uudiseid

Kondensaatorid on üks trükkplaatide kõige sagedamini kasutatavaid komponente. Kuna elektroonikaseadmete (mobiiltelefonidest autodeni) arv kasvab, kasvab ka nõudlus kondensaatorite järele. Covid 19 pandeemia on katkestanud globaalse komponentide tarneahela pooljuhtidest passiivsete komponentideni ja kondensaatoritest on olnud puudus1.
Arutlusi kondensaatorite teemal saab hõlpsasti muuta raamatuks või sõnaraamatuks. Esiteks on erinevat tüüpi kondensaatoreid, nagu elektrolüütkondensaatorid, kilekondensaatorid, keraamilised kondensaatorid jne. Siis on samas tüübis erinevad dielektrilised materjalid. Samuti on erinevad klassid. Füüsilise struktuuri osas on kahe- ja kolmeklemmilised kondensaatoritüübid. Samuti on olemas X2Y tüüpi kondensaator, mis on sisuliselt ühte kapseldatud Y kondensaatorite paar. Aga superkondensaatorid? Fakt on see, et kui istute maha ja hakkate lugema suuremate tootjate kondensaatorite valiku juhendeid, saate hõlpsalt päeva veeta!
Kuna see artikkel käsitleb põhitõdesid, kasutan tavapäraselt teist meetodit. Nagu varem mainitud, on kondensaatorite valiku juhendid hõlpsasti leitavad tarnijate veebisaitidelt 3 ja 4 ning väliinsenerid saavad tavaliselt vastata enamikule kondensaatorite kohta käivatele küsimustele. Selles artiklis ei korda ma Internetist leitavat, vaid näitan praktiliste näidete kaudu, kuidas kondensaatoreid valida ja kasutada. Samuti käsitletakse mõningaid kondensaatorite valiku vähemtuntud aspekte, näiteks mahtuvuse vähenemist. Pärast selle artikli lugemist peaksite kondensaatorite kasutamisest hästi aru saama.
Aastaid tagasi, kui töötasin elektroonikaseadmeid tootvas ettevõttes, tekkis meil intervjuuküsimus jõuelektroonika insenerile. Olemasoleva toote skemaatilisel diagrammil küsime potentsiaalsetelt kandidaatidelt: "Mis on alalisvoolu lingi elektrolüütkondensaatori funktsioon?" ja "Mis on kiibi kõrval asuva keraamilise kondensaatori funktsioon?" Loodame, et õige vastus on DC siini kondensaator Kasutatakse energia salvestamiseks, keraamilisi kondensaatoreid kasutatakse filtreerimiseks.
"Õige" vastus, mida me otsime, näitab tegelikult, et kõik disainimeeskonna liikmed vaatavad kondensaatoreid lihtsast vooluringist, mitte väljateooriast. Skeemiteooria seisukoht ei ole vale. Madalatel sagedustel (mõnest kHz kuni mõne MHz) suudab vooluringiteooria probleemi tavaliselt hästi selgitada. Seda seetõttu, et madalamatel sagedustel on signaal peamiselt diferentsiaalrežiimis. Skeemiteooriat kasutades näeme joonisel 1 kujutatud kondensaatorit, kus ekvivalentne jadatakistus (ESR) ja ekvivalentne jadainduktiivsus (ESL) muudavad kondensaatori impedantsi koos sagedusega.
See mudel selgitab täielikult vooluahela toimimist, kui vooluringi lülitatakse aeglaselt. Sageduse kasvades lähevad asjad aga aina keerulisemaks. Mingil hetkel hakkab komponent näitama mittelineaarsust. Kui sagedus suureneb, on lihtsal LCR-mudelil oma piirangud.
Täna, kui minult küsitaks sama intervjuu küsimust, kannaksin oma väljateooria vaatlusprille ja ütleksin, et mõlemad kondensaatoritüübid on energiasalvestid. Erinevus seisneb selles, et elektrolüütkondensaatorid suudavad salvestada rohkem energiat kui keraamilised kondensaatorid. Kuid energiaülekande osas suudavad keraamilised kondensaatorid energiat kiiremini edastada. See seletab, miks tuleb kiibi kõrvale panna keraamilised kondensaatorid, kuna kiibil on suurem lülitussagedus ja lülituskiirus võrreldes põhitoiteahelaga.
Sellest vaatenurgast saame kondensaatorite jaoks lihtsalt määratleda kaks jõudlusstandardit. Üks on see, kui palju energiat kondensaator suudab salvestada, ja teine, kui kiiresti saab seda energiat üle kanda. Mõlemad sõltuvad kondensaatori tootmismeetodist, dielektrilisest materjalist, kondensaatoriga ühendamisest jne.
Kui lüliti ahelas on suletud (vt joonis 2), näitab see, et koormus vajab energiat toiteallikast. Selle lüliti sulgemise kiirus määrab energiavajaduse kiireloomulisuse. Kuna energia liigub valguse kiirusega (pool valguse kiirusest FR4 materjalides), kulub energia ülekandmiseks aega. Lisaks esineb impedantsi mittevastavus allika ja ülekandeliini ning koormuse vahel. See tähendab, et energiat ei edastata kunagi ühe reisiga, vaid mitme edasi-tagasi reisiga5, mistõttu lüliti kiirel ümberlülitamisel näeme lülituslainekujul viivitusi ja helinat.
Joonis 2: Energia ruumis levimiseks kulub aega; impedantsi mittevastavus põhjustab energiaülekande mitu edasi-tagasi liikumist.
Asjaolu, et energia tarnimine võtab aega ja mitu edasi-tagasi sõitu, ütleb meile, et me peame viima energia koormale võimalikult lähedale ja peame leidma viisi selle kiireks kohaletoimetamiseks. Esimene saavutatakse tavaliselt koormuse, lüliti ja kondensaatori vahelise füüsilise kauguse vähendamisega. Viimane saavutatakse väikseima takistusega kondensaatorite rühma kogumisega.
Väljateooria selgitab ka seda, mis põhjustab tavarežiimi müra. Lühidalt öeldes tekib ühisrežiimi müra, kui koormuse energiavajadus ei ole ümberlülitamise ajal täidetud. Seetõttu tagatakse koormuse ja läheduses asuvate juhtide vahelises ruumis salvestatud energia astmevajaduse katmiseks. Koormuse ja läheduses asuvate juhtide vahelist ruumi nimetatakse parasiit-/vastastikuseks mahtuvuseks (vt joonis 2).
Kasutame elektrolüütkondensaatorite, mitmekihiliste keraamiliste kondensaatorite (MLCC) ja kilekondensaatorite kasutamise demonstreerimiseks järgmisi näiteid. Valitud kondensaatorite jõudluse selgitamiseks kasutatakse nii vooluringi kui ka väljateooriat.
Elektrolüütkondensaatoreid kasutatakse põhilise energiaallikana peamiselt alalisvoolulülides. Elektrolüütkondensaatori valik sõltub sageli:
EMC jõudluse jaoks on kondensaatorite kõige olulisemad omadused impedantsi ja sageduse omadused. Madalsageduslikud emissioonid sõltuvad alati alalisvooluahela kondensaatori jõudlusest.
Alalisvoolu lingi impedants ei sõltu ainult kondensaatori ESR-ist ja ESL-ist, vaid ka termokontuuri pindalast, nagu on näidatud joonisel 3. Suurem soojusahela pindala tähendab, et energia ülekandmine võtab kauem aega, nii et jõudlus mõjutatakse.
Selle tõestamiseks ehitati alalisvoolu-alalisvoolu muundur. Joonisel 4 näidatud nõuetele vastavuse EMC-testi seadistus teostab läbiviidud emissiooniskaneerimist sagedustel 150 kHz kuni 108 MHz.
Takistusnäitajate erinevuste vältimiseks on oluline tagada, et selles juhtumiuuringus kasutatud kondensaatorid oleksid kõik sama tootja poolt. Kondensaatori jootmisel PCB-le jälgi, et ei oleks pikki juhtmeid, kuna see suurendab kondensaatori ESL-i. Joonisel 5 on näidatud kolm konfiguratsiooni.
Nende kolme konfiguratsiooni läbiviidud emissioonitulemused on näidatud joonisel 6. On näha, et võrreldes ühe 680 µF kondensaatoriga saavutavad kaks 330 µF kondensaatorit laiemas sagedusvahemikus 6 dB müra vähendamise.
Skeemiteooriast võib öelda, et kahe kondensaatori paralleelsel ühendamisel vähenevad nii ESL kui ESR poole võrra. Väljateooria seisukohast ei ole ainult üks energiaallikas, vaid kaks energiaallikat tarnitakse samale koormusele, vähendades tõhusalt üldist energia edastamise aega. Kuid kõrgematel sagedustel väheneb kahe 330 µF kondensaatori ja ühe 680 µF kondensaatori vahe. Selle põhjuseks on asjaolu, et kõrgsageduslik müra näitab ebapiisavat sammuenergia reaktsiooni. Kui liigutate 330 µF kondensaatorit lülitile lähemale, vähendame energiaülekande aega, mis suurendab tõhusalt kondensaatori astmelist reaktsiooni.
Tulemus annab meile väga olulise õppetunni. Ühe kondensaatori mahtuvuse suurendamine üldiselt ei toeta järkjärgulist energiavajadust. Võimalusel kasutage mõnda väiksemat mahtuvuslikku komponenti. Sellel on palju häid põhjusi. Esimene on maksumus. Üldiselt sama pakendi suuruse korral suureneb kondensaatori maksumus plahvatuslikult koos mahtuvuse väärtusega. Ühe kondensaatori kasutamine võib olla kallim kui mitme väiksema kondensaatori kasutamine. Teine põhjus on suurus. Tootedisaini piiravaks teguriks on tavaliselt komponentide kõrgus. Suure võimsusega kondensaatorite puhul on kõrgus sageli liiga suur, mis ei sobi toote disainimiseks. Kolmas põhjus on EMC jõudlus, mida nägime juhtumiuuringus.
Teine tegur, mida elektrolüütkondensaatori kasutamisel arvestada, on see, et kui ühendate pinge jagamiseks järjestikku kaks kondensaatorit, vajate tasakaalustavat takistit 6.
Nagu varem mainitud, on keraamilised kondensaatorid miniatuursed seadmed, mis suudavad kiiresti energiat anda. Minult küsitakse sageli küsimust "Kui palju kondensaatorit ma vajan?" Vastus sellele küsimusele on, et keraamiliste kondensaatorite puhul ei tohiks mahtuvuse väärtus olla nii oluline. Siinkohal on oluline kindlaks teha, millisel sagedusel on energiaülekande kiirus teie rakenduse jaoks piisav. Kui juhitav kiirgus 100 MHz juures ebaõnnestub, on väikseima takistusega kondensaator 100 MHz juures hea valik.
See on järjekordne MLCC arusaamatus. Olen näinud, et insenerid kulutavad palju energiat, valides madalaima ESR-i ja ESL-iga keraamilisi kondensaatoreid, enne kui ühendavad kondensaatorid pikkade jälgede kaudu raadiosagedusliku võrdluspunktiga. Tasub mainida, et MLCC ESL on tavaliselt palju madalam kui plaadi ühenduse induktiivsus. Ühenduse induktiivsus on endiselt kõige olulisem parameeter, mis mõjutab keraamiliste kondensaatorite kõrgsagedustakistust7.
Joonis 7 näitab halba näidet. Pikad jäljed (0,5 tolli pikkused) toovad sisse vähemalt 10nH induktiivsuse. Simulatsiooni tulemus näitab, et kondensaatori impedants muutub sageduspunktis (50 MHz) oodatust palju suuremaks.
Üks MLCC-de probleeme on see, et need kipuvad resoneerima plaadi induktiivse struktuuriga. Seda võib näha joonisel 8 näidatud näites, kus 10 µF MLCC kasutamine tekitab resonantsi umbes 300 kHz juures.
Resonantsi saate vähendada, valides suurema ESR-iga komponendi või lihtsalt pannes väikese väärtusega takisti (näiteks 1 oomi) kondensaatoriga järjestikku. Seda tüüpi meetod kasutab süsteemi mahasurumiseks kadudega komponente. Teine meetod on kasutada teist mahtuvuse väärtust, et viia resonants madalamasse või kõrgemasse resonantspunkti.
Kilekondensaatoreid kasutatakse paljudes rakendustes. Need on valitud kondensaatorid suure võimsusega alalis-alalisvoolu muundurite jaoks ning neid kasutatakse EMI summutusfiltritena elektriliinidel (vahelduv- ja alalisvoolul) ja tavarežiimi filtreerimiskonfiguratsioonides. Näitena võtame X kondensaatori, et illustreerida mõningaid kilekondensaatorite kasutamise põhipunkte.
Kui tekib liigpinge, aitab see piirata liini tipppinge pinget, nii et seda kasutatakse tavaliselt koos transientpinge summutiga (TVS) või metalloksiidvaristoriga (MOV).
Sa võid seda kõike juba teada, aga kas teadsid, et X-kondensaatori mahtuvuse väärtust saab aastatepikkuse kasutamisega oluliselt vähendada? See kehtib eriti siis, kui kondensaatorit kasutatakse niiskes keskkonnas. Olen näinud, et X-kondensaatori mahtuvus langeb aasta või kahe jooksul vaid mõne protsendini selle nimiväärtusest, nii et algselt X-kondensaatoriga loodud süsteem kaotas tegelikult kogu kaitse, mis esiotsa kondensaatoril võis olla.
Mis juhtus? Niiskusõhk võib lekkida kondensaatorisse, juhtmest ülespoole ning karbi ja epoksiidsegu vahele. Seejärel saab alumiiniumi metalliseerimist oksüdeerida. Alumiiniumoksiid on hea elektriisolaator, vähendades seeläbi mahtuvust. See on probleem, millega puutuvad kokku kõik kilekondensaatorid. Küsimus, millest ma räägin, on kile paksus. Mainekate kondensaatorite kaubamärgid kasutavad paksemaid kilesid, mille tulemuseks on teistest kaubamärkidest suuremad kondensaatorid. Õhem kile muudab kondensaatori ülekoormuse (pinge, voolu või temperatuuri) suhtes vähem vastupidavaks ja tõenäoliselt ei parane see iseenesest.
Kui X kondensaator ei ole püsivalt toiteallikaga ühendatud, ei pea te muretsema. Näiteks tootel, millel on kõva lüliti toiteploki ja kondensaatori vahel, võib suurus olla elueast olulisem ja siis saab valida õhema kondensaatori.
Kui aga kondensaator on toiteallikaga püsivalt ühendatud, peab see olema väga töökindel. Kondensaatorite oksüdeerumine ei ole vältimatu. Kui kondensaatori epoksümaterjal on hea kvaliteediga ja kondensaator ei puutu sageli kokku äärmuslike temperatuuridega, peaks väärtuse langus olema minimaalne.
Selles artiklis tutvustati kõigepealt kondensaatorite väljateooria vaadet. Praktilised näited ja simulatsiooni tulemused näitavad, kuidas valida ja kasutada enamlevinud kondensaatoritüüpe. Loodetavasti aitab see teave teil põhjalikumalt mõista kondensaatorite rolli elektroonika- ja elektromagnetilise ühilduvuse disainis.
Dr Min Zhang on Ühendkuningriigis asuva EMC nõustamisele, tõrkeotsingule ja koolitusele spetsialiseerunud inseneriettevõtte Mach One Design Ltd asutaja ja EMC peakonsultant. Tema põhjalikud teadmised jõuelektroonikast, digitaalelektroonikast, mootoritest ja tootedisainist on kasu toonud ettevõtetele üle maailma.
In Compliance on elektri- ja elektroonikavaldkonna spetsialistide peamine uudiste, teabe, hariduse ja inspiratsiooniallikas.
Õhusõidukid, autod, side, olmeelektroonika haridus Energeetika ja elektritööstus Infotehnoloogia Meditsiin, sõjavägi ja riigikaitse