बातम्या

कॅपेसिटर हे सर्किट बोर्डवर सर्वाधिक वापरले जाणारे घटक आहेत. इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांची संख्या (मोबाईल फोनपासून ते कारपर्यंत) वाढत असल्याने कॅपेसिटरची मागणीही वाढत आहे. कोविड 19 महामारीने सेमीकंडक्टरपासून निष्क्रिय घटकांपर्यंत जागतिक घटक पुरवठा साखळी विस्कळीत केली आहे आणि कॅपेसिटरचा पुरवठा कमी झाला आहे.
कॅपेसिटरच्या विषयावरील चर्चा सहजपणे पुस्तक किंवा शब्दकोशात बदलल्या जाऊ शकतात. प्रथम, कॅपेसिटरचे विविध प्रकार आहेत, जसे की इलेक्ट्रोलाइटिक कॅपेसिटर, फिल्म कॅपेसिटर, सिरेमिक कॅपेसिटर आणि असेच. मग, त्याच प्रकारात, भिन्न डायलेक्ट्रिक पदार्थ आहेत. वेगवेगळे वर्गही आहेत. भौतिक संरचनेसाठी, दोन-टर्मिनल आणि तीन-टर्मिनल कॅपेसिटर प्रकार आहेत. तेथे एक X2Y प्रकारचा कॅपेसिटर देखील आहे, जो मूलत: एकामध्ये समाविष्ट केलेल्या Y कॅपेसिटरची जोडी आहे. सुपरकॅपॅसिटरचे काय? वस्तुस्थिती अशी आहे की, जर तुम्ही खाली बसून प्रमुख उत्पादकांकडून कॅपेसिटर निवड मार्गदर्शक वाचण्यास सुरुवात केली तर तुम्ही दिवस सहज घालवू शकता!
हा लेख मूलभूत गोष्टींबद्दल असल्याने, मी नेहमीप्रमाणे वेगळी पद्धत वापरेन. आधी सांगितल्याप्रमाणे, कॅपेसिटर निवड मार्गदर्शक पुरवठादार वेबसाइट 3 आणि 4 वर सहजपणे आढळू शकतात आणि फील्ड अभियंते सहसा कॅपेसिटरबद्दलच्या बहुतेक प्रश्नांची उत्तरे देऊ शकतात. या लेखात, आपण इंटरनेटवर काय शोधू शकता याची मी पुनरावृत्ती करणार नाही, परंतु व्यावहारिक उदाहरणांद्वारे कॅपेसिटर कसे निवडावे आणि कसे वापरावे हे दाखवून देईन. कॅपेसिटर निवडीचे काही कमी-ज्ञात पैलू, जसे की कॅपेसिटन्स डिग्रेडेशन, देखील समाविष्ट केले जातील. हा लेख वाचल्यानंतर, तुम्हाला कॅपेसिटरच्या वापराची चांगली समज असणे आवश्यक आहे.
वर्षांपूर्वी, जेव्हा मी इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे बनवणाऱ्या कंपनीत काम करत होतो, तेव्हा आमच्याकडे पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्स इंजिनिअरसाठी मुलाखतीचा प्रश्न होता. विद्यमान उत्पादनाच्या योजनाबद्ध आकृतीवर, आम्ही संभाव्य उमेदवारांना विचारू "DC लिंक इलेक्ट्रोलाइटिक कॅपेसिटरचे कार्य काय आहे?" आणि "चिपच्या शेजारी असलेल्या सिरेमिक कॅपेसिटरचे कार्य काय आहे?" आम्हाला आशा आहे की बरोबर उत्तर आहे डीसी बस कॅपेसिटर ऊर्जा संचयनासाठी वापरले जाते, सिरेमिक कॅपेसिटर फिल्टरिंगसाठी वापरले जातात.
आम्ही शोधत असलेले "योग्य" उत्तर प्रत्यक्षात असे दर्शविते की डिझाइन टीममधील प्रत्येकजण फिल्ड थिअरीच्या दृष्टीकोनातून नव्हे तर साध्या सर्किटच्या दृष्टीकोनातून कॅपेसिटरकडे पाहतो. सर्किट सिद्धांताचा दृष्टिकोन चुकीचा नाही. कमी फ्रिक्वेन्सीवर (काही kHz पासून काही MHz पर्यंत), सर्किट सिद्धांत सहसा समस्येचे स्पष्टीकरण देऊ शकते. याचे कारण असे की कमी फ्रिक्वेन्सीवर, सिग्नल मुख्यतः विभेदक मोडमध्ये असतो. सर्किट सिद्धांत वापरून, आम्ही आकृती 1 मध्ये दर्शविलेले कॅपेसिटर पाहू शकतो, जेथे समतुल्य मालिका प्रतिरोध (ESR) आणि समतुल्य मालिका इंडक्टन्स (ESL) वारंवारतेसह कॅपेसिटरच्या प्रतिबाधात बदल करतात.
जेव्हा सर्किट हळू हळू स्विच केले जाते तेव्हा हे मॉडेल सर्किट कार्यप्रदर्शन पूर्णपणे स्पष्ट करते. तथापि, वारंवारता वाढते म्हणून, गोष्टी अधिकाधिक क्लिष्ट होत जातात. काही क्षणी, घटक नॉन-लाइनरिटी दर्शवू लागतो. वारंवारता वाढते तेव्हा, साध्या LCR मॉडेलला मर्यादा असतात.
आज, जर मला हाच मुलाखतीचा प्रश्न विचारला गेला, तर मी माझा फील्ड थिअरी निरीक्षण चष्मा घालेन आणि म्हणेन की दोन्ही कॅपेसिटर प्रकार ऊर्जा साठवण उपकरणे आहेत. फरक असा आहे की इलेक्ट्रोलाइटिक कॅपेसिटर सिरेमिक कॅपेसिटरपेक्षा जास्त ऊर्जा साठवू शकतात. परंतु उर्जा संप्रेषणाच्या दृष्टीने, सिरेमिक कॅपेसिटर जलद ऊर्जा प्रसारित करू शकतात. हे स्पष्ट करते की सिरेमिक कॅपेसिटरला चिपच्या पुढे का ठेवावे लागते, कारण मुख्य पॉवर सर्किटच्या तुलनेत चिपमध्ये स्विचिंग वारंवारता आणि स्विचिंग गती जास्त असते.
या दृष्टीकोनातून, आम्ही कॅपेसिटरसाठी दोन कार्यप्रदर्शन मानके सहजपणे परिभाषित करू शकतो. एक म्हणजे कॅपेसिटर किती ऊर्जा साठवू शकतो आणि दुसरी म्हणजे ही ऊर्जा किती वेगाने हस्तांतरित केली जाऊ शकते. दोन्ही कॅपेसिटरच्या उत्पादन पद्धतीवर, डायलेक्ट्रिक सामग्रीवर, कॅपेसिटरशी जोडलेले कनेक्शन इत्यादींवर अवलंबून असतात.
जेव्हा सर्किटमधील स्विच बंद होते (आकृती 2 पहा), तेव्हा हे सूचित करते की लोडला उर्जा स्त्रोताकडून ऊर्जा आवश्यक आहे. हे स्विच ज्या वेगाने बंद होते ते ऊर्जा मागणीची निकड ठरवते. ऊर्जा प्रकाशाच्या वेगाने (FR4 मटेरियलमधील प्रकाशाच्या अर्ध्या गतीने) प्रवास करत असल्याने, ऊर्जा हस्तांतरित होण्यास वेळ लागतो. याव्यतिरिक्त, स्त्रोत आणि ट्रान्समिशन लाइन आणि लोड यांच्यामध्ये प्रतिबाधा जुळत नाही. याचा अर्थ असा की ऊर्जा एका ट्रिपमध्ये कधीही हस्तांतरित केली जाणार नाही, परंतु अनेक फेरीत 5, म्हणूनच जेव्हा स्विच पटकन स्विच केला जातो, तेव्हा आपल्याला स्विचिंग वेव्हफॉर्ममध्ये विलंब आणि रिंगिंग दिसेल.
आकृती 2: अवकाशात ऊर्जेचा प्रसार होण्यास वेळ लागतो; प्रतिबाधा जुळण्यामुळे ऊर्जा हस्तांतरणाच्या अनेक फेऱ्या होतात.
ऊर्जा वितरणास वेळ लागतो आणि अनेक फेऱ्या मारल्या जातात ही वस्तुस्थिती आम्हाला सांगते की आम्हाला ऊर्जा लोडच्या शक्य तितक्या जवळ हलवण्याची गरज आहे आणि आम्हाला ती लवकर वितरित करण्याचा मार्ग शोधण्याची आवश्यकता आहे. प्रथम सामान्यतः लोड, स्विच आणि कॅपेसिटरमधील भौतिक अंतर कमी करून प्राप्त केले जाते. नंतरचे सर्वात लहान प्रतिबाधासह कॅपेसिटरच्या गटास एकत्र करून प्राप्त केले जाते.
फील्ड थिअरी हे देखील स्पष्ट करते की सामान्य मोड आवाज कशामुळे होतो. थोडक्यात, जेव्हा स्विचिंग दरम्यान लोडची उर्जा मागणी पूर्ण होत नाही तेव्हा सामान्य मोड आवाज निर्माण होतो. त्यामुळे, भार आणि जवळच्या कंडक्टरमधील जागेत साठवलेली ऊर्जा स्टेप डिमांडला समर्थन देण्यासाठी प्रदान केली जाईल. लोड आणि जवळच्या कंडक्टरमधील जागा ज्याला आपण परजीवी/म्युच्युअल कॅपेसिटन्स म्हणतो (आकृती 2 पहा).
इलेक्ट्रोलाइटिक कॅपॅसिटर, मल्टीलेअर सिरेमिक कॅपेसिटर (MLCC) आणि फिल्म कॅपेसिटर कसे वापरायचे हे दाखवण्यासाठी आम्ही खालील उदाहरणे वापरतो. सर्किट आणि फील्ड सिद्धांत दोन्ही निवडक कॅपेसिटरच्या कार्यक्षमतेचे स्पष्टीकरण देण्यासाठी वापरले जातात.
इलेक्ट्रोलाइटिक कॅपेसिटर मुख्यतः डीसी लिंकमध्ये मुख्य ऊर्जा स्त्रोत म्हणून वापरले जातात. इलेक्ट्रोलाइटिक कॅपेसिटरची निवड सहसा यावर अवलंबून असते:
EMC कार्यक्षमतेसाठी, कॅपेसिटरची सर्वात महत्वाची वैशिष्ट्ये म्हणजे प्रतिबाधा आणि वारंवारता वैशिष्ट्ये. कमी-फ्रिक्वेंसी आयोजित उत्सर्जन नेहमी डीसी लिंक कॅपेसिटरच्या कार्यक्षमतेवर अवलंबून असते.
DC लिंकचा प्रतिबाधा केवळ कॅपेसिटरच्या ESR आणि ESL वर अवलंबून नाही, तर आकृती 3 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे थर्मल लूपच्या क्षेत्रावर देखील अवलंबून आहे. मोठ्या थर्मल लूप क्षेत्राचा अर्थ असा होतो की ऊर्जा हस्तांतरणास जास्त वेळ लागतो, त्यामुळे कार्यप्रदर्शन प्रभावित होईल.
हे सिद्ध करण्यासाठी एक स्टेप-डाउन डीसी-डीसी कन्व्हर्टर तयार केले गेले. आकृती 4 मध्ये दर्शविलेले पूर्व-अनुपालन EMC चाचणी सेटअप 150kHz आणि 108MHz दरम्यान आयोजित उत्सर्जन स्कॅन करते.
प्रतिबाधा वैशिष्ट्यांमधील फरक टाळण्यासाठी या केस स्टडीमध्ये वापरलेले कॅपेसिटर हे सर्व एकाच निर्मात्याचे आहेत याची खात्री करणे महत्वाचे आहे. पीसीबीवर कॅपेसिटर सोल्डरिंग करताना, लांब लीड नाहीत याची खात्री करा, कारण यामुळे कॅपेसिटरचा ESL वाढेल. आकृती 5 तीन कॉन्फिगरेशन दर्शविते.
या तीन कॉन्फिगरेशनचे चालवलेले उत्सर्जन परिणाम आकृती 6 मध्ये दर्शविले आहेत. हे पाहिले जाऊ शकते की, एकाच 680 µF कॅपेसिटरच्या तुलनेत, दोन 330 µF कॅपेसिटर विस्तीर्ण वारंवारता श्रेणीवर 6 dB ची ध्वनी कमी करण्याची कामगिरी साध्य करतात.
सर्किट सिद्धांतावरून, असे म्हटले जाऊ शकते की दोन कॅपेसिटर समांतर जोडून, ​​ESL आणि ESR दोन्ही अर्धवट केले जातात. फील्ड थिअरीच्या दृष्टिकोनातून, केवळ एक ऊर्जा स्त्रोत नाही, परंतु एकाच लोडवर दोन ऊर्जा स्त्रोत पुरवले जातात, ज्यामुळे एकूण ऊर्जा प्रसारण वेळ प्रभावीपणे कमी होतो. तथापि, उच्च फ्रिक्वेन्सीवर, दोन 330 µF कॅपेसिटर आणि एक 680 µF कॅपेसिटरमधील फरक कमी होईल. कारण उच्च वारंवारता आवाज अपुरा स्टेप एनर्जी प्रतिसाद दर्शवतो. 330 µF कॅपॅसिटर स्विचच्या जवळ हलवताना, आम्ही ऊर्जा हस्तांतरण वेळ कमी करतो, ज्यामुळे कॅपेसिटरचा स्टेप रिस्पॉन्स प्रभावीपणे वाढतो.
परिणाम आम्हाला एक अतिशय महत्त्वाचा धडा सांगतो. सिंगल कॅपेसिटरची कॅपॅसिटन्स वाढवल्याने सामान्यत: अधिक ऊर्जेच्या पायरी मागणीचे समर्थन होणार नाही. शक्य असल्यास, काही लहान कॅपेसिटिव्ह घटक वापरा. याची अनेक चांगली कारणे आहेत. पहिला खर्च आहे. सामान्यतः, समान पॅकेज आकारासाठी, कॅपेसिटरची किंमत कॅपेसिटन्स मूल्यासह वेगाने वाढते. अनेक लहान कॅपेसिटर वापरण्यापेक्षा एकच कॅपेसिटर वापरणे अधिक महाग असू शकते. दुसरे कारण म्हणजे आकार. उत्पादनाच्या डिझाइनमध्ये मर्यादित घटक सहसा घटकांची उंची असते. मोठ्या क्षमतेच्या कॅपेसिटरसाठी, उंची अनेकदा खूप मोठी असते, जी उत्पादनाच्या डिझाइनसाठी योग्य नसते. तिसरे कारण म्हणजे केस स्टडीमध्ये आम्ही पाहिलेली EMC कामगिरी.
इलेक्ट्रोलाइटिक कॅपेसिटर वापरताना विचारात घेण्यासारखे आणखी एक घटक म्हणजे जेव्हा तुम्ही व्होल्टेज सामायिक करण्यासाठी दोन कॅपेसिटर मालिकेत जोडता तेव्हा तुम्हाला बॅलन्सिंग रेझिस्टर 6 आवश्यक असेल.
आधी सांगितल्याप्रमाणे, सिरेमिक कॅपेसिटर ही लघु उपकरणे आहेत जी त्वरीत ऊर्जा प्रदान करू शकतात. मला अनेकदा प्रश्न विचारला जातो "मला किती कॅपेसिटरची गरज आहे?" या प्रश्नाचे उत्तर असे आहे की सिरेमिक कॅपेसिटरसाठी, कॅपेसिटन्स मूल्य इतके महत्त्वाचे नसावे. तुमच्या ऍप्लिकेशनसाठी ऊर्जा हस्तांतरणाची गती कोणत्या वारंवारतेवर पुरेशी आहे हे निर्धारित करणे येथे महत्त्वाचे आहे. जर आयोजित केलेले उत्सर्जन 100 MHz वर अयशस्वी झाले, तर 100 MHz वर सर्वात लहान प्रतिबाधा असलेला कॅपेसिटर चांगला पर्याय असेल.
हा एमएलसीसीचा आणखी एक गैरसमज आहे. मी पाहिले आहे की अभियंते सर्वात कमी ईएसआर आणि ईएसएल असलेले सिरेमिक कॅपेसिटर निवडण्यात खूप ऊर्जा खर्च करतात आणि कॅपेसिटरला लांब ट्रेसद्वारे RF संदर्भ बिंदूशी जोडण्यापूर्वी. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की MLCC चा ESL सहसा बोर्डवरील कनेक्शन इंडक्टन्सपेक्षा खूपच कमी असतो. सिरेमिक कॅपेसिटरच्या उच्च वारंवारता प्रतिबाधावर परिणाम करणारे कनेक्शन इंडक्टन्स हे अजूनही सर्वात महत्वाचे पॅरामीटर आहे.
आकृती 7 एक वाईट उदाहरण दाखवते. लांब ट्रेस (0.5 इंच लांब) कमीतकमी 10nH इंडक्टन्सचा परिचय देतात. सिम्युलेशन परिणाम दर्शविते की कॅपेसिटरचा प्रतिबाधा वारंवारता बिंदू (50 मेगाहर्ट्झ) वर अपेक्षेपेक्षा जास्त होतो.
MLCC मधील समस्यांपैकी एक म्हणजे ते बोर्डवरील प्रेरक संरचनेशी प्रतिध्वनी करतात. हे आकृती 8 मध्ये दर्शविलेल्या उदाहरणामध्ये पाहिले जाऊ शकते, जेथे 10 µF MLCC चा वापर अंदाजे 300 kHz वर अनुनाद सादर करतो.
तुम्ही मोठ्या ESR सह घटक निवडून किंवा कॅपेसिटरसह मालिकेत लहान मूल्याचा प्रतिरोधक (जसे की 1 ओम) ठेवून अनुनाद कमी करू शकता. या प्रकारची पद्धत प्रणाली दडपण्यासाठी हानीकारक घटक वापरते. दुसरी पद्धत म्हणजे रेझोनान्सला कमी किंवा उच्च रेझोनान्स बिंदूवर हलवण्यासाठी दुसरे कॅपेसिटन्स मूल्य वापरणे.
फिल्म कॅपेसिटर अनेक अनुप्रयोगांमध्ये वापरले जातात. ते हाय-पॉवर DC-DC कन्व्हर्टरसाठी निवडीचे कॅपेसिटर आहेत आणि ते पॉवर लाइन्स (AC आणि DC) आणि कॉमन-मोड फिल्टरिंग कॉन्फिगरेशनवर EMI सप्रेशन फिल्टर म्हणून वापरले जातात. फिल्म कॅपेसिटर वापरण्याचे काही मुख्य मुद्दे स्पष्ट करण्यासाठी आम्ही उदाहरण म्हणून X कॅपेसिटर घेतो.
जर एखादी लाट घटना घडली तर, ते रेषेवरील पीक व्होल्टेज ताण मर्यादित करण्यास मदत करते, म्हणून ते सामान्यतः ट्रान्झिएंट व्होल्टेज सप्रेसर (TVS) किंवा मेटल ऑक्साइड व्हॅरिस्टर (MOV) सह वापरले जाते.
तुम्हाला हे सर्व आधीच माहित असेल, परंतु तुम्हाला माहित आहे का की X कॅपेसिटरचे कॅपेसिटन्स मूल्य अनेक वर्षांच्या वापरासह लक्षणीयरीत्या कमी केले जाऊ शकते? हे विशेषतः खरे आहे जर कॅपेसिटर आर्द्र वातावरणात वापरला असेल. मी X कॅपेसिटरचे कॅपॅसिटन्स मूल्य एक किंवा दोन वर्षात त्याच्या रेट केलेल्या मूल्याच्या काही टक्क्यांपर्यंत खाली आलेले पाहिले आहे, त्यामुळे X कॅपेसिटरसह मूलतः डिझाइन केलेल्या सिस्टमने फ्रंट-एंड कॅपॅसिटरचे सर्व संरक्षण गमावले आहे.
तर, काय झाले? ओलावा हवा कॅपेसिटरमध्ये, वायरच्या वर आणि बॉक्स आणि इपॉक्सी पॉटिंग कंपाऊंडमध्ये गळती होऊ शकते. ॲल्युमिनियमचे मेटलायझेशन नंतर ऑक्सिडाइझ केले जाऊ शकते. ॲल्युमिना एक चांगला विद्युत विद्युतरोधक आहे, ज्यामुळे कॅपॅसिटन्स कमी होतो. ही एक समस्या आहे जी सर्व फिल्म कॅपेसिटरला सामोरे जाईल. मी ज्या मुद्द्याबद्दल बोलत आहे तो चित्रपट जाडीचा आहे. प्रतिष्ठित कॅपेसिटर ब्रँड जाड फिल्म्स वापरतात, परिणामी इतर ब्रँडपेक्षा मोठे कॅपेसिटर बनतात. पातळ फिल्म कॅपेसिटरला ओव्हरलोड (व्होल्टेज, करंट किंवा तापमान) करण्यासाठी कमी मजबूत बनवते आणि ते स्वतःच बरे होण्याची शक्यता नाही.
X कॅपेसिटर कायमस्वरूपी वीज पुरवठ्याशी जोडलेले नसल्यास, तुम्हाला काळजी करण्याची गरज नाही. उदाहरणार्थ, वीज पुरवठा आणि कॅपेसिटर दरम्यान कठोर स्विच असलेल्या उत्पादनासाठी, आकार जीवनापेक्षा अधिक महत्त्वाचा असू शकतो आणि नंतर आपण एक पातळ कॅपेसिटर निवडू शकता.
तथापि, जर कॅपेसिटर कायमस्वरूपी उर्जा स्त्रोताशी जोडलेले असेल तर ते अत्यंत विश्वासार्ह असणे आवश्यक आहे. कॅपेसिटरचे ऑक्सीकरण अपरिहार्य नाही. जर कॅपेसिटर इपॉक्सी मटेरियल चांगल्या दर्जाचे असेल आणि कॅपेसिटर बहुतेक वेळा अति तापमानाच्या संपर्कात नसेल, तर मूल्यातील घसरण कमीतकमी असावी.
या लेखात, प्रथम कॅपेसिटरचे फील्ड सिद्धांत दृश्य सादर केले. व्यावहारिक उदाहरणे आणि सिम्युलेशन परिणाम सर्वात सामान्य कॅपेसिटर प्रकार कसे निवडायचे आणि कसे वापरायचे ते दर्शवतात. आशा आहे की ही माहिती तुम्हाला इलेक्ट्रॉनिक आणि EMC डिझाइनमधील कॅपेसिटरची भूमिका अधिक व्यापकपणे समजून घेण्यास मदत करेल.
डॉ. मिन झांग हे EMC सल्लागार, समस्यानिवारण आणि प्रशिक्षणात विशेष असलेल्या यूके-आधारित अभियांत्रिकी कंपनी, Mach One Design Ltd चे संस्थापक आणि मुख्य EMC सल्लागार आहेत. पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्स, डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स, मोटर्स आणि उत्पादन डिझाइनमधील त्यांच्या सखोल ज्ञानाचा जगभरातील कंपन्यांना फायदा झाला आहे.
इन कम्प्लायन्स हे इलेक्ट्रिकल आणि इलेक्ट्रॉनिक अभियांत्रिकी व्यावसायिकांसाठी बातम्या, माहिती, शिक्षण आणि प्रेरणा यांचा मुख्य स्त्रोत आहे.
एरोस्पेस ऑटोमोटिव्ह कम्युनिकेशन्स कंझ्युमर इलेक्ट्रॉनिक्स एज्युकेशन एनर्जी आणि पॉवर इंडस्ट्री माहिती तंत्रज्ञान वैद्यकीय सैन्य आणि राष्ट्रीय संरक्षण