навіны

Кандэнсатары - адзін з найбольш часта выкарыстоўваюцца кампанентаў на друкаваных поплатках. Паколькі колькасць электронных прылад (ад мабільных тэлефонаў да аўтамабіляў) працягвае павялічвацца, расце і попыт на кандэнсатары. Пандэмія Covid 19 парушыла глабальны ланцужок паставак кампанентаў ад паўправаднікоў да пасіўных кампанентаў, і кандэнсатары былі ў дэфіцыце1.
Дыскусіі на тэму кандэнсатараў можна лёгка ператварыць у кнігу або слоўнік. Па-першае, існуюць розныя тыпы кандэнсатараў, такія як электралітычныя кандэнсатары, плёнкавыя кандэнсатары, керамічныя кандэнсатары і гэтак далей. Затым, у тым жа тыпе, ёсць розныя дыэлектрычныя матэрыялы. Ёсць таксама розныя класы. Што тычыцца фізічнай структуры, то кандэнсатары бываюць з двума і трыма клемамі. Існуе таксама кандэнсатар тыпу X2Y, які, па сутнасці, уяўляе сабой пару Y-кандэнсатараў, заключаных у адзін. А як наконт суперкандэнсатараў? Справа ў тым, што калі вы сядзеце і пачнеце чытаць кіраўніцтва па выбары кандэнсатараў ад буйных вытворцаў, вы можаце лёгка правесці дзень!
Паколькі гэты артыкул прысвечаны асновам, я буду выкарыстоўваць іншы метад, як звычайна. Як згадвалася раней, кіраўніцтва па выбары кандэнсатараў можна лёгка знайсці на вэб-сайтах пастаўшчыкоў 3 і 4, і інжынеры звычайна могуць адказаць на большасць пытанняў аб кандэнсатарах. У гэтым артыкуле я не буду паўтараць тое, што можна знайсці ў інтэрнэце, а на практычных прыкладах пакажу, як выбіраць і выкарыстоўваць кандэнсатары. Таксама будуць разгледжаны некаторыя менш вядомыя аспекты выбару кандэнсатараў, такія як пагаршэнне ёмістасці. Прачытаўшы гэты артыкул, вы павінны добра разумець выкарыстанне кандэнсатараў.
Шмат гадоў таму, калі я працаваў у кампаніі, якая вырабляла электроннае абсталяванне, у нас было пытанне на інтэрв'ю для інжынера па сілавой электроніцы. На прынцыповай схеме існуючага прадукту мы спытаем патэнцыйных кандыдатаў: "Якую функцыю выконвае электралітычны кандэнсатар звяна пастаяннага току?" і «Якую функцыю выконвае керамічны кандэнсатар, размешчаны побач з чыпам?» Мы спадзяемся, што правільны адказ - кандэнсатар шыны пастаяннага току, які выкарыстоўваецца для назапашвання энергіі, керамічныя кандэнсатары выкарыстоўваюцца для фільтрацыі.
«Правільны» адказ, які мы шукаем, на самай справе паказвае, што ўсе члены каманды дызайнераў разглядаюць кандэнсатары з пункту гледжання простай схемы, а не з пункту гледжання тэорыі поля. Пункт гледжання тэорыі схем не памылковы. На нізкіх частотах (ад некалькіх кГц да некалькіх МГц) тэорыя схемы звычайна можа добра растлумачыць праблему. Гэта таму, што на больш нізкіх частотах сігнал у асноўным знаходзіцца ў дыферэнцыяльным рэжыме. Выкарыстоўваючы тэорыю схемы, мы можам убачыць кандэнсатар, паказаны на малюнку 1, дзе эквівалентнае паслядоўнае супраціўленне (ESR) і эквівалентная паслядоўная індуктыўнасць (ESL) прымушаюць імпеданс кандэнсатара змяняцца з частатой.
Гэтая мадэль цалкам тлумачыць прадукцыйнасць схемы, калі схема пераключаецца павольна. Аднак з павелічэннем частаты ўсё становіцца ўсё больш і больш складана. У нейкі момант кампанент пачынае дэманстраваць нелінейнасць. Калі частата павялічваецца, простая мадэль LCR мае свае абмежаванні.
Сёння, калі б мне задалі такое ж пытанне на інтэрв'ю, я б надзеў акуляры для тэорыі поля і сказаў, што абодва тыпу кандэнсатараў з'яўляюцца назапашвальнікамі энергіі. Розніца ў тым, што электралітычныя кандэнсатары могуць захоўваць больш энергіі, чым керамічныя. Але з пункту гледжання перадачы энергіі керамічныя кандэнсатары могуць перадаваць энергію хутчэй. Гэта тлумачыць, чаму керамічныя кандэнсатары неабходна размяшчаць побач з чыпам, таму што чып мае больш высокую частату пераключэння і хуткасць пераключэння ў параўнанні з асноўным ланцугом харчавання.
З гэтага пункту гледжання, мы можам проста вызначыць два стандарты прадукцыйнасці для кандэнсатараў. Адзін - колькі энергіі можа захоўваць кандэнсатар, а другі - наколькі хутка гэтая энергія можа перадавацца. І тое, і іншае залежыць ад спосабу вытворчасці кандэнсатара, дыэлектрычнага матэрыялу, злучэння з кандэнсатарам і г.д.
Калі перамыкач у ланцугу замкнёны (гл. малюнак 2), гэта паказвае, што нагрузцы патрэбна энергія ад крыніцы харчавання. Хуткасць, з якой замыкаецца гэты выключальнік, вызначае тэрміновасць патрэбы ў энергіі. Паколькі энергія рухаецца з хуткасцю святла (палова хуткасці святла ў матэрыялах FR4), для перадачы энергіі патрабуецца час. Акрамя таго, існуе неадпаведнасць імпедансу паміж крыніцай і лініяй перадачы і нагрузкай. Гэта азначае, што энергія ніколі не будзе перадавацца за адну паездку, а будзе перададзена ў некалькі зваротных паездак5, таму пры хуткім пераключэнні мы ўбачым затрымкі і звон у форме сігналу пераключэння.
Малюнак 2: Для распаўсюджвання энергіі ў прасторы патрабуецца час; неадпаведнасць імпедансу выклікае некалькі зваротных паездак перадачы энергіі.
Той факт, што дастаўка энергіі патрабуе часу і некалькіх зваротных паездак, кажа нам, што нам трэба перамясціць энергію як мага бліжэй да нагрузкі, і нам трэба знайсці спосаб яе хутка даставіць. Першы звычайна дасягаецца шляхам памяншэння фізічнай адлегласці паміж нагрузкай, выключальнікам і кандэнсатарам. Апошняе дасягаецца шляхам збору групы кандэнсатараў з найменшым імпедансам.
Тэорыя поля таксама тлумачыць, што выклікае сінфазны шум. Карацей кажучы, сінфазны шум утвараецца, калі патрэба нагрузкі ў энергіі не задавальняецца падчас пераключэння. Такім чынам, энергія, назапашаная ў прасторы паміж нагрузкай і бліжэйшымі праваднікамі, будзе забяспечвацца для падтрымання крокавага попыту. Прастора паміж нагрузкай і бліжэйшымі праваднікамі - гэта тое, што мы называем паразітнай/узаемнай ёмістасцю (гл. малюнак 2).
Мы выкарыстоўваем наступныя прыклады, каб прадэманстраваць, як выкарыстоўваць электралітычныя кандэнсатары, шматслойныя керамічныя кандэнсатары (MLCC) і плёнкавыя кандэнсатары. Для тлумачэння характарыстык выбраных кандэнсатараў выкарыстоўваюцца як тэорыя ланцугоў, так і тэорыя поля.
Электралітычныя кандэнсатары ў асноўным выкарыстоўваюцца ў звяне пастаяннага току ў якасці асноўнай крыніцы энергіі. Выбар электралітычнага кандэнсатара часта залежыць ад:
Для прадукцыйнасці ЭМС найбольш важнымі характарыстыкамі кандэнсатараў з'яўляюцца імпеданс і частотныя характарыстыкі. Нізкачашчынныя кандуктыўныя выпраменьванні заўсёды залежаць ад прадукцыйнасці кандэнсатара звяна пастаяннага току.
Імпеданс звяна пастаяннага току залежыць не толькі ад ESR і ESL кандэнсатара, але і ад плошчы цеплавога контуру, як паказана на малюнку 3. Большая плошча цеплавога контуру азначае, што перадача энергіі займае больш часу, таму прадукцыйнасць будуць закрануты.
Каб даказаць гэта, быў пабудаваны паніжальны пераўтваральнік пастаяннага току ў пастаянны. Тэст EMC перад адпаведнасцю, паказаны на малюнку 4, выконвае сканіраванне кандуктыўнага выпраменьвання ў дыяпазоне ад 150 кГц да 108 МГц.
Важна пераканацца, што ўсе кандэнсатары, якія выкарыстоўваюцца ў гэтым прыкладзе, ад аднаго вытворцы, каб пазбегнуць адрозненняў у характарыстыках імпедансу. Пры пайцы кандэнсатара на друкаванай плаце пераканайцеся, што няма доўгіх вывадаў, бо гэта павялічыць ESL кандэнсатара. На малюнку 5 паказаны тры канфігурацыі.
Вынікі кандуктыўнага выпраменьвання гэтых трох канфігурацый паказаны на малюнку 6. Відаць, што ў параўнанні з адным кандэнсатарам 680 мкФ, два кандэнсатары 330 мкФ дасягаюць шумапрыглушэння на 6 дБ у больш шырокім дыяпазоне частот.
З тэорыі схемы можна сказаць, што пры паралельным злучэнні двух кандэнсатараў ESL і ESR памяншаюцца ўдвая. З пункту гледжання тэорыі поля існуе не толькі адна крыніца энергіі, але дзве крыніцы энергіі падключаюцца да адной і той жа нагрузкі, што эфектыўна скарачае агульны час перадачы энергіі. Аднак пры больш высокіх частотах розніца паміж двума кандэнсатарамі 330 мкФ і адным кандэнсатарам 680 мкФ будзе скарачацца. Гэта таму, што высокачашчынны шум паказвае на недастатковую энергетычную рэакцыю кроку. Пры перамяшчэнні кандэнсатара 330 мкФ бліжэй да выключальніка мы памяншаем час перадачы энергіі, што эфектыўна павялічвае крокавую характарыстыку кандэнсатара.
Вынік дае нам вельмі важны ўрок. Павелічэнне ёмістасці аднаго кандэнсатара, як правіла, не забяспечвае ступенчаты попыт на больш энергіі. Калі магчыма, выкарыстоўвайце некалькі меншых ёмістных кампанентаў. Для гэтага ёсць шмат важкіх прычын. Першае - кошт. Наогул кажучы, пры аднолькавым памеры ўпакоўкі кошт кандэнсатара павялічваецца ў геаметрычнай прагрэсіі разам са значэннем ёмістасці. Выкарыстанне аднаго кандэнсатара можа быць даражэй, чым выкарыстанне некалькіх меншых кандэнсатараў. Другая прычына - памер. Абмежавальным фактарам у канструкцыі прадукту звычайна з'яўляецца вышыня кампанентаў. Для кандэнсатараў вялікай ёмістасці вышыня часта занадта вялікая, што не падыходзіць для канструкцыі прадукту. Трэцяя прычына - прадукцыйнасць EMC, якую мы бачылі ў тэматычным даследаванні.
Яшчэ адзін фактар, які трэба ўлічваць пры выкарыстанні электралітычнага кандэнсатара, - гэта тое, што пры паслядоўным злучэнні двух кандэнсатараў для размеркавання напружання вам спатрэбіцца балансіруючы рэзістар 6.
Як было сказана раней, керамічныя кандэнсатары - гэта мініяцюрныя прылады, здольныя хутка даць энергію. Мне часта задаюць пытанне: «Колькі кандэнсатара мне трэба?» Адказ на гэтае пытанне заключаецца ў тым, што для керамічных кандэнсатараў значэнне ёмістасці не павінна быць такім важным. Тут важна вызначыць, на якой частаце хуткасць перадачы энергіі дастатковая для вашага прымянення. Калі кандуктыўнае выпраменьванне не працуе на 100 МГц, то добрым выбарам будзе кандэнсатар з найменшым супрацівам на 100 МГц.
Гэта яшчэ адно непаразуменне MLCC. Я бачыў, як інжынеры марнавалі шмат энергіі на выбар керамічных кандэнсатараў з самым нізкім ESR і ESL, перш чым падключаць кандэнсатары да апорнай кропкі ВЧ праз доўгія трасы. Варта адзначыць, што ESL MLCC звычайна значна ніжэй, чым індуктыўнасць злучэння на плаце. Індуктыўнасць злучэння па-ранейшаму з'яўляецца найбольш важным параметрам, які ўплывае на высокачашчынны імпеданс керамічных кандэнсатараў7.
Малюнак 7 паказвае дрэнны прыклад. Доўгія сляды (даўжынёй 0,5 цалі) уносяць індуктыўнасць не менш за 10 нГн. Вынік мадэлявання паказвае, што імпеданс кандэнсатара становіцца значна большым, чым чакалася, на частаце (50 МГц).
Адна з праблем MLCC заключаецца ў тым, што яны, як правіла, рэзаніруюць з індуктыўнай структурай на дошцы. Гэта відаць на прыкладзе, паказаным на малюнку 8, дзе выкарыстанне MLCC 10 мкФ уводзіць рэзананс прыблізна на 300 кГц.
Вы можаце паменшыць рэзананс, выбраўшы кампанент з большым ESR або проста падключыўшы паслядоўна з кандэнсатарам рэзістар малога значэння (напрыклад, 1 Ом). Гэты тып метаду выкарыстоўвае кампаненты са стратамі для падаўлення сістэмы. Іншы метад заключаецца ў выкарыстанні іншага значэння ёмістасці для перамяшчэння рэзанансу ў больш нізкую ці высокую кропку рэзанансу.
Плёнкавыя кандэнсатары выкарыстоўваюцца ў многіх сферах прымянення. Яны з'яўляюцца кандэнсатарамі выбару для магутных пераўтваральнікаў пастаяннага току ў пастаянны ток і выкарыстоўваюцца ў якасці фільтраў для падаўлення электрамагнітных перашкод у лініях электраперадач (пераменнага і пастаяннага току) і канфігурацыях синфазнай фільтрацыі. Мы бярэм у якасці прыкладу кандэнсатар X, каб праілюстраваць некаторыя асноўныя моманты выкарыстання плёнкавых кандэнсатараў.
У выпадку перанапружання гэта дапамагае абмежаваць пікавае напружанне на лініі, таму звычайна выкарыстоўваецца з супрэсарам пераходнага напружання (TVS) або варыстарам з аксіду металу (MOV).
Магчыма, вы ўсё гэта ўжо ведаеце, але ці ведаеце вы, што значэнне ёмістасці кандэнсатара X можа значна зменшыцца з гадамі выкарыстання? Гэта асабліва дакладна, калі кандэнсатар выкарыстоўваецца ў вільготным асяроддзі. Я бачыў, як значэнне ёмістасці кандэнсатара X падала толькі да некалькіх працэнтаў ад намінальнага значэння на працягу аднаго-двух гадоў, так што сістэма, першапачаткова распрацаваная з кандэнсатарам X, фактычна страціла ўсю абарону, якую мог мець кандэнсатар пярэдняга канца.
Дык што здарылася? Вільготнае паветра можа прасочвацца ў кандэнсатар, уверх па дроце і паміж скрынкай і эпаксіднай заліўной сумессю. Алюмініевая металізацыя можа быць акіслена. Гліназём з'яўляецца добрым электрычным ізалятарам, тым самым памяншаючы ёмістасць. Гэта праблема, з якой сутыкаюцца ўсе плёнкавыя кандэнсатары. Праблема, пра якую я кажу, - гэта таўшчыня плёнкі. Паважаныя брэнды кандэнсатараў выкарыстоўваюць больш тоўстыя плёнкі, у выніку чаго кандэнсатары большага аб'ёму, чым іншыя брэнды. Больш тонкая плёнка робіць кандэнсатар менш устойлівым да перагрузак (напружання, току або тэмпературы), і ён наўрад ці зможа аднавіцца сам.
Калі кандэнсатар X не падлучаны пастаянна да крыніцы харчавання, то вам не трэба турбавацца. Напрыклад, для прадукту, які мае жорсткае пераключэнне паміж крыніцай харчавання і кандэнсатарам, памер можа быць больш важным, чым тэрмін службы, і тады вы можаце выбраць больш тонкі кандэнсатар.
Аднак калі кандэнсатар пастаянна падлучаны да крыніцы харчавання, ён павінен быць вельмі надзейным. Акісленне кандэнсатараў не з'яўляецца непазбежным. Калі эпаксідны матэрыял кандэнсатара добрай якасці і кандэнсатар не часта падвяргаецца ўздзеянню экстрэмальных тэмператур, падзенне значэння павінна быць мінімальным.
У гэтым артыкуле ўпершыню прадстаўлены кандэнсатары з тэорыі поля. Практычныя прыклады і вынікі мадэлявання паказваюць, як выбіраць і выкарыстоўваць найбольш распаўсюджаныя тыпы кандэнсатараў. Спадзяюся, што гэтая інфармацыя дапаможа вам больш поўна зразумець ролю кандэнсатараў у распрацоўцы электронікі і ЭМС.
Доктар Мін Чжан з'яўляецца заснавальнікам і галоўным кансультантам па электрасувязі Mach One Design Ltd, інжынірынгавай кампаніі ў Вялікабрытаніі, якая спецыялізуецца на кансультацыі па электрасувязі, ліквідацыі непаладак і навучанні. Яго глыбокія веды ў галіне сілавы электронікі, лічбавай электронікі, рухавікоў і дызайну прадукцыі прынеслі карысць кампаніям па ўсім свеце.
In Compliance з'яўляецца асноўнай крыніцай навін, інфармацыі, адукацыі і натхнення для спецыялістаў у галіне электрычнай і электроннай тэхнікі.
Аэракасмічная прамысловасць Аўтамабільная сувязь Бытавая электроніка Адукацыя Энергетыка і электраэнергетыка Інфармацыйныя тэхналогіі Медыцына Ваенная і нацыянальная абарона