Hur man väljer rätt kondensatorer för elektronikprojekt: En detaljerad genomgång av olika typer och deras användning

Att välja rätt kondensator är avgörande för pålitlig och effektiv elektronikdesign. Olika kondensatorer har unika egenskaper som gör dem mer eller mindre lämpliga beroende på den specifika tillämpningen. För att hjälpa dig att förstå skillnaderna och göra det bästa valet, följer här en genomgång av de mest använda typerna av kondensatorer.

Elektrolytiska kondensatorer är inte lämpliga för miljöer med höga temperaturer, eftersom de tenderar att torka ut över tid och förlora sina egenskaper. Om din enhet förväntas utsättas för höga temperaturer under drift bör du överväga att använda andra typer av kondensatorer för att undvika problem.

Film-kondensatorer, å andra sidan, erbjuder en rad fördelar, särskilt när det gäller låg ekvivalent serieresistans (ESR) och låg ekvivalent serierinduktans (ESL). Dessa egenskaper gör dem ideala för applikationer där hög frekvensstabilitet eller hög Q är viktiga, som resonanskretsar. Filmkondensatorer är också mer robusta än elektrolytiska kondensatorer när det gäller att hantera strömspikar. De är dock fysiskt större och dyrare, vilket kan begränsa deras användning i vissa kompakta eller kostnadskänsliga tillämpningar.

En annan viktig aspekt att förstå är deras användning i AC-strömsystem. Speciella filmkondensatorer finns för att reducera elektromagnetisk interferens (EMI) från växelströmmen och filtrera bort störningar. Klass X och klass Y filmkondensatorer används här för att säkerställa elektrisk säkerhet. Klass X-kondensatorer är designade att misslyckas genom att kortsluta och utlösa en säkring eller brytare, medan klass Y-kondensatorer ska misslyckas öppet för att förhindra farliga jordfel.

Tantalumkondensatorer används där en kompakt kondensator med hög kapacitans är nödvändig. De är polariserade och måste hanteras med försiktighet, eftersom de kan misslyckas katastrofalt om de utsätts för en spänning som överskrider deras märkspänning. För att undvika sådana problem är det viktigt att minska belastningen på dessa kondensatorer genom att använda lägre spänning än den angivna märkspänningen. Polymer-tantalumkondensatorer är ett bättre alternativ än manganoxid-tantalumkondensatorer eftersom de inte exploderar vid överspänning, men även dessa bör inte belastas för hårt.

Kapacitans kontra frekvens är en annan viktig aspekt att ta hänsyn till. När frekvensen ökar kommer kondensatorn att bete sig mer som en induktor än som en kondensator, och vid en viss frekvens (självresonansfrekvensen, SRF) förändras dess beteende radikalt. Det är avgörande att använda kondensatorer under deras SRF för att undvika att de förlorar sina kondensatoriska egenskaper och istället orsakar förluster i strömkretsen. Dessutom måste man ta hänsyn till den ekvivalenta serieresistansen (ESR), som är viktig för att minimera effektförluster och för att säkerställa att kondensatorn reagerar snabbt på spänningsförändringar. I vissa fall kan det vara fördelaktigt att inte använda de allra lägsta ESR-värdena, utan att avsiktligt inkludera viss resistans för att förbättra prestandan vid specifika frekvenser.

Hur man skyddar sina design mot elektromagnetisk interferens (EMI) och överspänningshändelser

Vid utveckling av elektroniska produkter är en av de viktigaste aspekterna att skydda konstruktionen från externa och interna störningar, som elektromagnetisk interferens (EMI) och överspänning. Även om vissa komponenter på marknaden kan verka liknande, särskilt från olika kinesiska tillverkare, är det svårt att förutse deras långsiktiga effektivitet och hållbarhet. I många fall kan det vara värt att ta risken och välja ett billigare alternativ, men det är avgörande att noggrant kontrollera specifikationerna innan man investerar. Om du till exempel inte har möjlighet att lägga ut 500 USD på ett officiellt verktyg, kan ett 20 USD-verktyg vara tillräckligt, men var medveten om att olika trådtyper kan kräva olika verktyg, även om de tillhör samma anslutningsfamilj.

EMI-filter spelar en viktig roll i att skydda mot elektromagnetiska störningar. Dessa filter är avgörande för att säkerställa att högfrekvent brum eller andra störningar inte påverkar signalerna i ditt system. Dock är det viktigt att förstå att det inte räcker med att bara välja ett filter; felaktig integration kan göra det ineffektivt. Det är dessutom viktigt att endast lägga till EMI-filter om du verkligen är säker på att det behövs, baserat på beräkningar eller mätningar, eller om en ingenjör vid testanläggningen rekommenderar det. Att använda EMI-filter utan att ha gjort en ordentlig bedömning kan leda till onödiga kostnader och komplexitet.

När du väljer ett EMI-filter har du två alternativ: enkla filter eller flerpoliga filter. Den vanligaste typen av filter för att minska EMI är genomströmningskapacitorer, som ofta används vid övergångar i kretslayouten. Om du har en kritisk, höghastighetssignal som lämnar ett skärmat hölje, kommer en genomströmningskapacitor att passera signalen genom skärmningen och ge kapacitans med mycket låg induktans till jord. Detta säkerställer att högfrekvent störning kan ledas bort till jord utan att stöta på impedans från oönskad induktans.

När du arbetar med EMI-filter är det också viktigt att förstå deras "insertion loss", vilket innebär förlusten av signalstyrka vid specifika frekvenser. Det är viktigt att välja ett filter med låg insertion loss för de frekvenser du vill bevara och hög insertion loss för de du vill blockera. Dessutom måste alla EMI- och ESD-suppressionskomponenter alltid vara kopplade till chassijord istället för PCB:ns jordplan för att fungera korrekt. Det innebär att produkten måste ha ett metallhölje, eftersom plastmaterial inte kan ge samma kontroll över EMI och EMC.

När det gäller överspänningshändelser är det också en viktig aspekt att tänka på, särskilt de som orsakas av elektrostatisk urladdning (ESD). Detta händer när ett objekt med en mycket hög potential kommer i kontakt med PCB:n. En enkel situation som att gå på en mattad yta kan skapa tillräckligt hög spänning för att orsaka skador på känsliga kretsar. En typisk överspänningspuls kan vara så kort som 5 nanosekunder och ha en spänning på upp till 10 000 V.

För att skydda mot sådana händelser används ESD-dioder. Dessa är specialdesignade dioder med mycket snabb svarstid, som kan leda bort den höga spänningen till jord vid en ESD-händelse. Många integrerade kretsar (IC:er) har redan inbyggt ESD-skydd, men vissa standarder kräver ett mer omfattande skydd, och det kan vara nödvändigt att lägga till ytterligare ESD-dioder för att möta de krav som ställs. Det är också viktigt att noggrant överväga var på enheten ESD-dioderna behövs, inte bara på direkt åtkomliga ytor utan även på ytor som är tillräckligt nära en extern yta för att riskera att skapa en gnista.

För höghastighetssignaler och känsliga analogsignaler bör dioder med låg kapacitans användas för att förhindra kapacitiv belastning och för att minimera risker för brus. Polymer-ESD-enheter kan vara ett bra alternativ när låg kapacitans krävs.

Det är även viktigt att beakta den totala konstruktionen av enheten för att säkerställa att skyddskomponenter fungerar som de ska. Enheter som är designade för att användas i strikta EMI-miljöer, som medicinska enheter, kräver noggrann övervägning av både chassiets material och de komponenter som används för att kontrollera EMI och ESD.

Hur man effektivt hanterar värmeöverföring i kretskortsdesign

När man designar ett kretskort är en av de största utmaningarna att effektivt hantera värmeöverföring från komponenter som genererar mycket värme, som integrerade kretsar (IC). Ett sätt att göra detta är genom att använda en värmeledning, som är ett tunt, platt kopparrör som är tätt förseglat vid båda ändarna. Inuti röret finns vanligtvis lite vatten. Värmeledningar är mycket effektiva för att överföra värme från en liten yta, som toppen av en IC, till en större kylfläns. Dessa är både kostnadseffektiva och användbara för applikationer där det inte finns tillräckligt med utrymme för en kylfläns direkt på värmekällan.

Det är av största vikt att säkerställa att det inte finns någon luft eller tomt utrymme mellan värmekällan och resten av det termiska systemet. Luft är en mycket bra isolator och kan orsaka hög termisk resistans, vilket innebär att alla dina noggrant utformade värmeavledningsmetoder inte kommer att ha någon effekt. I ett sådant fall riskerar systemet att inte avleda värmen effektivt, vilket leder till överhettning och potentiellt skador på komponenterna.

En annan metod för värmeavledning är att använda ett termiskt ledande harts eller inneslutningsmaterial. Om du planerar att kapsla in din design (se kapitel 12 för mer information om inneslutning) kan valet av ett termiskt ledande material hjälpa till att behandla hela inneslutningen och allt inneslutningsmaterial som en kylfläns. Värmen absorberas effektivt i detta material och leds mellan värmekällan och det hölje som materialet är i kontakt med. Detta gör det möjligt att hantera värmen effektivt utan att behöva ytterligare kylsystem.

För att noggrant fastställa de nödvändiga termiska material och tekniker för din design, är det avgörande att genomföra en fullständig analys av termik. En utmärkt resurs för detta är applikationsanteckningen från Texas Instruments, AN-2020, Thermal Design by Insight, Not Hindsight. Genom att använda denna källa kan du beräkna varje del av ditt termiska system och bestämma vad du behöver och inte behöver.

Ett annat sätt att undvika misstag är att skriva ut din design i 1:1-skala på papper innan du skickar den för tillverkning. Detta ger dig möjlighet att kontrollera passformen för komponenter och hål, samt verifiera att de ligger rätt i förhållande till varandra. För en ännu mer exakt kontroll kan du 3D-skriva ut ditt kretskort. Många CAD-program möjliggör export av 3D-modeller av både kretskortet och komponenterna på det.

En ofta missförstådd aspekt av PCB-design är enhetsmåtten som används, såsom mil. En mil är lika med 0,001 tum (en tusendels tum), vilket ibland kan leda till förvirring, särskilt när ordet "mil" blandas ihop med millimeter. Det är också viktigt att använda en konsekvent rutnätsenhet i din design, eftersom en förändring mellan metrisk och imperial enhet kan orsaka problem med komponentplacering och spårdragning.