nuus

Kapasitors is een van die mees gebruikte komponente op stroombane. Soos die aantal elektroniese toestelle (van selfone tot motors) aanhou toeneem, neem die vraag na kapasitors ook toe. Die Covid 19-pandemie het die wêreldwye komponent-voorsieningsketting van halfgeleiers tot passiewe komponente ontwrig, en kapasitors is 'n tekort aan1.
Besprekings oor die onderwerp van kapasitors kan maklik in 'n boek of 'n woordeboek omskep word. Eerstens is daar verskillende tipes kapasitors, soos elektrolitiese kapasitors, film kapasitors, keramiek kapasitors en so aan. Dan, in dieselfde tipe, is daar verskillende diëlektriese materiale. Daar is ook verskillende klasse. Wat die fisiese struktuur betref, is daar twee-terminale en drie-terminale kapasitortipes. Daar is ook 'n X2Y-tipe kapasitor, wat in wese 'n paar Y-kapasitors is wat in een ingekapsuleer is. Wat van superkapasitors? Die feit is, as jy gaan sit en kapasitorkeusegidse van groot vervaardigers begin lees, kan jy maklik die dag spandeer!
Aangesien hierdie artikel oor die basiese beginsels handel, sal ek soos gewoonlik 'n ander metode gebruik. Soos vroeër genoem, kan kapasitorkeusegidse maklik op verskafferwebwerwe 3 en 4 gevind word, en veldingenieurs kan gewoonlik die meeste vrae oor kapasitors beantwoord. In hierdie artikel sal ek nie herhaal wat jy op die internet kan vind nie, maar sal demonstreer hoe om kapasitors te kies en te gebruik deur praktiese voorbeelde. Sommige minder bekende aspekte van kapasitorkeuse, soos kapasitansiedegradasie, sal ook gedek word. Nadat u hierdie artikel gelees het, moet u 'n goeie begrip hê van die gebruik van kapasitors.
Jare gelede, toe ek in 'n maatskappy gewerk het wat elektroniese toerusting gemaak het, het ons 'n onderhoudsvraag vir 'n kragelektronika-ingenieur gehad. Op die skematiese diagram van die bestaande produk, sal ons potensiële kandidate vra "Wat is die funksie van die DC-skakel elektrolitiese kapasitor?" en "Wat is die funksie van die keramiekkapasitor wat langs die skyfie geleë is?" Ons hoop dat die korrekte antwoord die GS-buskapasitor is. Keramiekkapasitors word vir energieberging gebruik vir filtering.
Die "korrekte" antwoord wat ons soek, wys eintlik dat almal in die ontwerpspan na kapasitors kyk vanuit 'n eenvoudige stroombaanperspektief, nie vanuit 'n veldteorie-perspektief nie. Die standpunt van stroombaanteorie is nie verkeerd nie. By lae frekwensies (van 'n paar kHz tot 'n paar MHz) kan stroombaanteorie gewoonlik die probleem goed verduidelik. Dit is omdat die sein by laer frekwensies hoofsaaklik in differensiële modus is. Deur stroombaanteorie te gebruik, kan ons die kapasitor in Figuur 1 sien, waar die ekwivalente reeksweerstand (ESR) en ekwivalente reeksinduktansie (ESL) die impedansie van die kapasitor met frekwensie laat verander.
Hierdie model verduidelik volledig die stroombaanprestasie wanneer die stroombaan stadig geskakel word. Soos die frekwensie egter toeneem, raak dinge meer en meer ingewikkeld. Op 'n stadium begin die komponent nie-lineariteit toon. Wanneer die frekwensie toeneem, het die eenvoudige LCR-model sy beperkings.
Vandag, as ek dieselfde onderhoudsvraag gevra word, sou ek my veldteorie-waarnemingsbril dra en sê dat beide kapasitortipes energiebergingstoestelle is. Die verskil is dat elektrolitiese kapasitors meer energie as keramiekkapasitors kan stoor. Maar wat energie-oordrag betref, kan keramiekkapasitors energie vinniger oordra. Dit verklaar waarom keramiekkapasitors langs die skyfie geplaas moet word, want die skyfie het 'n hoër skakelfrekwensie en skakelspoed in vergelyking met die hoofkragkring.
Vanuit hierdie perspektief kan ons eenvoudig twee prestasiestandaarde vir kapasitors definieer. Die een is hoeveel energie die kapasitor kan stoor, en die ander is hoe vinnig hierdie energie oorgedra kan word. Beide hang af van die vervaardigingsmetode van die kapasitor, die diëlektriese materiaal, die verbinding met die kapasitor, ensovoorts.
Wanneer die skakelaar in die stroombaan gesluit is (sien Figuur 2), dui dit aan dat die las energie van die kragbron benodig. Die spoed waarteen hierdie skakelaar sluit, bepaal die dringendheid van energievraag. Aangesien energie teen die spoed van lig beweeg (die helfte van die spoed van lig in FR4-materiale), neem dit tyd om energie oor te dra. Daarbenewens is daar 'n impedansie-wanverhouding tussen die bron en die transmissielyn en die las. Dit beteken dat energie nooit in een rit oorgedra sal word nie, maar in verskeie heen- en terugreise5, en daarom sal ons vertragings en lui in die skakelgolfvorm sien wanneer die skakelaar vinnig geskakel word.
Figuur 2: Dit neem tyd vir energie om in die ruimte voort te plant; impedansie-wanaanpassing veroorsaak veelvuldige heen-en-weer ritte van energie-oordrag.
Die feit dat energielewering tyd en veelvuldige heen- en terugreise neem, sê vir ons dat ons die energie so na as moontlik aan die vrag moet skuif, en ons moet 'n manier vind om dit vinnig te lewer. Die eerste word gewoonlik bereik deur die fisiese afstand tussen die las, skakelaar en kapasitor te verminder. Laasgenoemde word bereik deur 'n groep kapasitors met die kleinste impedansie bymekaar te maak.
Veldteorie verduidelik ook wat algemene modus geraas veroorsaak. Kortom, algemene modus-geraas word gegenereer wanneer die energievraag van die las nie tydens skakeling voorsien word nie. Daarom sal die energie wat in die spasie tussen die las en nabygeleë geleiers gestoor word, voorsien word om die stapvraag te ondersteun. Die spasie tussen die las en nabygeleë geleiers is wat ons parasitiese/onderlinge kapasitansie noem (sien Figuur 2).
Ons gebruik die volgende voorbeelde om te demonstreer hoe om elektrolitiese kapasitors, multilaag keramiek kapasitors (MLCC) en film kapasitors te gebruik. Beide stroombaan- en veldteorie word gebruik om die werkverrigting van geselekteerde kapasitors te verduidelik.
Elektrolitiese kapasitors word hoofsaaklik in die GS-skakel as die hoofenergiebron gebruik. Die keuse van elektrolitiese kapasitor hang dikwels af van:
Vir EMC-werkverrigting is die belangrikste kenmerke van kapasitors impedansie- en frekwensie-eienskappe. Laefrekwensie gelei emissies hang altyd af van die werkverrigting van die DC skakel kapasitor.
Die impedansie van die GS-skakel hang nie net af van die ESR en ESL van die kapasitor nie, maar ook van die area van die termiese lus, soos getoon in figuur 3. 'n Groter termiese lusarea beteken dat energie-oordrag langer neem, dus werkverrigting geraak sal word.
’n Verlaagde GS-GS-omsetter is gebou om dit te bewys. Die vooraf-voldoening EMC-toetsopstelling wat in Figuur 4 gewys word, voer 'n emissieskandering tussen 150kHz en 108MHz uit.
Dit is belangrik om te verseker dat die kapasitors wat in hierdie gevallestudie gebruik word almal van dieselfde vervaardiger is om verskille in impedansie-eienskappe te vermy. Wanneer jy die kapasitor op die PCB soldeer, maak seker dat daar geen lang leidings is nie, aangesien dit die ESL van die kapasitor sal verhoog. Figuur 5 toon die drie konfigurasies.
Die gelei-emissieresultate van hierdie drie konfigurasies word in Figuur 6 getoon. Dit kan gesien word dat, in vergelyking met 'n enkele 680 µF kapasitor, die twee 330 µF kapasitors 'n geraasverminderingsprestasie van 6 dB oor 'n wyer frekwensiereeks bereik.
Uit die stroombaanteorie kan gesê word dat deur twee kapasitors parallel te koppel, beide ESL en ESR gehalveer word. Vanuit die veldteorie-oogpunt is daar nie net een energiebron nie, maar twee energiebronne word aan dieselfde las voorsien, wat die algehele energie-oordragtyd effektief verminder. By hoër frekwensies sal die verskil tussen twee 330 µF kapasitors en een 680 µF kapasitor egter krimp. Dit is omdat hoëfrekwensiegeraas onvoldoende stapenergierespons aandui. Wanneer 'n 330 µF kapasitor nader aan die skakelaar beweeg word, verminder ons die energie-oordragtyd, wat effektief die staprespons van die kapasitor verhoog.
Die resultaat vertel ons 'n baie belangrike les. Die verhoging van die kapasitansie van 'n enkele kapasitor sal oor die algemeen nie die stapvraag na meer energie ondersteun nie. Indien moontlik, gebruik 'n paar kleiner kapasitiewe komponente. Daar is baie goeie redes hiervoor. Die eerste is koste. Oor die algemeen, vir dieselfde pakketgrootte, verhoog die koste van 'n kapasitor eksponensieel met die kapasitansiewaarde. Die gebruik van 'n enkele kapasitor kan duurder wees as om verskeie kleiner kapasitors te gebruik. Die tweede rede is grootte. Die beperkende faktor in produkontwerp is gewoonlik die hoogte van die komponente. Vir kapasitors met groot kapasiteit is die hoogte dikwels te groot, wat nie geskik is vir produkontwerp nie. Die derde rede is die EMC-prestasie wat ons in die gevallestudie gesien het.
Nog 'n faktor om in ag te neem wanneer 'n elektrolitiese kapasitor gebruik word, is dat wanneer jy twee kapasitors in serie koppel om die spanning te deel, jy 'n balanseerweerstand 6 sal benodig.
Soos vroeër genoem, is keramiekkapasitors miniatuur toestelle wat vinnig energie kan verskaf. Ek word gereeld die vraag gevra "Hoeveel kapasitor het ek nodig?" Die antwoord op hierdie vraag is dat die kapasitansiewaarde vir keramiekkapasitors nie so belangrik moet wees nie. Die belangrike oorweging hier is om te bepaal teen watter frekwensie die energie-oordragspoed voldoende is vir jou toepassing. As die geleide emissie by 100 MHz misluk, sal die kapasitor met die kleinste impedansie by 100 MHz 'n goeie keuse wees.
Dit is nog 'n misverstand van MLCC. Ek het gesien hoe ingenieurs baie energie spandeer om keramiekkapasitors met die laagste ESR en ESL te kies voordat hulle die kapasitors met die RF-verwysingspunt verbind deur lang spore. Dit is die moeite werd om te noem dat die ESL van MLCC gewoonlik baie laer is as die verbindingsinduktansie op die bord. Verbindingsinduktansie is steeds die belangrikste parameter wat die hoëfrekwensie-impedansie van keramiekkapasitors beïnvloed7.
Figuur 7 toon 'n slegte voorbeeld. Lang spore (0,5 duim lank) stel ten minste 10nH induktansie in. Die simulasieresultaat toon dat die impedansie van die kapasitor baie hoër word as wat verwag word by die frekwensiepunt (50 MHz).
Een van die probleme met MLCC's is dat hulle geneig is om te resoneer met die induktiewe struktuur op die bord. Dit kan gesien word in die voorbeeld wat in Figuur 8 getoon word, waar die gebruik van 'n 10 µF MLCC resonansie by ongeveer 300 kHz instel.
Jy kan resonansie verminder deur 'n komponent met 'n groter ESR te kies of bloot 'n klein waarde weerstand (soos 1 ohm) in serie met 'n kapasitor te plaas. Hierdie tipe metode gebruik verliesvolle komponente om die stelsel te onderdruk. Nog 'n metode is om 'n ander kapasitansiewaarde te gebruik om die resonansie na 'n laer of hoër resonansiepunt te skuif.
Filmkapasitors word in baie toepassings gebruik. Hulle is die kapasitors van keuse vir hoë-krag GS-GS-omsetters en word gebruik as EMI-onderdrukkingsfilters oor kraglyne (AC en DC) en gemeenskaplike-modus-filterkonfigurasies. Ons neem 'n X-kapasitor as 'n voorbeeld om sommige van die hoofpunte van die gebruik van filmkapasitors te illustreer.
As 'n oplewingsgebeurtenis plaasvind, help dit om die piekspanningspanning op die lyn te beperk, dus word dit gewoonlik gebruik met 'n verbygaande spanningsonderdrukker (TVS) of metaaloksiedvaristor (MOV).
Jy weet dalk al hierdie dinge, maar het jy geweet dat die kapasitansiewaarde van 'n X-kapasitor aansienlik verminder kan word met jare se gebruik? Dit is veral waar as die kapasitor in 'n vogtige omgewing gebruik word. Ek het gesien hoe die kapasitansiewaarde van die X-kapasitor net binne 'n jaar of twee tot 'n paar persent van sy gegradeerde waarde daal, so die stelsel wat oorspronklik met die X-kapasitor ontwerp is, het eintlik al die beskerming verloor wat die voorkant-kapasitor mag hê.
So, wat het gebeur? Vogtige lug kan in die kapasitor, op die draad en tussen die boks en die epoksie-potmengsel lek. Die aluminiummetallisasie kan dan geoksideer word. Alumina is 'n goeie elektriese isolator, wat die kapasitansie verminder. Dit is 'n probleem wat alle filmkapasitors sal teëkom. Die kwessie waarvan ek praat is filmdikte. Betroubare kapasitorhandelsmerke gebruik dikker films, wat lei tot groter kapasitors as ander handelsmerke. Die dunner film maak die kapasitor minder robuust teen oorlaai (spanning, stroom of temperatuur), en dit is onwaarskynlik dat dit homself sal genees.
As die X-kapasitor nie permanent aan die kragtoevoer gekoppel is nie, hoef jy nie bekommerd te wees nie. Byvoorbeeld, vir 'n produk wat 'n harde skakelaar tussen die kragtoevoer en die kapasitor het, is grootte dalk belangriker as die lewe, en dan kan jy 'n dunner kapasitor kies.
As die kapasitor egter permanent aan die kragbron gekoppel is, moet dit hoogs betroubaar wees. Die oksidasie van kapasitors is nie onvermydelik nie. As die kapasitor-epoksiemateriaal van goeie gehalte is en die kapasitor nie dikwels aan uiterste temperature blootgestel word nie, behoort die waardedaling minimaal te wees.
In hierdie artikel, die eerste keer bekendgestel die veld teorie siening van kapasitors. Praktiese voorbeelde en simulasieresultate wys hoe om die mees algemene kapasitortipes te kies en te gebruik. Hoop hierdie inligting kan jou help om die rol van kapasitors in elektroniese en EMC-ontwerp meer omvattend te verstaan.
Dr. Min Zhang is die stigter en hoof-EMK-konsultant van Mach One Design Bpk, 'n VK-gebaseerde ingenieursmaatskappy wat spesialiseer in EMC-konsultasie, probleemoplossing en opleiding. Sy diepgaande kennis in kragelektronika, digitale elektronika, motors en produkontwerp het maatskappye regoor die wêreld bevoordeel.
In Compliance is die hoofbron van nuus, inligting, opvoeding en inspirasie vir elektriese en elektroniese ingenieurs.
Lugvaart Motorkommunikasie Verbruikerselektronika Onderwys Energie en Kragbedryf Inligtingstegnologie Medies Militêre en Nasionale Verdediging