albisteak

Kondentsadoreak zirkuitu plaketan gehien erabiltzen diren osagaietako bat dira. Gailu elektronikoen kopurua (sakelako telefonoetatik kotxeetara) hazten doan heinean, kondentsadoreen eskaerak ere gora egiten jarraitzen du. Covid 19 pandemiak osagaien hornikuntza-kate globala eten egin du erdieroaleetatik osagai pasiboetara, eta kondentsadoreak eskas egon dira1.
Kondentsadoreen gaiari buruzko eztabaidak liburu edo hiztegi batean erraz bihur daitezke. Lehenik eta behin, kondentsadore mota desberdinak daude, hala nola, kondentsadore elektrolitikoak, film kondentsadoreak, zeramikazko kondentsadoreak eta abar. Orduan, mota berean, material dielektriko desberdinak daude. Klase desberdinak ere badaude. Egitura fisikoari dagokionez, bi terminal eta hiru terminal kondentsadore mota daude. X2Y motako kondentsadore bat ere badago, hau da, funtsean, batean kapsulatutako Y kondentsadore pare bat. Zer gertatzen da superkondentsadoreekin? Kontua da, eseri eta fabrikatzaile nagusien kondentsadoreak aukeratzeko gidak irakurtzen hasten bazara, erraz pasa dezakezula eguna!
Artikulu hau oinarriei buruzkoa denez, beste metodo bat erabiliko dut ohi bezala. Lehen esan bezala, kondentsadoreak aukeratzeko gidak erraz aurki daitezke hornitzaileen webguneetan 3 eta 4, eta eremuko ingeniariek normalean kondentsadoreei buruzko galdera gehienak erantzun ditzakete. Artikulu honetan, ez dut Interneten aurki dezakezuna errepikatuko, baina kondentsadoreak nola aukeratu eta erabiltzen erakutsiko dut adibide praktikoen bidez. Kondentsadoreen hautaketaren alderdi ezezagun batzuk ere landuko dira, hala nola, kapazitatearen degradazioa. Artikulu hau irakurri ondoren, kondentsadoreen erabilera ondo ulertu beharko zenuke.
Duela urte, ekipo elektronikoak egiten zituen enpresa batean lanean nengoela, elkarrizketa-galdera bat egin genion potentzia elektronikako ingeniari bati. Lehendik dagoen produktuaren diagrama eskematikoan, hautagai potentzialei galdetuko diegu: "Zein da DC link-eko kondentsadore elektrolitikoaren funtzioa?" eta "Zein da txiparen ondoan dagoen zeramikazko kondentsadorearen funtzioa?" Erantzun zuzena DC bus kondentsadorea izatea espero dugu. Energia biltegiratzeko erabiltzen da, zeramikazko kondentsadoreak iragazteko erabiltzen dira.
Bilatzen dugun erantzun "zuzenak" benetan erakusten du diseinu-taldeko guztiek zirkuitu soilaren ikuspegitik begiratzen dituztela kondentsadoreak, ez eremu teoriaren ikuspegitik. Zirkuitu teoriaren ikuspuntua ez dago gaizki. Maiztasun baxuetan (kHz batzuetatik MHz gutxi batzuetara), zirkuitu teoriak normalean ondo azal dezake arazoa. Hau da, maiztasun baxuagoetan seinalea modu diferentzialean dagoelako batez ere. Zirkuituen teoria erabiliz, 1. irudian ageri den kondentsadorea ikus dezakegu, non serie baliokidearen erresistentzia (ESR) eta serie baliokidearen induktantzia (ESL) kondentsadorearen inpedantzia maiztasunarekin aldatzen duten.
Eredu honek guztiz azaltzen du zirkuituaren errendimendua zirkuitua poliki-poliki aldatzen denean. Hala ere, maiztasuna handitu ahala, gauzak gero eta konplikatuagoak dira. Noizbait, osagaia ez-linealtasuna erakusten hasten da. Maiztasuna handitzen denean, LCR eredu sinpleak bere mugak ditu.
Gaur, elkarrizketa-galdera bera egingo banu, nire eremu-teoriaren behaketa betaurrekoak jantziko nituzke eta esango nuke bi kondentsadore motak energia biltegiratzeko gailuak direla. Aldea da kondentsadore elektrolitikoek zeramikazko kondentsadoreek baino energia gehiago gorde dezaketela. Baina energia-transmisioari dagokionez, zeramikazko kondentsadoreek energia azkarrago transmiti dezakete. Horrek azaltzen du zergatik jarri behar diren zeramikazko kondentsadoreak txiparen ondoan, txipak potentzia-zirkuitu nagusiarekin alderatuta kommutazio-maiztasun eta kommutazio-abiadura handiagoak dituelako.
Ikuspegi honetatik, kondentsadoreetarako bi errendimendu estandar defini ditzakegu. Bata da kondentsadoreak zenbat energia gorde dezakeen, eta bestea energia hori zenbateraino transferi daitekeen. Biak kondentsadorearen fabrikazio-metodoaren, material dielektrikoaren, kondentsadorearekiko konexioaren eta abarren araberakoak dira.
Zirkuituko etengailua itxita dagoenean (ikus 2. irudia), kargak energia iturritik energia behar duela adierazten du. Etengailu hau ixteko abiadurak baldintzatzen du energia-eskariaren premia. Energia argiaren abiaduran bidaiatzen denez (FR4 materialen argiaren abiaduraren erdia), denbora behar da energia transferitzeko. Horrez gain, iturriaren eta transmisio-lerroaren eta kargaren artean inpedantzia-desegokia dago. Horrek esan nahi du energia ez dela inoiz bidaia batean transferituko, joan-etorri anitzetan baizik5, eta horregatik etengailua azkar pizten denean, atzerapenak eta dei-deiak ikusiko ditugu kommutazio-uhinean.
2. Irudia: Energia espazioan hedatzeko denbora behar da; inpedantzia desegokiak energia transferentziaren joan-etorri anitz eragiten ditu.
Energia emateak denbora eta joan-etorri anitz behar izateak esaten digu energia kargatik ahalik eta hurbilen eraman behar dugula, eta azkar emateko modua aurkitu behar dugula. Lehenengoa normalean kargaren, etengailuaren eta kondentsadorearen arteko distantzia fisikoa murriztuz lortzen da. Azken hau inpedantzia txikiena duten kondentsadore talde bat bilduz lortzen da.
Eremu teoriak modu arrunteko zarata zerk eragiten duen ere azaltzen du. Laburbilduz, modu arrunteko zarata sortzen da kargaren energia-eskaria konmutatzerakoan betetzen ez denean. Beraz, kargaren eta inguruko eroaleen arteko espazioan gordetako energia eskariari eusteko emango da. Kargaren eta gertuko eroaleen arteko espazioa kapazitate parasito/elkarrekiko deitzen duguna da (ikus 2. irudia).
Adibide hauek erabiltzen ditugu kondentsadore elektrolitikoak, geruza anitzeko zeramikazko kondentsadoreak (MLCC) eta film kondentsadoreak nola erabiltzen diren erakusteko. Aukeratutako kondentsadoreen errendimendua azaltzeko zirkuitu zein eremu teoria erabiltzen dira.
Kondentsadore elektrolitikoak DC loturan erabiltzen dira batez ere energia iturri nagusi gisa. Kondentsadore elektrolitikoaren aukeraketa askotan honako hauen araberakoa da:
EMC errendimendurako, kondentsadoreen ezaugarri garrantzitsuenak inpedantzia eta maiztasun ezaugarriak dira. Maiztasun baxuko emisioak DC link kondentsadorearen errendimenduaren araberakoak dira beti.
DC loturaren inpedantzia kondentsadorearen ESR eta ESLaren menpekoa ez ezik, begizta termikoaren eremuaren araberakoa ere bada, 3. irudian ikusten den bezala. Begizta termikoko eremu handiagoak energia transferentzia denbora gehiago behar duela esan nahi du, beraz, errendimendua. eragingo du.
Hori frogatzeko DC-DC bihurgailu txikiago bat eraiki zen. 4. irudian ageri den EMC probaren konfigurazioa 150 kHz eta 108 MHz arteko emisioen eskaneatzea egiten du.
Garrantzitsua da kasu praktiko honetan erabilitako kondentsadoreak fabrikatzaile berekoak direla ziurtatzea, inpedantzia-ezaugarrien desberdintasunak saihesteko. Kondentsadorea PCBan soldatzerakoan, ziurtatu korronte luzerik ez dagoela, horrek kondentsadorearen ESL handituko duelako. 5. irudiak hiru konfigurazioak erakusten ditu.
Hiru konfigurazio hauen emisio-emaitzak 6. Irudian erakusten dira. Ikus daiteke 680 µF-ko kondentsadore bakar batekin alderatuta, 330 µF-ko bi kondentsadoreek 6 dB-ko zarata murrizteko errendimendua lortzen dutela maiztasun-tarte zabalago batean.
Zirkuitu teoriaren arabera, bi kondentsadore paraleloan konektatuz, ESL eta ESR erdira murrizten direla esan daiteke. Eremu teoriaren ikuspuntutik, ez dago energia-iturri bakarra, baina bi energia-iturri hornitzen dira karga berari, energia-transmisio-denbora eraginkortasunez murrizten du. Hala ere, maiztasun handiagoetan, 330 µF-ko bi kondentsadore eta 680 µF-ko kondentsadore baten arteko aldea txikitu egingo da. Hau da maiztasun handiko zaratak urratsen energia erantzun nahikoa ez duelako adierazten. 330 µF-ko kondentsadorea etengailura hurbiltzen denean, energia-transferentzia-denbora murrizten dugu, eta horrek eraginkortasunez handitzen du kondentsadorearen urrats-erantzuna.
Emaitza oso ikasgai garrantzitsu bat esaten digu. Kondentsadore bakar baten kapazitatea handitzeak, oro har, ez du energia gehiagoren eskari urratsa onartzen. Ahal izanez gero, erabili osagai kapazitibo txikiago batzuk. Arrazoi on asko daude horretarako. Lehenengoa kostua da. Oro har, pakete-tamaina berdinerako, kondentsadore baten kostua esponentzialki handitzen da kapazitate-balioarekin. Kondentsadore bakarra erabiltzea garestiagoa izan daiteke hainbat kondentsadore txikiago erabiltzea baino. Bigarren arrazoia tamaina da. Produktuaren diseinuaren faktore mugatzailea osagaien altuera izan ohi da. Edukiera handiko kondentsadoreetarako, altuera handiegia da askotan, eta hori ez da egokia produktuaren diseinurako. Hirugarren arrazoia kasuaren azterketan ikusi dugun EMC-ren errendimendua da.
Kondentsadore elektrolitikoa erabiltzean kontuan hartu beharreko beste faktore bat da tentsioa partekatzeko bi kondentsadore seriean konektatzen dituzunean, orekatzeko erresistentzia 6 beharko duzula.
Lehen esan bezala, zeramikazko kondentsadoreak energia azkar eman dezaketen miniaturazko gailuak dira. Askotan galdera egiten didate: "Zenbat kondentsadore behar dut?" Galdera honen erantzuna zeramikazko kondentsadoreetarako, kapazitate-balioak ez luke horren garrantzitsua izan behar. Hemen kontuan hartu beharrekoa da zure aplikaziorako energia transferitzeko abiadura zein maiztasunarekin nahikoa den zehaztea. Egokitutako emisioak 100 MHz-tan huts egiten badu, orduan 100 MHz-ko inpedantzia txikiena duen kondentsadorea aukera ona izango da.
Hau MLCCren beste gaizki-ulertu bat da. Ikusi dut ingeniariek energia asko gastatzen duten zeramikazko kondentsadoreak aukeratzen ESR eta ESL baxuena duten kondentsadoreak RF erreferentzia puntura konektatu aurretik, aztarna luzeen bidez. Aipatzekoa da MLCC-ren ESLa plakako konexio-induktantzia baino askoz txikiagoa izan ohi dela. Konexio-induktantzia zeramikazko kondentsadoreen maiztasun handiko inpedantziari eragiten dion parametro garrantzitsuena da oraindik7.
7. irudiak adibide txar bat erakusten du. Aztarna luzeek (0,5 hazbeteko luzera) gutxienez 10nH-ko induktantzia sartzen dute. Simulazioaren emaitzak erakusten du kondentsadorearen inpedantzia maiztasun puntuan (50 MHz) espero baino askoz handiagoa dela.
MLCCen arazoetako bat taulako egitura induktiboarekin oihartzuna izan ohi dutela da. 8. Irudian erakusten den adibidean ikus daiteke hori, non 10 µF MLCC bat erabiltzeak 300 kHz gutxi gorabehera erresonantzia sartzen duen.
Erresonantzia murriztu dezakezu ESR handiagoa duen osagai bat aukeratuz edo, besterik gabe, balio txikiko erresistentzia bat (adibidez, 1 ohm) seriean kondentsadore batekin jarriz. Metodo mota honek galerak diren osagaiak erabiltzen ditu sistema kentzeko. Beste metodo bat beste kapazitate-balio bat erabiltzea da erresonantzia erresonantzia puntu baxuago edo altuago batera eramateko.
Film-kondentsadoreak aplikazio askotan erabiltzen dira. Potentzia handiko DC-DC bihurgailuetarako aukeratutako kondentsadoreak dira eta EMI ezabatzeko iragazki gisa erabiltzen dira linea elektrikoetan (AC eta DC) eta modu komuneko iragazketa konfigurazioetan. X kondentsadore bat hartzen dugu adibide gisa film kondentsadoreak erabiltzearen puntu nagusietako batzuk ilustratzeko.
Tentsio-gertaera bat gertatzen bada, lineako tentsio gailurreko tentsioa mugatzen laguntzen du, eta, beraz, normalean tentsio iragankorrak (TVS) edo oxido metalikoko varistore (MOV) batekin erabiltzen da.
Jadanik jakingo duzu hori guztia, baina ba al zenekien X kondentsadore baten kapazitate-balioa nabarmen murriztu daitekeela urteen erabilerarekin? Hau bereziki egia da kondentsadorea ingurune heze batean erabiltzen bada. X kondentsadorearen kapazitate-balioa urtebete edo bi barru bere balio nominalaren ehuneko gutxira jaisten dela ikusi dut, beraz, jatorriz X kondentsadorearekin diseinatutako sistemak aurreko kondentsadoreak izan zezakeen babes guztia galdu zuen.
Orduan, zer gertatu da? Hezetasun-airea kondentsadorera, alanbrean gora eta kutxaren eta epoxi-ontziaren konposatuaren artean isur daiteke. Ondoren, aluminioaren metalizazioa oxidatu daiteke. Alumina isolatzaile elektriko ona da, beraz, kapazitatea murrizten du. Film-kondentsadore guztiek aurkituko duten arazoa da. Hitz egiten ari naizen gaia filmaren lodiera da. Ospe handiko kondentsadore-markek film lodiagoak erabiltzen dituzte, beste markek baino kondentsadore handiagoak sortzen dituzte. Film meheak kondentsadorea ez da hain sendoa gainkargarako (tentsioa, korrontea edo tenperatura), eta nekez sendatuko da.
X kondentsadorea elikadura-iturrira betirako konektatuta ez badago, ez duzu kezkatu beharrik. Esate baterako, elikadura-iturriaren eta kondentsadorearen artean etengailu gogorra duen produktu batentzat, tamaina bizitza baino garrantzitsuagoa izan daiteke, eta orduan kondentsadore meheagoa aukeratu dezakezu.
Hala ere, kondentsadorea energia iturrira betirako konektatuta badago, oso fidagarria izan behar du. Kondentsadoreen oxidazioa ez da saihestezina. Kondentsadorearen epoxi-materiala kalitate onekoa bada eta kondentsadorea ez bada askotan muturreko tenperaturetara jasaten, balioaren jaitsiera minimoa izan beharko litzateke.
Artikulu honetan, lehenengo kondentsadoreen eremu-teoriaren ikuspegia sartu zen. Adibide praktikoek eta simulazio emaitzek kondentsadore mota ohikoenak nola hautatu eta nola erabili erakusten dute. Espero dut informazio honek kondentsadoreek diseinu elektronikoan eta EMC diseinuan duten eginkizuna hobeto ulertzen lagun zaitzakeela.
Min Zhang doktorea Mach One Design Ltd-ren EMC aholkulari nagusia eta Erresuma Batuan oinarritutako EMC aholkularitzan, arazoak konpontzen eta prestakuntzan espezializatutako ingeniaritza-enpresa bat da. Potentzia elektronika, elektronika digitala, motorrak eta produktuen diseinuan dituen ezagutza sakonak mundu osoko enpresei mesede egin die.
In Compliance da ingeniaritza elektriko eta elektronikoko profesionalentzako albiste, informazio, hezkuntza eta inspirazio iturri nagusia.
Aeroespaziala Automobilgintza Komunikazioak Kontsumo Elektronika Hezkuntza Energia eta Energia Industria Informazioaren Teknologiak Medikuntza Militar eta Nazio Defentsa