навіны

Кандэнсатары з'яўляюцца адным з найбольш часта выкарыстоўваных кампанентаў на друкаваных поплатках. Колькасць электронных прылад (ад мабільных тэлефонаў да аўтамабіляў) працягвае расці, расце і попыт на кандэнсатары. Пандэмія Covid 19 парушыла глабальны ланцужок паставак кампанентаў з 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, плёнкавыя, керамічныя і гэтак далей. Затым у адным тыпе існуюць розныя дыэлектрычныя матэрыялы. Існуюць таксама розныя класы. Што датычыцца фізічнай структуры, то існуюць тыпы кандэнсатараў з двума і трыма клемамі. Таксама існуе кандэнсатар тыпу X2Y, які па сутнасці ўяўляе сабой пару кандэнсатараў Y, герметызаваных у адзін. Што наконт суперкандэнсатараў ?Справа ў тым, што калі вы сядзеце і пачнеце чытаць інструкцыі па выбары кандэнсатараў ад асноўных 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, а інжынеры звычайна могуць адказаць на большасць пытанняў аб кандэнсатарах. У гэтым артыкуле Я не буду паўтараць тое, што можна знайсці ў Інтэрнеце, але прадэманструю, як выбіраць і выкарыстоўваць кандэнсатары на практычных прыкладах. Некаторыя менш вядомыя аспекты выбару кандэнсатараў, такія як зніжэнне ёмістасці, таксама будуць разгледжаны. Пасля прачытання гэтага артыкула вы павінны добра разумець выкарыстанне кандэнсатараў.
Некалькі 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: «Якая функцыя электралітычнага звяна пастаяннага току кандэнсатар?» і «Якая функцыя керамічнага кандэнсатара побач з мікрасхемай?» Мы спадзяемся, што правільны адказ - кандэнсатар шыны пастаяннага току, які выкарыстоўваецца для назапашвання энергіі, керамічныя кандэнсатары выкарыстоўваюцца для фільтрацыі.
«Правільны» адказ, які мы шукаем, насамрэч паказвае, што ўсе ў камандзе дызайнераў разглядаюць кандэнсатары з пункту гледжання простай схемы, а не з пункту гледжання тэорыі поля. Пункт гледжання тэорыі схемы 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 бачым 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 ланцуга пры павольным пераключэнні ланцуга. Аднак з павелічэннем частаты ўсё ўскладняецца. У нейкі момант кампанент пачынае дэманстраваць нелінейнасць. Калі частата павялічваецца, простая мадэль LCR мае свае абмежаванні.
Сёння, калі б мне задалі такое ж пытанне ў інтэрв'ю, я б надзеў акуляры для тэорыі поля і сказаў, што абодва тыпы 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 трэба 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. Абодва залежаць ад спосабу вытворчасці кандэнсатара, дыэлектрычнага матэрыялу, сувязь з кандэнсатарам, і гэтак далей.
Калі перамыкач у ланцугу замкнёны (гл. малюнак 2), гэта сведчыць аб тым, што нагрузцы патрэбна энергія ад крыніцы сілкавання. Хуткасць, з якой гэты перамыкач замыкаецца, вызначае тэрміновасць патрэбы ў энергіі. Паколькі энергія рухаецца з хуткасцю святла (палова хуткасць 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 перададзена за адну паездку, а за некалькі туды-назад5, таму, калі пераключальнік хутка пераключаецца, мы бачым 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 для перадачы энергіі патрабуецца час і некалькі зваротных паездак, кажа нам, што нам трэба размясціць крыніцу энергіі як мага бліжэй да нагрузкі, і нам трэба знайсці спосаб хуткай перадачы энергіі. Першае звычайна дасягаецца шляхам памяншэння фізічнага адлегласць паміж нагрузкай, выключальнікам і кандэнсатарам. Апошні дасягаецца шляхам збору групы кандэнсатараў з найменшым супрацівам.
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 падтрымкі 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 схемы, 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 пацвердзіць гэта, быў пабудаваны паніжальны пераўтваральнік пастаяннага току ў пастаянны. Устаноўка тэсту EMC перад адпаведнасцю, паказаная на малюнку 4, выконвае сканаванне 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 кандэнсатар. 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 , эфектыўна скарачаючы агульны час перадачы энергіі. Аднак на больш высокіх частотах розніца паміж двума кандэнсатарамі 330 мкФ і адным кандэнсатарам 680 мкФ будзе памяншацца. Гэта таму, што высокачашчынны шум паказвае на недастатковую энергетычную рэакцыю кроку. Пры перамяшчэнні кандэнсатара 330 мкФ бліжэй да перамыкач, мы памяншаем час перадачы энергіі, што эфектыўна павялічвае крокавую характарыстыку кандэнсатара.
Вынік дае нам вельмі важны ўрок. Павелічэнне ёмістасці аднаго кандэнсатара, як правіла, не падтрымлівае ступенчаты попыт на больш энергіі. Калі магчыма, выкарыстоўвайце некалькі меншых ёмістных кампанентаў. Для гэтага ёсць шмат важкіх прычын. Першая - кошт. кажучы, пры аднолькавым памеры ўпакоўкі кошт кандэнсатара ўзрастае ў геаметрычнай прагрэсіі са значэннем ёмістасці. Выкарыстанне аднаго кандэнсатара можа быць даражэйшым, 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 для канструкцыі прадукту. Трэцяя прычына - прадукцыйнасць ЭМС, 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 згадвалася раней, керамічныя кандэнсатары - гэта мініяцюрныя прылады, якія могуць хутка забяспечваць 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 імпедансам на 100 МГц.
Гэта яшчэ адно памылковае разуменне 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.
На малюнку 7 паказаны дрэнны прыклад. Доўгія трасы (даўжынёй 0,5 цалі) ствараюць індуктыўнасць не менш за 10 нГн. Вынікі мадэлявання паказваюць, што імпеданс кандэнсатара становіцца значна вышэйшым, чым чакалася, на частаце (50 МГц).
Адной з праблем з MLCC з'яўляецца тое, што яны, як правіла, рэзаніруюць з індуктыўнай структурай на плаце. Гэта відаць на прыкладзе, паказаным на малюнку 8, дзе выкарыстанне 10 мкФ MLCC 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). У гэтым тыпе метаду для падаўлення сістэмы выкарыстоўваюцца кампаненты са стратамі. Іншы метад - выкарыстоўваць іншую ёмістасць значэнне для перамяшчэння рэзанансу да больш нізкай або больш высокай кропкі рэзанансу.
Плёнкавыя кандэнсатары выкарыстоўваюцца ў многіх сферах прымянення. Яны з'яўляюцца кандэнсатарамі выбару для магутных пераўтваральнікаў пастаяннага току і пастаяннага току і выкарыстоўваюцца ў якасці фільтраў для падаўлення электрамагнітных перашкод у лініях электраперадач (пераменнага і пастаяннага току) і ў канфігурацыях синфазнай фільтрацыі. Мы прымаем кандэнсатар X у якасці прыклад для ілюстрацыі некаторых асноўных момантаў 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).
Вы, магчыма, ужо ведаеце ўсё гэта, 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 значэнне ёмістасці кандэнсатар X падае толькі да некалькіх працэнтаў ад намінальнага значэння на працягу аднаго-двух гадоў, таму сістэма, першапачаткова распрацаваная з кандэнсатарам X, фактычна страціла ўсю абарону, якую мог мець кандэнсатар пярэдняга канца.
Такім чынам, што здарылася? Вільготнае паветра можа прасочвацца ў кандэнсатар, уверх па дроце і паміж скрынкай і эпаксідным заліваннем. Алюмініевая металізацыя можа быць акіслена. Аксід алюмінію з'яўляецца добрым электрычным ізалятарам, тым самым памяншаючы ёмістасць. Гэта праблема, якая сутыкнуцца ўсе плёнкавыя кандэнсатары. Праблема, пра якую я кажу, - гэта таўшчыня плёнкі. Аўтарытэтныя брэнды кандэнсатараў выкарыстоўваюць больш тоўстыя плёнкі, у выніку чаго кандэнсатары большага аб'ёму, чым іншыя брэнды. Больш тонкая плёнка робіць кандэнсатар менш устойлівым да перагрузкі (напружанне, ток або тэмпература), і наўрад ці вылечыцца сам.
Калі кандэнсатар X не пастаянна падлучаны да крыніцы сілкавання, вам не трэба турбавацца. Напрыклад, для прадукту, які мае жорсткае пераключэнне паміж крыніцай сілкавання 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 сілкавання, 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 значэнне павінна быць мінімальным.
У гэтым артыкуле мы ўпершыню прадставілі кандэнсатары з пункту гледжання тэорыі поля. Практычныя прыклады і вынікі мадэлявання паказваюць, як выбіраць і выкарыстоўваць найбольш распаўсюджаныя тыпы кандэнсатараў. Спадзяюся, гэтая інфармацыя дапаможа вам больш поўна зразумець ролю кандэнсатараў у распрацоўцы электронікі і ЭМС.
Доктар Мін Чжан з'яўляецца заснавальнікам і галоўным кансультантам па электрамагнітнай суміснасці Mach One Design Ltd, інжынірынгавай кампаніі ў Вялікабрытаніі, якая спецыялізуецца на кансалтынгу па электрамагнітнай суміснасці, ліквідацыі непаладак і навучанні. Яго глыбокія веды ў сілавой электроніцы, лічбавай электроніцы, рухавіках і дызайне вырабаў прынеслі карысць кампаній 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