اخبار

خازن ها یکی از پرکاربردترین قطعاتی هستند که روی بردهای مدار استفاده می شود. با افزایش تعداد دستگاه های الکترونیکی (از تلفن همراه تا اتومبیل)، تقاضا برای خازن نیز افزایش می یابد. همه گیر کووید 19 زنجیره تامین جهانی قطعات از نیمه هادی ها به قطعات غیرفعال را مختل کرده است و خازن ها با کمبود مواجه شده اند.
بحث در مورد خازن ها را می توان به راحتی به کتاب یا فرهنگ لغت تبدیل کرد. اول اینکه خازن ها انواع مختلفی دارند، مانند خازن های الکترولیتی، خازن های فیلم، خازن های سرامیکی و غیره. سپس، در همان نوع، مواد دی الکتریک مختلف وجود دارد. کلاس های مختلفی هم هست. در مورد ساختار فیزیکی، انواع خازن دو ترمینالی و سه ترمینالی وجود دارد. همچنین یک خازن نوع X2Y وجود دارد که در اصل یک جفت خازن Y است که در یک کپسوله شده است. در مورد ابرخازن ها چطور؟ واقعیت این است که اگر بنشینید و شروع به خواندن راهنمای انتخاب خازن از تولیدکنندگان بزرگ کنید، به راحتی می توانید روز خود را سپری کنید!
از آنجایی که این مقاله در مورد اصول اولیه است، من طبق معمول از روش دیگری استفاده خواهم کرد. همانطور که قبلا ذکر شد، راهنماهای انتخاب خازن را می توان به راحتی در وب سایت های تامین کننده 3 و 4 یافت و مهندسان میدان معمولاً می توانند به اکثر سوالات در مورد خازن ها پاسخ دهند. در این مقاله، آنچه را که در اینترنت می توانید پیدا کنید، تکرار نمی کنم، بلکه نحوه انتخاب و استفاده از خازن ها را از طریق مثال های عملی نشان خواهم داد. برخی از جنبه های کمتر شناخته شده انتخاب خازن، مانند کاهش ظرفیت خازن نیز پوشش داده خواهد شد. پس از مطالعه این مقاله، باید درک خوبی از کاربرد خازن ها داشته باشید.
سال‌ها پیش، زمانی که در شرکتی کار می‌کردم که تجهیزات الکترونیکی تولید می‌کرد، یک سوال مصاحبه با یک مهندس الکترونیک قدرت داشتیم. در نمودار شماتیک محصول موجود، از نامزدهای احتمالی می‌پرسیم: "خازن الکترولیتی پیوند DC چیست؟" و "کارکرد خازن سرامیکی که در کنار تراشه قرار دارد چیست؟" ما امیدواریم که پاسخ صحیح خازن باس DC باشد که برای ذخیره انرژی استفاده می شود، خازن های سرامیکی برای فیلتر کردن استفاده می شود.
پاسخ "صحیح" ما در واقع نشان می دهد که همه اعضای تیم طراحی به خازن ها از منظر مدار ساده نگاه می کنند، نه از منظر تئوری میدان. دیدگاه نظریه مدار اشتباه نیست. در فرکانس‌های پایین (از چند کیلوهرتز تا چند مگاهرتز)، نظریه مدار معمولاً می‌تواند مشکل را به خوبی توضیح دهد. این به این دلیل است که در فرکانس های پایین تر، سیگنال عمدتاً در حالت دیفرانسیل است. با استفاده از تئوری مدار، می توانیم خازن نشان داده شده در شکل 1 را ببینیم، جایی که مقاومت سری معادل (ESR) و اندوکتانس سری معادل (ESL) باعث می شود امپدانس خازن با فرکانس تغییر کند.
این مدل به طور کامل عملکرد مدار را هنگامی که مدار به آرامی سوئیچ می شود توضیح می دهد. با این حال، با افزایش فرکانس، همه چیز پیچیده تر و پیچیده تر می شود. در نقطه ای، جزء شروع به نشان دادن غیرخطی می کند. هنگامی که فرکانس افزایش می یابد، مدل ساده LCR محدودیت های خود را دارد.
امروز اگر همین سوال مصاحبه را از من می پرسیدند، عینک تئوری میدان خود را می زدم و می گفتم که هر دو نوع خازن دستگاه ذخیره انرژی هستند. تفاوت این است که خازن های الکترولیتی می توانند انرژی بیشتری نسبت به خازن های سرامیکی ذخیره کنند. اما از نظر انتقال انرژی، خازن های سرامیکی می توانند انرژی را سریعتر انتقال دهند. این توضیح می دهد که چرا خازن های سرامیکی باید در کنار تراشه قرار گیرند، زیرا تراشه فرکانس سوئیچینگ و سرعت سوئیچینگ بالاتری نسبت به مدار اصلی برق دارد.
از این منظر می توان به سادگی دو استاندارد عملکرد برای خازن ها تعریف کرد. یکی اینکه خازن چقدر انرژی می تواند ذخیره کند و دیگری اینکه این انرژی با چه سرعتی می تواند منتقل شود. هر دو به روش ساخت خازن، مواد دی الکتریک، اتصال با خازن و غیره بستگی دارند.
هنگامی که کلید در مدار بسته است (شکل 2 را ببینید)، نشان می دهد که بار نیاز به انرژی از منبع تغذیه دارد. سرعت بسته شدن این سوئیچ تعیین کننده فوریت تقاضای انرژی است. از آنجایی که انرژی با سرعت نور (نصف سرعت نور در مواد FR4) حرکت می کند، انتقال انرژی به زمان نیاز دارد. علاوه بر این، عدم تطابق امپدانس بین منبع و خط انتقال و بار وجود دارد. این بدان معنی است که انرژی هرگز در یک سفر منتقل نمی شود، بلکه در چندین رفت و برگشت ۵، به همین دلیل است که وقتی سوئیچ به سرعت سوئیچ می شود، شاهد تاخیر و زنگ زدن در شکل موج سوئیچینگ خواهیم بود.
شکل 2: انتشار انرژی در فضا زمان می برد. عدم تطابق امپدانس باعث چندین بار رفت و برگشت انتقال انرژی می شود.
این واقعیت که تحویل انرژی به زمان نیاز دارد و چندین رفت و برگشت به ما می گوید که باید انرژی را تا حد امکان به بار نزدیک کنیم و باید راهی برای تحویل سریع آن پیدا کنیم. اولین مورد معمولاً با کاهش فاصله فیزیکی بین بار، سوئیچ و خازن به دست می آید. مورد دوم با جمع آوری گروهی از خازن ها با کمترین امپدانس به دست می آید.
تئوری میدان همچنین توضیح می دهد که چه چیزی باعث نویز حالت رایج می شود. به طور خلاصه، نویز حالت معمول زمانی ایجاد می شود که نیاز انرژی بار در حین سوئیچینگ برآورده نشود. بنابراین، انرژی ذخیره شده در فضای بین بار و هادی های مجاور برای پشتیبانی از تقاضای پله تامین می شود. فضای بین بار و هادی های مجاور آن چیزی است که ما آن را ظرفیت انگلی/متقابل می نامیم (شکل 2 را ببینید).
ما از مثال‌های زیر برای نشان دادن نحوه استفاده از خازن‌های الکترولیتی، خازن‌های سرامیکی چندلایه (MLCC) و خازن‌های فیلم استفاده می‌کنیم. هر دو تئوری مدار و میدان برای توضیح عملکرد خازن های انتخابی استفاده می شوند.
خازن های الکترولیتی عمدتاً در پیوند DC به عنوان منبع اصلی انرژی استفاده می شوند. انتخاب خازن الکترولیتی اغلب به موارد زیر بستگی دارد:
برای عملکرد EMC، مهمترین ویژگی خازن ها امپدانس و ویژگی های فرکانس است. انتشارات فرکانس پایین همیشه به عملکرد خازن پیوند DC بستگی دارد.
امپدانس پیوند DC نه تنها به ESR و ESL خازن بستگی دارد، بلکه به مساحت حلقه حرارتی نیز بستگی دارد، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. ناحیه حلقه حرارتی بزرگتر به این معنی است که انتقال انرژی بیشتر طول می کشد، بنابراین عملکرد تحت تاثیر قرار خواهد گرفت.
یک مبدل DC-DC کاهنده برای اثبات این امر ساخته شد. تنظیم آزمایش EMC پیش از انطباق نشان داده شده در شکل 4 یک اسکن انتشار انجام شده بین 150 کیلوهرتز و 108 مگاهرتز را انجام می دهد.
مهم است که اطمینان حاصل شود که خازن های مورد استفاده در این مطالعه موردی همه از یک سازنده هستند تا از تفاوت در ویژگی های امپدانس جلوگیری شود. هنگام لحیم کاری خازن بر روی PCB، مطمئن شوید که سرنخ های طولانی وجود ندارد، زیرا این کار باعث افزایش ESL خازن می شود. شکل 5 سه پیکربندی را نشان می دهد.
نتایج انتشار انجام شده از این سه پیکربندی در شکل 6 نشان داده شده است. می توان مشاهده کرد که در مقایسه با یک خازن 680 μF، دو خازن 330 میکروF به عملکرد کاهش نویز 6 دسی بل در محدوده فرکانس وسیع تری دست می یابند.
از تئوری مدار می توان گفت که با اتصال دو خازن به صورت موازی، ESL و ESR هر دو نصف می شوند. از نقطه نظر تئوری میدان، نه تنها یک منبع انرژی وجود دارد، بلکه دو منبع انرژی به یک بار عرضه می‌شوند که به طور موثر زمان کلی انتقال انرژی را کاهش می‌دهد. با این حال، در فرکانس‌های بالاتر، تفاوت بین دو خازن 330 µF و یک خازن 680 µF کاهش می‌یابد. این به این دلیل است که نویز فرکانس بالا نشان دهنده پاسخ ناکافی انرژی مرحله است. هنگامی که یک خازن 330 µF را به سوئیچ نزدیک‌تر می‌کنیم، زمان انتقال انرژی را کاهش می‌دهیم که به طور موثر پاسخ پله‌ای خازن را افزایش می‌دهد.
نتیجه یک درس بسیار مهم را به ما می گوید. افزایش ظرفیت یک خازن به طور کلی از تقاضای پله ای برای انرژی بیشتر پشتیبانی نمی کند. در صورت امکان از قطعات خازنی کوچکتر استفاده کنید. دلایل خوبی برای این موضوع وجود دارد. اولین مورد هزینه است. به طور کلی، برای همان اندازه پکیج، هزینه یک خازن به صورت تصاعدی با مقدار ظرفیت خازن افزایش می یابد. استفاده از یک خازن ممکن است گرانتر از استفاده از چندین خازن کوچکتر باشد. دلیل دوم اندازه است. عامل محدود کننده در طراحی محصول معمولاً ارتفاع اجزاء است. برای خازن های با ظرفیت زیاد، ارتفاع اغلب خیلی زیاد است که برای طراحی محصول مناسب نیست. دلیل سوم عملکرد EMC است که در مطالعه موردی مشاهده کردیم.
یکی دیگر از عواملی که باید در هنگام استفاده از خازن الکترولیتی در نظر گرفت این است که وقتی دو خازن را به صورت سری وصل می کنید تا ولتاژ را به اشتراک بگذارید، به یک مقاومت متعادل کننده 6 نیاز خواهید داشت.
همانطور که قبلا ذکر شد، خازن های سرامیکی دستگاه های مینیاتوری هستند که می توانند به سرعت انرژی را تامین کنند. اغلب از من این سوال پرسیده می شود که "به چه مقدار خازن نیاز دارم؟" پاسخ به این سوال این است که برای خازن های سرامیکی، مقدار خازن نباید آنقدر مهم باشد. نکته مهم در اینجا این است که تعیین کنید سرعت انتقال انرژی در کدام فرکانس برای کاربرد شما کافی است. اگر تابش هدایت شده در 100 مگاهرتز خراب شود، خازن با کمترین امپدانس در 100 مگاهرتز انتخاب خوبی خواهد بود.
این یکی دیگر از سوء تفاهم های MLCC است. من مهندسان را دیده ام که قبل از اتصال خازن ها به نقطه مرجع RF از طریق ردیابی طولانی، انرژی زیادی را صرف انتخاب خازن های سرامیکی با کمترین ESR و ESL کرده اند. شایان ذکر است که ESL MLCC معمولاً بسیار کمتر از اندوکتانس اتصال روی برد است. اندوکتانس اتصال همچنان مهمترین پارامتر موثر بر امپدانس فرکانس بالای خازن های سرامیکی است.
شکل 7 یک مثال بد را نشان می دهد. آثار طولانی (طول 0.5 اینچ) حداقل اندوکتانس 10nH را معرفی می کند. نتیجه شبیه سازی نشان می دهد که امپدانس خازن در نقطه فرکانس (50 مگاهرتز) بسیار بالاتر از حد انتظار می شود.
یکی از مشکلات MLCC ها این است که آنها تمایل دارند با ساختار القایی روی برد همخوانی داشته باشند. این را می توان در مثال نشان داده شده در شکل 8 مشاهده کرد، جایی که استفاده از MLCC 10 μF، تشدید را در حدود 300 کیلوهرتز معرفی می کند.
می‌توانید با انتخاب قطعه‌ای با ESR بزرگ‌تر یا صرفاً قرار دادن یک مقاومت کم ارزش (مانند ۱ اهم) در سری با خازن، رزونانس را کاهش دهید. این نوع روش از اجزای با اتلاف برای سرکوب سیستم استفاده می کند. روش دیگر استفاده از مقدار ظرفیت خازنی دیگر برای انتقال رزونانس به نقطه تشدید پایین یا بالاتر است.
خازن های فیلم در بسیاری از کاربردها استفاده می شوند. آنها خازن های انتخابی برای مبدل های DC-DC پرقدرت هستند و به عنوان فیلترهای سرکوب کننده EMI در خطوط برق (AC و DC) و تنظیمات فیلتر حالت معمولی استفاده می شوند. ما یک خازن X را به عنوان مثال برای نشان دادن برخی از نکات اصلی استفاده از خازن های فیلم در نظر می گیریم.
اگر یک رویداد افزایشی رخ دهد، به محدود کردن تنش پیک ولتاژ روی خط کمک می‌کند، بنابراین معمولاً با یک سرکوبگر ولتاژ گذرا (TVS) یا وریستور اکسید فلزی (MOV) استفاده می‌شود.
ممکن است قبلاً همه اینها را بدانید، اما آیا می دانستید که مقدار ظرفیت خازن X را می توان با سال ها استفاده به میزان قابل توجهی کاهش داد؟ این امر به ویژه در صورتی صادق است که خازن در محیط مرطوب استفاده شود. من دیدم که مقدار ظرفیت خازن X ظرف یک یا دو سال فقط به چند درصد از مقدار نامی خود کاهش می یابد، بنابراین سیستمی که در ابتدا با خازن X طراحی شده بود، در واقع تمام حفاظتی را که ممکن بود خازن جلویی داشته باشد از دست داد.
خب، چه اتفاقی افتاد؟ هوای رطوبت ممکن است به خازن، بالای سیم و بین جعبه و ترکیب گلدان اپوکسی نشت کند. متالیزاسیون آلومینیوم سپس می تواند اکسید شود. آلومینا یک عایق الکتریکی خوب است و در نتیجه ظرفیت خازن را کاهش می دهد. این مشکلی است که همه خازن های فیلم با آن مواجه خواهند شد. موضوعی که من در مورد آن صحبت می کنم ضخامت فیلم است. برندهای معتبر خازن از فیلم های ضخیم تری استفاده می کنند و در نتیجه خازن های بزرگتری نسبت به برندهای دیگر تولید می کنند. لایه نازکتر خازن را در برابر اضافه بار (ولتاژ، جریان یا دما) کمتر مقاوم می کند و بعید است که خود را بهبود بخشد.
اگر خازن X به طور دائم به منبع تغذیه متصل نیست، پس نیازی به نگرانی نیست. به عنوان مثال، برای محصولی که دارای یک سوئیچ سخت بین منبع تغذیه و خازن است، اندازه ممکن است مهمتر از عمر باشد و سپس می توانید خازن نازک تری انتخاب کنید.
با این حال، اگر خازن به طور دائم به منبع تغذیه متصل باشد، باید از قابلیت اطمینان بالایی برخوردار باشد. اکسیداسیون خازن ها اجتناب ناپذیر نیست. اگر مواد اپوکسی خازن از کیفیت خوبی برخوردار باشد و خازن اغلب در معرض دماهای شدید قرار نگیرد، افت مقدار باید حداقل باشد.
در این مقاله ابتدا دیدگاه تئوری میدان خازن ها معرفی شد. مثال های عملی و نتایج شبیه سازی نحوه انتخاب و استفاده از رایج ترین انواع خازن را نشان می دهد. امیدواریم این اطلاعات به شما کمک کند تا نقش خازن ها در طراحی الکترونیکی و EMC را به طور جامع تر درک کنید.
دکتر مین ژانگ موسس و مشاور ارشد EMC Mach One Design Ltd، یک شرکت مهندسی مستقر در بریتانیا است که متخصص در مشاوره، عیب یابی و آموزش EMC است. دانش عمیق او در الکترونیک قدرت، الکترونیک دیجیتال، موتورها و طراحی محصول به شرکت‌های سراسر جهان کمک کرده است.
In Compliance منبع اصلی اخبار، اطلاعات، آموزش و الهام برای متخصصان مهندسی برق و الکترونیک است.
هوافضا ارتباطات خودرو الکترونیک مصرف کننده آموزش انرژی و نیرو صنعت فناوری اطلاعات پزشکی نظامی و دفاع ملی