kHz.
Resonanco lahko zmanjšate tako, da izberete komponento z večjim ESR ali preprosto zaporedno povežete upor majhne vrednosti (na primer 1 ohm) s kondenzatorjem. Ta vrsta metode uporablja komponente z izgubo za zatiranje sistema. Druga metoda je uporaba druge vrednosti kapacitivnosti za premik resonance na nižjo ali višjo resonančno točko.
Filmski kondenzatorji se uporabljajo v številnih aplikacijah. So kondenzatorji izbire za visokozmogljive pretvornike DC-DC in se uporabljajo kot filtri za zatiranje elektromagnetnih motenj v napajalnih vodih (AC in DC) in konfiguracijah skupnega načina filtriranja. Kondenzator X vzamemo kot primer za ponazoritev nekaterih glavnih točk uporabe filmskih kondenzatorjev.
Če pride do prenapetostnega dogodka, pomaga omejiti najvišjo napetost na liniji, zato se običajno uporablja z dušilcem prehodne napetosti (TVS) ali varistorjem s kovinskim oksidom (MOV).
Morda že veste vse to, toda ali ste vedeli, da se lahko vrednost kapacitivnosti kondenzatorja X z leti uporabe znatno zmanjša? To še posebej velja, če se kondenzator uporablja v vlažnem okolju. Videl sem, da je vrednost kapacitivnosti kondenzatorja X padla le na nekaj odstotkov nazivne vrednosti v letu ali dveh, tako da je sistem, prvotno zasnovan s kondenzatorjem X, dejansko izgubil vso zaščito, ki bi jo lahko imel sprednji kondenzator.
Torej, kaj se je zgodilo? Vlažen zrak lahko uhaja v kondenzator, navzgor po žici ter med škatlo in epoksidno maso za zalivanje. Aluminijeva metalizacija se lahko nato oksidira. Aluminijev oksid je dober električni izolator, s čimer se zmanjša kapacitivnost. To je težava, s katero se bodo srečali vsi filmski kondenzatorji. Problem, o katerem govorim, je debelina filma. Ugledne blagovne znamke kondenzatorjev uporabljajo debelejše plasti, zaradi česar so kondenzatorji večji od drugih znamk. Zaradi tanjšega filma je kondenzator manj odporen na preobremenitev (napetost, tok ali temperatura) in je malo verjetno, da se bo sam popravil.
Če kondenzator X ni stalno priključen na napajanje, vam ni treba skrbeti. Na primer, za izdelek, ki ima trdo preklapljanje med napajalnikom in kondenzatorjem, je lahko velikost pomembnejša od življenjske dobe, in potem lahko izberete tanjši kondenzator.
Če pa je kondenzator stalno priključen na vir napajanja, mora biti zelo zanesljiv. Oksidacija kondenzatorjev ni neizogibna. Če je epoksidni material kondenzatorja dobre kakovosti in kondenzator ni pogosto izpostavljen ekstremnim temperaturam, mora biti padec vrednosti minimalen.
V tem članku smo najprej predstavili pogled na kondenzatorje s teorije polja. Praktični primeri in rezultati simulacij kažejo, kako izbrati in uporabiti najpogostejše tipe kondenzatorjev. Upam, da vam bodo te informacije pomagale bolj celovito razumeti vlogo kondenzatorjev v elektronskem in elektromagnetnem oblikovanju.
Dr. Min Zhang je ustanovitelj in glavni svetovalec za EMC podjetja Mach One Design Ltd, inženirskega podjetja s sedežem v Združenem kraljestvu, specializiranega za svetovanje, odpravljanje težav in usposabljanje za EMC. Njegovo poglobljeno znanje na področju močnostne elektronike, digitalne elektronike, motorjev in oblikovanja izdelkov je koristilo podjetjem po vsem svetu.
In Compliance je glavni vir novic, informacij, izobraževanja in navdiha za strokovnjake na področju elektrotehnike in elektronike.
Aerospace Avtomobilske komunikacije Potrošniška elektronika Izobraževanje Energetika in električna industrija Informacijska tehnologija Medicina Vojska in nacionalna obramba