बातम्या

सर्किट बोर्डवर कॅपॅसिटर हा सर्वात जास्त वापरल्या जाणाऱ्या घटकांपैकी एक आहे. इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांची संख्या (मोबाईल फोनपासून कारपर्यंत) वाढत असल्याने कॅपेसिटरची मागणी वाढत आहे. कोविड 19 महामारीमुळे सेमीकंडक्टर्सच्या जागतिक घटक पुरवठा साखळीत व्यत्यय आला आहे. निष्क्रीय घटकांना, आणि कॅपॅसिटरचा पुरवठा कमी आहे1.
कॅपॅसिटरच्या विषयावरील चर्चा सहजपणे पुस्तकात किंवा शब्दकोशात बदलता येते. प्रथम, कॅपेसिटरचे विविध प्रकार आहेत, जसे की इलेक्ट्रोलाइटिक कॅपेसिटर, फिल्म कॅपेसिटर, सिरेमिक कॅपेसिटर आणि असेच. नंतर, त्याच प्रकारात, भिन्न प्रकार आहेत. डाईलेक्ट्रिक मटेरिअल्स.त्यातही वेगवेगळे वर्ग आहेत. भौतिक रचनेसाठी, दोन-टर्मिनल आणि तीन-टर्मिनल कॅपेसिटरचे प्रकार आहेत. एक X2Y प्रकारचा कॅपेसिटर देखील आहे, जो मूलत: एकामध्ये समाविष्ट केलेल्या Y कॅपेसिटरची जोडी आहे. सुपरकॅपॅसिटरचे काय? ?खरं तर, 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, तुम्हाला इंटरनेटवर जे सापडेल ते मी पुनरावृत्ती करणार नाही, परंतु व्यावहारिक उदाहरणांद्वारे कॅपेसिटर कसे निवडायचे आणि कसे वापरायचे हे दाखवून देईन. कॅपॅसिटर निवडीचे काही कमी ज्ञात पैलू, जसे की कॅपेसिटन्स डिग्रेडेशन, देखील समाविष्ट केले जातील. हा लेख वाचल्यानंतर, तुम्ही कॅपेसिटरच्या वापराची चांगली समज असणे आवश्यक आहे.
काही वर्षांपूर्वी, जेव्हा मी इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे बनवणाऱ्या कंपनीत काम करत होतो, तेव्हा आमच्याकडे पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्स इंजिनिअरसाठी मुलाखतीचा प्रश्न होता. सध्याच्या उत्पादनाच्या योजनाबद्ध आकृतीवर, आम्ही संभाव्य उमेदवारांना विचारू “डीसी लिंक इलेक्ट्रोलाइटिकचे कार्य काय आहे? कॅपेसिटर?" आणि "चिपच्या पुढे 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 कॅपेसिटरकडे साध्या सर्किटच्या दृष्टीकोनातून पाहतो, फील्ड सिद्धांताच्या दृष्टीकोनातून नाही. सर्किट सिद्धांताचा दृष्टिकोन चुकीचा नाही. कमी फ्रिक्वेन्सीवर (काही kHz पासून काही मेगाहर्ट्झ पर्यंत), सर्किट सिद्धांत सामान्यत: समस्येचे स्पष्टीकरण देऊ शकते. कारण कमी फ्रिक्वेन्सीवर, सिग्नल मुख्यतः विभेदक मोडमध्ये असतो. सर्किट सिद्धांत वापरून, आपण आकृती 1 मध्ये दर्शविलेले कॅपेसिटर पाहू शकतो, जेथे समतुल्य मालिका प्रतिरोध ( ESR) आणि समतुल्य मालिका इंडक्टन्स (ESL) वारंवारता सह कॅपेसिटर बदलाचा प्रतिबाधा बनवतात.
हे मॉडेल जेव्हा सर्किट हळूहळू स्विच केले जाते तेव्हा सर्किटच्या कार्यप्रदर्शनाचे पूर्णपणे स्पष्टीकरण देते. तथापि, जसजशी वारंवारता वाढते तसतसे गोष्टी अधिकाधिक क्लिष्ट होत जातात. काही क्षणी, घटक नॉन-लाइनरिटी दर्शवू लागतात. वारंवारता वाढते तेव्हा, साधे LCR मॉडेल त्याच्या मर्यादा आहेत.
आज, जर मला हाच मुलाखतीचा प्रश्न विचारला गेला, तर मी माझा फील्ड थिअरी निरीक्षण चष्मा घालेन आणि म्हणेन की दोन्ही प्रकारचे कॅपेसिटर ऊर्जा साठवण उपकरणे आहेत. फरक असा आहे की इलेक्ट्रोलाइटिक कॅपेसिटर सिरेमिक कॅपेसिटरपेक्षा जास्त ऊर्जा साठवू शकतात. परंतु ऊर्जा संप्रेषणाच्या दृष्टीने , सिरॅमिक कॅपेसिटर ऊर्जा जलद प्रसारित करू शकतात. हे स्पष्ट करते की सिरेमिक कॅपेसिटर चिपच्या पुढे का ठेवावे लागतात, कारण मुख्य पॉवर सर्किटच्या तुलनेत चिपमध्ये स्विचिंग वारंवारता आणि स्विचिंग गती जास्त असते.
या दृष्टीकोनातून, आम्ही कॅपेसिटरसाठी कार्यक्षमतेची दोन मानके सहजपणे परिभाषित करू शकतो. एक म्हणजे कॅपेसिटर किती ऊर्जा साठवू शकतो आणि दुसरे म्हणजे ही ऊर्जा किती वेगाने हस्तांतरित केली जाऊ शकते. दोन्ही गोष्टी कॅपेसिटरच्या उत्पादन पद्धतीवर, डायलेक्ट्रिक सामग्रीवर अवलंबून असतात. कॅपेसिटरसह कनेक्शन आणि असेच.
जेव्हा सर्किटमधील स्विच बंद असतो (आकृती 2 पहा), तेव्हा हे सूचित करते की लोडला उर्जा स्त्रोताकडून ऊर्जेची आवश्यकता असते. हे स्विच ज्या वेगाने बंद होते त्या वेगाने ऊर्जेच्या मागणीची निकड ठरवते. कारण ऊर्जा प्रकाशाच्या वेगाने प्रवास करते (अर्धा FR4 मटेरियलमधील प्रकाशाचा वेग), ऊर्जा हस्तांतरित होण्यास वेळ लागतो. शिवाय, स्त्रोत आणि ट्रान्समिशन लाइन आणि भार यांच्यामध्ये प्रतिबाधा जुळत नाही. याचा अर्थ ऊर्जा कधीही एका ट्रिपमध्ये हस्तांतरित केली जाणार नाही, परंतु अनेक वेळा round trips5, म्हणूनच जेव्हा स्विच पटकन स्विच होतो, तेव्हा आम्हाला स्विचिंग वेव्हफॉर्ममध्ये विलंब आणि रिंगिंग दिसते.
आकृती 2: अवकाशात ऊर्जेचा प्रसार होण्यास वेळ लागतो; प्रतिबाधा जुळण्यामुळे ऊर्जा हस्तांतरणाच्या अनेक फेऱ्या होतात.
ऊर्जा हस्तांतरणास वेळ लागतो आणि अनेक फेऱ्या मारल्या जातात ही वस्तुस्थिती आपल्याला सांगते की आपल्याला ऊर्जा स्त्रोत शक्य तितक्या जवळ भाराच्या जवळ शोधण्याची आवश्यकता आहे आणि आपल्याला ऊर्जा त्वरीत हस्तांतरित करण्याचा मार्ग शोधण्याची आवश्यकता आहे. प्रथम सामान्यतः भौतिक शक्ती कमी करून प्राप्त केले जाते. लोड, स्विच आणि कॅपेसिटरमधील अंतर. नंतरचे सर्वात लहान प्रतिबाधा असलेल्या कॅपेसिटरचा समूह एकत्र करून प्राप्त केले जाते.
फील्ड थिअरी हे देखील स्पष्ट करते की कॉमन मोड नॉइज कशामुळे होतो. थोडक्यात, जेव्हा स्विचिंग दरम्यान लोडची ऊर्जेची मागणी पूर्ण होत नाही तेव्हा कॉमन मोड नॉइज निर्माण होतो. त्यामुळे, लोड आणि जवळच्या कंडक्टरमधील जागेत साठवलेली ऊर्जा समर्थन पुरवली जाईल. स्टेप डिमांड. लोड आणि जवळच्या कंडक्टरमधील जागा ज्याला आपण परजीवी/म्युच्युअल कॅपेसिटन्स म्हणतो (आकृती 2 पहा).
इलेक्ट्रोलाइटिक कॅपॅसिटर, मल्टीलेयर सिरेमिक कॅपेसिटर (MLCC) आणि फिल्म कॅपेसिटर कसे वापरायचे हे दाखवण्यासाठी आम्ही खालील उदाहरणे वापरतो. निवडलेल्या कॅपेसिटरचे कार्यप्रदर्शन स्पष्ट करण्यासाठी सर्किट आणि फील्ड सिद्धांत दोन्ही वापरले जातात.
इलेक्ट्रोलाइटिक कॅपेसिटर मुख्यतः डीसी लिंकमध्ये मुख्य ऊर्जा स्त्रोत म्हणून वापरले जातात. इलेक्ट्रोलाइटिक कॅपेसिटरची निवड अनेकदा यावर अवलंबून असते:
EMC कार्यक्षमतेसाठी, कॅपेसिटरची सर्वात महत्वाची वैशिष्ट्ये म्हणजे प्रतिबाधा आणि वारंवारता वैशिष्ट्ये. कमी-फ्रिक्वेंसी आयोजित उत्सर्जन नेहमी DC लिंक कॅपेसिटरच्या कार्यक्षमतेवर अवलंबून असते.
DC लिंकचा प्रतिबाधा केवळ कॅपेसिटरच्या ESR आणि ESL वर अवलंबून नाही तर थर्मल लूपच्या क्षेत्रावर देखील अवलंबून आहे, आकृती 3 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे. 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 आहे. 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 महत्त्वाचे आहे. PCB वर कॅपेसिटर सोल्डरिंग करताना, लांब लीड नाहीत याची खात्री करा, कारण यामुळे ESL वाढेल. कॅपेसिटर. आकृती 5 तीन कॉन्फिगरेशन दाखवते.
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 मोठ्या फ्रिक्वेंसी श्रेणीवर 6 dB ची ध्वनी कमी करण्याची कामगिरी साध्य करतात.
सर्किट सिद्धांतावरून, असे म्हणता येईल की दोन कॅपेसिटर समांतर जोडल्याने, ESL आणि ESR दोन्ही अर्धवट केले जातात. फील्ड थिअरीच्या दृष्टिकोनातून, फक्त एक ऊर्जा स्त्रोत नाही तर एकाच लोडला दोन ऊर्जा स्त्रोत पुरवले जातात. , एकूण ऊर्जा प्रसारण वेळ प्रभावीपणे कमी करते. तथापि, उच्च फ्रिक्वेन्सीवर, दोन 330 µF कॅपेसिटर आणि एक 680 µF कॅपेसिटरमधील फरक कमी होईल. हे असे आहे कारण उच्च वारंवारता आवाज अपुरा टप्पे ऊर्जा प्रतिसाद दर्शवतो. 330 µF कॅपेसिटर जवळ हलवताना स्विच, आम्ही ऊर्जा हस्तांतरण वेळ कमी करतो, ज्यामुळे कॅपेसिटरचा स्टेप रिस्पॉन्स प्रभावीपणे वाढतो.
परिणाम आम्हाला एक अतिशय महत्त्वाचा धडा सांगतो. एका कॅपेसिटरची क्षमता वाढवण्याने सामान्यत: अधिक ऊर्जेची मागणी पूर्ण होणार नाही. शक्य असल्यास, काही लहान कॅपेसिटिव्ह घटक वापरा. ​​यासाठी बरीच चांगली कारणे आहेत. पहिली किंमत आहे. सर्वसाधारणपणे त्याच पॅकेजच्या आकारासाठी, कॅपेसिटरची किंमत कॅपॅसिटन्स मूल्यासह झपाट्याने वाढते. अनेक लहान कॅपेसिटर वापरण्यापेक्षा एक कॅपेसिटर वापरणे अधिक महाग असू शकते. दुसरे कारण म्हणजे आकार. उत्पादन डिझाइनमध्ये मर्यादित घटक सामान्यतः उंची असते घटकांचे. मोठ्या-क्षमतेच्या कॅपेसिटरसाठी, उत्पादन डिझाइनसाठी उंची अनेकदा खूप मोठी असते. 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, सिरॅमिक कॅपॅसिटर ही लघु उपकरणे आहेत जी त्वरीत ऊर्जा प्रदान करू शकतात. मला अनेकदा प्रश्न विचारला जातो की “मला किती कॅपेसिटरची आवश्यकता आहे?” या प्रश्नाचे उत्तर असे आहे की सिरेमिक कॅपेसिटरसाठी, कॅपेसिटन्स मूल्य इतके महत्त्वाचे नसावे. तुमच्या ऍप्लिकेशनसाठी कोणत्या फ्रिक्वेन्सीवर ऊर्जा हस्तांतरणाचा वेग पुरेसा आहे हे ठरवणे येथे महत्त्वाचा विचार आहे. 100 MHz वर चालवलेले उत्सर्जन अयशस्वी झाल्यास, 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 निवडण्यासाठी भरपूर ऊर्जा खर्च करतात आणि कॅपेसिटरला लांब ट्रेसद्वारे आरएफ संदर्भ बिंदूशी जोडण्याआधी. हे नमूद करण्यासारखे आहे की एमएलसीसीचे ईएसएल सहसा जास्त असते. बोर्डवरील कनेक्शन इंडक्टन्सपेक्षा कमी. कनेक्शन इंडक्टन्स हे सिरेमिक कॅपेसिटरच्या उच्च वारंवारता प्रतिबाधावर परिणाम करणारे सर्वात महत्वाचे पॅरामीटर आहे7.
आकृती 7 एक वाईट उदाहरण दाखवते. लाँग ट्रेस (0.5 इंच लांब) कमीतकमी 10nH इंडक्टन्सचा परिचय देतात. सिम्युलेशन परिणाम दर्शविते की कॅपेसिटरचा प्रतिबाधा वारंवारता बिंदू (50 MHz) वर अपेक्षेपेक्षा खूप जास्त होतो.
MLCCs मधील समस्यांपैकी एक म्हणजे ते बोर्डवरील प्रेरक संरचनेशी अनुनाद 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 रोधक (जसे की 1 ohm) टाकून अनुनाद कमी करू शकता. या प्रकारची पद्धत प्रणाली दाबण्यासाठी नुकसानकारक घटक वापरते. दुसरी पद्धत म्हणजे दुसरी कॅपेसिटन्स वापरणे. रेझोनान्स कमी किंवा उच्च रेझोनान्स बिंदूवर हलविण्यासाठी मूल्य.
फिल्म कॅपॅसिटर अनेक ऍप्लिकेशन्समध्ये वापरले जातात. ते उच्च-पॉवर डीसी-डीसी कन्व्हर्टरसाठी पसंतीचे कॅपेसिटर आहेत आणि पॉवर लाइन्स (एसी आणि डीसी) आणि कॉमन-मोड फिल्टरिंग कॉन्फिगरेशनमध्ये ईएमआय सप्रेशन फिल्टर म्हणून वापरले जातात. आम्ही एक्स कॅपेसिटर घेतो फिल्म कॅपेसिटर वापरण्याचे काही मुख्य मुद्दे स्पष्ट करण्यासाठी एक उदाहरण.
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 वापराने लक्षणीयरीत्या कमी केले जाऊ शकते? हे विशेषतः खरे आहे जर कॅपेसिटर दमट वातावरणात वापरला गेला असेल. मी कॅपेसिटन्स मूल्य पाहिले आहे. X कॅपेसिटर फक्त एक किंवा दोन वर्षात त्याच्या रेट केलेल्या मूल्याच्या काही टक्के कमी होते, त्यामुळे X कॅपेसिटरने मूलतः डिझाइन केलेल्या सिस्टमने फ्रंट-एंड कॅपेसिटरला असणारे सर्व संरक्षण प्रत्यक्षात गमावले.
तर, काय झाले? ओलावा हवा कॅपॅसिटरमध्ये, वायरच्या वर आणि बॉक्स आणि इपॉक्सी पॉटिंग कंपाऊंडमध्ये गळती होऊ शकते. ॲल्युमिनियमचे मेटलायझेशन नंतर ऑक्सिडाइझ केले जाऊ शकते. ॲल्युमिना एक चांगला विद्युत इन्सुलेटर आहे, ज्यामुळे कॅपेसिटन्स कमी होतो. ही एक समस्या आहे सर्व फिल्म कॅपेसिटर समोर येतील. मी ज्या मुद्द्याबद्दल बोलत आहे तो फिल्म जाडीचा आहे. प्रतिष्ठित कॅपेसिटर ब्रँड जाड फिल्म्स वापरतात, परिणामी इतर ब्रँड्सपेक्षा मोठे कॅपेसिटर बनतात. पातळ फिल्म कॅपेसिटर ओव्हरलोड करण्यासाठी कमी मजबूत करते (व्होल्टेज, करंट किंवा तापमान), आणि ते स्वतःच बरे होण्याची शक्यता नाही.
जर X कॅपॅसिटर कायमस्वरूपी वीज पुरवठ्याशी जोडलेला नसेल, तर तुम्हाला काळजी करण्याची गरज नाही. उदाहरणार्थ, वीज पुरवठा आणि कॅपेसिटर यांच्यामध्ये कठोर स्विच असलेल्या उत्पादनासाठी, आकार जीवनापेक्षा जास्त महत्त्वाचा असू शकतो आणि नंतर तुम्ही पातळ कॅपेसिटर निवडू शकता.
तथापि, जर कॅपेसिटर कायमस्वरूपी उर्जा स्त्रोताशी जोडलेले असेल तर ते अत्यंत विश्वासार्ह असले पाहिजे. कॅपेसिटरचे ऑक्सिडेशन अपरिहार्य नाही. जर कॅपेसिटर इपॉक्सी सामग्री चांगल्या दर्जाची असेल आणि कॅपेसिटर बहुतेक वेळा अत्यंत तापमानाच्या संपर्कात नसेल तर, कॅपेसिटरमध्ये घट होते. मूल्य किमान असावे.
या लेखात, प्रथम कॅपेसिटरचे फील्ड सिद्धांत दृश्य सादर केले आहे. 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. त्यांच्या पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्स, डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स, मोटर्स आणि उत्पादन डिझाइनमधील सखोल ज्ञानाचा फायदा झाला आहे. जगभरातील कंपन्या.
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