1. Конденсатори
Є багато помилок щодо конденсаторів, тому я хотів коротко уточнити, що таке ємність і що роблять конденсатори.
Ємність вимірює, скільки енергії буде накопичено в електричному полі, що генерується між двома різними точками для заданої різниці потенціалів. Ось чому ємність часто називають «подвійною» індуктивністю. Індуктивність - це скільки енергії даного потоку струму буде зберігатися в магнітному полі, а ємність - однакова, але для енергії, що зберігається в електричному полі (за різницею потенціалів, а не по струму).
Конденсатори не зберігають електричний заряд, що є першою великою помилкою. Вони зберігають енергію. Кожен носій заряду, який ви примушуєте до однієї пластини, залишає носій заряду на протилежній пластині. Чистий заряд залишається таким же (нехтуючи будь-яким можливим набагато меншим незбалансованим «статичним» зарядом, який може накопичитися на зовнішніх асиметричних зовнішніх плитах).
Конденсатори зберігають енергію в діелектрику, а не в струмопровідних пластинах. Ефективність конденсатора визначає лише дві речі: його фізичні розміри (площа пластини та відстань, що розділяє їх), і діелектрична константа ізоляції між пластинами. Більше площа означає більше поле, ближчі пластини означають більш сильне поле (оскільки напруженість поля вимірюється у вольтах на метр, тому однакова різниця потенціалів на набагато меншій відстані дає сильніше електричне поле).
ε
Площа пластини, діелектрик та розділення пластин. Це дійсно все, що стосується конденсаторів. То чому вони такі складні та різноманітні?
Вони ні. За винятком тих, у яких ємність набагато більше тисяч пФ. Якщо ви хочете такої смішної кількості ємності, яку ми здебільшого приймаємо як належну, таких кількостей, як у мільйонах пікофарадів (мікрофарадів), і навіть на порядок більше, ми знаходимось на волі фізики.
Як і будь-який хороший інженер, перед обмеженнями, встановленими законами природи, ми все одно обманюємо і долаємо ці межі. Електролітичні конденсатори та керамічні конденсатори високої ємності (0,1 мкФ до 100 мкФ +) - це брудні хитрощі, якими ми користувалися.
2. Електролітичні конденсатори
Алюміній
Перша і найважливіша відмінність (за яку вони названі) полягає в тому, що в електролітичних конденсаторах використовується електроліт. Електроліт служить другою пластиною. Будучи рідиною, це означає, що він може бути прямо проти діелектрика, навіть того, що має нерівну форму. В алюмінієвих електролітичних конденсаторах це дозволяє нам скористатися поверхневим окисленням алюмінію (твердий матеріал, іноді навмисно пористий і барвник, просочений кольорами, на анодованому алюмінії, що становить ізоляційне сапфірове покриття) для використання в якості діелектрика. Без електролітичної «плити», однак, нерівномірність поверхні запобігла б наближенню жорсткої металевої пластини, щоб отримати перевагу від використання оксиду алюмінію в першу чергу.
Ще краще, використовуючи рідину, поверхню алюмінієвої фольги можна розшаровувати, що призводить до значного збільшення ефективної площі поверхні. Потім його анодують, поки на його поверхні не утворюється достатньо товстий шар оксиду алюмінію. Шорстка поверхня, яка всі буде безпосередньо примикати до іншої «пластини» - нашого рідкого електроліту.
Однак є проблеми. Найвідоміший - полярність. Анодизація алюмінію, якщо ви не можете його визначити за подібністю до слова анод, є залежним від полярності процесом. Конденсатор завжди повинен використовуватися в полярності, яка анодує алюміній. Протилежна полярність дозволить електроліту знищити поверхневий оксид, який залишає вам короткий конденсатор. Деякі електроліти повільно з'їдять цей шар, так що багато алюмінієвих електролітичних конденсаторів мають термін зберігання. Вони розроблені для використання, і це використання сприятливо побічно впливає на підтримку та навіть відновлення поверхневого оксиду. Однак при досить тривалому використанні оксид може бути повністю знищений. Якщо вам потрібно скористатися старим запиленим конденсатором невпевненого стану, найкраще "реформувати" їх, застосовуючи дуже низький струм (сотні мкА до мА) від джерела живлення постійного струму, і нехай напруга повільно зростає, поки вона не досягне своєї Номінальна напруга.
Інша проблема полягає в тому, що електроліти - це через хімію щось іонне, розчинене у розчиннику. Неполімерні алюмінієві використовують воду (до неї додаються інші «секретні соуси»). Що робить вода, коли через неї тече струм? Це електролізує! Чудово, якщо ви хотіли кисню і водню, страшні, якщо цього не зробили. У батареях керована перезарядка може реабсорбувати цей газ, але конденсатори не мають електрохімічної реакції, яка є зворотною. Вони просто використовують електроліт як річ, яка проводить. Отже, незалежно від того, вони генерують невелику кількість газу водню (кисень використовується для нарощування шару оксиду алюмінію), і, хоча він дуже малий, це заважає нам герметично запечатати ці конденсатори. Так вони висихають.
Стандартний термін експлуатації при максимальній температурі - 2000 годин. Це не дуже довго. Приблизно 83 дні. Це просто через більш високу температуру, яка змушує воду швидше випаровуватися. Якщо ви хочете, щоб у когось було довголіття, важливо зберегти їх якомога крутіше і отримати найвищі моделі витривалості (я бачив їх до 15 000 годин). У міру висихання електроліту він стає менш провідним, що збільшує ШОЕ, що, в свою чергу, збільшує тепло, що з’єднує проблему.
Тантал
Танталові конденсатори - це інша різновид електролітичних конденсаторів. Вони використовують діоксид марганцю в якості свого електроліту, який є твердим у готовому вигляді. Під час виробництва діоксид марганцю розчиняється в кислоті, потім електрохімічно осідає (подібно до гальванічного покриття) на поверхні порошку танталу, який потім спікається. Точні деталі «чарівної» частини, де вони створюють електричний зв’язок між усіма крихітними шматочками танталового порошку та діелектриком, мені невідомі (редакції чи коментарі цінуються!), Але достатньо сказати, що танталові конденсатори виготовлені з тантал через хімію, яка дозволяє нам легко виготовляти їх з порошку (велика площа поверхні).
Це дає їм приголомшливу об'ємну ефективність, але ціною: вільний тантал і діоксид марганцю можуть зазнати реакції, подібної до терміту, який є оксидом алюмінію та заліза. Тільки реакція танталу має значно нижчі температури активації - температури, які легко і швидко досягаються, повинні протилежної полярності або перенапруги пробивати дірку через діелектрик (пентоксид танталу, як оксид алюмінію) і створити короткий. Ось чому ви бачите напругу та струм танталових конденсаторів, зменшені на 50% або більше. Для тих, хто не знає терміту (який набагато спекотніший, але все ще не відрізняється від танталу та реакції MnO 2 ), є тонна вогню та тепла. Він використовується для приварювання залізничних рейок один до одного, і це завдання робить за лічені секунди.
Існують також полімерні електролітичні конденсатори, які використовують електропровідний полімер, який у своїй мономерній формі є рідиною, але, потрапляючи в потрібний каталізатор, полімеризується у твердий матеріал. Це так само, як супер клей, який є рідким мономером, який полімеризує тверді речовини, коли він потрапляє на вологу (або в / на поверхні, на які він наноситься, або з боку самого повітря). Таким чином, полімерні конденсатори можуть бути здебільшого твердим електролітом, що призводить до зменшення ШОЕ, більшої довговічності та загалом кращої міцності. Однак у полімерній матриці у них все ще є невелика кількість розчинника, і він повинен бути провідним. Тому вони все ще висихають. Без сумного обіду немає.
Тепер, які фактичні електричні властивості цих типів конденсаторів? Ми вже згадували про полярність, але інша їх ESR та ESL. Електролітичні конденсатори, завдяки тому, що вони будуються як дуже довгі пластини, намотані в котушку, мають відносно високу ESL (еквівалентну індуктивність серії). Насправді настільки високі, що вони є абсолютно неефективними, як конденсатори понад 100 кГц або 150 кГц для полімерних типів. Над цією частотою вони в основному просто резистори, що блокують постійний струм. Вони не зроблять нічого з пульсацією напруги, а натомість зроблять пульсацію рівним пульсаційному струму, помноженому на ШОЕ конденсатора, що часто може зробити пульсацію ще гіршою . Звичайно, це означає, що будь-який шум або шип високої частоти просто стрілятиме прямо через алюмінієвий електролітичний конденсатор, як його навіть не було.
Тантал не так вже й поганий, але вони все ще втрачають свою ефективність із середніми частотами (найкращі та найменші можуть майже досягати 1 МГц, а більшість втрачає свою ємнісну характеристику близько 300–600 кГц).
Загалом, електролітичні конденсатори чудово підходять для зберігання тонни енергії на невеликому просторі, але насправді корисні лише для боротьби зі шумом або пульсацією нижче 100 кГц. Якби не ця критична слабкість, було б мало причин використовувати що-небудь інше.
3. Керамічні конденсатори
Керамічні конденсатори використовують кераміку як свій діелектрик з металізацією з обох боків як пластини. Я не буду переходити на типи класу 1 (малої ємності), а лише клас II.
Конденсатори класу II обманюють із застосуванням сегнетоелектричного ефекту. Це дуже схоже на феромагнетизм, лише натомість електричні поля. У сегнетоелектричному матеріалі є тонна електричних диполів, які можуть в тій чи іншій мірі орієнтуватися за наявності зовнішнього електричного поля. Таким чином, застосування електричного поля приведе диполі в вирівнювання, що вимагає енергії, і змушує в кінцевому підсумку величезна кількість енергії зберігатися в електричному полі. Пригадайте, як вакуум був базовим рівнем 1? Фероелектрична кераміка, яка використовується в сучасних MLCC, має діелектричну константу порядком 7000.
На жаль, як і феромагнітні матеріали, оскільки сильніше і сильніше поле намагнічує (або поляризує в нашому випадку) матеріал, у нього починає вичерпуватися більше диполів для поляризації. Це насичує. Зрештою, це перетворюється на неприємну властивість керамічних конденсаторів типу X5R / X7R / тощо: їх ємність падає з напругою зміщення. Чим вище напруга на їх клемах, тим нижча їх ефективна ємність. Кількість накопиченої енергії все ще постійно зростає з напругою, але це не так вже й добре, як можна було б очікувати, виходячи з її неупередженої ємності.
Рейтинг напруги керамічного конденсатора на це дуже мало впливає. Насправді фактична напруга протистояння більшості кераміки набагато вище, 75 або 100 В для напруги нижчої напруги. Насправді, багато керамічних конденсаторів, які я підозрюю, є точно такою самою деталлю, але з різними номерами деталей, той же конденсатор розміром 4,7 мкФ продається як 35В, так і 50В конденсатор під різними етикетками. Графік ємності деяких ємностей MLCC та напруги зміщення є ідентичним, за винятком нижчої напруги, що має графік, урізаний за номінальною напругою. Підозріло, звичайно, але я можу помилитися.
У будь-якому випадку, покупка кераміки більш високого значення не призведе до боротьби з цим випаданням ємності, пов'язаної з напругою, єдиним фактором, який в кінцевому рахунку відіграє роль, є фізичний об'єм діелектрика. Більше матеріалу означає більше диполів. Так фізично більші конденсатори будуть зберігати більше своєї ємності під напругою.
Це також не тривіальний ефект. Керамічний конденсатор потужністю 1210 10 мкФ 50В, справжній звір конденсатора, втратить 80% своєї ємності на 50В. Деякі трохи краще, деякі трохи гірше, але 80% - це розумна цифра. Найкраще, що я бачив, - це 1210 (дюймів) вміст близько 3 мкФ ємності до моменту, коли він потрапив до 60 В, в будь-якому випадку в пакеті 1210. Керамічна 50В кераміка розміром 1206 дюймів (50 дюймів) пощастить, що на 50В залишиться 500nF.
Кераміка II класу також п'єзоелектрична та піроелектрична, хоча це не дуже впливає на них електрично. Вони, як відомо, вібрують або співають через пульсацію, і можуть діяти як мікрофони. Напевно, краще уникати використання їх як з'єднання конденсаторів в аудіосхемах.
В іншому випадку кераміка має найнижчий показник ESL та ШОЕ будь-якого конденсатора. Вони є найбільш «конденсаторними» з групи. Їх ESL настільки низький, що первинним джерелом є висота кінцевих кінцівок у самій упаковці. Так, висота кераміки 0805 є основним джерелом її 3 нГ ESL. Вони все ще поводяться як конденсатори на багато МГц або навіть вище для спеціалізованих типів радіочастот. Вони також можуть відводити багато шуму і дуже швидко роз'єднувати речі, як-от цифрові схеми, для чого електролітика марна.
На закінчення електролітики - це:
- багато об'ємної ємності в крихітному пакеті
- страшно всіляко
Вони повільні, вони зношуються, загоряються, вони перетворяться на короткий, якщо ви їх неправильно поляризуєте. За кожним критерієм конденсатори вимірюються, крім економії самої ємності, електролітика абсолютно жахлива. Ви використовуєте їх тому, що вам доведеться, ніколи, тому що ви хочете.
Кераміка:
- Нестабільні і втрачають багато своєї ємності при зміщенні напруги
- Може вібрувати або діяти як мікрофони. Або наноакуатори!
- Інакше дивовижні.
Керамічні конденсатори - це те, що ви хочете використовувати, але не завжди в змозі. Вони фактично поводяться як конденсатори і навіть на високих частотах, але не можуть відповідати об'ємній ефективності електролітики, і лише типи класу 1 (які мають дуже малу кількість ємності) матимуть стабільну ємність. Вони досить різняться в залежності від температури та напруги. О, вони також можуть тріснути і не такі механічно надійні.
О, остання зауваження, ви можете використовувати електролітику просто чудово в змінного / неполяризованому застосуванні, з усіма іншими їх проблемами, як і раніше. Просто підключіть пару звичайних поляризованих електролітичних конденсаторів з однаковими клемами клем полярності разом, і тепер протилежні кінці полярності є клемами абсолютно нового, неполярного електролітика. Поки їх величини ємності досить добре збігаються і існує обмежена кількість зміщення постійного струму постійного стану, конденсатори, здається, витримують у використанні.
