nijs

Capacitors binne ien fan de meast brûkte komponinten op circuit boards. As it oantal elektroanyske apparaten (fan mobile tillefoans oant auto's) bliuwt tanimme, sa nimt de fraach nei kondensatoren. De Covid 19-pandemy hat de wrâldwide oanbodketen foar komponinten fersteurd fan semiconductors oant passive komponinten, en kondensators hawwe tekoart west1.
Diskusjes oer it ûnderwerp fan kondensatoren kinne maklik wurde omset yn in boek of in wurdboek. Earst binne d'r ferskate soarten kondensatoren, lykas elektrolytyske kondensatoren, filmkondensatoren, keramyske kondensatoren ensafuorthinne. Dan, yn itselde type, binne d'r ferskate dielektryske materialen. Der binne ek ferskate klassen. As foar de fysike struktuer, der binne twa-terminal en trije-terminal capacitor types. D'r is ek in X2Y-kondensator, dy't yn essinsje in pear Y-kondensatoren is ynkapsulearre yn ien. Wat oer supercapacitors? It feit is, as jo sitte en begjinne te lêzen capacitor seleksje gidsen fan grutte fabrikanten, kinne jo maklik trochbringe de dei!
Sûnt dit artikel giet oer de basis, Ik sil brûke in oare metoade as gewoanlik. Lykas earder neamd, kinne capacitor seleksje gidsen maklik te finen op leveransier websiden 3 en 4, en fjild yngenieurs kinne meastal beäntwurdzje de measte fragen oer capacitors. Yn dit artikel sil ik net werhelje wat jo kinne fine op it ynternet, mar sil demonstrearje hoe't jo kondensatoren kieze en brûke troch praktyske foarbylden. Guon minder bekende aspekten fan capacitor seleksje, lykas capacitance degradaasje, sil ek wurde behannele. Nei it lêzen fan dit artikel moatte jo in goed begryp hawwe fan it gebrûk fan kondensatoren.
Jierren lyn, doe't ik wurke yn in bedriuw dat elektroanyske apparatuer makke, hienen wy in fraachpetear foar in yngenieur foar machtelektronika. Op it skematyske diagram fan it besteande produkt sille wy potinsjele kandidaten freegje "Wat is de funksje fan 'e DC-link elektrolytyske kondensator?" en "Wat is de funksje fan de keramyske capacitor leit neist de chip?" Wy hoopje dat it goede antwurd de DC-buskondensator is. Brûkt foar enerzjyopslach, keramyske kondensatoren wurde brûkt foar filterjen.
De "korrekte" antwurd wy sykje eins lit sjen dat elkenien op it ûntwerp team sjocht capacitors út in ienfâldige circuit perspektyf, net út in fjild teory perspektyf. It eachpunt fan circuit teory is net ferkeard. By lege frekwinsjes (fan in pear kHz oant in pear MHz), kin circuit teory meastal ferklearje it probleem goed. Dit komt om't by legere frekwinsjes it sinjaal benammen yn differinsjaalmodus is. Mei help fan circuit teory, kinne wy ​​sjen de capacitor werjûn yn figuer 1, dêr't de lykweardich rige ferset (ESR) en lykweardich rige inductance (ESL) meitsje de impedance fan de capacitor feroaring mei frekwinsje.
Dit model ferklearret de circuitprestaasjes folslein as it circuit stadich wurdt oerskeakele. As de frekwinsje lykwols ferheget, wurde dingen hieltyd komplisearre. Op in stuit begjint de komponint net-lineariteit te sjen. As de frekwinsje ferheget, hat it ienfâldige LCR-model syn beheiningen.
Hjoed, as ik waard frege deselde fraachpetear fraach, Ik soe drage myn fjild teory observaasje bril en sizze dat beide capacitor types binne enerzjy opslach apparaten. It ferskil is dat elektrolytyske kondensatoren mear enerzjy kinne opslaan as keramyske kondensatoren. Mar yn termen fan enerzjyoerdracht kinne keramyske kondensatoren enerzjy rapper oerbringe. Dit ferklearret wêrom't keramyske capacitors moatte wurde pleatst neist de chip, omdat de chip hat in hegere switch frekwinsje en switch snelheid yn ferliking mei de wichtichste macht circuit.
Fanút dit perspektyf kinne wy ​​​​gewoan twa prestaasjesnormen foar kondensatoren definiearje. Ien is hoefolle enerzjy de kondensator kin opslaan, en de oare is hoe fluch dizze enerzjy kin wurde oerdroegen. Beide binne ôfhinklik fan 'e produksjemetoade fan' e kondensator, it dielektryske materiaal, de ferbining mei de kondensator, ensfh.
As de skeakel yn it circuit is sletten (sjoch figuer 2), jout it oan dat de lading enerzjy nedich is fan 'e krêftboarne. De snelheid wêrop dizze skeakel slút bepaalt de urginsje fan enerzjyfraach. Sûnt enerzjy reizget mei de snelheid fan ljocht (de helte fan de ljochtsnelheid yn FR4-materialen), duorret it tiid om enerzjy oer te bringen. Dêrneist is der in impedânsje mismatch tusken de boarne en de oerdracht line en de lading. Dit betsjut dat enerzjy sil nea wurde oerdroegen yn ien reis, mar yn meardere round trips5, dat is wêrom as de switch wurdt fluch oerskeakele, wy sille sjen fertraging en rinkeljen yn de switching waveform.
figuer 2: It duorret tiid foar enerzjy om te fersprieden yn romte; impedance mismatch feroarsaket meardere rûnliedings fan enerzjy oerdracht.
It feit dat enerzjyferliening tiid nimt en meardere rûnreizen fertelt ús dat wy de enerzjy sa ticht mooglik by de lading moatte ferpleatse, en wy moatte in manier fine om it fluch te leverjen. De earste wurdt meastal berikt troch it ferminderjen fan de fysike ôfstân tusken de lading, switch en capacitor. Dat lêste wurdt berikt troch it sammeljen fan in groep fan capacitors mei de lytste impedance.
Fjildteory ferklearret ek wat gewoane modus lûd feroarsaket. Koartsein, mienskiplike moduslûd wurdt generearre as de enerzjyfraach fan 'e lading net wurdt foldien tidens it wikseljen. Dêrom sil de enerzjy opslein yn 'e romte tusken de lading en de tichtby lizzende diriginten wurde levere om de stapfraach te stypjen. De romte tusken de lading en tichteby lizzende diriginten is wat wy neame parasitêr / ûnderlinge capacitance (sjoch figuer 2).
Wy brûke de folgjende foarbylden om te demonstrearjen hoe't jo elektrolytyske kondensators, multilayer keramyske kondensatoren (MLCC) en filmkondensatoren brûke. Sawol circuit- as fjildteory wurde brûkt om de prestaasjes fan selekteare kondensatoren te ferklearjen.
Elektrolytyske kondensatoren wurde benammen brûkt yn 'e DC-keppeling as de wichtichste enerzjyboarne. De kar fan elektrolytyske kondensator hinget faak ôf fan:
Foar EMC-prestaasjes binne de wichtichste skaaimerken fan kondensatoren impedânsje- en frekwinsjekarakteristiken. Leechfrekwinsje útfierd emissies binne altyd ôfhinklik fan 'e prestaasjes fan' e DC-linkkondensator.
De impedânsje fan 'e DC-keppeling hinget net allinich ôf fan' e ESR en ESL fan 'e kondensator, mar ek op it gebiet fan' e thermyske lus, lykas werjûn yn figuer 3. In grutter thermysk lusgebiet betsjut dat enerzjyferfier langer duorret, dus prestaasjes sil beynfloede wurde.
In step-down DC-DC converter waard boud om dit te bewizen. De pre-konformiteit EMC-testopstelling werjûn yn figuer 4 fiert in útfierde emisjescan tusken 150kHz en 108MHz.
It is wichtich om te soargjen dat de capacitors brûkt yn dit gefal stúdzje binne allegear fan deselde fabrikant om foar te kommen ferskillen yn impedance skaaimerken. As jo ​​​​de kondensator op 'e PCB soldearje, soargje derfoar dat der gjin lange leads binne, om't dit de ESL fan' e kondensator sil ferheegje. Figuer 5 lit de trije konfiguraasjes sjen.
De útfierde útstjitresultaten fan dizze trije konfiguraasjes wurde werjûn yn figuer 6. It kin sjoen wurde dat, yn ferliking mei in inkele 680 µF-kondensator, de twa 330 µF-kondensatoren in lûdreduksjeprestaasje fan 6 dB berikke oer in breder frekwinsjeberik.
Ut it circuit teory kin sein wurde dat troch it ferbinen fan twa capacitors parallel, sawol ESL en ESR wurde halved. Ut it eachpunt fan fjildteory is d'r net allinich ien enerzjyboarne, mar twa enerzjyboarnen wurde levere oan deselde lading, wat effektyf de totale enerzjyferfiertiid ferminderje. By hegere frekwinsjes sil it ferskil tusken twa 330 µF-kondensatoren en ien 680 µF-kondensator lykwols krimpe. Dit komt om't hege frekwinsje lûd oanjout op ûnfoldwaande stap-enerzjy-antwurd. By it ferpleatsen fan in 330 µF kondensator tichter by de skeakel, ferminderje wy de tiid fan enerzjyferfier, wat effektyf de stapreaksje fan 'e kondensator fergruttet.
It resultaat fertelt ús in heul wichtige les. It fergrutsjen fan de kapasiteit fan in inkele capacitor sil oer it algemien net stypje de stap fraach nei mear enerzjy. As it mooglik is, brûk dan wat lytsere kapasitive komponinten. D'r binne in protte goede redenen foar dit. De earste is kosten. Algemien sprutsen, foar deselde pakketgrutte, nimt de kosten fan in kondensator eksponentieel ta mei de kapasitanswearde. It brûken fan in inkele kondensator kin djoerder wêze as it brûken fan ferskate lytsere kondensatoren. De twadde reden is grutte. De beheinende faktor yn produktûntwerp is normaal de hichte fan 'e komponinten. Foar kondensatoren mei grutte kapasiteit is de hichte faak te grut, wat net geskikt is foar produktûntwerp. De tredde reden is de EMC-prestaasjes dy't wy seagen yn 'e saakstúdzje.
In oare faktor om te beskôgjen by it brûken fan in elektrolytyske kondensator is dat as jo twa kondensatoren yn searje ferbine om de spanning te dielen, jo in balansearjende wjerstân 6 nedich binne.
Lykas earder neamd, keramyske kondensatoren binne miniatuerapparaten dy't fluch enerzjy kinne leverje. Ik wurdt faak frege de fraach "Hofolle kondensator haw ik nedich?" It antwurd op dizze fraach is dat foar keramyske kondensatoren de kapasiteitswearde net sa wichtich wêze moat. De wichtige oerweging hjir is om te bepalen op hokker frekwinsje de enerzjyferfiersnelheid genôch is foar jo applikaasje. As de útfierde útstjit mislearret by 100 MHz, dan sil de kondensator mei de lytste impedânsje by 100 MHz in goede kar wêze.
Dit is in oar misferstân fan MLCC. Ik haw sjoen yngenieurs besteegje in soad enerzjy te kiezen keramyske capacitors mei de leechste ESR en ESL foardat ferbinen de capacitors oan it RF referinsjepunt troch lange spoaren. It is it neamen wurdich dat de ESL fan MLCC normaal folle leger is as de ferbiningsinduktinsje op it boerd. Ferbiningsinduktânsje is noch altyd de wichtichste parameter dy't ynfloed hat op 'e hege frekwinsjeimpedânsje fan keramyske kondensatoren7.
Figuer 7 lit in min foarbyld sjen. Lange spoaren (0,5 inches lang) yntrodusearje op syn minst 10nH inductance. It simulaasjeresultaat lit sjen dat de impedânsje fan 'e kondensator folle heger wurdt as ferwachte op it frekwinsjepunt (50 MHz).
Ien fan 'e problemen mei MLCC's is dat se oanstriid om te resonearjen mei de induktive struktuer op it boerd. Dit kin sjoen wurde yn it foarbyld werjûn yn figuer 8, wêr't it gebrûk fan in 10 µF MLCC resonânsje yntroduseart op sawat 300 kHz.
Jo kinne resonânsje ferminderje troch in komponint te kiezen mei in gruttere ESR of gewoan in wjerstân mei lytse wearde (lykas 1 ohm) yn searje te setten mei in kondensator. Dit soarte metoade brûkt ferliesende komponinten om it systeem te ûnderdrukken. In oare metoade is in gebrûk in oare capacitance wearde te ferpleatsen de resonânsje nei in legere of heger resonânsje punt.
Filmkondensatoren wurde brûkt yn in protte tapassingen. Se binne de kondensatoren fan kar foar DC-DC-konverters mei hege krêft en wurde brûkt as EMI-ûnderdrukkingsfilters oer krêftlinen (AC en DC) en filterkonfiguraasjes foar gewoane modus. Wy nimme in X-kondensator as foarbyld om guon fan 'e haadpunten fan it brûken fan filmkondensatoren te yllustrearjen.
As in surge evenemint optreedt, it helpt te beheinen de peak spanning stress op 'e line, dus it wurdt meastal brûkt mei in transient voltage suppressor (TVS) of metaal okside varistor (MOV).
Jo kinne dit alles al witte, mar wisten jo dat de kapasiteitswearde fan in X-kondensator mei jierren fan gebrûk signifikant fermindere wurde kin? Dit is benammen wier as de kondensator wurdt brûkt yn in fochtige omjouwing. Ik haw sjoen dat de kapasitânsjewearde fan 'e X-kondensator mar binnen in jier as twa sakke nei in pear prosint fan syn nominale wearde, sadat it systeem oarspronklik ûntworpen mei de X-kondensator eins alle beskerming ferlear dy't de front-end-kondensator kin hawwe.
Dus, wat is der bard? Fochtige lucht kin yn 'e kondensator lekke, de draad op en tusken it fak en de epoksy-pottingferbining. De aluminiummetallisaasje kin dan oksidearre wurde. Aluminiumoxide is in goede elektryske isolator, wêrtroch it kapasitânsje ferminderet. Dit is in probleem dat alle filmkondensatoren sille tsjinkomme. It probleem dêr't ik oer praat is filmdikte. Renommearre kondensatormerken brûke dikkere films, wat resulteart yn gruttere kondensatoren as oare merken. De tinnere film makket de kondensator minder robúst foar overload (spanning, stroom of temperatuer), en it is net wierskynlik om himsels te genêzen.
As de X-kondensator net permanint ferbûn is mei de stroomfoarsjenning, dan hoege jo gjin soargen te meitsjen. Bygelyks, foar in produkt dat hat in hurde switch tusken de macht oanbod en de capacitor, grutte kin wêze wichtiger as it libben, en dan kinne jo kieze in tinner capacitor.
As de kondensator lykwols permanint ferbûn is mei de krêftboarne, moat it heul betrouber wêze. De oksidaasje fan kondensatoren is net ûnûntkomber. As de capacitor epoksy materiaal is fan goede kwaliteit en de capacitor wurdt net faak bleatsteld oan ekstreme temperatueren, de drop yn wearde moat wêze minimaal.
Yn dit artikel, earst yntrodusearre de fjild teory werjefte fan capacitors. Praktyske foarbylden en simulaasjeresultaten litte sjen hoe't jo de meast foarkommende kondensatortypen selektearje en brûke. Hoopje dizze ynformaasje kin helpe jo begripe de rol fan capacitors yn elektroanyske en EMC design mear wiidweidich.
Dr Min Zhang is de oprjochter en haad EMC-konsultant fan Mach One Design Ltd, in UK-basearre yngenieurbedriuw spesjalisearre yn EMC-konsultaasje, troubleshooting en training. Syn yngeande kennis yn macht elektroanika, digitale elektroanika, motors en produkt design hat profitearre bedriuwen oer de hiele wrâld.
In Compliance is de wichtichste boarne fan nijs, ynformaasje, ûnderwiis en ynspiraasje foar professionals yn elektryske en elektroanyske technyk.
Aerospace Automotive Communications Consumer Electronics Underwiis Enerzjy en Power Yndustry Ynformaasje technology Medysk Militêr en Nasjonale Definsje