uutiset

Kondensaattorit ovat yksi yleisimmin käytetyistä komponenteista piirilevyillä.Koska elektronisten laitteiden määrä (matkapuhelimista autoihin) lisääntyy, myös kondensaattoreiden kysyntä kasvaa. Covid 19 -pandemia on katkaissut puolijohteiden maailmanlaajuisen komponenttien toimitusketjun passiivikomponentteihin, ja kondensaattoreista on ollut pulaa1.
Keskustelut kondensaattoreista voidaan helposti muuttaa kirjaksi tai sanakirjaksi. Ensinnäkin on olemassa erilaisia ​​kondensaattoreita, kuten elektrolyyttikondensaattoreita, kalvokondensaattoreita, keraamisia kondensaattoreita ja niin edelleen. Sitten samassa tyypissä on erilaisia dielektriset materiaalit.On myös erilaisia ​​luokkia.Fyysisen rakenteen osalta on olemassa kaksi- ja kolminapaisia ​​kondensaattoreita.On myös X2Y-tyyppinen kondensaattori, joka on olennaisesti Y-kondensaattoripari kapseloituna yhteen. Entä superkondensaattorit ?Tosiasia on, että jos istut alas ja alat lukea suurten valmistajien kondensaattorivalintaoppaita, voit viettää päivän helposti!
Koska tämä artikkeli käsittelee perusasioita, käytän toista menetelmää tavalliseen tapaan. Kuten aiemmin mainittiin, kondensaattorien valintaoppaat löytyvät helposti toimittajien verkkosivustoilta 3 ja 4, ja kenttäinsinöörit voivat yleensä vastata useimpiin kondensaattoreita koskeviin kysymyksiin.Tässä artikkelissa En toista sitä, mitä voit löytää Internetistä, mutta osoitan, kuinka kondensaattorit valitaan ja käytetään käytännön esimerkein. Myös joitain vähemmän tunnettuja kondensaattorien valinnan näkökohtia, kuten kapasitanssin heikkeneminen, käsitellään. Tämän artikkelin lukemisen jälkeen tulee olla hyvä käsitys kondensaattorien käytöstä.
Vuosia sitten, kun työskentelin elektroniikkalaitteita valmistavassa yrityksessä, meillä oli haastattelukysymys tehoelektroniikkainsinöörille. Olemassa olevan tuotteen kaaviossa kysymme mahdollisilta ehdokkailta "Mikä on DC-välipiirin elektrolyytin tehtävä kondensaattori?" ja "Mikä on sirun vieressä olevan keraamisen kondensaattorin tehtävä?" Toivomme, että oikea vastaus on DC-väylän kondensaattori Energian varastointiin käytetään keraamisia kondensaattoreita suodatukseen.
"Oikea" vastaus, jota etsimme, osoittaa itse asiassa, että kaikki suunnittelutiimin jäsenet katsovat kondensaattoreita yksinkertaisesta piirin näkökulmasta, ei kenttäteorian näkökulmasta. Piiriteorian näkökulma ei ole väärä. Matalilla taajuuksilla (muutamasta kHz:stä alkaen) muutamaan MHz), piiriteoria voi yleensä selittää ongelman hyvin. Tämä johtuu siitä, että alemmilla taajuuksilla signaali on pääasiassa differentiaalitilassa.Käyttäen piiriteoriaa, voimme nähdä kuvassa 1 esitetyn kondensaattorin, jossa vastaava sarjaresistanssi ( ESR) ja vastaava sarjainduktanssi (ESL) saavat kondensaattorin impedanssin muuttumaan taajuuden mukaan.
Tämä malli selittää täysin piirin suorituskyvyn, kun piiri kytketään hitaasti. Kuitenkin taajuuden kasvaessa asiat muuttuvat yhä monimutkaisemmiksi. Jossain vaiheessa komponentti alkaa näyttää epälineaarisuutta.Kun taajuus kasvaa, yksinkertainen LCR-malli on rajoituksensa.
Tänään, jos minulta kysyttäisiin sama haastattelukysymys, käyttäisin kenttäteorian havaintolasejani ja sanoisin, että molemmat kondensaattorityypit ovat energian varastointilaitteita. Erona on, että elektrolyyttikondensaattorit voivat varastoida enemmän energiaa kuin keraamiset kondensaattorit. Mutta energiansiirron kannalta , keraamiset kondensaattorit voivat siirtää energiaa nopeammin. Tämä selittää, miksi keraamiset kondensaattorit on sijoitettava sirun viereen, koska sirulla on suurempi kytkentätaajuus ja kytkentänopeus verrattuna päävirtapiiriin.
Tästä näkökulmasta voimme yksinkertaisesti määritellä kaksi kondensaattoreiden suorituskykystandardia. Yksi on se, kuinka paljon energiaa kondensaattori voi varastoida, ja toinen on se, kuinka nopeasti tämä energia voidaan siirtää. Molemmat riippuvat kondensaattorin valmistusmenetelmästä, dielektrisestä materiaalista, yhteys kondensaattoriin ja niin edelleen.
Kun piirin kytkin on kiinni (katso kuva 2), se osoittaa, että kuorma tarvitsee energiaa virtalähteestä. Nopeus, jolla tämä kytkin sulkeutuu, määrittää energiantarpeen kiireellisyyden. Koska energia kulkee valon nopeudella (puolet valon nopeus FR4-materiaaleissa), energian siirtäminen vie aikaa.Lisäksi lähteen ja siirtojohdon ja kuorman välillä on impedanssiero. Tämä tarkoittaa, että energiaa ei koskaan siirretä yhdellä matkalla, vaan usealla kerralla. kiertomatkat5, minkä vuoksi kun kytkin vaihtaa nopeasti, näemme kytkentäaaltomuodossa viiveitä ja soittoa.
Kuva 2: Energian eteneminen avaruudessa vie aikaa; impedanssin epäsopivuus aiheuttaa useita energiansiirron edestakaisin matkoja.
Se, että energian siirto vie aikaa ja useita meno-paluumatkoja, kertoo meille, että energialähde on sijoitettava mahdollisimman lähelle kuormaa ja löydettävä tapa siirtää energiaa nopeasti. Ensimmäinen saavutetaan yleensä vähentämällä fyysistä energiaa. kuorman, kytkimen ja kondensaattorin välinen etäisyys. Jälkimmäinen saavutetaan keräämällä ryhmä kondensaattoreita, joilla on pienin impedanssi.
Kenttäteoria selittää myös, mikä aiheuttaa yhteismuotoista melua. Lyhyesti sanottuna yhteismoodista kohinaa syntyy, kun kuorman energiantarve ei täyty kytkemisen aikana. Siksi kuorman ja lähellä olevien johtimien väliseen tilaan varastoitunut energia tarjotaan tukena. Askelten tarve. Kuorman ja lähellä olevien johtimien välistä tilaa kutsumme lois-/keskinämäiseksi kapasitanssiksi (katso kuva 2).
Käytämme seuraavia esimerkkejä osoittaaksemme, kuinka käytetään elektrolyyttikondensaattoreita, monikerroksisia keraamisia kondensaattoreita (MLCC) ja kalvokondensaattoreita. Sekä piiri- että kenttäteoriaa käytetään selittämään valittujen kondensaattoreiden suorituskykyä.
Elektrolyyttikondensaattoreita käytetään pääasiassa tasavirtapiirissä pääenergialähteenä. Elektrolyyttikondensaattorin valinta riippuu usein seuraavista:
EMC-suorituskyvyn kannalta kondensaattoreiden tärkeimmät ominaisuudet ovat impedanssi- ja taajuusominaisuudet. Matalataajuiset päästöt riippuvat aina DC-välipiirin kondensaattorin suorituskyvystä.
Tasavirtapiirin impedanssi ei riipu vain kondensaattorin ESR:stä ja ESL:stä, vaan myös lämpösilmukan pinta-alasta, kuten kuvassa 3. Suurempi lämpösilmukan pinta-ala tarkoittaa, että energian siirto kestää kauemmin, joten suorituskyky vaikuttaa.
Tämän todistamiseksi rakennettiin alennettu DC-DC-muunnin. Kuvassa 4 esitetty EMC-testiasetus suorittaa suoritetun emission skannauksen 150 kHz ja 108 MHz välillä.
On tärkeää varmistaa, että tässä tapaustutkimuksessa käytetyt kondensaattorit ovat kaikki samalta valmistajalta, jotta vältetään erot impedanssiominaisuuksissa. Kun juotat kondensaattoria piirilevylle, varmista, ettei siinä ole pitkiä johtimia, koska tämä lisää Kuva 5 esittää kolme kokoonpanoa.
Näiden kolmen konfiguraation suoritetut emissiotulokset on esitetty kuvassa 6. Voidaan nähdä, että verrattuna yhteen 680 µF:n kondensaattoriin kaksi 330 µF:n kondensaattoria saavuttavat 6 dB:n kohinanvaimennussuorituskyvyn laajemmalla taajuusalueella.
Piiriteoriasta voidaan sanoa, että kytkemällä kaksi kondensaattoria rinnakkain, sekä ESL että ESR puolittuvat. Kenttäteorian näkökulmasta energianlähdettä ei ole vain yksi, vaan kaksi energialähdettä syötetään samaan kuormaan. , mikä vähentää tehokkaasti energian kokonaissiirtoaikaa.Korkeammilla taajuuksilla kahden 330 µF kondensaattorin ja yhden 680 µF:n kondensaattorin välinen ero pienenee. Tämä johtuu siitä, että korkeataajuinen kohina osoittaa riittämättömän askelenergiavasteen.Kun siirretään 330 µF:n kondensaattoria lähemmäksi kytkimellä vähennämme energian siirtoaikaa, mikä lisää tehokkaasti kondensaattorin askelvastetta.
Tulos kertoo meille erittäin tärkeän opetuksen.Yksittäisen kondensaattorin kapasitanssin lisääminen ei yleensä tue porrastetusti lisäenergian tarvetta. Jos mahdollista, käytä pienempiä kapasitiivisia komponentteja.Tähän on monia hyviä syitä.Ensimmäinen on hinta.Yleensä samalla pakkauskoolla kondensaattorin hinta nousee eksponentiaalisesti kapasitanssiarvon mukana.Yhden kondensaattorin käyttö voi olla kalliimpaa kuin useiden pienempien kondensaattoreiden käyttö. Toinen syy on koko.Rajoittava tekijä tuotesuunnittelussa on yleensä korkeus Suurikapasiteettisissa kondensaattoreissa korkeus on usein liian suuri tuotesuunnitteluun. Kolmas syy on tapaustutkimuksessa havaittu EMC-suorituskyky.
Toinen huomioitava tekijä elektrolyyttikondensaattoria käytettäessä on, että kun kytket kaksi kondensaattoria sarjaan jännitteen jakamiseksi, tarvitset tasapainotusvastuksen 6.
Kuten aiemmin mainittiin, keraamiset kondensaattorit ovat pienoislaitteita, jotka voivat tuottaa nopeasti energiaa. Minulta kysytään usein "Kuinka paljon kondensaattoria tarvitsen?" Vastaus tähän kysymykseen on, että keraamisten kondensaattoreiden kapasitanssin arvon ei pitäisi olla niin tärkeä. Tärkeä näkökohta tässä on määrittää, millä taajuudella energiansiirtonopeus on riittävä sovellukseesi. Jos johdettu säteily epäonnistuu 100 MHz:llä, kondensaattori, jonka impedanssi on pienin 100 MHz:llä, on hyvä valinta.
Tämä on toinen väärinkäsitys MLCC:stä. Olen nähnyt insinöörien käyttävän paljon energiaa valitessaan keraamisia kondensaattoreita, joilla on alhaisin ESR ja ESL, ennen kuin ne kytkevät kondensaattorit RF-viitepisteeseen pitkiä jälkiä pitkin. On syytä mainita, että MLCC:n ESL on yleensä paljon pienempi kuin kortilla oleva kytkentäinduktanssi. Kytkentäinduktanssi on edelleen tärkein keraamisten kondensaattorien suurtaajuusimpedanssiin vaikuttava parametri7.
Kuvassa 7 on huono esimerkki. Pitkät jäljet ​​(0,5 tuumaa) tuovat vähintään 10 nH induktanssin. Simulaatiotulos osoittaa, että kondensaattorin impedanssi kasvaa huomattavasti odotettua korkeammaksi taajuuspisteessä (50 MHz).
Yksi MLCC:iden ongelmista on, että niillä on taipumus resonoida levyn induktiivisen rakenteen kanssa. Tämä näkyy kuvan 8 esimerkissä, jossa 10 µF MLCC:n käyttö tuo resonanssin noin 300 kHz:llä.
Voit vähentää resonanssia valitsemalla komponentin, jolla on suurempi ESR tai yksinkertaisesti asettamalla pieniarvoinen vastus (kuten 1 ohm) sarjaan kondensaattorin kanssa. Tämän tyyppinen menetelmä käyttää häviöllisiä komponentteja järjestelmän vaimentamiseen. Toinen tapa on käyttää toista kapasitanssia arvo siirtää resonanssia alempaan tai korkeampaan resonanssipisteeseen.
Kalvokondensaattoreita käytetään monissa sovelluksissa. Ne ovat valittuja kondensaattoreita suuritehoisille DC-DC-muuntimille, ja niitä käytetään EMI-vaimennussuodattimina voimalinjoissa (AC ja DC) sekä yhteismuotoisissa suodatuskokoonpanoissa. Otamme X-kondensaattorin esimerkki, joka havainnollistaa joitain kalvokondensaattorien käytön pääkohtia.
Jos ylijännitetapahtuma tapahtuu, se auttaa rajoittamaan linjan huippujännitteen rasitusta, joten sitä käytetään yleensä transienttijännitteen vaimentimen (TVS) tai metallioksidivaristorin (MOV) kanssa.
Saatat jo tietää tämän kaiken, mutta tiesitkö, että X-kondensaattorin kapasitanssiarvoa voidaan pienentää merkittävästi vuosien käytössä? Tämä pätee erityisesti, jos kondensaattoria käytetään kosteassa ympäristössä. Olen nähnyt kapasitanssiarvon X-kondensaattori putoaa vain muutamaan prosenttiin nimellisarvostaan ​​vuodessa tai kahdessa, joten alun perin X-kondensaattorilla suunniteltu järjestelmä itse asiassa menetti kaiken suojan, joka etupään kondensaattorilla voi olla.
Joten mitä tapahtui? Kosteaa ilmaa voi vuotaa kondensaattoriin, johdon yläpuolelle ja laatikon ja epoksimassan väliin. Alumiinin metallointi voidaan sitten hapettaa. Alumiinioksidi on hyvä sähköeriste, mikä vähentää kapasitanssia. Tämä on ongelma, joka kaikki kalvokondensaattorit kohtaavat. Ongelma, josta puhun, on kalvon paksuus. Hyvämaineiset kondensaattorimerkit käyttävät paksumpia kalvoja, mikä johtaa suurempiin kondensaattoreihin kuin muut merkit. Ohuempi kalvo tekee kondensaattorista vähemmän kestävän ylikuormitukselle (jännite, virta tai lämpötila), ja se tuskin paranee itsestään.
Jos X-kondensaattoria ei ole kytketty pysyvästi virtalähteeseen, sinun ei tarvitse huolehtia. Esimerkiksi tuotteessa, jossa on kova kytkin virtalähteen ja kondensaattorin välillä, koko voi olla elämää tärkeämpi, ja sitten voit valita ohuemman kondensaattorin.
Jos kondensaattori on kuitenkin jatkuvasti kytkettynä virtalähteeseen, sen on oltava erittäin luotettava. Kondensaattorien hapettuminen ei ole väistämätöntä. Jos kondensaattorin epoksimateriaali on hyvälaatuista ja kondensaattori ei altistu usein äärimmäisille lämpötiloille, arvon tulee olla minimaalinen.
Tässä artikkelissa esiteltiin ensin kondensaattoreiden kenttäteorianäkymä. Käytännön esimerkit ja simulointitulokset osoittavat, kuinka yleisimmät kondensaattorityypit valitaan ja käytetään. Toivottavasti nämä tiedot voivat auttaa sinua ymmärtämään kondensaattoreiden roolia elektroniikka- ja EMC-suunnittelussa kattavammin.
Tohtori Min Zhang on Mach One Design Ltd:n perustaja ja johtava EMC-konsultti. Mach One Design Ltd on brittiläinen EMC-konsultointiin, vianmääritykseen ja koulutukseen erikoistunut suunnitteluyritys. Hänen syvällistä tietämystään tehoelektroniikasta, digitaalisesta elektroniikasta, moottoreista ja tuotesuunnittelusta on ollut hyötyä. yrityksiä ympäri maailmaa.
In Compliance on sähkö- ja elektroniikkatekniikan ammattilaisten tärkein uutisten, tiedon, koulutuksen ja inspiraation lähde.
Ilmailu- ja autoteollisuus Viestintä Kulutuselektroniikka Koulutus Energia ja sähköteollisuus Tietotekniikka Lääketieteellinen armeija ja maanpuolustus