BY-PASS kondensaattorit

Transkriptio

1 BY-PA kondensaattorit H. Honkanen Lähes kaikki piirikortille rakennetut elektroniikkalaitteet vaativat BY PA -kondensaattorin käyttöä. BY-pass kondensaattorilla on viisi merkittävää tarkoitusta: Estää muiden piirien aiheuttaman ( suurtaajuisen ) jännitteenvaihtelun pääsy käyttöjännitenastoihin Estää piirin omien häiriöiden pääsy muualle piirikortille Estää piirin joutuminen värähtelevään tilaan Vaimentaa EMC häiriöitä ( Niin lähteviä, kuin myös tulevia ) Pienentää häiriövirran silmukan pinta-alaa uurtaajuiset häiriöt syntyvät nopeiden piirien virrankulutuksen nopeiden muutosten johdosta. Piirilevyfolioissa, kuten kaikissa johtimissa, on induktanssia. Tästä syystä suurtaajuiset häiriöt eivät oikosulkeudukaan täysin kauempana olevien kondensaattoreiden kautta. Lisäksi kaukana oleva energialähde ( kondensaattori ) saa aikaan suuren silmukan tehosyöttöpiiriin. Piiri voi myös joutua värähtelytilaan, jos käyttöjännite voi seurata piirin virtapulsseja. KONDENAATTORIN HÄVIÖT Ideaalisessa kondensaattorissahan ei olisi häviöitä, mutta käytännön komponenteissa niitä aina on. Ihannekondensaattori olisi täydellinen eriste, käytännössä siinä kulkee vuotovirta, joka tosin on hyvin pieni. Myöskään vaihtosähkölle kondensaattori ei ole ideaalinen komponentti, kuten alla oleva kondensaattorin sijaiskytkentä esittää: ijaiskytkennässä: - C, on kapasitanssi ( se haluttu ominaisuus ) - Rp, on eristysresistanssi, mitä isompi, sitä parempi - Rs, on sarjaresistanssi, mitä pienempi, sitä parempi - L, on induktanssi, mitä pienempi, sitä parempi Häviöt aiheuttavat kondensaattorin lämpenemistä, joka on otettava myös huomioon tehopiireissä! Kondensaattorin hyvyyttä, QUALITY, kuvataan sen häviöiden, DIAPATION, määrällä. ER:n avulla hyvyyttä laskettaessa kaikki häviöt kuvitellaan sarjavastuksessa tapahtuviksi, jolloin hyvyys on helpompi laskea: Häviökerroin, DIAPATIN FACTOR, tan δ Hyvyysluku, QUALITY FACTOR, Q R tan δ = = 2πR C = ω R X C 1 Q = tan δ C Alumiinielektrolyyttikondensaattorilla on suurimmat häviöt ja hyvälaatuisilla keraamisilla kondensaattoreilla on pienimmät häviöt. Muovieristeisten kondensaattoreiden häviöt ovat tältä väliltä. Keraamisen kondensaattorin induktanssi on hyvin pieni, muodostuen lähinnä liitäntäjohtimien induktanssista

2 KERAAMITEN KONDENAATTOREIDEN LUOKITTELU Keraamiset kondensaattorit jaetaan kolmeen luokkaan niiden ominaisuuksien mukaisesti: Luokka 1 : - εr = Huono CxU tulo tilavuutta kohden - Pienet häviöt, häviökerroin ( tanδ) on alle Erittäin lämpötilavakaa - Tarkka kapasitanssiarvo Luokka 2 : - εr = uuri CxU tulo tilavuutta kohden - Kapasitanssiarvo muuttuu suuresti lämpötilan mukaan - Epätarkka kapasitanssiarvo - uurehkot häviöt, Häviökerroin ( tanδ) on Edullinen - uosittu yleiskondensaattori, kun kapasitanssiarvon ei tarvitse olla tarkka Luokka 3 : - εr = Epätarkka, suuret häviöt, vain erikoissovelluksiin - Läpivientikondensaattori - Läpivientikondensaattori on keraamisen kondensaattorin erikoistyyppi, jossa ulkopinnan ja sisällä olevan johtimen välillä on kapasitanssia - Käytetään yleisesti häiriösuojauksessa Linkki: kondensaattoreiden merkinnät Linkki: Kondensaattorin valinta MD KONDENAATTORIT, PALAKONDENAATTORIT, pintaliitoskondensaattorit - Keraamisen kondensaattorin induktanssit ovat hyvin pienet, joten siinä on erinomaiset suurtaajuusominaisuudet varsinkin johtimettomana MD komponenttina BY-PA KONDENAATTORIN IJOITU ijoitus: - BY PA kondensaattorit tulee sijoittaa mahdollisimman lähelle piirin käyttöjännitenastoja ja lisäksi siten, että johtimille ei tule erillisiä vetoja ( Niistähän muodostuisi induktanssia ). - MD kondensaattorit ovat parhaita, sillä niistä puuttuvat induktanssia aiheuttavat liitäntäjohtimet! - Pintaliitoskondensaattori sijoitetaankin usein suoraan piirin käyttöjännitenastojen väliin piirilevyn toiselle puolen. - Kondensaattorin resonanssitaajuudesta johtuen käytetään kriittisissä tapauksissa kahta erikokoista kondensaattoria rinnan. Aiheesta myöhemmin lisää.

3 PIIRIKORTTI KONDENAATTORINA - Piirikortti itsessään toimii myös kondensaattorina. Piirikorttia myös kannattaa käyttää by-pass - kondensaattorina. - Kapasitanssihan on sitä suurempi, mitä suurempi on levyjen välinen pinta-ala ja mitä lähempänä levyt ovat toisistaan. Piirikorttimateriaalin permittiivisyyteen ei kuitenkaan voi juuri vaikuttaa. C = ε A / l, ε = εr εo, εr = uhteellinen permittiivisyys,εo = Tyhjön permittiivisyys = 8.85 pf / m - Käytetyimmän piirilevymateriaalin, FR4:n suhteellinen permittiivisyys, εr 4.5 Mitä suurempia käyttöjännitteiden kuparialueet ovat ja mitä lähempänä toisiaan ne sijaitsevat, sitä suurempi on kapasitanssiarvo! Käyttöjännitetasot tulee sijaita päällekkäisissä kerroksissa ja ne tulee kuparoida niin täydesti kuin mahdollista ( Flood copper ) KONDENAATTORIN HÄVIÖT euraavassa kuvassa on esitetty yleisimpien kondensaattorityyppien häviöt taajuuden suhteen. Keraamisten kondensaattoreiden häviöitä ei taulukossa ole, koska niiden ominaisuudet poikkeavat niin paljon keskenään. Keraamisten kondensaattoreiden häviöistä selvitys tekstiosiossa. Mitä pienemmät häviöt, mitä pienempi tan δ, sitä parempi kondensaattori! tan δ

4 ER Kondensaattorille voidaan ilmoittaa Ekvivalenttinen sarjaresistanssi, ER. ( Equivalent erial Resistance ). Tämä arvo ilmaisee, kuinka suurta sarjaresistanssia häviöt vastaavat ilmoitetulla taajuudella. Laskennallisesti ER huomioidaan ideaalikapasitanssin kanssa sarjassa olevana resistanssina. Kondensaattoria voidaan tämän jälkeen laskennallisesti käsitellä RC piirinä. Kuva: Kondensaattorin ER mallinnus Kaava: RC piirin käyttäytyminen u Out = u in RC ( 1 e t ) I max = U ER ER:n avulla kondensaattorin mallinnus toimii vain pienehköillä taajuuksilla ( f < 1 MHz ). uuremmillakin taajuuksilla ER:ää voidaan käyttää, mutta tällöin sen arvo on riippuvainen taajuudesta. Tämän vuoksi suurilla taajuuksilla onkin järkevämpää käyttää kondensaattorin oikeita kapasitanssi- ja induktanssiarvoja, joilla taajuuskäyttäytyminen voidaan laskea. Valmistajien kotisivuilla ohjelmia parasiittien ( mm. ER ) määrittämiseksi Esim. Murata: sieltä: Design tools Muratan ohjelmiston esittely ( linkki tästä )

5 KONDENAATTORI UURTAAJUUDELLA KONDENAATTORIN TAAJUUKÄYTTÄYTYMINEN: REONANITAAJUU: Z 2 2 = R ( ) + XL XC, 2 1 Impedanssi: Z = R + ( ωl ) ωc 1 X L X ωl C Vaihekulma: ϕ = ARCTAN ( ), tanϕ = ωc R R Resonanssitaajuus ( X L = X C, ϕ = 0 ) : Jos parasiittien oletetaan pysyvät samoina ( X L f r = 2π 1 LC = 2π fl ) ja kapasitiivinen reaktanssihan 1 riippuu kääntäen taajuudesta ja kapasitanssiarvosta, X C =, niin resonanssitaajuus on 2π f C sitä pienempi, mitä suurempi on kondensaattorin kapasitanssiarvo. 2

6 Vertailussa kaksi samantyyppistä, mutta eri kapasitanssiarvon omaavaa keraamista kondensaattoria ( Murata ): 1.0 nf X7R : 100 nf X7R : Resonanssitaajuus: 200 MHz Resonanssitaajuus: 18 MHz Huomioitavaa! - Y akselin asteikko ei ole sama - Vaikka 100 nf kondensaattorin resonanssitaajuus onkin n. 10 kertaa alhaisempi, on impedanssi esimerkiksi 1 GHz taajuudella kutakuinkin yhtäsuuri, kuin 1 nf kondensaattorissakin.