Co to jest kondensator odsprzęgający i skąd mam wiedzieć, czy go potrzebuję?

Co to jest kondensator odsprzęgający (lub kondensator wygładzający, o którym mowa w łączu poniżej)?

Skąd mam wiedzieć, czy go potrzebuję, a jeśli tak, jaki rozmiar i gdzie powinien on się znaleźć?

To pytanie wymienia wiele układów wymagających jednego między VCC a GND; skąd mam wiedzieć, czy konkretny układ jest jednym?

Czy potrzebny byłby 4-bitowy rejestr przesuwny SN74195N używany równolegle z Arduino? (Aby wykorzystać mój obecny projekt jako przykład) Dlaczego lub dlaczego nie?

Czuję, że zaczynam rozumieć podstawy rezystorów i niektórych miejsc, w których są używane, jakie wartości należy stosować w tych miejscach itp., I chciałbym również zrozumieć kondensatory na poziomie podstawowym.

To ja zadałem to pytanie. Oto moje podstawowe zrozumienie:

Podłączasz kondensatory do $V_{CC}$ / GND, aby utrzymać napięcie na stałym poziomie. W obwodzie prądu stałego kondensator działa jak obwód otwarty, więc nie ma problemu z jego zwarciem. Gdy urządzenie jest zasilane ( $V_{CC}$ = 5 V), kondensator jest ładowany do pojemności i czeka, aż nastąpi zmiana napięcia między $V_{CC}$ a GND ( $V_{CC}$ = 4,5 V). W tym momencie kondensator rozładuje się, aby spróbować przywrócić napięcie do poziomu ładunku wewnątrz kondensatora (5 V). Nazywa się to „wygładzaniem” (a przynajmniej tak to nazywam), ponieważ zmiana napięcia będzie mniej wyraźna.

$V_{CC}$$V_{CC}$

Jeśli chodzi o to, dlaczego ich potrzebujesz, są one bardzo ważne w szybkich obwodach cyfrowych i analogowych. Nie mogę sobie wyobrazić, że będziesz potrzebować jednego do SN74195, ale to nie zaszkodzi!

Zasilacze są wolne ... potrzeba około 10 sekund na odpowiedź (tj. Przepustowość do 100 kHz). Kiedy więc twój duży, zły mikrokontroler z wieloma MHz przełącza kilka wyjść z wysokich na niskie, zacznie pobierać z zasilacza, powodując, że napięcie zacznie opadać, dopóki nie zorientuje się (10 nas później!), Że musi coś zrobić aby poprawić napięcie opadania.

Aby zrekompensować wolne zasilanie, stosujemy kondensatory odsprzęgające. Kondensatory odsprzęgające zapewniają szybkie „przechowywanie ładunków” w pobliżu układu scalonego. Kiedy więc mikro przełącza wyjścia, zamiast pobierać ładunek z zasilacza, najpierw pobiera z kondensatorów. Spowoduje to zakup zasilacza przez pewien czas, aby dostosować się do zmieniających się wymagań.

„Prędkość” kondensatorów jest różna. Zasadniczo mniejsze kondensatory są szybsze; indukcyjność jest zwykle czynnikiem ograniczającym, dlatego wszyscy zalecają umieszczanie nasadek jak najbliżej VCC / GND z możliwie najkrótszymi, najszerszymi odprowadzeniami. Wybierz więc największą pojemność w najmniejszej obudowie, a dostarczą jak najwięcej ładunków tak szybko, jak to możliwe.

Zwykle nazywany „czopem obejściowym”, ponieważ szum o wysokiej częstotliwości omija układ scalony i przepływa bezpośrednio do ziemi, lub „ czapkę odsprzęgającą ”, ponieważ zapobiega sprzężeniu prądu pobieranego przez jeden układ scalony z zasilaniem innego układu.

„skąd mam wiedzieć, czy konkretny układ jest jednym?”

Załóżmy, że wszyscy tak robią. :) Jeśli układ pobiera prąd z przerwami, spowoduje to, że napięcie zasilania spadnie w sposób przerywany. Jeśli inny układ znajduje się „poniżej”, zobaczy ten szum na swoich pinach zasilania. Jeśli jest wystarczająco zły, może powodować błędy, hałas lub cokolwiek innego. Ogólnie rzecz biorąc, nakładamy na wszystko ograniczenia, „powyżej” od IC. (Tak, orientacja śladów i rozmieszczenie elementów ma znaczenie, ponieważ miedź nie jest doskonałym przewodnikiem.)

Kondensator wygładzający (aka oddzielenie kondensator ) jest stosowany w celu zmniejszenia zmiany napięcia zasilającego. Kiedy zaczniesz pobierać wysokie prądy z zasilacza (np. Kiedy stan przełączników logiki cyfrowej) zobaczysz zmianę napięcia zasilania. Przełączanie próbuje pobierać duże prądy chwilowe i powoduje spadek napięcia z powodu impedancji źródła napięcia i połączenia między źródłem napięcia a układem scalonym. Kondensator odsprzęgający pomoże utrzymać (lub wygładzić) napięcie zasilania na urządzeniu. Umieszczenie tego elementu magazynującego w pobliżu układu scalonego zmniejsza zmianę napięcia w układzie scalonym.

O ile nie zmierzysz napięcia zasilania na każdym IC, gdy IC pobiera maksymalne prądy przełączające, trudno jest powiedzieć, jak skuteczny będzie kondensator. W przypadku większości urządzeń cyfrowych zalecana jest ceramika 0,1 uF bardzo blisko urządzenia. Ponieważ kondensatory są małe i tanie, większość projektantów po prostu dodaje kondensatory. Czasami, jeśli mam dwa bliskie sobie układy logiczne, może być w stanie zorientować pojedynczy kondensator między dwoma układami scalonymi. Zazwyczaj tak nie jest.

Układy zasilające mają większe wymagania dotyczące kondensatorów wygładzających, ponieważ prądy wirujące są większe. W przypadku tych urządzeń należy przyjrzeć się bliżej wymaganiom tętnienia aplikacji, aby określić odpowiedni kondensator filtrujący.

Aby dodać więcej na temat emisji EM.

Większość firm zaleci pułapki 0,1 uF przy każdym poborze mocy. Należy pamiętać, że jest to tylko absolutne minimum wymagane do uniknięcia spadków napięcia, które mogłyby wpłynąć na działanie. Jeśli budujesz płytkę drukowaną, która musi przejść FCC część 15 pod względem emisji, musisz pójść dalej.

Ostatecznie musisz obliczyć całkowitą pojemność potrzebną na płaszczyźnie zasilacza w oparciu o konstrukcję płytki drukowanej i zużycie energii. Ogólna zasada, której używam jako miejsca początkowego, to jedna nakrętka tantalu 10uF na każdy główny układ scalony (mikrokontroler, ADC, DAC itp.), A następnie nakrętka 0,1uF i 10nF na każdym bolcu zasilania każdego układu scalonego. Nakładki 10nF muszą być małe - najlepiej o wielkości 0402 lub co najwyżej 0603 - aby uniknąć indukcyjności ołowiu z pakietu, która niweluje działanie kondensatora.

Gorąco polecam tę książkę, jeśli planujesz dostać się do szybkiego projektu cyfrowego, wysoka prędkość oznacza naprawdę coś powyżej 1 MHz.

Wydaje się, że ostatnio często pojawiają się pytania dotyczące oddzielania płatności od produkcji. Udzieliłem tutaj szczegółowej odpowiedzi: czapki odsprzęgające, układ PCB

To mówi o problemach i układzie oddzielenia. Wygładzanie zasilacza to zupełnie inna sprawa. Zwykle wymaga to większych pułapów, które muszą być w stanie zgromadzić rozsądną ilość energii, ponieważ częstotliwość tętnienia zasilacza jest znacznie niższa niż częstotliwości, które mają obsługiwać czapki odsprzęgające częstotliwości.

Chciałbym podkreślić jeden z punktów jluciani. Bardzo ważne jest, aby umieścić kondensator jak najbliżej mocy wejściowej układu scalonego. Pomoże to wyeliminować wszelkie zakłócenia, które są wprowadzane gdziekolwiek indziej, w obwodzie, z zasilacza, a nawet niektóre szumy emitowane ze źródła znajdującego się poza płytką.

jluciani ma rację, że 0,1 uF jest bardzo powszechne przy umieszczaniu obok układów scalonych. Wystarczy pomyśleć o pojemności jako o tym, jaki ładunek może utrzymać kondensator, więc im większa pojemność, tym więcej trzyma. Jeśli umieścisz kondensatory równolegle, dodasz więcej pojemności, co spowoduje wyższą efektywną pojemność.

Jeśli chodzi o twoje pytanie, czy ten układ tego potrzebuje, czy nie, powiedziałbym, że nie zaszkodzi. Arkusz danych zwykle określa, czy układ wymaga kondensatorów odsprzęgających (czyli wygładzania), a jeśli tak, to jaka jest zalecana wartość.

Wystarczy dodać kilka punktów do innych odpowiedzi:

Aby zmierzyć wpływ skoków prądu na napięcie zasilania, potrzebujesz szybkiego oscyloskopu. To zależy od prędkości obwodów, ale myślę, że potrzebujesz przepustowości od 200 MHz do 1 GHz.

Ponadto, jeśli obwód zasilania przenoszący prąd szczytowy jest duży, spowoduje to emisję fal radiowych, co jest niezadowolone z różnych przyczyn technicznych i prawnych. Kondensator obejściowy działa jak skrót dla tych szczytów, więc emisja jest znacznie mniejsza.

Bypassowe czapki są na tyle tanie, że w wielu przypadkach nie ma powodu, aby nie umieszczać ich wszędzie. Jeśli jednak przestrzeń lub koszty są skrajnymi problemami, rozsądne może być pominięcie kilku. Kluczem jest rozpoznanie, co może się zdarzyć, jeśli zostaną przerwane. Moją sugestią byłoby założenie najgorszego scenariusza, jeśli zostanie pominięty: (1) promieniowanie RF przy wejściowej częstotliwości przełączania może zostać zwiększone, oraz (2) za każdym razem, gdy wejście zostanie przełączone, załóż, że wyjścia urządzenia i stan wewnętrzny mogą być arbitralnie zepsuty. Jeśli którekolwiek z tych zachowań stanowiłoby problem, wymagane są ograniczenia dotyczące obejścia. Jeśli żaden z nich nie stanowiłby problemu (np. Ponieważ żadne z wejść nie przełącza się wystarczająco często, aby promieniowanie stanowiło problem, urządzenie nie ma stanu wewnętrznego,

W ogólnym przypadku niektóre lub wiele układów scalonych, tranzystorów lub zaworów (lamp) zostanie podłączonych do tego samego źródła zasilania. Gdy urządzenie w takich sytuacjach działa, pobiera różne ilości prądu z zasilacza zgodnie z przechodzącym przez niego sygnałem. Ponieważ zasilacze nie są idealne, zmienny prąd powoduje pojawienie się zmiennego napięcia na szynach zasilających. Wszystkie pozostałe urządzenia podłączone do tego samego zasilacza będą odczuwać to napięcie, tj. zostanie do nich dołączony sygnał szumu. Może to powodować niestabilność w obwodach analogowych lub nieprawidłowe przełączanie w obwodach cyfrowych. Umieszczając kondensatory odsprzęgające w punktach opisanych powyżej, napięcie zasilania staje się bardziej stabilne, a urządzenia są od siebie oddzielane.

Często arkusz danych układu dokładnie określa, ile kondensatorów i jakiej wielkości należy użyć. Jeśli tak się nie stanie, najlepszą praktyką jest przymocowanie kołpaka 1 uF do styków zasilania każdego układu, a także większego kołka gdzieś na płycie. (Przed 2001 r. W najlepszych praktykach stosowano czapki 0,1 uF).

ps: czy rozważałeś zastosowanie 74HC595 lub 74HC166 zamiast 74195? Podejrzewam, że to zadziała równie dobrze i uwolni niektóre szpilki na twoim Arduino.

Ludzie zazwyczaj udzielają jednego wyjaśnienia, gdy pytają ich o funkcję odłączania kondensatorów, ale prawdą jest, że spełniają kilka zadań.

Oto lista rzeczy, o których wiem:

Zmniejszają odbicie od ziemi

Odbicie od ziemi to zjawisko, w którym zmieniająca się różnica napięć w płaszczyźnie uziemienia negatywnie wpływa (głównie) na sygnały analogowe i (czasem) cyfrowe. W przypadku sygnałów analogowych, takich jak na przykład audio, może to objawiać się w postaci wysokich dźwięków. W przypadku sygnałów cyfrowych może to oznaczać brakujące / opóźnione / fałszywe przejścia sygnałów.

Zmieniająca się różnica napięć jest spowodowana wytwarzaniem i zapadaniem się pól magnetycznych spowodowanych zmieniającymi się przepływami prądu.

Im dłuższa ścieżka musi płynąć prąd, tym wyższa indukcyjność z nim związana i tym gorsze staje się odbicie ziemi. Wiele ścieżek przepływu prądu również pogarsza problem, a także szybkość, z jaką zmienia się prąd.

Przepływ prądu oczywiście występuje między zasilaczem a podłączonym układem scalonym, ale nieco mniej oczywiście również między „komunikującymi się” układami scalonymi. Przepływ prądu związany z dwoma układami scalonymi wygląda następująco; zasilacz -> IC 1 -> IC 2 -> Uziemienie -> zasilacz.

Kondensator odsprzęgający skutecznie zmniejsza długość ścieżki prądu, działając jako źródło energii, zmniejszając w ten sposób indukcyjność, a tym samym odbicie od ziemi.

Poprzedni przykład staje się; Cap -> IC 1 -> IC 2 -> Ground -> Cap

Utrzymują stabilne poziomy napięcia

Istnieją dwa powody wahań poziomów napięcia:

• Indukcyjność ścieżki / drutu zmniejsza maksymalną szybkość zmiany prądu przez ten ślad / drut; nagły wzrost „zapotrzebowania” na prąd spowoduje spadek napięcia; nagły spadek „zapotrzebowania” na prąd spowoduje skok napięcia.
• Zasilacze (zwłaszcza typu przełączającego) potrzebują czasu, aby zareagować i będą nieco opóźnione w stosunku do obecnego zapotrzebowania.

Kondensator odsprzęgający wyrówna zapotrzebowanie na prąd i zmniejszy wszelkie spadki lub skoki napięcia.

Mogą redukować EMI (transmisja)

Kiedy mówimy o zakłóceniach elektromagnetycznych, mamy na myśli albo transmisję niezamierzonych zakłóceń elektromagnetycznych, albo odbieranie zamierzonych lub niezamierzonych sygnałów elektromagnetycznych, które zakłócają działanie twojego urządzenia. Zazwyczaj odnosi się do samej transmisji.

Rozmieszczenie kondensatorów (odsprzęgających) między płaszczyznami zasilania i uziemienia zmienia współczynnik transmisji w całym zakresie częstotliwości. Najwyraźniej użycie tylko jednej wartości dla kondensatorów dla całej płytki drukowanej, a także kondensatorów stratnych / o wysokiej rezystancji jest dobrym rozwiązaniem, jeśli chcesz zmniejszyć EMI, jednak jest to sprzeczne z powszechną praktyką (która zaleca rosnącą kolejność pojemności, im bliżej jesteś do zasilacza). Większość ludzi tak naprawdę nie interesuje się EMI, jeśli tworzy obwody dla swojego hobby (choć zwykle robią to amatorzy radiowi), ale staje się to nieuniknione, gdy projektujesz obwód do masowej produkcji.

Kondensator (odsprzęgający) MOŻE zmniejszyć niezamierzone promieniowanie elektromagnetyczne wytwarzane przez obwód.

Aby odpowiedzieć na pozostałe pytania ..

Skąd mam wiedzieć, czy go potrzebuję, a jeśli tak, jaki rozmiar i gdzie powinien on się znaleźć?

Zazwyczaj umieszcza się kondensator odsprzęgający, gdy tylko jest to możliwe, wybierając najmniejszy fizyczny rozmiar o największej wartości możliwie jak najbliżej pinu zasilającego układu scalonego.

Czy potrzebny byłby 4-bitowy rejestr przesuwny SN74195N używany równolegle z Arduino? (Aby wykorzystać mój obecny projekt jako przykład) Dlaczego lub dlaczego nie?

Prawdopodobnie zadziałałoby to dobrze, ale po co zawracać sobie głowę „prawdopodobnie”, jeśli można zwiększyć szanse, umieszczając komponent kosztujący kilka centów, a nawet jeden cent w niektórych przypadkach?

Prawie każdy układ scalony powinien mieć kondensator odsprzęgający. Jeśli arkusz danych nie określa niczego, przynajmniej umieść ceramiczną nasadkę 0,1 uF w pobliżu styku zasilania układu scalonego, o wartości co najmniej dwukrotności używanego napięcia.

Wiele rzeczy wymaga większej pojemności na wejściu. Często można znaleźć te rekomendacje w arkuszach danych, notatkach aplikacji lub schematach zestawu ewaluacyjnego.

Pozbądźmy się magii związanej z obejściami, ulepszając model obwodu; 7400 bram rodzinnych wygląda następująco:

Ta bramka, dostępna w pakiecie 3 w jednym, zapewnia wysoki napęd (duży wentylator) i dużą prędkość. Wewnątrz 74195 nie potrzebujemy całego tego napędu. Potrzebujemy prędkości. Zakładamy, że 2mA wystrzeliwuje na bramkę (~~ 15 bramek na FF)

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

Musimy przechowywać wystarczającą opłatę za 1uS zajętego taktowania. DLACZEGO? Dlaczego warto korzystać z 1uS? Ponieważ duże kondensatory i długie przewody zadzwonią i zdenerwują VDD w układzie scalonym, chyba że będą tłumione. Jaka częstotliwość dzwonienia? 1uH i 1uF wytwarzają 0,159 kHz. Jak zwilżyć?

Użyj Q = 1 [zdefiniowane jako Q = ZL / R = 2 (pi Fring L / R)] i Fring = 1/2 * pi sqrt (L C), znajdziemy Rdampen = sqrt (L / C). Dla 1uH i 1uF potrzebujesz JEDEN OHM.

Rozważ ten obwód dla dobrej kontroli dzwonienia VDD:

^{zasymuluj ten obwód}

Co mówi nam Signal Chain Explorer o tym tłumieniu 1_ohm?

Niespodzianka? Inżynier logik musi również zaprojektować filtrowanie VDD i tłumienie VDD.

Aby odpowiedzieć na pytanie w skrócie: prąd stały nie przechodzi przez kondensator, prąd przemienny tak. Większość hałasu to szum sprzężony z prądem przemiennym lub / i ma charakterystykę prądu przemiennego, tj. Przełączanie + - pewna wartość prądu stałego. Aby uwzględnić te zmiany, użyj kondensatora DECOUPLING. Po prostu zwiera sygnały AC. Istnieje mnóstwo wspaniałych notatek aplikacji na temat tego, dlaczego i jak działają: http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-101.pdf

Mówienie o kondensatorach zbiornikowych / wygładzających - poruszenie go w tym temacie po prostu wprowadza nowych użytkowników w błąd pod względem terminologicznym.
Wygładzanie odbywa się w celu uzyskania bardzo stałego napięcia. Np. Niektóre wyjścia czujników / obwodów są zależne proporcjonalnie do ich napięcia zasilania. Fale zaopatrzenia będą miały bezpośredni wpływ na ich wydajność.

Kondensator to element magazynujący, który oszczędza energię w postaci ładunku. Wracając do nasadki odsprzęgającej, jest również nazywany kondensatorem obejściowym, ponieważ ominie tętnienie zasilania i ta naładowana nasadka będzie próbowała utrzymać stałe napięcie prądu stałego na pinie VDD.

Są one potrzebne do obniżenia impedancji systemu dostarczania energii. Przy wysokich częstotliwościach zasilacze mają nieistotną impedancję szeregową, głównie z powodu indukcyjności sieci energetycznych. Zapoznaj się z sekcją „Zawalenie się szyny w zakresie integralności zasilania” w następującym artykule, który może pomóc Ci zrozumieć ten pomysł: https://www.cohenelec.com/considering-capacitor-parasitics/