اخبار

خازن‌ها یکی از متداول‌ترین قطعات مورد استفاده در بردهای مدار هستند. با افزایش تعداد دستگاه‌های الکترونیکی (از تلفن همراه گرفته تا خودرو)، تقاضا برای خازن‌ها نیز افزایش می‌یابد. همه‌گیری کووید 19 زنجیره تامین جهانی قطعات از نیمه‌رساناها را مختل کرده است. به اجزای غیرفعال و خازن ها کمبود داشته 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، خازن های مختلفی وجود دارد. مواد دی الکتریک. همچنین کلاس های مختلفی وجود دارد. در مورد ساختار فیزیکی، انواع خازن های 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، می توانید به راحتی روز را سپری کنید!
از آنجایی که این مقاله در مورد اصول اولیه است، من طبق معمول از روش متفاوتی 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 پیدا کرد 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 را تکرار نمی کنم، اما 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 خواندن این مقاله، شما باید درک خوبی از استفاده از خازن ها داشته باشد.
سال‌ها پیش، زمانی که در شرکتی کار می‌کردم که تجهیزات الکترونیکی تولید می‌کرد، یک سؤال مصاحبه با یک مهندس الکترونیک قدرت داشتیم. در نمودار شماتیک محصول موجود، از نامزدهای احتمالی می‌پرسیم: «کارکرد الکترولیتی پیوند DC چیست؟ خازن؟»و "کارکرد خازن سرامیکی کنار تراشه 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 "درست" که ما به دنبال آن هستیم در واقع نشان می دهد که همه اعضای تیم طراحی از منظر مدار ساده به خازن ها نگاه می کنند، نه از منظر نظریه میدان. نقطه نظر نظریه مدار اشتباه نیست. در فرکانس های پایین (از چند کیلوهرتز) تا چند مگاهرتز)، نظریه مدار معمولاً می تواند 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 شوند امپدانس خازن با فرکانس تغییر کند.
این مدل به طور کامل عملکرد مدار را در زمانی که مدار به آرامی سوئیچ می‌کند توضیح می‌دهد. با این حال، با افزایش فرکانس، همه چیز پیچیده‌تر و پیچیده‌تر می‌شود. در برخی مواقع، جزء شروع به غیرخطی نشان دادن می‌کند. وقتی فرکانس افزایش می‌یابد، 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 منتقل کنند. 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، به سادگی می‌توانیم دو استاندارد عملکرد برای خازن‌ها تعریف کنیم. یکی اینکه خازن چقدر انرژی می‌تواند ذخیره کند، و دیگری اینکه این انرژی با چه سرعتی می‌تواند منتقل شود. هر دو به روش ساخت خازن، ماده دی الکتریک، بستگی دارند. اتصال با خازن و غیره
هنگامی که کلید در مدار بسته است (شکل 2 را ببینید)، نشان می دهد که بار به انرژی از منبع برق نیاز دارد. سرعت بسته شدن این کلید، فوریت تقاضای انرژی را تعیین می کند. از آنجایی که انرژی با سرعت نور حرکت می کند (نصف) سرعت نور در مواد FR4)، انتقال انرژی به زمان نیاز دارد. علاوه بر این، یک 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 بار منتقل می شود. رفت و برگشت5، به همین دلیل است که وقتی سوئیچ به سرعت سوئیچ می شود، شاهد تاخیر و زنگ زدن در شکل موج سوئیچینگ هستیم.
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 انتقال انرژی به زمان نیاز دارد و رفت و برگشت های متعدد به ما می گوید که باید منبع انرژی را تا حد امکان نزدیک به بار قرار دهیم و باید راهی برای انتقال سریع انرژی پیدا کنیم. اولین مورد معمولاً با کاهش انرژی فیزیکی به دست می آید. فاصله بین بار، سوئیچ و خازن. دومی با جمع آوری گروهی از خازن ها با کمترین امپدانس به دست می آید.
تئوری میدان همچنین توضیح می‌دهد که چه چیزی باعث ایجاد نویز حالت معمولی می‌شود. به طور خلاصه، نویز حالت معمول زمانی ایجاد می‌شود که نیاز انرژی بار در حین سوئیچینگ برآورده نشود. بنابراین، انرژی ذخیره شده در فضای بین بار و هادی‌های مجاور برای پشتیبانی تامین می‌شود. 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. هم تئوری مدار و هم برای توضیح عملکرد خازن‌های انتخابی استفاده می‌شوند.
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 شده است. 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 می شود. خازن. 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 نظر تئوری مدار می توان گفت که با اتصال دو خازن به صورت موازی هر دو ESL و ESR نصف می شوند. 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 نشان‌دهنده پاسخ ناکافی انرژی پله‌ای است. هنگامی که خازن 330 میکروفن را نزدیک‌تر می‌کنید. سوئیچ، ما زمان انتقال انرژی را کاهش می دهیم، که به طور موثر پاسخ پله خازن را افزایش می دهد.
نتیجه درس بسیار مهمی 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 برخی اجزای خازنی کوچکتر استفاده کنید. دلایل خوبی برای این امر وجود دارد. اولی هزینه است. عموماً هزینه است. به عنوان مثال، برای همان اندازه بسته بندی، 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 است. برای خازن های با ظرفیت زیاد، ارتفاع اغلب برای طراحی محصول خیلی زیاد است. دلیل سوم عملکرد EMC است که در مطالعه موردی دیدیم.
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 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 انتشار انجام شده در 100 مگاهرتز از کار بیفتد، خازن با کمترین امپدانس در 100 مگاهرتز انتخاب خوبی خواهد بود.
این یکی دیگر از سوء تفاهم های MLCC است. من دیده ام که مهندسان قبل از اتصال خازن ها به نقطه مرجع RF از طریق ردیابی های طولانی، انرژی زیادی را صرف انتخاب خازن های سرامیکی با کمترین ESR و ESL می کنند. شایان ذکر است که ESL MLCC معمولاً بسیار زیاد است. کمتر از اندوکتانس اتصال روی برد. اندوکتانس اتصال همچنان مهمترین پارامتر مؤثر بر امپدانس فرکانس بالای خازن های سرامیکی است.
شکل 7 یک مثال بد را نشان می دهد. ردپای 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 طنین انداز شوند. این را می توان در مثال نشان داده شده در شکل 8 مشاهده کرد، جایی که استفاده از MLCC 10 μF تشدید تقریباً 300 کیلوهرتز را معرفی می کند.
شما می توانید با انتخاب یک جزء با ESR بزرگتر یا به سادگی قرار دادن یک مقاومت با مقدار کوچک (مانند 1 اهم) به صورت سری با یک خازن، رزونانس را کاهش دهید. این نوع روش از اجزای با تلفات برای سرکوب سیستم استفاده می کند. روش دیگر استفاده از ظرفیت خازنی دیگر است. مقدار برای انتقال رزونانس به نقطه تشدید پایین یا بالاتر.
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 فیلتر می کنیم. یک مثال برای نشان دادن برخی از نکات اصلی استفاده از خازن های فیلم.
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 می‌دانستید که با سال‌ها استفاده می‌توان مقدار ظرفیت خازن X را به میزان قابل توجهی کاهش داد؟ این امر مخصوصاً در صورتی صادق است که خازن در محیط مرطوب استفاده شود. من مقدار ظرفیت خازن را دیده‌ام. خازن X تنها در عرض یک یا دو سال 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.
بنابراین، چه اتفاقی افتاده است؟ ممکن است هوای رطوبت به داخل خازن، سیم و بین جعبه و ترکیب گلدان اپوکسی نشت کند. متالیزاسیون آلومینیوم می تواند اکسید شود. آلومینا یک عایق الکتریکی خوب است و در نتیجه ظرفیت خازنی را کاهش می دهد. این مشکلی است که همه خازن های فیلم با آن مواجه خواهند شد. مسئله ای که من در مورد آن صحبت می کنم ضخامت فیلم است. مارک های خازن معتبر از فیلم های ضخیم تری استفاده می کنند که در نتیجه خازن های بزرگتری نسبت به سایر مارک ها تولید می شود. لایه نازک تر باعث می شود خازن در برابر اضافه بار (ولتاژ، جریان یا دما) مقاومت کمتری داشته باشد. و بعید است که خود را بهبود بخشد.
اگر خازن X به طور دائم به منبع تغذیه متصل نیست، دیگر 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 بسیار قابل اعتماد 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، کاهش می یابد. ارزش باید حداقل باشد
در این مقاله ابتدا نمای تئوری میدان خازن ها معرفی شد. مثال های عملی و نتایج شبیه سازی نحوه انتخاب و استفاده از متداول ترین انواع خازن ها را نشان می دهد.
دکتر مین ژانگ بنیانگذار 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 بهره مند شده است. شرکت های سراسر جهان
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