жаңалықтар

Конденсаторлар платадағы ең жиі қолданылатын компоненттердің бірі болып табылады. Электрондық құрылғылардың саны (ұялы телефондардан автомобильдерге дейін) артып келе жатқандықтан, конденсаторларға сұраныс артады. Ковид 19 пандемиясы жартылай өткізгіштерден пассивті компоненттерге дейінгі жаһандық компоненттерді жеткізу тізбегін үзді, ал конденсаторлар жетіспеді1.
Конденсаторлар тақырыбы бойынша талқылауларды кітапқа немесе сөздікке оңай айналдыруға болады. Біріншіден, электролиттік конденсаторлар, пленкалық конденсаторлар, керамикалық конденсаторлар және т.б. сияқты конденсаторлардың әртүрлі түрлері бар. Содан кейін бір типте әртүрлі диэлектрлік материалдар бар. Әртүрлі сыныптар да бар. Физикалық құрылымына келетін болсақ, конденсатордың екі және үш терминалды түрлері бар. Сондай-ақ X2Y типті конденсатор бар, ол негізінен біреуінде инкапсуляцияланған Y конденсаторларының жұбы. Суперконденсаторлар туралы не деуге болады? Шындығында, егер сіз отырсаңыз және ірі өндірушілердің конденсаторларды таңдау жөніндегі нұсқаулықтарын оқи бастасаңыз, сіз күнді оңай өткізе аласыз!
Бұл мақала негіздерге қатысты болғандықтан, мен әдеттегідей басқа әдісті қолданамын. Жоғарыда айтылғандай, конденсаторларды таңдау бойынша нұсқаулықтарды жеткізушілердің 3 және 4 веб-сайттарында оңай табуға болады және далалық инженерлер әдетте конденсаторлар туралы көптеген сұрақтарға жауап бере алады. Бұл мақалада мен Интернетте не табуға болатынын қайталамаймын, бірақ практикалық мысалдар арқылы конденсаторларды қалай таңдауға және пайдалануға болатындығын көрсетемін. Сондай-ақ конденсаторларды таңдаудың кейбір аз белгілі аспектілері, мысалы, сыйымдылықтың нашарлауы қарастырылады. Осы мақаланы оқығаннан кейін сіз конденсаторларды пайдалануды жақсы түсінуіңіз керек.
Бірнеше жыл бұрын мен электронды жабдық шығаратын компанияда жұмыс істеп жүргенімде, бізде энергетикалық электроника жөніндегі инженерге сұхбат берген болатын. Қолданыстағы өнімнің схемалық диаграммасында біз әлеуетті үміткерлерден «Тұрақты ток электролиттік конденсатордың қызметі қандай?» Деп сұраймыз. және «Чиптің жанында орналасқан керамикалық конденсатордың қызметі қандай?» Дұрыс жауап тұрақты шиналық конденсатор Энергияны сақтау үшін пайдаланылады, керамикалық конденсаторлар сүзу үшін қолданылады.
Біз іздейтін «дұрыс» жауап конструкторлық топтағылардың барлығы конденсаторларға өріс теориясы тұрғысынан емес, қарапайым схема тұрғысынан қарайтынын көрсетеді. Схемалар теориясының көзқарасы қате емес. Төмен жиіліктерде (бірнеше кГц-тен бірнеше МГц-ке дейін) схема теориясы әдетте мәселені жақсы түсіндіре алады. Себебі төменгі жиіліктерде сигнал негізінен дифференциалды режимде болады. Тізбек теориясын пайдалана отырып, 1-суретте көрсетілген конденсаторды көре аламыз, мұнда эквивалентті сериялық кедергі (ESR) және эквивалентті сериялық индуктивтілік (ESL) конденсатордың кедергісін жиілікпен өзгертеді.
Бұл модель тізбекті баяу ауыстырған кезде тізбектің өнімділігін толық түсіндіреді. Дегенмен, жиілік ұлғайған сайын жағдай күрделене түседі. Белгілі бір сәтте компонент сызықты еместігін көрсете бастайды. Жиілік ұлғайған кезде қарапайым LCR үлгісінің шектеулері болады.
Бүгін, егер маған сол сұхбат сұрағы қойылса, мен өріс теориясын бақылау көзілдірігін киіп, конденсатордың екі түрі де энергия сақтау құрылғылары екенін айтар едім. Айырмашылық электролиттік конденсаторлар керамикалық конденсаторларға қарағанда көбірек энергияны сақтай алады. Бірақ энергияны тасымалдау тұрғысынан керамикалық конденсаторлар энергияны жылдамырақ жеткізе алады. Бұл неліктен керамикалық конденсаторларды чиптің жанына қою керектігін түсіндіреді, себебі микросхемада негізгі қуат тізбегімен салыстырғанда коммутация жиілігі мен ауысу жылдамдығы жоғары.
Осы тұрғыдан алғанда, біз жай ғана конденсаторлар үшін екі өнімділік стандартын анықтай аламыз. Біреуі - конденсатор қанша энергияны сақтай алады, екіншісі - бұл энергияның қаншалықты жылдам тасымалдануы. Екеуі де конденсаторды өндіру әдісіне, диэлектрлік материалға, конденсатормен байланысқа және т.б. байланысты.
Тізбектегі қосқыш жабылған кезде (2-суретті қараңыз), бұл жүктемеге қуат көзінен энергия қажет екенін көрсетеді. Бұл қосқыштың жабылу жылдамдығы энергия сұранысының өзектілігін анықтайды. Энергия жарық жылдамдығымен таралатындықтан (FR4 материалдарындағы жарық жылдамдығының жартысы), энергияны тасымалдау үшін уақыт қажет. Сонымен қатар, көз мен беру желісі және жүктеме арасында кедергі сәйкессіздігі бар. Бұл энергия бір сапарда ешқашан берілмейтінін, бірақ бірнеше рет айналу5 екенін білдіреді, сондықтан коммутатор жылдам ауыстырылған кезде біз коммутациялық толқын пішінінде кідірістерді және қоңырауды көреміз.
2-сурет: Энергияның кеңістікте таралуы үшін уақыт қажет; кедергінің сәйкес келмеуі энергияны тасымалдаудың бірнеше рет айналуын тудырады.
Энергияны жеткізу уақытты және бірнеше рет айналуды қажет ететіндігі бізге энергияны мүмкіндігінше жүктемеге жақындату керек екенін және оны тез жеткізудің жолын табу керектігін айтады. Біріншісі әдетте жүктеме, қосқыш және конденсатор арасындағы физикалық қашықтықты азайту арқылы қол жеткізіледі. Соңғысына ең аз кедергісі бар конденсаторлар тобын жинау арқылы қол жеткізіледі.
Өріс теориясы сондай-ақ жалпы режимдегі шудың не себеп болатынын түсіндіреді. Қысқаша айтқанда, жалпы режим шуы ауысу кезінде жүктеменің энергияға сұранысы қанағаттандырылмаған кезде пайда болады. Сондықтан жүктеме мен жақын орналасқан өткізгіштер арасындағы кеңістікте жинақталған энергия қадамдық сұранысты қолдау үшін қамтамасыз етіледі. Жүктеме мен жақын орналасқан өткізгіштер арасындағы кеңістік біз паразиттік/өзара сыйымдылық деп атаймыз (2-суретті қараңыз).
Электролиттік конденсаторларды, көп қабатты керамикалық конденсаторларды (MLCC) және пленкалық конденсаторларды пайдалану жолын көрсету үшін келесі мысалдарды қолданамыз. Таңдалған конденсаторлардың өнімділігін түсіндіру үшін тізбек те, өріс теориясы да қолданылады.
Электролиттік конденсаторлар негізінен тұрақты ток желісінде негізгі энергия көзі ретінде қолданылады. Электролиттік конденсаторды таңдау көбінесе мыналарға байланысты:
EMC өнімділігі үшін конденсаторлардың ең маңызды сипаттамалары кедергі және жиілік сипаттамалары болып табылады. Төмен жиілікті өткізілетін эмиссиялар әрқашан тұрақты ток конденсаторының өнімділігіне байланысты.
Тұрақты ток байланысының кедергісі конденсатордың ESR және ESL-ге ғана емес, сонымен қатар 3-суретте көрсетілгендей жылу контурының ауданына да байланысты. Термиялық контурдың үлкен ауданы энергияны тасымалдау ұзағырақ болатынын білдіреді, сондықтан өнімділік әсер етеді.
Мұны дәлелдеу үшін төмендеткіш DC-DC түрлендіргіші жасалды. 4-суретте көрсетілген алдын ала сәйкестік EMC сынақ орнатуы 150 кГц және 108 МГц арасында өткізілген эмиссияны сканерлеуді орындайды.
Кедергі сипаттамаларындағы айырмашылықтарды болдырмау үшін осы жағдайды зерттеуде пайдаланылатын конденсаторлардың барлығы бір өндірушіден болуын қамтамасыз ету маңызды. ПХД-да конденсаторды дәнекерлеу кезінде ұзын сымдар жоқ екеніне көз жеткізіңіз, өйткені бұл конденсатордың ESL-ін арттырады. 5-суретте үш конфигурация көрсетілген.
Осы үш конфигурацияның жүргізілген эмиссия нәтижелері 6-суретте көрсетілген. Бір 680 мкФ конденсатормен салыстырғанда, екі 330 мкФ конденсатор кеңірек жиілік диапазонында шуды 6 дБ азайту өнімділігіне қол жеткізетінін көруге болады.
Схема теориясынан екі конденсаторды параллель қосу арқылы ESL және ESR екі есе азаяды деп айтуға болады. Өріс теориясы тұрғысынан бір ғана энергия көзі емес, бір жүктемеге екі энергия көзі беріледі, жалпы энергияның берілу уақытын тиімді қысқартады. Дегенмен, жоғары жиіліктерде екі 330 мкФ конденсатор мен бір 680 мкФ конденсатор арасындағы айырмашылық қысқарады. Себебі жоғары жиілікті шу қадамдық энергия реакциясының жеткіліксіздігін көрсетеді. 330 мкФ конденсаторды коммутаторға жақындатқанда, біз энергияны тасымалдау уақытын азайтамыз, бұл конденсатордың қадамдық реакциясын тиімді арттырады.
Нәтиже бізге өте маңызды сабақ береді. Бір конденсатордың сыйымдылығын арттыру әдетте көбірек энергияға қадамдық сұранысты қолдамайды. Мүмкін болса, кішірек сыйымдылық құрамдастарын пайдаланыңыз. Бұған көптеген жақсы себептер бар. Біріншісі - құны. Жалпы алғанда, бірдей қаптама өлшемі үшін конденсатордың құны сыйымдылық мәнімен экспоненциалды түрде артады. Бір конденсаторды пайдалану бірнеше кіші конденсаторларды пайдаланудан қымбатырақ болуы мүмкін. Екінші себеп - өлшем. Өнімнің дизайнындағы шектеу факторы әдетте компоненттердің биіктігі болып табылады. Үлкен сыйымдылықты конденсаторлар үшін биіктігі жиі тым үлкен, бұл өнімнің дизайнына сәйкес келмейді. Үшінші себеп - бұл жағдайлық зерттеуде көрген EMC өнімділігі.
Электролиттік конденсаторды пайдалану кезінде ескеретін тағы бір фактор, кернеуді бөлісу үшін екі конденсаторды тізбектей қосқанда, теңгерімдеуші резистор 6 қажет болады.
Бұрын айтылғандай, керамикалық конденсаторлар - бұл энергияны жылдам қамтамасыз ете алатын миниатюралық құрылғылар. Маған «маған қанша конденсатор керек?» Деген сұрақ жиі қойылады. Бұл сұрақтың жауабы керамикалық конденсаторлар үшін сыйымдылық мәні соншалықты маңызды болмауы керек. Бұл жерде маңызды мәселе - энергияны тасымалдау жылдамдығы қай жиілікте қолданбаңыз үшін жеткілікті екенін анықтау. Егер өткізілген эмиссия 100 МГц жиілікте сәтсіз болса, 100 МГц жиілікте ең аз кедергісі бар конденсатор жақсы таңдау болады.
Бұл MLCC туралы тағы бір түсінбеушілік. Мен инженерлердің ұзақ жолдар арқылы конденсаторларды РЖ анықтамалық нүктесіне қосу алдында ең төмен ESR және ESL бар керамикалық конденсаторларды таңдауға көп энергия жұмсайтынын көрдім. Айта кету керек, MLCC ESL әдетте тақтадағы қосылым индуктивтілігінен әлдеқайда төмен. Қосылу индуктивтілігі әлі күнге дейін керамикалық конденсаторлардың жоғары жиілікті кедергісіне әсер ететін ең маңызды параметр болып табылады7.
7-сурет нашар мысалды көрсетеді. Ұзын іздер (ұзындығы 0,5 дюйм) кем дегенде 10нН индуктивтілікті енгізеді. Модельдеу нәтижесі конденсатордың кедергісі жиілік нүктесінде (50 МГц) күтілгеннен әлдеқайда жоғары болатынын көрсетеді.
MLCC-ге қатысты мәселелердің бірі олардың тақтадағы индуктивті құрылыммен резонанс тудыруы болып табылады. Мұны 8-суретте көрсетілген мысалдан көруге болады, мұнда 10 мкФ MLCC пайдалану шамамен 300 кГц жиілікте резонансты енгізеді.
Үлкенірек ESR бар компонентті таңдау немесе жай ғана конденсатормен қатарға шағын мәнді резисторды (мысалы, 1 Ом) қою арқылы резонансты азайтуға болады. Әдістің бұл түрі жүйені басу үшін жоғалған құрамдастарды пайдаланады. Басқа әдіс резонансты төменгі немесе жоғары резонанстық нүктеге жылжыту үшін басқа сыйымдылық мәнін пайдалану болып табылады.
Пленкалық конденсаторлар көптеген қосымшаларда қолданылады. Олар жоғары қуатты DC-DC түрлендіргіштері үшін таңдаулы конденсаторлар болып табылады және электр желілері (айнымалы және тұрақты) және жалпы режимді сүзгілеу конфигурациялары арқылы EMI басу сүзгілері ретінде пайдаланылады. Пленкалық конденсаторларды пайдаланудың кейбір негізгі сәттерін көрсету үшін мысал ретінде X конденсаторын аламыз.
Егер кернеудің жоғарылауы орын алса, ол желідегі кернеудің ең жоғары кернеуін шектеуге көмектеседі, сондықтан ол әдетте өтпелі кернеуді басатын құрылғымен (TVS) немесе металл оксиді варисторымен (MOV) қолданылады.
Сіз мұның бәрін бұрыннан білетін шығарсыз, бірақ сіз X конденсаторының сыйымдылық мәнін жылдар бойы пайдалану арқылы айтарлықтай азайтуға болатынын білесіз бе? Бұл әсіресе конденсатор ылғалды ортада пайдаланылса дұрыс. Мен X конденсаторының сыйымдылық мәні бір-екі жыл ішінде номиналды мәнінің бірнеше пайызына дейін төмендегенін көрдім, сондықтан X конденсаторымен бастапқыда жасалған жүйе шын мәнінде алдыңғы конденсатор болуы мүмкін барлық қорғанысты жоғалтты.
Сонымен, не болды? Ылғал ауа конденсаторға, сымға және қорап пен эпоксидті құмыра қоспасының арасына ағып кетуі мүмкін. Содан кейін алюминий металдандырылуы тотықтырылуы мүмкін. Алюминий тотығы жақсы электр изоляторы болып табылады, осылайша сыйымдылықты төмендетеді. Бұл барлық пленкалық конденсаторларда кездесетін мәселе. Мен айтып отырған мәселе - пленка қалыңдығы. Белгілі конденсатор брендтері қалың пленкаларды пайдаланады, нәтижесінде басқа брендтерге қарағанда үлкен конденсаторлар пайда болады. Жұқа пленка конденсаторды шамадан тыс жүктеуге (кернеу, ток немесе температура) төзімділігін төмендетеді және оның өзін-өзі емдеуі екіталай.
Егер X конденсаторы қуат көзіне тұрақты қосылмаған болса, онда сізге алаңдаудың қажеті жоқ. Мысалы, қуат көзі мен конденсатор арасында қатты қосқышы бар өнім үшін өлшем өмірден маңыздырақ болуы мүмкін, содан кейін жұқа конденсаторды таңдауға болады.
Дегенмен, конденсатор қуат көзіне тұрақты түрде қосылған болса, ол жоғары сенімді болуы керек. Конденсаторлардың тотығуы сөзсіз емес. Егер конденсатордың эпоксидті материалы сапалы болса және конденсатор экстремалды температураға жиі ұшырамаса, мәннің төмендеуі минималды болуы керек.
Бұл мақалада алдымен конденсаторлардың өріс теориясының көрінісі енгізілді. Практикалық мысалдар мен модельдеу нәтижелері ең көп таралған конденсатор түрлерін таңдау және пайдалану жолын көрсетеді. Бұл ақпарат электронды және EMC дизайнындағы конденсаторлардың рөлін жан-жақты түсінуге көмектеседі деп үміттенемін.
Доктор Мин Чжан EMC бойынша консалтингке, ақауларды жоюға және оқытуға маманданған Ұлыбританияда орналасқан Mach One Design Ltd инженерлік компаниясының негізін қалаушы және бас EMC кеңесшісі. Оның энергетикалық электроника, цифрлық электроника, қозғалтқыштар және өнім дизайны бойынша терең білімі бүкіл әлемдегі компанияларға пайдалы болды.
In Compliance - электр және электронды инженерия мамандары үшін жаңалықтардың, ақпараттың, білімнің және шабыттың негізгі көзі.
Аэроғарыштық автомобиль коммуникациялары Тұтынушылық электроника Білім Энергетика және энергетика өнеркәсібі Ақпараттық технологиялар Медициналық әскери және ұлттық қорғаныс