ახალი ამბები

კონდენსატორები ერთ-ერთი ყველაზე ხშირად გამოყენებული კომპონენტია მიკროსქემის დაფებზე. ელექტრონული მოწყობილობების რაოდენობა (მობილური ტელეფონებიდან მანქანებამდე) მატულობს, ასევე იზრდება მოთხოვნა კონდენსატორებზე. Covid 19-ის პანდემიამ შეაფერხა კომპონენტების მიწოდების გლობალური ჯაჭვი ნახევარგამტარებიდან პასიურ კომპონენტებამდე და კონდენსატორები დეფიციტური იყო1.
კონდენსატორების თემაზე დისკუსიები ადვილად შეიძლება იქცეს წიგნად ან ლექსიკონად. პირველ რიგში, არსებობს სხვადასხვა ტიპის კონდენსატორები, როგორიცაა ელექტროლიტური კონდენსატორები, ფირის კონდენსატორები, კერამიკული კონდენსატორები და ა.შ. შემდეგ, იმავე ტიპში, არის სხვადასხვა დიელექტრიკული მასალები. ასევე არის სხვადასხვა კლასები. რაც შეეხება ფიზიკურ სტრუქტურას, არსებობს ორი ტერმინალური და სამტერმინალური კონდენსატორის ტიპები. ასევე არსებობს X2Y ტიპის კონდენსატორი, რომელიც არსებითად არის წყვილი Y კონდენსატორები, რომლებიც ჩასმულია ერთში. რაც შეეხება სუპერკონდენსატორები? ფაქტია, რომ თუ დაჯდებით და დაიწყებთ კონდენსატორების შერჩევის სახელმძღვანელოების კითხვას ძირითადი მწარმოებლებისგან, შეგიძლიათ მარტივად გაატაროთ დღე!
ვინაიდან ეს სტატია ეხება საფუძვლებს, მე გამოვიყენებ სხვა მეთოდს, როგორც ყოველთვის. როგორც უკვე აღვნიშნეთ, კონდენსატორების შერჩევის სახელმძღვანელოები მარტივად შეგიძლიათ იპოვოთ მომწოდებლის ვებსაიტებზე 3 და 4, ხოლო საველე ინჟინრებს შეუძლიათ უპასუხონ უმეტეს კითხვებს კონდენსატორების შესახებ. ამ სტატიაში მე არ გავიმეორებ იმას, რისი პოვნაც შეგიძლიათ ინტერნეტში, მაგრამ პრაქტიკული მაგალითებით გაჩვენებთ, თუ როგორ უნდა აირჩიოთ და გამოიყენოთ კონდენსატორები. ასევე განხილული იქნება კონდენსატორების შერჩევის ზოგიერთი ნაკლებად ცნობილი ასპექტი, როგორიცაა ტევადობის დეგრადაცია. ამ სტატიის წაკითხვის შემდეგ, თქვენ კარგად უნდა გესმოდეთ კონდენსატორების გამოყენების შესახებ.
წლების წინ, როდესაც ვმუშაობდი კომპანიაში, რომელიც აწარმოებდა ელექტრონულ აღჭურვილობას, ჩვენ გვქონდა ინტერვიუს კითხვა ენერგეტიკული ელექტრონიკის ინჟინრისთვის. არსებული პროდუქტის სქემატურ დიაგრამაზე, ჩვენ ვკითხავთ პოტენციურ კანდიდატებს "რა ფუნქცია აქვს DC კავშირი ელექტროლიტური კონდენსატორი?" და "რა ფუნქცია აქვს ჩიპთან მდებარე კერამიკული კონდენსატორის?" ვიმედოვნებთ, რომ სწორი პასუხია DC ავტობუსის კონდენსატორი, რომელიც გამოიყენება ენერგიის შესანახად, კერამიკული კონდენსატორები გამოიყენება ფილტრაციისთვის.
"სწორი" პასუხი, რომელსაც ჩვენ ვეძებთ, რეალურად გვიჩვენებს, რომ დიზაინის ჯგუფში ყველა უყურებს კონდენსატორებს მარტივი წრედის პერსპექტივიდან და არა ველის თეორიის პერსპექტივიდან. მიკროსქემის თეორიის თვალსაზრისი არ არის მცდარი. დაბალ სიხშირეებზე (რამდენიმე kHz-დან რამდენიმე MHz-მდე), მიკროსქემის თეორია ჩვეულებრივ კარგად ხსნის პრობლემას. ეს იმიტომ ხდება, რომ დაბალ სიხშირეებზე სიგნალი ძირითადად დიფერენციალურ რეჟიმშია. მიკროსქემის თეორიის გამოყენებით, ჩვენ შეგვიძლია დავინახოთ სურათი 1-ზე ნაჩვენები კონდენსატორი, სადაც ეკვივალენტური სერიის წინააღმდეგობა (ESR) და ექვივალენტური სერიის ინდუქციურობა (ESL) ხდის კონდენსატორის წინაღობის ცვლილებას სიხშირით.
ეს მოდელი სრულად ხსნის მიკროსქემის მუშაობას, როდესაც ჩართვა ხდება ნელა. თუმცა სიხშირის მატებასთან ერთად ყველაფერი უფრო და უფრო რთულდება. რაღაც მომენტში, კომპონენტი იწყებს არაწრფივობის ჩვენებას. როდესაც სიხშირე იზრდება, მარტივი LCR მოდელს აქვს თავისი შეზღუდვები.
დღეს, იგივე კითხვას რომ დასვამდნენ ინტერვიუში, ჩავიცვამდი ველის თეორიის დაკვირვების სათვალეს და ვიტყოდი, რომ ორივე ტიპის კონდენსატორი ენერგიის შესანახი მოწყობილობაა. განსხვავება ისაა, რომ ელექტროლიტურ კონდენსატორებს შეუძლიათ უფრო მეტი ენერგიის შენახვა, ვიდრე კერამიკული კონდენსატორები. მაგრამ ენერგიის გადაცემის თვალსაზრისით, კერამიკული კონდენსატორებს შეუძლიათ ენერგიის უფრო სწრაფად გადაცემა. ეს განმარტავს, თუ რატომ უნდა განთავსდეს კერამიკული კონდენსატორები ჩიპთან, რადგან ჩიპს აქვს გადართვის უფრო მაღალი სიხშირე და გადართვის სიჩქარე მთავარ დენის წრესთან შედარებით.
ამ თვალსაზრისით, ჩვენ შეგვიძლია უბრალოდ განვსაზღვროთ კონდენსატორების შესრულების ორი სტანდარტი. ერთი არის ის, თუ რამდენ ენერგიას შეუძლია კონდენსატორის შენახვა და მეორე არის რამდენად სწრაფად შეიძლება ამ ენერგიის გადაცემა. ორივე დამოკიდებულია კონდენსატორის დამზადების მეთოდზე, დიელექტრიკულ მასალაზე, კონდენსატორთან კავშირზე და ა.შ.
როდესაც წრეში ჩამრთველი დახურულია (იხ. სურათი 2), ეს მიუთითებს იმაზე, რომ დატვირთვას სჭირდება ენერგია დენის წყაროდან. სიჩქარე, რომლითაც ეს გადამრთველი იხურება, განსაზღვრავს ენერგიის მოთხოვნის აუცილებლობას. ვინაიდან ენერგია სინათლის სიჩქარით მოძრაობს (შუქის სიჩქარის ნახევარი FR4 მასალებში), ენერგიის გადაცემას დრო სჭირდება. გარდა ამისა, არსებობს წინაღობის შეუსაბამობა წყაროსა და გადამცემ ხაზსა და დატვირთვას შორის. ეს ნიშნავს, რომ ენერგია არასოდეს გადაიცემა ერთი მოგზაურობისას, არამედ მრავალჯერადი მრგვალი მოგზაურობის დროს5, რის გამოც გადამრთველის სწრაფად გადართვა, ჩვენ დავინახავთ შეფერხებებს და ზარს გადართვის ტალღის ფორმაში.
სურათი 2: დრო სჭირდება ენერგიის გავრცელებას სივრცეში; წინაღობის შეუსაბამობა იწვევს ენერგიის გადაცემის მრავალჯერად მიმოქცევას.
ის ფაქტი, რომ ენერგიის მიწოდებას დრო სჭირდება და მრავალჯერადი ორმხრივი მგზავრობა გვეუბნება, რომ ენერგია მაქსიმალურად უნდა მივიტანოთ დატვირთვასთან და უნდა ვიპოვოთ მისი სწრაფად მიწოდების გზა. პირველი ჩვეულებრივ მიიღწევა დატვირთვას, გადამრთველსა და კონდენსატორს შორის ფიზიკური მანძილის შემცირებით. ეს უკანასკნელი მიიღწევა უმცირესი წინაღობის მქონე კონდენსატორების ჯგუფის შეკრებით.
ველის თეორია ასევე განმარტავს, თუ რა იწვევს საერთო რეჟიმის ხმაურს. მოკლედ, საერთო რეჟიმის ხმაური წარმოიქმნება, როდესაც გადართვისას დატვირთვის ენერგიის მოთხოვნილება არ არის დაკმაყოფილებული. ამრიგად, დატვირთვასა და მიმდებარე გამტარებს შორის სივრცეში შენახული ენერგია უზრუნველყოფილი იქნება საფეხურების მოთხოვნის მხარდასაჭერად. სივრცე დატვირთვასა და მიმდებარე გამტარებს შორის არის ის, რასაც ჩვენ ვუწოდებთ პარაზიტულ/ურთიერთ ტევადობას (იხ. სურათი 2).
ჩვენ ვიყენებთ შემდეგ მაგალითებს იმის საჩვენებლად, თუ როგორ გამოვიყენოთ ელექტროლიტური კონდენსატორები, მრავალშრიანი კერამიკული კონდენსატორები (MLCC) და ფირის კონდენსატორები. როგორც მიკროსქემის, ასევე ველის თეორია გამოიყენება შერჩეული კონდენსატორების მუშაობის ასახსნელად.
ელექტროლიტური კონდენსატორები ძირითადად გამოიყენება DC ბმულზე, როგორც ენერგიის ძირითადი წყარო. ელექტროლიტური კონდენსატორის არჩევანი ხშირად დამოკიდებულია:
EMC მუშაობისთვის, კონდენსატორების ყველაზე მნიშვნელოვანი მახასიათებლებია წინაღობა და სიხშირის მახასიათებლები. დაბალი სიხშირის გამონაბოლქვი ყოველთვის დამოკიდებულია DC კავშირის კონდენსატორის მუშაობაზე.
DC კავშირის წინაღობა დამოკიდებულია არა მხოლოდ კონდენსატორის ESR-ზე და ESL-ზე, არამედ თერმული მარყუჟის ფართობზე, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 3. უფრო დიდი თერმული მარყუჟის ფართობი ნიშნავს, რომ ენერგიის გადაცემას უფრო მეტი დრო სჭირდება, ამიტომ შესრულება დაზარალდება.
ამის დასამტკიცებლად შეიქმნა DC-DC გადამყვანი. EMC ტესტის წინასწარი დაყენება, რომელიც ნაჩვენებია 4-ში, ახორციელებს ემისიის სკანირებას 150 kHz-დან 108 MHz-მდე.
მნიშვნელოვანია იმის უზრუნველყოფა, რომ ამ შემთხვევის შესწავლაში გამოყენებული კონდენსატორები ერთი და იგივე მწარმოებლისგან იყოს, რათა თავიდან იქნას აცილებული წინაღობის მახასიათებლების განსხვავება. კონდენსატორის PCB-ზე შედუღებისას დარწმუნდით, რომ არ არის გრძელი მილები, რადგან ეს გაზრდის კონდენსატორის ESL-ს. სურათი 5 გვიჩვენებს სამ კონფიგურაციას.
ამ სამი კონფიგურაციის განხორციელებული ემისიის შედეგები ნაჩვენებია სურათზე 6. ჩანს, რომ ერთ 680 μF კონდენსატორთან შედარებით, ორი 330 μF კონდენსატორი აღწევს ხმაურის შემცირების ეფექტურობას 6 დბ სიხშირის უფრო ფართო დიაპაზონში.
მიკროსქემის თეორიიდან შეიძლება ითქვას, რომ ორი კონდენსატორის პარალელურად შეერთებით, ორივე ESL და ESR განახევრდება. ველის თეორიის თვალსაზრისით, არსებობს არა მხოლოდ ერთი ენერგიის წყარო, არამედ ორი ენერგიის წყარო მიეწოდება იმავე დატვირთვას, რაც ეფექტურად ამცირებს ენერგიის გადაცემის მთლიან დროს. თუმცა, მაღალ სიხშირეებზე, განსხვავება ორ 330 μF კონდენსატორსა და ერთ 680 μF კონდენსატორს შორის შემცირდება. ეს იმიტომ ხდება, რომ მაღალი სიხშირის ხმაური მიუთითებს არასაკმარისი ნაბიჯის ენერგიის პასუხზე. 330 μF კონდენსატორის გადამრთველთან მიახლოებისას ჩვენ ვამცირებთ ენერგიის გადაცემის დროს, რაც ეფექტურად ზრდის კონდენსატორის საფეხურზე რეაგირებას.
შედეგი ძალიან მნიშვნელოვან გაკვეთილზე გვეუბნება. ერთი კონდენსატორის ტევადობის გაზრდა, როგორც წესი, არ უწყობს ხელს უფრო მეტ ენერგიაზე საფეხურის მოთხოვნას. თუ შესაძლებელია, გამოიყენეთ უფრო მცირე ტევადობის კომპონენტები. ამის ბევრი კარგი მიზეზი არსებობს. პირველი არის ღირებულება. ზოგადად რომ ვთქვათ, იგივე პაკეტის ზომისთვის, კონდენსატორის ღირებულება ექსპონენტურად იზრდება ტევადობის ღირებულებით. ერთი კონდენსატორის გამოყენება შეიძლება უფრო ძვირი იყოს, ვიდრე რამდენიმე პატარა კონდენსატორის გამოყენება. მეორე მიზეზი არის ზომა. პროდუქტის დიზაინში შემზღუდველი ფაქტორი, როგორც წესი, არის კომპონენტების სიმაღლე. დიდი სიმძლავრის კონდენსატორებისთვის, სიმაღლე ხშირად ძალიან დიდია, რაც არ არის შესაფერისი პროდუქტის დიზაინისთვის. მესამე მიზეზი არის EMC შესრულება, რომელიც ვნახეთ საქმის შესწავლაში.
კიდევ ერთი ფაქტორი, რომელიც გასათვალისწინებელია ელექტროლიტური კონდენსატორის გამოყენებისას არის ის, რომ როდესაც ძაბვის გასაზიარებლად ორ კონდენსატორს აკავშირებთ სერიაში, დაგჭირდებათ დამაბალანსებელი რეზისტორი 6.
როგორც უკვე აღვნიშნეთ, კერამიკული კონდენსატორები არის მინიატურული მოწყობილობები, რომლებსაც შეუძლიათ სწრაფად უზრუნველყონ ენერგია. ხშირად მისვამენ კითხვას "რამდენი კონდენსატორი მჭირდება?" ამ კითხვაზე პასუხი არის ის, რომ კერამიკული კონდენსატორებისთვის, ტევადობის მნიშვნელობა არ უნდა იყოს ისეთი მნიშვნელოვანი. აქ მნიშვნელოვანია იმის დადგენა, თუ რომელ სიხშირეზეა ენერგიის გადაცემის სიჩქარე საკმარისი თქვენი განაცხადისთვის. თუ განხორციელებული ემისია ვერ ხერხდება 100 MHz-ზე, მაშინ ყველაზე მცირე წინაღობის მქონე კონდენსატორი 100 MHz-ზე კარგი არჩევანი იქნება.
ეს არის MLCC-ის კიდევ ერთი გაუგებრობა. მე მინახავს, ​​რომ ინჟინრები დიდ ენერგიას ხარჯავენ კერამიკული კონდენსატორების არჩევისას ყველაზე დაბალი ESR და ESL-ით, სანამ კონდენსატორები RF საცნობარო წერტილს დააკავშირებენ გრძელი კვალის მეშვეობით. აღსანიშნავია, რომ MLCC-ის ESL ჩვეულებრივ გაცილებით დაბალია, ვიდრე კავშირის ინდუქციურობა დაფაზე. შეერთების ინდუქციურობა კვლავ არის ყველაზე მნიშვნელოვანი პარამეტრი, რომელიც გავლენას ახდენს კერამიკული კონდენსატორების მაღალი სიხშირის წინაღობაზე7.
სურათი 7 გვიჩვენებს ცუდ მაგალითს. გრძელი კვალი (0,5 ინჩი სიგრძით) შემოაქვს მინიმუმ 10nH ინდუქციურობას. სიმულაციის შედეგი აჩვენებს, რომ კონდენსატორის წინაღობა ხდება მოსალოდნელზე გაცილებით მაღალი სიხშირის წერტილში (50 MHz).
MLCC-ების ერთ-ერთი პრობლემა არის ის, რომ ისინი რეზონანსს ახდენენ დაფაზე ინდუქციურ სტრუქტურასთან. ეს ჩანს 8-ში ნაჩვენები მაგალითში, სადაც 10 μF MLCC-ის გამოყენება იწვევს რეზონანსს დაახლოებით 300 kHz-ზე.
თქვენ შეგიძლიათ შეამციროთ რეზონანსი უფრო დიდი ESR-ის მქონე კომპონენტის არჩევით ან უბრალოდ კონდენსატორთან სერიებში მცირე მნიშვნელობის რეზისტორის (როგორიცაა 1 ომ) დაყენებით. ამ ტიპის მეთოდი იყენებს დაკარგულ კომპონენტებს სისტემის ჩასახშობად. კიდევ ერთი მეთოდია სხვა ტევადობის მნიშვნელობის გამოყენება რეზონანსის ქვედა ან მაღალ რეზონანსულ წერტილზე გადასატანად.
ფირის კონდენსატორები გამოიყენება მრავალ აპლიკაციაში. ისინი არჩევის კონდენსატორებია მაღალი სიმძლავრის DC-DC კონვერტორებისთვის და გამოიყენება როგორც EMI ჩახშობის ფილტრები ელექტროგადამცემ ხაზებზე (AC და DC) და საერთო რეჟიმის ფილტრაციის კონფიგურაციებში. ჩვენ ვიღებთ X კონდენსატორს, როგორც მაგალითი, რათა ავხსნათ ფირის კონდენსატორების გამოყენების ძირითადი პუნქტები.
თუ ტალღოვანი მოვლენა მოხდა, ეს ხელს უწყობს ხაზზე პიკური ძაბვის სტრესის შეზღუდვას, ამიტომ ჩვეულებრივ გამოიყენება გარდამავალი ძაბვის დამთრგუნველით (TVS) ან ლითონის ოქსიდის ვარისტორთან (MOV).
თქვენ შეიძლება უკვე იცით ეს ყველაფერი, მაგრამ იცოდით, რომ X კონდენსატორის ტევადობის მნიშვნელობა შეიძლება მნიშვნელოვნად შემცირდეს წლების განმავლობაში? ეს განსაკუთრებით ეხება იმ შემთხვევაში, თუ კონდენსატორი გამოიყენება ტენიან გარემოში. მე დავინახე, რომ X კონდენსატორის ტევადობის ღირებულება მხოლოდ მისი ნომინალური მნიშვნელობის რამდენიმე პროცენტამდე დაეცა ერთი ან ორი წლის განმავლობაში, ასე რომ, სისტემამ, რომელიც თავდაპირველად შეიქმნა X კონდენსატორით, ფაქტობრივად დაკარგა მთელი დაცვა, რაც შეიძლება ჰქონდეს წინა ბოლო კონდენსატორს.
მაშ, რა მოხდა? ტენიანმა ჰაერმა შეიძლება გაჟონოს კონდენსატორში, მავთულზე და ყუთსა და ეპოქსიდური ქოთნის ნაერთს შორის. შემდეგ ალუმინის მეტალიზაცია შეიძლება დაჟანგდეს. ალუმინა არის კარგი ელექტრო იზოლატორი, რითაც ამცირებს ტევადობას. ეს არის პრობლემა, რომელსაც ყველა ფირის კონდენსატორი წააწყდება. საკითხი, რომელზეც მე ვსაუბრობ არის ფირის სისქე. რეპუტაციის მქონე კონდენსატორების ბრენდები იყენებენ სქელ ფილებს, რის შედეგადაც უფრო დიდი კონდენსატორებია, ვიდრე სხვა ბრენდები. თხელი ფილმი ხდის კონდენსატორს ნაკლებად მდგრადს გადატვირთვისთვის (ძაბვა, დენი ან ტემპერატურა) და ნაკლებად სავარაუდოა, რომ ის თავისთავად შეხორცდება.
თუ X კონდენსატორი მუდმივად არ არის დაკავშირებული ელექტრომომარაგებასთან, მაშინ არ უნდა ინერვიულოთ. მაგალითად, პროდუქტისთვის, რომელსაც აქვს მყარი გადამრთველი ელექტრომომარაგებასა და კონდენსატორს შორის, ზომა შეიძლება იყოს უფრო მნიშვნელოვანი ვიდრე სიცოცხლე, შემდეგ კი შეგიძლიათ აირჩიოთ უფრო თხელი კონდენსატორი.
თუმცა, თუ კონდენსატორი მუდმივად არის დაკავშირებული დენის წყაროსთან, ის უნდა იყოს ძალიან საიმედო. კონდენსატორების დაჟანგვა გარდაუვალი არ არის. თუ კონდენსატორის ეპოქსიდური მასალა არის კარგი ხარისხის და კონდენსატორი ხშირად არ ექვემდებარება ექსტრემალურ ტემპერატურას, ღირებულების ვარდნა მინიმალური უნდა იყოს.
ამ სტატიაში პირველად გააცნო კონდენსატორების ველის თეორიის ხედვა. პრაქტიკული მაგალითები და სიმულაციის შედეგები გვიჩვენებს, თუ როგორ უნდა აირჩიოთ და გამოიყენოთ კონდენსატორების ყველაზე გავრცელებული ტიპები. ვიმედოვნებთ, რომ ეს ინფორმაცია დაგეხმარებათ უფრო სრულყოფილად გაიგოთ კონდენსატორების როლი ელექტრონულ და EMC დიზაინში.
დოქტორი მინ ჟანგი არის ბრიტანეთში დაფუძნებული საინჟინრო კომპანიის Mach One Design Ltd-ის დამფუძნებელი და მთავარი EMC კონსულტანტი, რომელიც სპეციალიზირებულია EMC კონსულტირებაში, პრობლემების აღმოფხვრასა და ტრენინგში. მისი სიღრმისეული ცოდნა ენერგეტიკული ელექტრონიკის, ციფრული ელექტრონიკის, ძრავების და პროდუქტის დიზაინის სფეროში კომპანიებს მოუტანა სარგებელი მთელს მსოფლიოში.
In Compliance არის სიახლეების, ინფორმაციის, განათლებისა და შთაგონების მთავარი წყარო ელექტრო და ელექტრონული ინჟინერიის პროფესიონალებისთვის.
აერონავტიკა ავტომობილები კომუნიკაციები სამომხმარებლო ელექტრონიკა განათლება ენერგეტიკა და ენერგეტიკული ინდუსტრია საინფორმაციო ტექნოლოგიები სამედიცინო სამხედრო და ეროვნული თავდაცვა