EN
Pautan Pantas
Nilai kapasitor memainkan peranan besar dalam berapa banyak tenaga yang boleh disimpan dan seberapa cepat mereka bertindak balas terhadap perubahan dalam sistem elektronik. Sebagai contoh, jenis seramik 100nF yang berfungsi dengan baik untuk menghalang hingar daripada litar digital pada frekuensi tinggi. Sebaliknya, apabila berkaitan dengan bekalan kuasa, kebanyakan orang lebih suka menggunakan kapasitor elektrolitik 10µF kerana ia mampu mengendalikan tugas penapisan yang lebih besar di situ. Namun, apabila bekerja pada pengayun RF, jurutera biasanya memilih nilai kecil antara 1 hingga 10 pF untuk melaras frekuensi dengan tepat. Perbezaan kecil dalam angka-angka kecil ini amat penting untuk mendapatkan keputusan yang tepat. Edisi terkini Handbook Reka Bentuk Litar dari tahun 2024 memperingatkan bahawa pemilihan nilai kapasitor yang tidak sesuai dengan aplikasi boleh menyebabkan masalah seperti kesan resonans yang tidak diingini atau penurunan aras voltan dalam komponen analog yang sensitif.
| Julat Kapasiti | Galangan Tipikal (1MHz) | Julat Frekuensi Optimum |
|---|---|---|
| 1pF - 10nF | <1Ω | RF (50MHz) |
| 10nF - 1µF | 0.1Ω - 10Ω | Digital (1-100MHz) |
| 10µF | 100mΩ | Kuasa (<1kHz) |
| Nilai kapasitans yang lebih rendah mengekalkan tingkah laku kapasitif hingga frekuensi GHz, manakala elektrolit bernilai tinggi menjadi induktif di atas 100kHz. Tingkah laku ini mempengaruhi penempatan: seramik kecil diletakkan berdekatan IC untuk penekanan derau kelajuan tinggi, tantalum yang lebih besar diletakkan pada titik masuk kuasa untuk kestabilan frekuensi rendah. |
Kapasitor seramik X7R cenderung kehilangan sekitar 15 hingga 25 peratus daripada kapasitansnya apabila suhu mencapai 85 darjah Celsius. Varian C0G dan NP0 jauh lebih baik dalam mengekalkan prestasi yang stabil merentasi perubahan suhu, dengan hanya kira-kira plus atau minus 30 bahagian sejuta variasi setiap darjah. Sementara itu, kapasitor elektrolitik aluminium boleh mengalami penurunan kapasitans sehingga 20% jika beroperasi pada 80% daripada nilai kadarannya. Bagi jurutera yang bekerja pada projek dalam keadaan sukar seperti di dalam kereta atau lantai kilang, adalah bijak secara umumnya untuk mengurangkan penarafan komponen antara 20 hingga 50% sebagai margin keselamatan terhadap penurunan beransur-ansur yang disebabkan oleh haba dan tekanan elektrik dari masa ke masa.
Apabila bekerja dengan litar pemasaan tepat, kapasitor filem toleransi ketat dengan varians sekitar 1% membantu mengekalkan kestabilan dan ketepatan. Bagi aplikasi yang kurang kritikal di mana penyimpanan tenaga lebih penting daripada ukuran tepat, kapasitor elektrolit piawai dengan julat toleransi 20% biasanya mencukupi. Mengenai jangka hayat, kapasitor polimer cenderung tahan lebih lama juga. Mereka biasanya hilang kira-kira 5% daripada nilai kapasitans selepas beroperasi selama 10,000 jam tanpa henti, manakala elektrolit lembap tradisional boleh menurun sehingga 30%. Ramai pereka litar yang menghadapi keadaan dunia sebenar akan menyambungkan beberapa nilai kapasitor yang berbeza secara selari. Amalan ini membantu mengatasi faktor persekitaran yang tidak dapat diramal serta haus komponen secara beransur-ansur. Kebanyakan manual rekabentuk rangkaian pengagihan kuasa pada hari ini secara khusus mencadangkan teknik ini untuk mencipta sistem kuasa yang lebih boleh dipercayai dan tahan lama.
MLCC, atau kapasitor seramik berbilang lapisan, digunakan di pelbagai tempat daripada litar penyusutan kepada aplikasi laluan samping kerana saiznya yang kecil membolehkan pemasangan hampir di mana-mana sahaja dan tersedia dalam saiz piawai antara 100nF hingga 10 mikrofarad. Kapasitor pada hujung bawah spektrum ini, biasanya antara 0.1 hingga 1 mikrofarad, membantu mengurangkan gangguan frekuensi tinggi yang mengganggu pemproses dan modul frekuensi radio. Sementara itu, MLCC yang lebih besar dalam julat 4.7 hingga 22 mikrofarad memainkan peranan yang berbeza iaitu mengekalkan kestabilan bekalan kuasa dalam peranti IoT dan elektronik kenderaan. Menurut kajian pasaran terkini daripada Future Market Insights, telah berlaku peningkatan permintaan MLCC secara ketara khususnya untuk infrastruktur 5G, dengan pertumbuhan sekitar 11 peratus setiap tahun. Komponen-komponen ini berfungsi dengan baik dalam aplikasi ini disebabkan oleh induktans bersiri setara yang sangat rendah, iaitu kurang daripada satu nanohenry, menjadikannya sangat efektif dalam menangani masalah hingar pada frekuensi melebihi 1 gigahertz.
| Ciri-ciri | C0G/NP0 (Kelas 1) | X7R (Kelas 2) | Y5V (Kelas 2) |
|---|---|---|---|
| Kestabilan Suhu | ±30ppm/°C | ±15% (-55°C hingga +125°C) | +22%/-82% (-30°C hingga +85°C) |
| Bergantung kepada Voltan | <1% ΔC | 10-15% ΔC | 20% ΔC |
| ESR | 5-10mΩ | 50-100mΩ | 200-500mΩ |
| Aplikasi | Pengayun, penapis RF | Penyahkupelan bekalan kuasa | Penimbal bukan kritikal |
Kapasitor C0G/NP0 menawarkan ketepatan dan kestabilan untuk aplikasi pensuisan dan RF, manakala X7R memberikan keseimbangan yang berkesan dari segi kos untuk kegunaan am dalam penukar DC/DC. Jenis Y5V, walaupun sangat berubah dengan voltan dan suhu, berfungsi dengan baik dalam elektronik pengguna di mana ralat yang besar dapat diterima.
MLCC dengan ketumpatan tinggi melebihi 10 mikrofarad sering mengalami penurunan sekitar 30 hingga 60 peratus dalam nilai kapasitans dinilai apabila dikenakan voltan bias DC yang melebihi separuh daripada had maksimumnya. Sebab di sebalik kehilangan kapasiti ini terletak pada cara butiran dielektrik menyusun dalam bahan barium titanate yang digunakan dalam komponen ini. Yang menariknya, jenis X7R menunjukkan penurunan yang lebih tajam berbanding rakan sejenis X5R. Apabila menghadapi isu ini, kebanyakan jurutera akan sama ada mengurangkan voltan operasi kira-kira separuh atau menyambungkan beberapa kapasitor bernilai lebih kecil secara bersama dalam susunan selari. Ini membantu mengekalkan tahap kapasitans yang diperlukan walaupun terdapat batasan semula jadi komponen seramik ini di bawah keadaan beban.
Apabila berurusan dengan kapasitor, rintangan siri setara yang rendah sangat penting untuk mengurangkan kehilangan kuasa dalam litar pengatur pensuisan tersebut. Sebagai contoh, kapasitor X7R 10 mikrofarad bersaiz 1206 piawai biasanya mempunyai ESR di bawah 10 mili-ohm. Namun terdapat faktor lain yang perlu dipertimbangkan, iaitu induktans parasitik yang biasanya sekitar 1.2 nanohenri yang boleh sangat mengganggu prestasi pada frekuensi yang lebih tinggi. Perkara yang sama juga berlaku kepada komponen yang lebih kecil. Sebuah komponen 100nF 0402 yang ringkas mula beresonans kira-kira pada 15 megahertz dan menjadi kurang berguna apabila mencapai frekuensi melebihi 50MHz. Jurutera pintar mengetahui had ini dengan baik, maka mereka kerap menggabungkan kapasitor seramik berbilang lapisan (MLCC) dengan jenis filem atau mika. Gabungan ini membantu mengekalkan impedans keseluruhan sistem di bawah satu ohm merentasi beberapa julat frekuensi yang berbeza, sesuatu yang amat kritikal bagi operasi yang stabil dalam reka bentuk elektronik moden.
Kapasitor elektrolit menyimpan tenaga yang agak besar, biasanya antara 10 mikrofarad hingga 47,000 mikrofarad. Ia sangat penting untuk menghapuskan ragam voltan yang mengganggu dan membersihkan hingar frekuensi rendah dalam sistem kuasa arus terus. Dalam bekalan kuasa mod suis, jurutera biasanya memilih nilai sekitar 100 hingga 2,200 mikrofarad untuk mengekalkan kestabilan output. Untuk ruang yang lebih kecil di mana penapisan hingar setempat diperlukan, kapasitor tantalum digunakan. Kapasitor hebat ini berada dalam julat 1 hingga 470 mikrofarad dan memakan ruang jauh lebih sedikit. Kebanyakan orang menggunakan kapasitor elektrolit aluminium apabila kos menjadi pertimbangan dan keperluan penyimpanan tenaga yang besar wujud. Namun, jika ruang terhad dan kestabilan pada pelbagai suhu penting, kapasitor tantalum menjadi pilihan utama walaupun harganya lebih tinggi.
Kapasitor elektrolitik dan tantalum datang dengan keperluan polariti, jadi pemasangan yang betul mengikut arah voltan diperlukan. Apabila kapasitor elektrolitik aluminium mengalami bias songsang, elektrolitnya cenderung rosak dengan cepat, yang boleh mengurangkan jangka hayatnya secara mendadak — kadangkala sehingga 70%. Dari segi pengendalian arus riak, terdapat perbezaan antara komponen ini. Versi aluminium secara umumnya mampu mengendalikan arus riak yang lebih tinggi, sekitar 5 ampil RMS, walaupun ia cenderung haus lebih cepat apabila terdedah kepada haba. Kapasitor tantalum menawarkan kelebihan seperti arus bocor yang lebih rendah dan ciri kestabilan yang lebih baik, tetapi pereka kerap perlu menggunakan strategi penurunan voltan untuk perlindungan terhadap lonjakan. Penuaan tetap menjadi isu bagi kedua-dua jenis kapasitor. Sebagai contoh, kapasitor elektrolitik aluminium biasanya mengalami penurunan nilai kapasitans antara 20 hingga 30 peratus selepas beroperasi secara berterusan selama kira-kira 5,000 jam pada suhu sekitar 85 darjah Celsius.
Pereka menyeimbangkan tiga parameter utama apabila memilih kapasitor bernilai tinggi:
Sebuah kapasitor tantalum 100μF/25V menggunakan ruang papan 30% kurang berbanding rakan sejenis aluminium tetapi kosnya kira-kira lima kali ganda lebih tinggi.
Kapasitor tantalum berfungsi dengan sangat baik dalam litar audio dan peranti mudah alih kerana ia mengekalkan ESR yang konsisten merentasi frekuensi yang berbeza. Ini membantu mengekalkan hubungan fasa dalam reka bentuk penapis analog tersebut. Kapasitor elektrolitik aluminium masih mendominasi dalam penapisan bekalan kuasa di dalam amplifier, dengan menangani julat riak 100Hz hingga kira-kira 10kHz secara berkesan. Namun, terdapat kelemahan — ESR yang lebih tinggi pada kapasitor ini mula menyebabkan sambungan yang ketara apabila isyarat melebihi kira-kira 1kHz. Kini, jurutera semakin kerap menggabungkan kedua-duanya, menggunakan aluminium untuk penyimpanan kapasitans utama sambil menambah komponen tantalum atau seramik bersama untuk mengatasi masalah hingar frekuensi tinggi. Bidang peralatan perubatan juga menunjukkan statistik yang menarik. Komponen tantalum pepejal biasanya tahan kira-kira dua kali ganda lebih lama berbanding jenis elektrolitik basah dalam keadaan operasi tanpa henti, menjadikannya pilihan bijak di mana kebolehpercayaan adalah perkara paling penting.