Можно ли заменить все электролитические конденсаторы на керамические?

100 мкФ действительно раздвигают границы для керамических конденсаторов. Если ваши напряжения низкие, от нескольких вольт до 10 или, может быть, 20 вольт, то может быть разумным параллельное подключение нескольких керамик.

Керамические колпачки с высокой емкостью имеют свои преимущества и недостатки. Преимущества заключаются в гораздо более низком эквивалентном последовательном сопротивлении и, следовательно, в гораздо более высокой устойчивости к пульсирующему току, пригодности для более высоких частот, меньшей чувствительности к нагреву, гораздо большем сроке службы и, в большинстве случаев, в большей механической прочности. У них тоже есть свои проблемы. Емкость может значительно ухудшиться с напряжением, а более плотная (с большим запасом энергии на единицу объема) керамика проявляет пьезоэффекты, часто называемые «микрофонией». В неправильных обстоятельствах это может привести к колебаниям, но это бывает редко.

Для импульсных источников питания керамика обычно является лучшим компромиссом, чем электролиты, если только вам не требуется слишком большая емкость. Это связано с тем, что они могут выдерживать гораздо больший пульсирующий ток и лучше нагреваться. Срок службы электролитов сильно снижается под воздействием тепла, что часто является проблемой для источников питания.

Вам не нужно снижать характеристики керамики так сильно, как электролиты, потому что срок службы керамики, во-первых, намного больше, и гораздо меньше зависит от приложенного напряжения. При работе с керамикой следует остерегаться того, что более плотные изготавливаются из нелинейного материала, что проявляется в снижении емкости на верхних концах диапазона напряжения.

Добавлено о микрофонах:

Некоторые диэлектрики физически изменяют размер в зависимости от приложенного электрического поля. Для многих эффект настолько мал, что его не замечают и его можно игнорировать. Тем не менее, некоторые виды керамики обладают достаточно сильным эффектом, так что со временем можно услышать возникающие вибрации. Обычно конденсатор сам по себе не слышен, но, поскольку он довольно жестко припаян к плате, небольшие вибрации конденсатора могут вызвать вибрацию гораздо большей платы, особенно на резонансной частоте платы. Результат может быть вполне слышен.

Конечно, работает и обратное, поскольку физические свойства обычно работают в обоих направлениях, и этот случай не является исключением. Поскольку приложенное напряжение может изменить размеры конденсатора, изменение его размеров за счет приложения нагрузки может изменить его напряжение холостого хода. По сути, конденсатор действует как микрофон. Он может уловить механические вибрации, которым подвергается плата, и они могут отразиться на электрических сигналах на плате. По этой причине конденсаторы такого типа не используются в аудиосхемах с высокой чувствительностью.

Для получения дополнительной информации о физике, лежащей в основе этого, посмотрите свойства титаната бария в качестве примера. Это обычный диэлектрик для некоторых керамических колпачков, поскольку он обладает желательными электрическими свойствами, в частности, достаточно хорошей плотностью энергии по сравнению с керамикой. Это достигается за счет переключения атома титана между двумя энергетическими состояниями. Однако эффективный размер атома различается между двумя энергетическими состояниями, следовательно, изменяется размер решетки, и мы получаем физическую деформацию как функцию приложенного напряжения.

Анекдот:Я недавно столкнулся с этой проблемой лоб в лоб. Я разработал штуковину, которая подключается к источнику питания DCC (цифровое управление и управление), используемому в моделях поездов. DCC - это способ передачи энергии, а также информации конкретному «подвижному составу» на путях. Это сигнал дифференциальной мощности до 22 В. Информация передается путем смены полярности с определенной синхронизацией. Частота переключения составляет примерно 5-10 кГц. Чтобы получить питание, устройства полной волны исправляют это. Мое устройство не пыталось расшифровать информацию DCC, просто немного подзарядилось. Я использовал один диод для однополупериодного выпрямления DCC на керамический конденсатор емкостью 10 мкФ. Падение на этой крышке во время полупериода выключения составляло всего около 3 В, но этих 3 В пик-пик было достаточно, чтобы она запела. Схема работала отлично, но вся плата издавала довольно раздражающий визг. Это было неприемлемо в продукте, поэтому для производственной версии он был заменен на электролитический конденсатор на 20 мкФ. Сначала я выбрал керамику, потому что она была дешевле, меньше по размеру и должна была служить дольше. К счастью, это устройство вряд ли будет использоваться при высоких температурах, поэтому срок службы электролитической крышки должен быть намного лучше, чем в худшем случае.

Вижу по комментариям идет некоторая дискуссия о том, почему иногда ноют импульсные блоки питания. Отчасти это может быть связано с керамическими колпачками, но магнитные компоненты, такие как катушки индуктивности, также могут вибрировать по двум причинам. Во-первых, на каждый отрезок провода в катушке индуктивности действует сила, пропорциональная квадрату тока через него. Эта сила направлена ​​сбоку от провода, заставляя катушку вибрировать, если ее не удерживать на месте. Во-вторых, существует магнитное свойство, подобное электростатическому пьезоэффекту, называемое магнитострикцией. Материал сердечника индуктора может незначительно изменять размер в зависимости от приложенного магнитного поля. Ферриты не очень сильно проявляют этот эффект, но всегда есть немного, и в магнитном поле может быть другой материал. Однажды я работал над продуктом, который использовал магнитострикционный эффект в качестве магнитного датчика. И да,

Есть несколько причин не переключать конструкцию с электролитов на керамику, о которых еще не упоминалось:

• Некоторые конструкции линейных регуляторов требуют более высокого ESR электролита на их выходном конденсаторе для поддержания стабильности.

• Керамика менее прочна, чем электролиты, при изгибе платы. Особенно в больших размерах, скажем, 1206 и выше, которые вам понадобятся для значений выше 10-20 мкФ с разумной WV, керамика легко треснет, если на плате есть какие-либо изгибы. Разрушительный изгиб может произойти в полевых условиях или при некоторых методах отделения досок от панели, из которой они изготовлены.

В соответствии с вопросами снижения рейтинга ОП и прекрасным ответом Олина:

IPC-9592A (который является стандартом для высоконадежных устройств преобразования энергии) приводит следующие рекомендации по снижению номинальных характеристик:

Фиксированные керамические MLCC:

• Напряжение постоянного тока <= 80% от номинала производителя
• Температура: Минимум на 10°C ниже рейтинга производителя
• Размер: размеры больше 1210 не рекомендуются из-за возможного растрескивания.

Алюминиевые электролитические конденсаторы:

• Напряжение постоянного тока <= 80 % от номинального значения производителя (<= 90 % для устройств на 250 В или выше)
• Срок службы/выносливость: >= 10 лет при 40°C, 80% нагрузки для устройств класса II (для центров обработки данных) или 5 лет для устройств класса I (потребительский класс)

Срок службы/выносливость алюминиевого электролитического конденсатора зависит от всех его нагрузок - напряжения, пульсирующего тока и температуры окружающей среды. Если крышка находится в хорошем воздушном потоке, она может иметь большую пульсацию и поддерживать длительный срок службы. Горячая кепка долго не проживет.

Для керамических конденсаторов также важна температура. Температура окружающей среды и пульсации тока приведут к повышению температуры. Это не означает, что керамика не стареет — некоторые диэлектрические материалы (материалы класса 2, такие как X7R и Y5V) со временем ухудшают свою емкость — материалы класса 1 в значительной степени невосприимчивы к этому.

Кроме того, как заявил Олин, некоторые диэлектрические материалы страдают от значительного спада емкости в зависимости от напряжения смещения постоянного тока. Опять же, материалы класса 2 страдают от этого, а материалы класса 1 - нет.

По сути, если вы используете любой тип конденсатора, держите максимальное напряжение ниже 80% нагрузки.

Гораздо более низкое ESR керамических конденсаторов (по сравнению с электролитическими конденсаторами) влияет на стабильность контура обратной связи. Если ваш преобразователь будет коммутатором и будет иметь выходной LC-фильтр, для стабилизации преобразователя может потребоваться компенсационная сеть типа 3.

Низкий ESR приводит к тому, что коэффициент усиления без обратной связи падает на уровне -40 дБ/декада в течение длительного интервала (ноль ESR выталкивается наружу, когда ESR падает), что требует усиления +20 дБ/декада в цепи компенсации для частотного кроссовера. быть на уровне -20 дБ/декада (что является одним из трех критериев стабильности контура, на которые обращают внимание разработчики источников питания, наряду с запасом по усилению и запасом по фазе).

Я могу ошибаться, но переход на керамические колпачки создаст антирезонанс между объемными и меньшими развязывающими колпачками. Если они не выбраны тщательно, индуктивность объемных конденсаторов будет резонировать с емкостью развязывающих конденсаторов. Этого не происходит с танталовыми и электролитическими конденсаторами, потому что ESR этих устройств гасит резонанс. Опять же, я могу ошибаться, так как никогда не пробовал это на практике.