жаңалықтар

Конденсаторлар схемалық платалардағы ең жиі қолданылатын компоненттердің бірі болып табылады. Электрондық құрылғылардың саны (ұялы телефондардан автомобильдерге дейін) артып келе жатқандықтан, конденсаторларға деген сұраныс та өсуде. Ковид 19 пандемиясы жартылай өткізгіштерден жаһандық компоненттерді жеткізу тізбегін үзді. пассивті құрамдас бөліктерге, ал конденсаторлар жеткіліксіз болды1.
Конденсаторлар тақырыбы бойынша талқылауларды оңай кітапқа немесе сөздікке айналдыруға болады. Біріншіден, электролиттік конденсаторлар, пленкалық конденсаторлар, керамикалық конденсаторлар және т.б. сияқты конденсаторлардың әртүрлі түрлері бар. Содан кейін бір типте әртүрлі болады. диэлектрлік материалдар. Сондай-ақ әртүрлі сыныптар бар. Физикалық құрылымына келетін болсақ, екі және үш терминалды конденсатор түрлері бар. Сондай-ақ X2Y типті конденсатор бар, ол негізінен бір жұп Y конденсаторы болып табылады. Суперконденсаторлар туралы не айтуға болады. ?Негізі, егер сіз отырсаңыз және ірі өндірушілердің конденсатор таңдау нұсқаулығын оқи бастасаңыз, күнді оңай өткізуге болады!
Бұл мақала негіздерге қатысты болғандықтан, мен әдеттегідей басқа әдісті қолданамын. Бұрын айтылғандай, конденсаторларды таңдау бойынша нұсқаулықтарды жеткізушілердің 3 және 4 веб-сайттарынан оңай табуға болады және далалық инженерлер әдетте конденсаторлар туралы көптеген сұрақтарға жауап бере алады. Бұл мақалада, Мен Интернетте не таба алатыныңызды қайталамаймын, бірақ практикалық мысалдар арқылы конденсаторларды қалай таңдау және пайдалану керектігін көрсетемін. Сондай-ақ конденсаторларды таңдаудың кейбір аз белгілі аспектілері, мысалы, сыйымдылықтың нашарлауы, қарастырылады. Осы мақаланы оқығаннан кейін сіз конденсаторларды пайдалануды жақсы түсінуі керек.
Бірнеше жыл бұрын, мен электронды жабдықты шығаратын компанияда жұмыс істегенімде, бізде энергетикалық электроника бойынша инженерге сұхбат беру сұрағы болды. Қолданыстағы өнімнің схемалық диаграммасында біз әлеуетті үміткерлерден «Тұрақты токтың электролиттік қызметі қандай?» деп сұраймыз. конденсатор?»және «Чиптің жанындағы керамикалық конденсатордың қызметі қандай?»Дұрыс жауап тұрақты шиналық конденсатор Энергияны сақтау үшін пайдаланылады, керамикалық конденсаторлар сүзу үшін қолданылады.
Біз іздейтін «дұрыс» жауап конденсаторларға өріс теориясы тұрғысынан емес, қарапайым схема тұрғысынан қарайтынын көрсетеді. Тізбек теориясының көзқарасы қате емес. Төмен жиілікте (бірнеше кГц-тен) бірнеше МГц-ке дейін), схема теориясы әдетте мәселені жақсы түсіндіре алады. Бұл төменгі жиіліктерде сигнал негізінен дифференциалдық режимде болатындықтан. Тізбек теориясын пайдалана отырып, біз 1-суретте көрсетілген конденсаторды көре аламыз, мұнда эквивалентті қатар кедергісі ( ESR) және эквивалентті сериялы индуктивтілік (ESL) конденсатордың кедергісін жиілікпен өзгертеді.
Бұл модель тізбекті баяу ауыстырған кезде тізбектің өнімділігін толық түсіндіреді. Дегенмен, жиілік артқан сайын, заттар күрделене түседі. Бір сәтте компонент сызықты еместігін көрсете бастайды. Жиілік артқанда, қарапайым LCR моделі өзінің шектеулері бар.
Бүгін, егер маған дәл сол сұхбат сұрағы қойылса, мен өріс теориясын бақылау көзілдірігін киіп, екі конденсатор түрі де энергия сақтау құрылғылары екенін айтар едім. Айырмашылық электролиттік конденсаторлар керамикалық конденсаторларға қарағанда көбірек энергияны сақтай алады. Бірақ энергияны беру тұрғысынан , керамикалық конденсаторлар энергияны жылдамырақ тасымалдай алады. Бұл керамикалық конденсаторларды чиптің жанында неліктен орналастыру керектігін түсіндіреді, себебі чиптің негізгі қуат тізбегімен салыстырғанда коммутациялық жиілігі мен ауысу жылдамдығы жоғары.
Осы тұрғыдан алғанда, біз жай ғана конденсаторлар үшін екі өнімділік стандартын анықтауға болады.Біреуі конденсатордың қанша энергияны сақтай алатындығы, ал екіншісі - бұл энергияның қаншалықты жылдам тасымалдануы.Екеуі де конденсаторды өндіру әдісіне, диэлектрлік материалға, конденсатормен байланыс және т.б.
Тізбектегі қосқыш жабылған кезде (2-суретті қараңыз), бұл жүктемеге қуат көзінен энергия қажет екенін көрсетеді. Бұл қосқыш жабылатын жылдамдық энергияға сұраныстың өзектілігін анықтайды. Энергия жарық жылдамдығымен (жартысы) таралатындықтан FR4 материалдарындағы жарық жылдамдығы), энергияны тасымалдау үшін уақыт қажет.Сонымен қатар, көз және электр беру желісі және жүктеме арасында кедергі сәйкессіздігі бар. Бұл энергия ешқашан бір сапарда емес, бірнеше рет тасымалданбайтынын білдіреді. айналма сапарлар5, сондықтан коммутатор жылдам ауысқанда, 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 тасымалдау уақытты және бірнеше рет айналуды қажет ететіндігі бізге қуат көзін мүмкіндігінше жүктемеге жақын орналастыру керектігін және энергияны жылдам тасымалдаудың жолын табу керектігін айтады. Біріншісі әдетте физикалық жүктемені азайту арқылы жүзеге асырылады. жүктеме, қосқыш және конденсатор арасындағы қашықтық. Соңғысы ең аз кедергісі бар конденсаторлар тобын жинау арқылы қол жеткізіледі.
Өріс теориясы сондай-ақ жалпы режимдегі шудың пайда болуын түсіндіреді. Қысқаша айтқанда, жалпы режимдегі шу ауысу кезінде жүктеменің энергияға деген сұранысы қанағаттандырылмаған кезде пайда болады. Сондықтан жүктеме мен жақын орналасқан өткізгіштер арасындағы кеңістікте сақталған энергия қолдау үшін қамтамасыз етіледі. Қадамдық сұраныс. Жүктеме мен жақын орналасқан өткізгіштер арасындағы кеңістік біз паразиттік/өзара сыйымдылық деп атаймыз (2-суретті қараңыз).
Біз электролиттік конденсаторларды, көпқабатты керамикалық конденсаторларды (MLCC) және пленкалық конденсаторларды қалай пайдалану керектігін 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 пайдаланылады.Электролиттік конденсаторларды таңдау көбінесе мыналарға байланысты:
ЭМҮ 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 тек конденсатордың ESR және ESL-ге ғана емес, сонымен қатар 3-суретте көрсетілгендей жылу контурының ауданына да байланысты. Жылулық контурдың үлкен ауданы энергияны тасымалдау ұзағырақ уақытты қажет етеді, 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 қолданылатын конденсаторлардың барлығы бір өндірушіден болуын қамтамасыз ету маңызды. Конденсаторды ПХД-де дәнекерлеу кезінде ұзын сымдар жоқ екеніне көз жеткізіңіз, өйткені бұл ESL жоғарылайды. конденсатор. 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 қуат көзі емес, бір жүктемеге екі энергия көзі беріледі. , жалпы энергияны тасымалдау уақытын тиімді түрде қысқартады. Дегенмен, жоғары жиіліктерде екі 330 мкФ конденсатор мен бір 680 мкФ конденсатор арасындағы айырмашылық қысқарады. Мұның себебі жоғары жиілікті шуыл қадамдық энергияның жеткіліксіз реакциясын көрсетеді. 330 мкФ конденсаторды жақындатқанда коммутатор, біз энергияны беру уақытын азайтамыз, бұл конденсатордың қадамдық реакциясын тиімді арттырады.
Нәтиже бізге өте маңызды сабақ береді. Бір конденсатордың сыйымдылығын арттыру әдетте көбірек энергияға қажетті қадамдық сұранысты қолдамайды. Мүмкін болса, кейбір кішірек сыйымдылық құрамдастарын пайдаланыңыз. Мұның көптеген жақсы себептері бар. Біріншісі - құны. Жалпы Бірдей қаптама өлшемі үшін конденсатордың құны сыйымдылық мәніне қарай экспоненциалды түрде артады. Бір конденсаторды пайдалану бірнеше кіші конденсаторларды пайдаланудан қымбатырақ болуы мүмкін. Екінші себеп - өлшем. Өнім дизайнындағы шектеу факторы әдетте биіктік болып табылады. Құрамдас бөліктер. Үлкен сыйымдылықты конденсаторлар үшін биіктік көбінесе өнім дизайны үшін тым үлкен. Үшінші себеп - біз 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.
Жоғарыда айтылғандай, керамикалық конденсаторлар энергияны тез қамтамасыз ете алатын миниатюралық құрылғылар болып табылады. Маған «Маған қанша конденсатор қажет?» Деген сұрақ жиі қойылады. Бұл сұрақтың жауабы керамикалық конденсаторлар үшін сыйымдылық мәні соншалықты маңызды болмауы керек. Бұл жерде маңызды мәселе - энергияны тасымалдау жылдамдығы қолданбаңыз үшін қай жиілікте жеткілікті екенін анықтау. Егер жүргізілген эмиссия 100 МГц жиілікте сәтсіз болса, онда 100 МГц-те ең аз кедергісі бар конденсатор жақсы таңдау болады.
Бұл MLCC туралы тағы бір түсінбеушілік. Мен конденсаторларды РЖ анықтамалық нүктесіне ұзақ жолдар арқылы жалғамас бұрын инженерлердің ең төмен ESR және ESL керамикалық конденсаторларды таңдауға көп энергия жұмсайтынын көрдім. MLCC ESL әдетте көп екенін атап өткен жөн. тақтадағы қосылу индуктивтілігінен 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 мысалда 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. Бұл әдіс жүйені басу үшін жоғалтатын компоненттерді пайдаланады. Басқа әдіс - басқа сыйымдылықты пайдалану. резонансты төменгі немесе жоғары резонанстық нүктеге жылжыту мәні.
Пленкалық конденсаторлар көптеген қолданбаларда қолданылады. Олар жоғары қуатты DC-DC түрлендіргіштері үшін таңдаулы конденсаторлар болып табылады және электр желілері (айнымалы ток және тұрақты ток) және жалпы режимді сүзу конфигурациялары арқылы EMI басу сүзгілері ретінде пайдаланылады. Біз X конденсаторын аламыз. пленкалық конденсаторларды пайдаланудың кейбір негізгі тармақтарын суреттейтін мысал.
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 X конденсаторының сыйымдылық мәнін жылдар бойы пайдалану арқылы айтарлықтай азайтуға болатынын білесіз бе? Бұл әсіресе конденсатор ылғалды ортада пайдаланылса дұрыс. Мен сыйымдылық мәнін көрдім. X конденсаторы бір немесе екі жыл ішінде номиналды мәнінің бірнеше пайызына ғана төмендейді, сондықтан бастапқыда X конденсаторымен жасалған жүйе алдыңғы конденсатордың барлық қорғанысын жоғалтты.
Сонымен, не болды? Ылғал ауа конденсаторға, сымға және қорап пен эпоксидті құмыраның арасына ағып кетуі мүмкін. Алюминийдің металдануы кейін тотығуға болады. Глинозем жақсы электр оқшаулағышы болып табылады, осылайша сыйымдылықты азайтады. Бұл мәселе барлық пленка конденсаторлары кездеседі. Мен айтып отырған мәселе пленка қалыңдығы. Белгілі конденсатор брендтері қалың қабықшаларды пайдаланады, нәтижесінде басқа брендтерге қарағанда конденсаторлар үлкенірек болады. Жұқа пленка конденсаторды шамадан тыс жүктемеге (кернеу, ток немесе температура) төзімді етеді, 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 өмір сүруден маңыздырақ болуы мүмкін және содан кейін жұқа конденсаторды таңдауға болады.
Алайда, егер конденсатор қуат көзіне тұрақты қосылған болса, ол жоғары сенімді болуы керек. Конденсаторлардың тотығуы сөзсіз емес. Егер конденсатор эпоксидті материал жақсы сапалы болса және конденсатор жиі экстремалды температураға ұшырамаса, құлдырау мәні 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 ЭМҮ дизайнындағы конденсаторлардың рөлін түсінуге көмектеседі деп үміттенемін.
Доктор Мин Чжан EMC консалтингіне, ақауларды жоюға және оқытуға маманданған Ұлыбританиядағы Mach One Design Ltd инженерлік компаниясының негізін қалаушы және бас EMC кеңесшісі болып табылады. Оның қуат электроникасы, цифрлық электроника, қозғалтқыштар және өнім дизайны бойынша терең білімі пайдалы болды. бүкіл әлем бойынша компаниялар.
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