habari

Capacitors ni mojawapo ya vipengele vinavyotumiwa sana kwenye bodi za mzunguko. Kadiri idadi ya vifaa vya kielektroniki (kutoka kwa simu za rununu hadi magari) inavyoendelea kuongezeka, ndivyo mahitaji ya capacitors yanavyoongezeka. Janga la Covid 19 limevuruga msururu wa usambazaji wa sehemu za ulimwengu kutoka kwa semiconductors hadi vipengee tu, na capacitors zimekuwa pungufu1.
Majadiliano juu ya mada ya capacitors yanaweza kubadilishwa kwa urahisi kuwa kitabu au kamusi. Kwanza, kuna aina tofauti za capacitors, kama vile capacitors electrolytic, capacitors filamu, capacitors kauri na kadhalika. Kisha, katika aina moja, kuna vifaa tofauti vya dielectric. Pia kuna madarasa tofauti. Kuhusu muundo wa kimwili, kuna aina mbili za terminal na tatu-terminal capacitor. Kuna pia capacitor ya aina ya X2Y, ambayo kimsingi ni jozi ya capacitor za Y zilizowekwa kwenye moja. Vipi kuhusu supercapacitors? Ukweli ni kwamba, ikiwa unakaa chini na kuanza kusoma miongozo ya uteuzi wa capacitor kutoka kwa wazalishaji wakuu, unaweza kutumia siku kwa urahisi!
Kwa kuwa nakala hii inahusu misingi, nitatumia njia tofauti kama kawaida. Kama ilivyoelezwa hapo awali, miongozo ya uteuzi wa capacitor inaweza kupatikana kwa urahisi kwenye tovuti za wasambazaji 3 na 4, na wahandisi wa shamba wanaweza kujibu maswali mengi kuhusu capacitors. Katika makala hii, sitarudia kile unachoweza kupata kwenye mtandao, lakini nitaonyesha jinsi ya kuchagua na kutumia capacitors kupitia mifano ya vitendo. Baadhi ya vipengele visivyojulikana sana vya uteuzi wa capacitor, kama vile uharibifu wa uwezo, pia vitashughulikiwa. Baada ya kusoma makala hii, unapaswa kuwa na ufahamu mzuri wa matumizi ya capacitors.
Miaka mingi iliyopita, nilipokuwa nikifanya kazi katika kampuni inayotengeneza vifaa vya kielektroniki, tulikuwa na swali la mahojiano kwa mhandisi wa umeme. Kwenye mchoro wa kimkakati wa bidhaa iliyopo, tutawauliza watu wanaotarajiwa "Ni nini kazi ya capacitor ya elektroliti ya DC?" na "Ni nini kazi ya capacitor ya kauri iliyo karibu na chip?" Tunatarajia kuwa jibu sahihi ni capacitor ya basi ya DC Inatumika kwa ajili ya kuhifadhi nishati, capacitors kauri hutumiwa kwa kuchuja.
Jibu "sahihi" tunalotafuta linaonyesha kwamba kila mtu kwenye timu ya kubuni anaangalia capacitors kutoka kwa mtazamo rahisi wa mzunguko, si kwa mtazamo wa nadharia ya shamba. Mtazamo wa nadharia ya mzunguko sio mbaya. Kwa masafa ya chini (kutoka kHz chache hadi MHz chache), nadharia ya mzunguko kawaida inaweza kuelezea shida vizuri. Hii ni kwa sababu kwa masafa ya chini, ishara iko katika hali ya kutofautisha. Kwa kutumia nadharia ya mzunguko, tunaweza kuona capacitor iliyoonyeshwa kwenye Mchoro 1, ambapo upinzani sawa wa mfululizo (ESR) na inductance sawa ya mfululizo (ESL) hufanya impedance ya mabadiliko ya capacitor na mzunguko.
Mfano huu unaelezea kikamilifu utendaji wa mzunguko wakati mzunguko unabadilishwa polepole. Walakini, kadiri mzunguko unavyoongezeka, mambo yanakuwa magumu zaidi na zaidi. Wakati fulani, sehemu huanza kuonyesha kutokuwa na mstari. Wakati mzunguko unapoongezeka, mfano rahisi wa LCR una vikwazo vyake.
Leo, ikiwa ningeulizwa swali sawa la mahojiano, ningevaa miwani yangu ya uchunguzi wa nadharia ya shamba na kusema kwamba aina zote mbili za capacitor ni vifaa vya kuhifadhi nishati. Tofauti ni kwamba capacitors electrolytic inaweza kuhifadhi nishati zaidi kuliko capacitors kauri. Lakini kwa suala la maambukizi ya nishati, capacitors kauri inaweza kusambaza nishati kwa kasi zaidi. Hii inaelezea kwa nini capacitors za kauri zinahitajika kuwekwa karibu na chip, kwa sababu chip ina mzunguko wa juu wa kubadili na kasi ya kubadili ikilinganishwa na mzunguko wa nguvu kuu.
Kwa mtazamo huu, tunaweza kufafanua tu viwango viwili vya utendaji kwa capacitors. Moja ni kiasi gani cha nishati capacitor inaweza kuhifadhi, na nyingine ni jinsi nishati hii inaweza kuhamishwa haraka. Wote hutegemea njia ya utengenezaji wa capacitor, nyenzo za dielectric, uhusiano na capacitor, na kadhalika.
Wakati swichi katika mzunguko imefungwa (angalia Mchoro 2), inaonyesha kwamba mzigo unahitaji nishati kutoka kwa chanzo cha nguvu. Kasi ambayo swichi hii hufunga huamua uharaka wa mahitaji ya nishati. Kwa kuwa nishati husafiri kwa kasi ya mwanga (nusu ya kasi ya mwanga katika vifaa vya FR4), inachukua muda kuhamisha nishati. Kwa kuongeza, kuna kutolingana kwa impedance kati ya chanzo na mstari wa maambukizi na mzigo. Hii ina maana kwamba nishati haitawahi kuhamishwa katika safari moja, lakini katika safari nyingi za kwenda na kurudi5, ndiyo maana swichi inapowashwa haraka, tutaona ucheleweshaji na mlio katika ubadilishaji wa wimbi.
Kielelezo 2: Inachukua muda kwa nishati kuenea angani; kutolingana kwa impedance husababisha safari nyingi za kwenda na kurudi za uhamishaji wa nishati.
Ukweli kwamba uwasilishaji wa nishati huchukua muda na safari nyingi za kwenda na kurudi hutuambia kwamba tunahitaji kusogeza nishati karibu iwezekanavyo na mzigo, na tunahitaji kutafuta njia ya kuiwasilisha haraka. Ya kwanza kawaida hupatikana kwa kupunguza umbali wa kimwili kati ya mzigo, kubadili na capacitor. Mwisho huo unapatikana kwa kukusanya kikundi cha capacitors na impedance ndogo zaidi.
Nadharia ya uwanja pia inaelezea ni nini husababisha kelele ya kawaida. Kwa kifupi, kelele ya hali ya kawaida hutolewa wakati mahitaji ya nishati ya mzigo haipatikani wakati wa kubadili. Kwa hiyo, nishati iliyohifadhiwa katika nafasi kati ya mzigo na waendeshaji wa karibu itatolewa ili kusaidia mahitaji ya hatua. Nafasi kati ya mzigo na makondakta wa karibu ndiyo tunayoita uwezo wa vimelea/kuheshimiana (ona Mchoro 2).
Tunatumia mifano ifuatayo ili kuonyesha jinsi ya kutumia capacitors electrolytic, multilayer kauri capacitors (MLCC), na filamu capacitors. Nadharia ya mzunguko na shamba hutumiwa kuelezea utendaji wa capacitors zilizochaguliwa.
Vipimo vya elektroliti hutumika hasa kwenye kiunga cha DC kama chanzo kikuu cha nishati. Uchaguzi wa capacitor electrolytic mara nyingi inategemea:
Kwa utendaji wa EMC, sifa muhimu zaidi za capacitors ni impedance na sifa za mzunguko. Uzalishaji wa masafa ya chini daima hutegemea utendakazi wa capacitor ya kiungo cha DC.
Uzuiaji wa kiunga cha DC hautegemei tu ESR na ESL ya capacitor, lakini pia kwenye eneo la kitanzi cha joto, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3. Eneo kubwa la kitanzi cha mafuta inamaanisha kuwa uhamishaji wa nishati huchukua muda mrefu, kwa hivyo utendaji. itaathirika.
Kigeuzi cha hatua cha chini cha DC-DC kilijengwa ili kuthibitisha hili. Usanidi wa jaribio la EMC la kufuata kabla lililoonyeshwa kwenye Mchoro wa 4 huchanganua utoaji wa hewa kavu kati ya 150kHz na 108MHz.
Ni muhimu kuhakikisha kwamba capacitors kutumika katika utafiti huu wa kesi wote ni kutoka kwa mtengenezaji mmoja ili kuepuka tofauti katika sifa za impedance. Wakati wa kuuza capacitor kwenye PCB, hakikisha kuwa hakuna miongozo ndefu, kwani hii itaongeza ESL ya capacitor. Kielelezo 5 kinaonyesha usanidi tatu.
Matokeo yaliyofanywa ya utoaji wa usanidi huu tatu yanaonyeshwa katika Mchoro 6. Inaweza kuonekana kuwa, ikilinganishwa na capacitor moja ya 680 µF, capacitor mbili za 330 µF hufanikisha utendaji wa kupunguza kelele wa 6 dB juu ya masafa mapana ya masafa.
Kutoka kwa nadharia ya mzunguko, inaweza kusema kuwa kwa kuunganisha capacitors mbili kwa sambamba, wote ESL na ESR ni nusu. Kutoka kwa mtazamo wa nadharia ya shamba, hakuna chanzo kimoja tu cha nishati, lakini vyanzo viwili vya nishati hutolewa kwa mzigo sawa, kwa ufanisi kupunguza muda wa maambukizi ya nishati kwa ujumla. Hata hivyo, kwa masafa ya juu zaidi, tofauti kati ya capacitor mbili za 330 µF na capacitor moja ya 680 µF itapungua. Hii ni kwa sababu kelele ya masafa ya juu inaonyesha mwitikio wa nishati wa hatua hautoshi. Wakati wa kusonga capacitor 330 µF karibu na swichi, tunapunguza muda wa uhamisho wa nishati, ambayo huongeza kwa ufanisi majibu ya hatua ya capacitor.
Matokeo yanatuambia somo muhimu sana. Kuongeza uwezo wa capacitor moja kwa ujumla haitaunga mkono mahitaji ya hatua ya nishati zaidi. Ikiwezekana, tumia vipengele vidogo vya capacitive. Kuna sababu nyingi nzuri za hii. Ya kwanza ni gharama. Kwa ujumla, kwa ukubwa sawa wa kifurushi, gharama ya capacitor huongezeka kwa kasi na thamani ya uwezo. Kutumia capacitor moja inaweza kuwa ghali zaidi kuliko kutumia capacitors kadhaa ndogo. Sababu ya pili ni saizi. Kipengele cha kuzuia katika muundo wa bidhaa ni kawaida urefu wa vipengele. Kwa capacitors yenye uwezo mkubwa, urefu mara nyingi ni kubwa sana, ambayo haifai kwa kubuni bidhaa. Sababu ya tatu ni utendaji wa EMC tuliouona katika kifani kifani.
Jambo lingine la kuzingatia wakati wa kutumia capacitor ya elektroliti ni kwamba unapounganisha capacitor mbili mfululizo ili kushiriki volti, utahitaji kipinga cha kusawazisha 6.
Kama ilivyoelezwa hapo awali, capacitors kauri ni vifaa vidogo ambavyo vinaweza kutoa nishati haraka. Mara nyingi mimi huulizwa swali "Ninahitaji capacitor ngapi?" Jibu la swali hili ni kwamba kwa capacitors kauri, thamani ya capacitance haipaswi kuwa muhimu. Jambo muhimu linalozingatiwa hapa ni kubainisha ni mara ngapi kasi ya uhamishaji nishati inatosha kwa programu yako. Ikiwa chafu iliyofanywa inashindwa saa 100 MHz, basi capacitor yenye impedance ndogo katika 100 MHz itakuwa chaguo nzuri.
Huu ni uelewa mwingine mbaya wa MLCC. Nimeona wahandisi wakitumia nguvu nyingi kuchagua vidhibiti vya kauri na ESR ya chini kabisa na ESL kabla ya kuunganisha vidhibiti kwenye sehemu ya kumbukumbu ya RF kupitia ufuatiliaji mrefu. Inafaa kutaja kuwa ESL ya MLCC kawaida ni ya chini sana kuliko inductance ya unganisho kwenye ubao. Inductance ya uunganisho bado ni parameter muhimu zaidi inayoathiri impedance ya juu ya mzunguko wa capacitors kauri7.
Mchoro wa 7 unaonyesha mfano mbaya. Ufuatiliaji wa muda mrefu (urefu wa inchi 0.5) huleta angalau upenyezaji wa 10nH. Matokeo ya simulation inaonyesha kwamba impedance ya capacitor inakuwa ya juu zaidi kuliko inavyotarajiwa katika hatua ya mzunguko (50 MHz).
Mojawapo ya matatizo ya MLCCs ni kwamba huwa na uhusiano na muundo wa kufata neno kwenye ubao. Hii inaweza kuonekana katika mfano ulioonyeshwa katika Mchoro 8, ambapo matumizi ya 10 µF MLCC huleta mlio kwa takriban 300 kHz.
Unaweza kupunguza resonance kwa kuchagua kijenzi kilicho na ESR kubwa au kuweka tu kipingamizi kidogo cha thamani (kama vile 1 ohm) katika mfululizo na capacitor. Aina hii ya njia hutumia vipengele vya kupoteza ili kukandamiza mfumo. Njia nyingine ni kutumia thamani nyingine ya uwezo kusogeza resonance hadi sehemu ya chini au ya juu zaidi ya mwangwi.
Filamu capacitors hutumiwa katika maombi mengi. Ni vidhibiti vya chaguo kwa vibadilishaji vya nguvu vya juu vya DC-DC na hutumika kama vichujio vya kukandamiza EMI kwenye njia za umeme (AC na DC) na usanidi wa uchujaji wa hali ya kawaida. Tunachukua X capacitor kama mfano ili kuonyesha baadhi ya pointi kuu za kutumia capacitor filamu.
Ikiwa tukio la kuongezeka linatokea, husaidia kupunguza shinikizo la juu la voltage kwenye mstari, hivyo hutumiwa kwa kawaida na kikandamizaji cha muda mfupi cha voltage (TVS) au varistor ya oksidi ya chuma (MOV).
Huenda tayari unajua yote haya, lakini unajua kwamba thamani ya capacitance ya X capacitor inaweza kupunguzwa kwa kiasi kikubwa kwa miaka ya matumizi? Hii ni kweli hasa ikiwa capacitor hutumiwa katika mazingira ya unyevu. Nimeona thamani ya uwezo wa capacitor X ikishuka tu hadi asilimia chache ya thamani yake iliyokadiriwa ndani ya mwaka mmoja au miwili, hivyo mfumo ulioundwa awali na capacitor X kwa kweli ulipoteza ulinzi wote ambao capacitor ya mbele inaweza kuwa nayo.
Kwa hiyo, nini kilitokea? Hewa yenye unyevunyevu inaweza kuvuja kwenye capacitor, juu ya waya na kati ya kisanduku na kiwanja cha chungu cha epoxy. Uchimbaji wa alumini unaweza kisha kuwa oxidized. Alumina ni insulator nzuri ya umeme, na hivyo kupunguza capacitance. Hili ni tatizo ambalo capacitors wote wa filamu watakutana. Suala ninalozungumzia ni unene wa filamu. Chapa zinazoheshimika za capacitor hutumia filamu nene, na kusababisha capacitor kubwa kuliko chapa zingine. Filamu nyembamba hufanya capacitor isiwe na nguvu zaidi ya kupakia (voltage, sasa, au joto), na hakuna uwezekano wa kujiponya yenyewe.
Ikiwa X capacitor haijaunganishwa kwa kudumu na usambazaji wa umeme, basi huna haja ya kuwa na wasiwasi. Kwa mfano, kwa bidhaa ambayo ina kubadili ngumu kati ya umeme na capacitor, ukubwa unaweza kuwa muhimu zaidi kuliko maisha, na kisha unaweza kuchagua capacitor nyembamba.
Hata hivyo, ikiwa capacitor imeunganishwa kwa kudumu kwenye chanzo cha nguvu, lazima iwe ya kuaminika sana. Oxidation ya capacitors haiwezi kuepukika. Ikiwa nyenzo ya epoxy ya capacitor ni ya ubora mzuri na capacitor haipatikani mara nyingi kwa joto kali, kushuka kwa thamani lazima iwe ndogo.
Katika makala hii, kwanza ilianzisha mtazamo wa nadharia ya uwanja wa capacitors. Mifano ya vitendo na matokeo ya kuiga yanaonyesha jinsi ya kuchagua na kutumia aina za kawaida za capacitor. Tunatumahi kuwa maelezo haya yanaweza kukusaidia kuelewa jukumu la vidhibiti katika muundo wa kielektroniki na EMC kwa undani zaidi.
Dk. Min Zhang ni mwanzilishi na mshauri mkuu wa EMC wa Mach One Design Ltd, kampuni ya uhandisi yenye makao yake makuu nchini Uingereza inayobobea katika ushauri wa EMC, utatuzi na mafunzo. Ujuzi wake wa kina katika umeme wa umeme, umeme wa dijiti, injini na muundo wa bidhaa umenufaisha kampuni kote ulimwenguni.
Katika Uzingatiaji ndio chanzo kikuu cha habari, habari, elimu na msukumo kwa wataalamu wa uhandisi wa umeme na kielektroniki.
Mawasiliano ya Anga za Magari Elimu ya Elektroniki kwa Mtumiaji wa Teknolojia ya Habari ya Sekta ya Nishati na Nishati ya Kijeshi na Ulinzi wa Kitaifa.