novaĵoj

Kondensiloj estas unu el la plej ofte uzitaj komponentoj sur cirkvitplatoj. Ĉar la nombro da elektronikaj aparatoj (de poŝtelefonoj ĝis aŭtoj) daŭre pliiĝas, ankaŭ la postulo de kondensiloj. La Covid-19-pandemio interrompis la tutmondan provizoĉenon de duonkonduktaĵoj ĝis pasivaj komponantoj, kaj kondensiloj mankis1.
Diskutoj pri la temo de kondensiloj povas facile esti igitaj libro aŭ vortaro. Unue, ekzistas malsamaj specoj de kondensiloj, kiel elektrolizaj kondensiloj, filmaj kondensiloj, ceramikaj kondensiloj ktp. Tiam, en la sama tipo, estas malsamaj dielektraj materialoj. Estas ankaŭ malsamaj klasoj. Koncerne la fizikan strukturon, ekzistas du-finaj kaj tri-finaj kondensiltipoj. Ekzistas ankaŭ X2Y-tipa kondensilo, kiu estas esence paro de Y-kondensiloj enkapsuligitaj en unu. Kio pri superkondensiloj? Fakte, se vi sidiĝas kaj komencas legi gvidojn pri elekto de kondensiloj de ĉefaj fabrikistoj, vi povas facile pasigi la tagon!
Ĉar ĉi tiu artikolo temas pri la bazaĵoj, mi uzos malsaman metodon kiel kutime. Kiel menciite antaŭe, gvidiloj pri elektado de kondensiloj troveblas facile en provizantaj retejoj 3 kaj 4, kaj kampaj inĝenieroj kutime povas respondi la plej multajn demandojn pri kondensiloj. En ĉi tiu artikolo, mi ne ripetos tion, kion vi povas trovi en la interreto, sed montros kiel elekti kaj uzi kondensiloj per praktikaj ekzemploj. Kelkaj malpli konataj aspektoj de kondensilo-selektado, kiel kapacitancdegenero, ankaŭ estos kovritaj. Post legado de ĉi tiu artikolo, vi devus havi bonan komprenon pri la uzo de kondensiloj.
Antaŭ jaroj, kiam mi laboris en firmao kiu produktis elektronikajn ekipaĵojn, ni havis intervjudemandon por inĝeniero pri elektronika elektronika. Sur la skema diagramo de la ekzistanta produkto, ni demandos eblajn kandidatojn "Kio estas la funkcio de la elektroliza kondensilo de DC-ligo?" kaj "Kio estas la funkcio de la ceramika kondensilo situanta apud la blato?" Ni esperas, ke la ĝusta respondo estas la DC-busa kondensilo Uzata por stokado de energio, ceramikaj kondensiloj estas uzataj por filtri.
La "ĝusta" respondo, kiun ni serĉas, fakte montras, ke ĉiuj en la dezajnteamo rigardas kondensatorojn de simpla cirkvito-perspektivo, ne de kampa teorio-perspektivo. La vidpunkto de cirkvitteorio ne estas malĝusta. Ĉe malaltaj frekvencoj (de kelkaj kHz ĝis kelkaj MHz), cirkvitteorio povas kutime klarigi la problemon bone. Ĉi tio estas ĉar ĉe pli malaltaj frekvencoj, la signalo estas plejparte en diferenciga reĝimo. Uzante cirkvitoteorion, ni povas vidi la kondensilon montritan en Figuro 1, kie la ekvivalenta seriorezisto (ESR) kaj ekvivalenta seria indukto (ESL) faras la impedancon de la kondensilo ŝanĝi kun frekvenco.
Ĉi tiu modelo plene klarigas la cirkviton efikecon kiam la cirkvito estas ŝaltita malrapide. Tamen, kiam la ofteco pliiĝas, aferoj pli kaj pli komplikiĝas. Ĉe iu punkto, la komponento komencas montri ne-linearecon. Kiam la frekvenco pliiĝas, la simpla LCR-modelo havas siajn limigojn.
Hodiaŭ, se oni demandus al mi la saman intervjuan demandon, mi portus miajn kampteoriajn okulvitrojn kaj dirus, ke ambaŭ kondensiltipoj estas energi-stokaj aparatoj. La diferenco estas, ke elektrolizaj kondensiloj povas stoki pli da energio ol ceramikaj kondensiloj. Sed koncerne energiotransdonon, ceramikaj kondensiloj povas transdoni energion pli rapide. Ĉi tio klarigas kial ceramikaj kondensiloj devas esti metitaj apud la blato, ĉar la blato havas pli altan ŝanĝfrekvencon kaj ŝanĝrapidecon kompare kun la ĉefa elektra cirkvito.
De ĉi tiu perspektivo, ni povas simple difini du agadonormojn por kondensiloj. Unu estas kiom da energio la kondensilo povas stoki, kaj la alia estas kiom rapide ĉi tiu energio povas esti transdonita. Ambaŭ dependas de la produktadmetodo de la kondensilo, la dielektrika materialo, la ligo kun la kondensilo, ktp.
Kiam la ŝaltilo en la cirkvito estas fermita (vidu Figuro 2), ĝi indikas ke la ŝarĝo bezonas energion de la energifonto. La rapideco ĉe kiu tiu ŝaltilo fermiĝas determinas la urĝecon de energipostulo. Ĉar energio vojaĝas kun la lumrapideco (duono de la lumrapideco en FR4-materialoj), necesas tempo por transdoni energion. Krome, ekzistas impedanca miskongruo inter la fonto kaj la transmisilinio kaj la ŝarĝo. Ĉi tio signifas, ke energio neniam estos transdonita en unu vojaĝo, sed en pluraj rondveturoj5, tial kiam la ŝaltilo estas rapide ŝaltita, ni vidos prokrastojn kaj sonoradon en la ŝanĝanta ondformo.
Figuro 2: Necesas tempo por ke energio disvastiĝu en la spaco; impedancmalkongruo kaŭzas multoblajn rondveturojn de energitransigo.
La fakto, ke energia livero prenas tempon kaj multoblajn rondveturojn diras al ni, ke ni devas movi la energion kiel eble plej proksime al la ŝarĝo, kaj ni devas trovi manieron liveri ĝin rapide. La unua estas kutime atingita reduktante la fizikan distancon inter la ŝarĝo, ŝaltilo kaj kondensilo. Ĉi-lasta estas atingita kolektante grupon de kondensiloj kun la plej malgranda impedanco.
Kampa teorio ankaŭ klarigas kio kaŭzas oftan reĝiman bruon. Mallonge, komuna reĝima bruo estas generita kiam la energipostulo de la ŝarĝo ne estas renkontita dum ŝanĝado. Tial, la energio stokita en la spaco inter la ŝarĝo kaj proksimaj konduktiloj estos disponigita por subteni la paŝopostulon. La spaco inter la ŝarĝo kaj proksimaj konduktiloj estas tio, kion ni nomas parazita/reciproka kapacitanco (vidu Figuro 2).
Ni uzas la sekvajn ekzemplojn por montri kiel uzi elektrolizajn kondensiloj, plurtavolajn ceramikaj kondensiloj (MLCC), kaj filmkondensiloj. Kaj cirkvito kaj kampa teorio estas uzataj por klarigi la agadon de elektitaj kondensiloj.
Elektrolizaj kondensiloj estas plejparte uzitaj en la Dc-ligo kiel la ĉefa energifonto. La elekto de elektroliza kondensilo ofte dependas de:
Por EMC-agado, la plej gravaj karakterizaĵoj de kondensiloj estas impedanco kaj frekvencaj trajtoj. Malaltfrekvencaj kondukitaj emisioj ĉiam dependas de la agado de la DC-liga kondensilo.
La impedanco de la DC-ligo dependas ne nur de la ESR kaj ESL de la kondensilo, sed ankaŭ de la areo de la termika buklo, kiel montrite en Figuro 3. Pli granda termika buklo areo signifas, ke energitransigo daŭras pli longe, do rendimento. estos tuŝita.
Malalta DC-DC-konvertilo estis konstruita por pruvi tion. La antaŭkonforma EMC-testagordo montrita en Figuro 4 elfaras kondukitan emisian skanadon inter 150kHz kaj 108MHz.
Gravas certigi, ke la kondensiloj uzataj en ĉi tiu kazesploro estas ĉiuj de la sama fabrikanto por eviti diferencojn en impedancaj trajtoj. Dum lutado de la kondensilo sur la PCB, certigu, ke ne estas longaj kondukoj, ĉar ĉi tio pliigos la ESL de la kondensilo. Figuro 5 montras la tri agordojn.
La kondukitaj emisiaj rezultoj de ĉi tiuj tri agordoj estas montritaj en Figuro 6. Oni povas vidi ke, kompare kun ununura 680 µF-kondensilo, la du 330 µF-kondensiloj atingas bruoreduktan efikecon de 6 dB super pli larĝa frekvenca gamo.
De la cirkvitoteorio, povas esti dirite ke kunligante du kondensiloj en paralelo, kaj ESL kaj ESR estas duonigitaj. De la kampa teorio vidpunkto, ekzistas ne nur unu energifonto, sed du energifontoj estas liveritaj al la sama ŝarĝo, efike reduktante la totalan energian dissendtempon. Tamen, ĉe pli altaj frekvencoj, la diferenco inter du 330 µF-kondensiloj kaj unu 680 µF-kondensilo ŝrumpos. Ĉi tio estas ĉar altfrekvenca bruo indikas nesufiĉan paŝoenergiorespondon. Movante 330 µF-kondensilon pli proksimen al la ŝaltilo, ni reduktas la energitransigan tempon, kio efike pliigas la paŝorespondon de la kondensilo.
La rezulto rakontas al ni tre gravan lecionon. Pliigi la kapacitancon de ununura kondensilo ĝenerale ne apogos la paŝopostulon je pli da energio. Se eble, uzu kelkajn pli malgrandajn kapacitajn komponantojn. Estas multaj bonaj kialoj por ĉi tio. La unua estas kosto. Ĝenerale parolante, por la sama pakaĵgrandeco, la kosto de kondensilo pliiĝas eksponente kun la kapacitancvaloro. Uzi ununuran kondensilon povas esti pli multekosta ol uzado de pluraj pli malgrandaj kondensiloj. La dua kialo estas grandeco. La limiga faktoro en produktodezajno estas kutime la alteco de la komponentoj. Por grandkapacaj kondensiloj, la alteco ofte estas tro granda, kio ne taŭgas por produkta dezajno. La tria kialo estas la EMC-agado, kiun ni vidis en la kazesploro.
Alia faktoro por konsideri kiam vi uzas elektrolizan kondensilon estas, ke kiam vi konektas du kondensiloj en serio por dividi la tension, vi bezonos ekvilibran rezistilon 6.
Kiel menciite antaŭe, ceramikaj kondensiloj estas miniaturaj aparatoj, kiuj povas rapide provizi energion. Ofte oni demandas min "Kiom da kondensilo mi bezonas?" La respondo al ĉi tiu demando estas, ke por ceramikaj kondensiloj, la kapacitancvaloro ne devus esti tiel grava. La grava konsidero ĉi tie estas determini je kiu frekvenco la energitransiga rapido sufiĉas por via aplikaĵo. Se la kondukita emisio malsukcesas ĉe 100 MHz, tiam la kondensilo kun la plej malgranda impedanco ĉe 100 MHz estos bona elekto.
Ĉi tio estas alia miskompreno de MLCC. Mi vidis inĝenierojn elspezi multan energion elektante ceramikaj kondensiloj kun la plej malaltaj ESR kaj ESL antaŭ ol konekti la kondensiloj al la RF-referenca punkto per longaj spuroj. Menciindas, ke la ESL de MLCC estas kutime multe pli malalta ol la koneksa indukto sur la tabulo. Konekta indukto daŭre estas la plej grava parametro influanta la altfrekvencan impedancon de ceramikaj kondensiloj7.
Figuro 7 montras malbonan ekzemplon. Longaj spuroj (0,5 colojn longaj) enkondukas almenaŭ 10nH-induktancon. La simuladrezulto montras ke la impedanco de la kondensilo iĝas multe pli alta ol atendite ĉe la frekvencpunkto (50 MHz).
Unu el la problemoj kun MLCCoj estas ke ili tendencas resonanci kun la indukta strukturo sur la tabulo. Tio povas esti vidita en la ekzemplo montrita en Figuro 8, kie la uzo de 10 µF MLCC lanĉas resonancon ĉe ĉirkaŭ 300 kHz.
Vi povas redukti resonancon elektante komponenton kun pli granda ESR aŭ simple metante malgrandan valorrezistilon (kiel ekzemple 1 omo) en serion kun kondensilo. Ĉi tiu speco de metodo uzas perdkomponentojn por subpremi la sistemon. Alia metodo estas uzi alian kapacitan valoron por movi la resonancon al pli malalta aŭ pli alta resonanco.
Filmkondensiloj estas uzitaj en multaj aplikoj. Ili estas la elekteblaj kondensiloj por alt-motoraj DC-DC-konvertiloj kaj estas uzataj kiel EMI-subpremadfiltriloj trans alttensiaj kurentkonduktiloj (AC kaj Dc) kaj komunreĝimaj filtraj konfiguracioj. Ni prenas X-kondensilon kiel ekzemplon por ilustri kelkajn el la ĉefaj punktoj de uzado de filmaj kondensiloj.
Se pliiĝokazaĵo okazas, ĝi helpas limigi la pinttensiostreson sur la linio, tiel ke ĝi estas kutime uzita kun pasema tensiosubpremanto (TVS) aŭ metaloksida varistoro (MOV).
Vi eble jam scias ĉion ĉi, sed ĉu vi sciis, ke la kapacitanca valoro de X-kondensilo povas esti signife reduktita kun jaroj da uzo? Ĉi tio estas precipe vera se la kondensilo estas uzata en humida medio. Mi vidis la kapacitan valoron de la X-kondensilo nur fali al kelkaj procentoj de ĝia taksita valoro ene de unu aŭ du jaroj, do la sistemo origine desegnita per la X-kondensilo fakte perdis la tutan protekton, kiun la antaŭa kondensilo povus havi.
Do, kio okazis? Humida aero povas liki en la kondensilon, supren laŭ la drato kaj inter la skatolo kaj la epoksia enpotiga kunmetaĵo. La aluminia metalizado tiam povas esti oksigenita. Alumino estas bona elektra izolilo, tiel reduktante kapacitancon. Ĉi tio estas problemo, kiun ĉiuj filmaj kondensiloj renkontos. La afero, pri kiu mi parolas, estas filmo dikeco. Bonfamaj kondensilmarkoj uzas pli dikajn filmojn, rezultigante pli grandajn kondensiloj ol aliaj markoj. La pli maldika filmo igas la kondensilon malpli fortika por troŝarĝi (tensio, kurento aŭ temperaturo), kaj ĝi estas neverŝajna resanigi sin.
Se la X-kondensilo ne estas konstante konektita al la nutrado, tiam vi ne bezonas zorgi. Ekzemple, por produkto kiu havas malmolan ŝaltilon inter la nutrado kaj la kondensilo, grandeco povas esti pli grava ol vivo, kaj tiam vi povas elekti pli maldikan kondensilon.
Tamen, se la kondensilo estas konstante konektita al la energifonto, ĝi devas esti tre fidinda. La oksigenado de kondensiloj ne estas neevitebla. Se la kondensila epoksimaterialo estas de bona kvalito kaj la kondensilo ne ofte estas elmontrita al ekstremaj temperaturoj, la falo en valoro devus esti minimuma.
En ĉi tiu artikolo, unue enkondukis la kampan teorion vidon de kondensiloj. Praktikaj ekzemploj kaj simulaj rezultoj montras kiel elekti kaj uzi la plej oftajn kondensiltipojn. Mi esperas, ke ĉi tiuj informoj povas helpi vin kompreni la rolon de kondensiloj en elektronika kaj EMC-dezajno pli amplekse.
D-ro Min Zhang estas la fondinto kaj ĉefa EMC-konsultisto de Mach One Design Ltd, UK-bazita inĝenieristiko-kompanio specialiĝanta pri EMC-konsultado, problemoj kaj trejnado. Lia profunda scio pri potenca elektroniko, cifereca elektroniko, motoroj kaj produkta dezajno profitigis kompaniojn tra la mondo.
In Compliance estas la ĉefa fonto de novaĵoj, informoj, edukado kaj inspiro por profesiuloj pri elektra kaj elektronika inĝenierado.
Aerospace Automotive Communications Consumer Electronics Education Energio kaj Potenco Industrio Informa Teknologio Medicina Milita kaj Nacia Defendo