balita

Ang mga kapasitor ay isa sa mga pinakakaraniwang ginagamit na bahagi sa mga circuit board. Habang ang bilang ng mga elektronikong aparato (mula sa mga mobile phone hanggang sa mga kotse) ay patuloy na tumataas, gayundin ang pangangailangan para sa mga capacitor. Ang pandemya ng Covid 19 ay nakagambala sa pandaigdigang bahagi ng supply chain mula sa semiconductors hanggang sa mga passive na bahagi, at ang mga capacitor ay kulang sa supply1.
Ang mga talakayan sa paksa ng mga capacitor ay madaling gawing isang libro o isang diksyunaryo. Una, mayroong iba't ibang uri ng mga capacitor, tulad ng mga electrolytic capacitor, film capacitor, ceramic capacitors at iba pa. Pagkatapos, sa parehong uri, mayroong iba't ibang mga dielectric na materyales. May iba't ibang klase din. Tulad ng para sa pisikal na istraktura, mayroong dalawang-terminal at tatlong-terminal na mga uri ng kapasitor. Mayroon ding isang X2Y type capacitor, na mahalagang isang pares ng Y capacitors na nakapaloob sa isa. Paano ang tungkol sa mga supercapacitor? Ang katotohanan ay, kung umupo ka at magsisimulang magbasa ng mga gabay sa pagpili ng kapasitor mula sa mga pangunahing tagagawa, madali mong gugulin ang araw!
Dahil ang artikulong ito ay tungkol sa mga pangunahing kaalaman, gagamit ako ng ibang paraan gaya ng dati. Gaya ng nabanggit kanina, ang mga gabay sa pagpili ng capacitor ay madaling mahanap sa mga website ng supplier 3 at 4, at kadalasang masasagot ng mga field engineer ang karamihan sa mga tanong tungkol sa mga capacitor. Sa artikulong ito, hindi ko uulitin kung ano ang mahahanap mo sa Internet, ngunit ipapakita kung paano pumili at gumamit ng mga capacitor sa pamamagitan ng mga praktikal na halimbawa. Sasaklawin din ang ilang hindi gaanong kilalang aspeto ng pagpili ng kapasitor, tulad ng pagkasira ng kapasidad. Matapos basahin ang artikulong ito, dapat kang magkaroon ng isang mahusay na pag-unawa sa paggamit ng mga capacitor.
Ilang taon na ang nakalipas, noong nagtatrabaho ako sa isang kumpanya na gumagawa ng mga elektronikong kagamitan, mayroon kaming tanong sa panayam para sa isang power electronics engineer. Sa schematic diagram ng umiiral na produkto, tatanungin namin ang mga potensyal na kandidato "Ano ang function ng DC link electrolytic capacitor?" at "Ano ang function ng ceramic capacitor na matatagpuan sa tabi ng chip?" Inaasahan namin na ang tamang sagot ay ang DC bus capacitor Ginagamit para sa pag-iimbak ng enerhiya, ang mga ceramic capacitor ay ginagamit para sa pag-filter.
Ang "tamang" sagot na hinahanap namin ay talagang nagpapakita na ang lahat sa pangkat ng disenyo ay tumitingin sa mga capacitor mula sa isang simpleng perspektibo ng circuit, hindi mula sa pananaw ng field theory. Ang punto ng view ng circuit theory ay hindi mali. Sa mababang frequency (mula sa ilang kHz hanggang sa ilang MHz), kadalasang maipaliwanag nang maayos ng circuit theory ang problema. Ito ay dahil sa mas mababang mga frequency, ang signal ay pangunahing nasa differential mode. Gamit ang circuit theory, makikita natin ang capacitor na ipinapakita sa Figure 1, kung saan ang katumbas na series resistance (ESR) at equivalent series inductance (ESL) ay gumagawa ng impedance ng capacitor na nagbabago sa dalas.
Ganap na ipinapaliwanag ng modelong ito ang pagganap ng circuit kapag ang circuit ay mabagal na inililipat. Gayunpaman, habang tumataas ang dalas, nagiging mas kumplikado ang mga bagay. Sa ilang mga punto, ang bahagi ay nagsisimulang magpakita ng hindi linearity. Kapag tumaas ang dalas, ang simpleng modelo ng LCR ay may mga limitasyon.
Ngayon, kung tatanungin ako ng parehong tanong sa panayam, isusuot ko ang aking field theory observation glass at sasabihin na ang parehong uri ng capacitor ay mga energy storage device. Ang pagkakaiba ay ang mga electrolytic capacitor ay maaaring mag-imbak ng mas maraming enerhiya kaysa sa mga ceramic capacitor. Ngunit sa mga tuntunin ng paghahatid ng enerhiya, ang mga ceramic capacitor ay maaaring magpadala ng enerhiya nang mas mabilis. Ipinapaliwanag nito kung bakit kailangang ilagay ang mga ceramic capacitor sa tabi ng chip, dahil ang chip ay may mas mataas na dalas ng paglipat at bilis ng paglipat kumpara sa pangunahing circuit ng kuryente.
Mula sa pananaw na ito, maaari nating tukuyin ang dalawang pamantayan ng pagganap para sa mga capacitor. Ang isa ay kung gaano karaming enerhiya ang maiimbak ng kapasitor, at ang isa pa ay kung gaano kabilis mailipat ang enerhiya na ito. Parehong nakasalalay sa paraan ng pagmamanupaktura ng kapasitor, ang dielectric na materyal, ang koneksyon sa kapasitor, at iba pa.
Kapag ang switch sa circuit ay sarado (tingnan ang Figure 2), ito ay nagpapahiwatig na ang load ay nangangailangan ng enerhiya mula sa power source. Tinutukoy ng bilis ng pagsasara ng switch na ito ang pangangailangan ng enerhiya. Dahil ang enerhiya ay naglalakbay sa bilis ng liwanag (kalahati ng bilis ng liwanag sa mga materyales na FR4), nangangailangan ng oras upang maglipat ng enerhiya. Bilang karagdagan, mayroong isang impedance mismatch sa pagitan ng pinagmulan at ng linya ng paghahatid at ng load. Nangangahulugan ito na hindi kailanman ililipat ang enerhiya sa isang biyahe, ngunit sa maraming round trip5, kaya naman kapag mabilis na lumipat ang switch, makikita natin ang mga pagkaantala at pag-ring sa switching waveform.
Figure 2: Ito ay nangangailangan ng oras para sa enerhiya na magpalaganap sa kalawakan; Ang impedance mismatch ay nagdudulot ng maraming round trip ng paglipat ng enerhiya.
Ang katotohanan na ang paghahatid ng enerhiya ay tumatagal ng oras at maraming mga round trip ay nagsasabi sa amin na kailangan naming ilipat ang enerhiya nang mas malapit hangga't maaari sa load, at kailangan naming maghanap ng paraan upang maihatid ito nang mabilis. Ang una ay karaniwang nakakamit sa pamamagitan ng pagbabawas ng pisikal na distansya sa pagitan ng load, switch at capacitor. Ang huli ay nakamit sa pamamagitan ng pagtitipon ng isang pangkat ng mga capacitor na may pinakamaliit na impedance.
Ipinapaliwanag din ng field theory kung ano ang nagiging sanhi ng common mode noise. Sa madaling salita, ang karaniwang mode na ingay ay nabubuo kapag ang pangangailangan ng enerhiya ng load ay hindi natugunan sa panahon ng paglipat. Samakatuwid, ang enerhiya na nakaimbak sa espasyo sa pagitan ng load at mga kalapit na konduktor ay ibibigay upang suportahan ang pangangailangan ng hakbang. Ang espasyo sa pagitan ng load at mga kalapit na conductor ay tinatawag nating parasitic/mutual capacitance (tingnan ang Figure 2).
Ginagamit namin ang mga sumusunod na halimbawa para ipakita kung paano gumamit ng mga electrolytic capacitor, multilayer ceramic capacitors (MLCC), at film capacitor. Ang parehong circuit at field theory ay ginagamit upang ipaliwanag ang pagganap ng mga napiling capacitor.
Ang mga electrolytic capacitor ay pangunahing ginagamit sa DC link bilang pangunahing mapagkukunan ng enerhiya. Ang pagpili ng electrolytic capacitor ay madalas na nakasalalay sa:
Para sa pagganap ng EMC, ang pinakamahalagang katangian ng mga capacitor ay ang mga katangian ng impedance at dalas. Ang mga low-frequency na isinasagawa na emisyon ay palaging nakadepende sa pagganap ng DC link capacitor.
Ang impedance ng DC link ay nakasalalay hindi lamang sa ESR at ESL ng kapasitor, kundi pati na rin sa lugar ng thermal loop, tulad ng ipinapakita sa Figure 3. Ang isang mas malaking thermal loop area ay nangangahulugan na ang paglipat ng enerhiya ay mas matagal, kaya ang pagganap maaapektuhan.
Ang isang step-down na DC-DC converter ay binuo upang patunayan ito. Ang pre-compliance EMC test setup na ipinapakita sa Figure 4 ay nagsasagawa ng isinagawang emission scan sa pagitan ng 150kHz at 108MHz.
Mahalagang tiyakin na ang mga capacitor na ginamit sa case study na ito ay mula sa parehong tagagawa upang maiwasan ang mga pagkakaiba sa mga katangian ng impedance. Kapag naghihinang ng kapasitor sa PCB, siguraduhing walang mahabang lead, dahil madaragdagan nito ang ESL ng kapasitor. Ipinapakita ng Figure 5 ang tatlong configuration.
Ang isinagawang resulta ng paglabas ng tatlong pagsasaayos na ito ay ipinapakita sa Figure 6. Makikita na, kumpara sa isang solong 680 µF capacitor, ang dalawang 330 µF capacitor ay nakakakuha ng pagganap na pagbabawas ng ingay na 6 dB sa mas malawak na saklaw ng frequency.
Mula sa teorya ng circuit, masasabi na sa pamamagitan ng pagkonekta ng dalawang capacitor nang magkatulad, ang parehong ESL at ESR ay nahahati. Mula sa field theory point of view, hindi lamang isang mapagkukunan ng enerhiya, ngunit dalawang mapagkukunan ng enerhiya ang ibinibigay sa parehong pagkarga, na epektibong binabawasan ang kabuuang oras ng paghahatid ng enerhiya. Gayunpaman, sa mas mataas na frequency, ang pagkakaiba sa pagitan ng dalawang 330 µF capacitor at isang 680 µF capacitor ay liliit. Ito ay dahil ang mataas na dalas ng ingay ay nagpapahiwatig ng hindi sapat na hakbang na pagtugon sa enerhiya. Kapag inilipat ang isang 330 µF capacitor na mas malapit sa switch, binabawasan namin ang oras ng paglipat ng enerhiya, na epektibong nagpapataas sa step response ng capacitor.
Ang resulta ay nagsasabi sa atin ng isang napakahalagang aral. Ang pagtaas ng kapasidad ng isang solong kapasitor ay karaniwang hindi susuportahan ang hakbang na demand para sa mas maraming enerhiya. Kung maaari, gumamit ng ilang mas maliit na capacitive component. Maraming magandang dahilan para dito. Ang una ay ang gastos. Sa pangkalahatan, para sa parehong laki ng pakete, ang halaga ng isang kapasitor ay tumataas nang malaki sa halaga ng kapasidad. Ang paggamit ng isang kapasitor ay maaaring mas mahal kaysa sa paggamit ng ilang mas maliliit na kapasitor. Ang pangalawang dahilan ay ang laki. Ang naglilimita na kadahilanan sa disenyo ng produkto ay karaniwang ang taas ng mga bahagi. Para sa mga malalaking kapasidad na capacitor, ang taas ay kadalasang masyadong malaki, na hindi angkop para sa disenyo ng produkto. Ang pangatlong dahilan ay ang pagganap ng EMC na nakita natin sa case study.
Ang isa pang kadahilanan na dapat isaalang-alang kapag gumagamit ng isang electrolytic capacitor ay kapag ikinonekta mo ang dalawang capacitor sa serye upang ibahagi ang boltahe, kakailanganin mo ng isang balancing resistor 6.
Tulad ng nabanggit kanina, ang mga ceramic capacitor ay mga miniature na aparato na maaaring mabilis na magbigay ng enerhiya. Madalas akong tinatanong ang tanong na "Gaano karaming kapasitor ang kailangan ko?" Ang sagot sa tanong na ito ay para sa mga ceramic capacitor, ang halaga ng kapasidad ay hindi dapat ganoon kahalaga. Ang mahalagang pagsasaalang-alang dito ay upang matukoy kung aling dalas ang bilis ng paglipat ng enerhiya ay sapat para sa iyong aplikasyon. Kung nabigo ang isinagawang paglabas sa 100 MHz, kung gayon ang kapasitor na may pinakamaliit na impedance sa 100 MHz ay ​​magiging isang mahusay na pagpipilian.
Isa na naman itong hindi pagkakaunawaan ng MLCC. Nakita ko ang mga inhinyero na gumugol ng maraming enerhiya sa pagpili ng mga ceramic capacitor na may pinakamababang ESR at ESL bago ikonekta ang mga capacitor sa RF reference point sa pamamagitan ng mahabang mga bakas. Ito ay nagkakahalaga ng pagbanggit na ang ESL ng MLCC ay karaniwang mas mababa kaysa sa inductance ng koneksyon sa board. Ang inductance ng koneksyon ay ang pinakamahalagang parameter na nakakaapekto sa mataas na frequency impedance ng mga ceramic capacitor7.
Ang Figure 7 ay nagpapakita ng masamang halimbawa. Ang mahahabang bakas (0.5 pulgada ang haba) ay nagpapakilala ng hindi bababa sa 10nH inductance. Ang resulta ng simulation ay nagpapakita na ang impedance ng kapasitor ay nagiging mas mataas kaysa sa inaasahan sa frequency point (50 MHz).
Ang isa sa mga problema sa mga MLCC ay ang mga ito ay may posibilidad na sumasalamin sa inductive na istraktura sa board. Ito ay makikita sa halimbawang ipinapakita sa Figure 8, kung saan ang paggamit ng 10 µF MLCC ay nagpapakilala ng resonance sa humigit-kumulang 300 kHz.
Maaari mong bawasan ang resonance sa pamamagitan ng pagpili ng isang bahagi na may mas malaking ESR o simpleng paglalagay ng isang maliit na halaga ng risistor (tulad ng 1 ohm) sa serye na may isang kapasitor. Ang ganitong uri ng pamamaraan ay gumagamit ng mga lossy na bahagi upang sugpuin ang system. Ang isa pang paraan ay ang paggamit ng isa pang halaga ng kapasidad upang ilipat ang resonance sa isang mas mababa o mas mataas na resonance point.
Ang mga capacitor ng pelikula ay ginagamit sa maraming mga aplikasyon. Sila ang mga capacitor na pinili para sa mga high-power na DC-DC converter at ginagamit bilang mga EMI suppression filter sa mga linya ng kuryente (AC at DC) at mga configuration ng common-mode na pag-filter. Kumuha kami ng isang X capacitor bilang isang halimbawa upang ilarawan ang ilan sa mga pangunahing punto ng paggamit ng mga film capacitor.
Kung may nangyaring surge event, nakakatulong itong limitahan ang peak voltage stress sa linya, kaya kadalasang ginagamit ito kasama ng transient voltage suppressor (TVS) o metal oxide varistor (MOV).
Maaaring alam mo na ang lahat ng ito, ngunit alam mo ba na ang halaga ng kapasidad ng isang X capacitor ay maaaring makabuluhang bawasan sa mga taon ng paggamit? Ito ay totoo lalo na kung ang kapasitor ay ginagamit sa isang mahalumigmig na kapaligiran. Nakita ko na ang capacitance value ng X capacitor ay bumaba lamang sa ilang porsyento ng rate na halaga nito sa loob ng isang taon o dalawa, kaya ang system na orihinal na idinisenyo gamit ang X capacitor ay talagang nawala ang lahat ng proteksyon na maaaring mayroon ang front-end capacitor.
So, anong nangyari? Maaaring tumagas ang moisture air sa capacitor, pataas sa wire at sa pagitan ng kahon at ng epoxy potting compound. Ang aluminyo metallization ay maaaring pagkatapos ay oxidized. Ang alumina ay isang mahusay na electrical insulator, sa gayon ay binabawasan ang kapasidad. Ito ay isang problema na makakatagpo ng lahat ng mga capacitor ng pelikula. Ang isyu na pinag-uusapan ko ay ang kapal ng pelikula. Ang mga kilalang tatak ng capacitor ay gumagamit ng mas makapal na pelikula, na nagreresulta sa mas malalaking capacitor kaysa sa iba pang mga tatak. Ang thinner film ay ginagawang hindi gaanong matatag ang capacitor sa sobrang karga (boltahe, kasalukuyang, o temperatura), at malamang na hindi ito gumaling sa sarili nito.
Kung ang X capacitor ay hindi permanenteng nakakonekta sa power supply, hindi mo kailangang mag-alala. Halimbawa, para sa isang produkto na may matigas na switch sa pagitan ng power supply at ng kapasitor, ang laki ay maaaring mas mahalaga kaysa buhay, at pagkatapos ay maaari kang pumili ng mas manipis na kapasitor.
Gayunpaman, kung ang kapasitor ay permanenteng konektado sa pinagmumulan ng kapangyarihan, dapat itong lubos na maaasahan. Ang oksihenasyon ng mga capacitor ay hindi maiiwasan. Kung ang capacitor epoxy material ay may magandang kalidad at ang kapasitor ay hindi madalas na nakalantad sa matinding temperatura, ang pagbaba sa halaga ay dapat na minimal.
Sa artikulong ito, unang ipinakilala ang field theory view ng mga capacitor. Ang mga praktikal na halimbawa at mga resulta ng simulation ay nagpapakita kung paano piliin at gamitin ang mga pinakakaraniwang uri ng capacitor. Sana ay matulungan ka ng impormasyong ito na maunawaan ang papel ng mga capacitor sa electronic at EMC na disenyo nang mas komprehensibo.
Si Dr. Min Zhang ay ang tagapagtatag at punong EMC consultant ng Mach One Design Ltd, isang kumpanyang inhinyero na nakabase sa UK na dalubhasa sa EMC consulting, pag-troubleshoot at pagsasanay. Ang kanyang malalim na kaalaman sa power electronics, digital electronics, motors at disenyo ng produkto ay nakinabang sa mga kumpanya sa buong mundo.
Ang In Compliance ang pangunahing pinagmumulan ng balita, impormasyon, edukasyon at inspirasyon para sa mga propesyonal sa electrical at electronic engineering.
Aerospace Automotive Communications Consumer Electronics Education Enerhiya at Power Industry Information Technology Medical Military at National Defense