1. Конденсаторы

О конденсаторах существует множество заблуждений, поэтому я хотел вкратце пояснить, что такое емкость и для чего служат конденсаторы.

Емкость измеряет, сколько энергии будет храниться в электрическом поле, генерируемом между двумя разными точками при заданной разности потенциалов. Вот почему емкость часто называют «двойной» индуктивностью. Индуктивность - это то, сколько энергии данный поток тока будет хранить в магнитном поле, а емкость - то же самое, но для энергии, запасенной в электрическом поле (за счет разности потенциалов, а не тока).

Конденсаторы не хранят электрический заряд, что является первым большим заблуждением. Они хранят энергию. На каждый носитель заряда, который вы помещаете на одну пластину, уходит носитель заряда на противоположной пластине. Чистый заряд остается прежним (без учета любого возможного гораздо меньшего несбалансированного «статического» заряда, который может накапливаться на асимметричных открытых внешних пластинах).

Конденсаторы накапливают энергию в диэлектрике, а НЕ в проводящих пластинах. Только две вещи определяют эффективность конденсатора: его физические размеры (площадь пластин и расстояние между ними) и диэлектрическая проницаемость изоляции между пластинами. Большая площадь означает большее поле, более близкие пластины означают более сильное поле (поскольку напряженность поля измеряется в вольтах на метр, поэтому та же разница потенциалов на гораздо меньшем расстоянии дает более сильное электрическое поле).

Диэлектрическая проницаемость показывает, насколько сильное поле будет генерироваться в конкретной среде. «Базовая» диэлектрическая проницаемость равна$\varepsilon$, с нормализованным значением 1. Это диэлектрическая проницаемость идеального вакуума или напряженность поля, возникающая в самом пространстве-времени. Материя оказывает на это очень большое влияние и может поддерживать генерацию гораздо более сильных полей. Лучшие материалы — это материалы с большим количеством электрических диполей, которые увеличивают силу поля, генерируемого внутри материала.

Площадь пластины, диэлектрик и разделение пластин. Вот, собственно, и все, что касается конденсаторов. Так почему же они такие сложные и разнообразные?

Это не так. За исключением тех, у которых емкость намного превышает тысячи пФ. Если вам нужны такие смехотворные величины емкости, которые мы в основном принимаем как должное сегодня, такие величины, как миллионы пикофарад (микрофарад) и даже на порядок выше, мы во власти физики.

Как любой хороший инженер, перед лицом ограничений, налагаемых законами природы, мы все равно обманываем и обходим эти ограничения. Электролитические конденсаторы и керамические конденсаторы большой емкости (от 0,1 мкФ до 100 мкФ+) — это грязные уловки, которые мы использовали.

2. Электролитические конденсаторы

Алюминий

Первое и наиболее важное отличие (в честь которого они названы) заключается в том, что в электролитических конденсаторах используется электролит. Электролит служит второй пластиной. Будучи жидкостью, это означает, что она может столкнуться непосредственно с диэлектриком, даже если он имеет неравномерную форму. В алюминиевых электролитических конденсаторах это позволяет нам использовать окисление поверхности алюминия (твердый материал, иногда преднамеренно пористый и пропитанный красителем для цвета, на анодированном алюминии, который представляет собой изолирующее сапфировое покрытие) для использования в качестве диэлектрика. Однако без электролитической «пластины» неровность поверхности помешала бы жесткой металлической пластине подойти достаточно близко, чтобы получить какое-либо преимущество от использования оксида алюминия в первую очередь.

Более того, с помощью жидкости поверхность алюминиевой фольги можно сделать шероховатой, что приведет к значительному увеличению эффективной площади поверхности. Затем его анодируют до образования на его поверхности достаточно толстого слоя оксида алюминия. Шероховатая поверхность которой вся будет непосредственно примыкать к другой «тарелке» — нашему жидкому электролиту.

Однако есть проблемы. Самый известный из них — полярность. Анодирование алюминия, если не сказать по сходству со словом анод, является полярно-зависимым процессом. Конденсатор всегда должен использоваться в той полярности, которая анодирует алюминий. Противоположная полярность позволит электролиту разрушить поверхностный оксид, что приведет к короткому замыканию конденсатора. Некоторые электролиты все равно медленно разъедают этот слой, поэтому многие алюминиевые электролитические конденсаторы имеют срок годности. Они предназначены для использования, и это использование имеет положительный побочный эффект, заключающийся в поддержании и даже восстановлении поверхностного оксида. Однако при достаточно длительном неиспользовании оксид может полностью разрушиться. Если вам необходимо использовать старый запыленный конденсатор в ненадежном состоянии, лучше всего «восстановить» его, подав очень малый ток (от сотен мкА до мА) от источника постоянного тока и позволяя напряжению медленно повышаться, пока оно не достигнет своего предела. Номинальное напряжение.

Другая проблема заключается в том, что электролиты из-за химии представляют собой нечто ионное, растворенное в растворителе. В неполимерных алюминиевых используется вода (с добавлением некоторых других ингредиентов «секретного соуса»). Что делает вода, когда через нее проходит ток? Он электролизует! Отлично, если вам нужен кислород и газообразный водород, ужасно, если вы этого не сделаете. В батареях контролируемая перезарядка может реабсорбировать этот газ, но в конденсаторах нет обратной электрохимической реакции. Они просто используют электролит как токопроводящую вещь. Так что, несмотря ни на что, они выделяют незначительное количество газообразного водорода (кислород используется для создания слоя оксида алюминия), и, хотя он очень мал, он не позволяет нам герметично запечатать эти конденсаторы. Так они высыхают.

Стандартный срок службы при максимальной температуре составляет 2000 часов. Это не очень долго. Около 83 дней. Это просто из-за более высоких температур, вызывающих более быстрое испарение воды. Если вы хотите, чтобы что-то было долговечным, важно, чтобы оно было как можно более прохладным, и приобретайте модели с самой высокой выносливостью (я видел такие, которые достигают 15 000 часов). Когда электролит высыхает, он становится менее проводящим, что увеличивает ESR, что, в свою очередь, увеличивает нагрев, что усугубляет проблему.

Тантал

Танталовые конденсаторы представляют собой другую разновидность электролитических конденсаторов. Они используют диоксид марганца в качестве электролита, который в готовом виде является твердым. Во время производства диоксид марганца растворяют в кислоте, затем электрохимически осаждают (аналогично гальванопокрытию) на поверхность порошка тантала, который затем спекают. Точные детали «волшебной» части, где они создают электрическое соединение между всеми крошечными кусочками танталового порошка и диэлектриком, мне неизвестны (редактирование или комментарии приветствуются!), но достаточно сказать, что танталовые конденсаторы сделаны из тантал из-за химического состава, который позволяет нам легко производить их из порошка (большая площадь поверхности).

Это дает им потрясающую объемную эффективность, но за это приходится платить: свободный тантал и диоксид марганца могут вступать в реакцию, подобную термиту, который представляет собой оксид алюминия и железа. Только реакция тантала имеет гораздо более низкие температуры активации - температуры, которые легко и быстро достигаются, если противоположная полярность или событие перенапряжения пробивают дыру в диэлектрике (пентоксид тантала, очень похожий на оксид алюминия) и создают короткое замыкание. Вот почему вы видите снижение напряжения и тока танталовых конденсаторов на 50% и более. Для тех, кто не знаком с термитом (который намного горячее, но все же не отличается от реакции тантала и MnO ₂ ), есть тонна огня и тепла. Он используется для сварки железнодорожных рельсов друг с другом, и он выполняет эту задачу за считанные секунды.

Существуют также полимерные электролитические конденсаторы, в которых используется проводящий полимер, который в своей мономерной форме представляет собой жидкость, но при воздействии подходящего катализатора полимеризуется в твердый материал. Это похоже на суперклей, который представляет собой жидкий мономер, который полимеризуется в твердое состояние, когда он подвергается воздействию влаги (либо на поверхности, на которую он наносится, либо из самого воздуха). Таким образом, полимерные конденсаторы могут быть в основном с твердым электролитом, что приводит к снижению ESR, увеличению срока службы и, как правило, большей надежности. Однако в полимерной матрице все еще есть небольшое количество растворителя, и он необходим для обеспечения проводимости. Так они еще и сохнут. Бесплатного обеда к сожалению нет.

Теперь, каковы фактические электрические свойства этих типов конденсаторов? Мы уже упоминали полярность, но другая — это их ESR и ESL. Электролитические конденсаторы из-за того, что они сконструированы в виде очень длинной пластины, намотанной на катушку, имеют относительно высокий ESL (эквивалентная последовательная индуктивность). На самом деле настолько высоки, что они совершенно неэффективны в качестве конденсаторов выше 100 кГц или 150 кГц для полимерных типов. Выше этой частоты они в основном просто резисторы, которые блокируют постоянный ток. Они ничего не сделают с вашими пульсациями напряжения, а вместо этого сделают пульсации равными току пульсаций, умноженному на ESR конденсатора, что часто может сделать пульсации еще сильнее . Конечно, это означает, что любой вид высокочастотного шума или всплеска просто пробьет алюминиевый электролитический конденсатор, как будто его там и не было.

Танталы не так плохи, но они все еще теряют свою эффективность на средних частотах (лучшие и самые маленькие могут достигать почти 1 МГц, большинство теряют свои емкостные характеристики в районе 300–600 кГц).

В общем, электролитические конденсаторы отлично подходят для хранения тонны энергии в небольшом пространстве, но на самом деле они полезны только для борьбы с шумом или пульсациями ниже 100 кГц. Если бы не эта критическая слабость, было бы мало причин использовать что-то еще.

3. Керамические конденсаторы

Керамические конденсаторы используют керамику в качестве диэлектрика с металлизацией с обеих сторон в качестве пластин. Я не буду рассматривать типы класса 1 (низкая емкость), а только класс II.

Конденсаторы класса II обманывают, используя сегнетоэлектрический эффект. Это очень похоже на ферромагнетизм, только с электрическими полями. Сегнетоэлектрический материал имеет массу электрических диполей, которые могут в той или иной степени ориентироваться в присутствии внешнего электрического поля. Таким образом, приложение электрического поля приведет к выравниванию диполей, что требует энергии, и приведет к тому, что огромное количество энергии в конечном итоге будет храниться в электрическом поле. Помните, как вакуум был базовой линией 1? Сегнетокерамика, используемая в современных MLCC, имеет диэлектрическую проницаемость порядка 7000.

К сожалению, как и в случае с ферромагнитными материалами, по мере того, как все более и более сильное поле намагничивает (или поляризует, в нашем случае) материал, у него начинает заканчиваться больше диполей для поляризации. Насыщает. В конечном итоге это приводит к неприятному свойству керамических конденсаторов типа X5R/X7R/и т. д.: их емкость падает с напряжением смещения. Чем выше напряжение на их клеммах, тем ниже их эффективная емкость. Количество накопленной энергии по-прежнему всегда увеличивается с напряжением, но оно далеко не так хорошо, как можно было бы ожидать, исходя из его несмещенной емкости.

Номинальное напряжение керамического конденсатора на это очень мало влияет. На самом деле фактическое выдерживаемое напряжение большинства керамических изделий намного выше, 75 или 100 В для изделий с более низким напряжением. На самом деле, я подозреваю, что многие керамические конденсаторы представляют собой одну и ту же деталь, но с разными номерами деталей, один и тот же конденсатор емкостью 4,7 мкФ продается как конденсатор на 35 В и 50 В под разными этикетками. График зависимости емкости некоторых MLCC от напряжения смещения идентичен, за исключением того, что для более низкого напряжения график усечен при номинальном напряжении. Подозрительно, конечно, но могу ошибаться.

В любом случае, покупка керамики с более высоким номиналом никак не поможет в борьбе с этим падением емкости, связанным с напряжением, единственный фактор, который в конечном итоге играет роль, - это физический объем диэлектрика. Больше материала означает больше диполей. Таким образом, физически большие конденсаторы будут сохранять большую часть своей емкости под напряжением.

Это тоже нетривиальный эффект. Керамический конденсатор 1210 10 мкФ 50 В, настоящий зверь конденсатора, потеряет 80% своей емкости на 50 В. У кого-то чуть лучше, у кого-то чуть хуже, но 80% — это разумная цифра. Лучшее, что я видел, это 1210 (дюймы), сохраняющие емкость около 3 мкФ к тому времени, когда он достигает 60 В, во всяком случае, в корпусе 1210. Керамике размером 10 мкФ 1206 (дюймов) на 50 В повезет, если к 50 В останется 500 нФ.

Керамика класса II также является пьезоэлектрической и пироэлектрической, хотя это на самом деле не влияет на них электрически. Известно, что они вибрируют или поют из-за пульсаций и могут действовать как микрофоны. Вероятно, лучше не использовать их в качестве разделительных конденсаторов в аудиосхемах.

В остальном керамика имеет самые низкие ESL и ESR среди всех конденсаторов. Они наиболее «конденсатороподобны» из всех. Их ESL настолько низок, что основным источником является высота концевых заделок на самом корпусе. Да, эта высота керамики 0805 является основным источником ее ESL 3 нГн. Они по-прежнему ведут себя как конденсаторы на многих МГц или даже выше для специализированных типов ВЧ. Они также могут изолировать много шума и очень быстрые вещи, такие как цифровые схемы, для которых электролиты бесполезны.

В заключение, электролиты:

• много объемной емкости в крошечном корпусе
• ужасно во всех остальных отношениях

Они медлительны, изнашиваются, загораются, перейдут в шорт, если их неправильно поляризовать. По всем критериям измеряются конденсаторы, за исключением самой емкости, электролиты абсолютно ужасны. Вы используете их, потому что должны, а не потому, что хотите.

Керамика это:

• Нестабильны и теряют большую часть своей емкости при смещении напряжения
• Могут вибрировать или действовать как микрофоны. Или наноактуаторы!
• В остальном потрясающие.

Керамические конденсаторы — это то, что вы хотите использовать, но не всегда можете. На самом деле они ведут себя как конденсаторы даже на высоких частотах, но не могут сравниться с объемной эффективностью электролитов, и только типы класса 1 (с очень небольшой емкостью) будут иметь стабильную емкость. Они сильно различаются в зависимости от температуры и напряжения. О, они также могут треснуть и не так механически прочны.

О, и последнее замечание: вы можете прекрасно использовать электролиты в приложениях переменного тока/неполяризованных, со всеми их другими проблемами, конечно, все еще в игре. Просто соедините пару обычных поляризованных электролитических конденсаторов с клеммами одной полярности вместе, и теперь концы противоположной полярности являются клеммами нового неполярного электролита. До тех пор, пока значения их емкости достаточно хорошо согласованы, а стационарное постоянное смещение ограничено, конденсаторы, кажется, выдерживают эксплуатацию.

Например, почему я вижу, что предлагается использовать керамические колпачки для развязки питания на каждый микропроцессор и более крупный электролитический конденсатор на плату? почему бы не использовать электролит везде?

Три основных типа имеют разные характеристики — я предлагаю вам изучить их, но главное, на что нужно обращать внимание, это

• собственная резонансная частота (вызванная эффективной последовательной индуктивностью). Простой пример показан ниже: -

• диэлектрические потери (обычно на высоких частотах): -

• эффективное последовательное сопротивление (больше потерь)

• изменение емкости при подаче напряжения (не подходит для фильтров): -

• изменение емкости в зависимости от температуры (также не подходит для фильтров): -

• первоначальные ожидания толерантности

• пульсирующий ток (важно для источников питания из-за высоких пиковых нагрузок): -

• Возможность избежать короткого замыкания (конденсаторы X и Y)

• Низкая микрофонность (важно в чувствительных аудиоприложениях). Вот парень, который знает об этом: -

• Основные электролитические конденсаторы поляризованы, поэтому применение переменного тока ограничено. Вот эквивалентная схема: -

Я уверен, что есть еще кое-что, но это станет очевидным во время вашего расследования.

Очевидная разница в том, что электролиты намного больше, чем керамика. Керамика размером 1 мм на 0,5 мм - обычное садовое разнообразие, ваши банки с электролитом намного больше.

Затем, как уже указывали другие, электролиты не так хорошо работают на высоких частотах, поэтому они не подходят для обхода «высоких» частот, они не могут идти в ногу с чипом 1 МГц, не говоря уже о 125 МГц Gigabit Ethernet PHY.

Еще одним спорным моментом является СОЭ. В энергетических приложениях это, как правило, приводит к отводу тепла в коммутационных узлах, поэтому электролит, как правило, выбирают по номинальному току пульсаций, а не по емкости.

Электролит также довольно ужасен с температурной стабильностью и т. д., поэтому ваша емкость может сильно различаться.

Керамика сильно продвинулась вперед, когда я начинал, керамика 100 нФ была «большой емкостью». Теперь можно дешево купить керамику 10 мкФ. Неочевидная загвоздка здесь заключается в том, что «большая» керамика, использующая диэлектрик X7R (или хуже), теряет емкость при более высоком напряжении, которому они подвергаются. Ваша керамика 10 мкФ 80 В может быть только 1 мкФ при 63 В.

Керамический допуск по напряжению также не является ориентиром, превысьте его на один вольт, и вы начнете получать отказы. Не то, чтобы вы когда-либо должны использовать пассивы без снижения номинальных характеристик.

Таким образом, большая электролитическая банка обеспечивает большое «ведро электронов», не отставая от низкочастотных всплесков мощности в схемах. Керамика меньшего размера занимает средние частоты до 50 МГц или около того, если вы не будете очень осторожны с размещением, разводкой и выбором деталей. Для реальных высоких частот вам нужны сильно связанные силовые плоскости.

Еще одна проблема с керамикой — импеданс по частоте, большая емкость не так хорошо работает с высокими частотами, и наоборот. Это связано с емкостями и индуктивностями из-за физического корпуса.

Свойства электролитических конденсаторов

• Эффективен на низких частотах
• Большая емкость
• Бюджетный
• Большая СОЭ
• Большой английский английский язык

Свойства керамических конденсаторов

• Эффективен на высоких частотах
• Эффективная емкость уменьшается с напряжением смещения
• Дороже электролитического конденсатора
• Низкая СОЭ
• Низкий уровень английского языка
• Ограниченный размер конденсатора

Есть много факторов, которые могут повлиять на решение о том, какой тип конденсатора использовать в каждом конкретном случае. Вот некоторые из них:

1. Стоимость является фактором. Для данного приложения потребуется определенный набор характеристик, таких как емкость и стоимость, которые будут определять решение.

2. Требования к производительности. Будет желательно достичь определенных целей, таких как переходная характеристика. Если такие характеристики, как ESR (эффективное последовательное сопротивление), слишком высоки, конденсатор может не обеспечить необходимые требования к току.

3. Размер и монтаж. Способ подключения к цепи также будет определять выбор. Небольшой SMT может быть намного легче прижиматься к контактам ИС, тогда как выводной тип может быть более прочным.

Ощутимыми отличиями могут быть:

1. Керамические конденсаторы имеют более низкое ESR, и благодаря этому они обеспечивают меньшие токи утечки, чем электролитические конденсаторы. Совет: Попробуйте использовать керамические конденсаторы в своих конструкциях с батарейным питанием.

2. Низкое значение ESR также означает, что керамические конденсаторы лучше реагируют на переходные процессы, поэтому они могут (более легко) обеспечивать ток во время переходных процессов.

3. Электролитические конденсаторы не обладают хорошей температурной стабильностью, поэтому их емкость может измениться на 20% или 30% по сравнению с исходным значением.

4. Цена: если вам нужны большие значения емкости (скажем,> 100 мкФ), то вы увидите, что керамические конденсаторы очень дороги по сравнению с электролитическими конденсаторами.