ştiri

Condensatorii sunt una dintre cele mai frecvent utilizate componente pe plăcile de circuite. Pe măsură ce numărul de dispozitive electronice (de la telefoane mobile la mașini) continuă să crească, la fel crește și cererea de condensatori. Pandemia de Covid 19 a perturbat lanțul global de aprovizionare cu componente de la semiconductori la componente pasive, iar condensatorii au lipsit de aprovizionare1.
Discuțiile pe tema condensatoarelor pot fi ușor transformate într-o carte sau un dicționar. În primul rând, există diferite tipuri de condensatoare, cum ar fi condensatoare electrolitice, condensatoare cu film, condensatoare ceramice și așa mai departe. Apoi, în același tip, există diferite materiale dielectrice. Există, de asemenea, diferite clase. În ceea ce privește structura fizică, există tipuri de condensatoare cu două și trei terminale. Există, de asemenea, un condensator de tip X2Y, care este în esență o pereche de condensatoare Y încapsulate într-unul singur. Ce zici de supercondensatori? Adevărul este că, dacă vă așezați și începeți să citiți ghidurile de selecție a condensatoarelor de la marii producători, vă puteți petrece cu ușurință ziua!
Deoarece acest articol este despre elementele de bază, voi folosi o metodă diferită ca de obicei. După cum am menționat mai devreme, ghidurile de selecție a condensatoarelor pot fi găsite cu ușurință pe site-urile web ale furnizorilor 3 și 4, iar inginerii de teren pot răspunde de obicei la majoritatea întrebărilor despre condensatori. În acest articol, nu voi repeta ceea ce puteți găsi pe Internet, ci voi demonstra cum să alegeți și să utilizați condensatorii prin exemple practice. Unele aspecte mai puțin cunoscute ale selecției condensatorului, cum ar fi degradarea capacității, vor fi, de asemenea, acoperite. După ce ați citit acest articol, ar trebui să înțelegeți bine utilizarea condensatoarelor.
Cu ani în urmă, când lucram într-o companie care producea echipamente electronice, am avut o întrebare la interviu pentru un inginer în electronică de putere. Pe schema schematică a produsului existent, îi vom întreba pe potențialii candidați „Care este funcția condensatorului electrolitic DC Link?” și „Care este funcția condensatorului ceramic situat lângă cip?” Sperăm că răspunsul corect este condensatorul magistralei DC Folosit pentru stocarea energiei, condensatorii ceramici sunt folosiți pentru filtrare.
Răspunsul „corect” pe care îl căutăm arată de fapt că toată lumea din echipa de proiectare privește condensatorii dintr-o perspectivă simplă a circuitului, nu din perspectiva teoriei câmpului. Punctul de vedere al teoriei circuitelor nu este greșit. La frecvențe joase (de la câțiva kHz la câțiva MHz), teoria circuitelor poate explica bine problema. Acest lucru se datorează faptului că la frecvențe mai mici, semnalul este în principal în modul diferențial. Folosind teoria circuitelor, putem vedea condensatorul prezentat în figura 1, unde rezistența în serie echivalentă (ESR) și inductanța în serie echivalentă (ESL) fac ca impedanța condensatorului să se schimbe cu frecvența.
Acest model explică pe deplin performanța circuitului atunci când circuitul este comutat lent. Cu toate acestea, pe măsură ce frecvența crește, lucrurile devin din ce în ce mai complicate. La un moment dat, componenta începe să arate neliniaritate. Când frecvența crește, modelul LCR simplu are limitările sale.
Astăzi, dacă mi s-ar pune aceeași întrebare de interviu, aș purta ochelarii mei de observație pentru teoria câmpului și aș spune că ambele tipuri de condensatoare sunt dispozitive de stocare a energiei. Diferența este că condensatoarele electrolitice pot stoca mai multă energie decât condensatoarele ceramice. Dar în ceea ce privește transmiterea energiei, condensatoarele ceramice pot transmite energie mai rapid. Acest lucru explică de ce condensatorii ceramici trebuie plasați lângă cip, deoarece cipul are o frecvență de comutare și o viteză de comutare mai mare în comparație cu circuitul principal de alimentare.
Din această perspectivă, putem defini pur și simplu două standarde de performanță pentru condensatoare. Una este cât de multă energie poate stoca condensatorul, iar cealaltă este cât de repede poate fi transferată această energie. Ambele depind de metoda de fabricație a condensatorului, materialul dielectric, conexiunea cu condensatorul și așa mai departe.
Când comutatorul din circuit este închis (vezi Figura 2), aceasta indică faptul că sarcina are nevoie de energie de la sursa de alimentare. Viteza cu care se închide acest comutator determină urgența cererii de energie. Deoarece energia se deplasează cu viteza luminii (jumătate din viteza luminii în materialele FR4), este nevoie de timp pentru a transfera energie. În plus, există o nepotrivire a impedanței între sursă și linia de transmisie și sarcină. Aceasta înseamnă că energia nu va fi niciodată transferată într-o singură călătorie, ci în mai multe călătorii dus-întors5, motiv pentru care atunci când comutatorul este comutat rapid, vom vedea întârzieri și sunet în forma de undă de comutare.
Figura 2: Este nevoie de timp pentru ca energia să se propagă în spațiu; nepotrivirea impedanței cauzează mai multe călătorii dus-întors de transfer de energie.
Faptul că livrarea energiei necesită timp și mai multe călătorii dus-întors ne spune că trebuie să mutăm energia cât mai aproape de sarcină și trebuie să găsim o modalitate de a o livra rapid. Primul este de obicei realizat prin reducerea distanței fizice dintre sarcină, comutator și condensator. Acesta din urmă se realizează prin adunarea unui grup de condensatoare cu cea mai mică impedanță.
Teoria câmpului explică, de asemenea, ce cauzează zgomotul în modul comun. Pe scurt, zgomotul în modul comun este generat atunci când cererea de energie a sarcinii nu este îndeplinită în timpul comutării. Prin urmare, energia stocată în spațiul dintre sarcină și conductorii din apropiere va fi furnizată pentru a susține cererea de trepte. Spațiul dintre sarcină și conductorii din apropiere este ceea ce numim capacitate parazită/reciprocă (vezi Figura 2).
Folosim următoarele exemple pentru a demonstra cum să folosim condensatoare electrolitice, condensatoare ceramice multistrat (MLCC) și condensatoare cu film. Atât teoria circuitului, cât și teoria câmpului sunt utilizate pentru a explica performanța condensatoarelor selectate.
Condensatorii electrolitici sunt utilizați în principal în legătura DC ca sursă principală de energie. Alegerea condensatorului electrolitic depinde adesea de:
Pentru performanța EMC, cele mai importante caracteristici ale condensatoarelor sunt caracteristicile de impedanță și frecvență. Emisiile conduse de joasă frecvență depind întotdeauna de performanța condensatorului DC link.
Impedanța conexiunii de curent continuu depinde nu numai de ESR și ESL a condensatorului, ci și de aria buclei termice, așa cum se arată în figura 3. O zonă mai mare a buclei termice înseamnă că transferul de energie durează mai mult, deci performanța vor fi afectate.
Pentru a dovedi acest lucru, a fost construit un convertor DC-DC. Configurația de test EMC de pre-conformitate prezentată în Figura 4 realizează o scanare a emisiilor între 150 kHz și 108 MHz.
Este important să vă asigurați că condensatorii utilizați în acest studiu de caz sunt toți de la același producător pentru a evita diferențele în caracteristicile de impedanță. Când lipiți condensatorul pe PCB, asigurați-vă că nu există cabluri lungi, deoarece acest lucru va crește ESL-ul condensatorului. Figura 5 prezintă cele trei configurații.
Rezultatele emisiilor conduse ale acestor trei configurații sunt prezentate în Figura 6. Se poate observa că, în comparație cu un singur condensator de 680 µF, cei doi condensatori de 330 µF ating o performanță de reducere a zgomotului de 6 dB pe un interval de frecvență mai larg.
Din teoria circuitului, se poate spune că prin conectarea a doi condensatoare în paralel, atât ESL, cât și ESR sunt înjumătățite. Din punctul de vedere al teoriei câmpului, nu există o singură sursă de energie, ci două surse de energie sunt furnizate la aceeași sarcină, reducând efectiv timpul total de transmisie a energiei. Cu toate acestea, la frecvențe mai mari, diferența dintre doi condensatori de 330 µF și un condensator de 680 µF se va micșora. Acest lucru se datorează faptului că zgomotul de înaltă frecvență indică un răspuns insuficient de energie în trepte. Când mutați un condensator de 330 µF mai aproape de comutator, reducem timpul de transfer de energie, ceea ce crește efectiv răspunsul în trepte al condensatorului.
Rezultatul ne spune o lecție foarte importantă. Creșterea capacității unui singur condensator nu va suporta, în general, cererea în trepte pentru mai multă energie. Dacă este posibil, utilizați câteva componente capacitive mai mici. Există multe motive bune pentru aceasta. Primul este costul. În general, pentru aceeași dimensiune a pachetului, costul unui condensator crește exponențial cu valoarea capacității. Utilizarea unui singur condensator poate fi mai costisitoare decât utilizarea mai multor condensatoare mai mici. Al doilea motiv este dimensiunea. Factorul limitativ în proiectarea produsului este de obicei înălțimea componentelor. Pentru condensatoarele de mare capacitate, înălțimea este adesea prea mare, ceea ce nu este potrivit pentru proiectarea produsului. Al treilea motiv este performanța EMC pe care am văzut-o în studiul de caz.
Un alt factor de luat în considerare atunci când utilizați un condensator electrolitic este că atunci când conectați doi condensatori în serie pentru a împărți tensiunea, veți avea nevoie de un rezistor de echilibrare 6.
După cum am menționat mai devreme, condensatoarele ceramice sunt dispozitive miniaturale care pot furniza rapid energie. Mi se pune adesea întrebarea „De cât condensator am nevoie?” Răspunsul la această întrebare este că pentru condensatoarele ceramice, valoarea capacității nu ar trebui să fie atât de importantă. Considerentul important aici este să determinați la ce frecvență viteza de transfer de energie este suficientă pentru aplicația dvs. Dacă emisia condusă eșuează la 100 MHz, atunci condensatorul cu cea mai mică impedanță la 100 MHz va fi o alegere bună.
Aceasta este o altă neînțelegere a MLCC. Am văzut ingineri cheltuind multă energie alegând condensatori ceramici cu ESR și ESL cel mai scăzut înainte de a conecta condensatorii la punctul de referință RF prin urme lungi. Merită menționat că ESL-ul MLCC este de obicei mult mai mic decât inductanța conexiunii de pe placă. Inductanța conexiunii este încă cel mai important parametru care afectează impedanța de înaltă frecvență a condensatoarelor ceramice7.
Figura 7 arată un exemplu prost. Urmele lungi (0,5 inci lungime) introduc inductanță de cel puțin 10 nH. Rezultatul simulării arată că impedanța condensatorului devine mult mai mare decât se aștepta la punctul de frecvență (50 MHz).
Una dintre problemele cu MLCC este că acestea tind să rezoneze cu structura inductivă de pe placă. Acest lucru poate fi văzut în exemplul prezentat în Figura 8, în care utilizarea unui MLCC de 10 µF introduce rezonanță la aproximativ 300 kHz.
Puteți reduce rezonanța alegând o componentă cu un ESR mai mare sau pur și simplu punând un rezistor de valoare mică (cum ar fi 1 ohm) în serie cu un condensator. Acest tip de metodă utilizează componente cu pierderi pentru a suprima sistemul. O altă metodă este să utilizați o altă valoare a capacității pentru a muta rezonanța la un punct de rezonanță mai mic sau mai mare.
Condensatorii de film sunt utilizați în multe aplicații. Sunt condensatorii de alegere pentru convertoarele DC-DC de mare putere și sunt utilizați ca filtre de suprimare a EMI pe liniile de alimentare (AC și DC) și configurații de filtrare în mod comun. Luăm un condensator X ca exemplu pentru a ilustra câteva dintre principalele puncte ale utilizării condensatoarelor cu film.
Dacă apare un eveniment de supratensiune, acesta ajută la limitarea tensiunii de vârf pe linie, deci este utilizat de obicei cu un supresor de tensiune tranzitorie (TVS) sau varistor cu oxid de metal (MOV).
Poate că știți deja toate acestea, dar știați că valoarea capacității unui condensator X poate fi redusă semnificativ cu ani de utilizare? Acest lucru este valabil mai ales dacă condensatorul este utilizat într-un mediu umed. Am văzut că valoarea capacității condensatorului X a scăzut doar la câteva procente din valoarea sa nominală în decurs de un an sau doi, așa că sistemul proiectat inițial cu condensatorul X a pierdut de fapt toată protecția pe care o poate avea condensatorul front-end.
Deci, ce sa întâmplat? Aerul umed se poate scurge în condensator, în sus pe fir și între cutie și compusul epoxidic. Metalizarea aluminiului poate fi apoi oxidată. Alumina este un bun izolator electric, reducând astfel capacitatea. Aceasta este o problemă pe care o vor întâmpina toți condensatorii de film. Problema despre care vorbesc este grosimea filmului. Mărcile reputate de condensatoare folosesc filme mai groase, rezultând condensatoare mai mari decât alte mărci. Filmul mai subțire face condensatorul mai puțin robust la suprasarcină (tensiune, curent sau temperatură) și este puțin probabil să se vindece singur.
Dacă condensatorul X nu este conectat permanent la sursa de alimentare, atunci nu trebuie să vă faceți griji. De exemplu, pentru un produs care are un comutator greu între sursa de alimentare și condensator, dimensiunea poate fi mai importantă decât viața, iar apoi puteți alege un condensator mai subțire.
Cu toate acestea, dacă condensatorul este conectat permanent la sursa de alimentare, acesta trebuie să fie foarte fiabil. Oxidarea condensatoarelor nu este inevitabilă. Dacă materialul epoxidic al condensatorului este de bună calitate și condensatorul nu este expus adesea la temperaturi extreme, scăderea valorii ar trebui să fie minimă.
În acest articol, am introdus mai întâi perspectiva teoriei câmpului a condensatorilor. Exemplele practice și rezultatele simulării arată cum să selectați și să utilizați cele mai comune tipuri de condensatoare. Sper că aceste informații vă pot ajuta să înțelegeți mai cuprinzător rolul condensatorilor în proiectarea electronică și EMC.
Dr. Min Zhang este fondatorul și consultantul șef EMC al Mach One Design Ltd, o companie de inginerie din Marea Britanie specializată în consultanță, depanare și instruire EMC. Cunoștințele sale aprofundate în electronică de putere, electronică digitală, motoare și design de produse au adus beneficii companiilor din întreaga lume.
In Compliance este principala sursă de știri, informații, educație și inspirație pentru profesioniștii în inginerie electrică și electronică.
Aerospațial Automobile Comunicații Electronice de consum Educație Energie și energie Industria Tehnologia informației Medicală Militară și Apărare națională