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 iz polprevodnikov na pasivne komponente, kondenzatorjev pa je primanjkovalo1.
Razprave na temo kondenzatorjev je mogoče zlahka spremeniti 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 tipi kondenzatorjev z dvema in tremi priključki. Obstaja tudi kondenzator tipa X2Y, ki je v bistvu par kondenzatorjev Y, zaprtih v enem. Kaj pa superkondenzatorji ?Dejstvo je, da če se usedete in začnete brati vodnike za izbiro kondenzatorjev večjih proizvajalcev, lahko preprosto preživite dan!
Ker ta članek govori o osnovah, bom kot običajno uporabil drugačno metodo. Kot je bilo že omenjeno, lahko vodnike za izbiro kondenzatorjev zlahka najdete na spletnih mestih dobaviteljev 3 in 4, terenski inženirji pa lahko običajno odgovorijo na večino vprašanj o kondenzatorjih. V tem članku Ne bom ponavljal, 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 kondenzatorjev, kot je degradacija kapacitivnosti. Ko boste prebrali ta članek, boste morajo dobro razumeti uporabo kondenzatorjev.
Pred leti, ko sem delal v podjetju, ki je izdelovalo elektronsko opremo, smo imeli na razgovoru vprašanje za inženirja močnostne elektronike. Na shematskem diagramu obstoječega izdelka bomo potencialne kandidate vprašali »Kakšna je funkcija elektrolitskega vmesnega toka? kondenzator?"in "Kakšna je funkcija keramičnega kondenzatorja 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 na nekaj MHz), lahko teorija vezja običajno dobro razloži težavo. 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 je enakovredni serijski upor ( ESR) in ekvivalentna serijska induktivnost (ESL) povzročita, da se impedanca kondenzatorja spreminja s frekvenco.
Ta model v celoti razloži delovanje vezja, ko se vezje preklaplja počasi. Ko pa frekvenca narašča, stvari postajajo vedno bolj zapletene. Na neki točki začne komponenta kazati nelinearnost. Ko se frekvenca poveča, je preprost model LCR ima 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. Toda v smislu prenosa energije , lahko keramični kondenzatorji hitreje prenašajo energijo. To pojasnjuje, zakaj je treba keramične kondenzatorje postaviti poleg čipa, ker 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. Eden je, koliko energije lahko kondenzator shrani, drugi pa, kako hitro se ta energija lahko prenese. Oba sta odvisna od metode izdelave kondenzatorja, dielektričnega materiala, povezava s kondenzatorjem itd.
Ko je stikalo v tokokrogu zaprto (glejte sliko 2), to pomeni, da obremenitev potrebuje energijo iz vira energije. Hitrost, pri kateri se to stikalo zapre, določa nujnost povpraševanja po energiji. Ker energija potuje s hitrostjo svetlobe (polovica svetlobna hitrost v materialih FR4), je potreben čas za prenos energije. Poleg tega obstaja neusklajenost impedance med virom in prenosnim vodom ter obremenitvijo. To pomeni, da se energija nikoli ne prenese v enem potovanju, ampak v več povratna potovanja5, zato pri hitrem preklopu stikala vidimo 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 prenos energije zahteva čas in večkratne povratne poti, nam pove, da moramo vir energije postaviti čim bližje obremenitvi in moramo najti način za hiter prenos energije. Prvo običajno dosežemo z zmanjšanjem fizičnega razdalja med bremenom, stikalom in kondenzatorjem. Slednjega dosežemo tako, da zberemo skupino kondenzatorjev z najmanjšo impedanco.
Teorija polja pojasnjuje tudi, kaj povzroča skupni način hrupa. Skratka, skupni način hrupa nastane, ko energijska potreba bremena ni izpolnjena med preklapljanjem. Zato bo energija, shranjena v prostoru med bremenom in bližnjimi vodniki, zagotovljena za podporo povpraševanje po korakih. 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 večinoma uporabljajo v enosmernem tokokrogu kot glavni vir energije. Izbira elektrolitskega kondenzatorja je pogosto odvisna od:
Za zmogljivost EMC so najpomembnejše lastnosti kondenzatorjev impedanca in frekvenčne značilnosti. Nizkofrekvenčne prevodne emisije so vedno odvisne od zmogljivosti kondenzatorja vmesnega toka.
Impedanca enosmernega tokokroga ni odvisna le od ESR in ESL kondenzatorja, temveč tudi od območja toplotne zanke, kot je prikazano na sliki 3. Večja površina toplotne zanke pomeni, da prenos energije traja dlje, zato je zmogljivost bo prizadeto.
Za dokaz tega je bil zgrajen padajoči pretvornik DC-DC. Nastavitev preskusa EMC 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 v primerjavi z enim samim kondenzatorjem 680 µF dva kondenzatorja 330 µF dosežeta učinkovitost zmanjšanja hrupa 6 dB v širšem frekvenčnem območju.
Iz teorije vezja lahko rečemo, da se z vzporedno povezavo dveh kondenzatorjev tako ESL kot ESR prepolovita. Z vidika teorije polja ne obstaja le en vir energije, temveč sta dva vira energije dobavljena istemu bremenu , kar učinkovito skrajša skupni čas prenosa energije. Vendar pa se bo pri višjih frekvencah razlika med dvema kondenzatorjema 330 µF in enim kondenzatorjem 680 µF zmanjšala. To je zato, ker visokofrekvenčni šum kaže na nezadosten energijski odziv koraka. Ko premikate kondenzator 330 µF bližje stikalo, zmanjšamo čas prenosa energije, kar učinkovito poveča stopenjsko odzivnost kondenzatorja.
Rezultat nam pove zelo pomembno lekcijo. Povečanje kapacitivnosti enega samega kondenzatorja na splošno ne bo podprlo postopnega povpraševanja po več energije. Če je mogoče, uporabite nekaj manjših kapacitivnih komponent. Za to obstaja veliko dobrih razlogov. Prvi je strošek. Na splošno če govorimo, za enako velikost ohišja se cena kondenzatorja eksponentno poveča z vrednostjo kapacitivnosti. Uporaba enega samega kondenzatorja je lahko dražja kot uporaba več manjših kondenzatorjev. Drugi razlog je velikost. Omejitveni dejavnik pri načrtovanju izdelka je običajno višina komponent. Pri kondenzatorjih z veliko kapaciteto je višina pogosto prevelika za zasnovo 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 me vprašajo "Koliko kondenzatorja potrebujem?" Odgovor na to vprašanje je, da pri keramičnih kondenzatorjih vrednost kapacitivnosti ne bi smela biti tako pomembna. Tukaj je pomembno ugotoviti, pri kateri frekvenci je hitrost prenosa energije zadostna za vašo aplikacijo. Če prevodna emisija ne uspe pri 100 MHz, bo kondenzator z najmanjšo impedanco pri 100 MHz dobra izbira.
To je še en nesporazum MLCC. Videl sem, da so inženirji porabili veliko energije za izbiro keramičnih kondenzatorjev z najnižjim ESR in ESL, preden so kondenzatorje povezali z referenčno točko RF prek dolgih sledi. Omeniti velja, da je ESL MLCC običajno veliko nižja 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) uvajajo 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 kapacitivnosti vrednost, da premaknete resonanco 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 vrednost kapacitivnosti kondenzator X pade le na nekaj odstotkov svoje 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. Metalizacija aluminija se nato lahko oksidira. Aluminijev oksid je dober električni izolator, s čimer se zmanjša kapacitivnost. To je težava, se bodo srečali vsi filmski kondenzatorji. Težava, o kateri govorim, je debelina filma. Ugledne blagovne znamke kondenzatorjev uporabljajo debelejše filme, kar ima za posledico večje kondenzatorje kot druge znamke. Zaradi tanjšega filma je kondenzator manj odporen na preobremenitev (napetost, tok ali temperatura), in je malo verjetno, da se bo samo pozdravilo.
Če kondenzator X ni stalno povezan z napajalnikom, vam ni treba skrbeti. Na primer, pri izdelku, ki ima trdi preklop med napajalnikom in kondenzatorjem, je lahko velikost pomembnejša od življenjske dobe in potem lahko izberete tanjši kondenzator.
Če pa je kondenzator stalno povezan z virom električne energije, mora biti zelo zanesljiv. Oksidacija kondenzatorjev ni neizogibna. Če je epoksidni material kondenzatorja dobre kakovosti in kondenzator ni pogosto izpostavljen ekstremnim temperaturam, padec vrednost mora biti minimalna.
V tem članku smo najprej predstavili teoretični pogled na kondenzatorje. Praktični primeri in rezultati simulacij kažejo, kako izbrati in uporabiti najpogostejše tipe kondenzatorjev. Upam, da vam bodo te informacije pomagale razumeti vlogo kondenzatorjev v elektronskem in elektromagnetnem oblikovanju bolj celovito.
Dr. Min Zhang je ustanovitelj in glavni svetovalec za elektromagnetno združljivost 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 podjetij po vsem svetu.
In Compliance je glavni vir novic, informacij, izobraževanja in navdiha za strokovnjake na področju elektrotehnike in elektronskega inženiringa.
Aerospace Avtomobilske komunikacije Potrošniška elektronika Izobraževanje Energetika in električna industrija Informacijska tehnologija Medicina Vojska in nacionalna obramba
Čas objave: Jan-04-2022