haberler

Kapasitörler devre kartlarında en sık kullanılan bileşenlerden biridir. Elektronik cihazların (cep telefonlarından arabalara kadar) sayısı arttıkça kapasitörlere olan talep de artıyor. Kovid 19 salgını, yarı iletkenlerden pasif bileşenlere kadar küresel bileşen tedarik zincirini sekteye uğrattı ve kapasitörlerin arzı yetersiz kaldı1.
Kapasitörler konusundaki tartışmalar kolaylıkla bir kitaba veya sözlüğe dönüştürülebilir. Birincisi, elektrolitik kapasitörler, film kapasitörler, seramik kapasitörler vb. gibi farklı kapasitör türleri vardır. Daha sonra aynı tipte farklı dielektrik malzemeler vardır. Ayrıca farklı sınıflar da var. Fiziksel yapıya gelince, iki terminalli ve üç terminalli kondansatör tipleri vardır. Ayrıca, esasen bir çift Y kapasitörünün bir arada kapsüllendiği bir X2Y tipi kapasitör de vardır. Peki ya süper kapasitörler? Gerçek şu ki, oturup büyük üreticilerin kapasitör seçim kılavuzlarını okumaya başlarsanız, gününüzü kolaylıkla geçirebilirsiniz!
Bu yazı temel konularla ilgili olduğu için her zamanki gibi farklı bir yöntem kullanacağım. Daha önce de belirtildiği gibi, kapasitör seçim kılavuzları tedarikçinin 3 ve 4 numaralı web sitelerinde kolayca bulunabilir ve saha mühendisleri genellikle kapasitörlerle ilgili çoğu soruyu yanıtlayabilir. Bu yazımda internette bulabileceğiniz şeyleri tekrarlamayacağım, ancak kapasitörlerin nasıl seçileceğini ve kullanılacağını pratik örneklerle göstereceğim. Kapasitans bozulması gibi kapasitör seçiminin daha az bilinen bazı yönleri de ele alınacaktır. Bu makaleyi okuduktan sonra kapasitörlerin kullanımını iyi anlamış olmalısınız.
Yıllar önce elektronik ekipman üreten bir firmada çalışırken bir güç elektroniği mühendisine röportaj sorumuz vardı. Mevcut ürünün şematik diyagramında potansiyel adaylara “DC link elektrolitik kondansatörün işlevi nedir?” diye soracağız. ve “Çipin yanında bulunan seramik kapasitörün işlevi nedir?” Doğru cevabın DC bara kondansatörü olduğunu umuyoruz. Enerji depolamak için kullanılır, filtreleme için ise seramik kondansatörler kullanılır.
Aradığımız "doğru" cevap aslında tasarım ekibindeki herkesin kapasitörlere alan teorisi perspektifinden değil, basit devre perspektifinden baktığını gösteriyor. Devre teorisinin bakış açısı yanlış değildir. Düşük frekanslarda (birkaç kHz'den birkaç MHz'e kadar) devre teorisi genellikle sorunu iyi açıklayabilir. Bunun nedeni, düşük frekanslarda sinyalin çoğunlukla diferansiyel modda olmasıdır. Devre teorisini kullanarak, Şekil 1'de gösterilen kapasitörü görebiliriz; burada eşdeğer seri direnç (ESR) ve eşdeğer seri endüktans (ESL), kapasitörün empedansını frekansla değiştirir.
Bu model, devre yavaşça değiştirildiğinde devre performansını tam olarak açıklar. Ancak frekans arttıkça işler daha da karmaşık hale gelir. Bir noktada bileşen doğrusal olmama göstermeye başlar. Frekans arttığında basit LCR modelinin sınırlamaları vardır.
Bugün aynı röportaj sorusu bana sorulsaydı, alan teorisi gözlem gözlüklerimi takar ve her iki kapasitör tipinin de enerji depolama cihazları olduğunu söylerdim. Aradaki fark, elektrolitik kapasitörlerin seramik kapasitörlerden daha fazla enerji depolayabilmesidir. Ancak enerji iletimi açısından seramik kapasitörler enerjiyi daha hızlı iletebilir. Bu, çipin ana güç devresine kıyasla daha yüksek anahtarlama frekansına ve anahtarlama hızına sahip olması nedeniyle seramik kapasitörlerin neden çipin yanına yerleştirilmesi gerektiğini açıklıyor.
Bu açıdan bakıldığında kapasitörler için iki performans standardını basitçe tanımlayabiliriz. Biri kapasitörün ne kadar enerji depolayabildiği, diğeri ise bu enerjinin ne kadar hızlı aktarılabileceğidir. Her ikisi de kapasitörün üretim yöntemine, dielektrik malzemesine, kapasitörle bağlantıya vb. bağlıdır.
Devredeki anahtarın kapatılması (bkz. Şekil 2), yükün güç kaynağından enerjiye ihtiyacı olduğunu gösterir. Bu anahtarın kapanma hızı enerji talebinin aciliyetini belirler. Enerji ışık hızında (FR4 malzemelerde ışık hızının yarısı kadar) ilerlediği için enerjinin aktarılması zaman alır. Ayrıca kaynak ile iletim hattı ve yük arasında empedans uyumsuzluğu vardır. Bu, enerjinin hiçbir zaman tek bir yolculukta değil birden fazla gidiş-dönüş yolculukta5 aktarılacağı anlamına gelir; bu nedenle anahtar hızlı bir şekilde değiştirildiğinde, anahtarlama dalga biçiminde gecikmeler ve çınlamalar göreceğiz.
Şekil 2: Enerjinin uzayda yayılması zaman alır; empedans uyumsuzluğu, enerji aktarımının birden fazla gidiş-dönüş yolculuğuna neden olur.
Enerji dağıtımının zaman alması ve birden fazla gidiş-dönüş yolculuğunun olması, enerjiyi yüke mümkün olduğunca yakın bir yere taşımamız gerektiğini ve onu hızlı bir şekilde iletmenin bir yolunu bulmamız gerektiğini söylüyor. Birincisi genellikle yük, anahtar ve kapasitör arasındaki fiziksel mesafenin azaltılmasıyla elde edilir. İkincisi, en küçük empedansa sahip bir grup kapasitör toplanarak elde edilir.
Alan teorisi ayrıca ortak mod gürültüsüne neyin sebep olduğunu da açıklar. Kısaca anahtarlama sırasında yükün enerji talebi karşılanmadığında ortak mod gürültüsü oluşur. Bu nedenle yük ile yakındaki iletkenler arasındaki boşlukta depolanan enerjinin basamak talebini desteklemesi sağlanacaktır. Yük ile yakındaki iletkenler arasındaki boşluk, parazitik/karşılıklı kapasitans dediğimiz şeydir (bkz. Şekil 2).
Elektrolitik kapasitörlerin, çok katmanlı seramik kapasitörlerin (MLCC) ve film kapasitörlerin nasıl kullanılacağını göstermek için aşağıdaki örnekleri kullanıyoruz. Seçilen kapasitörlerin performansını açıklamak için hem devre hem de alan teorisi kullanılır.
Elektrolitik kapasitörler esas olarak DC bağlantısında ana enerji kaynağı olarak kullanılır. Elektrolitik kapasitör seçimi genellikle şunlara bağlıdır:
EMC performansı için kapasitörlerin en önemli özellikleri empedans ve frekans özellikleridir. Düşük frekansta iletilen emisyonlar her zaman DC bağlantı kapasitörünün performansına bağlıdır.
DC bağlantısının empedansı yalnızca kapasitörün ESR'sine ve ESL'sine değil aynı zamanda Şekil 3'te gösterildiği gibi termal döngü alanına da bağlıdır. Daha büyük bir termal döngü alanı, enerji aktarımının daha uzun süreceği anlamına gelir, dolayısıyla performans etkilenecektir.
Bunu kanıtlamak için düşürücü bir DC-DC dönüştürücü inşa edildi. Şekil 4'te gösterilen ön uyumluluk EMC test kurulumu, 150kHz ile 108MHz arasında yürütülen bir emisyon taraması gerçekleştirir.
Empedans özelliklerindeki farklılıkları önlemek için bu vaka çalışmasında kullanılan kapasitörlerin tamamının aynı üreticiden olduğundan emin olmak önemlidir. Kapasitörü PCB'ye lehimlerken, uzun uçların olmadığından emin olun, çünkü bu, kapasitörün ESL'sini artıracaktır. Şekil 5 üç konfigürasyonu göstermektedir.
Bu üç konfigürasyonun gerçekleştirilen emisyon sonuçları Şekil 6'da gösterilmektedir. Tek bir 680 µF kapasitörle karşılaştırıldığında, iki 330 µF kapasitörün daha geniş bir frekans aralığında 6 dB'lik bir gürültü azaltma performansına ulaştığı görülebilmektedir.
Devre teorisinden iki kapasitörün paralel bağlanmasıyla hem ESL'nin hem de ESR'nin yarıya indiği söylenebilir. Alan teorisi açısından bakıldığında, yalnızca bir enerji kaynağı yoktur, aynı yüke iki enerji kaynağı sağlanır ve bu da toplam enerji iletim süresini etkili bir şekilde azaltır. Ancak daha yüksek frekanslarda iki adet 330 µF kapasitör ile bir adet 680 µF kapasitör arasındaki fark azalacaktır. Bunun nedeni, yüksek frekanslı gürültünün yetersiz adım enerji tepkisini göstermesidir. 330 µF'lik bir kapasitörü anahtara yaklaştırdığımızda, enerji aktarım süresini kısaltırız, bu da kapasitörün adım tepkisini etkili bir şekilde artırır.
Sonuç bize çok önemli bir ders veriyor. Tek bir kapasitörün kapasitansını artırmak genellikle daha fazla enerjiye yönelik adım talebini desteklemez. Mümkünse daha küçük kapasitif bileşenler kullanın. Bunun pek çok iyi nedeni var. Birincisi maliyettir. Genel olarak konuşursak, aynı paket boyutu için kapasitörün maliyeti kapasitans değeriyle birlikte katlanarak artar. Tek bir kapasitör kullanmak, birkaç küçük kapasitör kullanmaktan daha pahalı olabilir. İkinci sebep ise boyuttur. Ürün tasarımında sınırlayıcı faktör genellikle bileşenlerin yüksekliğidir. Büyük kapasiteli kapasitörler için yükseklik genellikle çok büyüktür ve bu da ürün tasarımına uygun değildir. Üçüncü neden ise örnek olayda gördüğümüz EMC performansıdır.
Elektrolitik kapasitör kullanırken göz önünde bulundurulması gereken bir diğer faktör, voltajı paylaşmak için iki kapasitörü seri olarak bağladığınızda, bir dengeleme direncine (6) ihtiyaç duyacağınızdır.
Daha önce de belirttiğimiz gibi seramik kapasitörler hızlı bir şekilde enerji sağlayabilen minyatür cihazlardır. Bana sık sık "Ne kadar kapasitöre ihtiyacım var?" sorusu soruluyor. Bu sorunun cevabı seramik kapasitörler için kapasitans değerinin o kadar da önemli olmaması gerektiğidir. Burada önemli olan, uygulamanız için enerji aktarım hızının hangi frekansta yeterli olduğunun belirlenmesidir. İletilen emisyon 100 MHz'de başarısız olursa, 100 MHz'de en küçük empedanslı kapasitör iyi bir seçim olacaktır.
Bu da MLCC'nin başka bir yanlış anlaşılmasıdır. Mühendislerin, kapasitörleri RF referans noktasına uzun izlerle bağlamadan önce en düşük ESR ve ESL'ye sahip seramik kapasitörleri seçerek çok fazla enerji harcadıklarını gördüm. MLCC'nin ESL'sinin genellikle karttaki bağlantı endüktansından çok daha düşük olduğunu belirtmekte fayda var. Bağlantı endüktansı hala seramik kapasitörlerin yüksek frekans empedansını etkileyen en önemli parametredir7.
Şekil 7 kötü bir örneği göstermektedir. Uzun izler (0,5 inç uzunluğunda) en az 10nH endüktans sağlar. Simülasyon sonucu, kapasitörün empedansının frekans noktasında (50 MHz) beklenenden çok daha yüksek olduğunu göstermektedir.
MLCC'lerle ilgili sorunlardan biri, karttaki endüktif yapıyla rezonansa girme eğiliminde olmalarıdır. Bu, Şekil 8'de gösterilen örnekte görülebilir; burada 10 uF'lik bir MLCC kullanımı, yaklaşık 300 kHz'de rezonans sağlar.
Daha büyük ESR'ye sahip bir bileşen seçerek veya basitçe küçük değerli bir direnci (1 ohm gibi) bir kapasitörle seri bağlayarak rezonansı azaltabilirsiniz. Bu tür bir yöntem, sistemi bastırmak için kayıplı bileşenler kullanır. Diğer bir yöntem ise rezonansı daha düşük veya daha yüksek bir rezonans noktasına taşımak için başka bir kapasitans değeri kullanmaktır.
Film kapasitörler birçok uygulamada kullanılmaktadır. Bunlar, yüksek güçlü DC-DC dönüştürücüler için tercih edilen kapasitörlerdir ve güç hatları (AC ve DC) ve ortak mod filtreleme konfigürasyonlarında EMI bastırma filtreleri olarak kullanılırlar. Film kapasitörlerinin kullanımının bazı ana noktalarını göstermek için örnek olarak bir X kapasitörünü alıyoruz.
Bir dalgalanma olayı meydana gelirse, hattaki tepe voltaj stresinin sınırlandırılmasına yardımcı olur, bu nedenle genellikle geçici voltaj bastırıcı (TVS) veya metal oksit varistör (MOV) ile birlikte kullanılır.
Bunların hepsini zaten biliyor olabilirsiniz ancak bir X kapasitörünün kapasitans değerinin yıllar süren kullanımla önemli ölçüde azalabileceğini biliyor muydunuz? Bu özellikle kapasitör nemli bir ortamda kullanılıyorsa geçerlidir. X kapasitörünün kapasitans değerinin bir veya iki yıl içinde nominal değerinin yalnızca yüzde birkaçına düştüğünü gördüm, bu nedenle orijinal olarak X kapasitörle tasarlanan sistem aslında ön uç kapasitörün sahip olabileceği tüm korumayı kaybetti.
Peki ne oldu? Nemli hava kapasitörün içine, kablonun yukarısına ve kutu ile epoksi kaplama bileşiği arasına sızabilir. Alüminyum metalizasyonu daha sonra oksitlenebilir. Alümina iyi bir elektrik yalıtkanıdır, dolayısıyla kapasitansı azaltır. Bu tüm film kapasitörlerin karşılaşacağı bir sorundur. Bahsettiğim konu film kalınlığıdır. Saygın kapasitör markaları daha kalın filmler kullanır ve bu da diğer markalara göre daha büyük kapasitörler sağlar. Daha ince film, kapasitörün aşırı yüke (voltaj, akım veya sıcaklık) karşı daha az dayanıklı olmasını sağlar ve kendi kendini onarması pek olası değildir.
X kapasitörü güç kaynağına kalıcı olarak bağlı değilse endişelenmenize gerek yoktur. Örneğin güç kaynağı ile kapasitör arasında sert geçiş bulunan bir ürün için boyut, ömürden daha önemli olabilir ve bu durumda daha ince bir kapasitör tercih edebilirsiniz.
Ancak kapasitör güç kaynağına kalıcı olarak bağlıysa son derece güvenilir olması gerekir. Kapasitörlerin oksidasyonu kaçınılmaz değildir. Kondansatörün epoksi malzemesi kaliteli ise ve kondansatör aşırı sıcaklıklara sık sık maruz kalmıyorsa değerdeki düşüşün minimum düzeyde olması gerekir.
Bu makalede ilk olarak kapasitörlerin alan teorisi görünümü tanıtılmıştır. Pratik örnekler ve simülasyon sonuçları, en yaygın kapasitör türlerinin nasıl seçileceğini ve kullanılacağını gösterir. Bu bilgilerin elektronik ve EMC tasarımında kapasitörlerin rolünü daha kapsamlı bir şekilde anlamanıza yardımcı olabileceğini umuyoruz.
Dr. Min Zhang, EMC danışmanlığı, sorun giderme ve eğitim konularında uzmanlaşmış İngiltere merkezli bir mühendislik şirketi olan Mach One Design Ltd'nin kurucusu ve baş EMC danışmanıdır. Güç elektroniği, dijital elektronik, motorlar ve ürün tasarımı konusundaki derin bilgisi dünya çapındaki şirketlere fayda sağlamıştır.
In Compliance, elektrik ve elektronik mühendisliği profesyonelleri için ana haber, bilgi, eğitim ve ilham kaynağıdır.
Havacılık ve Uzay Otomotiv Haberleşme Tüketici Elektroniği Eğitim Enerji ve Enerji Sanayi Bilgi Teknolojileri Medikal Askeri ve Milli Savunma