նորություններ

Կոնդենսատորները տպատախտակների վրա առավել հաճախ օգտագործվող բաղադրիչներից են: Քանի որ էլեկտրոնային սարքերի թիվը (բջջային հեռախոսներից մինչև մեքենաներ) շարունակում է աճել, ավելանում է նաև կոնդենսատորների պահանջարկը: Covid 19-ի համաճարակը խաթարել է բաղադրիչների մատակարարման գլոբալ շղթան՝ կիսահաղորդչներից մինչև պասիվ բաղադրիչներ, և կոնդենսատորները պակաս են եղել1:
Կոնդենսատորների թեմայով քննարկումները հեշտությամբ կարելի է վերածել գրքի կամ բառարանի: Նախ, կան տարբեր տեսակի կոնդենսատորներ, ինչպիսիք են էլեկտրոլիտիկ կոնդենսատորները, ֆիլմի կոնդենսատորները, կերամիկական կոնդենսատորները և այլն: Այնուհետեւ, նույն տեսակի մեջ կան տարբեր դիէլեկտրական նյութեր: Կան նաև տարբեր դասարաններ։ Ինչ վերաբերում է ֆիզիկական կառուցվածքին, ապա կան երկու տերմինալ և երեք տերմինալային կոնդենսատորներ: Կա նաև X2Y տիպի կոնդենսատոր, որն ըստ էության իրենից ներկայացնում է մեկում պարփակված Y կոնդենսատորների զույգ: Ինչ վերաբերում է գերկոնդենսատորներին: Փաստն այն է, որ եթե նստեք և սկսեք կարդալ խոշոր արտադրողների կոնդենսատորների ընտրության ուղեցույցները, կարող եք հեշտությամբ անցկացնել օրը:
Քանի որ այս հոդվածը վերաբերում է հիմունքներին, ես կօգտագործեմ այլ մեթոդ, ինչպես միշտ: Ինչպես նշվեց ավելի վաղ, կոնդենսատորների ընտրության ուղեցույցները հեշտությամբ կարելի է գտնել մատակարարների 3-րդ և 4-րդ կայքերում, և դաշտային ինժեներները սովորաբար կարող են պատասխանել կոնդենսատորների վերաբերյալ շատ հարցերին: Այս հոդվածում ես չեմ կրկնի այն, ինչ կարող եք գտնել ինտերնետում, բայց գործնական օրինակների միջոցով ցույց կտամ, թե ինչպես ընտրել և օգտագործել կոնդենսատորները: Կքննարկվեն նաև կոնդենսատորների ընտրության որոշ քիչ հայտնի ասպեկտներ, ինչպիսիք են հզորության դեգրադացիան: Այս հոդվածը կարդալուց հետո դուք պետք է լավ պատկերացնեք կոնդենսատորների օգտագործումը:
Տարիներ առաջ, երբ ես աշխատում էի էլեկտրոնային սարքավորումներ արտադրող ընկերությունում, մենք հարցազրույցի հարց ունեինք ուժային էլեկտրոնիկայի ինժեների համար: Գոյություն ունեցող արտադրանքի սխեմատիկ դիագրամի վրա մենք պոտենցիալ թեկնածուներին կհարցնենք «Ի՞նչ գործառույթ ունի DC կապի էլեկտրոլիտիկ կոնդենսատորը»: և «Ի՞նչ գործառույթ ունի չիպի կողքին գտնվող կերամիկական կոնդենսատորը»: Հուսով ենք, որ ճիշտ պատասխանը DC ավտոբուսի կոնդենսատորն է, որն օգտագործվում է էներգիայի պահպանման համար, կերամիկական կոնդենսատորները օգտագործվում են զտման համար:
«Ճիշտ» պատասխանը, որը մենք փնտրում ենք, իրականում ցույց է տալիս, որ դիզայներական թիմի բոլոր անդամները կոնդենսատորներին նայում են պարզ շղթայի տեսանկյունից, այլ ոչ թե դաշտի տեսության տեսանկյունից: Շղթայի տեսության տեսակետը սխալ չէ։ Ցածր հաճախականությունների դեպքում (մի քանի կՀց-ից մինչև մի քանի ՄՀց) միացման տեսությունը սովորաբար կարող է լավ բացատրել խնդիրը: Դա պայմանավորված է նրանով, որ ավելի ցածր հաճախականություններում ազդանշանը հիմնականում դիֆերենցիալ ռեժիմում է: Օգտագործելով սխեմայի տեսությունը, մենք կարող ենք տեսնել Նկար 1-ում ներկայացված կոնդենսատորը, որտեղ համարժեք շարքի դիմադրությունը (ESR) և համարժեք շարքի ինդուկտիվությունը (ESL) ստիպում են կոնդենսատորի դիմադրությունը փոփոխվել հաճախականությամբ:
Այս մոդելը լիովին բացատրում է սխեմայի աշխատանքը, երբ միացումը դանդաղ է անցնում: Սակայն, քանի որ հաճախականությունը մեծանում է, ամեն ինչ ավելի ու ավելի է բարդանում: Ինչ-որ պահի բաղադրիչը սկսում է ցույց տալ ոչ գծայինություն: Երբ հաճախականությունը մեծանում է, պարզ LCR մոդելն ունի իր սահմանափակումները:
Այսօր, եթե ինձ տային հարցազրույցի նույն հարցը, ես կհագեի դաշտի տեսության դիտման ակնոցը և կասեի, որ կոնդենսատորների երկու տեսակներն էլ էներգիայի պահպանման սարքեր են: Տարբերությունն այն է, որ էլեկտրոլիտիկ կոնդենսատորները կարող են ավելի շատ էներգիա պահել, քան կերամիկական կոնդենսատորները: Բայց էներգիայի փոխանցման առումով կերամիկական կոնդենսատորները կարող են էներգիա փոխանցել ավելի արագ: Սա բացատրում է, թե ինչու է կերամիկական կոնդենսատորները պետք է տեղադրվեն չիպի կողքին, քանի որ չիպն ունի ավելի մեծ անջատման հաճախականություն և միացման արագություն՝ համեմատած հիմնական հոսանքի միացման հետ:
Այս տեսանկյունից, մենք կարող ենք պարզապես սահմանել երկու կատարողական ստանդարտներ կոնդենսատորների համար: Մեկն այն է, թե որքան էներգիա կարող է կուտակել կոնդենսատորը, և մյուսն այն է, թե որքան արագ կարող է փոխանցվել այս էներգիան: Երկուսն էլ կախված են կոնդենսատորի արտադրության մեթոդից, դիէլեկտրական նյութից, կոնդենսատորի հետ կապից և այլն:
Երբ շղթայի անջատիչը փակ է (տես նկար 2), դա ցույց է տալիս, որ բեռը էներգիայի կարիք ունի էներգիայի աղբյուրից: Արագությունը, որով այս անջատիչը փակվում է, որոշում է էներգիայի պահանջարկի հրատապությունը: Քանի որ էներգիան շարժվում է լույսի արագությամբ (FR4 նյութերի լույսի արագության կեսը), էներգիան փոխանցելու համար ժամանակ է պահանջվում: Բացի այդ, աղբյուրի և հաղորդման գծի և բեռի միջև առկա է դիմադրության անհամապատասխանություն: Սա նշանակում է, որ էներգիան երբեք չի փոխանցվի մեկ ուղևորության, այլ բազմակի շրջանաձև երթևեկության ժամանակ5, այդ իսկ պատճառով, երբ անջատիչը արագ փոխարկվի, մենք կտեսնենք ուշացումներ և զանգեր անջատման ալիքի ձևով:
Նկար 2. Տիեզերքում էներգիայի տարածման համար ժամանակ է պահանջվում. դիմադրության անհամապատասխանությունը առաջացնում է էներգիայի փոխանցման մի քանի շրջանաձև շրջագայություններ:
Այն փաստը, որ էներգիայի մատակարարումը պահանջում է ժամանակ և բազմակի շրջագայություններ, մեզ հուշում է, որ մենք պետք է էներգիան հնարավորինս մոտ տեղափոխենք բեռին, և մենք պետք է ճանապարհ գտնենք այն արագ առաքելու համար: Առաջինը սովորաբար ձեռք է բերվում բեռի, անջատիչի և կոնդենսատորի միջև ֆիզիկական հեռավորությունը նվազեցնելու միջոցով: Վերջինս ձեռք է բերվում ամենափոքր դիմադրողականությամբ մի խումբ կոնդենսատորների հավաքմամբ։
Դաշտի տեսությունը նաև բացատրում է, թե ինչն է առաջացնում ընդհանուր ռեժիմի աղմուկը: Մի խոսքով, ընդհանուր ռեժիմի աղմուկն առաջանում է, երբ միացման ժամանակ բեռի էներգիայի պահանջարկը չի բավարարվում: Հետևաբար, բեռի և մոտակա հաղորդիչների միջև կուտակված էներգիան կտրամադրվի աստիճանի պահանջարկը ապահովելու համար: Բեռի և մոտակա հաղորդիչների միջև տարածությունն այն է, ինչ մենք անվանում ենք մակաբույծ/փոխադարձ հզորություն (տես նկար 2):
Մենք օգտագործում ենք հետևյալ օրինակները՝ ցույց տալու համար, թե ինչպես օգտագործել էլեկտրոլիտիկ կոնդենսատորներ, բազմաշերտ կերամիկական կոնդենսատորներ (MLCC) և թաղանթային կոնդենսատորներ: Ընտրված կոնդենսատորների աշխատանքը բացատրելու համար օգտագործվում են ինչպես միացման, այնպես էլ դաշտի տեսությունը:
Էլեկտրոլիտիկ կոնդենսատորները հիմնականում օգտագործվում են DC կապում որպես էներգիայի հիմնական աղբյուր: Էլեկտրոլիտիկ կոնդենսատորի ընտրությունը հաճախ կախված է.
EMC-ի կատարման համար կոնդենսատորների ամենակարևոր բնութագրերն են դիմադրողականությունը և հաճախականությունը: Ցածր հաճախականությամբ իրականացվող արտանետումները միշտ կախված են DC կապի կոնդենսատորի աշխատանքից:
DC կապի դիմադրությունը կախված է ոչ միայն կոնդենսատորի ESR-ից և ESL-ից, այլև ջերմային հանգույցի տարածքից, ինչպես ցույց է տրված Նկար 3-ում: Ավելի մեծ ջերմային հանգույցի տարածքը նշանակում է, որ էներգիայի փոխանցումն ավելի երկար է տևում, հետևաբար կատարումը: կազդի.
Սա ապացուցելու համար կառուցվել է DC-DC փոխարկիչ: Նախնական համապատասխանության EMC թեստի կարգավորումը, որը ներկայացված է Նկար 4-ում, իրականացնում է արտանետումների սկանավորում 150 կՀց-ից մինչև 108 ՄՀց հաճախականությամբ:
Կարևոր է ապահովել, որ այս դեպքի ուսումնասիրության մեջ օգտագործվող կոնդենսատորները բոլորն էլ նույն արտադրողից են, որպեսզի խուսափեն դիմադրության բնութագրերի տարբերություններից: Կոնդենսատորը PCB-ի վրա զոդելիս համոզվեք, որ երկար խողովակներ չկան, քանի որ դա կբարձրացնի կոնդենսատորի ESL-ը: Նկար 5-ում ներկայացված են երեք կոնֆիգուրացիաներ:
Այս երեք կոնֆիգուրացիաների իրականացված արտանետումների արդյունքները ներկայացված են Նկար 6-ում: Տեսանելի է, որ 680 µF կոնդենսատորի համեմատությամբ երկու 330 µF կոնդենսատորները հասնում են 6 դԲ աղմուկի նվազեցման արդյունավետության ավելի լայն հաճախականության տիրույթում:
Շղթայի տեսությունից կարելի է ասել, որ երկու կոնդենսատորներ զուգահեռ միացնելով, և՛ ESL-ը, և՛ ESR-ը կիսով չափ կրճատվում են: Դաշտի տեսության տեսանկյունից գոյություն ունի ոչ միայն մեկ էներգիայի աղբյուր, այլ էներգիայի երկու աղբյուր մատակարարվում է նույն բեռին՝ արդյունավետորեն նվազեցնելով էներգիայի փոխանցման ընդհանուր ժամանակը: Այնուամենայնիվ, ավելի բարձր հաճախականություններում երկու 330 µF կոնդենսատորների և մեկ 680 µF կոնդենսատորների միջև տարբերությունը կփոքրանա: Դա պայմանավորված է նրանով, որ բարձր հաճախականության աղմուկը ցույց է տալիս քայլի էներգիայի անբավարար արձագանքը: 330 µF կոնդենսատորը անջատիչին մոտեցնելիս մենք նվազեցնում ենք էներգիայի փոխանցման ժամանակը, ինչը արդյունավետորեն մեծացնում է կոնդենսատորի քայլային արձագանքը:
Արդյունքը մեզ շատ կարևոր դաս է ասում. Մեկ կոնդենսատորի հզորության ավելացումը, ընդհանուր առմամբ, չի աջակցի ավելի շատ էներգիայի պահանջարկին: Հնարավորության դեպքում օգտագործեք ավելի փոքր կոնդենսիվ բաղադրիչներ: Դրա համար շատ լավ պատճառներ կան: Առաջինը ծախսն է: Ընդհանուր առմամբ, նույն փաթեթի չափի համար կոնդենսատորի արժեքը երկրաչափականորեն ավելանում է հզորության արժեքով: Մեկ կոնդենսատորի օգտագործումը կարող է ավելի թանկ լինել, քան մի քանի փոքր կոնդենսատոր օգտագործելը: Երկրորդ պատճառը չափն է։ Արտադրանքի դիզայնի սահմանափակող գործոնը սովորաբար բաղադրիչների բարձրությունն է: Մեծ հզորության կոնդենսատորների համար բարձրությունը հաճախ չափազանց մեծ է, ինչը հարմար չէ արտադրանքի նախագծման համար: Երրորդ պատճառը EMC-ի կատարումն է, որը մենք տեսանք դեպքի ուսումնասիրության մեջ:
Մեկ այլ գործոն, որը պետք է հաշվի առնել էլեկտրոլիտիկ կոնդենսատոր օգտագործելիս, այն է, որ երբ միացնում եք երկու կոնդենսատորներ հաջորդաբար՝ լարումը կիսելու համար, ձեզ անհրաժեշտ կլինի հավասարակշռող դիմադրություն 6:
Ինչպես նշվեց ավելի վաղ, կերամիկական կոնդենսատորները մանրանկարչական սարքեր են, որոնք կարող են արագ էներգիա ապահովել: Ինձ հաճախ հարցնում են «Որքա՞ն կոնդենսատոր է ինձ անհրաժեշտ»: Այս հարցի պատասխանն այն է, որ կերամիկական կոնդենսատորների համար հզորության արժեքը չպետք է այդքան կարևոր լինի: Այստեղ կարևոր նկատառումն այն է, որ որոշել, թե որ հաճախականությամբ է էներգիայի փոխանցման արագությունը բավարար ձեր կիրառման համար: Եթե ​​անցկացվող արտանետումը ձախողվում է 100 ՄՀց հաճախականությամբ, ապա 100 ՄՀց ամենափոքր դիմադրություն ունեցող կոնդենսատորը լավ ընտրություն կլինի:
Սա MLCC-ի հերթական թյուրիմացությունն է: Ես տեսել եմ, որ ինժեներները շատ էներգիա են ծախսում, ընտրելով կերամիկական կոնդենսատորներ ամենացածր ESR-ով և ESL-ով, նախքան երկար հետքերով կոնդենսատորները ՌԴ հղման կետին միացնելը: Հարկ է նշել, որ MLCC-ի ESL-ը սովորաբար շատ ավելի ցածր է, քան տախտակի վրա միացման ինդուկտիվությունը: Միացման ինդուկտիվությունը դեռևս ամենակարևոր պարամետրն է, որն ազդում է կերամիկական կոնդենսատորների բարձր հաճախականության դիմադրության վրա7:
Նկար 7-ը ցույց է տալիս վատ օրինակ: Երկար հետքերը (0,5 դյույմ երկարությամբ) ներկայացնում են առնվազն 10nH ինդուկտիվություն: Մոդելավորման արդյունքը ցույց է տալիս, որ կոնդենսատորի դիմադրությունը հաճախականության կետում (50 ՄՀց) դառնում է սպասվածից շատ ավելի բարձր:
MLCC-ների հետ կապված խնդիրներից մեկն այն է, որ դրանք հակված են ռեզոնանսավորվել տախտակի ինդուկտիվ կառուցվածքի հետ: Սա կարելի է տեսնել Նկար 8-ում ցուցադրված օրինակում, որտեղ 10 µF MLCC-ի օգտագործումը ներկայացնում է ռեզոնանս մոտավորապես 300 կՀց հաճախականությամբ:
Դուք կարող եք նվազեցնել ռեզոնանսը՝ ընտրելով ավելի մեծ ESR-ով բաղադրիչ կամ պարզապես կոնդենսատորով մի փոքր արժեքի դիմադրություն (օրինակ՝ 1 օմ) դնելով: Այս տեսակի մեթոդը օգտագործում է կորուստ ունեցող բաղադրիչներ՝ համակարգը ճնշելու համար: Մեկ այլ մեթոդ է օգտագործել մեկ այլ հզորության արժեք՝ ռեզոնանսը ավելի ցածր կամ ավելի բարձր ռեզոնանսային կետ տեղափոխելու համար:
Ֆիլմի կոնդենսատորները օգտագործվում են բազմաթիվ ծրագրերում: Դրանք ընտրված կոնդենսատորներն են բարձր հզորության DC-DC փոխարկիչների համար և օգտագործվում են որպես EMI ճնշող զտիչներ էլեկտրահաղորդման գծերի (AC և DC) և ընդհանուր ռեժիմի ֆիլտրման կոնֆիգուրացիաներում: Մենք վերցնում ենք X կոնդենսատորը որպես օրինակ՝ ֆիլմի կոնդենսատորների օգտագործման որոշ հիմնական կետերը լուսաբանելու համար:
Եթե ​​տեղի է ունենում ալիքի իրադարձություն, դա օգնում է սահմանափակել լարման գագաթնակետային լարվածությունը գծի վրա, ուստի այն սովորաբար օգտագործվում է անցողիկ լարման ճնշիչի (TVS) կամ մետաղական օքսիդի վարիստորի (MOV) հետ:
Գուցե դուք արդեն գիտեք այս ամենը, բայց գիտեի՞ք, որ X կոնդենսատորի հզորության արժեքը կարող է զգալիորեն կրճատվել տարիների օգտագործման ընթացքում: Սա հատկապես ճիշտ է, եթե կոնդենսատորը օգտագործվում է խոնավ միջավայրում: Ես տեսել եմ, որ X կոնդենսատորի հզորության արժեքը մեկ կամ երկու տարվա ընթացքում իջել է իր անվանական արժեքի միայն մի քանի տոկոսով, ուստի ի սկզբանե X կոնդենսատորով նախագծված համակարգը իրականում կորցրել է ողջ պաշտպանությունը, որը կարող էր ունենալ առջևի կոնդենսատորը:
Ուրեմն, ի՞նչ է պատահել։ Խոնավության օդը կարող է արտահոսել կոնդենսատորի մեջ, մետաղալարով վերև և տուփի և էպոքսիդային կաթսայի միացության միջև: Այնուհետև ալյումինի մետաղացումը կարող է օքսիդացվել: Ալյումինան լավ էլեկտրական մեկուսիչ է, դրանով իսկ նվազեցնելով հզորությունը: Սա խնդիր է, որին կհանդիպեն ֆիլմի բոլոր կոնդենսատորները: Խնդիրը, որի մասին ես խոսում եմ, թաղանթի հաստությունն է։ Կոնդենսատորների հեղինակավոր ապրանքանիշերը օգտագործում են ավելի հաստ թաղանթներ, ինչը հանգեցնում է ավելի մեծ կոնդենսատորների, քան մյուս ապրանքանիշերը: Ավելի բարակ թաղանթը դարձնում է կոնդենսատորը ավելի քիչ կայուն ծանրաբեռնվածության (լարման, հոսանքի կամ ջերմաստիճանի) նկատմամբ, և այն դժվար թե ինքն իրեն բուժի:
Եթե ​​X կոնդենսատորը մշտապես միացված չէ սնուցման աղբյուրին, ապա անհանգստանալու կարիք չկա: Օրինակ, արտադրանքի համար, որն ունի կոշտ անջատիչ էլեկտրամատակարարման և կոնդենսատորի միջև, չափը կարող է ավելի կարևոր լինել, քան կյանքը, այնուհետև կարող եք ընտրել ավելի բարակ կոնդենսատոր:
Այնուամենայնիվ, եթե կոնդենսատորը մշտապես միացված է էներգիայի աղբյուրին, այն պետք է լինի բարձր հուսալի: Կոնդենսատորների օքսիդացումն անխուսափելի չէ։ Եթե ​​կոնդենսատորի էպոքսիդային նյութը լավ որակի է, և կոնդենսատորը հաճախ չի ենթարկվում ծայրահեղ ջերմաստիճանի, արժեքի անկումը պետք է լինի նվազագույն:
Այս հոդվածում առաջին անգամ ներկայացվեց կոնդենսատորների դաշտի տեսությունը: Գործնական օրինակները և մոդելավորման արդյունքները ցույց են տալիս, թե ինչպես ընտրել և օգտագործել կոնդենսատորների ամենատարածված տեսակները: Հուսով եմ, որ այս տեղեկատվությունը կարող է օգնել ձեզ ավելի համապարփակ հասկանալ կոնդենսատորների դերը էլեկտրոնային և EMC նախագծման մեջ:
Դոկտոր Մին Ժանգը բրիտանական Mach One Design Ltd ինժեներական ընկերության հիմնադիրն ու գլխավոր EMC խորհրդատուն է, որը մասնագիտացած է EMC խորհրդատվության, խնդիրների վերացման և վերապատրաստման ոլորտում: Նրա խորը գիտելիքները ուժային էլեկտրոնիկայի, թվային էլեկտրոնիկայի, շարժիչների և արտադրանքի նախագծման բնագավառում օգուտ են բերել ընկերություններին ամբողջ աշխարհում:
In Compliance-ը նորությունների, տեղեկատվության, կրթության և ոգեշնչման հիմնական աղբյուրն է էլեկտրական և էլեկտրոնային ճարտարագիտության մասնագետների համար:
Aerospace Automotive Communications Consumer Electronics Կրթություն Էներգետիկա և Էներգետիկ Արդյունաբերություն Տեղեկատվական Տեխնոլոգիա Բժշկական Ռազմական և Ազգային Պաշտպանություն