Меню

Блокирующий конденсатор по питанию

Блокировочные конденсаторы в цепях питания

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.

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

С выводами 3. 4 мм

Поверхностно монтируемые типоразмера 0805

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).

Читайте также:  Что входить потребительскую корзину по продуктам питания

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.

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.

Читайте также:  Меню правильного питания после удаления желчного пузыря

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

Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.

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

Источник



Блокирующий конденсатор по питанию

Когда между определёнными точками или блоками схемы необходимо создать связь по переменному току, заблокировав при этом протекание постоянного тока, используется электронные компоненты, обеспечивающие связь только по переменному току, например конденсаторы или трансформаторы.

Если речь идёт о каскадах усилителя, подобные конденсаторы принято называть блокировочным или разделительным конденсатором.


Рис.1. Применение разделительного конденсатора

В схеме, приведенной на рис.1. конденсатор связывает точки А и Б по переменному току, R – сопротивление нагрузки. Для постоянного тока конденсатор действует как разрыв цепи, полностью блокируя протекание постоянного тока между точками А и Б. В реальной схеме, в роли нагрузочного резистора выступает следующий каскад усиления.

В данной схеме конденсатор C и резистор R образуют простейший фильтр верхних частот (ФВЧ).

Частотой среза фильтра называют частоту, ослабление сигнала на которой достигает -3 дБ (по логарифмической шкале), или составляет 1/√2 (≈0.71) по линейной. Т.е амплитуда сигнала на частоте среза составляет ≈71% от входного значения. Частота среза RC-фильтра расчитывается по формуле:

f = 1 / (2 ⋅ π ⋅ R ⋅ C)

Сам фильтр для переменного тока можно представить как простейший делитель напряжения, соотношения сопротивлений в котором будут зависеть от частоты, при этом, реактивное сопротивление конденсатора Xc расчитывается по следующей формуле:

Хc = 1 / (2 ⋅ π ⋅ f ⋅ C)

Также, при расчёте данного конденсатора необходимо помнить, что удовлетворительное качество связи по переменному току достигается только в том случае, когда реактивное сопротивление Хс конденсатора на рабочей частоте много меньше сопротивления нагрузки R — тогда на этом конденсаторе падает (и теряется) очень малая часть напряжения входного сигнала.

Читайте также:  Виды питания организмов реферат

Исходя из формул частоты среза и реактивного сопротивления, очевидно, что требуемую емкость разделительного конденсатора определяют два фактора:

  1. Сопротивление нагрузки R.
  2. Рабочая частота.

Для приближённых расчётов можно считать, что удовлетворительная связь но переменному току достигается, когда Хс = R/20.

При R = 1 кОм получаем Хс = 50 Ом. Предположим, что рабочая частота f = 300 Гц.
Поскольку Хc = 1 / (2 ⋅ π ⋅ f ⋅ C), то
C = 1 / 94247.78 = 10.61 (мкФ)

Из вышеизложенного следуют два основных правила:

Чем больше сопротивление нагрузки, тем меньше требуемая емкость разделительного конденсатора.

При заданном сопротивлении нагрузки для низких рабочих частот необходимо использовать разделительные конденсаторы большей емкости, и наоборот.

Если же речь идет о рабочем диапазоне частот, емкость разделительного конденсатора определяется наименьшей частотой из этого диапазона. В соответствии с расчетами очевидно, что конденсатор емкостью 10 мкФ обеспечивает адекватную связь по неременному току при частоте 300 Гц и тем более при частоте 300 кГц. С другой стороны, конденсатор емкостью 0,1 мкФ обеспечивает адекватную связь при частоте 300 кГц, но непригоден для реализации связи по переменному току при частоте 300 Гц.

Развязывающий конденсатор


Рис.2. Влияние развязывающего конденсатора.

На рис.2.6 показан конденсатор С, обеспечивающий развязку резистора R по переменному току. Без конденсатора (рис2.a) в точке А постоянный потенциал равен 10 В, а переменный потенциал сигнала — 10 мВ. Конденсатор, представляющий собой разрыв цени для постоянного тока, не оказывает никакого влияния на постоянный потенциал точки А, Однако если емкость этого конденсатора такова, что на рабочей частоте его реактивное сопротивление существенно меньше сопротивления резистора R, то конденсатор будет эффективно осуществлять короткое замыкание сигнала переменного тока на землю. Таким образом, потенциал точки А по переменному току будет равен нулю.

Ёмкость конденсатора С, обеспечивающая удовлетворительную развязку, определяется сопротивлением резистора R и рабочей частотой — по тем же формулам, которые использовались для расчета емкости разделительного конденсатора.

Один из примеров использования развязывающего конденсатора это усилительный каскад собранный на классической схеме с общим эмиттером с отрицательной обратной связью (ООС).


Рис.3. Усилитель с развязывающим конденсатором в цепи эмиттера.

На рис.3 приведена схема усилителя построенного на классической схеме с общим эммитером (ОЭ). Здесь С1 — входной разделительный конденсатор. Емкость этого конденсатора должна быть сравнительно велика в силу низкого входного сопротивления транзистора в схеме с ОЭ (подробный расчёт номиналов смотрите в статье «Расчёт усилительного каскада с общим эмиттером»). Конденсатор С2 связывает выход усилителя с нагрузкой или следующим каскадом, его емкость сравнима с емкостью конденсатора C1.

Отрицательная обратная связь через резистор R4 в данном усилителе, с одной стороны, обеспечивает необходимую стабильность усилителя по постоянному току, а с другой — снижает его коэффициент усиления до очень малой величины (2-3). Для устранения отрицательной обратной связи по переменному току и одновременного сохранения стабильности по постоянному току применяется эмиттерный развязывающий конденсатор С3. Помимо этого данный RC-контур в цепи эмиттера обеспечивает термостабилизацию данного усилительного каскада.

Типичные значения емкости эмиттерного развязывающего конденсатора того же порядка, что и для разделительного конденсатора.

Источник