В электронике разделительный конденсатор — это конденсатор, используемый для развязки (т. е. предотвращения передачи электрической энергии ) одной части цепи от другой. Шум , вызванный другими элементами цепи, шунтируется через конденсатор, что снижает его влияние на остальную часть цепи. Для более высоких частот альтернативным названием является блокировочный конденсатор , поскольку он используется для обхода источника питания или другого высокоомного компонента цепи.
Активные устройства электронной системы (например, транзисторы , интегральные схемы , вакуумные трубки ) подключаются к источникам питания через проводники с конечным сопротивлением и индуктивностью . Если ток , потребляемый активным устройством, изменяется, падение напряжения от источника питания к устройству также изменится из-за этих импедансов . Если несколько активных устройств имеют общий путь к источнику питания, изменения тока, потребляемого одним элементом, могут вызывать изменения напряжения, достаточно большие, чтобы повлиять на работу других — например, скачки напряжения или скачки заземления — поэтому изменение состояния одного устройства связано с другими через общее сопротивление источника питания. Развязывающий конденсатор обеспечивает обходной путь для переходных токов, вместо того чтобы протекать через общее сопротивление. [1]
Развязывающий конденсатор работает как локальное хранилище энергии устройства . Конденсатор размещается между линией электропередачи и землей , в цепь которой должен подаваться ток. Согласно соотношению тока и напряжения конденсатора
падение напряжения между линией электропередачи и землей приводит к току, вытекающему из конденсатора в цепь. Когда емкость C достаточно велика, подается достаточный ток для поддержания приемлемого диапазона падения напряжения. Конденсатор запасает небольшое количество энергии, которое может компенсировать падение напряжения в проводниках питания к конденсатору. Чтобы уменьшить нежелательную паразитную эквивалентную последовательную индуктивность , малые и большие конденсаторы часто размещают параллельно , рядом с отдельными интегральными схемами (см. § Размещение).
В цифровых схемах развязывающие конденсаторы также помогают предотвратить излучение электромагнитных помех от относительно длинных цепей из-за быстро меняющихся токов питания.
Одних только развязывающих конденсаторов может быть недостаточно в таких случаях, как каскад усилителя высокой мощности с подключенным к нему предварительным усилителем низкого уровня. Необходимо соблюдать осторожность при компоновке проводников цепи, чтобы большой ток на одном этапе не вызывал падения напряжения питания, которые влияют на другие этапы. Это может потребовать перенаправления дорожек печатной платы для разделения цепей или использования заземляющей плоскости для повышения стабильности питания.
Байпасный конденсатор часто используется для развязки подсхемы от сигналов переменного тока или скачков напряжения на источнике питания или другой линии. Байпасный конденсатор может шунтировать энергию от этих сигналов или переходных процессов мимо подсхемы, которую нужно развязать, прямо в обратный путь. Для линии электропитания будет использоваться байпасный конденсатор от линии напряжения питания до возврата источника питания (нейтрали).
Высокие частоты и переходные токи могут протекать через конденсатор к заземлению цепи, а не по более жесткому пути развязанной цепи, но постоянный ток не может проходить через конденсатор и продолжает течь в развязанную цепь.
Другой вид развязки — это предотвращение влияния части схемы на переключение, которое происходит в другой части схемы. Переключение в подсхеме A может вызвать колебания в источнике питания или других электрических линиях, но вы не хотите, чтобы подсхема B, которая не имеет никакого отношения к этому переключению, была затронута. Развязывающий конденсатор может развязать подсхемы A и B, так что B не увидит никаких эффектов переключения.
В подсхеме переключение изменит ток нагрузки, потребляемый от источника. Типичные линии электропитания демонстрируют собственную индуктивность , что приводит к более медленной реакции на изменения тока. Напряжение питания будет падать на этих паразитных индуктивностях до тех пор, пока происходит событие переключения. Это переходное падение напряжения будет наблюдаться и другими нагрузками, если индуктивность между двумя нагрузками намного ниже по сравнению с индуктивностью между нагрузками и выходом источника питания.
Чтобы отделить другие подсхемы от эффекта внезапного спроса на ток, можно разместить развязывающий конденсатор параллельно подсхеме, через ее линии напряжения питания. Когда в подсхеме происходит переключение, конденсатор подает переходный ток. В идеале, к тому времени, когда конденсатор разрядится, событие переключения закончится, так что нагрузка сможет потреблять полный ток при нормальном напряжении от источника питания, а конденсатор сможет перезарядиться. Лучший способ уменьшить шум переключения — спроектировать печатную плату как гигантский конденсатор, поместив силовые и заземляющие плоскости через диэлектрический материал. [ необходима цитата ]
Иногда для улучшения отклика используются параллельные комбинации конденсаторов. Это происходит потому, что реальные конденсаторы имеют паразитную индуктивность, которая заставляет сопротивление отклоняться от идеального конденсатора на более высоких частотах. [2]
Развязка переходной нагрузки , как описано выше, необходима, когда есть большая нагрузка, которая переключается быстро. Паразитная индуктивность в каждом (развязывающем) конденсаторе может ограничивать подходящую емкость и влиять на соответствующий тип, если переключение происходит очень быстро.
Логические схемы склонны к внезапному переключению (идеальная логическая схема переключалась бы с низкого напряжения на высокое мгновенно, без какого-либо наблюдаемого среднего напряжения). Поэтому платы логических схем часто имеют развязывающий конденсатор рядом с каждой логической ИС, подключенный от каждого соединения источника питания к близлежащей земле. Эти конденсаторы развязывают каждую ИС от каждой другой ИС с точки зрения провалов напряжения питания.
Эти конденсаторы часто размещаются на каждом источнике питания, а также на каждом аналоговом компоненте, чтобы гарантировать максимальную стабильность питания. В противном случае аналоговый компонент с плохим коэффициентом подавления питания (PSRR) будет копировать колебания питания на свой выход.
В этих приложениях развязывающие конденсаторы часто называют обходными конденсаторами , чтобы указать, что они обеспечивают альтернативный путь для высокочастотных сигналов, которые в противном случае могли бы вызвать изменение обычно постоянного напряжения питания. Те компоненты, которые требуют быстрых инъекций тока, могут обходить источник питания, получая ток от близлежащего конденсатора. Следовательно, для зарядки этих конденсаторов используется более медленное подключение к источнику питания, и конденсаторы фактически обеспечивают большие количества тока высокой доступности.
Конденсатор развязки переходной нагрузки размещается как можно ближе к устройству, требующему развязанного сигнала. Это минимизирует величину линейной индуктивности и последовательного сопротивления между конденсатором развязки и устройством. Чем длиннее проводник между конденсатором и устройством, тем больше индуктивность. [3]
Поскольку конденсаторы различаются по своим высокочастотным характеристикам, развязка в идеале подразумевает использование комбинации конденсаторов. Например, в логических схемах распространенной схемой является керамический конденсатор емкостью ~100 нФ на логическую ИС (несколько для сложных ИС) в сочетании с электролитическим или танталовым конденсатором (ами) емкостью до нескольких сотен мкФ на плату или секцию платы.
На этих фотографиях показаны старые печатные платы с конденсаторами сквозного монтажа, тогда как на современных платах обычно используются крошечные конденсаторы поверхностного монтажа .
