xəbərlər

Kondansatörlər dövrə lövhələrində ən çox istifadə olunan komponentlərdən biridir. Elektron cihazların sayı (mobil telefonlardan avtomobillərə qədər) artmağa davam etdikcə, kondansatörlərə tələbat da artır. Covid 19 pandemiyası yarımkeçiricilərdən tutmuş passiv komponentlərə qədər qlobal komponent tədarük zəncirini pozdu və kondansatörlər çatışmadı1.
Kondansatörlər mövzusunda müzakirələr asanlıqla kitaba və ya lüğətə çevrilə bilər. Birincisi, müxtəlif növ kondansatörlər var, məsələn, elektrolitik kondansatörlər, film kondansatörləri, keramika kondansatörləri və s. Sonra eyni tipdə müxtəlif dielektrik materiallar var. Müxtəlif siniflər də var. Fiziki quruluşa gəldikdə, iki terminallı və üç terminallı kondansatör növləri var. X2Y tipli bir kondansatör də var ki, bu da mahiyyətcə birində kapsullaşdırılmış bir cüt Y kondensatorudur. Bəs superkondensatorlar haqqında nə demək olar? Fakt budur ki, oturub əsas istehsalçıların kondansatör seçimi təlimatlarını oxumağa başlasanız, günü asanlıqla keçirə bilərsiniz!
Bu məqalə əsaslarla bağlı olduğundan, həmişəki kimi fərqli bir üsuldan istifadə edəcəyəm. Daha əvvəl qeyd edildiyi kimi, kondansatör seçim təlimatları təchizatçıların 3 və 4-cü veb-saytlarında asanlıqla tapıla bilər və sahə mühəndisləri adətən kondansatörlərlə bağlı əksər suallara cavab verə bilərlər. Bu yazıda İnternetdə tapa biləcəyiniz şeyi təkrarlamayacağam, amma praktik nümunələr vasitəsilə kondansatörlərin necə seçiləcəyini və istifadə olunacağını nümayiş etdirəcəyəm. Kondansatör seçiminin bəzi daha az tanınan aspektləri, məsələn, tutumun deqradasiyası da əhatə olunacaq. Bu məqaləni oxuduqdan sonra kondansatörlərin istifadəsini yaxşı başa düşməlisiniz.
İllər əvvəl mən elektron avadanlıq istehsal edən bir şirkətdə işlədiyim zaman bir elektrik elektronikası mühəndisinə müsahibə sualımız var idi. Mövcud məhsulun sxematik diaqramında biz potensial namizədlərdən “DC keçid elektrolitik kondansatörünün funksiyası nədir?” sualını verəcəyik. və "Çipin yanında yerləşən keramika kondansatörün funksiyası nədir?" Ümid edirik ki, düzgün cavab DC avtobus kondansatörüdür Enerjinin saxlanması üçün istifadə olunur, keramika kondansatörləri filtrasiya üçün istifadə olunur.
Axtardığımız “doğru” cavab əslində onu göstərir ki, dizayn komandasındakı hər kəs kondansatörlərə sahə nəzəriyyəsi nöqteyi-nəzərindən deyil, sadə dövrə nöqteyi-nəzərindən baxır. Devre nəzəriyyəsinin nöqteyi-nəzəri yanlış deyil. Aşağı tezliklərdə (bir neçə kHz-dən bir neçə MHz-ə qədər) dövrə nəzəriyyəsi adətən problemi yaxşı izah edə bilər. Bunun səbəbi, daha aşağı tezliklərdə siqnalın əsasən diferensial rejimdə olmasıdır. Dövrə nəzəriyyəsindən istifadə edərək, Şəkil 1-də göstərilən kondansatörü görə bilərik, burada ekvivalent sıra müqaviməti (ESR) və ekvivalent seriyalı endüktans (ESL) kondansatörün empedansını tezliklə dəyişir.
Bu model dövrə yavaş-yavaş dəyişdirildikdə dövrə performansını tam izah edir. Ancaq tezlik artdıqca hər şey daha da mürəkkəbləşir. Müəyyən bir nöqtədə komponent qeyri-xətti göstərməyə başlayır. Tezlik artdıqda, sadə LCR modelinin məhdudiyyətləri var.
Bu gün mənə eyni müsahibə sualı verilsəydi, sahə nəzəriyyəsi müşahidə eynəklərimi taxar və hər iki kondansatör növünün enerji saxlama cihazları olduğunu deyərdim. Fərq ondadır ki, elektrolitik kondansatörlər keramika kondansatörlərindən daha çox enerji saxlaya bilir. Ancaq enerji ötürülməsi baxımından keramika kondansatörləri enerjini daha sürətli ötürə bilər. Bu, keramika kondansatörlərinin çipin yanında yerləşdirilməsinin nə üçün lazım olduğunu izah edir, çünki çip əsas güc dövrəsinə nisbətən daha yüksək keçid tezliyinə və keçid sürətinə malikdir.
Bu baxımdan, biz sadəcə olaraq kondansatörlər üçün iki performans standartını müəyyən edə bilərik. Biri kondansatörün nə qədər enerji saxlaya biləcəyi, digəri isə bu enerjinin nə qədər sürətlə ötürülə biləcəyidir. Hər ikisi kondansatörün istehsal üsulundan, dielektrik materialdan, kondansatörlə əlaqədən və s.
Dövrədəki keçid bağlandıqda (bax Şəkil 2), yükün enerji mənbəyindən enerjiyə ehtiyacı olduğunu göstərir. Bu açarın bağlanma sürəti enerji tələbatının aktuallığını müəyyən edir. Enerji işıq sürətində (FR4 materiallarında işığın sürətinin yarısı) hərəkət etdiyi üçün enerjinin ötürülməsi üçün vaxt lazımdır. Bundan əlavə, mənbə və ötürmə xətti və yük arasında empedans uyğunsuzluğu var. Bu o deməkdir ki, enerji heç vaxt bir səfərdə ötürülməyəcək, lakin çoxlu gediş-gəlişdə5, buna görə də keçid sürətlə dəyişdirildikdə, keçid dalğa formasında gecikmələr və zənglər görəcəyik.
Şəkil 2: Enerjinin kosmosda yayılması üçün vaxt lazımdır; empedans uyğunsuzluğu enerji ötürülməsinin çoxlu dövriyyəsinə səbəb olur.
Enerji çatdırılmasının vaxt tələb etməsi və çoxlu gediş-gəlişlər bizə enerjini yükə mümkün qədər yaxınlaşdırmalı olduğumuzu və onu tez çatdırmağın bir yolunu tapmağımız lazım olduğunu bildirir. Birincisi, adətən, yük, keçid və kondansatör arasındakı fiziki məsafəni azaltmaqla əldə edilir. Sonuncu, ən kiçik empedansa malik bir qrup kondansatör toplamaqla əldə edilir.
Sahə nəzəriyyəsi ümumi rejim səs-küyünə səbəb olanları da izah edir. Bir sözlə, ümumi rejim səs-küyü keçid zamanı yükün enerji tələbatı ödənilmədikdə yaranır. Buna görə, yük və yaxınlıqdakı keçiricilər arasındakı boşluqda saxlanılan enerji addım tələbini dəstəkləmək üçün təmin ediləcəkdir. Yüklə yaxınlıqdakı keçiricilər arasındakı boşluq parazit/qarşılıqlı tutum adlandırdığımız şeydir (bax Şəkil 2).
Elektrolitik kondensatorların, çox qatlı keramika kondansatörlərinin (MLCC) və film kondansatörlərinin necə istifadə olunacağını nümayiş etdirmək üçün aşağıdakı nümunələrdən istifadə edirik. Seçilmiş kondansatörlərin işini izah etmək üçün həm dövrə, həm də sahə nəzəriyyəsi istifadə olunur.
Əsas enerji mənbəyi kimi elektrolitik kondansatörlər əsasən DC keçidində istifadə olunur. Elektrolitik kondansatörün seçimi çox vaxt aşağıdakılardan asılıdır:
EMC performansı üçün kondansatörlərin ən vacib xüsusiyyətləri empedans və tezlik xüsusiyyətləridir. Aşağı tezlikli emissiyalar həmişə DC keçid kondansatörünün performansından asılıdır.
DC bağlantısının empedansı yalnız kondansatörün ESR və ESL-dən deyil, həm də Şəkil 3-də göstərildiyi kimi istilik dövrəsinin sahəsindən asılıdır. Daha böyük istilik dövrə sahəsi enerji ötürülməsinin daha uzun sürməsi deməkdir, buna görə də performans təsirlənəcək.
Bunu sübut etmək üçün aşağı salınan DC-DC çeviricisi quruldu. Şəkil 4-də göstərilən ilkin uyğunluq EMC test quruluşu 150kHz və 108MHz arasında aparılan emissiya skanını həyata keçirir.
Empedans xüsusiyyətlərində fərqlərin qarşısını almaq üçün bu işdə istifadə olunan kondansatörlərin hamısının eyni istehsalçıdan olmasını təmin etmək vacibdir. Kondansatörü PCB-də lehimləyərkən, uzun tellərin olmadığından əmin olun, çünki bu, kondansatörün ESL-ni artıracaqdır. Şəkil 5 üç konfiqurasiyanı göstərir.
Bu üç konfiqurasiyanın aparılmış emissiya nəticələri Şəkil 6-da göstərilmişdir. Görünür ki, tək 680 µF kondansatörlə müqayisədə, iki 330 µF kondansatör daha geniş tezlik diapazonunda 6 dB səs-küyün azaldılması performansına nail olur.
Dövrə nəzəriyyəsindən demək olar ki, iki kondansatörü paralel birləşdirərək, həm ESL, həm də ESR iki dəfə azalır. Sahə nəzəriyyəsi nöqteyi-nəzərindən, yalnız bir enerji mənbəyi deyil, eyni yükə iki enerji mənbəyi verilir və ümumi enerji ötürülməsi müddəti effektiv şəkildə azalır. Bununla belə, daha yüksək tezliklərdə iki 330 µF kondansatör və bir 680 µF kondansatör arasındakı fərq azalacaq. Bunun səbəbi yüksək tezlikli səs-küyün qeyri-kafi addım enerji reaksiyasını göstərir. 330 µF kondansatörü keçidə yaxınlaşdırarkən, enerji ötürmə vaxtını azaldırıq, bu da kondansatörün addım reaksiyasını effektiv şəkildə artırır.
Nəticə bizə çox vacib bir dərs deyir. Tək bir kondansatörün tutumunun artırılması ümumiyyətlə daha çox enerji üçün addım tələbini dəstəkləməyəcək. Mümkünsə, daha kiçik kapasitiv komponentlərdən istifadə edin. Bunun üçün çoxlu yaxşı səbəblər var. Birincisi xərcdir. Ümumiyyətlə, eyni paket ölçüsü üçün bir kondansatörün dəyəri tutum dəyəri ilə eksponent olaraq artır. Tək bir kondansatörün istifadəsi bir neçə kiçik kondansatörün istifadəsindən daha bahalı ola bilər. İkinci səbəb ölçüdür. Məhsulun dizaynında məhdudlaşdırıcı amil adətən komponentlərin hündürlüyüdür. Böyük tutumlu kondansatörlər üçün hündürlük çox vaxt çox böyükdür, bu da məhsulun dizaynı üçün uyğun deyil. Üçüncü səbəb, nümunə araşdırmasında gördüyümüz SMM performansıdır.
Elektrolitik kondansatördən istifadə edərkən nəzərə alınmalı olan başqa bir amil odur ki, gərginliyi bölüşmək üçün iki kondansatörü sıra ilə bağladığınız zaman sizə balanslaşdırıcı rezistor 6 lazımdır.
Daha əvvəl qeyd edildiyi kimi, keramika kondansatörləri tez bir zamanda enerji təmin edə bilən miniatür cihazlardır. Mənə tez-tez “Mənə nə qədər kondansatör lazımdır?” sualı verilir. Bu sualın cavabı budur ki, keramika kondansatörləri üçün tutum dəyəri o qədər də vacib olmamalıdır. Burada vacib olan şey, enerji ötürmə sürətinin tətbiqiniz üçün hansı tezlikdə kifayət olduğunu müəyyən etməkdir. Aparılan emissiya 100 MHz-də uğursuz olarsa, 100 MHz-də ən kiçik empedansa malik kondansatör yaxşı seçim olacaqdır.
Bu, MLCC-nin başqa bir anlaşılmazlığıdır. Mühəndislərin uzun izlər vasitəsilə kondensatorları RF istinad nöqtəsinə qoşmazdan əvvəl ən aşağı ESR və ESL ilə keramika kondansatörləri seçmək üçün çox enerji sərf etdiklərini görmüşəm. Qeyd etmək lazımdır ki, MLCC-nin ESL adətən lövhədəki əlaqə endüktansından xeyli aşağıdır. Bağlantı endüktansı hələ də keramika kondansatörlərinin yüksək tezlikli empedansına təsir edən ən vacib parametrdir7.
Şəkil 7 pis bir nümunə göstərir. Uzun izlər (0,5 düym uzunluğunda) ən azı 10nH endüktansı təqdim edir. Simulyasiya nəticəsi göstərir ki, kondansatörün empedansı tezlik nöqtəsində (50 MHz) gözləniləndən xeyli yüksək olur.
MLCC-lərlə bağlı problemlərdən biri onların lövhədəki induktiv strukturla rezonans yaratmasıdır. Bunu Şəkil 8-də göstərilən nümunədə görmək olar, burada 10 µF MLCC-nin istifadəsi təxminən 300 kHz-də rezonans təqdim edir.
Daha böyük ESR-yə malik komponent seçməklə və ya sadəcə olaraq kiçik bir dəyərli rezistoru (məsələn, 1 ohm) bir kondansatörlə sıraya qoymaqla rezonansı azalda bilərsiniz. Bu tip üsul sistemi yatırmaq üçün itkili komponentlərdən istifadə edir. Başqa bir üsul rezonansı daha aşağı və ya daha yüksək rezonans nöqtəsinə köçürmək üçün başqa bir tutum dəyərindən istifadə etməkdir.
Film kondansatörləri bir çox tətbiqdə istifadə olunur. Onlar yüksək güclü DC-DC çeviriciləri üçün seçilən kondansatörlərdir və elektrik xətləri (AC və DC) və ümumi rejimli filtrləmə konfiqurasiyaları arasında EMI söndürmə filtrləri kimi istifadə olunur. Film kondansatörlərinin istifadəsinin bəzi əsas məqamlarını göstərmək üçün nümunə olaraq X kondansatörünü götürürük.
Bir dalğalanma hadisəsi baş verərsə, bu, xəttdəki pik gərginlik gərginliyini məhdudlaşdırmağa kömək edir, buna görə də adətən keçici gərginlik bastırıcı (TVS) və ya metal oksid varistoru (MOV) ilə istifadə olunur.
Siz artıq bütün bunları bilirsiniz, lakin siz bilirdinizmi ki, X kondansatörünün tutum dəyəri uzun illər istifadə ilə əhəmiyyətli dərəcədə azaldıla bilər? Bu, xüsusilə kondansatör rütubətli bir mühitdə istifadə edildikdə doğrudur. Mən X kondansatörünün tutum dəyərinin bir və ya iki il ərzində nominal dəyərinin yalnız bir neçə faizinə düşdüyünü gördüm, buna görə də əvvəlcə X kondansatörü ilə hazırlanmış sistem, həqiqətən, ön kondansatörün malik ola biləcəyi bütün müdafiəni itirdi.
Yaxşı, nə oldu? Rütubət havası kondansatora, naqildən yuxarıya və qutu ilə epoksi qab qarışığı arasında sıza bilər. Alüminium metalizasiyası daha sonra oksidləşə bilər. Alüminium oksidi yaxşı bir elektrik izolyatorudur və bununla da tutumu azaldır. Bu, bütün film kondansatörlərinin qarşılaşacağı bir problemdir. Haqqında danışdığım məsələ film qalınlığıdır. Nüfuzlu kondansatör markaları daha qalın filmlərdən istifadə edir, nəticədə digər markalardan daha böyük kondansatörlər əldə edilir. Daha nazik təbəqə kondansatörü həddindən artıq yüklənməyə (gərginlik, cərəyan və ya temperatur) daha az davamlı edir və onun özünü sağaltması ehtimalı azdır.
X kondansatörü enerji təchizatına daimi olaraq bağlı deyilsə, o zaman narahat olmaq lazım deyil. Məsələn, enerji təchizatı və kondansatör arasında sərt keçid olan bir məhsul üçün ölçü həyatdan daha vacib ola bilər və sonra daha incə bir kondansatör seçə bilərsiniz.
Bununla belə, kondansatör enerji mənbəyinə daimi olaraq bağlıdırsa, o, yüksək etibarlı olmalıdır. Kondansatörlərin oksidləşməsi qaçılmaz deyil. Kondansatör epoksi materialı keyfiyyətlidirsə və kondansatör tez-tez həddindən artıq temperaturlara məruz qalmırsa, dəyərin düşməsi minimal olmalıdır.
Bu məqalədə ilk olaraq kondansatörlərin sahə nəzəriyyəsi görünüşü təqdim edilmişdir. Praktik nümunələr və simulyasiya nəticələri ən çox yayılmış kondansatör növlərinin seçilməsini və istifadəsini göstərir. Ümid edirik ki, bu məlumat elektron və EMC dizaynında kondansatörlərin rolunu daha ətraflı başa düşməyə kömək edə bilər.
Dr. Min Zhang EMC konsaltinqi, nasazlıqların aradan qaldırılması və təlimi üzrə ixtisaslaşmış Böyük Britaniyada yerləşən mühəndislik şirkəti Mach One Design Ltd-nin təsisçisi və baş EMC məsləhətçisidir. Onun güc elektronikası, rəqəmsal elektronika, mühərriklər və məhsul dizaynı üzrə dərin biliyi bütün dünya şirkətlərinə fayda verib.
In Compliance elektrik və elektron mühəndisliyi mütəxəssisləri üçün xəbərlərin, məlumatların, təhsilin və ilhamın əsas mənbəyidir.
Aerokosmik Avtomobil Rabitə İstehlak Elektroniği Təhsil Enerji və Enerji Sənayesi İnformasiya Texnologiyaları Tibbi Hərbi və Milli Müdafiə