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I condensatori sò unu di i cumpunenti più cumunimenti utilizati nantu à i circuiti. Cumu u numeru di i dispositi elettronici (da i telefuni mobili à i vitture) cuntinueghja à aumentà, cusì cresce a dumanda di condensatori. à i cumpunenti passivi, è i condensatori sò stati in short supply1.
Discussioni nantu à u tema di i condensatori ponu esse facilmente trasformati in un libru o un dizziunariu. Prima, ci sò diversi tipi di condensatori, cum'è condensatori elettrolitichi, condensatori di film, condensatori ceramichi è cusì. Allora, in u listessu tipu, ci sò sfarenti Materiali dielettrici. Ci sò ancu diverse classi. In quantu à a struttura fisica, ci sò tippi di condensatori à dui terminali è trè terminali. ?U fattu hè, se vi pusate è cuminciate à leghje e guide di selezzione di condensatori da i principali fabricatori, pudete facilmente passà u ghjornu!
Siccomu questu articulu hè nantu à i principii, aghju aduprà un metudu sfarente cum'è usual.As hà dettu prima, i guide di selezzione di condensatori ponu esse facilmente truvati nantu à i siti web di i fornitori 3 è 4, è l'ingegneri di campu ponu di solitu risponde à a maiò parte di e dumande nantu à i condensatori. Ùn ripeteraghju micca ciò chì pudete truvà in Internet, ma vi dimustrà cumu sceglie è aduprà capacitors attraversu esempi pratichi. Certi aspetti menu cunnisciuti di a selezzione di condensatori, cum'è a degradazione di capacità, seranu ancu coperti. duverebbe avè una bona cunniscenza di l'usu di condensatori.
Anni fà, quandu aghju travagliatu in una sucietà chì facia l'equipaggiu elettronicu, avemu avutu una quistione d'entrevista per un ingegnere di l'elettronica di putenza. Nantu à u schema schematicu di u pruduttu esistente, dumanderemu à i candidati potenziali "Quale hè a funzione di l'elettroliticu DC link. condensatore?"è "Chì hè a funzione di u condensatore ceramicu vicinu à u chip?"Speremu chì a risposta curretta hè u condensatore di l'autobus DC Adupratu per l'almacenamiento d'energia, i condensatori ceramichi sò usati per filtru.
A risposta "corretta" chì circhemu in realtà mostra chì tutti nantu à a squadra di cuncepimentu guardanu i condensatori da una perspettiva di circuitu simplice, micca da una perspettiva di a teoria di u campu. U puntu di vista di a teoria di u circuitu ùn hè micca sbagliatu. à uni pochi MHz), a teoria di circuitu pò spiegà u prublema bè. Questu hè perchè à frequenze più bassu, u signale hè principalmente in modu differenziale.Using theory circuit, pudemu vede u condensatore mostratu in Figura 1, induve a resistenza di serie equivalente ( ESR) è l'induttanza di serie equivalente (ESL) facenu l'impedenza di u condensatore cambià cù a frequenza.
Stu mudellu spiega cumplettamente u funziunamentu di u circuitu quandu u circuitu hè cambiatu lentamente. Tuttavia, cum'è a frequenza aumenta, e cose diventanu più è più complicate. À un certu puntu, u cumpunente cumencia à mostrà a non-linearità. Quandu a freccia aumenta, u mudellu LCR simplice. hà e so limitazioni.
Oghje, s'ellu era statu dumandatu a listessa quistione di l'intervista, aghju purtatu i mo occhiali d'osservazione di teoria di u campu è dicenu chì i dui tipi di condensatori sò dispositivi di almacenamento d'energia. , Condensatori ceramichi ponu trasmette l'energia più veloce.Questu spiega perchè i condensatori ceramichi deve esse postu vicinu à u chip, perchè u chip hà una freccia di cunversione più altu è a velocità di cunversione cumparatu cù u circuitu di putere principale.
Da questa perspettiva, pudemu simpricimenti definisce dui standard di rendiment per capacitors.One hè quantu energia u capacitore pò almacenà, è l'altru hè quantu veloce sta energia pò esse trasferita.Both dipendenu da u metudu di fabricazione di u capacitor, u materiale dielettricu. a cunnessione cù u capacitor, è cusì.
Quandu l'interruttore in u circuitu hè chjusu (vede a Figura 2), indica chì a carica hà bisognu di l'energia da a fonte di energia. A velocità à a quale stu switch si chjude determina l'urgenza di a dumanda d'energia. Siccomu l'energia viaghja à a velocità di a luce (a mità). a vitezza di a luce in i materiali FR4), ci vole u tempu di trasfiriri energia.In più, ci hè una discordanza di impedenza trà a surgente è a linea di trasmissione è a carica. Questu significa chì l'energia ùn serà mai trasferita in un viaghju, ma in parechje. round trips5, chì hè per quessa chì quandu u cambiamentu cambia rapidamente, vedemu ritardi è sonu in a forma d'onda di commutazione.
Figura 2: Ci vole u tempu per l'energia per propagate in u spaziu;A discrepanza di impedenza provoca parechje volte di trasferimentu di energia.
U fattu chì u trasferimentu di l'energia pigghia u tempu è parechji viaghji di andata ci dice chì avemu bisognu di situà a fonte d'energia u più vicinu à a carica, è avemu bisognu di truvà una manera di trasfiriri l'energia rapidamente. distanza trà a carica, switch è capacitor.The l'ultimu hè ottinutu da cullizzioni di un gruppu di capacitors cù u più chjucu impedenza.
A teoria di u campu spiega ancu ciò chì causa u rumore di u modu cumuni. In corta, u rumore di u modu cumuni hè generatu quandu a dumanda di energia di a carica ùn hè micca soddisfatta durante u cambiamentu. a dumanda di passu. U spaziu trà a carica è i cunduttori vicinu hè ciò chì chjamemu capacità parasita / mutuale (vede a figura 2).
Aduprà l'esempii seguenti per dimustrà cumu utilizà condensatori elettrolitici, condensatori ceramichi multilayer (MLCC), è condensatori di film. Sia a teoria di u circuitu è ​​di u campu sò utilizati per spiegà u funziunamentu di i condensatori selezziunati.
I condensatori elettrolitici sò principarmenti utilizati in u ligame DC cum'è a fonte d'energia principale. L'scelta di condensatori elettrolitici spessu dipende da:
Per u funziunamentu EMC, e caratteristiche più impurtanti di i condensatori sò l'impedenza è e caratteristiche di freccia. L'emissioni cundutte à bassa freccia dipende sempre da u rendiment di u condensatore di u ligame DC.
L'impedenza di u ligame DC dipende micca solu da l'ESR è l'ESL di u condensatore, ma ancu da l'area di u ciclu termale, cum'è mostra in Figura 3. Una zona di loop termale più grande significa chì u trasferimentu di energia dura più longu, cusì u rendiment. serà affettatu.
Un convertitore DC-DC step-down hè statu custruitu per pruvucà questu. L'installazione di test EMC di pre-conformità mostrata in a Figura 4 realiza una scansione di emissioni cundutte trà 150kHz è 108MHz.
Hè impurtante per assicurà chì i condensatori utilizati in stu studiu di casu sò tutti da u stessu fabricatore per evità differenze in e caratteristiche d'impedenza. Quandu si salda u condensatore nantu à a PCB, assicuratevi chì ùn ci sò micca cundutti longu, perchè questu aumentarà l'ESL di u capacitor.Figura 5 mostra i trè cunfigurazioni.
I risultati di emissioni cundutte di sti trè cunfigurazioni sò mostrati in a Figura 6. Si pò vede chì, paragunatu à un solu capacitore 680 µF, i dui condensatori 330 µF ottennu un rendimentu di riduzzione di rumore di 6 dB in una gamma di freccia più larga.
Da a teoria di u circuitu, si pò dì chì, cunghjuntendu dui condensatori in parallelu, l'ESL è l'ESR sò a mità. , riducendu in modu efficace u tempu di trasmissione di energia generale. Tuttavia, à frequenze più alte, a diferenza trà dui condensatori 330 µF è un condensatore 680 µF si riduce. u switch, avemu riduzzione u tempu di trasferimentu di energia, chì effittivamenti aumenta a risposta passu di u capacitor.
U risultatu ci dice una lezione assai impurtante. Aumentà a capacità di un condensatore unicu generalmente ùn sustene micca a dumanda di passu per più energia. Se pussibule, utilizate qualchi cumpunenti capacitivi più chjuchi. Ci hè parechje boni ragiuni per questu. U primu hè costu. parlante, per u listessu pacchettu, u costu di un condensatore aumenta in modu esponenziale cù u valore di capacità.Using un condensatore unicu pò esse più caru chè l'usu di parechji condensatori più chjuchi. A seconda raghjoni hè a dimensione.U fattore limitante in u disignu di u produttu hè di solitu l'altitudine. di i cumpunenti.Per i condensatori di grande capacità, l'altezza hè spessu troppu grande per u disignu di u produttu.U terzu mutivu hè a prestazione EMC chì avemu vistu in u studiu di casu.
Un altru fattore da cunsiderà quandu si usa un condensatore elettroliticu hè chì quandu cunnette dui condensatori in serie per sparte a tensione, avete bisognu di una resistenza di equilibriu 6.
Cumu l'anu dettu prima, i condensatori ceramichi sò apparecchi in miniatura chì ponu furnisce rapidamente energia. Mi sò spessu dumandatu a quistione "Quantu capacitore aghju bisognu?" A risposta à sta quistione hè chì per i condensatori ceramichi, u valore di capacità ùn deve esse cusì impurtante. L'impurtante cunsiderazione quì hè di determinà à quale frequenza a velocità di trasferimentu d'energia hè abbastanza per a vostra applicazione. Se l'emissione cundutta falla à 100 MHz, allura u condensatore cù l'impedenza più chjuca à 100 MHz serà una bona scelta.
Questu hè un altru malintesi di MLCC. Aghju vistu l'ingegneri spende assai energia scegliendu condensatori ceramichi cù l'ESR è ESL più bassu prima di cunnette i condensatori à u puntu di riferimentu RF attraversu tracce longu. più bassu di l'induttanza di cunnessione nantu à u bordu. L'induttanza di cunnessione hè sempre u paràmetru più impurtante chì afecta l'impedenza d'alta frequenza di i condensatori ceramici7.
A figura 7 mostra un cattivu esempiu.Long tracce (0,5 inches long) introducenu almenu 10nH inductance.U risultatu di simulazione mostra chì l'impedenza di u condensatore diventa assai più altu di l'aspittatu à u puntu di freccia (50 MHz).
Unu di i prublemi cù MLCCs hè chì tendenu à resonate cù a struttura induttiva nantu à u bordu. Questu pò esse vistu in l'esempiu mostratu in a Figura 8, induve l'usu di un MLCC 10 µF introduce a resonance à circa 300 kHz.
Pudete riduce a resonance scegliendu un cumpunente cù un ESR più grande o simpricimenti mettendu una resistenza di pocu valore (cum'è 1 ohm) in serie cù un capacitor.This tipu di metudu usa cumpunenti di perdita per suppressione u sistema. Un altru mètudu hè di utilizà un altru capacitance. valore per trasfurmà a resonance à un puntu di resonance più bassu o più altu.
I condensatori di film sò usati in parechje applicazioni. Sò i condensatori di scelta per i cunvertitori DC-DC d'alta putenza è sò usati cum'è filtri di suppressione EMI in e linee elettriche (AC è DC) è cunfigurazioni di filtrazione in modu cumuni. Pigliemu un condensatore X cum'è un esempiu per illustrà alcuni di i punti principali di usu di condensatori di film.
Se si verifica un avvenimentu di surge, aiuta à limità l'estressi di tensione di punta nantu à a linea, cusì hè generalmente utilizatu cù un suppressore di tensione transitoria (TVS) o varistore d'ossidu metallicu (MOV).
Puderete digià sapè tuttu questu, ma sapete chì u valore di capacità di un condensatore X pò esse ridutta significativamente cù anni di usu? Questu hè soprattuttu veru se u condensatore hè adupratu in un ambiente umidu. Aghju vistu u valore di capacità di u condensatore X hè cascatu solu à un pocu per centu di u so valore nominale in un annu o dui, cusì u sistema originale cuncepitu cù u condensatore X hà persu in realtà tutta a prutezzione chì u condensatore front-end puderia avè.
Allora, ciò chì hè accadutu? L'aria di umidità pò fughje in u condensatore, u filu è trà a scatula è u compostu di potting epossidicu. A metallizazione d'aluminiu pò esse oxidata. L'alumina hè un bon insulatore elettricu, riducendu cusì a capacità. Questu hè un prublema chì tutti i condensatori di film si scontranu. U prublema chì parlu hè u spessore di u film. I marche di condensatori reputabili utilizanu filmi più grossi, chì devendenu capacitori più grossi cà l'altri marchi. U film più diluente rende u condensatore menu robustu à sovraccarichi (tensione, currente, o temperatura). è hè improbabile di guarì stessu.
Se u condensatore X ùn hè micca cunnessu in permanenza à l'alimentazione, allora ùn avete micca bisognu di preoccupassi. Per esempiu, per un pruduttu chì hà un cambiamentu duru trà l'alimentazione è u condensatore, a dimensione pò esse più impurtante di a vita, è allora pudete sceglie un condensatore più sottile.
In ogni casu, se u condensatore hè permanentemente cunnessu à a fonte di energia, deve esse assai affidabile. L'ossidazione di i condensatori ùn hè micca inevitabbile.Se u materiale epoxy capacitore hè di bona qualità è u condensatore ùn hè micca spessu espunutu à temperature estreme, a goccia in u valore deve esse minimu.
In questu articulu, prima introduttu a vista di a teoria di u campu di capacitors.Practical esempi è risultati di simulazione mostranu cumu selezziunà è aduprà i tipi di condensatori più cumuni. Spergu chì sta infurmazione pò aiutà à capisce u rolu di capacitors in u disignu elettronicu è EMC più cumpletu.
U duttore Min Zhang hè u fundatore è u cunsultante capu EMC di Mach One Design Ltd, una sucietà di ingegneria basata in u Regnu Unitu specializata in cunsulenza EMC, risoluzione di prublemi è furmazione. cumpagnie in u mondu sanu.
In Compliance hè a fonte principale di nutizie, informazioni, educazione è ispirazione per i prufessiunali di l'ingegneria elettrica è elettronica.
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