Kondensator odsprzęgający - Decoupling capacitor
Oddzielenia kondensatora jest kondensator stosuje się oddzielić jedną część sieci elektrycznej (obwód) z drugim. Hałas powodowany przez inne elementy obwodu jest przepuszczany przez kondensator, zmniejszając jego wpływ na resztę obwodu. Alternatywną nazwą jest kondensator obejściowy, ponieważ służy do ominięcia zasilacza lub innego elementu obwodu o wysokiej impedancji.
Dyskusja
Aktywne urządzenia układu elektronicznego (np. tranzystory, układy scalone, lampy próżniowe) są połączone z ich zasilaczami przewodami o skończonej rezystancji i indukcyjności. Jeśli prąd pobierany przez aktywne urządzenie zmienia się, spadki napięcia z zasilacza do urządzenia również ulegną zmianie z powodu tych impedancji. Jeśli kilka aktywnych urządzeń ma wspólną ścieżkę do zasilania, zmiany prądu pobieranego przez jeden element mogą powodować zmiany napięcia na tyle duże, aby wpłynąć na działanie innych – na przykład skoki napięcia lub odbicia uziemienia – a więc zmiana stanu jednego urządzenie jest połączone z innymi poprzez wspólną impedancję zasilania. Kondensator odsprzęgający zapewnia ścieżkę obejściową dla prądów przejściowych, zamiast przepływać przez wspólną impedancję.
Kondensator odsprzęgający pełni rolę lokalnego magazynu energii urządzenia . Kondensator jest umieszczony między linią energetyczną a uziemieniem do obwodu, do którego ma być doprowadzony prąd. Zgodnie z równaniem kondensatora, spadek napięcia między linią zasilającą a ziemią powoduje, że prąd jest pobierany z kondensatora do obwodu, a gdy pojemność C jest wystarczająco duża, dostarczany jest prąd wystarczający do utrzymania dopuszczalnego zakresu spadku napięcia. Aby zmniejszyć efektywną indukcyjność szeregową, małe i duże kondensatory są często umieszczane równolegle; powszechnie umieszczane przy poszczególnych układach scalonych. Kondensator przechowuje niewielką ilość energii, która może skompensować spadek napięcia w przewodach zasilających kondensator.
W obwodach cyfrowych kondensatory odsprzęgające pomagają również zapobiegać promieniowaniu zakłóceń elektromagnetycznych ze stosunkowo długich ścieżek obwodu spowodowanych szybko zmieniającymi się prądami zasilania.
Same kondensatory odsprzęgające mogą nie wystarczyć w takich przypadkach, jak stopień wzmacniacza dużej mocy ze sprzężonym z nim przedwzmacniaczem niskiego poziomu. Należy zadbać o rozmieszczenie przewodów obwodu, aby duży prąd w jednym stopniu nie powodował spadków napięcia zasilania, które wpływają na inne stopnie. Może to wymagać ponownego poprowadzenia ścieżek na płytce drukowanej w celu oddzielenia obwodów lub użycia płaszczyzny uziemienia w celu poprawy stabilności zasilania.
Oddzielenie
Kondensator obejściowy jest często używany do oddzielenia obwodu podrzędnego od sygnałów prądu przemiennego lub skoków napięcia na zasilaczu lub innej linii. Kondensator obejściowy może bocznikować energię z tych sygnałów lub stanów nieustalonych przez podukład, który ma być odłączony, aż do ścieżki powrotnej. W przypadku linii zasilającej zastosowano kondensator obejściowy z linii napięcia zasilającego do powrotu zasilania (neutralny).
Wysokie częstotliwości i prądy przejściowe mogą przepływać przez kondensator do masy obwodu zamiast do trudniejszej ścieżki obwodu odsprzężonego, ale prąd stały nie może przejść przez kondensator i przechodzi do obwodu oddzielonego.
Innym rodzajem odsprzęgania jest zapobieganie oddziaływaniu na część obwodu przez przełączanie występujące w innej części obwodu. Przełączanie w podobwodzie A może powodować wahania zasilania lub innych linii elektrycznych, ale nie chcesz, aby miało to wpływ na podobwód B, który nie ma nic wspólnego z tym przełączaniem. Kondensator odsprzęgający może odsprzęgać podobwody A i B, dzięki czemu B nie widzi żadnych skutków przełączania.
Przełączanie podukładów
W podukładzie przełączanie zmieni prąd obciążenia pobierany ze źródła. Typowe linie zasilające wykazują wrodzoną indukcyjność , co skutkuje wolniejszą odpowiedzią na zmianę prądu. Napięcie zasilania będzie spadać na tych pasożytniczych indukcyjnościach tak długo, jak nastąpi zdarzenie przełączania. Ten przejściowy spadek napięcia byłby również widoczny dla innych obciążeń, gdyby indukcyjność między dwoma obciążeniami była znacznie niższa w porównaniu z indukcyjnością między obciążeniami a wyjściem zasilacza.
Aby odsprzęgnąć inne podobwody od wpływu nagłego zapotrzebowania na prąd, równolegle do podukładu można umieścić kondensator odsprzęgający, w poprzek jego linii napięcia zasilającego. Gdy następuje przełączanie w podobwodzie, kondensator dostarcza prąd przejściowy. Idealnie, zanim kondensator się wyczerpie, zdarzenie przełączania zostanie zakończone, tak że obciążenie może pobierać pełny prąd przy normalnym napięciu z zasilacza, a kondensator może się ponownie naładować. Najlepszym sposobem na zmniejszenie szumów przełączania jest zaprojektowanie płytki drukowanej jako gigantycznego kondensatora poprzez umieszczenie płaszczyzn zasilania i uziemienia w materiale dielektrycznym .
Czasami w celu poprawy odpowiedzi stosuje się równoległe kombinacje kondensatorów. Dzieje się tak, ponieważ prawdziwe kondensatory mają indukcyjność pasożytniczą, która zniekształca zachowanie kondensatora przy wyższych częstotliwościach.
Oddzielenie obciążenia przejściowego
Oddzielenie obciążenia przejściowego, jak opisano powyżej, jest potrzebne, gdy istnieje duże obciążenie, które jest szybko przełączane. Indukcyjność pasożytnicza w każdym (odsprzęgającym) kondensatorze może ograniczać odpowiednią pojemność i wpływać na odpowiedni typ, jeśli przełączanie następuje bardzo szybko.
Obwody logiczne mają tendencję do wykonywania nagłych przełączeń (idealny obwód logiczny natychmiast przełączyłby się z niskiego napięcia na wysokie napięcie, bez możliwości zaobserwowania średniego napięcia). Tak więc płytki obwodów logicznych często mają kondensator odsprzęgający w pobliżu każdego logicznego układu scalonego podłączonego od każdego połączenia zasilania do pobliskiej masy. Kondensatory te oddzielają każdy układ scalony od każdego innego układu scalonego pod względem zapadów napięcia zasilania.
Kondensatory te są często umieszczane przy każdym źródle zasilania, a także przy każdym elemencie analogowym, aby zapewnić możliwie stabilne zasilanie. W przeciwnym razie komponent analogowy o słabym współczynniku odrzucenia zasilania (PSRR) będzie kopiował fluktuacje zasilania na swoje wyjście.
W tych zastosowaniach kondensatory odsprzęgające są często nazywane kondensatorami obejściowymi, aby wskazać, że zapewniają alternatywną ścieżkę dla sygnałów o wysokiej częstotliwości, które w przeciwnym razie spowodowałyby zmianę normalnie stałego napięcia zasilania. Te elementy, które wymagają szybkiego wstrzyknięcia prądu, mogą ominąć zasilacz, odbierając prąd z pobliskiego kondensatora. Dlatego do ładowania tych kondensatorów wykorzystywane jest wolniejsze podłączenie zasilania, które faktycznie zapewniają duże ilości prądu o wysokiej dostępności.
Umieszczenie
Kondensator odsprzęgający obciążenie przejściowe jest umieszczony jak najbliżej urządzenia wymagającego odsprzęganego sygnału. Minimalizuje to indukcyjność linii i rezystancję szeregową pomiędzy kondensatorem odsprzęgającym a urządzeniem. Im dłuższy przewodnik między kondensatorem a urządzeniem, tym większa jest indukcyjność.
Ponieważ kondensatory różnią się charakterystyką wysokoczęstotliwościową (a kondensatory o dobrych właściwościach wysokoczęstotliwościowych są często typami o małej pojemności, podczas gdy duże kondensatory zwykle mają gorszą charakterystykę wysokoczęstotliwościową), odsprzęganie często wiąże się z użyciem kombinacji kondensatorów. Na przykład w obwodach logicznych powszechnym układem jest ~100 nF ceramiki na układ logiczny (wiele dla złożonych układów scalonych), w połączeniu z kondensatorami elektrolitycznymi lub tantalowymi do kilkuset μF na płytę lub sekcję płyty.
Przykładowe zastosowania
Te zdjęcia pokazują stare płytki drukowane z kondensatorami przewlekanymi, podczas gdy nowoczesne płytki mają zwykle małe kondensatory do montażu powierzchniowego .
Płyta główna Commodore 64 z lat 80 . Większość „pomarańczowych” okrągłych części krążków to kondensatory odsprzęgające.
Cromemco XXU z lat 80. , karta magistrali procesora Motorola 68020 S-100 . Osiowe części pomiędzy układami scalonymi to kondensatory odsprzęgające.
Cromemco 16KZ z lat 70. , karta magistrali S-100 o pojemności 16 KB pamięci DRAM . Zielone, okrągłe części płyty to kondensatory odsprzęgające.
Płytka interfejsu równoległego I1 z lat 70. dla Electronika 60 . Zielone prostokątne części to kondensatory odsprzęgające.
Zobacz też
- Kondensator ceramiczny
- Równoważna indukcyjność szeregowa
- Równoważna rezystancja szeregowa
- Kondensator foliowy
- E-seria liczb preferowanych
Bibliografia
Linki zewnętrzne
- Wybór i stosowanie kondensatorów obejściowych – nota aplikacyjna Intersil
- Odsprzęganie – przewodnik dotyczący odsprzęgania dla różnych częstotliwości autorstwa Henry W. Ott
- Redukcja szumów zasilania – jak zaprojektować efektywne sieci z obejściem i odsprzęgnięciem zasilania autorstwa Kena Kunderta
- ESR and Bypass Capacitor Self Resonant Behavior: Jak wybrać Bypass Caps – artykuł napisany przez Douglas Brooks
- Informacje dotyczące odsprzęgania płytek drukowanych – wytyczne dotyczące odsprzęgania dla różnych typów płytek drukowanych
- Podstawowe zasady integralności sygnału – Biuletyn informacyjny Altera
- Kondensatory obejściowe, wywiad z Toddem Hubingiem — Douglas Brooks