hír

A kondenzátorok az egyik leggyakrabban használt alkatrész az áramköri lapokon. Ahogy az elektronikai eszközök (a mobiltelefonoktól az autókig) száma folyamatosan növekszik, úgy nő a kondenzátorok iránti kereslet is. A Covid 19 világjárvány megszakította a félvezetőktől a passzív alkatrészekig terjedő globális alkatrészellátási láncot, a kondenzátorok pedig hiánycikké váltak1.
A kondenzátorok témájában folytatott megbeszéléseket könnyen könyvvé vagy szótárba lehet alakítani. Először is, vannak különböző típusú kondenzátorok, például elektrolit kondenzátorok, filmkondenzátorok, kerámia kondenzátorok és így tovább. Ezután ugyanabban a típusban különböző dielektromos anyagok vannak. Vannak különböző osztályok is. Ami a fizikai felépítést illeti, két- és háromterminális kondenzátortípusok vannak. Van még egy X2Y típusú kondenzátor, ami lényegében egy pár Y kondenzátor egybe tokozva. Mi a helyzet a szuperkondenzátorokkal? A helyzet az, hogy ha leülsz és elkezded olvasni a nagy gyártók kondenzátorválasztási útmutatóit, könnyen eltöltheted a napot!
Mivel ez a cikk az alapokról szól, a szokásostól eltérő módszert fogok használni. Amint azt korábban említettük, a kondenzátorválasztási útmutatók könnyen megtalálhatók a 3. és 4. beszállítói webhelyeken, és a helyszíni mérnökök általában meg tudják válaszolni a legtöbb kondenzátorral kapcsolatos kérdést. Ebben a cikkben nem ismétlem meg azt, amit az interneten talál, hanem gyakorlati példákon keresztül bemutatom a kondenzátorok kiválasztását és használatát. A kondenzátor kiválasztásának néhány kevésbé ismert vonatkozása, például a kapacitáscsökkenés is szóba kerül. A cikk elolvasása után alaposan meg kell értenie a kondenzátorok használatát.
Évekkel ezelőtt, amikor egy elektronikai berendezéseket gyártó cégnél dolgoztam, volt egy interjúkérdésünk egy teljesítményelektronikai mérnökhöz. A meglévő termék sematikus ábráján megkérdezzük a potenciális jelölteket: „Mi a funkciója a DC kör elektrolitkondenzátorának?” és "Mi a funkciója a chip mellett található kerámia kondenzátornak?" Reméljük a helyes válasz az egyenáramú busz kondenzátor Energiatárolásra, kerámia kondenzátorok szűrésre szolgálnak.
Az általunk keresett „helyes” válasz valójában azt mutatja, hogy a tervezőcsapatban mindenki egyszerű áramköri perspektívából nézi a kondenzátorokat, nem pedig térelméleti szempontból. Az áramkörelmélet nézőpontja nem téves. Alacsony frekvenciákon (néhány kHz-től néhány MHz-ig) az áramkörelmélet általában jól meg tudja magyarázni a problémát. Ennek az az oka, hogy alacsonyabb frekvenciákon a jel főleg differenciális üzemmódban van. Az áramkörelmélet segítségével az 1. ábrán látható kondenzátort láthatjuk, ahol az ekvivalens soros ellenállás (ESR) és az ekvivalens soros induktivitás (ESL) a kondenzátor impedanciáját a frekvencia függvényében változtatja.
Ez a modell teljes mértékben megmagyarázza az áramkör teljesítményét, amikor az áramkört lassan kapcsolják. A gyakoriság növekedésével azonban a dolgok egyre bonyolultabbá válnak. Egy ponton a komponens nemlinearitást mutat. Amikor a frekvencia növekszik, az egyszerű LCR modellnek megvannak a korlátai.
Ma, ha ugyanazt az interjúkérdést tennék fel, felvenném a térelméleti megfigyelőszemüvegemet, és azt mondanám, hogy mindkét kondenzátortípus energiatároló eszköz. A különbség az, hogy az elektrolit kondenzátorok több energiát képesek tárolni, mint a kerámia kondenzátorok. De az energiaátvitel szempontjából a kerámia kondenzátorok gyorsabban képesek energiát továbbítani. Ez megmagyarázza, hogy miért kell kerámia kondenzátorokat elhelyezni a chip mellett, mert a chip nagyobb kapcsolási frekvenciával és kapcsolási sebességgel rendelkezik a fő áramkörhöz képest.
Ebből a szempontból egyszerűen meghatározhatunk két teljesítményszabványt a kondenzátorok számára. Az egyik az, hogy a kondenzátor mennyi energiát képes tárolni, a másik pedig az, hogy ezt az energiát milyen gyorsan tudja átvinni. Mindkettő függ a kondenzátor gyártási módjától, a dielektromos anyagtól, a kondenzátorral való kapcsolattól stb.
Ha az áramkörben a kapcsoló zárva van (lásd a 2. ábrát), az azt jelzi, hogy a terhelésnek energiára van szüksége az áramforrásból. A kapcsoló zárási sebessége határozza meg az energiaigény sürgősségét. Mivel az energia fénysebességgel halad (a fénysebesség fele az FR4 anyagokban), időbe telik az energia átvitele. Ezenkívül impedancia eltérés van a forrás és az átviteli vonal, valamint a terhelés között. Ez azt jelenti, hogy az energia soha nem egy menetben, hanem több oda-vissza menetben kerül átadásra5, ezért ha a kapcsolót gyorsan átkapcsolják, késéseket és csengetést fogunk látni a kapcsolási hullámformában.
2. ábra: Időbe telik, amíg az energia térben terjed; az impedancia eltérése az energiaátvitel többszörös oda-vissza útját okozza.
Az a tény, hogy az energia szállítása időt vesz igénybe, és többszöri oda-vissza út azt jelzi, hogy az energiát a lehető legközelebb kell mozgatnunk a rakományhoz, és meg kell találnunk a módját annak gyors szállítására. Az elsőt általában a terhelés, a kapcsoló és a kondenzátor közötti fizikai távolság csökkentésével érik el. Ez utóbbi a legkisebb impedanciájú kondenzátorok csoportjának összegyűjtésével érhető el.
A térelmélet azt is megmagyarázza, hogy mi okozza a közös módú zajt. Röviden, közös üzemmódú zaj keletkezik, ha a terhelés energiaigényét nem elégítik ki a kapcsolás során. Ezért a terhelés és a közeli vezetők közötti térben tárolt energia a lépésigény kielégítésére szolgál. A terhelés és a közeli vezetők közötti teret parazita/kölcsönös kapacitásnak nevezzük (lásd 2. ábra).
A következő példákat használjuk az elektrolitkondenzátorok, a többrétegű kerámiakondenzátorok (MLCC) és a filmkondenzátorok használatának bemutatására. Mind az áramkör-, mind a térelméletet használják a kiválasztott kondenzátorok teljesítményének magyarázatára.
Az elektrolit kondenzátorokat fő energiaforrásként főként a DC körben használják. Az elektrolitkondenzátor kiválasztása gyakran a következőktől függ:
Az EMC teljesítmény szempontjából a kondenzátorok legfontosabb jellemzői az impedancia és a frekvencia jellemzői. Az alacsony frekvenciájú sugárzás mindig az egyenáramú kör kondenzátorának teljesítményétől függ.
Az egyenáramú kör impedanciája nem csak a kondenzátor ESR és ESL értékétől függ, hanem a hőhurok területétől is, amint az a 3. ábrán látható. A nagyobb termikus hurok területe azt jelenti, hogy az energiaátvitel tovább tart, így a teljesítmény érintett lesz.
Ennek bizonyítására egy fokozatmentes DC-DC átalakítót építettek. A 4. ábrán látható előzetes EMC-teszt beállítás 150 kHz és 108 MHz között végzett emissziós pásztázást végez.
Fontos annak biztosítása, hogy az esettanulmányban használt kondenzátorok mindegyike ugyanattól a gyártótól származzon, hogy elkerüljük az impedancia jellemzőiben mutatkozó különbségeket. A kondenzátor NYÁK-ra forrasztásakor ügyeljen arra, hogy ne legyenek hosszú vezetékek, mert ez megnöveli a kondenzátor ESL-jét. Az 5. ábra a három konfigurációt mutatja.
E három konfiguráció levezetett emissziós eredményeit a 6. ábra mutatja. Látható, hogy egyetlen 680 µF-os kondenzátorral összehasonlítva a két 330 µF-os kondenzátor 6 dB-es zajcsökkentési teljesítményt ér el szélesebb frekvenciatartományban.
Az áramkörelméletből elmondható, hogy két kondenzátor párhuzamos csatlakoztatásával az ESL és az ESR is felére csökken. Térelméleti szempontból nem csak egy energiaforrás létezik, hanem két energiaforrást táplálnak ugyanarra a terhelésre, ami hatékonyan csökkenti a teljes energiaátviteli időt. Magasabb frekvenciákon azonban csökken a különbség két 330 µF-os kondenzátor és egy 680 µF-os kondenzátor között. Ennek az az oka, hogy a nagyfrekvenciás zaj elégtelen lépésenergia-választ jelez. Ha egy 330 µF-os kondenzátort közelebb viszünk a kapcsolóhoz, csökkentjük az energiaátviteli időt, ami hatékonyan növeli a kondenzátor lépésválaszát.
Az eredmény nagyon fontos tanulsággal szolgál számunkra. Egyetlen kondenzátor kapacitásának növelése általában nem támogatja a több energia iránti igényt. Ha lehetséges, használjon kisebb kapacitív komponenseket. Ennek számos jó oka van. Az első a költség. Általánosságban elmondható, hogy azonos csomagméret esetén a kondenzátor költsége exponenciálisan nő a kapacitás értékével. Egyetlen kondenzátor használata drágább lehet, mint több kisebb kondenzátor használata. A második ok a méret. A terméktervezésben a korlátozó tényező általában az alkatrészek magassága. A nagy kapacitású kondenzátorok esetében a magasság gyakran túl nagy, ami nem alkalmas terméktervezésre. A harmadik ok az esettanulmányban tapasztalt EMC teljesítmény.
Egy másik tényező, amelyet figyelembe kell venni az elektrolit kondenzátor használatakor, hogy ha két kondenzátort sorba köt a feszültség megosztása érdekében, szüksége lesz egy 6-os kiegyenlítő ellenállásra.
Mint korábban említettük, a kerámia kondenzátorok miniatűr eszközök, amelyek gyorsan képesek energiát szolgáltatni. Gyakran felteszik nekem a kérdést: "Mekkora kondenzátorra van szükségem?" A kérdésre a válasz az, hogy a kerámia kondenzátorok esetében a kapacitásérték nem lehet olyan fontos. A fontos szempont itt annak meghatározása, hogy az energiaátviteli sebesség milyen frekvencián elegendő az Ön alkalmazásához. Ha a vezetett emisszió 100 MHz-en meghiúsul, akkor a legkisebb impedanciájú kondenzátor 100 MHz-en jó választás lesz.
Ez egy újabb félreértés az MLCC-vel kapcsolatban. Láttam, hogy a mérnökök sok energiát költenek a legalacsonyabb ESR- és ESL-értékkel rendelkező kerámia kondenzátorok kiválasztására, mielőtt a kondenzátorokat hosszú nyomvonalakon keresztül csatlakoztatnák az RF referenciaponthoz. Érdemes megemlíteni, hogy az MLCC ESL-je általában sokkal alacsonyabb, mint a kártya csatlakozási induktivitása. A kerámia kondenzátorok nagyfrekvenciás impedanciáját befolyásoló legfontosabb paraméter még mindig a csatlakozási induktivitás7.
A 7. ábra egy rossz példát mutat. A hosszú nyomvonalak (0,5 hüvelyk hosszúak) legalább 10 nH induktivitást vezetnek be. A szimuláció eredménye azt mutatja, hogy a kondenzátor impedanciája a frekvenciaponton (50 MHz) a vártnál jóval nagyobb lesz.
Az MLCC-kkel kapcsolatos egyik probléma az, hogy hajlamosak rezonálni a tábla induktív struktúrájával. Ez látható a 8. ábrán látható példán, ahol egy 10 µF-os MLCC használata körülbelül 300 kHz-en vezet be rezonanciát.
Csökkentheti a rezonanciát, ha nagyobb ESR-rel rendelkező alkatrészt választ, vagy egyszerűen egy kis értékű ellenállást (például 1 ohmos) sorba állít egy kondenzátorral. Ez a fajta módszer veszteséges összetevőket használ a rendszer elnyomására. Egy másik módszer az, hogy egy másik kapacitásértéket használnak a rezonancia alacsonyabb vagy magasabb rezonanciapontra történő mozgatására.
A filmkondenzátorokat számos alkalmazásban használják. Ezeket a kondenzátorokat választják a nagy teljesítményű DC-DC átalakítókhoz, és EMI-elnyomó szűrőként használják távvezetékeken (AC és DC), valamint közös módú szűrőkonfigurációkban. Példaként egy X kondenzátort veszünk a filmkondenzátorok használatának néhány főbb pontjának szemléltetésére.
Ha túlfeszültség történik, az segít korlátozni a vezeték csúcsfeszültségét, ezért általában tranziens feszültségcsillapítóval (TVS) vagy fém-oxid varisztorral (MOV) használják.
Lehet, hogy mindezt már tudod, de tudtad, hogy egy X kondenzátor kapacitásértéke jelentősen csökkenthető több éves használattal? Ez különösen igaz, ha a kondenzátort nedves környezetben használják. Azt tapasztaltam, hogy az X kondenzátor kapacitásértéke egy-két éven belül csak a névleges értékének néhány százalékára csökken, így az eredetileg X kondenzátorral tervezett rendszer valójában elveszítette az összes védelmet, amely a front-end kondenzátorral rendelkezhet.
Szóval, mi történt? A nedves levegő beszivároghat a kondenzátorba, felfelé a vezetéken, valamint a doboz és az epoxigyanta közé. Az alumínium fémezés ezután oxidálható. Az alumínium-oxid jó elektromos szigetelő, ezáltal csökkenti a kapacitást. Ez egy olyan probléma, amellyel minden filmkondenzátor találkozni fog. A probléma, amiről beszélek, a filmvastagság. A jó hírű kondenzátormárkák vastagabb fóliákat használnak, ami nagyobb kondenzátorokat eredményez, mint más márkák. A vékonyabb film miatt a kondenzátor kevésbé ellenálló a túlterheléssel szemben (feszültség, áram vagy hőmérséklet), és nem valószínű, hogy magától meggyógyul.
Ha az X kondenzátor nincs tartósan csatlakoztatva a tápegységhez, akkor nem kell aggódnia. Például egy olyan terméknél, amelynek a tápegység és a kondenzátor között kemény kapcsoló van, a méret fontosabb lehet, mint az élet, és akkor válasszon vékonyabb kondenzátort.
Ha azonban a kondenzátor állandóan az áramforráshoz van csatlakoztatva, akkor nagyon megbízhatónak kell lennie. A kondenzátorok oxidációja nem elkerülhetetlen. Ha a kondenzátor epoxi anyaga jó minőségű, és a kondenzátor nem gyakran van kitéve szélsőséges hőmérsékletnek, az értékcsökkenésnek minimálisnak kell lennie.
Ebben a cikkben először bemutattuk a kondenzátorok térelméleti nézetét. Gyakorlati példák és szimulációs eredmények mutatják be a leggyakoribb kondenzátortípusok kiválasztását és használatát. Reméljük, hogy ez az információ segít átfogóbb megérteni a kondenzátorok szerepét az elektronikai és az EMC tervezésben.
Dr. Min Zhang a Mach One Design Ltd alapítója és fő EMC-tanácsadója, egy Egyesült Királyságbeli székhelyű mérnöki cég, amely EMC-tanácsadásra, hibaelhárításra és képzésre szakosodott. Mélyreható tudása a teljesítményelektronikában, a digitális elektronikában, a motorokban és a terméktervezésben világszerte a vállalatok számára előnyös.
Az In Compliance a hírek, információk, oktatás és inspiráció fő forrása az elektromos és elektronikai mérnökök számára.
Repülőgépjárművek Kommunikáció Szórakoztató elektronika Oktatás Energetika és áramipar Információs technológia Orvosi Katonai és Honvédelmi