lajme

Kondensatorët janë një nga komponentët më të përdorur në bordet e qarkut. Ndërsa numri i pajisjeve elektronike (nga telefonat celularë te makinat) vazhdon të rritet, po ashtu rritet edhe kërkesa për kondensatorë. Pandemia e Covid 19 ka ndërprerë zinxhirin global të furnizimit të komponentëve nga gjysmëpërçuesit në komponentët pasivë, dhe kondensatorët kanë qenë në mungesë1.
Diskutimet mbi temën e kondensatorëve mund të shndërrohen lehtësisht në një libër ose fjalor. Së pari, ekzistojnë lloje të ndryshme kondensatorësh, si kondensatorë elektrolitikë, kondensatorë filmikë, kondensatorë qeramikë etj. Pastaj, në të njëjtin lloj, ka materiale të ndryshme dielektrike. Ka edhe klasa të ndryshme. Sa i përket strukturës fizike, ekzistojnë lloje të kondensatorëve me dy terminale dhe tre terminale. Ekziston edhe një kondensator i tipit X2Y, i cili në thelb është një palë kondensatorësh Y të mbyllur në një. Po në lidhje me superkondensatorët? Fakti është se nëse uleni dhe filloni të lexoni udhëzues për zgjedhjen e kondensatorëve nga prodhuesit kryesorë, mund ta kaloni lehtësisht ditën!
Meqenëse ky artikull ka të bëjë me bazat, unë do të përdor një metodë tjetër si zakonisht. Siç u përmend më herët, udhëzuesit e përzgjedhjes së kondensatorëve mund të gjenden lehtësisht në faqet e internetit të furnizuesve 3 dhe 4, dhe inxhinierët e fushës zakonisht mund t'i përgjigjen shumicës së pyetjeve në lidhje me kondensatorët. Në këtë artikull, unë nuk do të përsëris atë që mund të gjeni në internet, por do të demonstroj se si të zgjidhni dhe përdorni kondensatorët përmes shembujve praktikë. Disa aspekte më pak të njohura të përzgjedhjes së kondensatorëve, siç është degradimi i kapacitetit, do të mbulohen gjithashtu. Pasi të keni lexuar këtë artikull, duhet të keni një kuptim të mirë të përdorimit të kondensatorëve.
Vite më parë, kur punoja në një kompani që prodhonte pajisje elektronike, kishim një pyetje interviste për një inxhinier elektronik të energjisë. Në diagramin skematik të produktit ekzistues, ne do të pyesim kandidatët e mundshëm "Cili është funksioni i kondensatorit elektrolitik të lidhjes DC?" dhe "Cili është funksioni i kondensatorit qeramik i vendosur pranë çipit?" Shpresojmë që përgjigja e saktë të jetë kondensatori i autobusit DC I përdorur për ruajtjen e energjisë, kondensatorët qeramikë përdoren për filtrim.
Përgjigja "e saktë" që kërkojmë tregon në fakt se të gjithë në ekipin e projektimit i shikojnë kondensatorët nga një këndvështrim i thjeshtë qarku, jo nga një këndvështrim i teorisë së fushës. Pikëpamja e teorisë së qarkut nuk është e gabuar. Në frekuenca të ulëta (nga disa kHz në disa MHz), teoria e qarkut zakonisht mund ta shpjegojë mirë problemin. Kjo për shkak se në frekuenca më të ulëta, sinjali është kryesisht në modalitetin diferencial. Duke përdorur teorinë e qarkut, mund të shohim kondensatorin e paraqitur në Figurën 1, ku rezistenca ekuivalente e serisë (ESR) dhe induktiviteti i serisë ekuivalente (ESL) bëjnë që impedanca e kondensatorit të ndryshojë me frekuencën.
Ky model shpjegon plotësisht performancën e qarkut kur qarku ndërrohet ngadalë. Megjithatë, me rritjen e frekuencës, gjërat bëhen gjithnjë e më të ndërlikuara. Në një moment, komponenti fillon të tregojë jolinearitet. Kur frekuenca rritet, modeli i thjeshtë LCR ka kufizimet e veta.
Sot, nëse do të më bënin të njëjtën pyetje interviste, do të vishja syzet e vëzhgimit të teorisë së fushës dhe do të thoja që të dy llojet e kondensatorëve janë pajisje të ruajtjes së energjisë. Dallimi është se kondensatorët elektrolitikë mund të ruajnë më shumë energji sesa kondensatorët qeramikë. Por për sa i përket transmetimit të energjisë, kondensatorët qeramikë mund të transmetojnë energji më shpejt. Kjo shpjegon pse kondensatorët qeramikë duhet të vendosen pranë çipit, sepse çipi ka një frekuencë komutimi dhe shpejtësi më të lartë të kalimit në krahasim me qarkun kryesor të energjisë.
Nga ky këndvështrim, ne thjesht mund të përcaktojmë dy standarde të performancës për kondensatorët. Njëra është se sa energji mund të ruajë kondensatori dhe tjetra është se sa shpejt mund të transferohet kjo energji. Të dyja varen nga metoda e prodhimit të kondensatorit, materiali dielektrik, lidhja me kondensatorin etj.
Kur çelësi në qark është i mbyllur (shih Figurën 2), kjo tregon se ngarkesa ka nevojë për energji nga burimi i energjisë. Shpejtësia me të cilën mbyllet ky çelës përcakton urgjencën e kërkesës për energji. Meqenëse energjia udhëton me shpejtësinë e dritës (gjysma e shpejtësisë së dritës në materialet FR4), duhet kohë për të transferuar energji. Përveç kësaj, ekziston një mospërputhje e rezistencës midis burimit dhe linjës së transmetimit dhe ngarkesës. Kjo do të thotë se energjia nuk do të transferohet kurrë në një udhëtim, por në udhëtime të shumta vajtje-ardhje5, kjo është arsyeja pse kur çelësi ndërrohet shpejt, do të shohim vonesa dhe zile në formën e valës së ndërrimit.
Figura 2: Duhet kohë që energjia të përhapet në hapësirë; Mospërputhja e rezistencës shkakton udhëtime të shumta vajtje-ardhje të transferimit të energjisë.
Fakti që shpërndarja e energjisë kërkon kohë dhe udhëtime të shumta vajtje-ardhje na tregon se ne duhet ta zhvendosim energjinë sa më afër ngarkesës dhe duhet të gjejmë një mënyrë për ta shpërndarë atë shpejt. E para zakonisht arrihet duke zvogëluar distancën fizike midis ngarkesës, ndërprerësit dhe kondensatorit. Kjo e fundit arrihet duke mbledhur një grup kondensatorësh me impedancën më të vogël.
Teoria e fushës shpjegon gjithashtu se çfarë shkakton zhurmën e modalitetit të zakonshëm. Me pak fjalë, zhurma e modalitetit të zakonshëm gjenerohet kur kërkesa për energji e ngarkesës nuk plotësohet gjatë ndërrimit. Prandaj, energjia e ruajtur në hapësirën midis ngarkesës dhe përcjellësve afër do të sigurohet për të mbështetur kërkesën e hapit. Hapësira ndërmjet ngarkesës dhe përcjellësve afër është ajo që ne e quajmë kapacitet parazitar/reciprok (shih Figurën 2).
Ne përdorim shembujt e mëposhtëm për të demonstruar se si të përdorim kondensatorët elektrolitikë, kondensatorët qeramikë me shumë shtresa (MLCC) dhe kondensatorët e filmit. Si teoria e qarkut ashtu edhe ajo e fushës përdoren për të shpjeguar performancën e kondensatorëve të zgjedhur.
Kondensatorët elektrolitikë përdoren kryesisht në lidhjen DC si burimi kryesor i energjisë. Zgjedhja e kondensatorit elektrolitik shpesh varet nga:
Për performancën EMC, karakteristikat më të rëndësishme të kondensatorëve janë karakteristikat e rezistencës dhe frekuencës. Emetimet e kryera me frekuencë të ulët varen gjithmonë nga performanca e kondensatorit të lidhjes DC.
Impedanca e lidhjes DC varet jo vetëm nga ESR dhe ESL e kondensatorit, por edhe nga zona e lakut termik, siç tregohet në figurën 3. Një zonë më e madhe e lakut termik do të thotë që transferimi i energjisë zgjat më shumë, kështu që performanca do të preken.
Një konvertues DC-DC në rënie u ndërtua për ta vërtetuar këtë. Konfigurimi i testit EMC para-përputhshmërisë i paraqitur në Figurën 4 kryen një skanim të kryer emetimi midis 150 kHz dhe 108 MHz.
Është e rëndësishme të sigurohet që kondensatorët e përdorur në këtë rast studimi janë të gjithë nga i njëjti prodhues për të shmangur ndryshimet në karakteristikat e rezistencës. Kur bashkoni kondensatorin në PCB, sigurohuni që të mos ketë priza të gjata, pasi kjo do të rrisë ESL-në e kondensatorit. Figura 5 tregon tre konfigurimet.
Rezultatet e kryera të emetimit të këtyre tre konfigurimeve janë paraqitur në Figurën 6. Mund të shihet se, krahasuar me një kondensator të vetëm 680 µF, dy kondensatorët 330 µF arrijnë një performancë të reduktimit të zhurmës prej 6 dB në një gamë më të gjerë frekuencash.
Nga teoria e qarkut, mund të thuhet se duke lidhur dy kondensatorë paralelisht, të dy ESL dhe ESR përgjysmohen. Nga pikëpamja e teorisë së fushës, nuk ka vetëm një burim energjie, por dy burime energjie furnizohen me të njëjtën ngarkesë, duke reduktuar në mënyrë efektive kohën e përgjithshme të transmetimit të energjisë. Megjithatë, në frekuenca më të larta, diferenca midis dy kondensatorëve 330 µF dhe një kondensatori 680 µF do të tkurret. Kjo është për shkak se zhurma me frekuencë të lartë tregon reagim të pamjaftueshëm të energjisë në hap. Kur lëvizim një kondensator 330 µF më afër çelësit, ne zvogëlojmë kohën e transferimit të energjisë, gjë që rrit efektivisht përgjigjen hapëse të kondensatorit.
Rezultati na tregon një mësim shumë të rëndësishëm. Rritja e kapacitetit të një kondensatori të vetëm në përgjithësi nuk do të mbështesë kërkesën e hapave për më shumë energji. Nëse është e mundur, përdorni disa komponentë më të vegjël kapacitiv. Ka shumë arsye të mira për këtë. E para është kostoja. Në përgjithësi, për të njëjtën madhësi paketimi, kostoja e një kondensatori rritet në mënyrë eksponenciale me vlerën e kapacitetit. Përdorimi i një kondensatori të vetëm mund të jetë më i shtrenjtë se përdorimi i disa kondensatorëve më të vegjël. Arsyeja e dytë është madhësia. Faktori kufizues në hartimin e produktit është zakonisht lartësia e komponentëve. Për kondensatorët me kapacitet të madh, lartësia është shpesh shumë e madhe, gjë që nuk është e përshtatshme për dizajnin e produktit. Arsyeja e tretë është performanca EMC që pamë në studimin e rastit.
Një faktor tjetër që duhet marrë parasysh kur përdorni një kondensator elektrolitik është se kur lidhni dy kondensatorë në seri për të ndarë tensionin, do t'ju duhet një rezistencë balancuese 6.
Siç u përmend më herët, kondensatorët qeramikë janë pajisje miniaturë që mund të sigurojnë shpejt energji. Më bëhet shpesh pyetja "Sa kondensator më nevojitet?" Përgjigja për këtë pyetje është se për kondensatorët qeramikë, vlera e kapacitetit nuk duhet të jetë aq e rëndësishme. Një konsideratë e rëndësishme këtu është të përcaktoni se në cilën frekuencë shpejtësia e transferimit të energjisë është e mjaftueshme për aplikimin tuaj. Nëse emetimi i kryer dështon në 100 MHz, atëherë kondensatori me rezistencën më të vogël në 100 MHz do të jetë një zgjedhje e mirë.
Ky është një keqkuptim tjetër i MLCC. Kam parë inxhinierë që shpenzojnë shumë energji duke zgjedhur kondensatorë qeramikë me ESR dhe ESL më të ulët përpara se të lidhin kondensatorët me pikën e referencës RF përmes gjurmëve të gjata. Vlen të përmendet se ESL e MLCC është zakonisht shumë më e ulët se induktanca e lidhjes në tabelë. Induktiviteti i lidhjes është ende parametri më i rëndësishëm që ndikon në impedancën e frekuencës së lartë të kondensatorëve qeramikë7.
Figura 7 tregon një shembull të keq. Gjurmët e gjata (0,5 inç të gjata) sjellin induktancë të paktën 10nH. Rezultati i simulimit tregon se impedanca e kondensatorit bëhet shumë më e lartë se sa pritej në pikën e frekuencës (50 MHz).
Një nga problemet me MLCC-të është se ato priren të rezonojnë me strukturën induktive në tabelë. Kjo mund të shihet në shembullin e treguar në Figurën 8, ku përdorimi i një MLCC 10 µF prezanton rezonancë në afërsisht 300 kHz.
Ju mund të zvogëloni rezonancën duke zgjedhur një komponent me një ESR më të madh ose thjesht duke vendosur një rezistencë me vlerë të vogël (si 1 ohm) në seri me një kondensator. Kjo lloj metode përdor komponentë me humbje për të shtypur sistemin. Një metodë tjetër është përdorimi i një vlere tjetër të kapacitetit për të zhvendosur rezonancën në një pikë rezonancë më të ulët ose më të lartë.
Kondensatorët e filmit përdoren në shumë aplikacione. Ata janë kondensatorët e zgjedhur për konvertuesit DC-DC me fuqi të lartë dhe përdoren si filtra shtypës EMI nëpër linjat e energjisë (AC dhe DC) dhe konfigurimet e filtrimit të modalitetit të zakonshëm. Ne marrim një kondensator X si shembull për të ilustruar disa nga pikat kryesore të përdorimit të kondensatorëve të filmit.
Nëse ndodh një ngjarje e rritjes, ajo ndihmon në kufizimin e stresit të tensionit të pikut në linjë, kështu që zakonisht përdoret me një shtypës të tensionit kalimtar (TVS) ose varistor të oksidit të metalit (MOV).
Ju mund t'i dini tashmë të gjitha këto, por a e dini se vlera e kapacitetit të një kondensatori X mund të reduktohet ndjeshëm me vitet e përdorimit? Kjo është veçanërisht e vërtetë nëse kondensatori përdoret në një mjedis të lagësht. Unë kam parë që vlera e kapacitetit të kondensatorit X të bjerë vetëm në disa përqind të vlerës së tij të vlerësuar brenda një ose dy viti, kështu që sistemi i projektuar fillimisht me kondensatorin X në fakt humbi të gjithë mbrojtjen që mund të kishte kondensatori i përparmë.
Pra, çfarë ndodhi? Ajri i lagështisë mund të rrjedhë në kondensator, lart tela dhe midis kutisë dhe përbërjes së vazos epokside. Metalizimi i aluminit më pas mund të oksidohet. Alumina është një izolues i mirë elektrik, duke reduktuar kështu kapacitetin. Ky është një problem që do të hasin të gjithë kondensatorët e filmit. Çështja për të cilën po flas është trashësia e filmit. Markat e njohura të kondensatorëve përdorin filma më të trashë, duke rezultuar në kondensatorë më të mëdhenj se markat e tjera. Filmi më i hollë e bën kondensatorin më pak të fortë ndaj mbingarkesës (tensionit, rrymës ose temperaturës) dhe nuk ka gjasa të shërohet vetë.
Nëse kondensatori X nuk është i lidhur përgjithmonë me furnizimin me energji elektrike, atëherë nuk keni nevojë të shqetësoheni. Për shembull, për një produkt që ka një ndërprerës të fortë midis furnizimit me energji dhe kondensatorit, madhësia mund të jetë më e rëndësishme se jeta, dhe më pas mund të zgjidhni një kondensator më të hollë.
Megjithatë, nëse kondensatori është i lidhur përgjithmonë me burimin e energjisë, ai duhet të jetë shumë i besueshëm. Oksidimi i kondensatorëve nuk është i pashmangshëm. Nëse materiali epoksi i kondensatorit është i një cilësie të mirë dhe kondensatori nuk është shpesh i ekspozuar ndaj temperaturave ekstreme, rënia e vlerës duhet të jetë minimale.
Në këtë artikull, së pari prezantoi pamjen e teorisë së fushës së kondensatorëve. Shembujt praktikë dhe rezultatet e simulimit tregojnë se si të zgjidhni dhe përdorni llojet më të zakonshme të kondensatorëve. Shpresoj se ky informacion mund t'ju ndihmojë të kuptoni rolin e kondensatorëve në dizajnin elektronik dhe EMC në mënyrë më gjithëpërfshirëse.
Dr. Min Zhang është themeluesi dhe konsulenti kryesor EMC i Mach One Design Ltd, një kompani inxhinierike me bazë në Mbretërinë e Bashkuar e specializuar në këshillimin, zgjidhjen e problemeve dhe trajnimin EMC. Njohuritë e tij të thella në elektronikën e energjisë, elektronikën dixhitale, motorët dhe dizajnin e produkteve kanë përfituar kompani në mbarë botën.
In Compliance është burimi kryesor i lajmeve, informacionit, edukimit dhe frymëzimit për profesionistët e inxhinierisë elektrike dhe elektronike.
Hapësirë ​​ajrore Automobilistikë Komunikime Elektronikë Konsumatore Arsim Energjia dhe Industria e Energjisë Industria e Informacionit Teknologji Mjekësore Ushtarake dhe Mbrojtja Kombëtare