O Kapacytancja pozorna, Czy słyszałeś już pojęcie pojemności? Przed zanurzeniem się w dyskusji na temat pojemności i pojemności błądzącej, ważne jest, aby zrozumieć, co to jest kondensator.
Kondensator jest istotną częścią elektroniczną, która w pełni wykorzystuje zdolność wielu pól elektrycznych do dotarcia przez izolator (Ng i Saran, 1996). Kondensatory (często nazywane kondensatorami) są elementami magazynującymi energię, które są szeroko stosowane w telewizorach, radiach i innych rodzajach sprzętu elektronicznego.
Teraz omówimy szczegółowo pojemność i pojemność błądzącą wraz z jej implikacjami w obwodach PCB.
1、Co to jest kapacytancja błądząca?
Kapacytancja to właściwość zbioru przewodników lub przewodnika elektrycznego mierzona dokładnie przez ilość wydzielonego ładunku elektrycznego (Geaghan, 2013). Kapacytancja jest często zapisywana na niej na jednostkową zmianę lub fluktuację potencjału elektrycznego.
Warto wspomnieć, że pojemność wskazuje również na związane z nią magazynowanie energii elektrycznej.
Pojemność błądząca jest rodzajem pojemności; niechciana, nadmierna lub najlepiej nieunikniona pojemność indukowana w różnych komponentach elektronicznych z powodu ich równoległego ułożenia jest zwykle znana jako pojemność błądząca.
Zauważ, że pojemność błądząca jest specjalnym rodzajem błędu pomiarowego, który jest często definiowany jako pojemność pomiędzy różnymi połączeniami w uchwycie lub/i końcówce pęsety. Istnieje rozsądna ilość pojemności błądzącej dodanej do pomiaru kondensatora, jeśli instytucja jest otwarta.
Powiedziawszy to, jeśli kompensacja otwiera się w pełni, może być dokładnie skompensowana przez pojemność błądzącą generowaną w dżwigni. Inżynierowie wiedzą, że system wysokiej częstotliwości, który działa w RF i widmie mikrofalowym, zwykle napotyka ten efekt.
Warto zauważyć, że w induktorach, pojemność błądząca generuje serię rezystancji, podczas gdy w PCB często widać, że indukowana pojemność zmienia swój punkt pracy.
Wszystkie główne elementy obwodu, takie jak diody, cewki i tranzystory mają tendencję do posiadania wewnętrznej pojemności, i może to spowodować, że ich zachowanie lub wzór odejdzie trochę od "idealnych" elementów obwodu. Ponadto, istnieje niezerowa pojemność pomiędzy dowolnymi dwoma przewodnikami (McAllister, 1991).
Należy pamiętać, że może ona być znacząca lub bardziej wyraźna przy wyższych częstotliwościach, zwłaszcza gdy przewodniki są blisko siebie, jak np. ścieżki na płytkach drukowanych lub drutach.
Obrazek 1: Kapacytancja błądząca
W PCB
W systemach wysokiego napięcia i wysokiej częstotliwości, przewodniki nie potrzebują innego przewodnika do wytworzenia pojemności pomiędzy nimi. Jest tak dlatego, że jest ona indukowana jedynie przez interakcję z otoczeniem. Należy pamiętać, że w płytkach obwodów drukowanych (PCB) często skutkuje to dużą ilością niechcianej lub niepotrzebnej pojemności, która może mieć wpływ na wydajność systemu.
Programy komputerowe do automatyzacji projektowania elektronicznego, które są używane w projektowaniu większości komercyjnych płytek drukowanych, mogą obliczać pojemność błądzącą i inne pasożytnicze oddziaływania zarówno ścieżek na płytce, jak i komponentów i mają tendencję do uwzględniania ich w nieocenionych symulacjach działania układu. Jest to znane jako ekstrakcja pasożytnicza (Kao, Lo, Singh, & Basel, 2001).
Warto zauważyć, że pojemność błądząca może być zwykle ignorowana; powiedziawszy to, w wielu obwodach elektrycznych o wysokiej częstotliwości, może okazać się ogromnym problemem.
W większości obwodów wzmacniaczy o rozszerzonej odpowiedzi częstotliwościowej, pojemność błądząca pomiędzy wejściem a wyjściem może działać jako aktywna ścieżka sprzężenia zwrotnego, co powoduje, że obwód elektryczny często oscyluje przy wyższej częstotliwości. Należy pamiętać, że te niepożądane i nieuniknione oscylacje są znane jako oscylacje pasożytnicze (Palmer & Joyce, 2003).
Używając poniższego rysunku, możemy łatwo obliczyć pojemność błądzącą dla przewodnika w dowolnym podłożu PCB. Zauważmy, że ta pojemność może być teoretycznie wykorzystana w różnych miejscach, które potrzebują małych kondensatorów dyskretnych, ale w większości przypadków jest to sposób nieefektywny.
Również układy o wysokiej częstotliwości mogą generować pojemność między ich dolną i górną warstwą; Powiedziawszy to, z powodu izolacji między tymi warstwami, byłoby to w pomijalnym zakresie około trzech pF na cm2.
Teraz omówimy efekty pojemności błądzącej.
Efekty
Należy pamiętać, że w większości wzmacniaczy o wyższych częstotliwościach, pojemność błądząca może łatwo połączyć się z pewną błądzącą indukcyjnością, taką jak przewody komponentów, tworząc różne obwody rezonansowe, co może również prowadzić do zjawiska zwanego oscylacjami pasożytniczymi.
W prawie wszystkich induktorach, pasożytnicza pojemność może rezonować z indukcyjnością przy pewnej wysokiej częstotliwości, aby uczynić induktor samorezonansowym; jest to znane jako częstotliwość samorezonansowa. Powyżej tej określonej częstotliwości, induktor posiada reaktancję pojemnościową.
Projektanci obwodów elektrycznych starają się jak najlepiej zminimalizować lub wyeliminować pojemności błądzące, jeśli to możliwe. Często robią to poprzez staranne utrzymywanie wszystkich przewodów części elektronicznych w zwartości i grupowanie tych części w sposób, który eliminuje sprzężenie pojemnościowe. Pojemność błądząca obwodu obciążenia dołączonego mocno do wyjścia w op-ampach może obniżyć ich pasmo przenoszenia.
Większość obwodów elektrycznych o wysokiej częstotliwości wymaga specjalistycznych technik projektowania, takich jak staranne oddzielenie komponentów i przewodów, pierścienie ochronne, płaszczyzny zasilania, płaszczyzny uziemienia, ekranowanie między wyjściem a wejściem, terminacja linii paskowych i linii, aby zminimalizować wpływ niepożądanej pojemności.
W tej sekcji pokryliśmy spore terytorium. W następnym rozdziale omówimy różnice pomiędzy pojemnością błądzącą a pasożytniczą. Chociaż terminy te są często używane zamiennie, istnieją pewne krytyczne różnice, które powinieneś znać.
Obrazek 2: Kapacytancja błądząca (Stray Capacitance)
2、Różnica między kapacytancją błądzącą a pasożytniczą
Kiedy dwa przewodniki elektryczne lub części znajdują się w fizycznej bliskości, niosą ładunek i istnieje między nimi określony potencjał napięcia, prawdopodobnie wytworzą między sobą wirtualny kondensator; jest to prawdą, nawet jeśli wszystkie przewodniki są odpowiednio izolowane.
Zauważ, że wirtualny kondensator pomiędzy tymi przewodnikami jest często nazywany pasożytniczą pojemnością.
Pojemność pasożytnicza jest definiowana jako nieunikniona, nadmierna i niepożądana pojemność pomiędzy 2 lub więcej przewodnikami elektrycznymi, które mają tendencję do istnienia z powodu bliskości i zazwyczaj powodują nieidealne zachowanie obwodu elektrycznego.
Pojemność pasożytnicza, jak to się często uważa, jest rodzajem pasożytniczej pojemności. Zauważ, że jest to pojemność od przewodnika do konkretnego otoczenia, która jest sumą przewodników elektrycznych w otoczeniu i jest odwrotnie ważona przez dokładną odległość do każdego z przewodników otoczenia.
Pojemność pasożytnicza przy wyższych częstotliwościach Warto wspomnieć, że przy wyższej częstotliwości na przepływ prądu w obwodzie często wpływa pojemność pasożytnicza. Dzieje się tak dlatego, że kondensatory mają tendencję do stawania się znacznie lepszymi przewodnikami, gdy częstotliwości rosną.
Zauważ, że im wyższa częstotliwość w obwodzie, tym bardziej kondensator będzie przewodził jak rezystor, zbliżając się do krótkiego przebiegu.
Należy również pamiętać, że kondensator zachowuje się bardziej jak drut przy nieskończonej częstotliwości. W rezultacie można sobie wyobrazić, że pojemność pasożytnicza może być prawdziwym problemem przy wyższych częstotliwościach, ponieważ jej efekty nie wpływają zbytnio na rzeczy przy niższych częstotliwościach (Queiroz i Calôba, 1990). Pojemności pasożytnicze doświadczane przy wyższych częstotliwościach mogą przypadkowo połączyć płaszczyznę odniesienia dowolnej płytki drukowanej z chassis.
Warto również wspomnieć, że pojemność pasożytnicza tworzyłaby się pomiędzy ciałami przewodzącymi, które przenoszą ładunek. Pojemność pasożytnicza może powstać pomiędzy metalowym stołem lub krzesłem a płytką PCB siedzącą na nim (jest to mniej prawdopodobne w przypadku stołu lub krzesła wykonanego z materiału izolacyjnego, takiego jak drewno). To dlatego projektowanie obwodów dla wyższych częstotliwości często oznacza, że należy poświęcić więcej uwagi ogólnemu projektowi, szczególnie w odniesieniu do rozmieszczenia płytek drukowanych lub specyficznego umieszczenia ciała przewodzącego w odniesieniu do innego ciała przewodzącego.
W następnej sekcji omówimy trendy pojemności błądzących i jak wpływają na nie trzy zmienne.
3、Trendy 'Stray Capacitance
Trzy główne czynniki w konstrukcji kondensatora określają liczbę tworzonych pojemności błądzących. Wszystkie te czynniki wpływają na pojemność błądzącą poprzez wpływ na ilość strumienia pola elektrycznego, który rozwinie się dla określonej ilości siły pola elektrycznego (jest to napięcie pomiędzy dwoma płytami) (Shen, 2005).
Odstępy między płytkami
Utrzymując wszystkie inne czynniki na stałym poziomie, większy odstęp między płytami daje mniejszą pojemność błądzącą; z drugiej strony, bliższy odstęp między płytami może produkować więcej pojemności błądzących. Bliższy odstęp między płytami może skutkować większą siłą pola, a dla każdego konkretnego napięcia przyłożonego do dwóch płyt, skutkuje to stosunkowo wysokim strumieniem pola (ładunek zgromadzony na obu skalach).
Powierzchnia płyty
Wszystkie inne zmienne są stałe; większa powierzchnia płyty zapewnia większą pojemność błądzącą, podczas gdy mniejsza powierzchnia płyty generuje mniejszą pojemność błądzącą.
Materiał dielektryczny
Utrzymując wszystkie inne zmienne stałe, wyższa przenikalność materiału dielektrycznego wytwarza większą pojemność błądzącą, podczas gdy mniejsza przenikalność materiału dielektrycznego wytwarza mniejszą pojemność błądzącą.
Przenikalność względna wskazuje na przenikalność materiałów; jest ona zbliżona do próżni (czystej) (Rubin i Ho, 2018). Na przykład szkło o względnej przenikalności siedmiu ma siedmiokrotną standardową przenikalność próżni. Będzie zatem prowadzić do wytworzenia strumienia pola elektrycznego, który jest siedmiokrotnie silniejszy w porównaniu do strumienia pola elektrycznego czystej próżni, gdy wszystkie inne zmienne są równe.
W tym rozdziale omówiliśmy różne trendy dotyczące pojemności błądzących oraz czynniki, które mają wpływ na pojemność błądzącą. W następnym rozdziale rozważymy kilka sposobów na obniżenie pojemności błądzącej.
Obraz 3: Stray Capacitance
4、Jak obniżyć pojemność błądzącą
W wielu aplikacjach, pojemność błądząca pomiędzy wieloma liniami sygnałowymi może uszczuplić lub wpłynąć na cały projekt. Warto wspomnieć, że przy niższych częstotliwościach, pojemność błądząca może być często ignorowana. Jednak przy wysokich częstotliwościach może być głównym problemem w obwodach elektrycznych. Możemy kontrolować pojemności błądzące na poziomie układu.
Pojemności błądzące często powstają z powodu sprzężenia elektrycznego generowanego pomiędzy linią sygnałową a inną linią sygnałową lub podłożem a linią sygnałową. Warto wspomnieć, że w wielu projektach istotne może być obniżenie pojemności pasmowej określonej sieci w stosunku do innych sygnałów.
Oto kilka najbardziej efektywnych metod obniżania pojemności błądzącej:
1. Zwiększenie odstępów pomiędzy poszczególnymi siatkami z określonego zestawu jest kluczowe (dla których pojemność błądząca jest dość istotna).
2. Wyższe metale stosuję dla tych siatek, gdzie pojemność błądząca jest kluczowa.
3. Unikanie nadmiernego równoległego prowadzenia metali
4. Umieszczenie innego sygnału odniesienia pomiędzy różnymi sieciami, które wymagają niskiej pojemności błądzącej (gdzie pojemność błądząca nie jest niezbędna). Nazywa się to ekranowaniem.
W tym rozdziale omówiono cztery sposoby, dzięki którym można zmniejszyć pojemność błądzącą. W następnym rozdziale omówimy pojemność błądzącą w transformatorach.
Obrazek 4: pojemności na poziomie układu
5、Kapacytancja błądząca w transformatorze
Transformatory są niezbędnymi i podstawowymi elementami obwodu, jak cewki i rezystory (Smil, 2017). Stosowane są w niemal wszystkich układach elektronicznych, które pracują z prądem zmiennym. Stąd też są powszechnie stosowane.
Idealne transformatory przekazują napięcie do wtórnego z pierwotnego za pomocą czystej magnetycznej indukcji wzajemnej (Han, Chau, i Zhang, 2017). Ponieważ pierwotny jest całkowicie indukcyjny, wszelkie przejściowe skoki napięcia są prawdopodobnie tłumione. Należy również pamiętać, że harmoniczne i szumy o wysokiej częstotliwości nie mają wystarczającej energii, aby indukować napięcie magnetycznie. Idealne transformatory, innymi słowy, mogą być uważane za filtry dolnoprzepustowe.
Warto wspomnieć, że dowolne dwa przewodniki znajdujące się w pobliżu siebie są zobowiązane do utworzenia kondensatora.
Niekorzystne efekty pojemności transformatora
- Wysokie skoki napięcia o charakterze przejściowym mogą zostać przeniesione z transformatora pierwotnego na wtórny poprzez sprzężenie pojemnościowe.
Rozwiązanie
- Zastosuj miedzianą osłonę pomiędzy transformatorem pierwotnym i wtórnym.
- Zastosuj wysokiej jakości transformator drugorzędowy.
Rysunek 5: Niekorzystny wpływ pojemności transformatora
6、Wniosek
To był elementarz na temat pojemności błądzącej, hermetyzujący wszystkie informacje. Mamy nadzieję, że Ci się podobało i wykorzystasz je w pełni.
OurPCB jest Twoim niezawodnym źródłem dla wszystkich rodzajów bezpłatnych informacji dotyczących producentów PCB. Czy szukasz prototypowania PCB i czy potrzebujesz montażu PCB, mamy to, czego potrzebujesz. Jeśli szukasz rozwiązania, które spełnia Twoje potrzeby, możesz się z nami skontaktować. Nasz zespół inżynierów i ekspertów odpowie na wszystkie Twoje pytania najwcześniej. Nasze PCB wie, jak dbać o twoje interesy i potrzeby.