Können wir Kondensatoren auf einer Leiterplatte bauen?

Sie werden es schwer haben, 1 nF zu erreichen, indem Sie einfach Kupfer auf einer standardmäßigen zweischichtigen FR-4- Platine auslegen. Die Kapazität wird grob durch die Parallelplattengleichung angegeben:

$C = \dfrac{ \epsilon A }{ d }$

In diesem Fall

$C = \dfrac{(4.7)(8.854 \times 10^{-12}) A }{ (1.6 \times 10^{-3} ) }$

oder

$C = A (2.6 \times 10^{-8}\mathrm{F/m^2})$

Das bedeutet, dass Sie 0,038 m ² oder 380 cm ² Kupferfläche benötigen, um 1 nF zu erreichen. Ich habe 4,7 als typische Dielektrizitätskonstante ( relative Dielektrizitätskonstante ) für FR-4 und 1,6 mm als typische Plattendicke verwendet.

Es ist nicht ungewöhnlich, pF-Kondensatoren aus parallelen Kupferbereichen herzustellen, aber normalerweise wird dies in Mehrschichtplatinen durchgeführt, bei denen der d - Term viel kleiner sein kann. Diese Art von aufgebautem Kondensator kann einen niedrigeren ESR und ESL als ein diskreter Kondensator erreichen, daher ist er wertvoll für die Umgehung von Stromversorgungen in Schaltungen mit sehr hohen Frequenzen.

Es gibt auch Unternehmen, die spezielle Materialien herstellen, die in eine mehrschichtige Leiterplatte laminiert werden können, um eine Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante bereitzustellen, die den Aufbau eines noch größeren Kondensatorwerts durch Metallstrukturierung ermöglicht. 3M ist einer. Diese werden oft als eingebettete Kondensatoren oder vergrabene Kondensatoren bezeichnet. Wenden Sie sich an Ihren Leiterplattenhersteller, um zu erfahren, ob er diese Art von Material unterstützt.

Es ist möglich, Kondensatoren auf diese Weise zu bauen, aber Sie können µF vergessen. Sie liegt höchstwahrscheinlich im pF-Bereich.

Ich denke, die Formel zur Berechnung der Kapazität eines Plattenkondensators wäre hier angebracht.$C = \dfrac{\varepsilon A}{d}$

Es wird schwierig sein, eine große Fläche auf einer Leiterplatte zu bauen, und Sie können den Plattenabstand nicht beliebig klein machen, da es für Sie schwierig sein wird, ihn auf diese Weise zu bauen, und Sie werden wahrscheinlich auch wollen, dass er in der Lage ist, etwas Spannung darüber zu haben .

Und ja, das bedeutet, dass Sie durch die Leiterbahnen eine Kapazität auf der Platine erhalten. Dies ist normalerweise kein großer Wert, aber er ist wichtig, insbesondere wenn Sie lange Leiterbahnen nahe beieinander haben und eine hohe Frequenz ausführen.

Für einen Kondensator auf einer Leiterplatte müssen wir uns die allgemeine Formel für einen Parallelplattenkondensator mit einer Fläche A, einem Abstand d zwischen den Platten und einer relativen Permittivität ansehen$\varepsilon_r$.

$C=\varepsilon_0\varepsilon_r \frac{A}{d}$

Lassen Sie uns einige gängige Zahlen verwenden: Unsere Leiterplatte hat eine Fläche von 100 mm x 100 mm = 0,01 m ² , die Dicke des Kerns beträgt 1,5 mm und FR4 (auch bekannt als "PCB-Typ-Epoxy") als$\varepsilon_r$von ca. 4.2. Daher,

$C=8.85 \cdot 10^{-12} \frac{\mathrm{F}}{\mathrm{m}} \cdot 4.2 \cdot\frac{0.01\space\mathrm{m}^2}{0.0015\space\mathrm{m}}$

$C=248\space\mathrm{pF}$

Selbst wenn wir ein dünneres Dielektrikum (FR4-Kern) und vielleicht sogar eine Multilayer-Platine für mehr als zwei Platten verwenden, wird der Weg in Richtung nF groß sein, und wir sind weit davon entfernt, in den µF-Bereich zu gelangen.

Sie können jedoch einige Kondensatoren an den Rändern Ihrer Platine verwenden und ihre Spannung über die Platine verteilen, indem Sie zwei Kupferebenen verwenden, die als Kondensator fungieren. Die diskreten Kondensatoren, die parallel zu Ihrem PCB-Kondensator geschaltet sind, können als ein nahezu perfekter konzentrierter Kondensator fungieren und Ihrer schnellen Logik oder Ihrem Leistungsdesign die warmen Fuzzies verleihen.

Sie werden keinen PCB-Kondensator verwenden, wenn Sie genaue oder große Werte benötigen, aber Sie können ihn verwenden, um ein wirklich gutes Stromverteilungssystem für Ihr gesamtes Design zu erstellen.

Eine eher esoterische Form von Kondensatoren verwendet Randfelder und legt beide Elektroden auf beiden Schichten in einem verschlungenen Fraktalmuster an. Es gibt keine Lösung in geschlossener Form und sie ist sehr empfindlich gegenüber Fertigungstoleranzen, daher in diesem Fall praktisch nutzlos. Die Erhöhung der Kapazität würde im Bereich von 4X bis 5X liegen. Nur der Vollständigkeit halber erwähnt. Überhaupt NICHT geraten.

Als Experiment habe ich letztes Jahr versucht, einen Kondensator zu bauen, indem ich einige Male Aluminiumfolie, getrennt durch ein Blatt Papier, um eine Rolle gewickelt habe. Ich glaube, ich habe nur etwas um die 20 nF oder so. Sehr wenig. Wäre auf einer Leiterplatte schwer zu erreichen, da ich relativ große Al-Bögen verwendet habe.

Ist das möglich? JA!

Wenn ich Ihre Frage wörtlich und wörtlich nehme, können Sie Kappen dieser Größenordnung auf sehr großen Leiterplatten bauen. Ich kenne die Gleichung zur Berechnung der Leiterplattengröße nicht, aber ich gehe davon aus, dass sie ziemlich größer wäre als die Kosten des Kondensators, den Sie auf der Leiterplatte aufbauen möchten.

Ich baue seit einiger Zeit doppelseitige Kappen mit "doppelseitigen Leiterplatten". Ich schwanke zwischen 30-150 pf. Ich beschichte die Leiterplatte immer an der Oberfläche und an den Kanten, um die Spannungsdurchschlagsfähigkeit zu erhöhen. Ich würde sie NIEMALS mehr als ein paar hundert Volt aussetzen, weil sie bei HF-Frequenzen ziemlich heiß werden können!! Ich verwende sie in Trap-Spulen für Antennen und kann bei richtiger Auslegung problemlos bis zu etwa 300 W (PEP) verarbeiten. Ich bezweifle, dass die viel mehr als das bewältigen könnte. Ich würde ihnen sicher nicht garantieren, dass sie auf diesen Ebenen arbeiten. Ich verwende sie in eingeschlossenen Antennen an meinem QTH und bei Funkausflügen, aber wir sind immer auf "barfüßigen" Leistungspegeln.

Prost Habe die Daten etwas spät zur Kenntnis genommen> Entschuldigung, wenn dies nicht das ist, was erwartet wurde.

Ich verwende diese Methode häufig für Hochfrequenzsysteme mit hoher Blindleistung. Ich möchte jedoch warnen, das "normale" Leiterplattenmaterial wie FR4-Glasfaser-Textolit verhält sich nicht wie erwartet. Es hat tan(fi) um 0,035, was bedeutet, dass in meinen Konstruktionen der 100-pF-Tankkondensator bei 4 kV und 10 Ampere von 100 MHz "etwas" heiß wird .... In den ersten Sekunden 200 C und nach der Minute 400 C.

Irgendwann habe ich versucht, die Kühler beidseitig anzukleben, versucht, sie in Kühlmittel zu tauchen usw. Logischerweise ist das überhaupt nicht schön. Das Infrarotfoto zeigte das tatsächlich gleichmäßige Temperaturfeld einer Oberfläche, ohne dass ein veränderter Fleck um das Anhaften von Drähten herum klebte, daher sicher, dass es sich um eine dielektrische Erwärmung und nicht um einen Foucault-Effekt in Kupfer handelt.

Die ultimative Lösung, die ich in meinem Fall gefunden habe, war eine von Rogers Inc. hergestellte (in Belgien hergestellte) Leiterplatte auf Teflonbasis, die (es gibt verschiedene Materialien, ich gebe die Nummer für das Beste) einen tan (fi) = 0,0003 hat. Der Unterschied ist in der Tat das Geld wert. Und sicher ist dieser Kondensator viel billiger als Vishay von der kVAR-Serie oder Jennings usw.

Zweitens: Oft brauchen die "Tesla-Spulen-Leute" Dinge wie 40-kV-Kappen, und sie arbeiten mit so niedrigen Frequenzen wie im kHz-Bereich, daher ist die dielektrische Erwärmung für sie nicht so wichtig. Dann gibt es nichts Besseres als Bodenteppich-PVC-Fliesen, die halbharte Art in Roulons, etwa 2...3 mm dick. Zwei Kupferfolien dazwischen legen und in die „Wurst“ einrollen. Dieses Material "wie es ist" kann bis zu 40 kV oder bei extremen 50 kV bestehen und hat ein Epsilon zwischen 2,7 und 3,3 mit einem Verlustfaktor zwischen 0,006 und 0,017. Abgesehen davon, dass Kupfer leicht "wandern" oder Lufteinschlüsse bilden kann, sollte PVC also als viel besseres Material für Kondensatoren im Vergleich zu Glasfaser-Epoxid-Leiterplatten angesehen werden.

3) Ich habe hier von Versuchen mit Papier gelesen. Es bleibt geschrieben, dass Zahlen auf Papierprodukten: Cellophanfolie: e = 6,7 ... 7,6 und tan = 0,065 ... 0,01, Papierfasern 6,5 und 0,005; Kraftgewebe 1,8 und 0,001–0,0015; Lappen-Baumwollgewebe 1,7 und 0,0008-0,0065; Pressspan 3,2 und 0,008. Bei imprägnierten Papiersorten spielt logischerweise die Imprägnierchemikalie eine Hauptrolle. Papier ist also eher verlustbehaftetes Material, wirkt aber auch besser als PCB.