Een inleiding tot invoegverlies en prestaties van filtercondensatoren

door Anthony Kenny. Condensatoren worden gebruikt in zowel analoge als digitale circuits om ongewenste signalen te verwijderen. De filterprestaties van een condensator of filtercircuit worden gewoonlijk beschreven in termen van invoegverlies. Enkele van de factoren die de prestaties van het invoegverlies van een filtercircuit aanzienlijk beïnvloeden, zijn de configuratie van de filterelementen, de impedantie en de belastingsstroom.

EMI filteren in circuits
Elektrische storingen, zowel natuurlijk als door de mens veroorzaakt, kunnen de prestaties van een elektronisch circuit aanzienlijk beïnvloeden. Deze ongewenste signalen worden gezamenlijk elektromagnetische interferentie (EMI) genoemd. Filtercircuits worden in de meeste analoge en digitale circuits gebruikt om deze ongewenste signalen te elimineren. Enkele van de meest voorkomende bronnen van deze signalen zijn onder meer verlichting, stormen, neerslag, hoogspanningsleidingen, motoren, ontstekingssystemen, radarzenders, eindversterkers, computerklokken en kosmische bronnen.

De configuratie van elementen in een filtercircuit bepaalt in belangrijke mate de filterprestaties. De eenvoudigste filterconfiguratie, algemeen bekend als C-filter, bestaat uit een enkele doorvoercondensator. De prestaties van een filtercircuit worden verbeterd door een combinatie van capacitieve en inductieve elementen te gebruiken. Enkele van de meest voorkomende configuraties zijn L-C-, T- en Pi-constructies. Door het aantal capacitieve en inductieve elementen te vergroten, kunnen de prestaties van een filtercircuit worden verbeterd.

Uitgelichte afbeelding :Insertion Loss-grafiek voor verschillende filtertopologieën; bron: S.Nelson, Medium

Invoegverlieskarakteristieken van condensatoren en circuits
Een van de belangrijkste factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij het selecteren van een condensator voor EMI-filtering, zijn de kenmerken van het invoegverlies. Deze parameter wordt gewoonlijk gedefinieerd als de verhouding van spanning voor en nadat een filter is toegevoegd. In een basiscircuit wordt de waarde verkregen door de waarden van de spanning te delen die zijn verkregen voor en nadat een filtercomponent is ingevoegd. Deze parameter bepaalt in hoge mate het dempingsniveau van een filtercircuit. De prestaties van het invoegverlies van een circuit of een onderdeel worden gewoonlijk weergegeven in decibel.

Gewone condensatoren hebben geen goede prestatie-eigenschappen voor invoegverlies. De aanwezigheid van inherente inductantie vermindert hun vermogen om ongewenste elektrische storingen te aarden. Deze restinductantie neemt toe met een toename van de lengte van de elektroden. Bovendien, hoe smaller de elektrode, hoe hoger de hoeveelheid inductantie. Om deze ongewenste inductantie te verminderen en de filterprestaties van condensatoren te verbeteren, is het noodzakelijk om de architectuur van deze passieve componenten te wijzigen. Door de architectuur van een condensator te veranderen en een derde aansluiting toe te voegen, wordt de resterende inductantie geminimaliseerd. Doorvoercondensatoren, een speciale klasse van capacitieve elementen die veel worden gebruikt voor filtertoepassingen, zijn gebaseerd op deze gewijzigde architectuur.

Bij condensatoren met twee klemmen is de restinductantie hoger omdat de geleiders van een component zich gedragen als inductoren. De introductie van een derde klem helpt de inductantiecomponent in serie met de capacitieve component te verminderen. Dit verbetert de invoegverlieskarakteristieken van een condensator aanzienlijk. Door deze restinductantie te verminderen, wordt de zelfresonantiefrequentie van een filtercondensator verhoogd.

Doorvoercondensatoren zijn speciaal ontworpen om uitzonderlijke prestaties bij invoegverlies te bieden. Deze condensatoren worden veel gebruikt voor EMI-onderdrukking en bypass-toepassingen. De meest voorkomende ontwerpen van keramische doorvoercondensatoren die in de huidige filtercircuits worden gebruikt, zijn schijfvormige en buisvormige condensatoren. Doorvoercondensatoren van plastic folie worden vaak gebruikt in toepassingen die een hoge betrouwbaarheid vereisen.

Variatie van insertieverlies met frequentie
De kenmerken van het invoegverlies van ideale en werkelijke condensatoren zijn iets anders. Het invoegverlies van een ideale condensator neemt toe met een toename van de frequentie. Ter vergelijking:het invoegverlies van een daadwerkelijk onderdeel neemt met de frequentie toe tot een bepaald niveau. Dit niveau staat bekend als de zelfresonantiefrequentie. Na dit niveau neemt het inbrengverlies van een daadwerkelijk onderdeel af met een toename in frequentie.

Bij frequenties hoger dan de resonantiefrequentie verandert de prestatie van het invoegverlies van een filter niet als de restinductantie constant wordt gehouden. Het verhogen of verlagen van de capaciteit van een component onder deze omstandigheden heeft geen invloed op het invoegverlies. Dit betekent dat voor ruisonderdrukking bij hoge frequenties een condensator met een hoge zelfresonantiefrequentie nodig is. Voor dergelijke toepassingen moeten componenten met kleine restinductanties worden gebruikt.

Factoren die de prestaties bij invoegverlies bepalen
Het prestatieverlies van een circuit of een component wordt door veel factoren bepaald; enkele van de belangrijkste factoren zijn elektrische configuratie, belastingsstroom, bronimpedantie, belastingsimpedantie, aardingsimpedantie, kenmerken van de diëlektrische materialen van componenten en integriteit van de afscherming.

Configuratie van componenten
Hoewel afzonderlijke elementen kunnen worden gebruikt om ongewenste signalen te verwijderen, gebruiken de meeste filtercircuits een combinatie van capacitieve en inductieve componenten. De keuze van de configuratie wordt grotendeels bepaald door de gewenste prestaties bij invoegverlies. De meest voorkomende configuraties zijn C, C-L, L-C, Pi en T. Zie onderstaande afbeelding:

Theoretisch gezien levert een filter met één element een invoegverlies van 20 dB per decennium op, terwijl een filter met twee elementen 40 dB per decennium oplevert. Filtercircuits met drie of meer elementen kunnen nog betere prestaties bij invoegverlies opleveren. Filtercircuits met meerdere capacitieve en inductieve elementen worden gebruikt in circuits waar een hoge mate van filterprestaties vereist zijn. De werkelijke prestaties bij invoegverlies worden bepaald door de werkelijke kenmerken van de gebruikte componenten. Deze informatie wordt meestal verstrekt in datasheets. Het is belangrijk om rekening te houden met uw bron- en belastingsimpedanties bij het selecteren van een configuratie voor uw filtercircuit.

Laad stroom
Het effect van belastingsstroom op invoegverlies wordt in belangrijke mate bepaald door de eigenschappen van de gebruikte filterelementen. Voor filtercircuits met inductieve elementen kan het invoegverlies dalen als ferrietinductoren worden gebruikt. De mate van dit effect hangt af van de specifieke eigenschappen van het ferrietmateriaal.

Circuitimpedanties
De prestaties bij invoegverlies van een filtercircuit zijn sterk afhankelijk van bron- en belastingsimpedanties. Deze prestatie wordt meestal geoptimaliseerd door een geschikte configuratie van capacitieve en inductieve elementen te kiezen.

Conclusie
Condensatoren worden gebruikt in zowel analoge als digitale circuits om ongewenste signalen te verwijderen. De filterprestaties van een condensator of filtercircuit worden gewoonlijk beschreven in termen van invoegverlies. Enkele van de factoren die de prestaties van het invoegverlies van een filtercircuit aanzienlijk beïnvloeden, zijn de configuratie van de filterelementen, de impedantie en de belastingsstroom.

Conventionele condensatoren leveren geen goede prestaties op het gebied van invoegverlies, en componenten met drie aansluitingen worden gebruikt wanneer betere prestaties vereist zijn. Voor optimale prestaties bij invoegverlies worden filtercircuits gebruikt die bestaan ​​uit meerdere capacitieve en inductieve elementen.