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I condensatori sono uno dei componenti più comunemente utilizzati sui circuiti stampati. Poiché il numero di dispositivi elettronici (dai telefoni cellulari alle automobili) continua ad aumentare, aumenta anche la domanda di condensatori. La pandemia di Covid 19 ha interrotto la catena di fornitura globale dei componenti dai semiconduttori ai componenti passivi e i condensatori scarseggiavano1.
Le discussioni sul tema dei condensatori possono essere facilmente trasformate in un libro o in un dizionario. Innanzitutto, esistono diversi tipi di condensatori, come condensatori elettrolitici, condensatori a film, condensatori ceramici e così via. Quindi, dello stesso tipo, esistono diversi materiali dielettrici. Esistono anche diverse classi. Per quanto riguarda la struttura fisica, esistono tipi di condensatori a due e tre terminali. Esiste anche un condensatore di tipo X2Y, che è essenzialmente una coppia di condensatori Y incapsulati in uno. E i supercondensatori ?Il fatto è che se ti siedi e inizi a leggere le guide alla selezione dei condensatori dei principali produttori, puoi facilmente passare la giornata!
Poiché questo articolo riguarda le nozioni di base, utilizzerò come al solito un metodo diverso. Come accennato in precedenza, le guide alla selezione dei condensatori possono essere facilmente trovate sui siti Web dei fornitori 3 e 4 e gli ingegneri sul campo in genere possono rispondere alla maggior parte delle domande sui condensatori. In questo articolo, Non ripeterò ciò che puoi trovare su Internet, ma dimostrerò come scegliere e utilizzare i condensatori attraverso esempi pratici. Verranno trattati anche alcuni aspetti meno conosciuti della selezione dei condensatori, come il degrado della capacità. Dopo aver letto questo articolo, dovrebbe avere una buona conoscenza dell'uso dei condensatori.
Anni fa, quando lavoravo in un'azienda che produceva apparecchiature elettroniche, abbiamo avuto una domanda per un colloquio per un ingegnere elettronico di potenza. Sul diagramma schematico del prodotto esistente, chiederemo ai potenziali candidati "Qual è la funzione del circuito elettrolitico del collegamento CC?" condensatore?"e "Qual è la funzione del condensatore ceramico accanto al chip?"Ci auguriamo che la risposta corretta sia il condensatore del bus CC Utilizzati per l'accumulo di energia, i condensatori ceramici vengono utilizzati per il filtraggio.
La risposta “corretta” che cerchiamo mostra in realtà che tutti i membri del team di progettazione guardano i condensatori da una semplice prospettiva circuitale, non da una prospettiva di teoria dei campi. Il punto di vista della teoria dei circuiti non è sbagliato. Alle basse frequenze (da pochi kHz a pochi MHz), la teoria dei circuiti di solito può spiegare bene il problema. Questo perché a frequenze più basse, il segnale è principalmente in modalità differenziale. Usando la teoria dei circuiti, possiamo vedere il condensatore mostrato nella Figura 1, dove la resistenza in serie equivalente ( ESR) e l'induttanza in serie equivalente (ESL) fanno cambiare l'impedenza del condensatore con la frequenza.
Questo modello spiega in modo completo le prestazioni del circuito quando il circuito viene commutato lentamente. Tuttavia, all'aumentare della frequenza, le cose diventano sempre più complicate. Ad un certo punto, il componente inizia a mostrare non linearità. Quando la frequenza aumenta, il semplice modello LCR ha i suoi limiti.
Oggi, se mi venisse posta la stessa domanda durante l'intervista, indosserei i miei occhiali per l'osservazione della teoria dei campi e direi che entrambi i tipi di condensatori sono dispositivi di accumulo dell'energia. La differenza è che i condensatori elettrolitici possono immagazzinare più energia dei condensatori ceramici. Ma in termini di trasmissione di energia , i condensatori ceramici possono trasmettere energia più velocemente. Questo spiega perché i condensatori ceramici devono essere posizionati accanto al chip, poiché il chip ha una frequenza di commutazione e una velocità di commutazione più elevate rispetto al circuito di alimentazione principale.
Da questo punto di vista, possiamo semplicemente definire due standard di prestazione per i condensatori. Uno è la quantità di energia che il condensatore può immagazzinare e l'altro è la velocità con cui questa energia può essere trasferita. Entrambi dipendono dal metodo di produzione del condensatore, dal materiale dielettrico, il collegamento con il condensatore e così via.
Quando l'interruttore nel circuito è chiuso (vedere Figura 2), indica che il carico necessita di energia dalla fonte di alimentazione. La velocità con cui questo interruttore si chiude determina l'urgenza della richiesta di energia. Poiché l'energia viaggia alla velocità della luce (metà la velocità della luce nei materiali FR4), ci vuole tempo per trasferire energia. Inoltre, c'è un disadattamento di impedenza tra la sorgente e la linea di trasmissione e il carico. Ciò significa che l'energia non verrà mai trasferita in un viaggio, ma in più viaggi di andata e ritorno5, motivo per cui quando l'interruttore cambia rapidamente, vediamo ritardi e squilli nella forma d'onda di commutazione.
Figura 2: Ci vuole tempo perché l'energia si propaghi nello spazio;il disadattamento di impedenza causa più viaggi di andata e ritorno di trasferimento di energia.
Il fatto che il trasferimento di energia richieda tempo e molteplici viaggi di andata e ritorno ci dice che dobbiamo localizzare la fonte di energia il più vicino possibile al carico e dobbiamo trovare un modo per trasferire energia rapidamente. Il primo si ottiene solitamente riducendo lo sforzo fisico distanza tra carico, interruttore e condensatore. Quest'ultima si ottiene raggruppando un gruppo di condensatori con l'impedenza più piccola.
La teoria dei campi spiega anche le cause del rumore in modalità comune. In breve, il rumore in modalità comune viene generato quando la richiesta di energia del carico non viene soddisfatta durante la commutazione. Pertanto, l'energia immagazzinata nello spazio tra il carico e i conduttori vicini verrà fornita per supportare la richiesta del gradino. Lo spazio tra il carico e i conduttori vicini è ciò che chiamiamo capacità parassita/mutua (vedere Figura 2).
Utilizziamo i seguenti esempi per dimostrare come utilizzare condensatori elettrolitici, condensatori ceramici multistrato (MLCC) e condensatori a film. Sia la teoria dei circuiti che quella del campo vengono utilizzate per spiegare le prestazioni dei condensatori selezionati.
I condensatori elettrolitici vengono utilizzati principalmente nel collegamento CC come principale fonte di energia. La scelta del condensatore elettrolitico spesso dipende da:
Per le prestazioni EMC, le caratteristiche più importanti dei condensatori sono l'impedenza e le caratteristiche di frequenza. Le emissioni condotte a bassa frequenza dipendono sempre dalle prestazioni del condensatore del collegamento CC.
L'impedenza del collegamento CC dipende non solo dall'ESR e dall'ESL del condensatore, ma anche dall'area del circuito termico, come mostrato nella Figura 3. Un'area del circuito termico più ampia significa che il trasferimento di energia richiede più tempo, quindi le prestazioni saranno colpiti.
Per dimostrarlo è stato costruito un convertitore DC-DC step-down. La configurazione del test EMC di pre-conformità mostrata nella Figura 4 esegue una scansione delle emissioni condotte tra 150kHz e 108MHz.
È importante assicurarsi che i condensatori utilizzati in questo caso di studio provengano tutti dallo stesso produttore per evitare differenze nelle caratteristiche di impedenza. Quando si salda il condensatore sul PCB, assicurarsi che non vi siano cavi lunghi, poiché ciò aumenterà l'ESL del il condensatore. La Figura 5 mostra le tre configurazioni.
I risultati dell'emissione condotta di queste tre configurazioni sono mostrati nella Figura 6. Si può vedere che, rispetto a un singolo condensatore da 680 µF, i due condensatori da 330 µF raggiungono una prestazione di riduzione del rumore di 6 dB su una gamma di frequenze più ampia.
Dalla teoria dei circuiti si può dire che collegando due condensatori in parallelo si dimezzano sia l'ESL che l'ESR. Dal punto di vista della teoria dei campi non esiste una sola fonte di energia, ma vengono fornite due fonti di energia allo stesso carico , riducendo di fatto il tempo complessivo di trasmissione dell'energia. Tuttavia, a frequenze più elevate, la differenza tra due condensatori da 330 µF e un condensatore da 680 µF si ridurrà. Questo perché il rumore ad alta frequenza indica una risposta energetica al gradino insufficiente. Quando si sposta un condensatore da 330 µF più vicino a l'interruttore, riduciamo il tempo di trasferimento di energia, che aumenta efficacemente la risposta al gradino del condensatore.
Il risultato ci insegna una lezione molto importante. Aumentare la capacità di un singolo condensatore generalmente non supporta la richiesta graduale di più energia. Se possibile, utilizzare alcuni componenti capacitivi più piccoli. Ci sono molte buone ragioni per questo. Il primo è il costo. Generalmente parlando, a parità di dimensioni del contenitore, il costo di un condensatore aumenta esponenzialmente con il valore della capacità. L'utilizzo di un singolo condensatore può essere più costoso rispetto all'utilizzo di diversi condensatori più piccoli. Il secondo motivo è la dimensione. Il fattore limitante nella progettazione del prodotto è solitamente l'altezza dei componenti. Per i condensatori di grande capacità, l'altezza è spesso troppo grande per la progettazione del prodotto. Il terzo motivo sono le prestazioni EMC che abbiamo visto nel caso di studio.
Un altro fattore da considerare quando si utilizza un condensatore elettrolitico è che quando si collegano due condensatori in serie per condividere la tensione, sarà necessario un resistore di bilanciamento 6.
Come accennato in precedenza, i condensatori ceramici sono dispositivi in ​​miniatura che possono fornire rapidamente energia. Spesso mi viene posta la domanda "Quanto condensatore mi serve?" La risposta a questa domanda è che per i condensatori ceramici il valore della capacità non dovrebbe essere così importante. La considerazione importante qui è determinare a quale frequenza la velocità di trasferimento di energia è sufficiente per la propria applicazione. Se l'emissione condotta fallisce a 100 MHz, allora il condensatore con l'impedenza più piccola a 100 MHz sarà una buona scelta.
Questo è un altro malinteso dell'MLCC. Ho visto ingegneri spendere molta energia scegliendo condensatori ceramici con ESR ed ESL più bassi prima di collegare i condensatori al punto di riferimento RF attraverso lunghe tracce. Vale la pena ricordare che l'ESL di MLCC è solitamente molto inferiore all'induttanza di connessione sulla scheda. L'induttanza di connessione è ancora il parametro più importante che influenza l'impedenza ad alta frequenza dei condensatori ceramici7.
La Figura 7 mostra un cattivo esempio. Tracce lunghe (0,5 pollici) introducono un'induttanza di almeno 10 nH. Il risultato della simulazione mostra che l'impedenza del condensatore diventa molto più alta del previsto nel punto di frequenza (50 MHz).
Uno dei problemi con gli MLCC è che tendono a risuonare con la struttura induttiva sulla scheda. Ciò può essere visto nell'esempio mostrato nella Figura 8, dove l'uso di un MLCC da 10 µF introduce risonanza a circa 300 kHz.
È possibile ridurre la risonanza scegliendo un componente con una ESR più grande o semplicemente inserendo un resistore di piccolo valore (come 1 ohm) in serie con un condensatore. Questo tipo di metodo utilizza componenti con perdite per sopprimere il sistema. Un altro metodo consiste nell'utilizzare un'altra capacità valore per spostare la risonanza su un punto di risonanza inferiore o superiore.
I condensatori a film sono utilizzati in molte applicazioni. Sono i condensatori preferiti per i convertitori CC-CC ad alta potenza e vengono utilizzati come filtri di soppressione EMI su linee di alimentazione (CA e CC) e configurazioni di filtraggio di modo comune. Prendiamo un condensatore X come un esempio per illustrare alcuni dei punti principali dell'utilizzo dei condensatori a film.
Se si verifica un evento di sovratensione, aiuta a limitare la sollecitazione della tensione di picco sulla linea, quindi viene solitamente utilizzato con un soppressore di tensione transitoria (TVS) o un varistore a ossido di metallo (MOV).
Potresti già sapere tutto questo, ma sapevi che il valore di capacità di un condensatore X può essere significativamente ridotto con anni di utilizzo? Ciò è particolarmente vero se il condensatore viene utilizzato in un ambiente umido. Ho visto il valore di capacità di il condensatore X scende solo a una piccola percentuale del suo valore nominale entro un anno o due, quindi il sistema originariamente progettato con il condensatore X in realtà ha perso tutta la protezione che il condensatore front-end potrebbe avere.
Quindi, cosa è successo? L'aria umida può penetrare nel condensatore, lungo il cavo e tra la scatola e il composto epossidico. La metallizzazione dell'alluminio può quindi essere ossidata. L'allumina è un buon isolante elettrico, riducendo così la capacità. Questo è un problema che si incontrano tutti i condensatori a film. Il problema di cui sto parlando è lo spessore del film. I marchi di condensatori più affidabili utilizzano film più spessi, risultando in condensatori più grandi rispetto ad altri marchi. Il film più sottile rende il condensatore meno resistente al sovraccarico (tensione, corrente o temperatura), ed è improbabile che guarisca da solo.
Se il condensatore X non è collegato permanentemente all'alimentatore, non devi preoccuparti. Ad esempio, per un prodotto che prevede un passaggio forzato tra l'alimentatore e il condensatore, le dimensioni potrebbero essere più importanti della durata e quindi puoi scegliere un condensatore più sottile.
Tuttavia, se il condensatore è permanentemente collegato alla fonte di alimentazione, deve essere altamente affidabile. L'ossidazione dei condensatori non è inevitabile. Se il materiale epossidico del condensatore è di buona qualità e il condensatore non è spesso esposto a temperature estreme, il calo di il valore dovrebbe essere minimo.
In questo articolo viene presentata per la prima volta la teoria del campo dei condensatori. Esempi pratici e risultati della simulazione mostrano come selezionare e utilizzare i tipi di condensatori più comuni. Spero che queste informazioni possano aiutarti a comprendere il ruolo dei condensatori nella progettazione elettronica ed EMC in modo più completo.
Il Dr. Min Zhang è il fondatore e capo consulente EMC di Mach One Design Ltd, una società di ingegneria con sede nel Regno Unito specializzata in consulenza, risoluzione dei problemi e formazione EMC. La sua conoscenza approfondita dell'elettronica di potenza, dell'elettronica digitale, dei motori e della progettazione di prodotti ha portato benefici aziende in tutto il mondo.
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