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Los condensadores son uno de los componentes más utilizados en las placas de circuitos. A medida que el número de dispositivos electrónicos (desde teléfonos móviles hasta automóviles) sigue aumentando, también aumenta la demanda de condensadores. La pandemia de Covid 19 ha interrumpido la cadena de suministro mundial de componentes de semiconductores. a componentes pasivos y los condensadores han escaseado1.
Las discusiones sobre el tema de los capacitores se pueden convertir fácilmente en un libro o un diccionario. Primero, existen diferentes tipos de capacitores, como capacitores electrolíticos, capacitores de película, capacitores cerámicos, etc. Luego, en el mismo tipo, hay diferentes Materiales dieléctricos. También hay diferentes clases. En cuanto a la estructura física, hay tipos de capacitores de dos y tres terminales. También hay un capacitor tipo X2Y, que es esencialmente un par de capacitores Y encapsulados en uno. ¿Qué pasa con los supercondensadores? ?El hecho es que, si te sientas y empiezas a leer las guías de selección de condensadores de los principales fabricantes, ¡puedes pasar el día fácilmente!
Dado que este artículo trata sobre los conceptos básicos, utilizaré un método diferente, como de costumbre. Como se mencionó anteriormente, las guías de selección de capacitores se pueden encontrar fácilmente en los sitios web de los proveedores 3 y 4, y los ingenieros de campo generalmente pueden responder la mayoría de las preguntas sobre los capacitores. En este artículo, No repetiré lo que puede encontrar en Internet, pero demostraré cómo elegir y usar capacitores a través de ejemplos prácticos. También se cubrirán algunos aspectos menos conocidos de la selección de capacitores, como la degradación de la capacitancia. Después de leer este artículo, Debe tener un buen conocimiento del uso de condensadores.
Hace años, cuando trabajaba en una empresa que fabricaba equipos electrónicos, teníamos una pregunta de entrevista para un ingeniero en electrónica de potencia. En el diagrama esquemático del producto existente, preguntaremos a los candidatos potenciales "¿Cuál es la función del enlace electrolítico del enlace de CC?" ¿condensador?" y "¿Cuál es la función del condensador cerámico al lado del chip?" Esperamos que la respuesta correcta sea el condensador de bus de CC. Se utilizan para el almacenamiento de energía y los condensadores cerámicos se utilizan para el filtrado.
La respuesta "correcta" que buscamos en realidad muestra que todos en el equipo de diseño miran los capacitores desde una perspectiva de circuito simple, no desde una perspectiva de teoría de campos. El punto de vista de la teoría de circuitos no es incorrecto. A bajas frecuencias (desde unos pocos kHz a unos pocos MHz), la teoría de circuitos generalmente puede explicar bien el problema. Esto se debe a que a frecuencias más bajas, la señal está principalmente en modo diferencial. Usando la teoría de circuitos, podemos ver el capacitor que se muestra en la Figura 1, donde la resistencia en serie equivalente ( ESR) y la inductancia en serie equivalente (ESL) hacen que la impedancia del condensador cambie con la frecuencia.
Este modelo explica completamente el rendimiento del circuito cuando el circuito se cambia lentamente. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia, las cosas se vuelven cada vez más complicadas. En algún momento, el componente comienza a mostrar no linealidad. Cuando la frecuencia aumenta, el modelo LCR simple tiene sus limitaciones.
Hoy en día, si me hicieran la misma pregunta en una entrevista, me pondría mis gafas de observación de teoría de campos y diría que ambos tipos de condensadores son dispositivos de almacenamiento de energía. La diferencia es que los condensadores electrolíticos pueden almacenar más energía que los condensadores cerámicos. Pero en términos de transmisión de energía , los condensadores cerámicos pueden transmitir energía más rápido. Esto explica por qué los condensadores cerámicos deben colocarse al lado del chip, porque el chip tiene una frecuencia y velocidad de conmutación más altas en comparación con el circuito de alimentación principal.
Desde esta perspectiva, podemos definir simplemente dos estándares de rendimiento para los condensadores. Uno es cuánta energía puede almacenar el condensador y el otro es la rapidez con la que se puede transferir esta energía. Ambos dependen del método de fabricación del condensador, el material dieléctrico, la conexión con el condensador, etc.
Cuando el interruptor en el circuito está cerrado (ver Figura 2), indica que la carga necesita energía de la fuente de energía. La velocidad a la que se cierra este interruptor determina la urgencia de la demanda de energía. Dado que la energía viaja a la velocidad de la luz (la mitad la velocidad de la luz en materiales FR4), se necesita tiempo para transferir energía. Además, existe un desajuste de impedancia entre la fuente y la línea de transmisión y la carga. Esto significa que la energía nunca se transferirá en un viaje, sino en múltiples. viajes de ida y vuelta5, razón por la cual cuando el interruptor cambia rápidamente, vemos retrasos y timbres en la forma de onda de conmutación.
Figura 2: La energía necesita tiempo para propagarse en el espacio; El desajuste de impedancia provoca múltiples viajes de ida y vuelta de transferencia de energía.
El hecho de que la transferencia de energía requiera tiempo y múltiples viajes de ida y vuelta nos indica que debemos ubicar la fuente de energía lo más cerca posible de la carga y encontrar una manera de transferir energía rápidamente. Lo primero generalmente se logra reduciendo el esfuerzo físico. distancia entre la carga, el interruptor y el capacitor. Este último se logra reuniendo un grupo de capacitores con la menor impedancia.
La teoría de campos también explica las causas del ruido en modo común. En resumen, el ruido en modo común se genera cuando la demanda de energía de la carga no se satisface durante la conmutación. Por lo tanto, la energía almacenada en el espacio entre la carga y los conductores cercanos se proporcionará para soportar la demanda de paso. El espacio entre la carga y los conductores cercanos es lo que llamamos capacitancia parásita/mutua (ver Figura 2).
Usamos los siguientes ejemplos para demostrar cómo usar capacitores electrolíticos, capacitores cerámicos multicapa (MLCC) y capacitores de película. Se utilizan tanto la teoría de circuitos como la de campo para explicar el rendimiento de los capacitores seleccionados.
Los condensadores electrolíticos se utilizan principalmente en el enlace de CC como principal fuente de energía. La elección del condensador electrolítico a menudo depende de:
Para el rendimiento EMC, las características más importantes de los condensadores son las características de impedancia y frecuencia. Las emisiones conducidas de baja frecuencia siempre dependen del rendimiento del condensador del enlace de CC.
La impedancia del enlace de CC depende no solo del ESR y ESL del capacitor, sino también del área del circuito térmico, como se muestra en la Figura 3. Un área del circuito térmico más grande significa que la transferencia de energía lleva más tiempo, por lo que el rendimiento se verá afectado.
Para demostrar esto, se construyó un convertidor CC-CC reductor. La configuración de prueba de EMC previa al cumplimiento que se muestra en la Figura 4 realiza un escaneo de emisiones conducidas entre 150 kHz y 108 MHz.
Es importante asegurarse de que los condensadores utilizados en este caso de estudio sean todos del mismo fabricante para evitar diferencias en las características de impedancia. Al soldar el condensador en la PCB, asegúrese de que no haya cables largos, ya que esto aumentará el ESL de el condensador. La Figura 5 muestra las tres configuraciones.
Los resultados de las emisiones conducidas de estas tres configuraciones se muestran en la Figura 6. Se puede ver que, en comparación con un solo capacitor de 680 µF, los dos capacitores de 330 µF logran un rendimiento de reducción de ruido de 6 dB en un rango de frecuencia más amplio.
Desde la teoría de circuitos, se puede decir que al conectar dos condensadores en paralelo, tanto ESL como ESR se reducen a la mitad. Desde el punto de vista de la teoría de campos, no solo hay una fuente de energía, sino que se suministran dos fuentes de energía a la misma carga. , reduciendo efectivamente el tiempo total de transmisión de energía. Sin embargo, a frecuencias más altas, la diferencia entre dos capacitores de 330 µF y un capacitor de 680 µF se reducirá. Esto se debe a que el ruido de alta frecuencia indica una respuesta de energía de paso insuficiente. Al acercar un capacitor de 330 µF a Al cambiar, reducimos el tiempo de transferencia de energía, lo que efectivamente aumenta la respuesta escalonada del capacitor.
El resultado nos dice una lección muy importante. Aumentar la capacitancia de un solo capacitor generalmente no soportará la demanda escalonada de más energía. Si es posible, use algunos componentes capacitivos más pequeños. Hay muchas buenas razones para esto. La primera es el costo. Generalmente Hablando, para el mismo tamaño de paquete, el costo de un capacitor aumenta exponencialmente con el valor de la capacitancia. Usar un solo capacitor puede ser más costoso que usar varios capacitores más pequeños. La segunda razón es el tamaño. El factor limitante en el diseño del producto suele ser la altura. de los componentes. Para los condensadores de gran capacidad, la altura suele ser demasiado grande para el diseño del producto. La tercera razón es el rendimiento EMC que vimos en el estudio de caso.
Otro factor a considerar al usar un capacitor electrolítico es que cuando conectas dos capacitores en serie para compartir el voltaje, necesitarás una resistencia de equilibrio 6.
Como se mencionó anteriormente, los capacitores cerámicos son dispositivos en miniatura que pueden proporcionar energía rápidamente. A menudo me preguntan "¿Cuánto capacitor necesito?" La respuesta a esta pregunta es que para los capacitores cerámicos, el valor de capacitancia no debería ser tan importante. La consideración importante aquí es determinar a qué frecuencia la velocidad de transferencia de energía es suficiente para su aplicación. Si la emisión conducida falla a 100 MHz, entonces el capacitor con la impedancia más pequeña a 100 MHz será una buena opción.
Este es otro malentendido de MLCC. He visto a ingenieros gastar mucha energía eligiendo capacitores cerámicos con el ESR y ESL más bajos antes de conectar los capacitores al punto de referencia de RF a través de trazos largos. Vale la pena mencionar que el ESL de MLCC suele ser mucho menor que la inductancia de conexión en la placa. La inductancia de conexión sigue siendo el parámetro más importante que afecta la impedancia de alta frecuencia de los condensadores cerámicos7.
La Figura 7 muestra un mal ejemplo. Las trazas largas (0,5 pulgadas de largo) introducen una inductancia de al menos 10 nH. El resultado de la simulación muestra que la impedancia del condensador se vuelve mucho mayor de lo esperado en el punto de frecuencia (50 MHz).
Uno de los problemas con los MLCC es que tienden a resonar con la estructura inductiva de la placa. Esto se puede ver en el ejemplo que se muestra en la Figura 8, donde el uso de un MLCC de 10 µF introduce resonancia a aproximadamente 300 kHz.
Puede reducir la resonancia eligiendo un componente con una ESR mayor o simplemente colocando una resistencia de valor pequeño (como 1 ohmio) en serie con un capacitor. Este tipo de método utiliza componentes con pérdidas para suprimir el sistema. Otro método es usar otra capacitancia valor para mover la resonancia a un punto de resonancia más bajo o más alto.
Los condensadores de película se utilizan en muchas aplicaciones. Son los condensadores elegidos para convertidores CC-CC de alta potencia y se utilizan como filtros de supresión EMI en líneas eléctricas (CA y CC) y configuraciones de filtrado de modo común. Tomamos un condensador X como un ejemplo para ilustrar algunos de los puntos principales del uso de condensadores de película.
Si ocurre un evento de sobretensión, ayuda a limitar el estrés de voltaje máximo en la línea, por lo que generalmente se usa con un supresor de voltaje transitorio (TVS) o un varistor de óxido metálico (MOV).
Quizás ya sepa todo esto, pero ¿sabía que el valor de capacitancia de un capacitor X se puede reducir significativamente con años de uso? Esto es especialmente cierto si el capacitor se usa en un ambiente húmedo. He visto el valor de capacitancia de el capacitor X solo cae a un pequeño porcentaje de su valor nominal dentro de uno o dos años, por lo que el sistema diseñado originalmente con el capacitor X en realidad perdió toda la protección que podría tener el capacitor frontal.
Entonces, ¿qué pasó? El aire húmedo puede filtrarse al capacitor, al cable y entre la caja y el compuesto de encapsulado epóxico. La metalización del aluminio puede entonces oxidarse. La alúmina es un buen aislante eléctrico, lo que reduce la capacitancia. Este es un problema que Todos los condensadores de película encontrarán. El problema del que estoy hablando es el grosor de la película. Las marcas de condensadores de buena reputación utilizan películas más gruesas, lo que da como resultado condensadores más grandes que otras marcas. La película más delgada hace que el condensador sea menos resistente a la sobrecarga (voltaje, corriente o temperatura). y es poco probable que se cure solo.
Si el condensador X no está conectado permanentemente a la fuente de alimentación, entonces no debe preocuparse. Por ejemplo, para un producto que tiene un interruptor físico entre la fuente de alimentación y el condensador, el tamaño puede ser más importante que la vida útil, y Entonces puedes elegir un condensador más delgado.
Sin embargo, si el capacitor está conectado permanentemente a la fuente de energía, debe ser altamente confiable. La oxidación de los capacitores no es inevitable. Si el material epoxi del capacitor es de buena calidad y el capacitor no se expone con frecuencia a temperaturas extremas, la caída en El valor debe ser mínimo.
En este artículo, presentamos por primera vez la visión de la teoría de campo de los capacitores. Los ejemplos prácticos y los resultados de la simulación muestran cómo seleccionar y usar los tipos de capacitores más comunes. Espero que esta información pueda ayudarlo a comprender el papel de los capacitores en el diseño electrónico y EMC de manera más integral.
El Dr. Min Zhang es el fundador y consultor jefe de EMC de Mach One Design Ltd, una empresa de ingeniería con sede en el Reino Unido que se especializa en consultoría, resolución de problemas y capacitación en EMC. Su profundo conocimiento en electrónica de potencia, electrónica digital, motores y diseño de productos se ha beneficiado empresas de todo el mundo.
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