aktualności

Kondensatory to jeden z najczęściej używanych elementów płytek drukowanych. Wraz ze wzrostem liczby urządzeń elektronicznych (od telefonów komórkowych po samochody) rośnie zapotrzebowanie na kondensatory. Pandemia Covid 19 zakłóciła globalny łańcuch dostaw komponentów, począwszy od półprzewodników do elementów pasywnych, a kondensatorów brakowało1.
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 itd. Następnie, w tym samym typie, istnieją różne materiały dielektryczne. Istnieją również różne klasy. Jeśli chodzi o strukturę fizyczną, istnieją typy kondensatorów dwu- i trójzaciskowych. Istnieje również kondensator typu X2Y, który zasadniczo składa się z pary kondensatorów Y zamkniętych w jednym. A co z superkondensatorami „Faktem jest, że jeśli usiądziesz i zaczniesz czytać poradniki dotyczące wyboru kondensatorów głównych producentów, możesz z łatwością spędzić dzień!
Ponieważ ten artykuł dotyczy podstaw, jak zwykle zastosuję inną metodę. Jak wspomniano wcześniej, przewodniki doboru 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 zademonstruję, 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 powinien posiadać dobrą wiedzę na temat stosowania kondensatorów.
Wiele lat temu, gdy pracowałem w firmie produkującej sprzęt elektroniczny, mieliśmy pytanie na rozmowie kwalifikacyjnej do inżyniera energoelektronika. Na schemacie ideowym istniejącego produktu zapytamy potencjalnych kandydatów: „Jaka jest funkcja obwodu elektrolitycznego obwodu pośredniego kondensator?" oraz „Jaka jest funkcja kondensatora ceramicznego 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, w rzeczywistości 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, ponieważ przy niższych częstotliwościach sygnał występuje głównie w trybie różnicowym. Korzystając z teorii obwodów, możemy zobaczyć kondensator pokazany na rysunku 1, gdzie równoważna rezystancja szeregowa ( ESR) i równoważna 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 element 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 szybciej przesyłać energię. To wyjaśnia, dlaczego kondensatory ceramiczne muszą być umieszczone obok chipa, ponieważ chip ma wyższą częstotliwość przełączania i prędkość przełączania w porównaniu z głównym obwodem zasilania.
Z tej perspektywy możemy po prostu zdefiniować dwa standardy wydajności kondensatorów. Jeden dotyczy ilości energii, jaką kondensator może zmagazynować, a drugi tego, jak szybko może być ona przekazywana. Obydwa zależą od metody produkcji kondensatora, materiału dielektrycznego, połączenie 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 zamyka się, określa pilność zapotrzebowania na energię. Ponieważ energia przemieszcza się z prędkością światła (połowa prędkość światła w materiałach FR4), przeniesienie energii wymaga czasu. Ponadto występuje niedopasowanie impedancji pomiędzy źródłem, linią przesyłową i obciążeniem. Oznacza to, że energia nigdy nie będzie przesyłana podczas jednego przejścia, ale wielokrotnie podróże w obie strony5, dlatego gdy przełącznik przełącza się szybko, widzimy opóźnienia i dzwonienie na przebiegu przełączania.
Rysunek 2: Rozprzestrzenianie się energii w przestrzeni wymaga czasu; niedopasowanie impedancji powoduje wielokrotne podróże w obie strony transferu energii.
Fakt, że transfer energii wymaga czasu i wielu podróży w obie strony, mówi nam, że musimy zlokalizować źródło energii jak najbliżej obciążenia i znaleźć sposób na szybkie przesłanie energii. Pierwszy efekt zwykle osiąga się poprzez zmniejszenie obciążenia fizycznego odległość między obciążeniem, przełącznikiem i kondensatorem. Ten ostatni 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 też energia zmagazynowana w przestrzeni pomiędzy obciążeniem a pobliskimi przewodnikami zostanie wykorzystana do wsparcia zapotrzebowanie na krok. 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 wykorzystano 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:
W przypadku parametrów EMC najważniejszymi cechami kondensatorów są impedancja i charakterystyka częstotliwościowa. Emisje przewodzone o niskiej częstotliwości zawsze zależą od wydajności kondensatora obwodu pośredniego.
Impedancja łącza prądu stałego zależy nie tylko od ESR i ESL kondensatora, ale także od obszaru 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 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 drukowanej należy upewnić się, że nie ma długich przewodów, ponieważ zwiększy to ESL kondensator. 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 redukcję szumów o 6 dB w szerszym zakresie częstotliwości.
Z teorii obwodów można powiedzieć, że łącząc dwa kondensatory równolegle, zarówno ESL, jak i ESR zmniejszają się o połowę. Z punktu widzenia teorii pola nie jest tylko jedno źródło energii, ale dwa źródła energii są zasilane tym samym obciążeniem , skutecznie skracając 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. Podczas przesuwania kondensatora 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 zapewni stopniowego zapotrzebowania na więcej energii. Jeśli to możliwe, użyj kilku mniejszych elementów pojemnościowych. Jest ku temu wiele dobrych powodów. Pierwszym z nich jest koszt. Ogólnie rzecz biorąc mówiąc, w przypadku tej samej wielkości opakowania koszt kondensatora rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem pojemności. Użycie jednego kondensatora może być droższe niż użycie kilku mniejszych kondensatorów. Drugim powodem jest rozmiar. Czynnikiem ograniczającym w projektowaniu produktu jest zwykle wysokość komponentów. W przypadku kondensatorów o dużej pojemności wysokość jest często zbyt duża, aby można było ją zaprojektować. 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 zadawane jest mi pytanie „Ile kondensatora 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 której częstotliwości prędkość przesyłania energii jest wystarczająca dla twojego zastosowania. Jeśli emisja przewodzona nie powiedzie się przy 100 MHz, wówczas dobrym wyborem będzie kondensator o najmniejszej impedancji przy 100 MHz.
To kolejne nieporozumienie dotyczące 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 dużo niższa niż indukcyjność połączenia na płytce. Indukcyjność połączenia jest nadal najważniejszym parametrem wpływającym na impedancję wysokiej częstotliwości 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 ze strukturą indukcyjną na płytce. Można to zobaczyć w przykładzie pokazanym na rysunku 8, gdzie zastosowanie 10 µF MLCC wprowadza rezonans przy częstotliwości około 300 kHz.
Możesz zmniejszyć rezonans, wybierając element o większym ESR lub po prostu podłączając rezystor o małej wartości (np. 1 om) szeregowo z kondensatorem. W tym typie metody wykorzystuje się elementy stratne do tłumienia systemu. Inną metodą jest użycie innej pojemności wartość, aby przesunąć rezonans do niższego lub wyższego punktu rezonansu.
Kondensatory foliowe są używane w wielu zastosowaniach. Są kondensatorami wybieranymi do przetworników 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 kondensator bierzemy kondensator X przykład ilustrujący 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 znacznie się zmniejszyć wraz z upływem lat? Jest to szczególnie prawdziwe, jeśli kondensator jest używany w wilgotnym środowisku. Widziałem wartość pojemności kondensator X spada 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 więc się stało? Wilgotne powietrze może przedostać się do kondensatora, w górę przewodu oraz pomiędzy skrzynkę a epoksydową masę zalewową. Metalizacja aluminium może wówczas ulec utlenieniu. Tlenek glinu jest dobrym izolatorem elektrycznym, zmniejszając w ten sposób pojemność. Jest to problem, który spotkają się wszystkie kondensatory foliowe. Problem, o którym mówię, to grubość folii. Renomowane marki kondensatorów używają grubszych folii, co skutkuje większymi kondensatorami niż kondensatory innych marek. Cieńsza folia sprawia, że ​​kondensator jest mniej odporny na przeciążenia (napięcie, prąd lub temperatura), i jest mało prawdopodobne, że samo się wyleczy.
Jeśli kondensator X nie jest na stałe podłączony do zasilacza, nie musisz się martwić. Na przykład w przypadku produktu, który ma twardy przełącznik między zasilaczem a kondensatorem, rozmiar może być ważniejszy niż żywotność, a wtedy możesz 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 wartość powinna być minimalna.
W tym artykule po raz pierwszy przedstawiono teorię pola dotyczącą kondensatorów. Praktyczne przykłady i wyniki symulacji pokazują, jak wybierać i używać najpopularniejszych typów 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 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 firm 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