Документация

Нашли ошибку? Сообщите нам ... Комментировать: Блокировочные конденсаторы в цепях питания Распечатать: Блокировочные конденсаторы в цепях питания

Блокировочные конденсаторы в цепях питания


"Документация" - техническая информация по применению электронных компонентов, особенностях построения различных радиотехнических и электронных схем, а также документация по особенностям работы с инженерным программным обеспечением и нормативные документы (ГОСТ).


Для отсутствия паразитных связей линия питания по переменному току в связной аппаратуре должна быть замкнута на корпус (общий провод). Это в идеале. На практике же модуль импеданса между этой линией и корпусом всегда больше нуля. На относительно низких частотах (до сотен килогерц) проще всего обеспечить низкий импеданс переменному току между питанием и корпусом применением интегральных стабилизаторов. Их динамическое (переменному току) сопротивление очень мало на низких частотах (миллиомы) и возрастает до десятых долей ома на сотнях килогерц.

На высоких частотах используют керамические блокировочные конденсаторы. Казалось бы, это простой элемент: с ростом частоты импеданс конденсатора должен падать. Но действительность сложнее.

На рис. 1 показаны измеренные частотные зависимости реактивного сопротивления JX четырёх разных конденсаторов: 0,1 мкФ, 3300 пФ, 1000 пФ и 220 пФ. Все эти конденсаторы были с выводами примерно по 3...4 мм. Выше определённой частоты (она "своя" для каждого конденсатора) JX меняет знак и становится положительным. Выше этой частоты (называемой собственной резонансной) по импедансу это уже не конденсатор, а маленькая индуктивность, положительное реактивное сопротивление которой растёт с частотой.

Измеренные частотные зависимости реактивного сопротивления JX четырёх разных конденсаторов: 0,1 мкФ, 3300 пФ, 1000 пФ и 220 пФ

Рис. 1. Измеренные частотные зависимости реактивного сопротивления JX четырёх разных конденсаторов: 0,1 мкФ, 3300 пФ, 1000 пФ и 220 пФ

 

Таблица

Емкость конденсатора

0,1 мкФ

3300 пФ

1000 пФ

С выводами 3...4 мм

4,8 МГц

31 МГц

82 МГц

Поверхностно монтируемые типоразмера 0805

10 МГц

51 МГц

92 МГц

Собственная резонансная частота конденсатора зависит от его ёмкости, конструкции и длины выводов. Резонанс - последовательный, поскольку в эквивалентной схеме ёмкость конденсатора и его паразитная индуктивность включены последовательно. На частоте этого резонанса импеданс блокировочного конденсатора близок к нулю.

Результаты, показанные на рис. 1, типичны для конденсаторов с короткими выводами. У безвыводных (детали для поверхностного монтажа) конденсаторов из-за отсутствия выводов и их паразитной индуктивности резонансные частоты собственного резонанса выше, но не очень намного. Это различие сильнее выражено у конденсаторов большей ёмкости, как показано в таблице. Причина этого в том, что конденсаторы большой ёмкости выполняют многослойными. Из-за этого их внутренняя паразитная индуктивность мала (N параллельно соединённых обкладок уменьшают индуктивность в N раз). Поэтому общая паразитная индуктивность конденсатора большой ёмкости определяется в основном внешними выводами.

Если ваше устройство работает в относительно узком диапазоне частот, то лучшим в качестве блокировочного будет конденсатор максимальной ёмкости, у которого собственная резонсная частота приблизительно равна центральной частоте в устройстве. При этом модуль импеданса между питанием и корпусом будет наименьшим.

А вот если спектр сигналов широкий, заблокировать питание во всей полосе становится серьёзной задачей. Один конденсатор любой ёмкости с этим не справляется. Его ёмкостное сопротивление в нижней части полосы - велико, а в верхней - велико индуктивное.

Очевидным вариантом в этом случае представляется параллельное соединение нескольких блокировочных конденсаторов разной ёмкости, с собственными резонансными частотами равномерно (по логарифмической шкале) распределёнными по всей требуемой полосе. Кажется, что по мере роста частоты выше собственной резонансной конденсатора самой большой ёмкости, в дело будут вступать более высокочастотные конденсаторы меньшей ёмкости, шунтируя собой паразитную индуктивность низкочастотного конденсатора. И в результате во всей полосе импеданс такой системы будет низким.

Но жизнь опять оказывается сложнее таких теоретических прикидок. Посмотрите на пунктирную линию на рис. 1. Это измеренный модуль импеданса системы из четырёх параллельно соединённых конденсаторов 0,1 мкФ, 3300 пФ, 1000 пФ и 220 пФ. По идее, такая система должна обеспечить отличную блокировку с низким импедансом в очень широкой полосе. Но измерения показывают, что наши ожидания не совсем оправдались. Ниже 20 МГц всё ожидаемо: модуль импеданса определяется наибольшим конденсаторам 0,1 мкФ. А вот выше, вместо ожидаемого спада импеданса из-за "перехвата" процесса более высокочастотными конденсаторами, мы видим отчётливые резонансные пики. Модуль импеданса на частотах 30, 80 и 160 МГц поднимается до 4...6 Ом, вместо ожидаемых значений 0...1 Ом (исходя из графиков рис. 1 для отдельных конденсаторов).

Дело проясняется, если вспомнить, что на этих частотах конденсатор большой ёмкости имеет индуктивный импеданс, т. е. фактически эквивалентен катушке. И параллельно этой катушке мы подключаем высокочастотные конденсаторы. Образуется параллельный колебательный контур, импеданс которого на резонансе возрастает. Что мы и видим на пунктирном графике рис. 1. Там три пика параллельного резонанса, поскольку между четырьмя конденсаторами есть три частотных области "стыковки", где импеданс большего - индуктивный, а меньшего - ёмкостный.

Следует учесть: при параллельном соединении нескольких блокировочных конденсаторов разной ёмкости между их собственными резонансными частотами (последовательного резонанса) обязательно найдутся частоты параллельного резонанса (индуктивность нижнего + ёмкость верхнего), на которых суммарный модуль импеданса увеличивается до нескольких ом.

Поэтому, если требуется заблокировать очень широкий спектр набором конденсаторов разной ёмкости, ваш каскад должен быть рассчитан на то, что на некоторых частотах импеданс линии питания на корпус будет достигать нескольких ом.

Попробуем иной путь блокировки линии питания. Раз параллельное соединение нескольких конденсаторов разной ёмкости приводит к паразитным параллельным резонансам, соединим параллельно несколько одинаковых блокировочных конденсаторов. Поскольку их собственные резонансные частоты равны, параллельный резонанс не образуется. Представляется, что собственная резонансная частота такого набора не изменится, а полоса блокировки расширится и вниз (параллельное соединение нескольких ёмкостей) и вверх (параллельное соединение нескольких индуктивностей).

Но практика вновь не совсем такова, как нам кажется. Посмотрите на рис. 2. На нём повторен график частотной зависимости JX конденсатора 0,1 мкФ и наложен измеренный график JX для пяти параллельно соединённых конденсаторов 0,1 мкФ. На последнем графике есть ожидаемое уменьшение реактивности на низких частотах: параллельное соединение конденсаторов увеличивает ёмкость.

График частотной зависимости JX конденсатора 0,1 мкФ и измеренный график JX для пяти параллельно соединённых конденсаторов 0,1 мкФ

Рис. 2. График частотной зависимости JX конденсатора 0,1 мкФ и измеренный график JX для пяти параллельно соединённых конденсаторов 0,1 мкФ

 

А вот расширения полосы вверх не произошло. Индуктивная составляющая выше резонанса идёт почти так же, как и для одного конденсатора. А сама частота собственного резонанса понизилась с 4,8 МГц для одного конденсатора до 3,6 МГц для пяти параллельно соединённых. Почему? Дело оказывается в том, что при параллельном соединении нескольких конденсаторов мы физически не можем сделать их выводы одинаковой длины до точки подключения. Один ближайший конденсатор будет с короткими выводами (и иметь такую зависимость JX, как показана на рис. 1 и рис. 2 для одного конденсатора). А вот все остальные конденсаторы будут расположены дальше. Их выводы (или печатные дорожки к ним) будут длиннее и соответственно больше паразитная индуктивность.

Поэтому при параллельном соединении конденсаторов их общая индуктивность почти не уменьшается. Она определяется наименьшей из всех, т. е. индуктивностью выводов ближайшего к точке измерения конденсатора. Из-за этого график JX для пяти конденсаторов на рис. 2 выше 10 МГц идёт почти так же, как и для одного конденсатора.

Становится понятным и снижение собственной резонансной частоты: ёмкость возросла впятеро, а индуктивность уменьшилась намного меньше, чем в пять раз (из-за того, что соединяются параллельно разные индуктивности: малая ближнего конденсатора и большие дальних).

Следует учесть: если блокировочный конденсатор собирается из большого числа параллельно включённых одинаковых, то собственная резонансная частота одного конденсатора должна быть выше верхней рабочей частоты. Такое соединение расширяет полосу блокировки вниз, но не расширяет её вверх по сравнению с одиночным конденсатором.

Как лучше выполнять блокировку питания по ВЧ широкополосных каскадов? Зависит от перекрытия по частоте (отношения верхней частоты к нижней).

Если перекрытие по частоте меньше 100...200 (200...400 для поверхностно монтируемых большой ёмкости), лучший результат дадут несколько одинаковых параллельных блокировочных конденсаторов. Возможно получение очень низкого (менее 1...2 Ом, уменьшается с сужением перекрытия) модуля импеданса во всей полосе (см рис. 2).
Если перекрытие по частоте больше 500, надо параллельно соединять несколько конденсаторов разной ёмкости с разными собственными резонансными частотами. Но между этими частотами появятся паразитные параллельные резонансы, на которых модуль импеданса будет повышаться до нескольких ом (см. рис. 1).

В заключение замечу, что, имея в виду устойчивость против паразитного самовозбуждения на СВЧ, полезно выбирать верхнюю частоту блокировки исходя из частотных свойств активных элементов.

Автор: Игорь Гончаренко (DL2KQ), г. Бонн, Германия


Дата публикации: 14.05.2017
Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.


Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:








 



RadioRadar.net - datasheet, service manuals, схемы, электроника, компоненты, semiconductor, САПР, CAD, electronics