Neiegkeeten

Kondensatore sinn ee vun de meescht benotzt Komponenten op Circuitboards. Wéi d'Zuel vun elektronesche Geräter (vum Handy bis Autoen) weider eropgeet, sou geet d'Nofro fir Kondensatoren. D'Covid 19 Pandemie huet d'global Komponent Versuergungskette vun Hallefleit bis passiv Komponenten gestéiert, a Kondensatore ware kuerz Versuergung1.
Diskussiounen iwwer d'Thema Kondensatore kënnen einfach an e Buch oder e Wierderbuch ëmgewandelt ginn. Als éischt ginn et verschidden Aarte vu Kondensatoren, wéi elektrolytesch Kondensatoren, Filmkondensatoren, Keramikkondensatoren a sou weider. Dann, an der selwechter Aart, ginn et verschidden dielektresch Materialien. Et ginn och verschidde Klassen. Wat d'physikalesch Struktur ugeet, ginn et zwee-Terminal an dräi-Uschloss Kondensatortypen. Et gëtt och en X2Y Typ Kondensator, deen am Wesentlechen e Paar Y Kondensatoren ass, déi an engem kapsuléiert sinn. Wat iwwer supercapacitors? D'Tatsaach ass, wann Dir sëtzt a fänkt u Kondensatorauswielguide vu grousse Hiersteller ze liesen, kënnt Dir den Dag einfach verbréngen!
Well dësen Artikel iwwer d'Basis geet, wäert ech eng aner Method wéi gewinnt benotzen. Wéi virdru ernimmt, kann capacitor Auswiel Guiden einfach op Fournisseur Websäite fonnt ginn 3 an 4, an Feld Ingenieuren kann normalerweis déi meescht Froen iwwer capacitors Äntwert. An dësem Artikel wäert ech net widderhuelen, wat Dir um Internet fannen kann, mee wäert weisen, wéi capacitors ze wielen a benotzen duerch praktesch Beispiller. E puer manner-bekannt Aspekter vun capacitor Auswiel, wéi Kapazitéit Degradatioun, wäert och ofgedeckt ginn. Nodeems Dir dësen Artikel gelies hutt, sollt Dir e gutt Verständnis iwwer d'Benotzung vun Kondensatoren hunn.
Virun Joeren, wéi ech an enger Firma geschafft hunn déi elektronesch Ausrüstung gemaach huet, hu mir eng Interviewfro fir e Kraaftelektronikingenieur. Am schemateschen Diagramm vum existente Produkt froe mir potenziell Kandidaten "Wat ass d'Funktioun vum DC Link elektrolytesche Kondensator?" an "Wat ass d'Funktioun vum Keramik Kondensator nieft dem Chip?" Mir hoffen, datt déi richteg Äntwert ass den DC Bus capacitor Benotzt fir Energie Stockage, Keramik capacitors fir Filter benotzt.
Déi "korrekt" Äntwert, déi mir sichen, weist tatsächlech datt jiddereen am Designteam Kondensatoren aus enger einfacher Circuitperspektiv kuckt, net aus enger Feldtheorie Perspektiv. De Standpunkt vun der Circuittheorie ass net falsch. Bei nidderegen Frequenzen (vun e puer kHz bis e puer MHz) kann Circuittheorie normalerweis de Problem gutt erklären. Dëst ass well bei méi nidderegen Frequenzen d'Signal haaptsächlech am Differentialmodus ass. Mat der Circuittheorie kënne mir de Kondensator gesinn an der Figur 1, wou déi gläichwäerteg Serieresistenz (ESR) an gläichwäerteg Serieinduktans (ESL) d'Impedanz vum Kondensator mat der Frequenz änneren.
Dëse Modell erkläert d'Performance vum Circuit komplett wann de Circuit lues ageschalt gëtt. Wéi och ëmmer, wéi d'Frequenz eropgeet, ginn d'Saache méi a méi komplizéiert. Irgendwann fänkt d'Komponent net-Linearitéit ze weisen. Wann d'Frequenz eropgeet, huet den einfachen LCR Modell seng Aschränkungen.
Haut, wann ech déi selwecht Interview Fro gefrot, Ech géif meng Feld Theorie Observatioun Brëller zouzedrécken a soen, datt souwuel capacitor Zorte Energie Stockage Apparater sinn. Den Ënnerscheed ass datt elektrolytesch Kondensatore méi Energie kënne späicheren wéi Keramik Kondensatoren. Awer wat d'Energieiwwerdroung ugeet, kënne Keramikkondensatoren Energie méi séier iwwerdroen. Dëst erkläert firwat Keramik Kondensatoren nieft dem Chip plazéiert musse ginn, well den Chip eng méi héich Schaltfrequenz a Schaltgeschwindegkeet am Verglach zum Haaptkraaftkrees huet.
Aus dëser Perspektiv kënne mir einfach zwee Leeschtungsnormen fir Kondensatoren definéieren. Dat eent ass wéi vill Energie de Kondensator ka späicheren, an déi aner ass wéi séier dës Energie ka transferéiert ginn. Béid hänkt vun der Fabrikatiounsmethod vum Kondensator, dem dielektrescht Material, der Verbindung mam Kondensator, asw.
Wann de Schalter am Circuit zou ass (kuckt Figur 2), weist et un datt d'Laascht Energie vun der Energiequelle brauch. D'Vitesse bei där dëse Schalter zou ass, bestëmmt d'Urgence vun der Energiefuerderung. Well d'Energie mat der Liichtgeschwindegkeet reest (d'Halschent vun der Liichtgeschwindegkeet an FR4 Materialien), brauch et Zäit fir Energie ze transferéieren. Zousätzlech gëtt et en Impedanz-Mëssmatch tëscht der Quell an der Iwwerdroungslinn an der Belaaschtung. Dëst bedeit datt d'Energie ni an enger Rees transferéiert gëtt, awer a multiple Rondreesen5, dofir, wann de Schalter séier gewiesselt gëtt, wäerte mir Verspéidungen a Réng an der Schaltwelleform gesinn.
Figur 2: Et brauch Zäit fir Energie am Weltraum ze propagéieren; Impedanz Mëssverständnis verursaacht Multiple Ronn Reesen vun Energie Transfert.
D'Tatsaach datt d'Energieliwwerung Zäit brauch a verschidde Rondreesen seet eis datt mir d'Energie sou no wéi méiglech un d'Laascht musse bewegen, a mir mussen e Wee fannen fir se séier ze liwweren. Déi éischt gëtt normalerweis erreecht duerch d'Reduktioun vun der kierperlecher Distanz tëscht der Laascht, dem Schalter an dem Kondensator. Déi lescht gëtt erreecht andeems Dir eng Grupp vu Kondensatoren mat der klengster Impedanz sammelt.
Feldtheorie erkläert och wat e gemeinsame Modusrausch verursaacht. Kuerz gesot, gemeinsame Modus Kaméidi gëtt generéiert wann d'Energiebedarf vun der Laascht net erfëllt gëtt beim Schalten. Dofir gëtt d'Energie gespäichert am Raum tëscht der Laascht an der Emgéigend Dirigenten zur Verfügung gestallt fir d'Schrëttfuerderung z'ënnerstëtzen. De Raum tëscht der Belaaschtung an Emgéigend Dirigenten ass wat mir parasitesch / géigesäiteg Kapazitéit nennen (kuckt Figur 2).
Mir benotzen déi folgend Beispiller fir ze demonstréieren wéi Dir elektrolytesch Kondensatoren, Multilayer Keramik Kondensatoren (MLCC) a Filmkondensatoren benotzt. Béid Circuit a Feldtheorie gi benotzt fir d'Performance vu gewielte Kondensatoren z'erklären.
Elektrolytesch Kondensatore ginn haaptsächlech am DC Link als Haaptenergiequell benotzt. D'Wiel vum elektrolytesche Kondensator hänkt dacks vun:
Fir EMC Leeschtung sinn déi wichtegst Charakteristiken vun capacitors Impedanz a Frequenz Charakteristiken. Niddereg Frequenz gefouert Emissiounen hänken ëmmer vun der Leeschtung vum DC Link Kondensator of.
D'Impedanz vum DC Link hänkt net nëmmen vun der ESR an ESL vum Kondensator of, awer och vum Gebitt vun der thermescher Loop, wéi an der Figur 3. Eng méi grouss thermesch Loopberäich bedeit datt d'Energietransfer méi laang dauert, sou datt d'Leeschtung wäert betraff sinn.
E step-down DC-DC Konverter gouf gebaut fir dëst ze beweisen. De Pre-Compliance EMC Test-Setup, deen an der Figur 4 gewisen gëtt, mécht e gefouerten Emissiounsscan tëscht 150kHz an 108MHz.
Et ass wichteg ze garantéieren datt d'Kondensatoren, déi an dësem Fallstudie benotzt ginn, all vum selwechten Hiersteller sinn fir Differenzen an der Impedanzeigenschaften ze vermeiden. Wann Dir de Kondensator op der PCB soldéiert, gitt sécher datt et keng laang Leads gëtt, well dëst den ESL vum Kondensator erhéicht. Figur 5 weist déi dräi Konfiguratiounen.
Déi duerchgefouert Emissiounsresultater vun dësen dräi Konfiguratiounen ginn an der Figur 6 gewisen. Et kann gesi ginn datt am Verglach mat engem eenzegen 680 µF Kondensator déi zwee 330 µF Kondensatoren eng Geräischerreduktiounsleistung vu 6 dB iwwer e méi breede Frequenzbereich erreechen.
Vun der Circuittheorie kann ee soen datt andeems zwee Kondensatoren parallel verbannen, souwuel ESL wéi ESR hallef sinn. Aus der Feldtheorie Siicht gëtt et net nëmmen eng Energiequell, mee zwou Energiequellen ginn op déiselwecht Laascht geliwwert, wat effektiv d'Gesamtenergietransmissionszäit reduzéiert. Wéi och ëmmer, bei méi héijer Frequenzen wäert den Ënnerscheed tëscht zwee 330 µF Kondensatoren an engem 680 µF Kondensator schrumpfen. Dëst ass well héich Frequenz Kaméidi net genuch Schrëtt Energie Äntwert weist. Wann Dir en 330 µF Kondensator méi no beim Schalter beweegt, reduzéiere mir d'Energietransferzäit, wat effektiv d'Schrëttreaktioun vum Kondensator erhéicht.
D'Resultat erzielt eis eng ganz wichteg Lektioun. D'Erhéijung vun der Kapazitéit vun engem eenzege Kondensator wäert allgemeng net d'Schrëttfuerderung fir méi Energie ënnerstëtzen. Wa méiglech, benotzt e puer méi kleng kapazitiv Komponenten. Et gi vill gutt Grënn dofir. Déi éischt ass Käschten. Allgemeng schwätzt, fir déiselwecht Packagegréisst, klammen d'Käschte vun engem Kondensator exponentiell mam Kapazitanzwäert. D'Benotzung vun engem eenzege Kondensator ka méi deier sinn wéi e puer méi kleng Kondensatoren ze benotzen. Déi zweet Ursaach ass d'Gréisst. De limitéierende Faktor am Produktdesign ass normalerweis d'Héicht vun de Komponenten. Fir grouss Kapazitéit Kondensatoren ass d'Héicht dacks ze grouss, wat net fir Produktdesign gëeegent ass. Den drëtte Grond ass d'EMC Leeschtung déi mir an der Fallstudie gesinn hunn.
En anere Faktor fir ze berücksichtegen wann Dir en elektrolytesche Kondensator benotzt ass datt wann Dir zwee Kondensatoren a Serie verbënnt fir d'Spannung ze deelen, braucht Dir e Balanceresistor 6.
Wéi virdru scho gesot, Keramikkondensatoren si Miniaturgeräter déi séier Energie ubidden. Ech ginn dacks d'Fro gefrot "Wéi vill Kondensator brauch ech?" D'Äntwert op dës Fro ass datt fir Keramik Kondensatoren de Kapazitéitwäert net sou wichteg sollt sinn. Déi wichteg Considératioun hei ass ze bestëmmen op wéi enger Frequenz d'Energietransfergeschwindegkeet genuch ass fir Är Uwendung. Wann déi gefouert Emissioun bei 100 MHz feelt, da wäert de Kondensator mat der klengster Impedanz bei 100 MHz eng gutt Wiel sinn.
Dëst ass en anert Mëssverständnis vum MLCC. Ech hunn d'Ingenieure gesinn, déi vill Energie verbréngen fir Keramikkondensatoren mat dem niddregsten ESR an ESL ze wielen, ier Dir d'Kondensatoren mam RF Referenzpunkt duerch laang Spuren verbënnt. Et ass derwäert ze ernimmen datt den ESL vum MLCC normalerweis vill méi niddereg ass wéi d'Verbindungsinduktioun um Bord. D'Verbindungsinduktioun ass ëmmer nach de wichtegste Parameter deen d'Héichfrequenzimpedanz vu Keramikkondensatoren beaflosst7.
Figur 7 weist e schlecht Beispill. Laang Spuren (0,5 Zoll laang) aféieren op d'mannst 10nH Induktioun. D'Simulatiounsresultat weist datt d'Impedanz vum Kondensator vill méi héich gëtt wéi erwaart um Frequenzpunkt (50 MHz).
Ee vun de Probleemer mat MLCCs ass datt se éischter mat der induktiver Struktur um Bord resonéieren. Dëst kann am Beispill an der Figur 8 gesi ginn, wou d'Benotzung vun engem 10 µF MLCC Resonanz bei ongeféier 300 kHz agefouert.
Dir kënnt d'Resonanz reduzéieren andeems Dir e Komponent mat enger méi grousser ESR auswielt oder einfach e klenge Wäertwidderstand (wéi 1 Ohm) a Serie mat engem Kondensator setzt. Dës Aart vu Methode benotzt lossy Komponente fir de System z'ënnerdrécken. Eng aner Method ass en anere Kapazitéitswäert ze benotzen fir d'Resonanz op e méi nidderegen oder méi héije Resonanzpunkt ze bewegen.
Filmkondensatore ginn a ville Uwendungen benotzt. Si sinn d'Kondensatore vu Wiel fir High-Power DC-DC Konverter a ginn als EMI Ënnerdréckungsfilter iwwer Stroumleitungen (AC an DC) a gemeinsame Modus Filterkonfiguratiounen benotzt. Mir huelen en X Kondensator als Beispill fir e puer vun den Haaptpunkte fir Filmkondensatoren ze illustréieren.
Wann en Iwwerschwemmungsevenement geschitt, hëlleft et de Peakspannungsstress op der Linn ze limitéieren, sou datt et normalerweis mat engem transiente Spannungssuppressor (TVS) oder Metalloxidvaristor (MOV) benotzt gëtt.
Dir wësst vläicht schonn all vun dëser, mee wosst Dir, datt de capacitance Wäert vun engem X capacitor bedeitend reduzéiert kann mat Joer vun benotzen? Dëst ass virun allem wouer wann de capacitor an engem fiichten Ëmfeld benotzt gëtt. Ech hunn de Kapazitanzwäert vum X-Kondensator gesinn nëmmen op e puer Prozent vu sengem bewäerten Wäert bannent engem Joer oder zwee erofgaangen, sou datt de System ursprénglech mam X-Kondensator entworf huet de ganze Schutz verluer deen de Front-End-Kondensator kéint hunn.
Also, wat ass geschitt? D'Feuchtigkeit Loft kann an de Kondensator lekken, erop op den Drot an tëscht der Këscht an der Epoxy Pottingverbindung. D'Aluminiummetalliséierung kann dann oxidéiert ginn. Aluminiumoxid ass e gudden elektreschen Isolator, wouduerch d'Kapazitéit reduzéiert gëtt. Dëst ass e Problem deen all Filmkondensatoren begéinen. D'Thema iwwer ech schwätzen ass Filmdicke. Renomméierten Kondensatormarken benotzen méi décke Filmer, wat zu méi grousse Kondensatore resultéiert wéi aner Marken. De méi dënnen Film mécht de Kondensator manner robust fir iwwerlaascht (Spannung, Stroum oder Temperatur), an et ass onwahrscheinlech sech selwer ze heelen.
Wann den X-Kondensator net permanent un d'Energieversuergung verbonnen ass, da musst Dir keng Suergen maachen. Zum Beispill, fir e Produit deen e schwéier Schalter tëscht der Energieversuergung an dem Kondensator huet, kann d'Gréisst méi wichteg sinn wéi d'Liewen, an da kënnt Dir e méi dënnen Kondensator wielen.
Wéi och ëmmer, wann de Kondensator permanent mat der Stroumquell verbonnen ass, muss et héich zouverlässeg sinn. D'Oxidatioun vu Kondensatoren ass net inévitabel. Wann d'Kondensator-Epoxymaterial vu gudder Qualitéit ass an de Kondensator net dacks op extremen Temperaturen ausgesat ass, sollt de Wäerterfall minimal sinn.
An dësem Artikel, éischt d'Feld Theorie Vue vun capacitors agefouert. Praktesch Beispiller a Simulatiounsresultater weisen wéi Dir déi meescht üblech Kondensatortypen auswielen a benotzt. Hoffen dës Informatioun kann Iech hëllefen d'Roll vun de Kondensatoren am elektroneschen an EMC Design méi ëmfaassend ze verstoen.
Dr. Säin am-Déift Wëssen an der Kraaftelektronik, digital Elektronik, Motoren a Produktdesign huet Firmen weltwäit profitéiert.
In Compliance ass d'Haaptquell vun Neiegkeeten, Informatioun, Ausbildung an Inspiratioun fir elektresch an elektronesch Ingenieursfachleit.
Aerospace Automotive Kommunikatioun Konsumentelektronik Ausbildung Energie a Kraaftindustrie Informatiounstechnologie Medizinesch Militär an National Verdeedegung