Jännitekondensaattorit rinnakkain: Mikä pankin luokitus todella on
Käytännön opas kapasitanssista, virran jakamisesta ja jännitekatosta, joka ohjaa mitä tahansa rinnakkaiskondensaattoriryhmää.
Kuusi 470 µF:n snap-in-kondensaattoria on peräkkäin latausmoduulin 400 V DC -linkissä. Piirustus kutsuu ryhmää 2 820 µF:n pankiksi, ja jokainen lukee sen luvun harmittomana aritmeettisena. Sitten joku kysyy, mitä tapahtuu, jos kaksi kuudesta asennosta täytetään 350 V:n osilla 450 V:n sijaan, ja huone hiljenee.
Tässä on vastaus ennen perusteluja. Rinnakkaiskondensaattorit näkevät kaikki saman jännitteen, niiden kapasitanssit laskevat yhteen, niiden vastaava sarjaresistanssi putoaa ja koko pankin jännite on rivin alhaisin arvo. Ei keskimääräinen, ei korkein, eikä asettelu voi parantaa.
Tämä yksittäinen lause ratkaisee, selviytyykö pankki ylivirtauksesta vai tyhjentääkö se elektrolyyttiä kuumana iltapäivänä. Seuraavaksi kerrotaan, mikä itse asiassa muuttuu, kun kondensaattoreita asetetaan rinnakkain, mikä ei muutu ollenkaan ja mitkä yksityiskohdat pyrkivät puremaan kelpuutuksen aikana.
Yksi jännite, jaettu lataus: mitä rinnakkaisliitäntä muuttaa
Rinnakkaisessa järjestelyssä liittimet on sidottu yhteen, joten jokainen kondensaattori näkee saman potentiaalieron. Maksu ei jaa tasaisesti; se jakautuu suhteessa kapasitanssiin. 48 V jännitteellä 1000 µF:n kondensaattori varastoi kymmenen kertaa sen vieressä olevan 100 µF:n kondensaattorin varauksen, kun taas molempia jännittää täsmälleen sama jännite.
Aritmetiikka on yksinkertainen. Kokonaiskapasitanssi on yksittäisten arvojen summa, ja varastoitu energia seuraa tätä kokonaismäärää:
- C yhteensä = C1 C2 ... Cn
- Varastoitu energia = 1/2 x C yhteensä x V neliö
- Vastaava resistanssi ja induktanssi yhdistyvät käänteislukuina, joten ne putoavat, kun osia lisätään
| Omaisuus | Sarjan pankki | Rinnakkaispankki |
|---|---|---|
| Kokonaiskapasitanssi | Vastavuoroiset lisää | Arvot lisäävät suoraan |
| Jännite jokaisessa osassa | Jakaa; pienin kondensaattori ottaa suurimman osuuden | Sama kaikille pankin kondensaattoreille |
| Ryhmän jänniteluokitus | Lisää, jos tasapainotus on paikallaan | Vastaa alhaisinta yksittäistä luokitusta |
| Tasapainotuslaitteisto | Yleensä vaaditaan | Ei vaadita |
| Tyypillinen rooli | Korkeajännitteiset kielet ja pinotut linkit | Joukkotallennus, irrottaminen, aaltoilun jakaminen |
| Heikoimman osan riski | Ylijännite pienimmässä kondensaattorissa | Ylikuumeneminen pienimmän ESR:n kondensaattorissa |
Rinnakkaispankin jänniteluokitus, ilmaistu selvästi
Kapasitanssi kasvaa rinnakkain. Jänniteluokitus ei. Pankki yksinkertaisesti perii rivin pienimmän luvun.
63 V:n kondensaattori ja 35 V:n kondensaattori, jotka on kytketty rinnan, muodostavat 35 V:n pariston. 63 V osa kulkee paljon oman kattonsa alapuolella, mikä on vaaratonta kondensaattorille ja harhaanjohtavaa kaaviota lukeville.
Säännössä on toinen kerros: nimellisjännite ei ole käyttöjännite. Alumiinielektrolyyttejä käytetään normaalisti marginaalilla. Istuminen 80 prosentilla nimellisjännitteestä on yleinen perustaso huoneenlämpöisille malleille; korkean aaltoilun tai 105 °C:n mallit liikkuvat usein kohti 70 prosenttia, ja pitkäikäiset teollisuustuotteet voivat laskea edelleen.
Ylijännitearvot eivät ole käyttöjännitteitä. Osaa, joka sietää nimellisjännitteensä lyhyttä ylijännitettä, ei pidä pyytää asumaan siellä jatkuvasti, ja rinnakkaispankki ei tarjoa yhteistä marginaalia, jota yhdellä kondensaattorilla ei olisi.
| Nimellisjännite | 80 prosentin tavoite | 70 prosentin tavoite |
|---|---|---|
| 25 V | 20 V | 17,5 V |
| 35 V | 28 V | 24,5 V |
| 50 V | 40 V | 35 V |
| 63 V | 50 V | 44 V |
| 100 V | 80 V | 70 V |
| 200 V | 160 V | 140 V |
| 400 V | 320 V | 280 V |
| 450 V | 360 V | 315 V |
Miksi rinnakkaispankit ansaitsevat korttipaikkansa?
Rinnakkaiskytkentä jakaa resistanssin ja induktanssin samalla tavalla kuin vastukset yhdistyvät. Viisi kondensaattoria, joiden ESR on 100 milliohmia, käyttäytyvät ryhmänä kuin 20 milliohmin komponentti. Pienempi ekvivalenttiresistanssi tarkoittaa vähemmän sisäistä lämmitystä tietyllä aaltoiluvirralla ja pienempi lämmitys tarkoittaa pidempää käyttöikää; tuttu nyrkkisääntö on, että jokainen 10 °C sisälämpötilan lasku noin kaksinkertaistaa käyttöiän.
Aaltoiluvirta ei kuitenkaan jaa tasaisesti. Se jakautuu impedanssin mukaan, joten pankin pienimmän ESR-kondensaattorin osuus on suurin ja se käy kuumin. Vain pankin kokonaisripple-luokituksen tarkistaminen osaosuuden sijaan kertoo, kuinka yksi lämmin tölkki ilmestyy lämpökameran alle.
Ennen kuin asettelu jäätyy, kannattaa käydä uudelleen miten ESR muokkaa aaltoiluvirtaa ja lämpöä alumiinielektrolyyttikondensaattorissa, koska tämä suhde asettaa rinnakkaispankin todellisen rajan.
Yhteensopimattomat osat ja siirtyvä stressi
Kaksi saman tuotantosarjan kondensaattoria voivat poiketa kapasitanssiltaan 20 prosenttia ja ESR:n osalta huomattavasti enemmän, varsinkin kun ne tulevat eri eristä tai erilaisista varastointiolosuhteista. Rinnakkaispankissa leviäminen näkyy pikemminkin epätasaisena virranjakautena kuin epätasaisena jännitteenä.
Vikajärjestys on täsmennyksen arvoinen, koska se on ristiriitainen. Alin ESR-osa kuljettaa eniten aaltoiluvirtaa ja on kuumin. Lämpö kuivaa elektrolyytin, mikä nostaa ESR:ää ja laskee kapasitanssia. Kun sen ESR nousee, sen osuus virrasta laskee ja jäljellä olevat kondensaattorit absorboivat eron. Pankki epäonnistuu harvoin kerralla; se pyörittää jännitystä osasta osaan, kunnes voi ilmaantua.
Älä koskaan sekoita jännitearvoja yhden rinnakkaispankin sisällä, edes prototyyppien rakentamisen aikana. Jos pankin on yhdistettävä sarjoja tai eriä, mittaa ESR ennen kokoonpanoa ja jäädyttää materiaalit hyväksynnän kautta, koska hiljainen toimittajan vaihto voi siirtää nykyistä saldoa tavoilla, joita mikään kaavio ei näy.
Kuparilla on yhtä paljon merkitystä kuin kapasitanssilla
Muutaman milliohmin jäljitys- ja virtakiskoresistanssi on merkityksetön 1 A:lla ja ratkaiseva 100 A:lla. Jos kuparin polku yhteen kondensaattoriin on 30 mm pidempi kuin polku sen naapuriin, virranjako seuraa kuparia, ei datalehteä. Symmetrinen asettelu, yhtä pitkät oksat ja jaettu tähtipiste ovat vakiokorjauksia.
Sama logiikka pätee korkealla taajuudella, jossa vastaava sarjainduktanssi hallitsee. Rinnakkaiskondensaattorit vähentävät pankin silmukkainduktanssia vain, kun niillä on pieni paluupolku; levitä ne laajalle silmukalle ja hyöty haihtuu.
Tästä syystä matalan ESR:n polymeeriosia ja bulkkielektrolyyttejä käytetään usein yhdessä: polymeeri käsittelee nopean reunan, elektrolyytti kattaa hitaamman energiantarpeen ja kupari päättää, tekeekö kumpikaan tehtävänsä.
Käytännön tarkistuslista rinnakkaispankeille
Useimmat rinnakkaiset pankkiongelmat juontavat juurensa viiteen päätökseen, jotka tehdään varhain ja joihin harvoin palataan. Alla oleva luettelo on versio, joka kestää tuotannossa.
- Aseta alimman nimelliskondensaattorin pankkijännite ja käytä sitten alentamista: 80 prosenttia nimellisarvosta pohjana huonelämpötilassa, lähempänä 70 prosenttia korkean aaltoilun tai korkean lämpötilan käytössä.
- Säilytä yksi luokitus, yksi sarja ja mieluiten yksi erä. Sekaerät tarkoittaa sekalaista ESR:ää ja seka-ESR tarkoittaa sekavirtaa.
- Koko aaltoilee kondensaattoria kohti eikä pankkia kohti, ja oletetaan, että pienimmän ESR-osan osuus vie enemmän kuin sen aritmeettinen osuus.
- Aseta kupari symmetrisesti, koska yhtä suurella polun pituudella on suurempi merkitys kuin kuparin kokonaispinta-alalla virtojen noustessa.
- Vahvista lämpökuva pahimmassa tapauksessa kameralla, ei vain laskentataulukolla.
- Päätä etukäteen, mitä viallinen kondensaattori saa tehdä. Tuuletus, oikosulku ja asteittainen kapasitanssihäviö ovat kolme erilaista tapahtumaa, joilla on kolme erilaista seurausta.
Kun lisää kondensaattoreita rinnakkain lakkaa auttamasta
Rinnakkaiskytkentä nostaa kapasitanssia. Se ei koskaan nosta jännitekapasiteettia, mikä on sarjajonon tehtävä, ja sarjajouset tarvitsevat tasapainotusvastuksia, koska kapasitanssitoleranssi muuttuu suoraan jännitteen epätasapainoksi.
Myös varastoitu energia kasvaa pankin mukana. 2 820 µF:n 400 V:iin ladatussa paristossa on noin 226 joulea, jotka kaikki ovat vikatiellä, pudonneen työkalun tai teknikon käden käytettävissä. Bleeder-vastukset, määrätty purkausaika ja oikosulkusuoja ovat osa pankkia, eivät valinnaisia lisävarusteita.
Vielä yksi hienovaraisuus kannattaa tietää. Kahden hyvin erilaisen kapasitanssiarvoryhmän rinnakkaiskytkentä voi luoda niiden välille antiresonanssin, jossa yhdistetty impedanssi nousee tietyllä taajuudella putoamisen sijaan. Sillä on harvoin merkitystä bulkkienergian varastoinnissa, ja sillä on paljon merkitystä suurtaajuisissa irrotusverkoissa.
Varastoitu energia on riski missä tahansa rinnakkaispankissa. Vahvista ilmanpoiston koko, purkausaika ja lukitusmenettely ennen ensimmäistä käynnistystä ja käsittele kondensaattori, jota ei ole purettu, jännitteiseksi.
Kolme numeroa ratkaisee, käyttäytyykö rinnakkaispankki: jänniteluokitus, joka on rivin alin arvo; kapasitanssi, joka on summa; ja ESR, joka on käänteislukujen summa. Kondensaattori, joka kuljettaa eniten aaltoiluvirtaa, on se, jolla on vähiten vastus, ja se on myös kuumin.
Tee ne oikein, pidä kupari symmetrisenä ja materiaalit vakaana, ja rinnakkaispankit tekevät juuri sen, mitä suunnittelijat heiltä vaativat: ne alentavat impedanssia, levittävät lämpöä ja ostavat vuosia käyttöikää muutaman lisäkomponentin hinnalla. Koska pankki on aina yhtä vahva kuin sen heikoin osa, alumiinielektrolyyttikondensaattorien toimittaja, joka voi dokumentoida toleranssi- ja käyttöiän tiedot yhden sarjan välillä, tekee laskelmasta paljon helpompi puolustaa.
