Конденсаторы: теория и применение

Jun 10, 2023

Конденсаторы являются одними из наиболее часто используемых компонентов на печатной плате. С постоянно растущим количеством электронных устройств (от мобильных телефонов до автомобилей) растет спрос на конденсаторы. Пандемия Covid 19 нарушила глобальную цепочку поставок компонентов от полупроводников до пассивных компонентов, а конденсаторы оказались в дефиците1.

Дискуссия на тему конденсаторов легко могла бы стать книгой или словарем. Начнем с того, что существуют разные типы конденсаторов, такие как электролитические, пленочные, керамические конденсаторы и так далее. Кроме того, в пределах одного типа существуют разные диэлектрические материалы. Также есть разные классы. Что касается физической конструкции, существуют типы конденсаторов с двумя и тремя выводами. Также имеется конденсатор типа X2Y, который по сути представляет собой пару Y-конденсаторов, упакованных в один2. А как насчет суперконденсаторов? Дело в том, что если вы сядете и начнете читать руководство по выбору конденсаторов основных производителей, вы легко можете потратить на это целый день!

Поскольку эта статья посвящена основам, я буду использовать другой подход, как обычно. Как упоминалось ранее, руководство по выбору конденсаторов можно легко найти на веб-сайтах поставщиков3,4, и инженеры по эксплуатации часто могут ответить на большинство вопросов о конденсаторах. В этой статье вместо того, чтобы повторять то, что вы можете найти в Интернете, я буду использовать практические примеры, чтобы продемонстрировать, как выбирать и использовать конденсаторы. Также будут рассмотрены некоторые менее известные аспекты выбора конденсаторов, такие как ухудшение емкости. Прочитав эту статью, вы должны иметь хорошее представление об использовании конденсаторов.

Но сначала давайте ответим на самый фундаментальный вопрос: что такое конденсатор?

Несколько лет назад, когда я работал в компании, производящей электронные устройства, у нас был вопрос на собеседовании для инженеров по силовой электронике. На схеме существующего продукта мы спрашивали потенциальных кандидатов: «Какова функция электролитического конденсатора звена постоянного тока?» и «Какова функция керамического конденсатора, расположенного рядом с чипом?» Мы ожидаем, что правильный ответ будет заключаться в том, что конденсатор звена постоянного тока используется для хранения энергии, а керамический конденсатор — для фильтрации.

«Правильные» ответы, которые мы искали, на самом деле показали, что все в команде разработчиков рассматривали конденсатор с точки зрения простой схемы, а не с точки зрения теории поля. В точке зрения теории цепей нет ничего плохого. На низких частотах (от нескольких кГц до нескольких МГц) теория цепей часто объясняет очень хорошо. Это связано с тем, что на более низких частотах сигналы находятся преимущественно в дифференциальном режиме. Используя теорию цепей, мы можем рассматривать конденсатор, как показано на рисунке 1, с эквивалентным последовательным резистором (ESR) и эквивалентным последовательным индуктором (ESL), вызывающим изменение импеданса конденсатора с частотой.

Рисунок 1: Модель Спайса эквивалентной схемы керамического конденсатора и его кривая импеданса.

Эта модель адекватно объясняет работу схемы, когда схема переключается медленно. Однако с увеличением частоты все становится намного сложнее. В какой-то момент компоненты начинают проявлять нелинейности. Простая модель LCR имеет свои ограничения при увеличении частоты.

Сегодня, если бы мне задали те же вопросы на собеседовании, я бы надел очки для просмотра теории поля и сказал, что оба типа конденсаторов являются устройствами хранения энергии. Разница в том, что электролитический конденсатор может хранить гораздо больше энергии, чем керамический конденсатор. Но когда дело доходит до доставки энергии, керамический конденсатор может доставлять ее гораздо быстрее. Это объясняет, почему керамические конденсаторы необходимо располагать рядом с чипом, поскольку чип имеет гораздо более высокую частоту и скорость переключения по сравнению с основной цепью питания.

С этой точки зрения мы можем просто определить два критерия производительности конденсатора. Первый – это то, сколько энергии может хранить конденсатор, другой – насколько быстро эта энергия может быть доставлена. Оба зависят от того, как изготовлен конденсатор, диэлектрических материалов, соединения с конденсатором и многого другого.