noticias

Os capacitores son un dos compoñentes máis utilizados nas placas de circuíto. A medida que o número de dispositivos electrónicos (desde teléfonos móbiles ata coches) segue aumentando, tamén o fai a demanda de capacitores. A pandemia de Covid 19 interrompeu a cadea global de subministración de compoñentes desde semicondutores ata compoñentes pasivos, e os capacitores foron escasos1.
As discusións sobre o tema dos condensadores pódense converter facilmente nun libro ou nun dicionario. En primeiro lugar, hai diferentes tipos de capacitores, como capacitores electrolíticos, capacitores de película, capacitores cerámicos, etc. Despois, nun mesmo tipo, hai diferentes materiais dieléctricos. Tamén hai diferentes clases. En canto á estrutura física, hai tipos de capacitores de dous e tres terminais. Tamén hai un capacitor de tipo X2Y, que é esencialmente un par de capacitores Y encapsulados nun. Que pasa cos supercondensadores? O feito é que se te sentes e comezas a ler as guías de selección de capacitores dos principais fabricantes, podes pasar o día facilmente.
Xa que este artigo trata sobre os conceptos básicos, usarei un método diferente como de costume. Como se mencionou anteriormente, as guías de selección de capacitores pódense atopar facilmente nos sitios web dos provedores 3 e 4, e os enxeñeiros de campo normalmente poden responder á maioría das preguntas sobre capacitores. Neste artigo, non repetirei o que podes atopar en Internet, senón que demostrarei como elixir e usar capacitores a través de exemplos prácticos. Tamén se tratarán algúns aspectos menos coñecidos da selección de capacitores, como a degradación da capacitancia. Despois de ler este artigo, deberías ter unha boa comprensión do uso dos capacitores.
Hai anos, cando traballaba nunha empresa que fabricaba equipos electrónicos, tivemos unha pregunta de entrevista para un enxeñeiro de electrónica de potencia. No diagrama esquemático do produto existente, preguntaremos aos candidatos potenciais "Cal é a función do capacitor electrolítico de enlace DC?" e "Cal é a función do capacitor cerámico situado xunto ao chip?" Agardamos que a resposta correcta sexa o condensador de bus de CC Usado para o almacenamento de enerxía, os capacitores cerámicos úsanse para filtrar.
A resposta "correcta" que buscamos mostra en realidade que todos os integrantes do equipo de deseño miran os capacitores desde unha perspectiva de circuíto simple, non desde unha perspectiva da teoría de campo. O punto de vista da teoría de circuítos non é incorrecto. En frecuencias baixas (desde uns poucos kHz ata algúns MHz), a teoría de circuítos adoita explicar ben o problema. Isto débese a que a frecuencias máis baixas, o sinal está principalmente en modo diferencial. Usando a teoría de circuítos, podemos ver o capacitor mostrado na Figura 1, onde a resistencia en serie equivalente (ESR) e a inductancia en serie equivalente (ESL) fan que a impedancia do capacitor cambie coa frecuencia.
Este modelo explica completamente o rendemento do circuíto cando o circuíto se cambia lentamente. Porén, a medida que aumenta a frecuencia, as cousas complícanse cada vez máis. Nalgún momento, o compoñente comeza a mostrar non linealidade. Cando a frecuencia aumenta, o modelo LCR simple ten as súas limitacións.
Hoxe, se me fixeran a mesma pregunta da entrevista, usaría as miñas lentes de observación de teoría de campo e diría que ambos os tipos de condensadores son dispositivos de almacenamento de enerxía. A diferenza é que os capacitores electrolíticos poden almacenar máis enerxía que os capacitores cerámicos. Pero en termos de transmisión de enerxía, os capacitores cerámicos poden transmitir enerxía máis rápido. Isto explica por que os capacitores cerámicos deben colocarse xunto ao chip, porque o chip ten unha frecuencia de conmutación e unha velocidade de conmutación máis altas en comparación co circuíto de enerxía principal.
Desde esta perspectiva, podemos simplemente definir dous estándares de rendemento para capacitores. Unha delas é a cantidade de enerxía que pode almacenar o capacitor e a outra é a rapidez coa que se pode transferir esta enerxía. Ambos dependen do método de fabricación do capacitor, do material dieléctrico, da conexión co capacitor, etc.
Cando o interruptor do circuíto está pechado (ver Figura 2), indica que a carga necesita enerxía da fonte de enerxía. A velocidade á que se pecha este interruptor determina a urxencia da demanda de enerxía. Dado que a enerxía viaxa á velocidade da luz (a metade da velocidade da luz nos materiais FR4), leva tempo transferir enerxía. Ademais, hai un desajuste de impedancia entre a fonte e a liña de transmisión e a carga. Isto significa que a enerxía nunca se transferirá nunha viaxe, senón en varias viaxes de ida e volta5, polo que cando o interruptor se conmuta rapidamente, veremos atrasos e timbres na forma de onda de conmutación.
Figura 2: A enerxía leva tempo en propagarse no espazo; O desajuste de impedancia provoca múltiples ida e volta de transferencia de enerxía.
O feito de que a entrega de enerxía leva tempo e varias viaxes de ida e volta indícanos que necesitamos mover a enerxía o máis preto posible da carga e necesitamos atopar un xeito de entregala rapidamente. O primeiro adoita conseguirse reducindo a distancia física entre a carga, o interruptor e o capacitor. Isto último conséguese reunindo un grupo de capacitores coa menor impedancia.
A teoría de campos tamén explica o que causa o ruído de modo común. En resumo, o ruído de modo común xérase cando a demanda de enerxía da carga non se satisface durante a conmutación. Polo tanto, a enerxía almacenada no espazo entre a carga e os condutores próximos proporcionarase para soportar a demanda de paso. O espazo entre a carga e os condutores próximos é o que chamamos capacitancia parasitaria/mutua (ver Figura 2).
Usamos os seguintes exemplos para demostrar como usar capacitores electrolíticos, capacitores cerámicos multicapa (MLCC) e capacitores de película. Tanto a teoría de circuítos como a teoría de campos úsanse para explicar o rendemento dos capacitores seleccionados.
Os capacitores electrolíticos utilízanse principalmente na conexión DC como fonte de enerxía principal. A elección do capacitor electrolítico a miúdo depende de:
Para o rendemento EMC, as características máis importantes dos capacitores son as características de impedancia e frecuencia. As emisións conducidas de baixa frecuencia sempre dependen do rendemento do capacitor de enlace DC.
A impedancia do enlace de CC depende non só da ESR e ESL do capacitor, senón tamén da área do bucle térmico, como se mostra na Figura 3. Unha área de bucle térmica maior significa que a transferencia de enerxía leva máis tempo, polo que o rendemento serán afectados.
Construíuse un conversor DC-DC reductor para demostralo. A configuración de proba de compatibilidade electromagnética previa que se mostra na Figura 4 realiza unha exploración de emisións realizada entre 150 kHz e 108 MHz.
É importante asegurarse de que os capacitores utilizados neste caso práctico sexan todos do mesmo fabricante para evitar diferenzas nas características de impedancia. Ao soldar o capacitor no PCB, asegúrese de que non haxa cables longos, xa que isto aumentará o ESL do capacitor. A figura 5 mostra as tres configuracións.
Os resultados das emisións conducidas destas tres configuracións móstranse na Figura 6. Pódese ver que, en comparación cun único capacitor de 680 µF, os dous capacitores de 330 µF conseguen un rendemento de redución de ruído de 6 dB nun rango de frecuencias máis amplo.
Desde a teoría de circuítos, pódese dicir que ao conectar dous capacitores en paralelo, tanto ESL como ESR redúcense á metade. Desde o punto de vista da teoría de campos, non hai só unha fonte de enerxía, senón que se subministran dúas fontes de enerxía á mesma carga, o que reduce efectivamente o tempo de transmisión de enerxía global. Non obstante, a frecuencias máis altas, a diferenza entre dous capacitores de 330 µF e un capacitor de 680 µF reducirase. Isto débese a que o ruído de alta frecuencia indica unha resposta de enerxía de paso insuficiente. Ao mover un capacitor de 330 µF máis preto do interruptor, reducimos o tempo de transferencia de enerxía, o que aumenta efectivamente a resposta ao paso do capacitor.
O resultado cóntanos unha lección moi importante. O aumento da capacitancia dun único capacitor xeralmente non soportará a demanda escalonada de máis enerxía. Se é posible, use algúns compoñentes capacitivos máis pequenos. Hai moitas boas razóns para iso. O primeiro é o custo. En xeral, para o mesmo tamaño de paquete, o custo dun capacitor aumenta exponencialmente co valor da capacidade. Usar un só capacitor pode ser máis caro que usar varios capacitores máis pequenos. A segunda razón é o tamaño. O factor limitante no deseño do produto adoita ser a altura dos compoñentes. Para capacitores de gran capacidade, a altura adoita ser demasiado grande, o que non é axeitado para o deseño do produto. A terceira razón é o rendemento EMC que vimos no estudo de caso.
Outro factor a ter en conta ao usar un capacitor electrolítico é que cando conectas dous capacitores en serie para compartir a tensión, necesitarás unha resistencia de equilibrio 6.
Como se mencionou anteriormente, os capacitores cerámicos son dispositivos en miniatura que poden proporcionar enerxía rapidamente. Moitas veces faime a pregunta "Canto capacitor necesito?" A resposta a esta pregunta é que para os capacitores cerámicos, o valor da capacitancia non debería ser tan importante. A consideración importante aquí é determinar a frecuencia con que a velocidade de transferencia de enerxía é suficiente para a súa aplicación. Se a emisión conducida falla a 100 MHz, entón o capacitor coa menor impedancia a 100 MHz será unha boa opción.
Este é outro malentendido de MLCC. Vin que os enxeñeiros gastan moita enerxía escollendo capacitores cerámicos co ESR e ESL máis baixos antes de conectar os capacitores ao punto de referencia de RF a través de trazos longos. Paga a pena mencionar que o ESL de MLCC adoita ser moito menor que a inductancia de conexión na placa. A inductancia de conexión segue sendo o parámetro máis importante que afecta á impedancia de alta frecuencia dos capacitores cerámicos7.
A figura 7 mostra un mal exemplo. Os trazos longos (0,5 polgadas de lonxitude) introducen polo menos unha inductancia de 10 nH. O resultado da simulación mostra que a impedancia do capacitor se fai moito maior do esperado no punto de frecuencia (50 MHz).
Un dos problemas dos MLCC é que tenden a resoar coa estrutura indutiva do taboleiro. Isto pódese ver no exemplo mostrado na Figura 8, onde o uso dun MLCC de 10 µF introduce resonancia a aproximadamente 300 kHz.
Pode reducir a resonancia escollendo un compoñente cun ESR maior ou simplemente poñendo unha resistencia de pequeno valor (como 1 ohmio) en serie cun capacitor. Este tipo de método usa compoñentes con perdas para suprimir o sistema. Outro método é usar outro valor de capacitancia para mover a resonancia a un punto de resonancia inferior ou superior.
Os capacitores de película úsanse en moitas aplicacións. Son os capacitores preferidos para conversores DC-DC de alta potencia e utilízanse como filtros de supresión EMI en liñas eléctricas (AC e DC) e configuracións de filtrado de modo común. Tomamos un condensador X como exemplo para ilustrar algúns dos puntos principais do uso de condensadores de película.
Se se produce un evento de sobretensión, axuda a limitar a tensión de pico de tensión na liña, polo que adoita usarse cun supresor de tensión transitoria (TVS) ou un varistor de óxido metálico (MOV).
Quizais xa saibas todo isto, pero sabías que o valor de capacitancia dun capacitor X pode reducirse significativamente con anos de uso? Isto é especialmente certo se o capacitor se usa nun ambiente húmido. Vin o valor de capacidade do capacitor X só caer ata un pouco por cento do seu valor nominal nun ou dous anos, polo que o sistema orixinalmente deseñado co capacitor X perdeu toda a protección que podería ter o capacitor frontal.
Entón, que pasou? O aire de humidade pode filtrarse no capacitor, polo fío e entre a caixa e o composto epoxi. A metalización do aluminio pode entón oxidarse. A alúmina é un bo illante eléctrico, polo que reduce a capacidade. Este é un problema que atoparán todos os capacitores de película. O tema do que falo é o grosor da película. As marcas de condensadores de renome usan películas máis grosas, o que resulta en condensadores máis grandes que outras marcas. A película máis delgada fai que o capacitor sexa menos resistente á sobrecarga (tensión, corrente ou temperatura) e é improbable que se cure por si mesmo.
Se o capacitor X non está conectado permanentemente á fonte de alimentación, non te preocupes. Por exemplo, para un produto que ten un interruptor duro entre a fonte de alimentación e o capacitor, o tamaño pode ser máis importante que a vida, e entón podes escoller un capacitor máis fino.
Non obstante, se o capacitor está conectado permanentemente á fonte de enerxía, debe ser altamente fiable. A oxidación dos capacitores non é inevitable. Se o material epoxi do capacitor é de boa calidade e o capacitor non adoita estar exposto a temperaturas extremas, a caída do valor debería ser mínima.
Neste artigo, introduciu por primeira vez a visión da teoría de campo dos capacitores. Exemplos prácticos e resultados de simulación mostran como seleccionar e utilizar os tipos de capacitores máis comúns. Espero que esta información che axude a comprender de xeito máis completo o papel dos capacitores no deseño electrónico e EMC.
O doutor Min Zhang é o fundador e consultor xefe de EMC de Mach One Design Ltd, unha empresa de enxeñería con sede no Reino Unido especializada en consultoría, resolución de problemas e formación EMC. O seu profundo coñecemento en electrónica de potencia, electrónica dixital, motores e deseño de produtos beneficiou a empresas de todo o mundo.
In Compliance é a principal fonte de noticias, información, educación e inspiración para os profesionais da enxeñería eléctrica e electrónica.
Aeroespacial Automoción Comunicacións Electrónica de consumo Educación Enerxía e enerxía Industria Tecnoloxías da información Médico Militar e Defensa Nacional