zprávy

Kondenzátory jsou jednou z nejběžněji používaných součástek na deskách plošných spojů. S tím, jak neustále roste počet elektronických zařízení (od mobilních telefonů po automobily), roste i poptávka po kondenzátorech. Pandemie Covid 19 narušila globální dodavatelský řetězec součástek od polovodičů na pasivní součástky a nedostatek kondenzátorů1.
Diskuse na téma kondenzátory lze snadno převést do knihy nebo slovníku. Za prvé, existují různé typy kondenzátorů, jako jsou elektrolytické kondenzátory, filmové kondenzátory, keramické kondenzátory a tak dále. Ve stejném typu jsou pak různé dielektrické materiály.Existují také různé třídy.Pokud jde o fyzickou strukturu, existují typy kondenzátorů se dvěma a třemi vývody.Existuje také kondenzátor typu X2Y, což je v podstatě pár Y kondenzátorů zapouzdřených v jednom.Co superkondenzátory ?Faktem je, že pokud si sednete a začnete číst průvodce výběrem kondenzátorů od hlavních výrobců, můžete snadno strávit den!
Vzhledem k tomu, že tento článek je o základech, použiji jinou metodu jako obvykle. Jak již bylo zmíněno dříve, průvodce výběrem kondenzátoru lze snadno najít na webových stránkách dodavatelů 3 a 4 a na většinu otázek o kondenzátorech mohou obvykle odpovědět inženýři v terénu. V tomto článku Nebudu opakovat to, co můžete najít na internetu, ale předvedu, jak vybrat a používat kondenzátory na praktických příkladech. Probrány budou také některé méně známé aspekty výběru kondenzátorů, jako je snížení kapacity. Po přečtení tohoto článku by měl dobře rozumět použití kondenzátorů.
Před lety, když jsem pracoval ve firmě, která vyráběla elektronická zařízení, jsme měli otázku k pohovoru na inženýra výkonové elektroniky. Na schematickém schématu stávajícího produktu se potenciálních kandidátů zeptáme: „Jaká je funkce elektrolytického meziobvodu kondenzátor?" a "Jaká je funkce keramického kondenzátoru vedle čipu?" Doufáme, že správná odpověď je stejnosměrný sběrnicový kondenzátor Používá se pro akumulaci energie, keramické kondenzátory se používají pro filtrování.
„Správná“ odpověď, kterou hledáme, ve skutečnosti ukazuje, že každý v konstrukčním týmu se dívá na kondenzátory z pohledu jednoduchého obvodu, nikoli z pohledu teorie pole. Hledisko teorie obvodů není špatné. Při nízkých frekvencích (od několika kHz na několik MHz), teorie obvodů může obvykle problém vysvětlit dobře. Je to proto, že na nižších frekvencích je signál převážně v diferenciálním režimu. Pomocí teorie obvodů můžeme vidět kondenzátor znázorněný na obrázku 1, kde je ekvivalentní sériový odpor ( ESR) a ekvivalentní sériová indukčnost (ESL) způsobují, že se impedance kondenzátoru mění s frekvencí.
Tento model plně vysvětluje výkon obvodu, když je obvod spínán pomalu. Se zvyšující se frekvencí se však věci stávají stále složitějšími. V určitém okamžiku součástka začne vykazovat nelinearitu. Když se frekvence zvýší, jednoduchý model LCR má svá omezení.
Kdybych dnes dostal stejnou otázku v rozhovoru, nasadil bych si pozorovací brýle z teorie pole a řekl bych, že oba typy kondenzátorů jsou zařízení pro ukládání energie. Rozdíl je v tom, že elektrolytické kondenzátory dokážou uložit více energie než keramické kondenzátory. Ale pokud jde o přenos energie Keramické kondenzátory mohou přenášet energii rychleji. To vysvětluje, proč je třeba keramické kondenzátory umístit vedle čipu, protože čip má vyšší spínací frekvenci a rychlost spínání ve srovnání s hlavním napájecím obvodem.
Z tohoto pohledu můžeme jednoduše definovat dva výkonové standardy pro kondenzátory. Jedním je, kolik energie může kondenzátor uložit, a druhým je, jak rychle může být tato energie přenesena. Oba závisí na výrobní metodě kondenzátoru, dielektrickém materiálu, spojení s kondenzátorem a tak dále.
Když je spínač v obvodu sepnutý (viz obrázek 2), znamená to, že zátěž potřebuje energii ze zdroje energie. Rychlost, kterou se tento spínač sepne, určuje naléhavost potřeby energie. Protože se energie šíří rychlostí světla (poloviční rychlost světla v materiálech FR4), přenos energie trvá určitou dobu. Kromě toho existuje impedanční nesoulad mezi zdrojem a přenosovým vedením a zátěží. To znamená, že energie se nikdy nepřenese při jedné cestě, ale ve více round trips5, což je důvod, proč když spínač rychle sepne, vidíme zpoždění a zvonění ve spínacím průběhu.
Obrázek 2: Čas trvá, než se energie šíří prostorem; impedanční nesoulad způsobuje vícenásobné cyklické cesty přenosu energie.
Skutečnost, že přenos energie zabere čas a několik okružních jízd, nám říká, že musíme zdroj energie umístit co nejblíže k zátěži a musíme najít způsob, jak přenést energii rychle. Prvního se obvykle dosáhne snížením fyzické vzdálenost mezi zátěží, spínačem a kondenzátorem. Kondenzátoru je dosaženo shromážděním skupiny kondenzátorů s nejmenší impedancí.
Teorie pole také vysvětluje, co způsobuje šum v běžném režimu. Stručně řečeno, hluk v běžném režimu se generuje, když není během přepínání splněna potřeba energie zátěže. Energie uložená v prostoru mezi zátěží a blízkými vodiči bude poskytnuta jako podpora Prostor mezi zátěží a blízkými vodiči je to, co nazýváme parazitní/vzájemná kapacita (viz obrázek 2).
Na následujících příkladech demonstrujeme, jak používat elektrolytické kondenzátory, vícevrstvé keramické kondenzátory (MLCC) a filmové kondenzátory. K vysvětlení výkonu vybraných kondenzátorů se používá teorie obvodů i pole.
Elektrolytické kondenzátory se používají hlavně ve stejnosměrném meziobvodu jako hlavní zdroj energie. Výběr elektrolytického kondenzátoru často závisí na:
Pro výkon EMC jsou nejdůležitější charakteristiky kondenzátorů impedance a frekvenční charakteristiky. Nízkofrekvenční vedené vyzařování vždy závisí na výkonu kondenzátoru stejnosměrného meziobvodu.
Impedance stejnosměrného meziobvodu závisí nejen na ESR a ESL kondenzátoru, ale také na ploše tepelné smyčky, jak je znázorněno na obrázku 3. Větší plocha tepelné smyčky znamená, že přenos energie trvá déle, takže výkon bude ovlivněna.
Aby to dokázal, byl sestrojen stejnosměrný stejnosměrný konvertor se sníženým výkonem. Nastavení testu EMC před vyhověním uvedené na obrázku 4 provádí skenování řízené emise mezi 150 kHz a 108 MHz.
Je důležité zajistit, aby všechny kondenzátory použité v této případové studii byly od stejného výrobce, aby se předešlo rozdílům v impedančních charakteristikách. Při pájení kondenzátoru na desce plošných spojů se ujistěte, že nejsou žádné dlouhé vodiče, protože to zvýší ESL Obrázek 5 ukazuje tři konfigurace.
Výsledky řízeného vyzařování těchto tří konfigurací jsou znázorněny na obrázku 6. Je vidět, že ve srovnání s jedním kondenzátorem 680 µF dosahují dva kondenzátory 330 µF snížení hluku o 6 dB v širším frekvenčním rozsahu.
Z teorie obvodů lze říci, že paralelním zapojením dvou kondenzátorů se ESL i ESR zmenší na polovinu. Z hlediska teorie pole neexistuje pouze jeden zdroj energie, ale do stejné zátěže jsou dodávány dva zdroje energie , což efektivně zkracuje celkovou dobu přenosu energie. Při vyšších frekvencích se však rozdíl mezi dvěma 330 µF kondenzátory a jedním 680 µF kondenzátorem zmenšuje. Je to proto, že vysokofrekvenční šum indikuje nedostatečnou krokovou energetickou odezvu. spínačem, zkrátíme dobu přenosu energie, což efektivně zvýší skokovou odezvu kondenzátoru.
Výsledek nám říká velmi důležité ponaučení. Zvýšení kapacity jednoho kondenzátoru obecně nepodporí skokovou poptávku po větší energii. Pokud je to možné, použijte některé menší kapacitní součástky. Existuje mnoho dobrých důvodů. Prvním je cena. Obecně řečeno, při stejné velikosti balení se cena kondenzátoru zvyšuje exponenciálně s hodnotou kapacity. Použití jednoho kondenzátoru může být dražší než použití několika menších kondenzátorů. Druhým důvodem je velikost. Limitujícím faktorem při návrhu výrobku je obvykle výška U velkokapacitních kondenzátorů je výška často příliš velká pro návrh výrobku. Třetím důvodem je výkon EMC, který jsme viděli v případové studii.
Dalším faktorem, který je třeba vzít v úvahu při použití elektrolytického kondenzátoru, je to, že když zapojíte dva kondenzátory do série pro sdílení napětí, budete potřebovat vyrovnávací rezistor 6.
Jak již bylo zmíněno dříve, keramické kondenzátory jsou miniaturní zařízení, která mohou rychle poskytnout energii. Často dostávám otázku „Kolik kondenzátoru potřebuji?“ Odpověď na tuto otázku je, že u keramických kondenzátorů by hodnota kapacity neměla být tak důležitá. Zde je důležité zvážit, při jaké frekvenci je rychlost přenosu energie dostatečná pro vaši aplikaci. Pokud selže vedené vyzařování při 100 MHz, pak bude dobrou volbou kondenzátor s nejmenší impedancí na 100 MHz.
Toto je další nedorozumění MLCC. Viděl jsem inženýry utrácet spoustu energie výběrem keramických kondenzátorů s nejnižším ESR a ESL před připojením kondenzátorů k referenčnímu bodu RF pomocí dlouhých tras. Stojí za zmínku, že ESL MLCC je obvykle hodně nižší než indukčnost připojení na desce. Indukčnost připojení je stále nejdůležitějším parametrem ovlivňujícím vysokofrekvenční impedanci keramických kondenzátorů7.
Obrázek 7 ukazuje špatný příklad. Dlouhé stopy (0,5 palce dlouhé) zavádějí indukčnost alespoň 10 nH. Výsledek simulace ukazuje, že impedance kondenzátoru je mnohem vyšší, než se očekávalo ve frekvenčním bodě (50 MHz).
Jedním z problémů s MLCC je to, že mají tendenci rezonovat s indukční strukturou na desce. To je vidět na příkladu na obrázku 8, kde použití 10 µF MLCC zavádí rezonanci na přibližně 300 kHz.
Rezonanci můžete snížit výběrem součásti s větším ESR nebo jednoduše zapojením odporu s malou hodnotou (například 1 ohm) do série s kondenzátorem. Tento typ metody používá k potlačení systému ztrátové součástky. Další metodou je použití jiné kapacity. hodnotu pro posunutí rezonance do nižšího nebo vyššího rezonančního bodu.
Fóliové kondenzátory se používají v mnoha aplikacích. Jsou to kondenzátory volby pro vysoce výkonné DC-DC měniče a používají se jako filtry pro potlačení EMI napříč napájecími vedeními (AC a DC) a konfigurací filtrování v běžném režimu. Kondenzátor X bereme jako příklad pro ilustraci některých hlavních bodů použití filmových kondenzátorů.
Pokud dojde k přepětí, pomáhá to omezit špičkové napěťové namáhání na vedení, takže se obvykle používá se supresorem přechodného napětí (TVS) nebo varistorem z oxidu kovu (MOV).
Možná už to všechno víte, ale věděli jste, že kapacitní hodnotu kondenzátoru X lze roky používání výrazně snížit? To platí zejména, pokud je kondenzátor používán ve vlhkém prostředí. Viděl jsem hodnotu kapacity kondenzátor X klesne během jednoho nebo dvou let pouze na několik procent své jmenovité hodnoty, takže systém původně navržený s kondenzátorem X ve skutečnosti ztratil veškerou ochranu, kterou by mohl mít přední kondenzátor.
Takže, co se stalo? Vlhký vzduch může unikat do kondenzátoru, nahoru po drátu a mezi krabici a epoxidovou zalévací hmotu. Pokovení hliníku pak může být oxidováno. Oxid hlinitý je dobrý elektrický izolant, a tím snižuje kapacitu. To je problém, který všechny fóliové kondenzátory se setkají. Problém, o kterém mluvím, je tloušťka fólie. Renomované značky kondenzátorů používají tlustší fólie, což má za následek větší kondenzátory než jiné značky. Tenčí fólie činí kondenzátor méně odolným vůči přetížení (napětí, proud nebo teplota), a je nepravděpodobné, že by se sám uzdravil.
Pokud kondenzátor X není trvale připojen ke zdroji napájení, nemusíte se obávat. Například u produktu, který má pevný přepínač mezi zdrojem napájení a kondenzátorem, může být velikost důležitější než životnost a pak můžete zvolit tenčí kondenzátor.
Pokud je však kondenzátor trvale připojen ke zdroji energie, musí být vysoce spolehlivý. Oxidace kondenzátorů není nevyhnutelná. Pokud je epoxidový materiál kondenzátoru kvalitní a kondenzátor není často vystaven extrémním teplotám, pokles v hodnota by měla být minimální.
V tomto článku je nejprve představen pohled na teorii pole kondenzátorů.Praktické příklady a výsledky simulací ukazují, jak vybrat a používat nejběžnější typy kondenzátorů. Doufáme, že vám tyto informace pomohou porozumět roli kondenzátorů v elektronickém a EMC návrhu komplexněji.
Dr. Min Zhang je zakladatelem a hlavním konzultantem EMC společnosti Mach One Design Ltd, britské inženýrské společnosti, která se specializuje na poradenství v oblasti EMC, řešení problémů a školení. Jeho hluboké znalosti v oblasti výkonové elektroniky, digitální elektroniky, motorů a produktového designu byly přínosem. společnosti po celém světě.
In Compliance je hlavním zdrojem zpráv, informací, vzdělávání a inspirace pro odborníky v elektrotechnice a elektrotechnice.
Letecký průmysl Automobilový průmysl Komunikace Spotřební elektronika Vzdělávání Energetika a energetika Informační technologie Zdravotnictví Vojenská a národní obrana