Вы находитесь здесь: Главная > Конденсаторы > Конденсаторы так ли вс просто

Конденсаторы так ли вс просто

Конденсаторы так ли вс просто

ачастую конденсатор представляется чуть ли не самым обычным элементом электронной схемы, и в почти всех случаях конкретно так и обстоят дела, к примеру, для низкочастотных усилителей сигналов, диапазоны которых не превосходят нескольких 10-ов килогерц. Но существует ряд приложений, для которых схожее утверждение неприемлемо.

Речь, сначала, идет о технике больших частот, беспроводных разработках и цифровой электронике.

В данном случае диапазоны сигналов простираются от многих сотен килогерц до 10-ов гигагерц. Встречаются ситуации, когда в границах 1-го изделия правомерны оба подхода.

Конденсаторы так ли вс простоПриятным примером могут служить системы сбора и обработки данных.

Такие системы обычно состоят из усилительного тракта, в каком происходит усиление и формирование амплитудно-частотных черт относительно медлительно изменяющихся сигналов, и центрального процессорного устройства, работающего с тактовой частотой в несколько 10-ов либо даже сотен мгц.

Эквивалентная схема реального конденсатора и соответственная ей векторная диаграмма приведены на рисунке 1, а в таблице 1 показаны соотношения меж параметрами эквивалентной схемы конденсатора [1]. Разглядим физический смысл характеристик схемы замещения.

— С0 — безупречный конденсатор без утрат, потребляющий из сети только реактивную мощность.

— RS — эквивалентное последовательное сопротивление реального конденсатора, потребляющего из сети активную мощность. Наличие этого параметра обосновано 2-мя факторами. Во-1-х, потерями в диэлектрике — во-2-х, сопротивлением выводов конденсатора. На частотах до нескольких сотен килогерц преобладает 1-ый фактор, а на частотах выше 1 МГц — 2-ой. Последнее разъясняется поверхностным эффектом, когда при увеличении частоты в n раз сопротивление возрастает в раз. Величина RS зависит также от типоразмера конденсатора и его емкости и обычно лежит в границах от 0,02 Ом на низких частотах до 0,5 Ом на больших частотах. В английской литературе для обозначения RS употребляется термин Equivalent Serial Resistor (ESR). Значение ESR обычно приводится в документации производителя.

— LS — эквивалентная поочередная индуктивность реального конденсатора. В главном определяется индуктивностью его выводов и находится в зависимости от типоразмера. Для глиняних чип-конденсаторов данная величина находится в спектре от 0,7 нГн для типоразмера 0508 до 1,2 нГн для типоразмера 1206, а индуктивность конденсаторов с аксиальными выводами добивается 2,0 нГн. Эти данные взяты из материалов компаний AVX и TEMEX и несколько отличаются друг от друга, что, вероятнее всего, разъясняется разными методиками измерений. В английской литературе для обозначения LS употребляется термин Equivalent Serial Inductance (ESI). Величина ESI не приводится в документации производителя.

Ее значение нередко можно отыскать в технической документации, представленной на веб-сайте компании.

Конденсаторы так ли вс просто— СР — эквивалентная параллельная емкость реального конденсатора.

Конденсаторы так ли вс простоЕе наличие разъясняет явление резонанса токов (в английской литературе: parallel resonance) в реальном конденсаторе. Значение частоты FPR, при которой наступает этот резонанс, обычно не сообщается изготовителем, но может быть приведено в технической документации, к примеру [2].

— Не считая того, нередко используют последующие определения: добротность (Q)- Dissipation Factor (DF) и реактивное сопротивление связи, выражаемое равенством:

Величина импеданса реального конденсатора определяется из соотношения:

График зависимости импеданса от частоты для конденсатора АТС1000А101 емкостью 100 пФ компании ATCeramic показан на рисунке 2. При равенстве емкостной XС и индуктивной XL составляющих наступает резонанс токов (serial resonance).

Частота, при которой происходит данный вид резонанса, может быть вычислена по формуле

Значение резонансной частоты фактически всегда приводится в документации изготовителя, к примеру в [3].

Отличия реального конденсатора от безупречного накладывают определенные ограничения на его применение.

Условно их можно поделить на два вида — эксплуатационные, обусловленные потерями мощности в реальном конденсаторе, что приводит к его нагреву — многофункциональные, вызванные в главном наличием паразитной индуктивности LS, из-за чего на частотах, превосходящих резонансную FSR, конденсатор ведет себя как индуктивность, а не как емкость.

Начнем рассмотрение реального конденсатора с эксплуатационных ограничений, абсолютное большая часть которых проявляется при работе в цепях переменного тока. Главными лимитирующими факторами являются: температура среды ТАМВ, среднеквадратичные значения напряжения URMC и тока IRMS. При пониженной температуре ТАМВ приметно растет значение DF, что приводит к уменьшению очень допустимых значений напряжения URMC и тока IRMS. В таблице 2, взятой из [4], указаны по правочные коэффициенты для различных значений ТАМВ. Обычно при анализе ограничивающих причин полосу рабочих частот конденсатора разбивают на три интервала — низкие, средние и высочайшие частоты [4]. В низкочастотной области главным ограничивающим фактором является напряжение URMC_MAX, величина которого определяется из соотношения:

,

где UR_MAX — очень допустимое значение неизменного напряжения.

Время от времени изготовитель приводит очень допустимые значения и неизменного, и переменного напряжений.

В последнем случае нередко указывается величина амплитуды [3].

Граничное значение частоты F1 для низкочастотной области можно вычислить из формулы

,

где PV_MAX — очень допустимое значение рассеиваемой мощности, величина которой находится в зависимости от типоразмера конденсатора и температуры ТАМВ.

К примеру, для конденсатора с типоразмером 1206, емкостью 330 нФ и очень допустимым значением неизменного напряжения 25 В величина F1 составит 30,6 кГц.

В таблице 3 приведены значения PV_MAX для разных типоразмеров конденсаторов при температуре среды 20°С [4].

Для расчета очень допустимой мощности рассеяния при другой температуре удобнее пользоваться данными таблицы 4 из [5] и известным соотношением:

,

где? T — отличие температуры конденсатора от температуры среды.

В области средних частот главным лимитирующим фактором является рассеиваемая мощность. Граничное значение частоты F2 для этой области определяется соотношением

Для конденсатора емкостью 330 нФ, типоразмера 1206 и IRMS_МАХ = 2 А граничная частота области средних частот составит 600 кГц.

Для области больших частот ограничением обычно является очень допустимое значение среднеквадратичного тока IRMS_МАХ, величину которого в первом приближении можно получить из (3). Но, беря во внимание зависимость параметра RS от частоты и емкости конденсатора, целесообразнее пользоваться информацией, содержащейся в технической документации фирмы-изготовителя.

Превышение рабочих характеристик конденсатора над очень допустимыми параметрами, рассмотренными выше, обычно не приводит к незамедлительному отказу конденсатора (очевидно, речь не идет о очень огромных перегрузках, вызывающих механические повреждения, к примеру, расплавление конденсатора либо электронный пробой диэлектрика), но может значительно уменьшить срок его службы. В [6] приведено соотношение для вычисления времени выработки на отказ при работе конденсатора с параметрами, отличающимися от очень допустимых.

где t — время выработки на отказ — T — температура, °К — U — напряжение — К — неизменная Больцмана (К = 8,617 Ѕ 10-5)- EB — термическая энергия электрона в диэлектрике, примерно равная 1 эВ при комнатной температуре — .

Индекс «1» в этой формуле соответствует работе при очень допустимых параметрах, а индекс «2» — значениям характеристик при эксплуатации. В таблице 5 приведены результаты расчетов по формуле (4) для конденсаторов компании ATCeramic, созданных для внедрения в военной индустрии.

Из таблицы видно, что при работе конденсатора с параметрами меньше очень допустимых время выработки на отказ возрастает. Обозначенная закономерность сохраняется при уменьшении рабочих характеристик приблизительно до 70% от очень допустимых. Предстоящее уменьшение нецелесообразно, потому что не приводит к повышению времени выработки на отказ.

Рассматривая реальный конденсатор, нужно упомянуть очередное явление, отличающее его от безупречного — старение диэлектрика.

Количественная оценка этого эффекта приведена в [7].

,

где С2 — величина емкости измеренная в момент времени t1- С1 — величина емкости измеренная в момент времени t2- А — коэффициент старения диэлектрика. Значение величины А и относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, приведенные в таблице 6, также позаимствованы из [7]. Обычно значение С1 контролируется через 1 час после производства конденсатора. Диэлектрики, зависимо от величины диэлектрической проницаемости, разделяются на два класса. К классу К1 относятся диэлектрики с температурной стабильностью, малыми потерями мощности и маленьким коэффициентом старения, но с малой диэлектрической проницаемостью (наименее 1000) и, как следствие, с малой величиной емкости. Конденсаторы с этими диэлектриками используются в генераторах, фильтрах и в других приложениях, требующих завышенной точности и стабильности. Для диэлектриков класса К2 свойственны огромные значения диэлектрической проницаемости и емкости, но низкая температурная стабильность и значимая величина коэффициента старения.

Такие конденсаторы находят применение в байпасных и разделительных цепях.

Конденсаторы так ли вс простоСейчас достаточно интенсивно проходят работы по созданию диэлектриков, совмещающих достоинства обоих классов. Значимых фурроров в этом направлении достигнула японская компания Murata, инженерам которой удалось сделать конденсатор 1206/0,1 мкФ/50 В с чертами U2J, близкий по своим свойствам к чертам COG, [8].

Одним из вероятных приложений для использования такового конденсатора являются устройства фазовой автоподстройки частоты.

Многофункциональные ограничения внедрения реального конденсатора появляются по мере приближения области рабочих частот к резонансной частоте FSR (см. рис. 2). При увеличении рабочей частоты выше FSR в импедансе конденсатора (1) начинает преобладать индуктивная составляющая, и он уже не подходящ для использования в качестве емкостного элемента электронной цепи. Разглядим разделительные и байпасные цепи, в каких отличия реального конденсатора от безупречного появляются более ясно.

В разделительных цепях главной задачей является минимизация импеданса конденсатора в полосе рабочих частот. Если исходить из параметров безупречного конденсатора, импеданс которого определяется известным соотношением:

то для его уменьшения нужно использовать конденсатор с огромным значением емкости С0. Но, действуя схожим образом, мы рискуем получить диаметрально обратный итог. Как надо из (2), при увеличении емкости конденсатора миниатюризируется его резонансная частота FSR. По данным, приведенным в [3], резонансная частота для конденсатора емкостью 1000 пФ составляет приблизительно 70 МГц, а для конденсатора емкостью 2,2 мкФ — около 1 МГц. Как по мере роста емкости конденсатора его резонансная частота окажется меньше полосы рабочих частот, предстоящее повышение емкости приведет к повышению импеданса конденсатора и ухудшению частотных черт устройства.

Для того чтоб избежать подобного рода недоразумений, наращивать емкость разделительной цепи следует не за счет внедрения конденсатора большой емкости, а за счет параллельного включения нескольких конденсаторов [9]. В данном случае эквивалентная емкость возрастает пропорционально числу параллельно включенных конденсаторов, а паразитные сопротивления и индуктивность уменьшаются во столько же раз (см. рис. 3). В итоге резонансная частота остается без конфигурации, а импеданс разделительной цепи миниатюризируется.

Конденсаторы так ли вс простоЕсли требуется уменьшить импеданс разделительной цепи, работающей в широком спектре частот, то может быть параллельное включение конденсаторов с различной емкостью, так чтоб резонансные частоты параллельно включенных конденсаторов были умеренно распределены по всей рабочей полосе. Для уменьшения неравномерности свойства импеданса, безизбежно возникающей при таком включении, рекомендуется использовать конденсаторы с величиной добротности более 5, также прирастить число параллельно включенных конденсаторов с различной величиной емкости [9].

Применение конденсаторов в байпасных цепях, где они инсталлируются меж шиной питания и общей шиной, имеет свои особенности.

Для выбора величины емкости байпасного конденсатора можно управляться советами, приведенными в [10]. В этой статье частота колебаний FE напряжения на шине питания, вызванных переключением микросхемы из 1-го логического состояния в другое, и время переключения микросхемы связаны формулой:

,

где TE — время нарастания либо спада фронта сигнала.

Исходя из этого соотношения в [10], предлагается выбирать резонансную частоту байпасного конденсатора FSR равную частоте FE. К примеру, при продолжительности фронта нарастания равной 1,5 нс в согласовании с (6) получаем значение резонансной частоты 233 МГц. В технической документации изготовителя, допустим в [2], избираем конденсатор емкостью 820 пФ либо 1000 пФ серии СНВ с завышенной добротностью. Необходимо подчеркнуть, что конденсаторы общего предназначения [3] не подходят для рассматриваемого примера, потому что наибольшая резонансная частота этих конденсаторов не превосходит 80 МГц. Для операционных усилителей частота FE обычно равна частоте единичного усиления. Таковой же следует выбирать и резонансную частоту байпасного конденсатора.

Конденсаторы так ли вс простоВ состав хоть какого изделия обычно заходит несколько типов микросхем с различными динамическими параметрами, соответственно и в байпасных цепях должны применяться конденсаторы с разными резонансными частотами. Это утверждение не является откровением. Хоть какой разработчик, не задумываясь, устанавливает около разъема, на который подключается питание, электролитический конденсатор и наряду с ним глиняний. При таком соединении электролитический конденсатор с большой емкостью и малым значением резонансной частоты сглаживает низкочастотные пульсации напряжения на шине питания, а глиняний конденсатор — уменьшает высокочастотные составляющие.

Из произнесенного следуют два вывода.

Во-1-х, величину емкостей и резонансную частоту байпасных конденсаторов, устанавливаемых в конкретной близости около микросхем, следует выбирать исходя из динамических характеристик этих микросхем.

Во-2-х, в случае, когда на печатной плате установлены микросхемы с разными динамическими параметрами, в байпасных цепях, размещаемых около разъема питания, также следует устанавливать не один, а несколько глиняних конденсаторов, резонансные частоты которых соответствуют этим характеристикам. К огорчению, перечисленные советы не являются панацеей от всех бед. Дело в том, что реальный конденсатор (см. рис.1) представляет собой колебательное звено второго порядка, в каком при подаче на его вход импульса появляется свой переходный процесс, имеющий очевидно выраженный колебательный нрав.

При этом амплитуда колебаний тем больше, чем меньше продолжительность фронта входного импульса. Конкретно в этом обстоятельстве и заключается сущность трудности.

По мере возрастания быстродействия цифровых микросхем усугубляется способность конденсатора сглаживать пульсации на шине питания из-за роста амплитуды колебаний переходного процесса, возникающего в самом конденсаторе. В доказательство произнесенного приведем осциллограмму проводимых компанией AVX [11] испытаний конденсаторов, на которой ясно виден свой колебательный процесс, возникающий в устройстве при подаче на его вход прямоугольного импульса (см. рис. 4).

Конденсаторы так ли вс простоВ первом приближении для оценки способности использования конденсатора в байпасной цепи помогает последующее неравенство:

. Чем посильнее производится это неравенство, тем меньше воздействие собственного переходного процесса в конденсаторе. Если соотношение (7) не производится, то конденсатор не достаточно подходящ для данного внедрения.

Паразитная индуктивность конденсатора обычно не нормируется изготовителем, но может быть просто вычислена из соотношения (2).

Конденсаторы так ли вс простоДля уменьшения колебаний, возникающих на шине питания вследствие обрисованных выше заморочек, некие фирмы-изготовители цифровых микросхем советуют в качестве байпасной цепочки использовать RC-цепи с величиной сопротивления 1…2 Ом. Вправду, в данном случае колебания уменьшаются, но такое решение может быть только для микросхем с потреблением несколько миллиампер.

К тому же схожим образом нельзя сформировать байпасную цепь, устанавливаемую на печатной плате около разъема, через который подключается питание.

Единственное решение описанной трудности заключается в разработке и применении конденсаторов с уменьшенной паразитной индуктивностью.

Конденсаторы так ли вс простоВ качестве примера можно привести серии массивов конденсаторов DCAP, LP-LICA и LICA, изготавливаемых в корпусах BGA, разработанных компанией AVX при сотрудничестве с компанией IBM [12]. В массив входят от 32 до 48 конденсаторов емкостью от 42 до 100 нФ. Паразитная индуктивность этих устройств не превосходит 50 пГн, что значительно меньше, чем у обыденных чип-конденсаторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Есть приложения, в каких конденсатор не может рассматриваться как безупречный элемент электронной цепи с импедансом, определяемым по формуле (5). В таких приложениях нужно учесть паразитные сопротивления и индуктивность реального конденсатора, импеданс которого рассчитывается из соотношения (1). В схожих случаях выбор устройства осуществляется не столько по величине емкости, сколько по величине резонансной частоты реального конденсатора.

Значение резонансной частоты определенного типа конденсатора всегда можно отыскать в технической документации изготовителя. При всем этом следует учесть, что конденсаторы разных серий 1-го производителя, а тем паче конденсаторы разных фирм-изготовителей могут иметь разную резонансную частоту, невзирая на схожую величину емкости.

Вероятны случаи (при невыполнении неравенства (7)), когда выбор реального конденсатора только по величине резонансной частоты неправомерен.

В этой ситуации нужно использовать устройства с наименьшим значением паразитной индуктивности.

К примеру, массивы конденсаторов, выпускаемые компанией AVX [12], либо подобные им.

ЛИТЕРАТУРА

1. www. atceramics. com

Конденсаторы так ли вс просто2. www. temix. com

3. www. wima. com

4. www. epcos. com

5. www. yageo. com

Конденсаторы так ли вс просто8. www. murata. com

Конденсаторы так ли вс просто9. www. avx. com

  • Digg
  • Del.icio.us
  • StumbleUpon
  • Reddit
  • Twitter
  • RSS

Оставить комментарий

Подтвердите, что Вы не бот — выберите самый большой кружок: