aktualności

Kondensatory są jednymi z najczęściej stosowanych elementów na płytkach drukowanych. Wraz ze wzrostem liczby urządzeń elektronicznych (od telefonów komórkowych po samochody) rośnie zapotrzebowanie na kondensatory. Pandemia Covid 19 zakłóciła globalny łańcuch dostaw komponentów, od półprzewodników po komponenty pasywne, w związku z czym brakowało kondensatorów1.
Dyskusje na temat kondensatorów można łatwo przekształcić w książkę lub słownik. Po pierwsze, istnieją różne typy kondensatorów, takie jak kondensatory elektrolityczne, kondensatory foliowe, kondensatory ceramiczne i tak dalej. Następnie tego samego typu istnieją różne materiały dielektryczne. Istnieją również różne klasy. Jeśli chodzi o strukturę fizyczną, istnieją typy kondensatorów z dwoma i trzema zaciskami. Istnieje również kondensator typu X2Y, który zasadniczo jest parą kondensatorów Y zamkniętych w jednym. A co z superkondensatorami? Fakt jest taki, że jeśli usiądziesz i zaczniesz czytać poradniki dotyczące wyboru kondensatorów od głównych producentów, możesz z łatwością spędzić dzień!
Ponieważ ten artykuł dotyczy podstaw, jak zwykle zastosuję inną metodę. Jak wspomniano wcześniej, przewodniki dotyczące wyboru kondensatorów można łatwo znaleźć na stronach internetowych dostawców 3 i 4, a inżynierowie terenowi zazwyczaj mogą odpowiedzieć na większość pytań dotyczących kondensatorów. W tym artykule nie będę powtarzał tego, co można znaleźć w Internecie, ale pokażę, jak wybrać i zastosować kondensatory na praktycznych przykładach. Omówione zostaną również niektóre mniej znane aspekty doboru kondensatorów, takie jak degradacja pojemności. Po przeczytaniu tego artykułu powinieneś dobrze rozumieć zastosowanie kondensatorów.
Wiele lat temu, gdy pracowałem w firmie produkującej sprzęt elektroniczny, podczas rozmowy kwalifikacyjnej mieliśmy pytanie do inżyniera energoelektronika. Na schemacie istniejącego produktu zapytamy potencjalnych kandydatów: „Jaka jest funkcja kondensatora elektrolitycznego obwodu prądu stałego?” oraz „Jaka jest funkcja kondensatora ceramicznego umieszczonego obok chipa?” Mamy nadzieję, że poprawną odpowiedzią jest kondensator szyny DC. Do magazynowania energii wykorzystywane są kondensatory ceramiczne, które służą do filtrowania.
„Prawidłowa” odpowiedź, której szukamy, faktycznie pokazuje, że wszyscy w zespole projektowym patrzą na kondensatory z perspektywy prostego obwodu, a nie z perspektywy teorii pola. Punkt widzenia teorii obwodów nie jest błędny. Przy niskich częstotliwościach (od kilku kHz do kilku MHz) teoria obwodów zwykle dobrze wyjaśnia problem. Dzieje się tak dlatego, że przy niższych częstotliwościach sygnał występuje głównie w trybie różnicowym. Korzystając z teorii obwodów, możemy zobaczyć kondensator pokazany na rysunku 1, gdzie zastępcza rezystancja szeregowa (ESR) i zastępcza indukcyjność szeregowa (ESL) powodują, że impedancja kondensatora zmienia się wraz z częstotliwością.
Model ten w pełni wyjaśnia działanie obwodu, gdy obwód jest przełączany powoli. Jednak wraz ze wzrostem częstotliwości sytuacja staje się coraz bardziej skomplikowana. W pewnym momencie komponent zaczyna wykazywać nieliniowość. Gdy częstotliwość wzrasta, prosty model LCR ma swoje ograniczenia.
Gdyby dzisiaj zadano mi to samo pytanie na rozmowie kwalifikacyjnej, założyłbym okulary do obserwacji teorii pola i powiedziałbym, że oba typy kondensatorów to urządzenia magazynujące energię. Różnica polega na tym, że kondensatory elektrolityczne mogą przechowywać więcej energii niż kondensatory ceramiczne. Ale jeśli chodzi o przenoszenie energii, kondensatory ceramiczne mogą przesyłać energię szybciej. To wyjaśnia, dlaczego kondensatory ceramiczne muszą być umieszczone obok chipa, ponieważ chip ma wyższą częstotliwość przełączania i prędkość przełączania w porównaniu do głównego obwodu zasilania.
Z tej perspektywy możemy po prostu zdefiniować dwa standardy wydajności kondensatorów. Jednym z nich jest to, ile energii może zgromadzić kondensator, a drugim jest to, jak szybko można tę energię przenieść. Obydwa zależą od metody produkcji kondensatora, materiału dielektrycznego, połączenia z kondensatorem i tak dalej.
Gdy przełącznik w obwodzie jest zamknięty (patrz rysunek 2), oznacza to, że obciążenie potrzebuje energii ze źródła zasilania. Szybkość, z jaką ten przełącznik się zamyka, określa pilność zapotrzebowania na energię. Ponieważ energia przemieszcza się z prędkością światła (połowa prędkości światła w materiałach FR4), jej przesłanie wymaga czasu. Ponadto występuje niedopasowanie impedancji pomiędzy źródłem i linią przesyłową oraz obciążeniem. Oznacza to, że energia nigdy nie zostanie przekazana w jednym cyklu, ale w wielu cyklach w obie strony5, dlatego przy szybkim przełączaniu przełącznika zobaczymy opóźnienia i dzwonienie w przebiegu przełączania.
Rysunek 2: Rozprzestrzenianie się energii w przestrzeni wymaga czasu; niedopasowanie impedancji powoduje wielokrotne podróże w obie strony transferu energii.
Fakt, że dostarczanie energii wymaga czasu i wielu podróży w obie strony, mówi nam, że musimy przenieść energię jak najbliżej obciążenia i znaleźć sposób na jej szybkie dostarczenie. Pierwszy efekt zwykle osiąga się poprzez zmniejszenie fizycznej odległości pomiędzy obciążeniem, przełącznikiem i kondensatorem. To drugie osiąga się poprzez zebranie grupy kondensatorów o najmniejszej impedancji.
Teoria pola wyjaśnia również, co powoduje szum w trybie wspólnym. Krótko mówiąc, szum w trybie wspólnym jest generowany, gdy zapotrzebowanie na energię obciążenia nie jest spełnione podczas przełączania. Dlatego energia zmagazynowana w przestrzeni pomiędzy obciążeniem a pobliskimi przewodnikami zostanie zapewniona w celu zaspokojenia zapotrzebowania schodkowego. Przestrzeń pomiędzy obciążeniem a pobliskimi przewodnikami nazywamy pojemnością pasożytniczą/wzajemną (patrz rysunek 2).
Poniższe przykłady pokazują, jak używać kondensatorów elektrolitycznych, wielowarstwowych kondensatorów ceramicznych (MLCC) i kondensatorów foliowych. Do wyjaśnienia działania wybranych kondensatorów stosuje się zarówno teorię obwodów, jak i pola.
Kondensatory elektrolityczne są stosowane głównie w obwodzie prądu stałego jako główne źródło energii. Wybór kondensatora elektrolitycznego często zależy od:
Dla wydajności EMC najważniejszymi cechami kondensatorów są charakterystyka impedancji i częstotliwości. Emisje przewodzone o niskiej częstotliwości zawsze zależą od wydajności kondensatora obwodu pośredniego.
Impedancja łącza DC zależy nie tylko od ESR i ESL kondensatora, ale także od powierzchni pętli termicznej, jak pokazano na rysunku 3. Większy obszar pętli termicznej oznacza, że ​​transfer energii trwa dłużej, więc wydajność będzie to miało wpływ.
Aby to udowodnić, zbudowano obniżającą przetwornicę DC-DC. Konfiguracja testu wstępnej zgodności EMC pokazana na rysunku 4 przeprowadza skanowanie emisji przewodzonej w zakresie od 150 kHz do 108 MHz.
Ważne jest, aby upewnić się, że kondensatory użyte w tym studium przypadku pochodzą od tego samego producenta, aby uniknąć różnic w charakterystyce impedancji. Podczas lutowania kondensatora na płytce PCB należy zwrócić uwagę, aby nie było długich przewodów, ponieważ zwiększy to ESL kondensatora. Rysunek 5 przedstawia trzy konfiguracje.
Wyniki emisji przewodzonej dla tych trzech konfiguracji pokazano na rysunku 6. Można zauważyć, że w porównaniu z pojedynczym kondensatorem 680 µF, dwa kondensatory 330 µF osiągają skuteczność redukcji szumów o 6 dB w szerszym zakresie częstotliwości.
Z teorii obwodów można powiedzieć, że łącząc dwa kondensatory równolegle, zarówno ESL, jak i ESR są zmniejszone o połowę. Z punktu widzenia teorii pola nie jest tylko jedno źródło energii, ale dwa źródła energii są zasilane do tego samego obciążenia, co skutecznie skraca całkowity czas przesyłu energii. Jednakże przy wyższych częstotliwościach różnica między dwoma kondensatorami 330 µF i jednym kondensatorem 680 µF będzie się zmniejszać. Dzieje się tak, ponieważ szum o wysokiej częstotliwości wskazuje na niewystarczającą reakcję energii skokowej. Przesuwając kondensator 330 µF bliżej przełącznika, skracamy czas przekazywania energii, co skutecznie zwiększa reakcję skokową kondensatora.
Wynik daje nam bardzo ważną lekcję. Zwiększanie pojemności pojedynczego kondensatora na ogół nie będzie wspierać stopniowego zapotrzebowania na większą energię. Jeśli to możliwe, użyj mniejszych elementów pojemnościowych. Jest ku temu wiele dobrych powodów. Pierwszym z nich jest koszt. Ogólnie rzecz biorąc, przy tej samej wielkości obudowy koszt kondensatora rośnie wykładniczo wraz z wartością pojemności. Użycie jednego kondensatora może być droższe niż użycie kilku mniejszych kondensatorów. Drugim powodem jest rozmiar. Czynnikiem ograniczającym w projektowaniu produktu jest zazwyczaj wysokość komponentów. W przypadku kondensatorów o dużej pojemności wysokość jest często zbyt duża, co nie jest odpowiednie dla projektu produktu. Trzecim powodem jest wydajność EMC, którą zaobserwowaliśmy w studium przypadku.
Innym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę podczas korzystania z kondensatora elektrolitycznego, jest to, że jeśli połączysz szeregowo dwa kondensatory, aby dzielić napięcie, będziesz potrzebować rezystora równoważącego 6.
Jak wspomniano wcześniej, kondensatory ceramiczne to miniaturowe urządzenia, które mogą szybko dostarczyć energię. Często spotykam się z pytaniem: „Ile kondensatorów potrzebuję?” Odpowiedź na to pytanie jest taka, że ​​w przypadku kondensatorów ceramicznych wartość pojemności nie powinna być aż tak istotna. Ważnym czynnikiem jest tutaj określenie, przy jakiej częstotliwości prędkość przesyłania energii jest wystarczająca dla danego zastosowania. Jeśli emisja przewodzona nie powiedzie się przy 100 MHz, wówczas dobrym wyborem będzie kondensator o najmniejszej impedancji przy 100 MHz.
To kolejne niezrozumienie MLCC. Widziałem, jak inżynierowie spędzali dużo energii, wybierając kondensatory ceramiczne o najniższych ESR i ESL przed podłączeniem kondensatorów do punktu odniesienia RF długimi ścieżkami. Warto wspomnieć, że ESL MLCC jest zwykle znacznie niższy niż indukcyjność połączenia na płytce. Indukcyjność połączenia jest w dalszym ciągu najważniejszym parametrem wpływającym na impedancję wysokoczęstotliwościową kondensatorów ceramicznych7.
Rysunek 7 pokazuje zły przykład. Długie ścieżki (o długości 0,5 cala) wprowadzają indukcyjność co najmniej 10 nH. Wynik symulacji pokazuje, że impedancja kondensatora staje się znacznie wyższa niż oczekiwano w punkcie częstotliwości (50 MHz).
Jednym z problemów związanych z kondensatorami MLCC jest to, że mają one tendencję do rezonowania z indukcyjną strukturą na płytce. Można to zobaczyć w przykładzie pokazanym na rysunku 8, gdzie zastosowanie 10 µF MLCC wprowadza rezonans przy około 300 kHz.
Można zmniejszyć rezonans, wybierając element o większym ESR lub po prostu podłączając rezystor o małej wartości (np. 1 om) szeregowo z kondensatorem. Ten typ metody wykorzystuje komponenty stratne do tłumienia systemu. Inną metodą jest użycie innej wartości pojemności w celu przesunięcia rezonansu do niższego lub wyższego punktu rezonansu.
Kondensatory foliowe są używane w wielu zastosowaniach. Są to kondensatory wybierane do przetwornic DC-DC dużej mocy i są stosowane jako filtry tłumiące zakłócenia elektromagnetyczne w liniach zasilających (AC i DC) oraz w konfiguracjach filtrowania w trybie wspólnym. Jako przykład bierzemy kondensator X, aby zilustrować niektóre główne punkty stosowania kondensatorów foliowych.
W przypadku wystąpienia przepięcia pomaga to ograniczyć szczytowe naprężenie napięcia w linii, dlatego zwykle stosuje się go z tłumikiem napięcia przejściowego (TVS) lub warystorem z tlenku metalu (MOV).
Być może już to wszystko wiesz, ale czy wiesz, że wartość pojemności kondensatora X może zostać znacznie zmniejszona w miarę lat użytkowania? Jest to szczególnie prawdziwe, jeśli kondensator jest używany w wilgotnym środowisku. Widziałem, że wartość pojemności kondensatora X spadła jedynie do kilku procent wartości znamionowej w ciągu roku lub dwóch, więc system pierwotnie zaprojektowany z kondensatorem X w rzeczywistości utracił całą ochronę, jaką mógł mieć kondensator czołowy.
Co się więc stało? Wilgotne powietrze może przedostać się do kondensatora, w górę przewodu i pomiędzy skrzynkę a epoksydową masę zalewową. Metalizację aluminium można następnie utlenić. Tlenek glinu jest dobrym izolatorem elektrycznym, zmniejszając w ten sposób pojemność. Jest to problem, z którym borykają się wszystkie kondensatory foliowe. Problem o którym mówię to grubość folii. Renomowane marki kondensatorów używają grubszych folii, co skutkuje większymi kondensatorami niż inne marki. Cieńsza warstwa sprawia, że ​​kondensator jest mniej odporny na przeciążenia (napięcie, prąd lub temperatura) i jest mało prawdopodobne, że samoczynnie się zagoi.
Jeżeli kondensator X nie jest na stałe podłączony do zasilacza to nie ma się czym martwić. Na przykład w przypadku produktu, który ma twardy przełącznik między zasilaczem a kondensatorem, rozmiar może być ważniejszy niż żywotność i wtedy można wybrać cieńszy kondensator.
Jeśli jednak kondensator jest na stałe podłączony do źródła zasilania, musi być wysoce niezawodny. Utlenianie kondensatorów nie jest nieuniknione. Jeśli materiał epoksydowy kondensatora jest dobrej jakości, a kondensator nie jest często narażony na działanie ekstremalnych temperatur, spadek wartości powinien być minimalny.
W tym artykule po raz pierwszy przedstawiono pogląd na teorię pola kondensatorów. Praktyczne przykłady i wyniki symulacji pokazują, jak wybrać i zastosować najpopularniejsze typy kondensatorów. Mamy nadzieję, że te informacje pomogą Ci w pełniejszym zrozumieniu roli kondensatorów w projektowaniu elektroniki i EMC.
Dr Min Zhang jest założycielem i głównym konsultantem EMC firmy Mach One Design Ltd, brytyjskiej firmy inżynieryjnej specjalizującej się w doradztwie, rozwiązywaniu problemów i szkoleniach w zakresie EMC. Jego dogłębna wiedza na temat energoelektroniki, elektroniki cyfrowej, silników i projektowania produktów przyniosła korzyści firmom na całym świecie.
In Compliance jest głównym źródłem aktualności, informacji, edukacji i inspiracji dla specjalistów z zakresu elektrotechniki i elektroniki.
Lotnictwo i kosmonautyka Motoryzacja Komunikacja Elektronika użytkowa Edukacja Energia i energetyka Technologie informacyjne Medycyna Wojsko i obrona narodowa