A função dos capacitores[Linkeycon]

I. Funções dos capacitores

1. Ignorando
   Um capacitor de bypass é um dispositivo de armazenamento de energia que fornece energia para componentes locais. Ele pode tornar a saída do regulador de tensão mais uniforme e reduzir a demanda de carga. Semelhante a uma pequena bateria recarregável, um capacitor de bypass pode ser carregado e depois descarregado para fornecer energia aos componentes.
   Para minimizar a impedância, o capacitor de bypass deve ser colocado o mais próximo possível dos pinos de alimentação e dos pinos de aterramento do dispositivo de carga. Isso pode efetivamente evitar a elevação do potencial de solo e o ruído causado por valores de entrada excessivos. O efeito de rebote no aterramento se refere à queda de tensão na conexão de aterramento quando um grande pico de corrente passa por ela.
2. Desacoplamento
   Desacoplamento, também conhecido como desacoplamento. Em um circuito, ele sempre pode ser dividido em fonte de acionamento e carga acionada.
   Se a capacitância de carga for relativamente grande, o circuito de acionamento precisa carregar e descarregar o capacitor para completar a transição do sinal. Quando a borda ascendente é íngreme, a corrente é grande. Neste caso, a corrente de acionamento consumirá uma grande quantidade de corrente de alimentação. Devido à indutância e resistência no circuito (especialmente a indutância nos pinos do chip, que pode causar um rebote), essa corrente é na verdade um tipo de ruído em comparação à situação normal, o que afetará a operação normal do estágio anterior. Este é o chamado "acoplamento".
   Um capacitor de desacoplamento atua como uma "bateria" para atender às mudanças de corrente do circuito de acionamento e evitar interferência de acoplamento mútuo. É mais fácil entender combinando os conceitos de capacitores de bypass e de desacoplamento.
   Na verdade, um capacitor de bypass também desempenha uma função de desacoplamento. Geralmente, um capacitor de bypass se refere ao bypass de alta frequência, que fornece um caminho de baixa impedância para que o ruído de comutação de alta frequência seja descarregado.
   Capacitores de bypass de alta frequência geralmente são pequenos. De acordo com a frequência de ressonância, elas geralmente são 0,1 μF, 0,01 μF, etc. A capacitância dos capacitores de desacoplamento é geralmente maior, talvez 10 μF ou até maior, o que é determinado com base nos parâmetros de distribuição no circuito e na magnitude da mudança da corrente de acionamento.
   A diferença é que o bypass filtra a interferência no sinal de entrada, enquanto o desacoplamento filtra a interferência no sinal de saída para evitar que o sinal de interferência retorne à fonte de alimentação.
3. Filtragem
   Teoricamente (assumindo que o capacitor é um capacitor puro), quanto maior a capacitância, menor a impedância e maior a frequência que pode passar. Entretanto, na realidade, a maioria dos capacitores maiores que 1 μF são capacitores eletrolíticos, que têm um grande componente indutivo. Portanto, a impedância aumentará em frequências mais altas.
   Às vezes, um capacitor eletrolítico de grande capacidade é conectado em paralelo com um capacitor pequeno. Neste caso, o capacitor grande permite a passagem de sinais de baixa frequência, e o capacitor pequeno permite a passagem de sinais de alta frequência. A função de um capacitor é passar sinais de alta frequência e bloquear sinais de baixa frequência. Quanto maior o capacitor, mais fácil será a passagem de sinais de baixa frequência, e quanto maior o capacitor, mais fácil será a passagem de sinais de alta frequência.
   Especificamente na filtragem, um capacitor grande (1000 μF) é usado para filtrar sinais de baixa frequência, e um capacitor pequeno (20 pF) é usado para filtrar sinais de alta frequência.
   Alguns internautas comparam vividamente o capacitor de filtragem a um "lago de água". Como a voltagem no capacitor não muda repentinamente, pode-se saber que quanto maior a frequência do sinal, maior a atenuação. Assim como em um lago, a quantidade de água no capacitor não muda facilmente devido a uma pequena quantidade de carga ou descarga.
   Ele converte a mudança de voltagem em uma mudança de corrente. Quanto maior a frequência, maior a corrente de pico, amortecendo assim a tensão. Filtragem é um processo de carga e descarga.
4. Armazenamento de energia
   Capacitores de armazenamento de energia coletam cargas por meio de retificadores e transmitem a energia armazenada para o terminal de saída da fonte de alimentação por meio de cabos conversores. Capacitores eletrolíticos de alumínio com tensão nominal de 40 - 450 VCC e valor de capacitância entre 220 - 150.000 μF são comumente usados.
   De acordo com diferentes requisitos de fornecimento de energia, os componentes às vezes usam série, paralelo ou uma combinação desses métodos de conexão. Para fontes de alimentação com um nível de potência superior a 10 kW, geralmente são usados ​​capacitores terminais de parafuso em forma de tanque maiores.
   Quando aplicados em circuitos de sinal, os capacitores desempenham principalmente as funções de acoplamento, oscilação/sincronização e atuam como um elemento de constante de tempo.:
5. Acoplamento
   Por exemplo, em um amplificador transistorizado, o emissor tem um resistor de autopolarização. Este resistor não apenas causa uma queda de tensão no sinal, mas também o realimenta para o terminal de entrada, formando o acoplamento entre os sinais de entrada e saída. Este resistor é o componente que causa o acoplamento.
   Se um capacitor for conectado em paralelo a esse resistor, devido à impedância relativamente pequena de um capacitor com capacidade apropriada para sinais CA, o efeito de acoplamento causado pelo resistor é reduzido. Portanto, esse capacitor é chamado de capacitor de desacoplamento.
6. Oscilação/Sincronização
   Esta categoria inclui osciladores RC, LC e capacitores de carga de cristais.
7. Tempo - Constante
   Este é o circuito integral comum formado pela conexão em série de R e C. Quando uma tensão de sinal de entrada é aplicada ao terminal de entrada, a tensão no capacitor (C) aumenta gradualmente.
   A corrente de carga diminui à medida que a voltagem aumenta. As características da corrente que passa pelo resistor (R) e pelo capacitor (C) são descritas pela seguinte fórmula:  eu = ( V / R ) e − ( para / CR )

II. Seleção de Capacitores

1. Valor de capacitância
2. Tensão de resistência nominal
3. Capacitância - erro de valor
4. Mudança de capacitância sob tensão de polarização CC
5. Nível de ruído
6. Tipo de capacitor
7. Especificações do capacitor
   Existe um atalho? Na verdade, como um componente periférico de um dispositivo, quase todas as Datasheets ou Solutions de dispositivos indicam claramente os parâmetros de seleção dos componentes periféricos. Ou seja, os requisitos básicos para a seleção do dispositivo podem ser obtidos adequadamente e, então, refinados ainda mais.
   Na verdade, ao selecionar um capacitor, não se trata apenas de observar a capacitância e o pacote. Depende do ambiente de aplicação do produto. Circuitos especiais requerem capacitores especiais.
   A seguir está a classificação dos capacitores de chip de acordo com a constante dielétrica do dielétrico. A constante dielétrica afeta diretamente a estabilidade do circuito.
   NP0 ou CH (K < 150):
   Eles têm o desempenho elétrico mais estável, permanecendo basicamente inalterados com variações de temperatura, voltagem e tempo. Eles são adequados para circuitos de alta frequência com requisitos de alta estabilidade. Dado o pequeno valor de K, é difícil obter capacitores de grande capacidade nos pacotes 0402, 0603 e 0805. Por exemplo, no pacote 0603, a capacitância máxima é geralmente menor que 10 nF.
   X7R ou YB (2000 < K < 4000):
   Eles têm desempenho elétrico relativamente estável. A mudança de desempenho não é significativa (?C < ±10%) quando a temperatura, a voltagem e o tempo mudam. Eles são adequados para circuitos de bloqueio CC, acoplamento, bypass e identificação de frequência total com requisitos não muito altos para estabilidade de capacitância.
   Y5V ou YF (K > 15000):
   A estabilidade da capacitância é pior que a do X7R (?C < +20% - -80%). A perda de capacitância é mais sensível às condições de teste, como temperatura e tensão. Entretanto, devido ao seu grande valor K, eles são adequados para algumas ocasiões com requisitos de alto valor de capacitância.

III. Classificação de Capacitores

1. Capacitores eletrolíticos de alumínio
   A faixa de capacitância é de 0,1 μF - 22000 μF. Eles são a melhor escolha para aplicações de alta ondulação de corrente, longa vida útil e grande capacidade, e são amplamente utilizados em filtragem de fornecimento de energia, desacoplamento e outros cenários.
2. Capacitores de filme
   A faixa de capacitância é de 0,1 pF - 10 μF. Eles têm pequenas tolerâncias, alta estabilidade de capacitância e efeitos piezoelétricos extremamente baixos. Portanto, eles são a primeira escolha para capacitores de segurança X e Y e aplicações EMI/EMC.
3. Capacitores de Tântalo
   A faixa de capacitância é de 2,2 μF - 560 μF. Eles têm baixa resistência série equivalente (ESR) e baixa indutância série equivalente (ESL). Suas capacidades de absorção de ondulação, resposta transitória e supressão de ruído são melhores que as dos capacitores eletrolíticos de alumínio, tornando-os uma escolha ideal para fontes de alimentação de alta estabilidade.
4. Capacitores Cerâmicos
   A faixa de capacitância é de 0,5 pF - 100 μF. Eles são o resultado de materiais exclusivos e tecnologia de película fina, atendendo ao conceito de design atual de "mais leve, mais fino e com maior eficiência energética".
5. Supercapacitores
   A faixa de capacitância é de 0,022 F - 70 F. Com valores de capacitância extremamente altos, eles também são conhecidos como "capacitores de ouro" ou "capacitores de farad". Suas principais características são capacitância extremamente alta e boas características de carga/descarga, tornando-os adequados para armazenamento de energia elétrica e backup de fornecimento de energia. No entanto, eles têm uma tensão de resistência relativamente baixa e uma faixa estreita de temperatura operacional.

IV. Capacitores cerâmicos multicamadas

V. Equívocos sobre a substituição de capacitores eletrolíticos por capacitores de tântalo

VI. Problemas de aplicação de capacitores de bypass

VII. Resistência série equivalente (ESR) de capacitores

A visão comum é que um capacitor externo de capacidade relativamente grande com uma pequena resistência equivalente em série (ESR) pode absorver efetivamente a corrente de pico (ondulação) durante a conversão rápida.
No entanto, às vezes, essa escolha pode facilmente causar instabilidade em reguladores de tensão (especialmente reguladores de tensão lineares LDO). Portanto, é necessário selecionar razoavelmente os valores de capacitância dos capacitores de pequena e grande capacidade. Tenha sempre em mente que um regulador de voltagem é um amplificador e pode apresentar todos os problemas que um amplificador pode ter.
Como a velocidade de resposta dos conversores CC/CC é relativamente lenta, o capacitor de desacoplamento de saída desempenha um papel dominante no estágio inicial de uma etapa de carga. Portanto, capacitores adicionais de grande capacidade são necessários para desacelerar a conversão rápida em relação ao conversor CC/CC, e capacitores de alta frequência são usados ​​para desacelerar a conversão rápida em relação ao capacitor grande.
Geralmente, a resistência equivalente em série de capacitores de grande capacidade deve ser selecionada adequadamente para garantir que o valor de pico e o pico da tensão de saída estejam dentro da faixa especificada na Folha de Dados do dispositivo.
Em conversões de alta frequência, capacitores de pequena capacidade na faixa de 0,01 μF a 0,1 μF podem atender bem aos requisitos. Capacitores cerâmicos montados em superfície ou capacitores cerâmicos multicamadas (MLCC) têm ESR menor.
Além disso, nesses valores de capacitância, seu volume e custo de BOM são relativamente razoáveis. Se o desacoplamento local de baixa frequência for insuficiente, a tensão de entrada diminuirá ao converter de baixa frequência para alta frequência. O processo de queda de tensão pode durar vários milissegundos, e a duração depende principalmente do ganho de regulação do regulador de tensão e do tempo que leva para fornecer uma grande corrente de carga.
Usar capacitores com ESR grande em paralelo é mais econômico do que usar um único capacitor com ESR extremamente baixo. No entanto, isso requer encontrar um equilíbrio entre a área do PCB, o número de componentes e o custo.

VIII. Parâmetros elétricos de capacitores eletrolíticos

Aqui, capacitores eletrolíticos referem-se principalmente a capacitores eletrolíticos de alumínio, e seus parâmetros elétricos básicos incluem os cinco pontos a seguir:

1. Valor de capacitância O valor da capacitância de um capacitor eletrolítico depende da impedância que ele exibe ao operar sob uma tensão alternada. Portanto, o valor da capacitância, ou seja, o valor da capacitância CA, varia com a frequência de operação, a tensão e o método de medição. De acordo com a norma JISC 5102, as condições de medição para a capacitância de um capacitor eletrolítico de alumínio são uma frequência de 120 Hz, uma tensão CA máxima de 0,5 Vrms e uma tensão de polarização CC de 1,5 - 2,0 V. Pode-se afirmar que a capacitância de um capacitor eletrolítico de alumínio diminui à medida que a frequência aumenta.
2. Tan δ (Fator de Dissipação Tangente) No circuito equivalente de um capacitor, a razão entre a resistência equivalente em série ESR e a reatância capacitiva 1/ωC ​​é chamada de Tan δ, onde a ESR é calculada em 120 Hz. Obviamente, Tan δ aumenta com o aumento da frequência de medição e também aumenta com a diminuição da temperatura de medição.
3. Impedância Z Em uma frequência específica, a resistência que impede o fluxo de corrente alternada é chamada de impedância (Z). Está intimamente relacionado ao valor da capacitância e ao valor da indutância no circuito equivalente do capacitor e também está relacionado à ESR. \(Z = \sqrt{[ESR^2+(X_L - X_C)^2]}\) Na fórmula,  \(X_C = 1/ωC ​​= 1/(2πfC)\)  e  \(X_L = ωL = 2πfL\) . A reatância capacitiva ( \(X_C\) ) de um capacitor diminui gradualmente à medida que a frequência aumenta na faixa de baixa frequência. Quando a frequência continua a aumentar e atinge a faixa de frequência média, a reatância indutiva ( \(X_L\) ) cai para o valor de ESR. Quando a frequência atinge a faixa de alta frequência, a reatância indutiva ( \(X_L\) ) se torna dominante, então a impedância aumenta conforme a frequência aumenta.
4. Corrente de fuga O dielétrico de um capacitor tem uma grande resistência à corrente contínua. Entretanto, como o dielétrico do filme de óxido de alumínio está imerso no eletrólito, quando uma voltagem é aplicada, uma corrente muito pequena chamada corrente de fuga é gerada durante a reforma e o reparo do filme de óxido. Normalmente, a corrente de fuga aumenta com o aumento da temperatura e da voltagem.
5. Corrente de ondulação e tensão de ondulação Em alguns materiais, esses dois são chamados de "corrente de ondulação" e "tensão de ondulação", que na verdade são corrente de ondulação e tensão de ondulação. Eles representam os valores de ondulação de corrente/tensão que um capacitor pode suportar. Eles estão intimamente relacionados à ESR e podem ser expressos pela seguinte fórmula: \(U_{rms}=I_{rms}×R\) Na fórmula,  \(V_{rms}\)  representa a tensão de ondulação,  \(Eu_{rms}\)  representa a corrente de ondulação e  R representa o ESR do capacitor. Pode-se observar acima que quando a corrente de ondulação aumenta, mesmo que o ESR permaneça inalterado, a tensão de ondulação aumentará exponencialmente. Em outras palavras, quando a ondulação da tensão aumenta, a ondulação da corrente também aumenta, razão pela qual são necessários capacitores com um valor ESR mais baixo. Quando uma corrente de ondulação é sobreposta, a resistência interna equivalente em série (ESR) do capacitor gera calor, afetando a vida útil do capacitor. Geralmente, a corrente de ondulação é proporcional à frequência, portanto, a corrente de ondulação é relativamente baixa em baixas frequências.

IX. Fórmulas básicas para parâmetros de capacitores

X. Capacitores de segurança X e Y na entrada da fonte de alimentação

Na entrada de uma fonte de alimentação CA, geralmente três capacitores são adicionados para suprimir a interferência conduzida por EMI.
A entrada de uma fonte de alimentação CA geralmente é dividida em três fios: fio ativo (L), fio neutro (N) e fio terra (G). Os capacitores conectados em paralelo entre o fio ativo e o fio terra e entre o fio neutro e o fio terra são geralmente chamados de capacitores Y.
As posições de conexão desses dois capacitores Y são cruciais e devem atender aos padrões de segurança relevantes para evitar vazamento elétrico de dispositivos eletrônicos ou eletrificação do chassi, o que pode colocar em risco a segurança pessoal. Portanto, são capacitores de segurança. Seus valores de capacitância não devem ser muito grandes e suas tensões de resistência devem ser altas.
Geralmente, para máquinas que operam em regiões subtropicais, a corrente de fuga ao solo não deve exceder 0,7 mA; para máquinas que operam em regiões temperadas, a corrente de fuga ao solo não deve exceder 0,35 mA. Portanto, a capacitância total dos capacitores Y geralmente não deve exceder 4700 pF.
Lembrete especial do "Hardware Notebook": os capacitores Y são capacitores de segurança e devem ser certificados por uma agência de testes de segurança. A tensão de resistência dos capacitores Y geralmente é marcada com marcas de certificação de segurança e CA 250 V ou CA 275 V, mas sua tensão de resistência CC real é de até 5000 V. Portanto, os capacitores Y não podem ser substituídos casualmente por capacitores comuns marcados com uma tensão de resistência de CA 250 V ou CC 400 V.
O capacitor conectado em paralelo entre o fio ativo e o fio neutro é geralmente chamado de capacitor X. Como a posição de conexão deste capacitor também é crucial, ele também precisa atender aos padrões de segurança.
Portanto, o capacitor X também pertence a um dos capacitores de segurança. O valor da capacitância de um capacitor X pode ser maior que o de um capacitor Y, mas um resistor de segurança deve ser conectado em paralelo em ambas as extremidades do capacitor X para evitar que o plugue de alimentação permaneça carregado por muito tempo devido ao processo de carga e descarga do capacitor quando o fio de alimentação é conectado ou desconectado.
As normas de segurança estipulam que quando o fio de alimentação de uma máquina em operação é desconectado, dentro de dois segundos, a tensão (ou potencial para o solo) em ambas as extremidades do plugue de alimentação deve ser inferior a 30% da tensão operacional nominal original.
Da mesma forma, os capacitores X são capacitores de segurança e devem ser certificados por uma agência de testes de segurança. A tensão de resistência dos capacitores X geralmente é marcada com marcas de certificação de segurança e CA 250 V ou CA 275 V, mas sua tensão de resistência CC real é de até 2.000 V. Não utilize capacitores comuns marcados com uma tensão de resistência de CA 250 V ou CC 400 V casualmente ao usar capacitores X.
Os capacitores X geralmente usam capacitores de filme de poliéster com uma corrente de ondulação relativamente grande. Esses capacitores geralmente são grandes em volume, mas podem permitir uma grande corrente instantânea de carga e descarga, e sua resistência interna é relativamente pequena.
O índice de ondulação de corrente dos capacitores comuns é muito baixo e sua resistência interna dinâmica é alta. Usar um capacitor comum para substituir um capacitor X pode não somente não atender aos requisitos de tensão de resistência, mas também geralmente não pode atender aos requisitos do índice de corrente de ondulação.
Na verdade, é quase impossível filtrar completamente os sinais de interferência conduzidos contando apenas com os capacitores Y e X. Porque o espectro de frequência dos sinais de interferência é muito amplo, cobrindo basicamente a faixa de frequência de dezenas de KHz a várias centenas de MHz ou até mais de mil MHz.
Geralmente, a filtragem de sinais de interferência de baixa potência requer um capacitor de filtro de grande capacidade, mas devido a limitações de condições de segurança, os valores de capacitância dos capacitores Y e X não podem ser grandes. Para filtrar sinais de interferência de ponta, o desempenho de filtragem de capacitores de grande capacidade é extremamente ruim, especialmente o desempenho de alta frequência de capacitores de filme de poliéster que geralmente é ruim.
Porque os capacitores de filme de poliéster são produzidos por um processo de enrolamento, e as características de resposta de alta frequência do dielétrico de filme de poliéster estão longe daquelas da cerâmica ou da mica. Geralmente, os dielétricos de filme de poliéster têm um efeito de adsorção, o que reduz a frequência de operação do capacitor. A faixa de frequência operacional dos capacitores de filme de poliéster é de aproximadamente 1 MHz. Quando a frequência excede 1 MHz, sua impedância aumentará significativamente.
Portanto, para suprimir a interferência conduzida gerada por dispositivos eletrônicos, além de selecionar capacitores Y e capacitores X, vários tipos de filtros indutivos devem ser selecionados simultaneamente e combinados para filtrar a interferência.
Os filtros indutivos pertencem principalmente aos filtros passa-baixa, mas existem muitas especificações e tipos de filtros indutivos, como modo diferencial, modo comum, alta frequência, baixa frequência, etc. Cada tipo de indutor atua principalmente na filtragem de sinais de interferência em um determinado segmento de frequência pequena e tem pouco efeito na filtragem de sinais de interferência de outras frequências.
Geralmente, um indutor com uma grande indutância tem mais voltas na bobina, então sua capacitância distribuída também é grande. Sinais de interferência de alta frequência serão desviados através da capacitância distribuída. Além disso, um núcleo magnético com alta permeabilidade magnética tem uma frequência operacional relativamente baixa.
Atualmente, a frequência operacional dos núcleos magnéticos da maioria dos filtros indutivos em uso extensivo é inferior a 75 MHz. Para aplicações com requisitos de alta frequência, núcleos magnéticos toroidais de alta frequência devem ser selecionados. Núcleos magnéticos toroidais de alta frequência geralmente têm baixa permeabilidade magnética, mas uma indutância de fuga muito pequena, como núcleos magnéticos de liga amorfa e núcleos magnéticos de permalloy.

XI. Capacitores eletrolíticos de alumínio LINKEYCON

A LINKEYCON foi fundada em 2017. Ela se concentra no design, desenvolvimento, fabricação e vendas de capacitores eletrolíticos de alumínio e é uma atualização da SZWX, fundada em 2005. A sede da empresa está localizada em Songshan Lake Science City, Dongguan, província de Guangdong. Possui um laboratório de nível provincial e construiu um R cinco em um & Sistema D que abrange o ambiente de aplicação do lado do cliente, materiais, processos, produtos e tecnologia de fabricação, bem como um sistema de gestão científica construído com tecnologia da informação de nova geração. Tornou-se um fornecedor estratégico para líderes da indústria nacional e estrangeira em conversores de frequência, inversores, iluminação e outros campos. Para mais informações,
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