Назначение и устройство конденсатора: назначение, характеристики, виды. Примеры использования

Конденсаторы постоянной емкости подразделяются на различные типы в зависимости от используемого в их конструкции диэлектрического материала. различные типы фиксированных конденсаторов:

Бумажный конденсатор           

Вы можете подумать, почему он называется Бумажный конденсатор ? Ты знаешь? Бумажный конденсатор также известен как фиксированный конденсатор , и он называется Бумажный конденсатор , потому что в этом типе конденсатора бумага используется в качестве диэлектрической среды, которая накапливает энергию в виде электрического поля. Эти конденсаторы используются на частоте сети с емкостью от 1 нФ до 1 мкФ. Он хранит фиксированное количество электрического заряда.

Бумажный конденсатор или Конденсатор постоянной емкости состоит из двух металлических пластин с бумагой из диэлектрического материала между ними. Он имеет положительные и отрицательные пластины. Когда к пластинам прикладывается небольшое количество электрического заряда, положительный заряд притягивается к одной пластине, а отрицательный заряд притягивается к другой пластине. Эта электрическая энергия хранится в виде электрического поля. Эта накопленная электрическая энергия используется для разрядки конденсатора. Они доступны в диапазоне от 500 пФ до 50 нФ. Они обеспечивают высокие токи утечки.

Слюдяные конденсаторы

Среди других типов конденсаторов , слюдяные конденсаторы  являются наиболее стабильными, надежными и высокоточными конденсаторами . Эти конденсаторы доступны от низкого до высокого напряжения. Слюдяные конденсаторы используются в приложениях, где требуется высокая точность и низкое изменение емкости во времени. Эти конденсаторы могут эффективно работать на высоких частотах.

Слюда представляет собой группу природных минералов. Конденсаторы из серебряной слюды — это конденсаторы, в которых используется слюда в качестве диэлектрика. Существует два типа слюдяных конденсаторов: слюдяные конденсаторы с зажимами и серебряно-слюдяные конденсаторы . Зажимные слюдяные конденсаторы в настоящее время считаются устаревшими из-за их худших характеристик. Вместо них используются серебряно-слюдяные конденсаторы . они сделаны из листов слюды, покрытых металлом с каждой стороны. Затем эту сборку заливают эпоксидной смолой, чтобы защитить ее от окружающей среды. Слюдяные конденсаторы в основном используются, когда конструкция требует стабильных и надежных конденсаторов относительно небольших номиналов. это конденсаторы с малыми потерями, что позволяет использовать их на высоких частотах, и их стоимость не сильно меняется со временем.

Керамические конденсаторы

Керамические конденсаторы используются в высокочастотных цепях, таких как аудио и радиочастоты. они также являются самым простым выбором для компенсации высоких частот в аудиосхемах. Керамические конденсаторы также известны как дисковые конденсаторы . Керамические конденсаторы изготавливаются путем покрытия двух сторон небольшого фарфорового или керамического диска серебром, а затем складываются вместе, образуя конденсатор . Можно сделать как с низкой емкостью , так и с высокой емкостью в керамических конденсаторах , изменив толщину используемого керамического диска. Керамический конденсатор показан на рисунке ниже.

Они демонстрируют большие нелинейные изменения емкости в зависимости от температуры и в результате используются в качестве развязывающих или обходных конденсаторов , поскольку они также являются неполяризованными устройствами. Керамические конденсаторы имеют значения от нескольких пикофарад до как минимум одного или двух микрофарад (мкФ), но их номинальное напряжение, как правило, довольно низкое.

Керамические конденсаторы типа обычно имеют трехзначный код, напечатанный на их корпусе, чтобы определить значение их емкости в пикофарадах. Как правило, первые две цифры указывают номинал конденсаторов, поэтому третья цифра указывает количество нулей, которые необходимо добавить. например, керамический дисковый конденсатор с маркировкой 103 будет обозначать 10 и три нуля в пикофарадах, что соответствует 10 000 пФ или 10 нФ.

Пленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы состоят из относительно большого семейства конденсаторов с разницей в их диэлектрических свойствах и являются наиболее доступными из всех типов конденсаторов . К ним относятся полиэстер (майлар), полистирол, полипропилен, поликарбонат, металлизированная бумага, тефлон и т. д. Они доступны практически любого номинала и напряжения до 1500 вольт. они доступны с любым допуском от 10% до 0,01%. Пленочные конденсаторы также поставляются в комбинации форм и стилей корпуса. Есть два вида 9Пленочные конденсаторы 0007 , с радиальным выводом и осевым выводом. Электроды пленочных конденсаторов также могут быть металлизированными из алюминия или цинка, нанесенными на одну или каждую сторону пленки, что приводит к металлизированным пленочным конденсаторам , называемым пленочными конденсаторами .

Электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы почти используются во всех электронных схемах, они чаще всего используются в источниках питания в качестве 9Развязывающие конденсаторы 0007 , это наиболее часто используемые конденсаторы и имеют хорошую допустимую емкость. Как и резисторы, конденсаторы доступны в различных размерах. Электролитические конденсаторы имеют полярность . Эти конденсаторы имеют положительную и заземляющую ножки. Заземляющая ножка снабжена длинной полосой. Другая идентификация может заключаться в том, что положительная ветвь немного длиннее заземляющей. Но во многих ситуациях, когда обе штанины одинакового размера, то длинная полоска с одной стороны c 9В качестве идентификации используется конденсатор 0007 , ветвь со стороны полосы будет заземляющей ветвью. Электролитические конденсаторы можно найти с рабочим напряжением примерно до 500 В, хотя самые лучшие значения емкости недоступны при высоком напряжении, а более подходящие температурные единицы доступны, но встречаются редко. Есть два типа электролитов: тантал и алюминий .

Танталовые конденсаторы обычно имеют лучшую производительность, более высокую стоимость и работают только в более ограниченном диапазоне параметров. Диэлектрические свойства оксид тантала намного превосходит оксид алюминия, обеспечивая более аккуратный ток утечки и лучшую емкость прочность, что делает их подходящими для блокирующих , развязывающих , фильтрующих применений .

Толщина пленки оксида алюминия и повышенное напряжение пробоя дают конденсаторам исключительно повышенные значения емкости для его или ее размера. при конденсаторе пластины фольги анодируют постоянным током, устанавливая конец материала пластины и подтверждая полярность ее стороны.

Переменные конденсаторы

Переменный конденсатор — это тип конденсатора , чья емкость может быть изменена механически. Эти типы конденсаторов снабжены ручками или винтами. Эти конденсаторы типа используются в цепях, где нам необходимо настроить частоту, т.е. частоту резонанса в LC-цепях, например, для регулирования радиоприемника для согласования импеданса в устройствах антенного тюнера.

Эти переменные конденсаторы используются во многих областях, например, для настройки LC-цепей радиоприемников, для согласования импедансов в антеннах и т. д. Основными типами переменных конденсаторов являются Настроечные конденсаторы и Подстроечные конденсаторы .

Подстроечные конденсаторы

Подстроечные конденсаторы являются популярным видом переменных конденсаторов . Настроечные конденсаторы содержат статор, ротор и раму для поддержки статора и слюдяной конденсатор . Детали конструкции настроечного конденсатора показаны на следующем рисунке.

Статор может быть неподвижной частью, а ротор вращаться за счет движения подвижного вала. Пластины ротора при перемещении в пазы статора выступают на грани формы пластин конденсатора. Когда пластины ротора полностью входят в пазы статора, значение емкости максимально, а если нет, емкость 9Значение 0008 является минимальным.

Устройство состоит из двух параллельных проводящих металлических пластин, разделенных изолятором, называемым диэлектрик . Проводящий материал состоит из алюминия или другого металла, а диэлектрик может быть изготовлен из керамики, стекла, бумаги или пластика. Металлические пластины 9Конденсатор 0007 может быть как квадратным, круглым или прямоугольным, так и любой другой формы и размера. Из каждой пластины выводится по два провода, чтобы можно было подключить устройство к цепи.

Когда напряжение подается на два провода через источник батареи, заряд откладывается на пластинах конденсатора . Пока это напряжение равно напряжению батареи (E), цепь находится в состоянии баланса. Когда мы разрываем соединение батареи, заряды не могут утечь, и напряжение между двумя пластинами остается стабильным. Эта комбинация двух пластин, разделенных изолятором и способных накапливать некоторое количество электричества, называется 9. конденсатор 0007 или конденсатор .

Использование конденсаторов

Конденсаторы используются почти во всех видах электронных схем. Конденсаторы могут быть поляризованными или неполяризованными, постоянными или переменными. Конденсаторы служат для нескольких важных применений в схемотехнике, предоставляя разработчикам гибкие варианты фильтров, шумоподавление, накопление энергии и сенсорные возможности.

Применение фильтров

В сочетании с резисторами, 9 шт.Конденсаторы 0007 часто применяют в качестве основного элемента частотно-избирательных фильтров. Доступные конструкции и топологии фильтров многочисленны и могут быть адаптированы к частоте и производительности путем выбора надлежащих значений и качества компонентов. Некоторые типы конструкций фильтров включают:

• Фильтр верхних частот
• Фильтр нижних частот
• Полосовой фильтр
• Ленточный стопорный фильтр
• Режущий фильтр
• Всепроходной фильтр
• Выравнивающий фильтр

Развязывающий/обходной конденсатор

Вы могли видеть конденсаторы , припаянные рядом с выводами питания микросхем или на входных и выходных выводах регуляторов напряжения, это Развязывающие конденсаторы. Конденсаторы играют важнейшую роль в стабильной работе цифровой электроники, защищая чувствительные микросхемы от помех в сигнале питания, которые могут вызывать аномальное поведение. Конденсаторы, используемые в этом приложении, называются развязывающими конденсаторами и должны быть размещены как можно ближе к каждому микрочипу, чтобы быть наиболее эффективными, поскольку все дорожки схемы действуют как антенны и будут улавливать шум из окружающей среды. Развязывающие и обходные конденсаторы также используются в любой области цепи для снижения общего воздействия электрических помех.

Соединительный или блокировочный конденсатор по постоянному току

Конденсаторы часто используются для разделения компонентов переменного и постоянного тока. Поскольку конденсаторы способны пропускать сигналы переменного тока, блокируя постоянный ток, их можно использовать для разделения компонентов переменного и постоянного тока в сигнале. Значение конденсатора не обязательно должно быть точным или точным для связи, но оно должно быть высоким, поскольку реактивное сопротивление конденсатора влияет на производительность в приложениях связи.

Снабберные конденсаторы

В цепях с высокоиндуктивной нагрузкой, такой как двигатель или трансформатор, могут возникать большие переходные скачки мощности, поскольку энергия, запасенная в индуктивной нагрузке, внезапно разряжается, что приводит к повреждению компонентов и контактов. Применение конденсатора может ограничить или сгладить скачок напряжения в цепи, сделав работу более безопасной, а цепь более надежной. В маломощных цепях использование метода демпфирования предотвращает создание нежелательных радиочастотных помех, которые вызывают аномальное поведение в цепях и затрудняют получение сертификации и одобрения продукта.

Импульсные силовые конденсаторы

По сути, конденсаторы представляют собой крошечные батареи, которые предлагают уникальные возможности накопления энергии, превосходящие возможности химических батарей. Когда требуется много энергии за короткий промежуток времени, большие конденсаторы и батареи конденсаторов являются лучшим вариантом для многих приложений. Батареи конденсаторов используются для хранения энергии в таких приложениях, как импульсные лазеры, радары, ускорители частиц и рельсотроны. Обычное применение 9Конденсатор импульсной мощности 0007 находится во вспышке на одноразовой камере, которая заряжается, а затем быстро разряжается через вспышку, обеспечивая большой импульс тока.

Резонансные или настроенные цепи

Хотя резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности образуют фильтры, определенные комбинации также могут привести к резонансному усилению входного сигнала. Эти схемы используются для усиления сигналов на резонансной частоте, создания высокого напряжения из низковольтных входов, в качестве генераторов и настроенных фильтров. В резонансных цепях необходимо соблюдать осторожность при выборе компонентов, которые могут выдержать напряжения, которые компоненты видят на них, иначе они быстро выйдут из строя.

Применение емкостных датчиков

Емкостные датчики в последнее время стали обычным явлением в передовых устройствах бытовой электроники, хотя емкостные датчики десятилетиями использовались в различных приложениях для измерения положения, влажности, уровня жидкости, качества изготовления. контроль и ускорение. Емкостное зондирование работает путем обнаружения изменения емкости локальной среды через изменение диэлектрика — изменение расстояния между пластинами 0007 конденсатор или изменение площади конденсатора .

Фото предоставлено Википедией

Лабораторные заметки о конденсаторах [Analog Devices Wiki]

Эта версия (03 января 2021 г., 22:24) была одобрена Робином Гетцем. Предыдущая версия (17 июня 2013 г., 14:45) имеется в наличии.

Содержание

• Лабораторные заметки по конденсаторам

  • Функция:

  • Емкость:

    • Поляризованные конденсаторы (обычно большие номиналы, => 1 мкФ)

    • Неполярные конденсаторы (небольшие номиналы, до 1 мкФ)

  • Код номера конденсатора

    • Цветовой код конденсатора

    • Полистирольные конденсаторы

    • Реальные номиналы конденсаторов (серии E3 и E6)

  • Понимание паразитных эффектов в конденсаторах:

  • Паразитная емкость:

  • СРАВНИТЕЛЬНАЯ ТАБЛИЦА КОНДЕНСАТОРОВ

    • Для получения дополнительной информации о пассивных компонентах см. :

Функция:

Конденсатор — это электрическое устройство для накопления заряда. Как правило, конденсаторы состоят из двух или более пластин из проводящего материала, разделенных слоем или слоями изоляторов. Конденсатор может накапливать энергию для возврата в цепь по мере необходимости.
Емкость (Кл) определяется как отношение накопленного заряда (Q) к разности потенциалов ( В ) между проводниками:

Емкость измеряется в фарадах (F) и

Энергия, запасенная в конденсаторе, может быть найдена с помощью любого из следующих трех уравнений, каждое из которых относится к разным переменным:

Конденсаторы в сочетании с резисторами используются в схемах синхронизации и фильтрах. Они используются для сглаживания или фильтрации изменяющейся мощности постоянного тока, подаваемой выпрямителями переменного тока в постоянный, действуя как резервуар для хранения заряда. Они также используются в некоторых усилителях и схемах формирования сигналов, потому что конденсаторы легко пропускают высокочастотные сигналы переменного тока, но блокируют сигналы постоянного тока (постоянные).

Емкость:

Это мера способности конденсатора накапливать заряд. Большая емкость означает, что будет храниться больше заряда на вольт. Емкость измеряется в фарадах, символ F. Один фарад — это очень большая емкость, поэтому для обозначения меньших значений используются префиксы.
Используются три префикса (множителя): µ (микро), n (нано) и p (пико):

• мк означает 10 ^-6 (миллионная), поэтому 1000 мкФ = 0,001 Ф

• n означает 10 ^-9 (тысячно-миллионная), поэтому 1000 нФ = 1 мкФ

• p означает 10 ^-12 (миллионно-миллионных), поэтому 1000 пФ = 1 нФ

Значения конденсатора может быть очень трудно определить, просто взглянув на конденсатор, потому что существует много типов конденсаторов с разными системами маркировки.

Существует много типов конденсаторов, но их можно разделить на две группы: поляризованные и неполяризованные . Каждая группа имеет свое обозначение цепи.

Поляризованные конденсаторы (обычно большие номиналы, => 1 мкФ)

Примеры:

Символ цепи:

Электролитические конденсаторы:

Электролитические конденсаторы поляризованы и они должны быть подключены с правильной ориентацией , по крайней мере один из их выводов будет помечен знаком + или -. Как правило, они не повреждаются при нагревании при пайке, но могут перегреться и выйти из строя при подключении с неправильной полярностью.

Есть две конструкции электролитических конденсаторов; аксиальный , где выводы присоединены к каждому концу, и радиальный , где оба вывода находятся на одном конце. Радиальные конденсаторы, как правило, немного меньше и стоят вертикально на печатной плате, в то время как аксиальные конденсаторы могут иметь более низкий профиль на печатной плате, но могут занимать больше места.

Значение электролитических конденсаторов легко найти, потому что на них четко указаны их емкость и номинальное напряжение. Номинальное напряжение может быть довольно низким (например, 6 В), и его всегда следует проверять при выборе электролитического конденсатора. Если в списке деталей проекта не указано напряжение, выберите конденсатор с номиналом, превышающим напряжение источника питания проекта. 25 В — разумный минимум для большинства аккумуляторных цепей.

Танталовые шариковые конденсаторы

Танталовые шариковые конденсаторы поляризованы и имеют низкое номинальное напряжение, как и электролитические конденсаторы. Они могут быть дороже, но очень малы, поэтому их используют там, где нужна большая емкость в небольшом пространстве.

Современные танталовые шариковые конденсаторы печатаются с полной емкостью и напряжением. Однако более старые используют систему цветового кода, которая имеет две полосы (для двух цифр) и цветное пятно для количества нулей, чтобы дать значение в мкФ. Используется стандартный цветовой код, но для пятна 9.0007 серый используется для обозначения × 0,01, а белый означает × 0,1, поэтому могут отображаться значения менее 10 мкФ. Третья цветная полоса рядом с выводами показывает напряжение (желтая 6,3 В, черная 10 В, зеленая 16 В, синяя 20 В, серая 25 В, белая 30 В, розовая 35 В).
Например: синее, серое, черное пятно переводится как 68 мкФ
Например: синее, серое, белое пятно переводится как 6,8 мкФ
Например: синее, серое, серое пятно переводится как 0,68 мкФ

Неполяризованные конденсаторы (небольшие номиналы, до 1 мкФ)

Примеры:

Символ цепи:

Конденсаторы малой емкости неполяризованы и могут быть подключены в любом направлении. Они не повреждаются при нагреве при пайке, за исключением одного необычного типа (полистирол). Они имеют номинальное напряжение не менее 50 В, обычно 250 В или около того. Может быть трудно найти значения этих маленьких конденсаторов, потому что существует много их типов и несколько разных систем маркировки!

У многих конденсаторов небольшой емкости указан номинал, но без множителя, поэтому вам нужно использовать опыт, чтобы определить, каким должен быть множитель!

Например, 0,1 переводится как 0,1 мкФ = 100 нФ.

Иногда вместо десятичной точки используется множитель:
Например: 4n7 переводится как 4,7 нФ.

Код номера конденсатора

Цифровой код часто используется на небольших конденсаторах, где печать затруднена:

1. 1-й номер — это 1-я цифра,

2. 2-й номер — это 2-я цифра,

3. 3-я цифра — это количество нулей для получения емкости в пФ .

4. Не обращайте внимания на любые буквы — они указывают допуск и номинальное напряжение.

Например: 102 переводится как 1000 пФ = 1 нФ (не 102 пФ!)
Например: 472J переводится как 4700 пФ = 4,7 нФ (J = допуск 5%).

Цветовой код конденсатора

Цветовой код, аналогичный цветовому коду резистора, использовался на полиэфирных конденсаторах в течение многих лет. В настоящее время он более или менее устарел, но, конечно, многие из них все еще существуют. Цвета следует читать так же, как код резистора, три верхние цветовые полосы дают значение в пФ . Игнорируйте 4-й диапазон (допуск) и 5-й диапазон (номинальное напряжение).

Цветовой код

Например:
коричневый, черный, оранжевый переводится как 10000 пФ = 10 нФ = 0,01 мкФ.

Обратите внимание, что между цветными полосами нет промежутков, поэтому две одинаковые полосы на самом деле выглядят как одна широкая полоса.

Например:
широкий красный, желтый переводится как 220 нФ = 0,22 мкФ.

Полистирольные конденсаторы

Сейчас этот тип используется редко. Их значение (в пФ ) обычно печатается без единиц измерения. Полистирольные конденсаторы могут быть повреждены теплом при пайке (он плавит полистирол!), поэтому во время пайки следует использовать радиатор (например, зажим типа «крокодил»). прикрепите радиатор к проводу между конденсатором и паяным соединением.

Реальные значения конденсаторов (серии E3 и E6)

Вы могли заметить, что конденсаторы доступны не во всех возможных значениях, например, 22 мкФ и 47 мкФ легко доступны, а 25 мкФ и 50 мкФ — нет.

Почему это? Представьте, что вы решили делать конденсаторы каждые 10 мкФ, дающие 10, 20, 30, 40, 50 и так далее. Это кажется прекрасным, но что произойдет, когда вы достигнете 1000? Было бы бессмысленно делать 1000, 1010, 1020, 1030 и т. д., потому что для этих значений 10 — это относительно небольшая разница, слишком маленькая, чтобы быть заметной в большинстве схем, и конденсаторы не могут быть изготовлены с такой точностью.

Чтобы получить разумный диапазон значений конденсатора, вам необходимо увеличить размер «шага» по мере увеличения значения. Стандартные номиналы конденсаторов основаны на этой идее и образуют серию, которая соответствует одному и тому же шаблону для каждого числа, кратного десяти.

Серия E3 (3 значения для каждого кратного десяти)
10, 22, 47, … затем продолжается 100, 220, 470, 1000, 2200, 4700, 10000 и т. д.

Обратите внимание, как размер шага увеличивается по мере увеличения значения (каждый раз значения примерно удваиваются).
Серия E6 (6 значений для каждого кратного десяти)
10, 15, 22, 33, 47, 68, … затем продолжается 100, 150, 220, 330, 470, 680, 1000 и т. д.
Обратите внимание, что это серия E3 с дополнительным значением в промежутках.

Серия E3 наиболее часто используется для конденсаторов, потому что многие типы не могут быть изготовлены с очень точными значениями.

Понимание паразитных эффектов в конденсаторах:

Определить правильный тип конденсатора для конкретной схемы не так уж и сложно. Как правило, вы обнаружите, что большинство конденсаторов относятся к одной из четырех категорий применения:

1. Связь по переменному току, включая обход (пропуск сигналов переменного тока при блокировке постоянного тока)

2. Развязка (фильтрация переменного тока или высоких частот, наложенных на постоянный ток или низкие частоты в силовых, опорных и сигнальных цепях)

3. Активные/пассивные RC-фильтры или частотно-избирательные сети

4. Аналоговые интеграторы и схемы выборки и хранения (получение и хранение заряда)

Рис. 1 Применение конденсаторов

Несмотря на то, что существует более дюжины или около того популярных типов конденсаторов, включая полимерные, пленочные, керамические, электролитические и т. д., вы обнаружите, что, как правило, только один или два типа лучше всего подходят для конкретного приложения, потому что существенные недостатки или «паразитные эффекты» на производительность системы, связанные с другими типами конденсаторов, заставят их устранить.

В отличие от «идеального» конденсатора, «настоящий» конденсатор характеризуется дополнительными «паразитными» или «неидеальными» компонентами или поведением в виде резистивных и индуктивных элементов, нелинейности и диэлектрической памяти. Результирующие характеристики, обусловленные этими компонентами, обычно указываются в паспорте производителя конденсатора. Понимание эффектов этих паразитных явлений в каждом приложении поможет вам выбрать правильный тип конденсатора.

Рис. 2 Модель «настоящего» конденсатора

Четыре наиболее распространенных эффекта: утечка (параллельное сопротивление), эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) и диэлектрическое поглощение (память).

Утечка конденсатора, RP: Утечка является важным параметром в приложениях связи по переменному току, в устройствах хранения, таких как аналоговые интеграторы и хранилища выборок, а также когда конденсаторы используются в цепях с высоким импедансом.

Рис. 3 Утечка конденсатора

В идеальном конденсаторе заряд Q изменяется только в зависимости от внешнего тока. Однако в реальном конденсаторе сопротивление утечки позволяет заряду стекать со скоростью, определяемой постоянной времени R-C.

Конденсаторы электролитического типа (танталовые и алюминиевые), отличающиеся высокой емкостью, имеют очень высокий ток утечки (обычно порядка 5–20 нА на мкФ) из-за низкого сопротивления изоляции и не подходят для хранения или связи. .

Лучшим выбором для соединения и/или хранения является тефлон (политетрафторэтилен) и другие типы «поли» (полипропилен, полистирол и т. д.).

Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), RS: Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) конденсатора представляет собой последовательное сопротивление выводов конденсатора с эквивалентным сопротивлением обкладок конденсатора. ESR заставляет конденсатор рассеивать мощность (и, следовательно, создавать потери) при протекании больших переменных токов. Это может иметь серьезные последствия для высокочастотных и развязывающих конденсаторов питания, несущих высокие пульсирующие токи, но вряд ли окажет большое влияние на прецизионные аналоговые схемы с высоким импедансом и низким уровнем.

Конденсаторы с самым низким ESR включают как слюдяные, так и пленочные конденсаторы.

Эквивалентная последовательная индуктивность (ESL), LS: Эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) конденсатора моделирует индуктивность выводов конденсатора последовательно с эквивалентной индуктивностью пластин конденсатора. Как и ESR, ESL также может быть серьезной проблемой на высоких (ВЧ) частотах, даже если сама прецизионная схема может работать на постоянном токе или на низких частотах. Причина в том, что транзисторы, используемые в прецизионных аналоговых схемах, могут иметь коэффициент усиления вплоть до переходных частот (F _t ) из сотен МГц или даже нескольких ГГц , и может усиливать резонансы с низкими значениями индуктивности. Это делает важным, чтобы клеммы источника питания таких цепей были должным образом развязаны на высокой частоте.

Электролитические, бумажные или пленочные конденсаторы — плохой выбор для развязки на высоких частотах; в основном они состоят из двух листов металлической фольги, разделенных листами пластикового или бумажного диэлектрика и свернутыми в рулон. Структура такого типа обладает значительной собственной индуктивностью и действует скорее как индуктор, чем как конденсатор, на частотах, превышающих всего несколько 9 мкс.0961 МГц .

Более подходящим выбором для ВЧ-развязки является монолитный конденсатор керамического типа с очень низкой последовательной индуктивностью. Он состоит из многослойного сэндвича из металлических пленок и керамического диэлектрика, причем пленки соединены параллельно шинам, а не скручены последовательно.

Незначительный компромисс заключается в том, что монолитные керамические конденсаторы могут быть микрофонными (, т. е. , чувствительными к вибрации), а некоторые типы могут даже быть саморезонансными со сравнительно высокой добротностью из-за низкого последовательного сопротивления, сопровождающего их низкую индуктивность. С другой стороны, дисковые керамические конденсаторы иногда бывают довольно индуктивными, хотя и менее дорогими.

Поскольку утечка, ESR и ESL почти всегда трудно соотнести со спецификацией и по отдельности, многие производители объединяют утечку, ESR и ESL в единую спецификацию, известную как коэффициент рассеяния или DF, которая в основном описывает неэффективность конденсатора. DF определяется как отношение энергии, рассеиваемой за цикл, к энергии, накапливаемой за цикл. На практике это равно коэффициенту мощности диэлектрика или косинусу фазового угла. Если рассеяние на высоких частотах в основном моделируется как последовательное сопротивление, то на интересующей критической частоте отношение эквивалентного последовательного сопротивления, ESR, к общему емкостному реактивному сопротивлению является хорошей оценкой DF.

Коэффициент рассеяния также оказывается эквивалентным обратной величине добротности конденсатора, или Q, которая также иногда включается в паспорт производителя.

Диэлектрическое поглощение, RDA, CDA: Монолитные керамические конденсаторы отлично подходят для ВЧ-развязки, но они имеют значительное диэлектрическое поглощение, что делает их непригодными для использования в качестве запоминающего конденсатора усилителя хранения выборки (SHA). Диэлектрическая абсорбция представляет собой гистерезисное распределение внутреннего заряда, которое приводит к тому, что конденсатор, который быстро разряжается, а затем размыкается, восстанавливает часть своего заряда. Поскольку количество восстановленного заряда зависит от его предыдущего заряда, это, по сути, память заряда, которая вызовет ошибки в любом SHA, где такой конденсатор используется в качестве конденсатора хранения.

Рис. 4. Диэлектрическое поглощение.

Конденсаторы, которые рекомендуются для этого типа приложений, включают конденсаторы типа «поли», о которых мы говорили ранее, , т. е. , полистирол, полипропилен или тефлон. Эти типы конденсаторов имеют очень низкое диэлектрическое поглощение (обычно <0,01%).

*Характеристики конденсаторов в целом приведены в таблице сравнения конденсаторов ниже.

Примечание о высокочастотной развязке в целом: Лучший способ обеспечить адекватную развязку аналоговой схемы как на высоких, так и на низких частотах — это использовать конденсатор электролитического типа, такой как танталовый шарик, параллельно с монолитным керамическим. Комбинация будет иметь высокую емкость на низких частотах и ​​останется емкостной вплоть до довольно высоких частот. Обычно нет необходимости иметь танталовый конденсатор на каждой отдельной ИС, за исключением критических случаев; если между каждой ИС и танталовым конденсатором имеется менее 10 см достаточно широкой дорожки ПК, можно использовать один танталовый конденсатор для нескольких ИС.

Еще одна вещь, которую следует помнить о высокочастотной развязке, — это фактическое физическое размещение конденсатора. Даже короткие провода имеют значительную индуктивность, поэтому устанавливайте ВЧ-развязывающие конденсаторы как можно ближе к ИС и убедитесь, что выводы состоят из коротких и широких дорожек PC.

В идеале, ВЧ-развязывающие конденсаторы должны монтироваться на поверхность, чтобы исключить индуктивность выводов, но допустимы и конденсаторы с проволочными концами, при условии, что выводы устройства не длиннее 1,5 мм.

Рисунок 5

Паразитная емкость:

Теперь, когда мы поговорили о паразитных эффектах конденсаторов как компонентов, давайте поговорим о другой форме паразитных явлений, известной как «паразитная» емкость.

Как и в конденсаторе с плоскими пластинами, паразитные конденсаторы образуются всякий раз, когда два проводника находятся в непосредственной близости друг от друга (особенно если они работают параллельно), и они не замыкаются друг на друга или не экранируются проводником, служащим экраном Фарадея.

Рисунок 6 Модель конденсатора

Паразитная или «паразитная» емкость обычно возникает между параллельными дорожками на печатной плате или между дорожками/плоскостями на противоположных сторонах печатной платы. Возникновение и влияние паразитной емкости, особенно на очень высоких частотах, к сожалению, часто упускается из виду при моделировании схемы и может привести к серьезным проблемам с производительностью при конструировании и сборке системной печатной платы; примеры включают повышенный шум, пониженную частотную характеристику и даже нестабильность.

Рисунок 7

Например, если применить формулу емкости к случаю дорожек на противоположных сторонах платы, то для материала печатной платы общего назначения (ER = 4,7, d = 1,5 мм) емкость между проводниками на противоположных сторонах платы равна до 3 пФ /см2. На частоте 250 МГц , 3 пФ соответствует реактивному сопротивлению 212,2 Ом!

На самом деле вы никогда не сможете «устранить» паразитную емкость; лучшее, что вы можете сделать, это предпринять шаги, чтобы свести к минимуму его влияние на схему.

Одним из способов минимизировать влияние паразитной связи является использование экрана Фарадея, который представляет собой просто заземленный проводник между источником связи и затронутой цепью.

Посмотрите на рисунок 8; это эквивалентная схема, показывающая, как источник высокочастотного шума В _N соединяется с импедансом системы Z через паразитную емкость C. Если мы практически не контролируем В _n или расположение Z ₁ , следующим лучшим решением является установка экрана Фарадея:

Рисунок 8

Как показано ниже на рисунке 9, экран Фарадея прерывает электрическое поле связи. Обратите внимание, как экран заставляет шумовые токи и токи связи возвращаться к их источнику, минуя Z ₁ .

Рисунок 9

Еще одним примером емкостной связи являются припаянные сбоку керамические корпуса ИС. Эти DIP-корпуса имеют небольшую квадратную проводящую крышку из ковара, припаянную к металлизированному ободу на верхней части керамического корпуса. Производители упаковки предлагают только два варианта: металлизированный ободок можно соединить с одним из угловых штифтов упаковки, а можно оставить неподсоединенным. Большинство логических схем имеют контакт заземления в одном из углов упаковки, поэтому крышка заземлена. Но многие аналоговые схемы не имеют контакта заземления в углу корпуса, и крышка остается плавающей. Такие схемы оказываются гораздо более уязвимыми к шуму электрического поля, чем тот же чип в пластиковом DIP-корпусе, где чип неэкранирован.

Рисунок 10

Каким бы ни был уровень окружающего шума, пользователь должен заземлить крышку любой керамической ИС, припаянной сбоку, если крышка не заземлена производителем. Это можно сделать с помощью провода, припаянного к крышке (это не повредит устройство, так как микросхема термически и электрически изолирована от крышки). Если пайка крышки неприемлема, для заземления можно использовать зажим из фосфористой бронзы с заземлением или токопроводящую краску для соединения крышки с заземляющим контактом. Никогда не пытайтесь заземлить такую ​​крышку, не убедившись, что она действительно не подключена ; существуют типы устройств, крышка которых соединена с шиной питания, а не с землей!

Один случай, когда экран Фарадея невозможен, — это между соединительными проводами микросхемы интегральной схемы. Это имеет важные последствия. Паразитная емкость между двумя соединительными проводами чипа и соответствующими выводными рамками составляет порядка 0,2 пФ ; наблюдаемые значения обычно лежат между 0,05 и 0,6 пФ .

Рисунок 11

Рассмотрим преобразователь высокого разрешения (АЦП или ЦАП), который подключен к высокоскоростной шине данных. Каждая линия шины данных (которая будет переключаться от 2 до 5 В / нс ) сможет влиять на аналоговый порт преобразователя через эту паразитную емкость; последующая связь цифровых фронтов ухудшит работу преобразователя.

Рисунок 12

Этой проблемы можно избежать, изолировав шину данных, вставив буфер с фиксацией в качестве интерфейса. Хотя это решение включает в себя дополнительный компонент, который занимает площадь платы, потребляет энергию и увеличивает стоимость, оно может значительно улучшить отношение сигнал/шум преобразователя.