¿Qué es un condensador de filtro y la fórmula de cálculo y selección del tamaño del condensador de filtro?

一、¿Qué es un condensador de filtro?

Un dispositivo de almacenamiento de energía instalado en ambos extremos del circuito rectificador para reducir el coeficiente de ondulación de la pulsación de CA y mejorar la salida de CC suave. Este dispositivo generalmente se llama condensador de filtro. Porque el circuito de filtro requiere que el capacitor de almacenamiento de energía tenga una gran capacitancia. Por lo tanto, la mayoría de los circuitos de filtro utilizan condensadores electrolíticos. Los condensadores electrolíticos obtienen su nombre del hecho de que utilizan un electrolito como electrodo (polo negativo). Un extremo del condensador electrolítico es el polo positivo y el otro extremo es el polo negativo, que no se puede invertir. El terminal positivo está conectado al terminal positivo del circuito de salida rectificado y el terminal negativo está conectado al terminal negativo del circuito. En todos los circuitos que necesitan convertir corriente alterna en corriente continua, la configuración de condensadores de filtro hará que el rendimiento de los circuitos electrónicos sea más estable y, al mismo tiempo, reducirá la interferencia de las ondas de pulsación alterna en los circuitos electrónicos. El símbolo del capacitor de filtro en el circuito generalmente se representa con una "C", y la capacitancia debe determinarse de acuerdo con la resistencia de carga y la corriente de salida. Cuando el capacitor del filtro alcanza cierta capacidad, aumentar la capacidad del capacitor tendrá efectos dañinos en otros indicadores.

二、Las características del condensador de filtro

1. Aumento de baja temperatura

El circuito del filtro de armónicos está compuesto por condensadores en serie con reactores, que forman una impedancia muy baja en un cierto orden armónico para absorber una gran cantidad de corriente armónica. La calidad del capacitor afectará el efecto de absorción estable del filtro armónico. La vida útil del capacitor tiene una gran relación con la temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura, menor será el tiempo de servicio. El condensador de película completa del filtro tiene características como un aumento de temperatura bajo, lo que puede garantizar su vida útil.

2. Baja pérdida

Valor tangente del ángulo de pérdida dieléctrica (tgδ)：≤0.0003

3. Seguridad

Conforme a las normas GB e IEC, los condensadores individuales internos están equipados con dispositivos de protección; cuando la línea o los condensadores individuales son anormales, el dispositivo de protección actuará de inmediato y cortará automáticamente la fuente de alimentación para evitar desastres secundarios. Se adjunta una resistencia de descarga para garantizar la seguridad del consumo de energía y el mantenimiento. La carcasa está hecha de acero estampado y el interior y el exterior están pintados con pintura para hornear a alta temperatura con buena resistencia a la intemperie y alta seguridad.

4. Comodidad

Tamaño pequeño y peso ligero, muy cómodo de llevar e instalar.

三、El papel del condensador de filtro

Los condensadores de filtro se utilizan en los circuitos de rectificación de potencia para filtrar los componentes de CA. Haga que la CC de salida sea más suave. Además, para los circuitos de precisión, la combinación de circuitos de capacitores paralelos [1] se usa a menudo en este momento para mejorar la eficiencia de trabajo de los capacitores de filtro.

El condensador de filtro de baja frecuencia se utiliza principalmente para filtrar la red o filtrar después de la rectificación del transformador, y su frecuencia de trabajo es de 50 Hz en consonancia con la red eléctrica; el condensador de filtro de alta frecuencia funciona principalmente en el filtro después de que se rectifica la fuente de alimentación conmutada, y su la frecuencia de trabajo es de varios miles de Hz a decenas de miles de Hz. Los condensadores de filtro juegan un papel muy importante en la conmutación de fuentes de alimentación. Cómo seleccionar correctamente los condensadores de filtro, especialmente la selección de condensadores de filtro de salida, es un tema de gran preocupación para todos los ingenieros.

Los capacitores electrolíticos comunes que se usan en circuitos de frecuencia de potencia de 50 Hz tienen una frecuencia de voltaje pulsante de solo 100 Hz, y el tiempo de carga y descarga es del orden de milisegundos. Para obtener un coeficiente de pulsación más pequeño, la capacitancia requerida es tan alta como cientos de miles de microfaradios. Por lo tanto, el objetivo de los condensadores electrolíticos de aluminio ordinarios de baja frecuencia es aumentar la capacitancia. La capacitancia, la tangente de pérdida y la corriente de fuga de los condensadores son los parámetros principales para identificar sus ventajas y desventajas. El condensador electrolítico del filtro de salida en la fuente de alimentación conmutada tiene un frecuencia de voltaje de onda de diente de sierra tan alta como decenas de miles de hercios, o incluso decenas de megahercios. En este momento, la capacitancia no es el indicador principal, y el estándar para medir la calidad de los capacitores electrolíticos de aluminio de alta frecuencia es la característica de "impedancia-frecuencia". Se requiere tener una impedancia equivalente más baja dentro de la frecuencia operativa de la fuente de alimentación conmutada y, al mismo tiempo, tener un buen efecto de filtrado en las señales de pico de alta frecuencia generadas cuando el dispositivo semiconductor está funcionando.

Los capacitores electrolíticos ordinarios de baja frecuencia comienzan a mostrar inductancia a aproximadamente 10 000 Hz, lo que no puede cumplir con los requisitos de las fuentes de alimentación conmutadas. El condensador electrolítico de aluminio de alta frecuencia dedicado a la fuente de alimentación conmutada tiene cuatro terminales. Los dos extremos de la hoja de aluminio positiva se sacan respectivamente como electrodo positivo del capacitor, y los dos extremos de la hoja de aluminio negativa también se sacan respectivamente como electrodo negativo. La corriente fluye desde una terminal positiva del capacitor de cuatro terminales, pasa a través del capacitor y luego fluye desde la otra terminal positiva hacia la carga; la corriente que regresa de la carga también fluye desde una terminal negativa del capacitor y luego fluye desde la otra terminal negativa a la terminal negativa de la fuente de alimentación.

四、Principio de selección del condensador de filtro

En el diseño de la fuente de alimentación, el principio de selección del condensador de filtro es:

C≥2.5T/R

Entre ellos: C es el condensador de filtro, la unidad es F;

T es el período, la unidad es S, T=1/f

f es la frecuencia de alimentación de CA, la unidad es Hz

R es la resistencia de carga, la unidad es Ω

Por supuesto, esto es solo un principio de selección general. En aplicaciones prácticas, si las condiciones (espacio y costo) lo permiten, se selecciona C≥5T/R.

Dado que el capacitor de cuatro terminales tiene buenas características de alta frecuencia, proporciona un medio extremadamente favorable para reducir el componente pulsante del voltaje y suprimir el ruido de pico de conmutación. Los capacitores electrolíticos de aluminio de alta frecuencia también tienen una forma multinúcleo, es decir, el papel de aluminio se divide en varias secciones más cortas y se conectan varios cables en paralelo para reducir el componente de impedancia en la reactancia capacitiva. Y el uso de materiales de baja resistividad como terminales de salida mejora la capacidad del condensador para soportar grandes corrientes.

五、Fórmula de cálculo del tamaño del condensador de filtro

En el diseño de ingeniería, el valor del capacitor de filtro del circuito puente rectificador generalmente se calcula mediante dos puntos de entrada.

Uno se determina en función del ciclo de carga del condensador de la fuente de alimentación rectificada y descarga de la resistencia de carga, y luego se multiplica por un coeficiente. El otro punto de entrada se calcula en función del coeficiente de ondulación de la salida del filtro de potencia. Independientemente del punto de conexión que se utilice para calcular el condensador del filtro, debe basarse en los dos valores de la tensión de salida MAX y la corriente del puente rectificador. Por lo general, el condensador del filtro se calcula de acuerdo con la fórmula del coeficiente de ondulación de salida del filtro de la fuente de alimentación.

C》0.289/{f×(U/I)×ACv}

C, es el condensador de filtro, la unidad es F.

0,289 es una constante deducida del coeficiente de ondulación del circuito rectificador de carga resistiva de media onda.

f, es la frecuencia de pulso del circuito de rectificación, como la entrada de alimentación de CA de 50 Hz, la frecuencia de pulso del circuito de rectificación de media onda es de 50 Hz y la frecuencia de pulso del circuito de rectificación de onda completa es de 100 Hz. La unidad es Hz.

U es el voltaje de salida MÁXIMO del circuito rectificador, y la unidad es V.

I, es la corriente de salida MAX del circuito rectificador, y la unidad es A.

ACv es el coeficiente de ondulación y la unidad es %.

Por ejemplo, para un circuito rectificador de puente, la salida es de 12 V, la corriente es de 300 mA, el coeficiente de ondulación es del 8 % y el capacitor del filtro es:

C》0,289/{100 Hz × (12 V/0,3 A) × 0,08}

El capacitor del filtro es aproximadamente igual a 0.0009F y un capacitor de 1000uF puede cumplir con los requisitos básicos.

六、Selección del tamaño del condensador de filtro

Cuando existan contactores, relés, pulsadores y otros componentes en la placa impresa. Al operarlos, se generará una gran descarga de chispa y se debe usar un circuito de absorción RC para absorber la corriente de descarga. Generalmente, R toma 1~2kΩ y C toma 2.2~4.7μF. En general, se utiliza un condensador de aproximadamente 10PF para filtrar las señales de interferencia de alta frecuencia. Se utiliza aproximadamente 0,1 UF para filtrar la interferencia de ondulación de baja frecuencia y también puede desempeñar un papel en la estabilización del voltaje. El valor específico del condensador del filtro depende sobre la frecuencia operativa principal en su PCB y la frecuencia armónica que puede afectar el sistema. Puede verificar la información del capacitor del fabricante relevante o consultar el software de base de datos proporcionado por el fabricante, y elegir de acuerdo con las necesidades específicas. En cuanto a la número, no es seguro. Depende de sus necesidades específicas. También es bueno agregar uno o dos más. Si es inútil por el momento, no puede publicarlo primero y luego elegir la capacidad de acuerdo con la situación de depuración real. Si la frecuencia de funcionamiento principal en su PCB es relativamente baja, simplemente agregue dos condensadores, uno para la eliminación de ondulación y uno para señales de alta frecuencia. Si habrá una corriente instantánea relativamente grande, se recomienda agregar un capacitor de tantalio relativamente grande. De hecho, el filtrado también debe incluir dos aspectos, es decir, la capacitancia grande y la capacitancia pequeña que mencionó son desacoplamiento y derivación.

No hablaré sobre el principio, pero es más práctico. Generalmente, los circuitos digitales se pueden desacoplar por 0.1uF, que se usa por menos de 10M; para más de 20M, use 1 a 10 uF, que es mejor para eliminar el ruido de alta frecuencia, y probablemente sea C=1/f. El bypass es generalmente relativamente pequeño, generalmente 0.1 o 0.01uF según la frecuencia de resonancia. Cuando se trata de condensadores, varios nombres marearán a las personas, condensadores de derivación, condensadores de desacoplamiento, condensadores de filtro, etc. De hecho, no importa cómo se llame, su principio es el mismo, es decir, utilizar la característica de baja impedancia a las señales de CA, que se puede ver a través de la fórmula de impedancia equivalente de capacitancia: Xcap = 1/2ëfC, cuanto mayor sea la frecuencia de operación, el valor de la capacitancia Cuanto mayor sea el valor, menor será la impedancia del capacitor.

En el circuito, si la función principal del condensador es proporcionar una ruta de baja impedancia para la señal de CA, se denomina condensador de derivación; si es principalmente para aumentar el acoplamiento de CA entre la fuente de alimentación y la tierra y reducir el impacto de la señal de CA en la fuente de alimentación, puede llamarse condensador de derivación. Es un condensador de desacoplamiento; si se usa en un circuito de filtro, también puede llamarse condensador de filtro; Además, para voltaje de CC, el capacitor también se puede usar como un circuito de almacenamiento de energía, y la carga y descarga se pueden usar para desempeñar el papel de una batería. En situaciones reales, el papel de la capacitancia a menudo es multifacético y no es necesario pensar demasiado en cómo definirlo. En este artículo, nos referimos colectivamente a estos capacitores utilizados en el diseño de PCB de alta velocidad como capacitores de derivación. La esencia de un capacitor es pasar CA y bloquear CC. En teoría, cuanto más grande sea el condensador utilizado para el filtrado de energía, mejor. Sin embargo, debido al diseño del cable conductor y de la placa de circuito impreso, el condensador es en realidad un circuito paralelo del inductor y el condensador (también existe la resistencia del propio condensador, que a veces no se puede ignorar). Esto introduce el concepto de frecuencia resonante: ω=1/(LC) 1/ 2 La capacitancia por debajo de la frecuencia resonante es capacitiva, y el capacitor por encima de la frecuencia resonante es inductivo. Por lo tanto, generalmente los capacitores grandes filtran ondas de baja frecuencia y los capacitores pequeños Los condensadores filtran las ondas de alta frecuencia. Esto también puede explicar por qué la frecuencia de filtrado del condensador del paquete STM con la misma capacitancia es más alta que la del paquete DIP. En cuanto a cuánta capacitancia usar, esta es una referencia.

Frecuencia de resonancia del condensador

Capacitancia DIP (MHz) STM (MHz)

1.0μF2.55

　　0.1μF816

　　0.01μF2550

　　1000pF80160

　　100pF250500

　　10pF8001.6（GHz）

Pero es solo una referencia, en palabras de un viejo ingeniero, principalmente por experiencia. Un enfoque más confiable es conectar dos capacitores, uno grande y otro pequeño, en paralelo, lo que generalmente requiere una diferencia de más de dos órdenes de magnitud para obtener una banda de frecuencia de filtrado más grande. En términos generales, los capacitores grandes filtran las ondas de baja frecuencia y los capacitores pequeños filtran las ondas de alta frecuencia. El valor del condensador es inversamente proporcional al cuadrado de la frecuencia que desea filtrar. La selección de capacitores específicos puede usar la fórmula C = 4Pi * Pi / (R * f * f) cómo seleccionar el capacitor del filtro de la fuente de alimentación, y no es difícil dominar su esencia y método.

1) En teoría, la impedancia de un capacitor ideal disminuye con el aumento de la frecuencia (1/jwc), pero debido al efecto de inductancia de los pines en ambos extremos del capacitor, el capacitor debe considerarse como un circuito resonante de la serie LC. , y la frecuencia autorresonante es el parámetro FSR del dispositivo, lo que significa que cuando la frecuencia es mayor que el valor FSR, el capacitor se convierte en un inductor. Si el capacitor filtra el suelo, cuando la frecuencia excede el FSR, la supresión de la interferencia se reducirá en gran medida, por lo que se requiere conectar un capacitor más pequeño en paralelo al suelo, ¿puede pensar por qué? La razón es que el pequeño El capacitor y el valor SFR grande proporcionan un camino a tierra para las señales de alta frecuencia, por lo que a menudo lo entendemos en los circuitos de filtro de potencia: los capacitores grandes consideran las frecuencias bajas y los capacitores pequeños consideran las frecuencias altas. La causa principal es que los valores de SFR (frecuencia de autorresonancia) son diferentes, por supuesto, también puede pensar por qué. Si lo piensa desde esta perspectiva, puede entender por qué la capacitancia del pin de tierra en el filtro de alimentación debe estar lo más cerca posible de la tierra.

2) Luego, en el diseño real, a menudo tenemos preguntas, ¿cómo sé el SFR del capacitor? Incluso si conozco el valor de SFR, ¿cómo elijo valores de condensador con diferentes valores de SFR? ¿Es elegir un condensador o dos condensadores?

El valor SFR del capacitor está relacionado con el valor de la capacitancia y la inductancia del pin del capacitor, por lo que el valor SFR de 0402, 0603 o los capacitores en línea con el mismo valor de capacitancia no serán los mismos. Por supuesto, hay dos formas de obtener el valor SFR. 1) Hoja de datos del dispositivo, como el valor SFR del condensador 22pf0402 es de aproximadamente 2G, 2) mida directamente su frecuencia autorresonante a través de un analizador de red, piense en cómo medirlo ? S21? Después de conocer el valor de SFR del capacitor, use la simulación de software, como RFsim99, para elegir uno o dos circuitos dependiendo de si la banda de frecuencia de trabajo de su circuito de suministro de energía tiene una relación de rechazo de ruido suficiente. Después de la simulación, es la prueba del circuito real. Por ejemplo, al depurar la sensibilidad de recepción de un teléfono móvil, el filtro de potencia del LNA es la clave. Un buen filtro de potencia a menudo puede mejorar varios dB.