magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 50 reszTervezés közben egy kondenzátort rendszerint három elektromos jellemzőjével határozzuk meg: a kapacitásával, az üzemi feszültségével és a dielektrikum fajtájával. Sok alkalmazásban – így a teljesítményelektronikában is – gyakran további paramétereket, „parazita tulajdonságokat” is figyelembe kell vennünk a tervezés során.

 

 

 

Ügyeljünk a kondenzátorok parazita paramétereire!

A tápegységek kimeneti feszültség „hullámosságának” (váltakozó áramú komponensének) és tranziens viselkedésének specifikációja nemcsak a szükséges kondenzátorok kapacitását határozza meg, de a kondenzátorok parazita komponenseinek értékét is. Az 1. táblázat néhány kondenzátortípus parazita jellemzőit: ekvivalens soros ellenállását (ESR) és ekvivalens soros induktivitását (ESL) mutatja. Az 1. ábra pedig grafikusan ábrázolja a háromféle kondenzátortípus (a kerámia-, az alumínium elektrolit- és az alumínium polimer­kondenzátor) impedanciájának frekvenciafüggését. Az ábrákat az 1. táblázatban összefoglalt tipikus értékek felhasználásával szerkesztettük. A kapacitásértékek tipikusak a kis feszültségű (1…2,5 V), közepes áramú (5 A) szinkron feszültségcsökkentő tápegységekben.

 

texas 12

1. táblázat Három kondenzátorfajta összehasonlítása – mindegyiknek megvan a maga előnye

 

Texas 2

1. ábra A parazita tulajdonságok különbözőképpen módosítják a kerámia-, az alumínium elektrolit- és a alumínium polimerkondenzátorok impedanciájának frekvenciamenetét


Alacsony frekvencián egyik kondenzátortípus sem mutatja jelét parazita tulajdonságainak. Az impedanciát ebben a tartományban egyedül a kapacitásérték határozza meg. Az alumínium elektrolit­kondenzátor impedanciája azonban már aránylag alacsony frekvencián megszűnik csökkenni, és innentől egy bizonyos frekvenciatartományban ellenálláshoz hasonló (lényegében frekvenciafüg­getlen) viselkedést mutat. Ez a rezisztív karakterisztika viszonylag magas frekvenciáig megmarad, amelytől felfelé aztán a viselkedés induktívvá válik. Az alumínium polimerkondenzátor másképp tér el az ideálistól. Érdekessége, hogy az aránylag alacsony ESR mellett az ESL hatása feltűnőbb. Y kerámiakondenzátornak is alacsony az ESR értéke, de kisebb méreténél fogva az ESL értéke kisebb a másik két fajta, az alumínium elektrolit- és az alumínium polimerkondenzáto­rokéhoz viszonyítva.
A 2. ábra egy tápegység kimeneti kondenzátorán mérhető feszültség jelalakját mutatja egy 500 kHz kapcsolási frekvencián működő, folytonos üzemű, szinkron feszültségcsökkentő feszültségszabályozó szimulációja alapján. A szimuláció során az 1. ábrán bemutatott háromféle kondenzátor, a kerámia, az alumínium elektrolit és az alumínium polimer kivitel domináns impedanciáit használtuk fel: a kerámiakondenzátornál a kapacitást, az alumínium elektrolitkondenzátornál az ESR-t, az alumínium polimernél pedig az ESL-t vettük figyelembe.

 

Texas 2

2. ábra A kondenzátor parazita tulajdonságai eltérő jellegű feszültséghullámosságot okoznak egy folytonos üzemű, szinkron feszültségcsökkentő áramkörben

 

A piros diagram az alumínium elektrolitkondenzátoros megoldás feszültségét mutatja, amelynél az ESR a domináns parazita tulajdonság. A kimenőfeszültség hullámossága tehát itt közvetlenül arányos az induktivitás áramának hullámosságával.
A kék diagramon a kis ESR- és ESL-értékű kerámiakondenzátor feszültségének váltakozó komponense látható. A kimenőfeszültség hullámossága itt a kimeneti induktivitás áramának integráltja. Mivel az áram jelalakja lineáris (háromszögjel), integrált értéke az idő négyzetes függvénye (parabolaív), ami nagyon hasonlít a szinuszos jelalakhoz.
Végül a zöld diagram az ESL-dominanciájú alumínium polimer­kondenzátornál mérhető feszültséghullámosságot mutatja. Ebben az esetben egy feszültségosztó alkotja a helyettesítő képet, amely a kimeneti induktivitásból és a kondenzátor ESL-jéből áll. A hullámformák relatív fázistolása olyan, ahogy az várható is: ha az ESL a domináns impedancia, a feszültséghullámosság fázisa siet az induktivitás áramának jelalakjához képest. Ha az ESR dominál, a feszültséghullám fázisban van az áramjellel, míg ha a kapacitás a domináns paraméter, a feszültséghullám fázisa késik az áramjelhez viszonyítva.
A valóságban természetesen a kimeneti feszültség váltakozó komponense nem „tisztán” a felsorolt három jeltípus valamelyike, hanem a három jeltípus összege (a kondenzátor paramétereinek dominanciája szerint súlyozva – A szerk. megj.). A kimeneti feszültség hullámalakjában tehát valamilyen mértékben mindegyik viselkedésfajta megjelenik.
A 3. ábra mutatja egy folytonos üzemű flyback vagy feszültségnövelő áramkör kimeneti feszültségének hullámalakjait, ahol a kimeneti kondenzátor árama gyors változással előjelet vált. Ez látszik a piros diagramon, amely a kimeneti kondenzátor áramának és az ESR-nek a szorzata. Az eredmény négyszögjel. Ha a kimeneti kondenzátor kapacitása dominál, a feszültség egyszerűen a négyszögjel alakú áram integráltja. Ez a kondenzátor lineáris töltődését és kisütését eredményezi, amelyből a kék diagramon látható háromszögjel adódik. Végül pedig, a kondenzátor ESL-jén mérhető feszültség csak akkor meghatározó, amikor az áram változik (amikor éppen előjelet vált – A szerk. megj.) Ez – a kimeneti áramjel felfutási idejétől függően – akár nagyon nagy értéket is felvehet. Vegyük figyelembe, hogy az ábrán a zöld diagram 1:10-arányban leosztott jel, amelynél az áramjel 25 ns alatt vált előjelet. Ezek a feltűnő induktív impulzusok az okai annak, hogy olyan gyakran látunk kétfokozatú szűrőt a flyback vagy feszültségcsökkentő tápegységek kimenetén.

 

Texas 3

3. ábra Folytonos üzemű, flyback vagy feszültségnövelő áramkörnél mérhető hullámformák

Összegzés

A kimeneti kondenzátor impedanciája meghatározó a kimeneti feszültség hullámosságának jelalakja és tranziens tulajdonságai tekintetében. Ahogy a kapcsolóüzemű tápegységek kapcsolási frekvenciája egyre nagyobb, a kondenzátorok parazita tulajdonságai egyre fontosabbá – és egyre kevésbé elhanyagolhatóvá – válnak. 20 kHz közelében az alumínium elektrolitkondenzátorok ESR-je már elég nagy ahhoz, hogy a hatása felülmúlja a kapacitív reaktanciáét. 100 kHz felett néhány alumínium polimerkondenzátor induktívvá válik. Ha viszont a tápegység kapcsolási frekvenciája a megahertzes tartományba kerül, már mindhárom fajta kondenzátornál figyelembe kell vennünk az ESL hatását.

A következő lapszámunkban egy kis teljesítményű, offline flyback-feszültségátalakító tulajdonságait vizsgáljuk meg.

 

www.ti.com/power-ca

 

A cikksorozat korábbi részei:

1. rész

2. rész

3. rész

4. rész

5. rész

6. rész

7. rész

8. rész

9. rész

10. rész

11. rész

12. rész

13. rész

14. rész

15. rész

16. rész

17. rész

18. rész

19. rész

20. rész

21. rész

22. rész

23. rész

24. rész

25. rész

26. rész

27. rész

28. rész

29. rész

30. rész

31. rész

32. rész

33. rész

34. rész

35. rész

36. rész

37. rész

38. rész

39. rész

40. rész

41. rész

42. rész

43. rész 

44. rész

45. rész

46. rész

47. rész

48. rész

49. rész

 

 

 

 

 

 

A szerző

robert_kollmanRobert Kollman, a Texas Instruments műszaki állományának kiemelt tagja, vezető alkalmazástechnikai mérnök. Több mint 30 év tapasztalattal rendelkezik a teljesítményelektronikában és egy ideig induktív alkatrészeket tervezett az 1 W alattitól a csaknem 1 MW-ig terjedő teljesítménytartományú elektronikus áramkörökhöz, egészen a megahertzes kapcsolási frekvenciákig. Robert Kollman a Texas A&M Egyetemen BSEEdiplomát, majd a Déli Metodista Egyetemen Master-fokozatot (MSEE) szerzett. A cikksorozattal kapcsolatban a powertips@list.ti.com címen érhető el.