EN
БЪРЗИ ВРЪЗКИ
Стойността на кондензатори има голямо значение за това колко енергия могат да съхраняват и колко бързо реагират на промени в електронните системи. Вземете например керамичните кондензатори от 100nF, които се справят отлично с филтрирането на шумове в цифрови вериги при високи честоти. От друга страна, при захранванията често се използват електролитни кондензатори от 10µF, тъй като те поемат по-голямата задача за филтриране, необходима там. Когато обаче става дума за ВЧ осцилатори, инженерите обикновено избират много малки стойности между 1 и 10 pF, за да настройват честотите точно. Дори незначителни отклонения в тези малки стойности имат голямо значение за постигането на точни резултати. Последното издание на Ръководството за проектиране на електрически вериги от 2024 г. предупреждава, че изборът на неподходящи стойности на кондензатори може да причини проблеми като нежелани резонансни ефекти или спадове в нивата на напрежение в чувствителни аналогови компоненти на веригите.
| Обхват на капацитета | Типичен импеданс (1MHz) | Оптимален честотен диапазон |
|---|---|---|
| 1pF - 10nF | <1Ω | RF (50MHz) |
| 10nF - 1µF | 0,1Ω - 10Ω | Цифрови (1-100MHz) |
| 10µF | 100mΩ | Захранване (<1kHz) |
| По-ниските стойности на капацитета запазват капацитивното поведение в GHz честотите, докато високостойностните електролитни кондензатори стават индуктивни над 100 kHz. Това поведение влияе на разположението: малки керамични кондензатори близо до ИС за подавяне на шумове с висока скорост, по-големи танталови кондензатори при точките на влизане на захранването за ниско-честотна стабилност. |
Керамичните кондензатори X7R имат тенденция да губят около 15 до 25 процента от своя капацитет, когато температурата достигне 85 градуса по Целзий. Вариантите C0G и NP0 са значително по-добри в поддържането на стабилна производителност при промени на температурата, с вариация само около плюс или минус 30 части на милион на градус. Междувременно алуминиевите електролитни кондензатори могат да изгубят до 20% от своя капацитет, ако работят при 80% от номиналната си стойност. За инженери, които работят по проекти в трудни условия като автомобили или фабрични площи, обикновено е разумно да намалят номиналните стойности на компонентите с между 20 и 50% като предпазен запас срещу постепенното влошаване, причинено от топлина и електрически напрежения в продължение на времето.
При работа с прецизни таймингови вериги, филмови кондензатори с малък допуск и около 1% отклонение помагат за постигане на стабилност и точност. За приложения с по-ниска критичност, където съхранението на енергия е по-важно от точни измервания, обикновено са напълно подходящи стандартните електролитни кондензатори с технически допуск от 20%. Когато става въпрос за дълготрайност, полимерните кондензатори обикновено по-добре издържат с времето. Те типично губят около 5% от своята капацитет след непрекъсната работа в продължение на 10 000 часа, докато традиционните мокри електролитни могат да загубят до 30%. Много проектиращи вериги, изправени пред реални условия, всъщност свързват няколко кондензатора с различни стойности успоредно. Тази практика помага да се противодейства както на непредвидими външни фактори, така и на постепенното стареене на компонентите. Повечето ръководства за проектиране на мрежи за разпределение на енергия днес специално препоръчват този метод, за да се създадат по-надеждни енергийни системи, които издържат на изпитанието на времето.
MLCC, или многослойни керамични кондензатори, намират приложение навсякъде – от разделителни вериги до байпас приложения, тъй като са достатъчно малки, за да паснат почти навсякъде, и се предлагат в стандартни размери от 100nF чак до 10 микропарада. Кондензаторите в по-ниската част на този диапазон, обикновено между 0,1 и 1 микропарад, помагат за намаляване на досадните високочестотни шумове, които пречат на процесорите и радиочестотните модули. Междувременно по-големите MLCC в диапазона от 4,7 до 22 микропарада изпълняват напълно различна роля, като осигуряват стабилност на захранването в гаджета от Интернета на нещата и автомобилна електроника. Според последно пазарно проучване на Future Market Insights, наблюдава се значителен скок в търсенето на MLCC специално за инфраструктура за 5G, с годишен ръст от около 11 процента. Тези компоненти работят изключително добре именно поради своята изключително ниска еквивалентна серийна индуктивност – под един нанохенри, което ги прави отличен избор за справяне с проблеми от шум на честоти над 1 гигахерц.
| Характеристика | C0G/NP0 (Клас 1) | X7R (Клас 2) | Y5V (Клас 2) |
|---|---|---|---|
| Температурна стабилност | ±30 ppm/°C | ±15% (-55 °C до +125 °C) | +22%/-82% (-30 °C до +85 °C) |
| Зависимост от напрежение | <1% ΔC | 10-15% ΔC | 20% ΔC |
| ESR | 5-10mΩ | 50-100mΩ | 200-500mΩ |
| Приложения | Осцилатори, RF филтри | Декуплиране на захранването | Буфери с ниска критичност |
Кондензаторите C0G/NP0 осигуряват висока прецизност и стабилност за тайминг и RF приложения, докато X7R предлага икономично оптимално решение за употреба в DC/DC преобразуватели. Y5V типовете, въпреки че променят значително капацитета си при промяна на напрежение и температура, са подходящи за битова електроника, където широкият допуск е приемлив.
MLCC елементите с висока плътност над 10 микропарада често изпитват спад от около 30 до 60 процента в номиналната си капацитетност, когато се подложат на постоянни напрежения с поляритет над половината от максималния им рейтинг. Причината за тази загуба на капацитет се крие в начина, по който се ориентират диелектричните зърна в бариево-титанатните материали, използвани в тези компоненти. Интересен факт е, че типовете X7R показват значително по-резки спадове в сравнение със своите X5R колеги. Когато се справят с този проблем, повечето инженери или намаляват работното напрежение приблизително наполовина, или свързват няколко кондензатора с по-малка стойност заедно в паралелни конфигурации. Това помага да се запази необходимото ниво на капацитетност въпреки вродените ограничения на тези керамични компоненти при натоварване.
При работа с кондензатори ниското еквивалентно последователно съпротивление има голямо значение за намаляване на загубите на мощност в тези превключващи регулаторни вериги. Вземете например стандартен кондензатор X7R с размер 1206 и капацитет 10 микропарада, който обикновено има ESR под 10 милиома. Но има и друг фактор, който трябва да се има предвид – паразитната индуктивност, обикновено около 1,2 нанохенри, която може значително да влоши производителността при по-високи честоти. Същото важи и за по-малките компоненти. Скромният кондензатор 100nF в корпус 0402 започва да резонира около 15 мегахерца и става доста неизползваем, когато достигнем честоти над 50 MHz. Умните инженери добре познават това ограничение, затова често комбинират многослойни керамични кондензатори (MLCC) с филмови или слюдени типове. Тази комбинация помага общото системно импедансно съпротивление да остане под един ом в няколко различни честотни диапазона, което е абсолютно критично за стабилна работа в съвременните електронни проекти.
Електролитните кондензатори съхраняват значително количество енергия, обикновено между 10 микрофарада и до 47 000 микрофарада. Те са много важни за премахване на досадните колебания на напрежението и за почистване на шумовете с ниска честота в системи за постоянен ток. Когато става въпрос за преобразуващи захрани, инженерите обикновено избират стойност между 100 и 2 200 микрофарада, за да осигурят стабилен изход. За по-малки пространства, където е необходимо локално филтриране на шума, се използват танталови кондензатори. Тези устройства имат диапазон от само 1 до 470 микрофарада и заемат много по-малко място. Повечето хора предпочитат алуминиеви електролитни кондензатори, когато бюджетът е ограничен и се нуждаят от голямо количество съхранена енергия. Но ако мястото е ограничено и стабилността е важна при различни температури, танталовите стават предпочитания избор, въпреки по-високата цена.
Електролитните и танталовите кондензатори изискват полярност, затова трябва да се монтират правилно според посоката на напрежението. Когато алуминиевите електролитни кондензатори бъдат включени с обратна полярност, електролитът в тях обикновено бързо се разгражда, което може рязко да съкрати живота им — понякога до 70%. При оценката на способността за пренасяне на пулсиращ ток се наблюдават различия между тези компоненти. Алуминиевите кондензатори обикновено издържат по-високи пулсиращи токове, около 5 ампера RMS, но по-бързо се износват при висока температура. Танталовите кондензатори предлагат предимства като по-нисък ток на утечка и подобрена стабилност, но проектиращите често трябва да прилагат стратегии за намаляване на работното напрежение, за да ги защитят от вълни на пренапрежение. Стареенето остава проблем за двата типа кондензатори. Например, алуминиевите електролитни кондензатори обикновено губят капацитет в диапазона от 20 до 30 процента след непрекъсната работа около 5000 часа при температури около 85 градуса Целзий.
Проектирането включва балансиране на три ключови параметъра при избора на кондензатори с висока стойност:
Танталов кондензатор 100 μF/25 V заема 30% по-малко място на платката в сравнение с алуминиевия си аналог, но струва приблизително пет пъти повече.
Танталовите кондензатори работят изключително добре в аудио вериги и мобилни устройства, защото запазват постоянен ESR при различни честоти. Това помага да се запазят фазовите зависимости непроменени в тези аналогови филтри. Алуминиевите електролитни кондензатори все още доминират при филтрирането на захранванията в усилватели, като ефективно обработват пулсациите в диапазона от 100 Hz до около 10 kHz. Но има един недостатък – по-високият им ESR започва да причинява забележими изкривявания, когато сигналите надминат около 1 kHz. В днешно време инженерите все по-често комбинират компоненти, използвайки алуминиеви за основния капацитет, като добавят танталови или керамични паралелно, за справяне с проблемите от шума на високи честоти. Медицинската апаратура показва също интересни данни. Твърдите танталови компоненти обикновено издържат приблизително два пъти повече от течните електролитни при непрекъсната работа, което ги прави разумен избор там, където най-много важи надеждността.