Pengantar kerugian penyisipan dan kinerja kapasitor filter

oleh Anthony Kenny. Kapasitor digunakan di sirkuit analog dan digital untuk menghilangkan sinyal yang tidak diinginkan. Kinerja penyaringan kapasitor atau rangkaian penyaringan biasanya dijelaskan dalam istilah kerugian penyisipan. Beberapa faktor yang secara signifikan mempengaruhi kinerja insertion loss dari rangkaian penyaringan termasuk konfigurasi elemen penyaringan, impedansi, dan arus beban.

Memfilter EMI di sirkuit
Gangguan listrik, baik alami maupun buatan manusia, dapat mempengaruhi kinerja suatu rangkaian elektronik secara signifikan. Sinyal yang tidak diinginkan ini secara kolektif dikenal sebagai interferensi elektromagnetik (EMI). Sirkuit penyaringan digunakan di sebagian besar sirkuit analog dan digital untuk menghilangkan sinyal yang tidak diinginkan ini. Beberapa sumber paling umum dari sinyal ini termasuk pencahayaan, badai, curah hujan, saluran listrik, motor, sistem pengapian, pemancar radar, amplifier daya, jam komputer, dan sumber kosmik.

Konfigurasi elemen dalam rangkaian penyaringan secara signifikan menentukan kinerja penyaringannya. Konfigurasi penyaringan paling sederhana, umumnya dikenal sebagai filter C, terdiri dari kapasitor feed-through tunggal. Kinerja rangkaian penyaringan ditingkatkan dengan menggunakan kombinasi elemen kapasitif dan induktif. Beberapa konfigurasi yang paling umum termasuk konstruksi L-C, T, dan Pi. Meningkatkan jumlah elemen kapasitif dan induktif membantu meningkatkan kinerja sirkuit penyaringan.

gambar unggulan:Grafik Insertion Loss untuk topologi filter yang berbeda; sumber: S.Nelson, Sedang

Karakteristik kerugian penyisipan kapasitor dan sirkuit
Salah satu faktor utama yang perlu dipertimbangkan ketika memilih kapasitor untuk penyaringan EMI adalah karakteristik insertion loss-nya. Parameter ini umumnya didefinisikan sebagai rasio tegangan sebelum dan sesudah filter ditambahkan. Pada rangkaian dasar, nilai diperoleh dengan membagi nilai tegangan yang diperoleh sebelum dan setelah komponen filter dimasukkan. Parameter ini sangat menentukan tingkat redaman dari rangkaian penyaringan. Kinerja insertion loss dari sebuah sirkuit atau komponen biasanya diberikan dalam desibel.

Kapasitor biasa tidak memiliki karakteristik kinerja kerugian penyisipan yang baik. Kehadiran induktansi yang melekat mengurangi kemampuannya untuk membumikan gangguan listrik yang tidak diinginkan. Induktansi residual ini meningkat dengan bertambahnya panjang elektroda. Selain itu, semakin sempit elektroda, semakin tinggi jumlah induktansi. Untuk mengurangi induktansi yang tidak diinginkan ini dan meningkatkan kinerja penyaringan kapasitor, perlu untuk memodifikasi arsitektur komponen pasif ini. Mengubah arsitektur kapasitor dan menambahkan terminal ketiga membantu meminimalkan induktansi sisa. Kapasitor feed-through, kelas khusus elemen kapasitif yang banyak digunakan untuk aplikasi pemfilteran, didasarkan pada arsitektur yang dimodifikasi ini.

Dalam kapasitor dengan dua terminal, induktansi sisa lebih tinggi karena kabel komponen berperilaku sebagai induktor. Memperkenalkan terminal ketiga membantu mengurangi komponen induktansi secara seri dengan komponen kapasitif. Ini secara signifikan meningkatkan karakteristik kerugian penyisipan kapasitor. Dengan mengurangi induktansi sisa ini, frekuensi resonansi diri dari kapasitor penyaringan meningkat.

Kapasitor feed-through dirancang khusus untuk memberikan kinerja insertion loss yang luar biasa. Kapasitor ini banyak digunakan untuk aplikasi supresi dan bypass EMI. Desain kapasitor feed-through keramik yang paling umum digunakan di sirkuit penyaringan saat ini adalah kapasitor diskoid dan tubular. Kapasitor feed-through film plastik biasanya digunakan dalam aplikasi yang menuntut keandalan tinggi.

Variasi kerugian penyisipan dengan frekuensi
Karakteristik insertion loss dari kapasitor ideal dan aktual sedikit berbeda. Kehilangan penyisipan kapasitor ideal meningkat dengan peningkatan frekuensi. Sebagai perbandingan, kerugian penyisipan komponen aktual meningkat dengan frekuensi hingga tingkat tertentu. Tingkat ini dikenal sebagai frekuensi resonansi diri. Setelah level ini, insertion loss dari komponen aktual berkurang dengan peningkatan frekuensi.

Pada frekuensi yang lebih tinggi dari frekuensi resonansi, kinerja kerugian penyisipan filter tidak berubah jika induktansi sisa dipertahankan konstan. Menambah atau mengurangi kapasitansi komponen dalam kondisi ini tidak mempengaruhi rugi-rugi penyisipan. Ini berarti bahwa kapasitor dengan frekuensi resonansi diri tinggi diperlukan untuk menekan kebisingan pada frekuensi tinggi. Komponen dengan induktansi residual kecil harus digunakan untuk aplikasi semacam itu.

Faktor yang menentukan kinerja kerugian penyisipan
Kinerja insertion loss dari suatu rangkaian atau komponen ditentukan oleh banyak faktor; beberapa faktor utama adalah konfigurasi listrik, arus beban, impedansi sumber, impedansi beban, impedansi pembumian, karakteristik bahan dielektrik komponen, dan integritas pelindung.

Konfigurasi komponen
Meskipun elemen tunggal dapat digunakan untuk menghilangkan sinyal yang tidak diinginkan, sebagian besar rangkaian penyaringan menggunakan kombinasi komponen kapasitif dan induktif. Pilihan konfigurasi sebagian besar ditentukan oleh kinerja kerugian penyisipan yang diinginkan. Konfigurasi yang paling umum termasuk C, C-L, L-C, Pi dan T. Lihat gambar di bawah:

Secara teoritis, filter elemen tunggal menghasilkan kerugian penyisipan 20dB per dekade sementara filter dua elemen menghasilkan 40dB per dekade. Sirkuit penyaringan dengan tiga atau lebih elemen dapat menghasilkan kinerja kerugian penyisipan yang lebih baik. Sirkuit penyaringan dengan beberapa elemen kapasitif dan induktif digunakan di sirkuit yang memerlukan kinerja penyaringan tingkat tinggi. Performa insertion loss sebenarnya ditentukan oleh karakteristik aktual dari komponen yang digunakan. Informasi ini biasanya disediakan dalam lembar data. Penting untuk mempertimbangkan impedansi sumber dan beban Anda saat memilih konfigurasi untuk sirkuit penyaringan Anda.

Muat Saat Ini
Pengaruh arus beban pada rugi-rugi penyisipan sangat ditentukan oleh sifat-sifat elemen penyaringan yang digunakan. Untuk rangkaian penyaringan dengan elemen induktif, insertion loss bisa turun jika menggunakan induktor ferit. Tingkat efek ini tergantung pada karakteristik spesifik dari bahan ferit.

Impedansi sirkuit
Kinerja rugi penyisipan dari rangkaian penyaringan sangat bergantung pada impedansi sumber dan beban. Performa ini biasanya dioptimalkan dengan memilih konfigurasi elemen kapasitif dan induktif yang sesuai.

Kesimpulan
Kapasitor digunakan di sirkuit analog dan digital untuk menghilangkan sinyal yang tidak diinginkan. Kinerja penyaringan kapasitor atau rangkaian penyaringan biasanya dijelaskan dalam istilah kerugian penyisipan. Beberapa faktor yang secara signifikan mempengaruhi kinerja insertion loss dari rangkaian penyaringan termasuk konfigurasi elemen penyaringan, impedansi, dan arus beban.

Kapasitor konvensional tidak menghasilkan kinerja kerugian penyisipan yang baik, dan komponen tiga terminal digunakan ketika kinerja yang lebih baik diperlukan. Untuk kinerja kerugian penyisipan yang optimal, sirkuit penyaringan yang terdiri dari beberapa elemen kapasitif dan induktif digunakan.