Aritmetika traje deset sekundi. Odabir napona koji će se staviti u njega, i vjerujući odgovoru na minus četrdeset stupnjeva, traje znatno duže.
Uskočni kondenzator od 450 V na 400 V istosmjernoj vezi izgleda velikodušno ocijenjeno sve dok test hladnog pokretanja ne uhvati 60 V preskakanja sklopke na valovitosti. Dio koji je prošao svaku provjeru proračunske tablice iznenada postaje razlog zašto se ploča vraća na promjenu izgleda. Ono što otkriva tu pogrešku nije razrađenija formula, već jasnije čitanje najjednostavnije: i = C · dv/dt.
Dakle, evo kratkog odgovora prije detalja. Taj odnos jedne derivacije govori vam koliko se brzo napon kreće za određenu struju, a svaki drugi izraz koji koriste inženjeri - naboj, energija, RC porast i pad, valovitost - je njegovo preuređenje. Nazivni napon, ESR, temperatura i životni vijek ne mijenjaju aritmetiku, ali odlučuju opisuje li aritmetika još uvijek dio u vašoj ruci.
Odjeljci u nastavku pokrivaju obrasce vrijedne pamćenja, pretpostavke koje ih tiho krše i provjere koje sprječavaju da prolazni izračun postane neuspješan proizvod.
Jednadžbe napona kondenzatora koje vrijedi imati pri ruci
Šest obrazaca pokriva gotovo svaki praktični slučaj. Oni nisu alternativa jedno drugome; svaki odgovara na različito pitanje, a njihovo miješanje je najčešći izvor pogrešnih odgovora u radu na projektiranju snage.
| Jednadžba | Što vam govori | Gdje se koristi |
|---|---|---|
| i = C · dv/dt | Struja potrebna za pomicanje napona odabranom brzinom | Dizajn prigušivača, ograničenja brzine zakretanja, dv/dt naprezanje |
| ΔV = I · Δt / C | Promjena napona uzrokovana strujnim impulsom poznatog trajanja | Procjena valovitosti, pulsna opterećenja, ubrizgavanje naboja |
| Q = C · V | Naboj pohranjen na određenom naponu | Stanje punjenja, sklopovi za resetiranje, mreže za uzorkovanje |
| E = ½ · C · V² | Energija dostupna za događaj pražnjenja | Vrijeme zadržavanja, odzračni otpornici, sigurnosna analiza |
| Vc(t) = Vs (1 - e^(-t/RC)) | Napon tijekom punjenja prema izvoru kroz otpor | Meki start, odgoda uključivanja, ograničenje naleta |
| Vc(t) = V0 · e^(-t/RC) | Napon tijekom pražnjenja od poznate početne točke | Vrijeme zadržavanja, sigurno vrijeme pražnjenja |
Primijetite što nedostaje u toj tablici: temperatura, frekvencija i vrijeme. Ove jednadžbe opisuju idealan element, a razlika između idealnog odgovora i izmjerenog je ono gdje se zapravo nalazi većina inženjerskih napora.
Ručna obrada oblika izvedenice
Dva brza izračuna čine brojke konkretnima. Kondenzator od 1000 µF koji nosi 5 A neto struje mijenja napon na dv/dt = i / C = 5 / 0,001, što je 5000 V po sekundi, ili 5 V po milisekundi. Pri toj brzini, kondenzator sabirnice s loše usklađenim opterećenjem može prijeći svoj nazivni napon unutar jednog sklopnog događaja.
Izvedite isti odnos na drugi način. Kondenzator od 470 µF apsorbira 2 A valovitosti struje tijekom 8 µs, što je otprilike vrijeme uključivanja srednje frekvencijskog stupnja, pomiče se za ΔV = I · Δt / C = (2 × 0,000008) / 0,00047, ili oko 34 mV. Imajte na umu tu brojku, jer to je samo kapacitivna polovica valovitosti koju ćete vidjeti na nišanu.
Napon na kondenzatoru je zapis struje koja je u njega ušla. Kada je napon pogrešan, trenutna povijest je mjesto gdje se krije odgovor.
Jednadžba je slijepa za polaritet. Aluminijski elektrolitički kondenzator nije. Povratni napon iznad otprilike jednog volta oštećuje oksidni sloj, tako da dizajn u kojem se napon stvarno mijenja u oba smjera treba bipolarni dio, a ne preuređenu formulu.
RC punjenje i pražnjenje bez prečaca
RC obrasci izgledaju kao posebna tema, ali oni su derivativni odnos nakon jedne integracije prema konstantnom izvoru. S vremenskom konstantom τ = R × C, oblik krivulje je fiksan: kondenzator koji se puni kroz otpornik doseže 63,2 posto napajanja nakon jedne vremenske konstante, a kondenzator koji se prazni pada na 36,8 posto svog početnog napona u istom intervalu.
Ostatak krivulje vrijedi znati bez posezanja za kalkulatorom:
- 1τ: 63,2 posto napunjeno, 36,8 posto preostalo nakon pražnjenja
- 2τ: 86,5 posto napunjeno, 13,5 posto preostalo
- 3τ: 95,0 posto napunjeno, 5,0 posto preostalo
- 4τ: 98,2 posto napunjeno, 1,8 posto preostalo
- 5τ: 99,3 posto napunjeno, 0,7 posto preostalo
Tretirajte pet vremenskih konstanti kao "efektivno ustaljene", a ne kao "podmirene". Struja curenja nastavlja gurati pravi kondenzator malo iznad te točke, a dielektrična apsorpcija znači da dio koji je bio kratko spojen na minutu može povratiti mjerljivi dio svog napona nakon što se kratki spoj ukloni. Za sigurnosne putove pražnjenja, taj oporavak je upravo razlog zašto otpornik za odzračivanje veličine samo od E = ½CV² zaslužuje provjeru na stolu.
Napon valovitosti: gdje je idealna jednadžba podcijenjena
Prvi zaključak: na pravom elektrolitskom kondenzatoru, napon koji mjerite uvijek je veći od idealnog kapacitivnog člana, a razmak se širi kako temperatura pada. Dva mehanizma objašnjavaju gotovo sve - ekvivalentni serijski otpor i dielektrični gubitak.
Otporni doprinos je lako procijeniti: V = I_ripple × ESR. Dio s 0,15 Ω ESR-a koji nosi 1,2 A valovitosti dodaje oko 180 mV povrh kapacitivnog člana, prije bilo kakve korekcije temperature. U stupnjevima koji se prebacuju na desetke kiloherca, taj otpornički član obično dominira, zbog čega povećanje kapacitivnosti koje na papiru izgleda velikodušno može vrlo malo pomaknuti izmjereno valovitost.
ESR nije konstanta. Standardni aluminijski elektrolitičar koji mjeri 0,2 Ω na 20 °C može mjeriti nekoliko puta više nego na minus 40 °C, jer vodljivost elektrolita pada na hladnoći. Ripple dizajni koji dobro prolaze na sobnoj temperaturi rutinski padaju na prvom testu hladnog pokretanja.
Za skupne položaje istosmjernog međusklopa, snap-in serije s velikim valovima postoje upravo za razmjenu kapaciteta po jedinici volumena u odnosu na ESR i nazivnu struju valova. Obitelj CD293 standardna je opcija za uskočenje visoke valovitosti u toj klasi, izgrađena za vrstu kontinuiranog valovitosti koju istosmjerni međusklop bez hladnjaka mora apsorbirati.
Nazivni napon, viši prostor i uvjeti prenapona
Odaberite nazivni napon iz vršnog najgoreg slučaja, nikada iz nazivne tračnice. Niz je kratak, ali se često preskače: uzmite nominalni napon sabirnice, dodajte vršnu valovitost, dodajte prekoračenje sklopke izmjereno na stezaljkama kondenzatora, a ne na opskrbi, zatim dodajte marginu za prijelazne pojave u liniji.
U industrijskim istosmjernim vezama razumno radno pravilo je razlika od 20 do 30 posto između vršnog i nazivnog napona u najgorem slučaju. Sabirnica od 400 V s 30 V valovitosti od vrha do vrha i 40 V prekomjernih vrhova blizu 460 V, tako da je dio od 500 V ili 550 V iskren odgovor. Dio od 450 V radi samo ako je mjerenje prekoračenja bilo optimistično.
Ocjene prenapona odvojene su specifikacije od kontinuiranih ocjena. Većina podatkovnih tablica dopušta kratkotrajni udar pri približno 1,15 puta većem nazivnom naponu na 25 °C, kroz specificirani serijski otpor i na ograničeno vrijeme. To dopuštenje nije dopuštenje za kontinuirani rad na 1,15 puta većoj vrijednosti i smanjuje se kako temperatura okoline raste. Tamo gdje terminali vide brze prijelazne pojave, a ne stalno valovitost, ponašanje elektrolitski kondenzatori s vijčanim priključkom pod prijelaznim naponom vrijedi pročitati prije nego što se ocjena zamrzne.
Deratizacija također kupuje životni vijek. Rad dijela na 80 posto njegovog nazivnog napona smanjuje električno polje preko oksidnog sloja, što usporava elektrokemijsko starenje koje postupno povećava ESR i smanjuje kapacitet.
Temperatura, ESR i životni vijek: što jednadžba ne vidi
Jednadžba napona kondenzatora nema temperaturni izraz, a temperatura je mjesto gdje nastaje većina kvarova polja.
Životni vijek slijedi Arrheniusovo pravilo koje je dovoljno precizno za planiranje: svakih 10 °C smanjenja temperature jezgre otprilike udvostručuje očekivani vijek trajanja. Dio predviđen za 2000 sati na 105 °C koji radi s jezgrom od 65 °C izgleda oko šesnaest puta više od te brojke, ili otprilike 32 000 sati. Važna je riječ jezgra — valovita struja zagrijava jezgru iznad temperature okoline, tako da izračun temperature okoline laska rezultatu.
Primijenite pravilo od deset stupnjeva na središnju temperaturu, a ne na temperaturu okoline. Prvo oduzmite porast temperature izazvan valovitošću pomoću krivulje podatkovne tablice jer je faktor udvostručenja osjetljiv na pogrešku od 10 °C u oba smjera.
Hladna izvedba zrcalna je slika istog problema. Vodljivost elektrolita opada s temperaturom, ESR raste, a s time raste i rezistivna valovitost. Radijalne serije koje se mogu pokretati na niskim temperaturama, kao što je CD11GE, specificirane su za točno te uvjete, gdje bi dio odabran samo na podacima od 20 °C pokazao valovitost napona znatno iznad izračuna sobne temperature.
Kontrolni popis za odabir koji održava aritmetiku poštenom
Pokrenite ovih sedam koraka redom. Svaki od njih može eliminirati kandidata prije nego što sljedeći doda detalje.
- Izračunajte vršni napon u najgorem slučaju na stezaljkama kondenzatora, uključujući valovitost, prekoračenje i tranzijente u liniji.
- Odaberite nazivni napon s 20 do 30 posto prostora iznad tog vrha, a zatim zasebno potvrdite nazivni udar.
- Izračunajte potrebni kapacitet iz proračuna valovitosti i iz bilo kojeg dv/dt zahtjeva koji sklop nameće.
- Provjerite ocjenu struje valovitosti u odnosu na stvarnu RMS valovitost, primjenjujući faktore korekcije frekvencije iz podatkovne tablice.
- Provjerite ESR na najnižoj radnoj temperaturi, ne na 20 °C.
- Procijenite temperaturu jezgre i očekivani vijek trajanja s uključenim valovitim grijanjem.
- Potvrdite mehaničko pristajanje: promjer kućišta, razmak između izvoda ili razmak terminala, razmak po visini i orijentaciju montaže.
Korak pet je onaj koji se najčešće preskače, a korak dva je onaj koji se najčešće radi iz navike. Zajedno čine veliki udio povrata koji se vraćaju s pričvršćenom naljepnicom "kondenzator neispravan".
Nakon što se brojke utvrde, uži izbor se obično sužava na dvije ili tri serije. Uspoređujući uskočni aluminijski elektrolitički kondenzator opcije pri istom naponu i veličini kućišta čine razlike u valovitoj struji i životnom vijeku vidljivima brže od bilo koje pojedinačne podatkovne tablice.
Gdje završava jednadžba i počinje dio
Jednadžba napona kondenzatora je dvolinijska ideja koja preživljava svaku razinu projektiranja: struja pomiče naboj, naboj pomiče napon, a brzina ovisi o kapacitetu. Sve ostalo — ocjena, smanjenje snage, ESR, temperatura, životni vijek — ovisi o tome opisuje li ta ideja komponentu nakon deset tisuća sati u kabinetu koji ljeti doseže 70 °C.
Upotrijebite jednadžbu za veličinu, a zatim upotrijebite navedene i izmjerene podatke za provjeru. Dizajn koji nosi oboje je onaj u kojem se izračunati napon i trag osciloskopa slažu, u laboratoriju i na hladnoći, godinama nakon prototipa.
