Развязывающий конденсатор

Пакеты конденсаторов: керамика SMD вверху слева; SMD тантал внизу слева; тантал со сквозным отверстием вверху справа; сквозной электролитик внизу справа. Основное деление шкалы — см.

В электронике — развязывающий конденсатор это конденсатор, используемый для развязки (т.е. предотвращения электрической энергии передачи ) одной части цепи от другой. Шум , создаваемый другими элементами схемы, шунтируется через конденсатор, уменьшая его влияние на остальную часть схемы. Для более высоких частот альтернативное название — развязной конденсатор , поскольку он используется для обхода источника питания или другого с высоким импедансом компонента схемы .

Обсуждение

Активные устройства электронной системы (например, транзисторы , интегральные схемы , электронные лампы ) подключаются к источникам питания через проводники с конечным сопротивлением и индуктивностью . Если ток , потребляемый активным устройством, изменится, падение напряжения от источника питания на устройстве также изменится из-за этих импедансов . Если несколько активных устройств имеют общий путь к источнику питания, изменения тока, потребляемого одним элементом, могут привести к изменениям напряжения, достаточно большим, чтобы повлиять на работу других ( например, скачки напряжения или отскок заземления) , поэтому изменение состояния одного устройство связано с другими через общее сопротивление с источником питания. Развязывающий конденсатор обеспечивает обходной путь для переходных токов вместо того, чтобы течь через общее сопротивление. ^[1]

устройства Развязывающий конденсатор работает как локальный накопитель энергии . Конденсатор помещается между линией электропередачи и землей цепи, в которой должен быть обеспечен ток. Согласно зависимости ток конденсатора от напряжения

i(t)=C{\frac {d\,v(t)}{dt}},

Падение напряжения между линией электропередачи и землей приводит к протеканию тока из конденсатора в цепь. Когда емкость $C$ достаточно велика, подается достаточный ток для поддержания приемлемого диапазона падения напряжения. Конденсатор запасает небольшое количество энергии, способной компенсировать падение напряжения в проводниках питания конденсатора. Чтобы уменьшить нежелательную паразитную эквивалентную последовательную индуктивность , маленькие и большие конденсаторы часто размещаются параллельно , рядом с отдельными интегральными схемами (см. § Размещение ).

В цифровых схемах развязывающие конденсаторы также помогают предотвратить излучение электромагнитных помех от относительно длинных дорожек цепи из-за быстро меняющихся токов источника питания.

Одних только развязывающих конденсаторов может быть недостаточно в таких случаях, как каскад усилителя высокой мощности с подключенным к нему предварительным усилителем низкого уровня. Необходимо соблюдать осторожность при расположении проводников цепи, чтобы сильный ток на одной ступени не вызывал падения напряжения питания, влияющие на другие ступени. Это может потребовать переразводки дорожек печатной платы для разделения цепей или использования заземляющей пластины для улучшения стабильности источника питания.

Развязка

Типичные кривые импеданса керамических конденсаторов X7R и NP0

Кривые импеданса алюминиевых электролитических конденсаторов (сплошные линии) и полимерных конденсаторов (пунктирные линии)

Развязной конденсатор часто используется для развязки подсхемы от сигналов переменного тока или скачков напряжения в источнике питания или другой линии. Развязывающий конденсатор может шунтировать энергию этих сигналов или переходных процессов мимо подсхемы, подлежащей развязке, прямо на обратный путь. Для линии электропитания будет использоваться развязывающий конденсатор от линии напряжения питания до обратной линии электропитания (нейтрали).

Высокие частоты и переходные токи могут течь через конденсатор к заземлению цепи, а не по более сложному пути развязанной цепи, но постоянный ток не может проходить через конденсатор и продолжает поступать в развязанную цепь.

Другой вид развязки — это предотвращение воздействия на часть схемы переключения, которое происходит в другой части схемы. Переключение в подцепи А может вызвать колебания в электропитании или других электрических линиях, но вы не хотите, чтобы это повлияло на подцепь Б, которая не имеет никакого отношения к этому переключению. Развязывающий конденсатор может разъединить подсхемы A и B, так что B не заметит никаких эффектов переключения.

Переключение подсхем

В подсхеме переключение изменит ток нагрузки, потребляемый от источника. Типичные линии электропитания имеют собственную индуктивность , что приводит к более медленному реагированию на изменения тока. Напряжение питания будет падать на этих паразитных индуктивностях до тех пор, пока происходит событие переключения. Это переходное падение напряжения будет наблюдаться и на других нагрузках, если индуктивность между двумя нагрузками намного ниже по сравнению с индуктивностью между нагрузками и выходом источника питания.

Чтобы изолировать другие подсхемы от влияния внезапного потребления тока, развязывающий конденсатор можно разместить параллельно подсхеме, параллельно ее линиям напряжения питания. Когда в подсхеме происходит переключение, конденсатор подает переходный ток. В идеале, к тому времени, когда конденсатор разряжается, событие переключения уже завершено, так что нагрузка может потреблять полный ток при нормальном напряжении от источника питания, а конденсатор может перезаряжаться. Лучший способ уменьшить шум переключения — спроектировать печатную плату в виде гигантского конденсатора, разместив плоскости питания и земли между диэлектрическим материалом. ^{[ нужна ссылка ]}

Иногда для улучшения отклика используются параллельные комбинации конденсаторов. Это связано с тем, что реальные конденсаторы имеют паразитную индуктивность, из-за которой импеданс отклоняется от сопротивления идеального конденсатора на более высоких частотах. ^[2]

Развязка переходной нагрузки

Развязка переходной нагрузки , как описано выше, необходима, когда имеется большая нагрузка, которая быстро переключается. Паразитная индуктивность каждого (развязывающего) конденсатора может ограничивать подходящую емкость и влиять на выбор соответствующего типа, если переключение происходит очень быстро.

Логические схемы имеют тенденцию к внезапному переключению (идеальная логическая схема должна переключаться с низкого напряжения на высокое мгновенно, без какого-либо наблюдения среднего напряжения). Таким образом, логические платы часто имеют развязывающий конденсатор рядом с каждой логической ИС, подключенной от каждого подключения источника питания к ближайшему заземлению. Эти конденсаторы отделяют каждую микросхему от любой другой с точки зрения провалов напряжения питания.

Эти конденсаторы часто размещаются в каждом источнике питания, а также в каждом аналоговом компоненте, чтобы обеспечить максимально стабильное питание. В противном случае аналоговый компонент с плохим коэффициентом подавления напряжения питания (PSRR) будет копировать колебания напряжения питания на свой выход.

В этих приложениях развязывающие конденсаторы часто называют развязывающими конденсаторами , чтобы указать, что они обеспечивают альтернативный путь для высокочастотных сигналов, которые в противном случае вызвали бы изменение обычно устойчивого напряжения питания. Те компоненты, которым требуется быстрая подача тока, могут обойти источник питания, получая ток от ближайшего конденсатора. Следовательно, для зарядки этих конденсаторов используется более медленное подключение к источнику питания, и конденсаторы фактически обеспечивают большие значения тока высокой доступности.

Размещение

Конденсатор развязки переходной нагрузки размещается как можно ближе к устройству, требующему развязки сигнала. Это сводит к минимуму величину линейной индуктивности и последовательного сопротивления между развязывающим конденсатором и устройством. Чем длиннее проводник между конденсатором и устройством, тем больше присутствует индуктивность. ^[3]

Поскольку конденсаторы различаются по своим высокочастотным характеристикам, в идеале развязка предполагает использование комбинации конденсаторов. Например, в логических схемах обычно используется керамика ~ 100 нФ на логическую ИС (несколько для сложных ИС) в сочетании с электролитическими или танталовыми конденсаторами емкостью до нескольких сотен мкФ на плату или секцию платы.

Пример использования

На этих фотографиях показаны старые печатные платы со сквозными конденсаторами, тогда как современные платы обычно имеют крошечные конденсаторы для поверхностного монтажа .

1980-х годов Commodore 64 Основная плата . Большинство «оранжевых» круглых частей диска представляют собой развязывающие конденсаторы.
XXU 1980-х годов Cromemco , Motorola 68020 шинная плата процессора S-100 . Осевые части между микросхемами представляют собой развязывающие конденсаторы.
1970-е годы Cromemco 16KZ, шинная с DRAM- памятью карта S-100 объемом 16 КБ . Зеленые круглые части диска представляют собой развязывающие конденсаторы.
интерфейса I1 1970-х годов Плата параллельного для «Электроники 60» . Зеленые прямоугольные части — это развязывающие конденсаторы.