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कैपेसिटर सर्किट बोर्डों पर सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले घटकों में से एक हैं। जैसे-जैसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों (मोबाइल फोन से लेकर कारों तक) की संख्या बढ़ती जा रही है, वैसे-वैसे कैपेसिटर की मांग भी बढ़ती जा रही है। कोविड 19 महामारी ने सेमीकंडक्टर्स से निष्क्रिय घटकों तक वैश्विक घटक आपूर्ति श्रृंखला को बाधित कर दिया है, और कैपेसिटर की आपूर्ति कम हो गई है1।
कैपेसिटर के विषय पर चर्चा को आसानी से एक किताब या शब्दकोश में बदला जा सकता है। सबसे पहले, कैपेसिटर विभिन्न प्रकार के होते हैं, जैसे इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर, फिल्म कैपेसिटर, सिरेमिक कैपेसिटर इत्यादि। फिर, एक ही प्रकार में, विभिन्न ढांकता हुआ पदार्थ होते हैं। अलग-अलग वर्ग भी हैं. भौतिक संरचना के लिए, दो-टर्मिनल और तीन-टर्मिनल कैपेसिटर प्रकार होते हैं। एक X2Y प्रकार का कैपेसिटर भी है, जो मूलतः एक में संपुटित Y कैपेसिटर की एक जोड़ी है। सुपरकैपेसिटर के बारे में क्या? तथ्य यह है कि, यदि आप बैठ जाएं और प्रमुख निर्माताओं से कैपेसिटर चयन गाइड पढ़ना शुरू कर दें, तो आप आसानी से दिन बिता सकते हैं!
चूँकि यह लेख बुनियादी बातों के बारे में है, इसलिए मैं हमेशा की तरह एक अलग विधि का उपयोग करूँगा। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, कैपेसिटर चयन मार्गदर्शिकाएँ आपूर्तिकर्ता वेबसाइट 3 और 4 पर आसानी से पाई जा सकती हैं, और फ़ील्ड इंजीनियर आमतौर पर कैपेसिटर के बारे में अधिकांश प्रश्नों का उत्तर दे सकते हैं। इस लेख में, मैं वह नहीं दोहराऊंगा जो आप इंटरनेट पर पा सकते हैं, बल्कि व्यावहारिक उदाहरणों के माध्यम से कैपेसिटर को चुनने और उपयोग करने का तरीका प्रदर्शित करूंगा। कैपेसिटर चयन के कुछ कम-ज्ञात पहलुओं, जैसे कैपेसिटेंस गिरावट, को भी कवर किया जाएगा। इस लेख को पढ़ने के बाद आपको कैपेसिटर के उपयोग की अच्छी समझ हो जाएगी।
वर्षों पहले, जब मैं इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाने वाली एक कंपनी में काम कर रहा था, हमारे पास एक पावर इलेक्ट्रॉनिक्स इंजीनियर के लिए एक साक्षात्कार प्रश्न था। मौजूदा उत्पाद के योजनाबद्ध आरेख पर, हम संभावित उम्मीदवारों से पूछेंगे "डीसी लिंक इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर का कार्य क्या है?" और "चिप के बगल में स्थित सिरेमिक कैपेसिटर का क्या कार्य है?" हमें उम्मीद है कि सही उत्तर डीसी बस कैपेसिटर है जिसका उपयोग ऊर्जा भंडारण के लिए किया जाता है, सिरेमिक कैपेसिटर का उपयोग फ़िल्टरिंग के लिए किया जाता है।
हम जिस "सही" उत्तर की तलाश कर रहे हैं वह वास्तव में दिखाता है कि डिज़ाइन टीम में हर कोई कैपेसिटर को एक साधारण सर्किट परिप्रेक्ष्य से देखता है, न कि फ़ील्ड सिद्धांत परिप्रेक्ष्य से। सर्किट सिद्धांत का दृष्टिकोण ग़लत नहीं है। कम आवृत्तियों पर (कुछ किलोहर्ट्ज़ से कुछ मेगाहर्ट्ज तक), सर्किट सिद्धांत आमतौर पर समस्या को अच्छी तरह से समझा सकता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि कम आवृत्तियों पर, सिग्नल मुख्य रूप से अंतर मोड में होता है। सर्किट सिद्धांत का उपयोग करते हुए, हम चित्र 1 में दिखाए गए संधारित्र को देख सकते हैं, जहां समतुल्य श्रृंखला प्रतिरोध (ईएसआर) और समतुल्य श्रृंखला अधिष्ठापन (ईएसएल) संधारित्र की प्रतिबाधा को आवृत्ति के साथ बदलते हैं।
जब सर्किट को धीरे-धीरे स्विच किया जाता है तो यह मॉडल सर्किट के प्रदर्शन को पूरी तरह से समझाता है। हालाँकि, जैसे-जैसे आवृत्ति बढ़ती है, चीज़ें और अधिक जटिल होती जाती हैं। कुछ बिंदु पर, घटक गैर-रैखिकता दिखाना शुरू कर देता है। जब आवृत्ति बढ़ती है, तो सरल एलसीआर मॉडल की अपनी सीमाएँ होती हैं।
आज, अगर मुझसे वही साक्षात्कार प्रश्न पूछा जाता, तो मैं अपना क्षेत्र सिद्धांत अवलोकन चश्मा पहनता और कहता कि दोनों संधारित्र प्रकार ऊर्जा भंडारण उपकरण हैं। अंतर यह है कि इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर सिरेमिक कैपेसिटर की तुलना में अधिक ऊर्जा संग्रहीत कर सकते हैं। लेकिन ऊर्जा संचरण के संदर्भ में, सिरेमिक कैपेसिटर तेजी से ऊर्जा संचारित कर सकते हैं। यह बताता है कि सिरेमिक कैपेसिटर को चिप के बगल में रखने की आवश्यकता क्यों है, क्योंकि चिप में मुख्य पावर सर्किट की तुलना में उच्च स्विचिंग आवृत्ति और स्विचिंग गति होती है।
इस दृष्टिकोण से, हम कैपेसिटर के लिए केवल दो प्रदर्शन मानकों को परिभाषित कर सकते हैं। एक यह कि संधारित्र कितनी ऊर्जा संग्रहित कर सकता है, और दूसरा यह कि इस ऊर्जा को कितनी तेजी से स्थानांतरित किया जा सकता है। दोनों संधारित्र की निर्माण विधि, ढांकता हुआ सामग्री, संधारित्र के साथ कनेक्शन आदि पर निर्भर करते हैं।
जब सर्किट में स्विच बंद हो जाता है (चित्र 2 देखें), तो यह इंगित करता है कि लोड को बिजली स्रोत से ऊर्जा की आवश्यकता है। जिस गति से यह स्विच बंद होता है वह ऊर्जा मांग की तात्कालिकता को निर्धारित करता है। चूँकि ऊर्जा प्रकाश की गति (FR4 सामग्रियों में प्रकाश की आधी गति) से यात्रा करती है, इसलिए ऊर्जा को स्थानांतरित करने में समय लगता है। इसके अलावा, स्रोत और ट्रांसमिशन लाइन और लोड के बीच एक प्रतिबाधा बेमेल है। इसका मतलब यह है कि ऊर्जा कभी भी एक यात्रा में स्थानांतरित नहीं की जाएगी, बल्कि कई दौर की यात्राओं में5, यही कारण है कि जब स्विच जल्दी से स्विच किया जाता है, तो हम स्विचिंग तरंग में देरी और रिंगिंग देखेंगे।
चित्र 2: ऊर्जा को अंतरिक्ष में प्रसारित होने में समय लगता है; प्रतिबाधा बेमेल ऊर्जा हस्तांतरण के कई दौर के दौरे का कारण बनता है।
तथ्य यह है कि ऊर्जा वितरण में समय लगता है और कई दौर की यात्राएं हमें बताती हैं कि हमें ऊर्जा को लोड के जितना संभव हो उतना करीब ले जाने की जरूरत है, और हमें इसे जल्दी से वितरित करने का एक तरीका खोजने की जरूरत है। पहला आमतौर पर लोड, स्विच और कैपेसिटर के बीच भौतिक दूरी को कम करके प्राप्त किया जाता है। उत्तरार्द्ध को सबसे छोटे प्रतिबाधा वाले कैपेसिटर के एक समूह को इकट्ठा करके प्राप्त किया जाता है।
फ़ील्ड सिद्धांत यह भी बताता है कि सामान्य मोड शोर का कारण क्या है। संक्षेप में, सामान्य मोड शोर तब उत्पन्न होता है जब स्विचिंग के दौरान लोड की ऊर्जा मांग पूरी नहीं होती है। इसलिए, लोड और आस-पास के कंडक्टरों के बीच की जगह में संग्रहीत ऊर्जा चरण की मांग का समर्थन करने के लिए प्रदान की जाएगी। भार और निकटवर्ती कंडक्टरों के बीच के स्थान को हम परजीवी/पारस्परिक समाई कहते हैं (चित्र 2 देखें)।
इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर, मल्टीलेयर सिरेमिक कैपेसिटर (एमएलसीसी), और फिल्म कैपेसिटर का उपयोग कैसे करें, यह प्रदर्शित करने के लिए हम निम्नलिखित उदाहरणों का उपयोग करते हैं। चयनित कैपेसिटर के प्रदर्शन को समझाने के लिए सर्किट और फ़ील्ड सिद्धांत दोनों का उपयोग किया जाता है।
इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर मुख्य रूप से डीसी लिंक में मुख्य ऊर्जा स्रोत के रूप में उपयोग किए जाते हैं। इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर का चुनाव अक्सर इस पर निर्भर करता है:
ईएमसी प्रदर्शन के लिए, कैपेसिटर की सबसे महत्वपूर्ण विशेषताएं प्रतिबाधा और आवृत्ति विशेषताएँ हैं। कम-आवृत्ति संचालित उत्सर्जन हमेशा डीसी लिंक कैपेसिटर के प्रदर्शन पर निर्भर करता है।
डीसी लिंक की प्रतिबाधा न केवल संधारित्र के ईएसआर और ईएसएल पर निर्भर करती है, बल्कि थर्मल लूप के क्षेत्र पर भी निर्भर करती है, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है। एक बड़े थर्मल लूप क्षेत्र का मतलब है कि ऊर्जा हस्तांतरण में अधिक समय लगता है, इसलिए प्रदर्शन प्रभावित होगा.
इसे साबित करने के लिए एक स्टेप-डाउन DC-DC कनवर्टर बनाया गया था। चित्र 4 में दिखाया गया पूर्व-अनुपालन ईएमसी परीक्षण सेटअप 150kHz और 108MHz के बीच एक संचालित उत्सर्जन स्कैन करता है।
यह सुनिश्चित करना महत्वपूर्ण है कि प्रतिबाधा विशेषताओं में अंतर से बचने के लिए इस मामले के अध्ययन में उपयोग किए जाने वाले सभी कैपेसिटर एक ही निर्माता से हैं। पीसीबी पर कैपेसिटर को टांका लगाते समय, सुनिश्चित करें कि कोई लंबी लीड न हो, क्योंकि इससे कैपेसिटर का ईएसएल बढ़ जाएगा। चित्र 5 तीन विन्यास दिखाता है।
इन तीन विन्यासों के संचालित उत्सर्जन परिणाम चित्र 6 में दिखाए गए हैं। यह देखा जा सकता है कि, एक 680 μF कैपेसिटर की तुलना में, दो 330 μF कैपेसिटर व्यापक आवृत्ति रेंज पर 6 डीबी का शोर कम करने का प्रदर्शन प्राप्त करते हैं।
सर्किट सिद्धांत से यह कहा जा सकता है कि दो कैपेसिटर को समानांतर में जोड़ने से ईएसएल और ईएसआर दोनों आधे हो जाते हैं। क्षेत्र सिद्धांत के दृष्टिकोण से, केवल एक ऊर्जा स्रोत नहीं है, बल्कि दो ऊर्जा स्रोतों को एक ही लोड पर आपूर्ति की जाती है, जो प्रभावी रूप से समग्र ऊर्जा संचरण समय को कम करती है। हालाँकि, उच्च आवृत्तियों पर, दो 330 µF कैपेसिटर और एक 680 µF कैपेसिटर के बीच का अंतर कम हो जाएगा। ऐसा इसलिए है क्योंकि उच्च आवृत्ति शोर अपर्याप्त चरण ऊर्जा प्रतिक्रिया को इंगित करता है। 330 μF कैपेसिटर को स्विच के करीब ले जाने पर, हम ऊर्जा हस्तांतरण समय को कम कर देते हैं, जो प्रभावी रूप से कैपेसिटर की चरण प्रतिक्रिया को बढ़ाता है।
परिणाम हमें एक बहुत महत्वपूर्ण सबक बताता है। एकल संधारित्र की धारिता बढ़ाने से आम तौर पर अधिक ऊर्जा की चरणबद्ध मांग का समर्थन नहीं किया जा सकेगा। यदि संभव हो, तो कुछ छोटे कैपेसिटिव घटकों का उपयोग करें। इसके कई अच्छे कारण हैं. पहली लागत है. सामान्यतया, समान पैकेज आकार के लिए, कैपेसिटर की लागत कैपेसिटेंस मान के साथ तेजी से बढ़ जाती है। कई छोटे कैपेसिटर का उपयोग करने की तुलना में एकल कैपेसिटर का उपयोग करना अधिक महंगा हो सकता है। दूसरा कारण है साइज़. उत्पाद डिज़ाइन में सीमित कारक आमतौर पर घटकों की ऊंचाई होती है। बड़ी क्षमता वाले कैपेसिटर के लिए, ऊंचाई अक्सर बहुत बड़ी होती है, जो उत्पाद डिजाइन के लिए उपयुक्त नहीं है। तीसरा कारण ईएमसी प्रदर्शन है जो हमने केस स्टडी में देखा।
इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर का उपयोग करते समय विचार करने के लिए एक अन्य कारक यह है कि जब आप वोल्टेज साझा करने के लिए श्रृंखला में दो कैपेसिटर जोड़ते हैं, तो आपको एक संतुलन अवरोधक 6 की आवश्यकता होगी।
जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, सिरेमिक कैपेसिटर लघु उपकरण हैं जो तुरंत ऊर्जा प्रदान कर सकते हैं। मुझसे अक्सर यह सवाल पूछा जाता है कि "मुझे कितने कैपेसिटर की आवश्यकता है?" इस प्रश्न का उत्तर यह है कि सिरेमिक कैपेसिटर के लिए, कैपेसिटेंस मान उतना महत्वपूर्ण नहीं होना चाहिए। यहां महत्वपूर्ण विचार यह निर्धारित करना है कि आपके आवेदन के लिए किस आवृत्ति पर ऊर्जा हस्तांतरण गति पर्याप्त है। यदि आयोजित उत्सर्जन 100 मेगाहर्ट्ज पर विफल रहता है, तो 100 मेगाहर्ट्ज पर सबसे छोटी प्रतिबाधा वाला संधारित्र एक अच्छा विकल्प होगा।
यह MLCC की एक और ग़लतफ़हमी है. मैंने देखा है कि इंजीनियरों ने कैपेसिटर को लंबे ट्रेस के माध्यम से आरएफ संदर्भ बिंदु से जोड़ने से पहले सबसे कम ईएसआर और ईएसएल के साथ सिरेमिक कैपेसिटर चुनने में बहुत अधिक ऊर्जा खर्च की है। उल्लेखनीय है कि एमएलसीसी का ईएसएल आमतौर पर बोर्ड पर कनेक्शन इंडक्शन से काफी कम होता है। कनेक्शन इंडक्शन अभी भी सिरेमिक कैपेसिटर7 की उच्च आवृत्ति प्रतिबाधा को प्रभावित करने वाला सबसे महत्वपूर्ण पैरामीटर है।
चित्र 7 एक ख़राब उदाहरण दिखाता है. लंबे निशान (0.5 इंच लंबे) कम से कम 10nH अधिष्ठापन का परिचय देते हैं। सिमुलेशन परिणाम से पता चलता है कि संधारित्र की प्रतिबाधा आवृत्ति बिंदु (50 मेगाहर्ट्ज) पर अपेक्षा से बहुत अधिक हो जाती है।
एमएलसीसी के साथ एक समस्या यह है कि वे बोर्ड पर आगमनात्मक संरचना के साथ प्रतिध्वनित होते हैं। इसे चित्र 8 में दिखाए गए उदाहरण में देखा जा सकता है, जहां 10 μF MLCC का उपयोग लगभग 300 kHz पर प्रतिध्वनि उत्पन्न करता है।
आप बड़े ईएसआर के साथ एक घटक चुनकर या बस एक संधारित्र के साथ श्रृंखला में एक छोटा मूल्य अवरोधक (जैसे 1 ओम) डालकर प्रतिध्वनि को कम कर सकते हैं। इस प्रकार की विधि सिस्टम को दबाने के लिए हानिपूर्ण घटकों का उपयोग करती है। एक अन्य विधि अनुनाद को कम या उच्च अनुनाद बिंदु पर ले जाने के लिए किसी अन्य समाई मान का उपयोग करना है।
फिल्म कैपेसिटर का उपयोग कई अनुप्रयोगों में किया जाता है। वे उच्च-शक्ति डीसी-डीसी कनवर्टर्स के लिए पसंद के कैपेसिटर हैं और बिजली लाइनों (एसी और डीसी) और सामान्य-मोड फ़िल्टरिंग कॉन्फ़िगरेशन में ईएमआई दमन फिल्टर के रूप में उपयोग किए जाते हैं। फिल्म कैपेसिटर के उपयोग के कुछ मुख्य बिंदुओं को स्पष्ट करने के लिए हम एक उदाहरण के रूप में एक एक्स कैपेसिटर लेते हैं।
यदि कोई वृद्धि की घटना होती है, तो यह लाइन पर चरम वोल्टेज तनाव को सीमित करने में मदद करता है, इसलिए इसे आमतौर पर क्षणिक वोल्टेज सप्रेसर (टीवीएस) या मेटल ऑक्साइड वेरिस्टर (एमओवी) के साथ उपयोग किया जाता है।
आप यह सब पहले से ही जानते होंगे, लेकिन क्या आप जानते हैं कि एक्स कैपेसिटर का कैपेसिटेंस मान वर्षों के उपयोग के साथ काफी कम हो सकता है? यह विशेष रूप से सच है यदि संधारित्र का उपयोग आर्द्र वातावरण में किया जाता है। मैंने देखा है कि एक्स कैपेसिटर का कैपेसिटेंस मान एक या दो साल के भीतर उसके रेटेड मूल्य के केवल कुछ प्रतिशत तक गिर जाता है, इसलिए मूल रूप से एक्स कैपेसिटर के साथ डिज़ाइन किया गया सिस्टम वास्तव में फ्रंट-एंड कैपेसिटर की सभी सुरक्षा खो देता है।
तो, क्या हुआ? नमी वाली हवा संधारित्र में, तार के ऊपर और बॉक्स और एपॉक्सी पॉटिंग कंपाउंड के बीच लीक हो सकती है। फिर एल्यूमीनियम धातुकरण को ऑक्सीकरण किया जा सकता है। एल्युमिना एक अच्छा विद्युत इन्सुलेटर है, जिससे धारिता कम हो जाती है। यह एक ऐसी समस्या है जिसका सामना सभी फिल्म कैपेसिटर्स को करना पड़ेगा। मैं जिस मुद्दे पर बात कर रहा हूं वह है फिल्म की मोटाई। प्रतिष्ठित कैपेसिटर ब्रांड मोटी फिल्मों का उपयोग करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अन्य ब्रांडों की तुलना में बड़े कैपेसिटर बनते हैं। पतली फिल्म संधारित्र को ओवरलोड (वोल्टेज, करंट, या तापमान) के प्रति कम मजबूत बनाती है, और इसके स्वयं ठीक होने की संभावना नहीं है।
यदि एक्स कैपेसिटर स्थायी रूप से बिजली आपूर्ति से जुड़ा नहीं है, तो आपको चिंता करने की आवश्यकता नहीं है। उदाहरण के लिए, ऐसे उत्पाद के लिए जिसमें बिजली की आपूर्ति और कैपेसिटर के बीच एक हार्ड स्विच है, आकार जीवन से अधिक महत्वपूर्ण हो सकता है, और फिर आप एक पतला कैपेसिटर चुन सकते हैं।
हालाँकि, यदि संधारित्र स्थायी रूप से बिजली स्रोत से जुड़ा है, तो इसे अत्यधिक विश्वसनीय होना चाहिए। कैपेसिटर का ऑक्सीकरण अपरिहार्य नहीं है। यदि संधारित्र एपॉक्सी सामग्री अच्छी गुणवत्ता की है और संधारित्र अक्सर अत्यधिक तापमान के संपर्क में नहीं आता है, तो मूल्य में गिरावट न्यूनतम होनी चाहिए।
इस आलेख में, सबसे पहले कैपेसिटर के क्षेत्र सिद्धांत दृष्टिकोण को प्रस्तुत किया गया। व्यावहारिक उदाहरण और सिमुलेशन परिणाम दिखाते हैं कि सबसे सामान्य कैपेसिटर प्रकारों का चयन और उपयोग कैसे करें। आशा है कि यह जानकारी आपको इलेक्ट्रॉनिक और ईएमसी डिज़ाइन में कैपेसिटर की भूमिका को अधिक व्यापक रूप से समझने में मदद कर सकती है।
डॉ. मिन झांग यूके स्थित इंजीनियरिंग कंपनी मैक वन डिज़ाइन लिमिटेड के संस्थापक और मुख्य ईएमसी सलाहकार हैं, जो ईएमसी परामर्श, समस्या निवारण और प्रशिक्षण में विशेषज्ञता रखती है। पावर इलेक्ट्रॉनिक्स, डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स, मोटर्स और उत्पाद डिजाइन में उनके गहन ज्ञान से दुनिया भर की कंपनियों को फायदा हुआ है।
इन कंप्लायंस इलेक्ट्रिकल और इलेक्ट्रॉनिक इंजीनियरिंग पेशेवरों के लिए समाचार, सूचना, शिक्षा और प्रेरणा का मुख्य स्रोत है।
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