haberler

Kapasitörler devre kartlarında en sık kullanılan bileşenlerden biridir. Elektronik cihazların sayısı (cep telefonlarından arabalara kadar) artmaya devam ettikçe kapasitörlere olan talep de artıyor.Covid 19 salgını, yarı iletkenlerden küresel bileşen tedarik zincirini sekteye uğrattı pasif bileşenlere bağlıydı ve kapasitörler yetersiz kalmıştı1.
Kondansatörler konusundaki tartışmalar kolaylıkla bir kitaba veya sözlüğe dönüştürülebilir. Öncelikle elektrolitik kapasitörler, film kapasitörler, seramik kapasitörler vb. gibi farklı kapasitör türleri vardır. Daha sonra aynı tipte farklı kapasitörler vardır. dielektrik malzemeler.Farklı sınıflar da vardır.Fiziksel yapıya gelince, iki terminalli ve üç terminalli kapasitör tipleri vardır.Ayrıca, esasen bir çift Y kapasitörünün bir arada kapsüllenmiş olduğu X2Y tipi kapasitör de vardır.Süper kapasitörler hakkında ne düşünüyorsunuz? ?Gerçek şu ki, oturup büyük üreticilerin kapasitör seçim kılavuzlarını okumaya başlarsanız, gününüzü kolaylıkla geçirebilirsiniz!
Bu makale temel konularla ilgili olduğu için her zamanki gibi farklı bir yöntem kullanacağım. Daha önce de belirttiğim gibi kapasitör seçim kılavuzları tedarikçinin 3 ve 4 numaralı web sitelerinde kolayca bulunabilir ve saha mühendisleri genellikle kapasitörlerle ilgili çoğu soruyu yanıtlayabilir. Bu makalede, İnternette bulabileceklerinizi 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 bilmelidir.
Yıllar önce elektronik ekipman üreten bir firmada çalışırken, bir güç elektroniği mühendisine röportaj sorumuz vardı. Mevcut ürünün şematik diyagramında potansiyel adaylara “DC link elektrolitik sisteminin işlevi nedir” diye soracağız. kapasitör?” ve “Çipin yanındaki 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 değil. Düşük frekanslarda (birkaç kHz'den) birkaç MHz'e kadar), devre teorisi genellikle sorunu iyi açıklayabilir. Bunun nedeni, düşük frekanslarda sinyalin esas olarak diferansiyel modda olmasıdır. Devre teorisini kullanarak, Şekil 1'de gösterilen kapasitörü görebiliriz; burada eşdeğer seri direnç ( ESR) ve eşdeğer seri endüktans (ESL), kapasitörün empedansının frekansla değişmesini sağlar.
Bu model, devre yavaş 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 modeli sınırlamaları vardır.
Bugün aynı röportaj sorusu bana sorulsaydı, alan teorisi gözlem gözlüğümü takar ve her iki kapasitör tipinin de enerji depolama cihazı olduğunu söylerdim. Farkı, elektrolitik kapasitörlerin seramik kapasitörlerden daha fazla enerji depolayabilmesidir. Ancak enerji iletimi açısından. , seramik kapasitörler enerjiyi daha hızlı iletebilir. Bu, seramik kapasitörlerin neden çipin yanına yerleştirilmesi gerektiğini açıklıyor çünkü çip, ana güç devresine kıyasla daha yüksek anahtarlama frekansına ve anahtarlama hızına sahip.
Bu açıdan bakıldığında kapasitörler için basitçe iki performans standardı tanımlayabiliriz. Biri kapasitörün ne kadar enerji depolayabileceği, diğeri ise bu enerjinin ne kadar hızlı aktarılabileceğidir. Her ikisi de kapasitörün üretim yöntemine, yani dielektrik malzemeye, kapasitörle bağlantı vb.
Devredeki anahtarın kapanması (bkz. Şekil 2), yükün güç kaynağından enerjiye ihtiyaç duyduğunu gösterir. Bu anahtarın kapanma hızı, enerji talebinin aciliyetini belirler. Enerji ışık hızıyla (yarı) hareket ettiği için FR4 malzemelerde ışık hızı kadardır), enerjiyi aktarmak zaman alır. Ayrıca kaynak ile iletim hattı ve yük arasında empedans uyumsuzluğu vardır. Bu, enerjinin hiçbir zaman tek seferde değil, birden fazla seferde aktarılacağı anlamına gelir. gidiş-dönüş5, bu nedenle anahtar hızlı bir şekilde değiştiğinde, anahtarlama dalga biçiminde gecikmeler ve çınlamalar görüyoruz.
Şekil 2: Enerjinin uzayda yayılması zaman alır; empedans uyumsuzluğu, enerji aktarımının birden fazla gidiş-dönüş yolculuğuna neden olur.
Enerji aktarımının zaman alması ve çok sayıda gidiş-dönüş olması, bize enerji kaynağını yüke mümkün olduğunca yakın yerleştirmemiz gerektiğini ve enerjiyi hızlı bir şekilde aktarmanın bir yolunu bulmamız gerektiğini söylüyor. Birincisi genellikle fiziksel yükü azaltarak elde edilir. yük, anahtar ve kapasitör arasındaki mesafe. İkincisi, en küçük empedansa sahip bir grup kapasitör toplanarak elde edilir.
Alan teorisi aynı zamanda ortak mod gürültüsüne neyin sebep olduğunu da açıklamaktadır. Kısaca anahtarlama sırasında yükün enerji talebi karşılanmadığında ortak mod gürültüsü oluşur. Bu nedenle yük ile yakındaki iletkenler arasındaki boşlukta depolanan enerjinin desteklenmesi sağlanacaktır. adım talebi. 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 kullanılıyor.
Elektrolitik kapasitörler esas olarak DC bağlantısında ana enerji kaynağı olarak kullanılır. Elektrolitik kapasitör seçimi genellikle aşağıdakilere bağlıdır:
EMC performansı için kapasitörlerin en önemli özellikleri empedans ve frekans özellikleridir. Düşük frekansta iletilen emisyonlar her zaman DC bara kapasitörünün performansına bağlıdır.
DC bağlantısının empedansı, yalnızca kapasitörün ESR 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 kademeli bir DC-DC dönüştürücü yapıldı. 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 hepsinin aynı üreticiden olduğundan emin olmak önemlidir. Kapasitörü PCB üzerine lehimlerken, uzun uçların olmadığından emin olun, çünkü bu ESL'yi artıracaktır. kapasitör. 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 performansı elde ettiği görülebilir.
Devre teorisinden bakıldığında iki kondansatörün paralel bağlanmasıyla hem ESL hem de ESR'nin yarıya indiği söylenebilir. Alan teorisi açısından bakıldığında sadece bir enerji kaynağı yoktur, aynı yüke iki enerji kaynağı beslenir. , genel enerji iletim süresini etkili bir şekilde azaltır. Ancak, daha yüksek frekanslarda, iki 330 µF kapasitör ile bir 680 µF kapasitör arasındaki fark küçülecektir. Bunun nedeni, yüksek frekanslı gürültünün yetersiz adım enerji tepkisini göstermesidir. 330 µF'lik bir kapasitörü yakına hareket ettirirken Anahtarı kullanarak enerji aktarım süresini kısaltırız, bu da kapasitörün adım tepkisini etkili bir şekilde artırır.
Sonuç bize çok önemli bir ders veriyor. Tek bir kapasitörün kapasitansını arttırmak genellikle daha fazla enerjiye yönelik adım talebini desteklemez. Mümkünse daha küçük kapasitif bileşenler kullanın. Bunun birçok iyi nedeni vardır. Birincisi maliyettir. Genel olarak Yani aynı paket boyutu için bir kapasitörün maliyeti, kapasitans değeriyle birlikte katlanarak artar. Tek bir kapasitör kullanmak, birkaç küçük kapasitör kullanmaktan daha pahalı olabilir. İkinci neden ise boyuttur. Ürün tasarımında sınırlayıcı faktör genellikle yüksekliktir. Büyük kapasiteli kapasitörlerde yükseklik genellikle ürün tasarımı için çok büyüktür. 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.
Seramik kapasitörler daha önce de belirttiğim gibi hızlı bir şekilde enerji sağlayabilen minyatür cihazlardır. Bana sıklıkla “Ne kadar kapasitöre ihtiyacım var?” sorusu sorulur. Bu sorunun cevabı seramik kapasitörler için kapasitans değerinin o kadar da önemli olmaması gerektiğidir. Burada önemli olan, uygulamanız için hangi frekansta enerji aktarım hızının yeterli olduğunun belirlenmesidir. İletilen emisyon 100 MHz'de başarısız olursa 100 MHz'de empedansı en küçük olan kapasitör iyi bir seçim olacaktır.
Bu da MLCC'nin bir başka 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 çok fazla olduğunu belirtmekte fayda var. karttaki bağlantı endüktansından daha düşüktür. 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 hale geldiğini gösterir.
MLCC'lerle ilgili sorunlardan biri, kart üzerindeki endüktif yapıyla rezonansa girme eğiliminde olmalarıdır. Bu, 10 µF'lik bir MLCC'nin kullanımının yaklaşık 300 kHz'de rezonans sağladığı Şekil 8'de gösterilen örnekte görülebilir.
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 yöntem, sistemi bastırmak için kayıplı bileşenler kullanır. Diğer bir yöntem ise başka bir kapasitans kullanmaktır. Rezonansı daha düşük veya daha yüksek bir rezonans noktasına taşımak için değer.
Film kapasitörleri birçok uygulamada kullanılır. 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 kullanılır. Bir X kapasitörünü şu şekilde alırız: Film kapasitörlerinin kullanımının bazı ana noktalarını gösteren bir örnek.
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 kapasitörü bir veya iki yıl içinde nominal değerinin yalnızca yüzde birkaçına düşer, bu nedenle orijinal olarak X kapasitörüyle tasarlanan sistem aslında ön uç kapasitörün sahip olabileceği tüm korumayı kaybetti.
Peki ne oldu? Nemli hava kondansatörün içine, kablonun yukarısına ve kutu ile epoksi kaplama bileşiğinin arasına sızabilir. Alüminyum metal kaplama daha sonra oksitlenebilir. Alümina iyi bir elektrik yalıtkanıdır ve dolayısıyla kapasitansı azaltır. tüm film kapasitörler karşılaşacaktır. Bahsettiğim konu film kalınlığıdır. Saygın kapasitör markaları daha kalın filmler kullanır, 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 kendine iyileşmesi pek mümkün değildir.
X kapasitör 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 o zaman daha ince bir kapasitör seçebilirsiniz.
Ancak kapasitör güç kaynağına kalıcı olarak bağlıysa son derece güvenilir olmalıdır. Kondansatörlerin oksidasyonu kaçınılmaz değildir. Kondansatör epoksi malzemesi kaliteliyse ve kondansatör aşırı sıcaklıklara sıklıkla maruz kalmıyorsa, kondansatördeki düşüş değer minimum olmalıdır.
Bu makalede ilk olarak kapasitörlerin alan teorisi görünümü tanıtılmıştır. Pratik örnekler ve simülasyon sonuçları, en yaygın kapasitör türlerinin nasıl seçileceğini ve kullanılacağını göstermektedir. Bu bilginin, kapasitörlerin elektronik ve EMC tasarımındaki 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 bilgisinden faydalanmıştır. dünya çapındaki şirketler.
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