Aritmetiikka kestää kymmenen sekuntia. Siihen kytkettävän jännitteen valitseminen ja vastaukseen luottaminen miinus 40 asteessa kestää huomattavasti kauemmin.
450 V:n snap-in-kondensaattori 400 V:n tasavirtapiirissä näyttää anteliaalta mitoitettulta, kunnes kylmäkäynnistystesti havaitsee 60 V:n kytkentäylityksen aaltoilussa. Osa, joka läpäisi jokaisen laskentataulukon tarkistuksen, tulee yhtäkkiä syyksi, miksi taulu palaa asettelua muuttamaan. Se, mikä saa kiinni tuon virheen, ei ole monimutkaisempi kaava, vaan yksinkertaisimman selkeämpi tulkinta: i = C · dv/dt.
Joten tässä on lyhyt vastaus ennen yksityiskohtia. Tämä yksittäinen derivaattasuhde kertoo, kuinka nopeasti jännite liikkuu tietyllä virralla, ja kaikki muut insinöörien käyttämät lausekkeet - varaus, energia, RC:n nousu ja lasku, aaltoilu - on sen uudelleenjärjestely. Nimellisjännite, ESR, lämpötila ja käyttöikä eivät muuta aritmetiikkaa, mutta ne päättävät, kuvaako aritmetiikka edelleen kädessäsi olevaa osaa.
Alla olevat osiot kattavat lomakkeet, jotka kannattaa muistaa, oletukset, jotka hiljaa rikkovat ne, ja tarkistukset, jotka estävät ohimenevää laskelmaa muuttumasta epäonnistuneeksi tuotteeksi.
Kondensaattorin jänniteyhtälöt, jotka kannattaa pitää käsillä
Kuusi lomaketta kattaa lähes kaikki käytännön tapaukset. Ne eivät ole vaihtoehtoja toisilleen; jokainen vastaa eri kysymykseen, ja niiden sekoittaminen on yleisin väärien vastausten lähde tehosuunnittelutyössä.
| Yhtälö | Mitä se kertoo sinulle | Missä sitä käytetään |
|---|---|---|
| i = C · dv/dt | Virta, joka tarvitaan siirtämään jännitettä valitulla nopeudella | Snubber muotoilu, muuttonopeuden rajat, dv/dt jännitys |
| ΔV = I · Δt / C | Tunnetun kestoisen virtapulssin aiheuttama jännitteen muutos | Aaltoiluarvio, pulssikuormat, varauksen injektio |
| Q = C · V | Tietyllä jännitteellä tallennettu varaus | Lataustasapaino, nollauspiirit, näytteenottoverkot |
| E = ½ · C · V² | Energiaa käytettävissä purkutapahtumaan | Odotusaika, ilmausvastukset, turvallisuusanalyysi |
| Vc(t) = Vs (1 - e^(-t/RC)) | Jännite ladattaessa syöttöön vastuksen kautta | Pehmeä käynnistys, käynnistysviive, käynnistyksen rajoitus |
| Vc(t) = V0 · e^(-t/RC) | Jännite purettaessa tunnetusta aloituspisteestä | Odotusaika, turvallinen purkuaika |
Huomaa, mitä taulukosta puuttuu: lämpötila, taajuus ja aika. Nämä yhtälöt kuvaavat ihanteellista elementtiä, ja ihanteellisen vastauksen ja mitatun vastauksen välinen ero on se, missä suurin osa suunnittelutyöstä todella elää.
Johdannaislomakkeen työstäminen käsin
Kaksi nopeaa laskutoimitusta tekevät luvuista konkreettisia. 1000 µF:n kondensaattori, jonka nettovirta on 5 A, muuttaa jännitettä arvolla dv/dt = i / C = 5 / 0,001, mikä on 5000 V sekunnissa tai 5 V millisekunnissa. Tällä nopeudella väyläkondensaattori, jonka kuormitus on huonosti sovitettu, voi ylittää nimellisjännitteensä yhden kytkentätapahtuman sisällä.
Suorita sama suhde toisin päin. 470 µF:n kondensaattori, joka absorboi 2 A aaltoiluvirtaa 8 µs:n ajan, joka on suunnilleen keskitaajuusasteen päällekytkentäaika, liikkuu ΔV = I · Δt / C = (2 × 0,000008) / 0,00047 eli noin 34 mV. Pidä tämä luku mielessä, koska se on vain kapasitiivinen puolet aaltoilusta, jonka näet kiikarissa.
Kondensaattorin yli oleva jännite on ennätys siihen virtaavasta virrasta. Kun jännite on väärä, vastaus piilee nykyisessä historiassa.
Yhtälö on napaisuussokea. Alumiininen elektrolyyttikondensaattori ei ole. Noin yhden voltin yläpuolella oleva käänteinen jännite vahingoittaa oksidikerrosta, joten malli, jossa jännite aidosti heilahtelee molempiin suuntiin, tarvitsee bipolaarisen osan uudelleen järjestetyn kaavan sijaan.
RC-lataus ja purkaminen ilman pikanäppäimiä
RC-muodot näyttävät erilliseltä aiheelta, mutta ne ovat johdannaissuhde yhden integroinnin jälkeen vakiolähdettä vastaan. Aikavakiolla τ = R × C käyrän muoto on kiinteä: vastuksen kautta varautuva kondensaattori saavuttaa 63,2 prosenttia syötöstä yhden aikavakion jälkeen ja purkautuva kondensaattori putoaa 36,8 prosenttiin käynnistysjännitteestään samalla aikavälillä.
Loput käyrästä kannattaa tietää ilman laskinta:
- 1τ: 63,2 prosenttia ladattu, 36,8 prosenttia jäljellä purkautuessa
- 2τ: 86,5 prosenttia ladattu, 13,5 prosenttia jäljellä
- 3τ: 95,0 prosenttia ladattu, 5,0 prosenttia jäljellä
- 4τ: 98,2 prosenttia ladattu, 1,8 prosenttia jäljellä
- 5τ: 99,3 prosenttia ladattu, 0,7 prosenttia jäljellä
Käsittele viittä aikavakiota "tehokkaasti laskettuina" eikä "selvitettyinä". Vuotovirta työntää todellista kondensaattoria hieman tämän pisteen ohi, ja dielektrinen absorptio tarkoittaa, että osa, joka on ollut oikosulussa minuutin, voi palauttaa mitattavan osan jännitteestään, kun oikosulku on poistettu. Turvallisuuteen liittyvien purkausreittien osalta tämä palautuminen on juuri se syy, miksi vain E = ½CV²:n kokoinen bleeder-vastus ansaitsee penkkitarkastuksen.
Ripple Voltage: missä ihanteellinen yhtälö aliarvioi
Johtopäätös ensin: todellisessa elektrolyyttikondensaattorissa mittaamasi jännite on aina suurempi kuin ihanteellinen kapasitiivinen termi, ja rako levenee lämpötilan laskiessa. Kaksi mekanismia selittää melkein kaiken - vastaava sarjavastus ja dielektrinen häviö.
Resistiivinen osuus on helppo arvioida: V = I_ripple × ESR. Osa, jonka ESR on 0,15 Ω ja jossa on 1,2 A aaltoilu, lisää noin 180 mV kapasitiivisen termin päälle ennen lämpötilakorjausta. Kymmeniä kilohertsejä kytkevissä portaissa tuo resistiivinen termi yleensä hallitsee, minkä vuoksi paperilla anteliaalta näyttävä kapasitanssin lisäys voi siirtää mitattua aaltoilua hyvin vähän.
ESR ei ole vakio. Tavallinen alumiinielektrolyytti, joka mittaa 0,2 Ω 20 °C:ssa, voi mitata useita kertoja verrattuna miinus 40 °C:seen, koska elektrolyytin johtavuus romahtaa kylmässä. Ripple-mallit, jotka läpäisevät mukavasti huoneenlämmössä, epäonnistuvat rutiininomaisesti ensimmäisessä kylmäkäynnistystestissä.
Bulkkitasavirtalinkkiasennoissa on olemassa korkean aaltoilun snap-in-sarjoja nimenomaan vaihtamaan kapasitanssia tilavuusyksikköä kohti ESR- ja aaltoiluvirran nimellisarvoa vastaan. CD293-tuoteperhe on tämän luokan tavallinen korkean aaltoilun snap-in-vaihtoehto, joka on rakennettu sellaiseen jatkuvaan aaltoiluun, jonka jäähdytyselementtittömän tasavirtalinkin on vaimentava.
Nimellisjännite, korkeustila ja ylijänniteolosuhteet
Valitse nimellisjännite pahimmasta mahdollisesta huipusta, älä koskaan nimelliskiskosta. Sarja on lyhyt, mutta usein ohitetaan: ota väylän nimellinen jännite, lisää huipun aaltoilu, lisää kondensaattorin liittimissä mitattu kytkentäylitys syötteen sijaan ja lisää sitten marginaali linjatransienteille.
Teollisissa tasavirtayhteyksissä 20-30 prosentin ero pahimman mahdollisen huipun ja nimellisjännitteen välillä on kohtuullinen toimintasääntö. 400 V väylä, jossa on 30 V huipusta huippuun aaltoilu ja 40 V ylitys huiput lähellä 460 V, joten 500 V tai 550 V osa on rehellinen vastaus. 450 V osa toimii vain, jos ylitysmittaus oli optimistinen.
Ylijänniteluokitukset ovat erillinen erittely jatkuvista arvoista. Useimmat teknisistä tiedoista sallivat lyhytkestoisen jännitteen noin 1,15-kertaisella nimellisjännitteellä 25 °C:ssa tietyn sarjavastuksen kautta ja rajoitetun ajan. Tämä lisäys ei ole lupaa ajaa jatkuvasti 1,15-kertaisella teholla, ja se kapenee ympäristön lämpötilan noustessa. Kun päätteet näkevät nopeita transientteja tasaisen aaltoilun sijaan, käyttäytyminen ruuviterminaaliset elektrolyyttikondensaattorit transienttijännitteellä kannattaa lukea ennen kuin luokitus jäätyy.
Alennus lisää myös käyttöikää. Osan käyttäminen 80 prosentilla sen nimellisjännitteestä alentaa sähkökenttää oksidikerroksen poikki, mikä hidastaa sähkökemiallista ikääntymistä, joka nostaa asteittain ESR:ää ja alentaa kapasitanssia.
Lämpötila, ESR ja käyttöikä: mitä yhtälö ei näe
Kondensaattorin jänniteyhtälössä ei ole lämpötilatermiä, ja suurin osa kenttävioista johtuu lämpötilasta.
Elinikä noudattaa Arrhenius-tyylistä nyrkkisääntöä, joka on riittävän tarkka suunnittelua varten: jokainen 10 °C:n sisälämpötilan lasku noin kaksinkertaistaa odotetun käyttöiän. Osa, joka on mitoitettu 2000 tunniksi 105 °C:ssa ja joka toimii 65 °C:n ytimellä, on noin kuusitoista kertaa suurempi eli noin 32 000 tuntia. Tärkeä sana on ydin – aaltoiluvirta lämmittää sydämen ympäristön yläpuolelle, joten ympäristön lämpötilan laskeminen tasoittaa tulosta.
Käytä kymmenen asteen sääntöä sisälämpötilaan, älä ympäristöön. Vähennä aaltoilun aiheuttama lämpötilan nousu käyttämällä tietolehtikäyrää ensin, koska kaksinkertaistuskerroin on herkkä 10 °C:n virheelle kumpaankin suuntaan.
Kylmä suorituskyky on peilikuva samasta ongelmasta. Elektrolyytin johtavuus laskee lämpötilan myötä, ESR nousee ja resistiivinen aaltoilutermi kasvaa sen mukana. Matalassa lämpötilassa käynnistettävät radiaalisarjat, kuten CD11GE, on määritetty juuri siihen tilaan, jossa vain 20 °C:n tiedoilla valittu osa näyttäisi aaltoilujännitteen selvästi huonelämpötilalaskelman yläpuolella.
Valinnan tarkistuslista, joka pitää aritmeettisen rehellisenä
Suorita nämä seitsemän vaihetta järjestyksessä. Jokainen voi poistaa ehdokkaan ennen kuin seuraava lisää yksityiskohtia.
- Laske pahin huippujännite kondensaattorin liittimissä, mukaan lukien aaltoilu, ylitys ja linjatransientit.
- Valitse nimellisjännite, jonka korkeus on 20–30 prosenttia huipun yläpuolella, ja vahvista sitten ylijännitearvo erikseen.
- Selvitä tarvittava kapasitanssi aaltoilubudjetista ja kaikista piirin asettamista dv/dt-vaatimuksista.
- Tarkista aaltoiluvirran arvo todellista RMS-aaltoilua vastaan käyttämällä tietolomakkeen taajuuden korjauskertoimia.
- Tarkista ESR alimmassa käyttölämpötilassa, ei 20 °C:ssa.
- Arvioi sisälämpötila ja odotettu käyttöikä aaltoilulämmityksen mukana.
- Vahvista mekaaninen sovitus: kotelon halkaisija, johdinväli tai liitinväli, korkeusvälys ja asennussuunta.
Vaihe viisi ohitetaan useimmiten, ja vaihe kaksi tehdään useimmiten tottumuksesta. Yhdessä ne muodostavat suuren osan palautuksista, jotka tulevat takaisin "kondensaattori epäonnistui" -merkinnällä.
Kun numerot on vahvistettu, suppea lista yleensä kapenee kahteen tai kolmeen sarjaan. Vertaamalla snap-in alumiini elektrolyyttikondensaattori vaihtoehdot samalla jännitteellä ja kotelon koosta tekevät aaltoiluvirran ja eliniän erot näkyvät nopeammin kuin mikään yksittäinen tietolehti.
Missä yhtälö päättyy ja osa alkaa
Kondensaattorin jänniteyhtälö on kaksirivinen idea, joka kestää suunnittelutyön kaikilla tasoilla: virta siirtää varausta, varaus siirtää jännitettä ja nopeus riippuu kapasitanssista. Kaikessa muussa – luokitus, vähennys, ESR, lämpötila, käyttöikä – on kyse siitä, kuvaako tämä ajatus edelleen komponenttia kymmenentuhatta tuntia kesällä 70 °C:n lämpötilan saavuttaneen kaapissa.
Käytä yhtälöä kokoa ja käytä sitten määritettyjä ja mitattuja tietoja varmistaaksesi. Suunnittelu, joka kantaa molemmat, on sellainen, jossa laskettu jännite ja oskilloskoopin jälki ovat yhtäpitäviä laboratoriossa ja kylmässä vuosia prototyypin jälkeen.
