O czym nie uczą Cię na temat kondensatorów

W inżynierii często przyjmujemy setki skrótów myślowych, aby zachować zrozumiałość tematów, którymi się zajmujemy, na zarządzalnym poziomie.

Gdybyśmy za każdym razem, kiedy uruchamiamy diodę LED, przeprowadzali symulację mechaniki kwantowej, nigdy byśmy niczego nie zrobili. Jednak wiele z tych skrótów i reguł empirycznych zostało stworzonych w przeszłości, kiedy przemysł elektroniczny radykalnie różnił się od tego, co znamy obecnie.

Dziś nauczymy się na nowo, czym jest kondensator. Ponadto omówimy, jak używać kondensatorów, biorąc pod uwagę współczesną elektronikę.

Czym kondensator nie jest (już)

Jednym z powszechnych założeń jest to, że podstawową rolą kondensatora jest magazynowanie ładunku, jak wiadro napełniane jedną szklanką i opróżniane drugą w tym samym czasie.

Jeśli kiedykolwiek wdałeś się w dyskusję na temat "czy przez kondensator przepływa prąd" i zszedłeś bardziej na politykę niż fizykę, wiesz, że typowe analogie nie mają większego sensu, gdy mowa o prądzie przemiennym. Kondensator to po prostu dwa przewodniki oddzielone dielektrykiem, i nigdzie w podstawowych wyjaśnieniach fizycznych jego właściwości nie znajdziesz wyjaśnienia, co powinieneś z nim zrobić.

Przechowywanie energii to tylko jedno z wielu zastosowań kondensatora, takich jak filtracja, kształtowanie lub zmiana sygnałów elektrycznych i impedancji. Zwykle myślimy o nich jako o ich głównym zastosowaniu, ponieważ było to ich pierwsze zastosowanie na początku ery elektryczności stałej i elektroskopu Williama Gilberta — wynalezionego w XV wieku.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Rola Kondensatora

Terminy takie jak kondensator sprzęgający i kondensator omijający są często używane zamiennie — sam popełniłem ten błąd niezliczoną ilość razy.

Prowadzi to do wielu nieporozumień, ponieważ różne zastosowania często wymagają kondensatorów o różnych parametrach elektrycznych i fizycznych, takich jak opakowanie, oceny napięcia, ESR (równoważny opór szeregowy), ESL (równoważna indukcyjność szeregowa) i profil rezonansu własnego.

Kondensatory przyjmują różne nazwy nie tylko na podstawie technologii, na których są oparte (ceramiczne, elektrolityczne), ale także na podstawie ich ról.

Poniższe sekcje zawierają niektóre z najczęstszych ról, jakie pełnią kondensatory.

Component Management Made Easy

Manage your components, get real-time supply chain data, access millions of ready-to-use parts.

Learn More

Kondensator Omijający

Rola kondensatora omijającego polega na przenoszeniu energii RF (dość wysokiej częstotliwości AC) z jednej części płytki na inną. Jak właśnie przeczytałeś, nie ma tu mowy o przechowywaniu. Wcale! Kondensator omijający dotyczy przewodzenia, a nie przechowywania.

Aby to osiągnąć, kondensator musi być starannie dobrany z możliwie najniższą impedancją przy interesujących nas częstotliwościach. Można to osiągnąć, dopasowując jego częstotliwość rezonansową własną do sygnału RF jak najdokładniej.

Częstotliwość rezonansowa własna to częstotliwość, przy której pojemność i pasożytnicza indukcyjność kondensatora rezonują, a kondensator prezentuje możliwie najniższą impedancję. Matematycznie, jest to jakby pojemność i indukcyjność zniknęły, pozostawiając tylko równoważny opór szeregowy.

Dla częstotliwości wyższych niż częstotliwość rezonansowa własna, kondensator zaczyna zachowywać się coraz mniej jak kondensator, a bardziej jak induktor.

Na co uważać

Jednym z najczęstszych błędów popełnianych podczas używania kondensatorów do omijania emisji elektromagnetycznych (szczególnie przy próbach omijania na płaszczyznach masy), jest ograniczanie ich umiejscowienia tylko przy źródle hałasu, który chcemy zniwelować.

Gdzie świat projektuje elektronikę

Zlikwiduj bariery i popraw współpracę we wszystkich aspektach rozwoju elektroniki

Dowiedz się więcej

W przypadku prądu stałego miałoby to sens: skrócić sygnał jak najbliżej źródła, aby uzyskać jak najniższe wartości, minimalizując opór (impedancję) między elektrycznym skrótem (kondensatorem) a źródłem.

W prądzie przemiennym, a szczególnie w dziedzinie RF, ze względu na falową naturę sygnałów elektrycznych, szybki wzrost impedancji między obszarem w pobliżu źródła zakłóceń a resztą płaszczyzny masy może być źródłem odbić. Może się to zdarzyć również na ścieżkach, ponieważ wyższe impedancje przelotek mogą odbijać energię RF.

To właśnie są odbicia: energia odbita z powodu niedopasowania impedancji. Ponownie, jest to sprzeczne z tradycyjnym opisem „energia odbita z powodu niezakończonych linii”, który jest tylko częściowo prawidłowy.

Podczas używania kondensatorów omijających, powinieneś starać się obniżyć impedancję płaszczyzn zasilania i masy, rozpraszając kondensatory na swoich płytach. W zależności od częstotliwości, którą chcesz adresować, układu warstw i materiału dielektrycznego PCB, możesz rozważyć użycie kondensatorów w zakresie od pikofaradów do nanofaradów.

Kondensator odsprzęgający

Regulatory liniowe, takie jak wszechobecny 7805, mają wewnętrzną pętlę sprzężenia zwrotnego, która porównuje napięcie wyjściowe z napięciem odniesienia i reguluje prąd odpowiednio, aby utrzymać stabilne wyjście.

Part Insights Experience

Access critical supply chain intelligence as you design.

Learn More

W teorii, regulatory liniowe mogłyby być używane bez zewnętrznego kondensatora — przynajmniej jeśli zignorujemy wszelkie problemy samowzbudnych oscylacji. Aby uzyskać stabilne wyjście, prąd, który jest wymagany, musiałby zmieniać się z wystarczająco wolną szybkością narastania, aby regulator liniowy mógł za nim nadążyć. Biorąc pod uwagę, że większość z nich jest oparta na technologii BJT z początku lat 80., te szybkości narastania wcale nie są szybkie.

Podobnie, przełączające przetwornice DC-DC mają fundamentalną częstotliwość przełączania i nie mogą regulować wyjścia szybciej niż ta częstotliwość.

Wiele nowoczesnych urządzeń cyfrowych generuje prądy przepływowe z komponentami częstotliwościowymi setek megaherców, znacznie więcej niż jakikolwiek regulator może nadążyć (chyba że mówimy o egzotycznych sterownikach diod laserowych).

Kondensatory sprzęgające działają na granicy między stabilnymi napięciami regulowanymi przez obwody zasilania DC a przerywanym poborem prądu nowoczesnych urządzeń cyfrowych.

Nawet mała impedancja między zasilaniem a urządzeniem, w obliczu szczytu prądowego, szybko doprowadzi do napięcia zasilania poza akceptowalnymi zakresami.

Cloud Storage and Version Control

Store your libraries and design data in one secure, accessible, and version-controlled space.

Learn More

Kondensatory sprzęgające działają jako tymczasowe, lokalne magazyny energii, skutecznie redukując impedancję źródła dla wartości między kilkoma megahercami a kilkuset megahercami.

Dla częstotliwości powyżej setek MHz, większość kondensatorów SMD wykazuje wysoką impedancję i są nieskuteczne, zamiast tego należy używać technik takich jak ukryta pojemność w stosie warstw.

Na co zwrócić uwagę

Kondensatory sprzęgające są użyteczne tylko w stosunkowo wąskim paśmie częstotliwości, głównie z powodu ograniczeń wprowadzonych przez ich właściwości pasożytnicze.

Głównym parametrem, na który należy zwrócić uwagę, jest, ponownie, częstotliwość rezonansu własnego. Kondensatory sprzęgające są skuteczne tylko na częstotliwościach niższych niż ich częstotliwość rezonansu własnego.

Następujące zasady są często użyteczne, aby wybrać, który kondensator użyć:

Manufacturing Made Easy

Send your product to manufacturing in a click without any email threads or confusion.

Learn More

• DC do ~KHz: kondensator nie jest potrzebny, zasilanie może sobie poradzić samo.
• ~KHz do ~MHz: wysokie wartości kondensatorów elektrolitycznych są korzystne dla niższego zakresu częstotliwości, ale ich wysoka impedancja szeregowa ogranicza ich wydajność przez indukowanie niskiej częstotliwości rezonansu własnego. W zakresie MHz, wiele kondensatorów elektrolitycznych jest już silnie indukcyjnych.
• ~MHz do 200MHz: kondensator ceramiczny, w zależności od dielektryka, rozmiaru obudowy i technologii budowy, zazwyczaj obejmuje ten zakres.
• Powyżej 200MHz: kondensatory ceramiczne zaczynają być nieskuteczne. W tym scenariuszu najlepiej byłoby użyć technik ukrytej pojemności.

Kondensator buforowy

Kondensatory buforowe są używane do stabilizowania napięcia podczas braków cykli zasilania oraz wspierania szczytowego zapotrzebowania na prąd i zazwyczaj są elektrolityczne ze względu na wysoką pojemność potrzebną do tej roli.

Można je postrzegać jako maleńkie, urocze, cylindryczne UPS-y (zasilanie bezprzerwowe).

Czego nie uczą Cię o kondensatorach ceramicznych

Kondensatory ceramiczne są niewątpliwie kwintesencją pasywnego komponentu we współczesnym przemyśle elektronicznym, a ich objętościowa pojemność poprawia się w tempie porównywalnym do gęstości tranzystorów w krzemie, umożliwiając wiele współczesnych projektów o wysokiej gęstości.

Są rzeczywiście cudem technologii, ale mają też kilka dziwactw, o których powinieneś wiedzieć.

Im mniejsze, tym lepsze

Ceramika to wspaniały materiał, ale jest również krucha. Kondensatory ceramiczne mogą pękać z powodu zginania płytki PCB, na przykład podczas montażu większych płyt (lub paneli), nieprawidłowego rozdzielania płyt z nacięciem v-cut, lub jeśli produkty są nieodpowiednio obsługiwane podczas transportu.

Variant Manager

Meet demands of a globalized market that requires unique versions of your PCBs.

Learn More

Pęknięcia na skutek zginania to niebezpieczne zjawisko: jeśli kondensator jest używany w liniach zasilających zdolnych do wysokich prądów, często może dojść do zwarcia i spowodować pożar.

Wbrew powszechnej opinii, mniejszy kondensator ma lepsze właściwości elektryczne i mechaniczne. Są mniej podatne na pęknięcia i mają wyższą częstotliwość rezonansu własnego.

Jeśli Twój produkt wymaga wysokiej niezawodności pod wpływem naprężeń mechanicznych, istnieje kilka technik, które możesz zastosować, aby zredukować tego rodzaju awarie.

• Nie umieszczaj kondensatorów długim bokiem w kierunku zginania płytki.
• Używaj mniejszych kondensatorów, takich jak 0402
• Używaj kondensatorów z miękkim zakończeniem, które nie zwierają się pod wpływem naprężenia, i/lub ceramicznych kondensatorów o oznaczeniu X2/Y2, które w przypadku zwarcia otwierają obwód
• Projektuj ścieżki wokół kondensatorów, aby zmniejszyć naprężenie mechaniczne
• Zakładając, że wybrałeś kondensatory, które w przypadku uszkodzenia otwierają obwód, zawsze używaj ich przynajmniej dwóch równolegle, aby Twój obwód mógł zachować wystarczającą pojemność do normalnej pracy, gdy jeden z nich się uszkodzi

Dielektryk ma znaczenie, i to duże

C0G, X7R… dielektryki mają dziwne nazwy i mieszankę właściwości. Oto ich charakterystyka i przypadki, w których najlepiej się sprawdzają.

• C0G/NP0: To najbardziej wyszukane kondensatory ceramiczne dostępne na rynku. Zazwyczaj dostępne są w zakresie od 1pF do 100nF i mają tolerancję 5%. NPO oznacza dodatni-ujemny-zero, kształt wykresu współczynnika kondensatora, który wygląda na płaski w zakresie temperatur. To, czego używać powinieneś, gdy wymagane są precyzyjne wartości i stabilność.
• X7R: Nowoczesny koń roboczy. Posiadają doskonałe współczynniki napięcia i temperatury i są popularne w zakresie od 100pF do 22uF. Są najczęściej używane do aplikacji odsprzęgających i mają szeroki zakres temperatur od -55°C do 125°C.
• X5R: Podobne do X7R, ale oceniane na 85°C zamiast 125°C.
• Y5V: Mogą osiągnąć ekstremalnie wysoką wartość pojemności, ale przy niskich ocenach napięcia i temperatury (dozwolona jest utrata do 82% pojemności).
• Z5U: Podobnie jak Y5V, kondensatory Z5U wykazują słabe parametry napięcia i temperatury i są niezwykle tanie. Oceniane tylko do -10°C. Używane tylko w tanim sprzęcie konsumenckim do odsprzęgania.

Na co uważać

Łączenie kondensatorów z różnymi dielektrykami może prowadzić do nieoczekiwanych wyników.

Manufacturer Part Search

Reduce design time by eliminating your component creation process.

Learn More

Na przykład kondensatory Z5U są bardzo przystępne cenowo i używają dielektryka z tytanianu baru. Ten materiał ma wysoką stałą dielektryczną, co umożliwia doskonały stosunek pojemności do objętości oraz częstotliwość rezonansową zazwyczaj między 1MHZ a 20 MHZ.

NPO sprawdza się lepiej przy częstotliwościach powyżej 10Mhz, więc dlaczego by nie połączyć ich, aby uzyskać szerokopasmową wydajność?

Niestety, gdy kondensatory Z5U i NP0 są połączone równolegle, materiał o wyższej stałej dielektrycznej tłumi częstotliwość rezonansową NPO, a kombinacja ta skutkuje gorszą ogólną wydajnością niż tylko dobrej jakości Z5U.

"Dlaczego", jednak zdecydowanie wykracza poza moje kompetencje. Jeśli rozumiesz to zjawisko, proszę napisz do mnie list.

Absorpcja Dielektryczna

Jeśli zwierzesz wyjście naładowanego kondensatora, znajdziesz się z całkowicie rozładowanym kondensatorem siedzącym na twoim stole i patrzącym na ciebie smutnymi oczami. Jednak nie zawsze jest to przypadek. Prawie wszystkie kondensatory, z jedynym wyjątkiem kondensatorów próżniowych, zatrzymują część swojego ładunku po rozładowaniu.

Zjawisko to dzieje się, ponieważ losowo zorientowane dipole molekularne są z czasem układane przez pole elektryczne, a ich nowo znaleziona orientacja jest zachowana nawet przy jego braku.

Kondensatory ceramiczne mogą zatrzymać do 0,6% napięcia ładowania dla NP0 i 2,5% dla X7R.

Pojemność zależna od napięcia

Kondensatory Y5V mogą tracić do 82% swojej pojemności przy nominalnym napięciu, podczas gdy kondensatory NP0 mają prawie płaską charakterystykę.
Jeśli masz aplikacje, w których musisz zmieniać napięcie wyjściowe, na przykład poprzez konfigurowalne źródło napięcia wymagane przez standard USB-PD, o którym Mark Harris dyskutował w swoim niedawnym artykule, możesz znaleźć się w sytuacji, gdy wydajność obwodu wydaje się być nieprzewidywalna.

Narzędzia projektowe w Altium Designer^® zawierają wszystko, czego potrzebujesz, aby nadążyć za nową technologią. Skontaktuj się z nami już dziś, aby dowiedzieć się, jak możemy ulepszyć Twój kolejny projekt PCB.