Чи можу я замінити всі електролітичні конденсатори керамічними?

Я проектую схему живлення для системи, яка потребує декількох джерел живлення, мої запитання:

• Чи можна замінити всі електролітичні ковпачки (здебільшого 100uF) керамічними? Які обмеження у кераміки?

• Чи слід використовувати 2x напругу для кераміки, як це робиться для електролітики?

• А як щодо поточного рейтингу пульсацій? Це важливий фактор при виборі кераміки як електролітичної?

Додано 9.01.2014: Докладніше про обмеження кераміки

Я знайшов це відмінне відео, представлене Дейвом на EEVBlog, що показує обмеження різних типів керамічних ковпачків і те, як на них впливає прикладена напруга та напруга зміщення. Вартий перегляду!

100 мкФ насправді відсуває межу для керамічних ковпачків. Якщо ваші напруги низькі, як від кількох вольт до 10, а може і від 20 вольт, то паралельна множина кераміки може бути розумною.

Керамічні ковпачки з високою ємністю мають свій набір переваг та недоліків. Перевагами є набагато нижчий еквівалентний серійний опір, а отже, набагато більша здатність струму пульсацій, корисність для більш високих частот, менша теплочутливість, набагато кращий термін експлуатації та в більшості випадків краща механічна стійкість. У них теж є свої проблеми. Ємність може значно погіршитися з напругою, і більш щільна (більше запас енергії на об'єм) кераміка виявляє п'єзоефекти, які часто називають "мікрофонічними". За неправильних обставин це може призвести до коливань, але це рідко.

Для комутації програм живлення кераміка, як правило, є кращим компромісом, ніж електроліти, якщо вам не потрібна занадто велика ємність. Це тому, що вони можуть приймати набагато більше пульсаційного струму і краще нагріватися. Термін експлуатації електролітів сильно погіршується теплом, що часто є проблемою з джерелами живлення.

Вам не потрібно обробляти кераміку стільки, скільки електролітами, оскільки термін експлуатації кераміки набагато більший, для початку, і набагато менший від функції прикладеної напруги. На кераміку слід стежити за тим, що щільні виготовляються з нелінійного матеріалу, який проявляється як зменшена ємність на більш високих кінцях діапазону напруги.

Додано про мікрофоніку:

Деякі діелектрики фізично змінюють розмір як функцію прикладеного електричного поля. Для багатьох ефект настільки малий, що ви цього не помічаєте, і його можна ігнорувати. Однак деякі керамічні вироби виявляють достатньо сильний ефект, щоб ви могли з часом почути отримані вібрації. Зазвичай ви не можете почути конденсатор сам по собі, але оскільки вони припаяні досить жорстко до плати, невеликі коливання конденсатора можуть змусити вібрувати набагато більшу плату, особливо на резонансній частоті плати. Результат може бути досить чутним.

Звичайно, реверс працює також, оскільки фізичні властивості, як правило, працюють обома способами, і цей не є винятком. Оскільки прикладена напруга може змінювати розміри конденсатора, зміна його розмірів, застосовуючи напругу, може змінити його напругу відкритого контуру. Насправді конденсатор виконує функцію мікрофона. Він може сприймати механічні коливання, яким піддається плата, і вони можуть потрапляти в електричні сигнали на дошці. Ці типи конденсаторів з цієї причини уникають у звукових схемах високої чутливості.

Для отримання додаткової інформації про фізику, що стоїть за цим, знайдіть властивості титанату барію як приклад. Це звичайний діелектрик для деяких керамічних ковпачків, оскільки він має бажані електричні властивості, особливо досить хорошу енергетичну щільність порівняно з діапазоном кераміки. Це досягається шляхом переключення атома титану між двома енергетичними станами. Однак ефективний розмір атома відрізняється між двома енергетичними станами, отже, розмір решітки змінюється, і ми отримуємо фізичну деформацію як функцію прикладеної напруги.

Анекдот:Нещодавно я натрапив на цю проблему. Я розробив штучку, яка підключається до потужності DCC (Digital Command and Control), яка використовується модельними поїздами. DCC - це спосіб передачі енергії, але і інформації певному "рухомому складу" на колії. Це диференціальний силовий сигнал до 22 В. Інформація передається шляхом перегортання полярності з певними часовими рамками. Швидкість гортання приблизно 5-10 кГц. Щоб отримати потужність, пристрої повної хвилі виправляють це. Мій пристрій не намагався декодувати інформацію DCC, просто отримайте трохи енергії. Я використав один діод до напівхвилі, випрямив DCC на керамічну кришку розміром 10 мкФ. Заглушка на цій кришці під час напівциклу становила лише близько 3 В, але цього 3 Впп вистачило, щоб вона заспівала. Схема працювала чудово, але вся плата випромінювала досить дратівливий вих. Це було неприйнятно для продукту, тому для виробничої версії це було змінено на 20 мкФ електролітичну кришку. Я спочатку ходив з керамікою, тому що вона дешевша, менша і повинна мати довший термін експлуатації. На щастя, цей пристрій навряд чи можна використовувати при високих температурах, тому термін експлуатації електролітичного ковпачка повинен бути набагато кращим, ніж його найгірший показник.

Я бачу, що з коментарів є певна дискусія щодо того, чому комутація джерел живлення іноді скуголить. Частина цього може бути пов'язана з керамічними кришками, але магнітні компоненти, такі як індуктори, також можуть вібрувати з двох причин. По-перше, на індуктор діє сила, пропорційна квадрату струму через нього. Ця сила знаходиться збоку від дроту, завдяки чому котушка вібрує, якщо її не утримувати добре. По-друге, існує магнітна властивість, подібна до електростатичного п'єзоефекту, що називається магнітострикцією. Матеріал серцевини індуктора може дещо змінювати розмір у залежності від прикладеного магнітного поля. Феррити не проявляють цього ефекту дуже сильно, але завжди є небагато, і в магнітному полі може бути інший матеріал. Я колись працював над продуктом, який використовував магнітострикційний ефект як магнітний пікап. І так,

Є кілька причин не переключити конструкцію з електролітики на кераміку, про яку ще не було сказано:

• Деякі конструкції лінійних регуляторів потребують більшого коефіцієнта коефіцієнта корисного споживання електролітика на вихідному конденсаторі для підтримки стабільності.

• Кераміка менш міцна, ніж електролітика, коли вона піддається вигину дошки. Особливо у великих розмірах, скажімо, 1206 і вище, як вам знадобляться значення, що перевищують 10 - 20 мкФ з розумною ВВ, кераміка легко тріщиться, якщо в платі є якийсь прогин. Пошкоджуючий флекс може трапитися на місцях, або це може статися з деякими методами виділення дощок із панелі, на якій вони виготовлені.

Відповідно до актуальних питань ОП, а також до тонкої відповіді Оліна:

IPC-9592A (що є стандартом для високонадійних пристроїв перетворення електроенергії) цитує наступні керівні принципи:

Фіксовані керамічні MLCC:

• Напруга постійного струму <= 80% від виробника
• Температура: Мінімально на 10 ° C нижче рейтингу виробника
• Розмір: Розміри більше 1210 не рекомендується через потенціалу злому

Алюмінієві електролітичні конденсатори:

• Напруга постійного струму <= 80% від показника виробника (<= 90% для пристроїв на 250 В і вище)
• Термін життя / витривалість:> = 10 років при температурі 40 ° C, 80% навантаження для пристроїв класу II (дані центру обробки даних) або 5 років для пристроїв класу I (клас споживачів)

Рейтинг життя / витривалості алюмінієвого електролітичного конденсатора є функцією всіх напружень - напруги, пульсаційного струму та температури навколишнього середовища. Якщо кришка має хороший повітряний потік, вона може зайняти більше пульсації та зберегти довгий термін служби. Гаряча шапка не матиме довгого життя.

Для керамічних конденсаторів також йдеться про температуру. Температура навколишнього середовища та пульсаційний струм призведуть до підвищення температури. Це не означає, що кераміка не старіє - певні діелектричні матеріали (матеріали класу 2, такі як X7R і Y5V) з часом деградують ємністю - матеріали класу 1 значною мірою не захищені від цього.

Крім того, як заявив Олін, деякі дієтичні матеріали страждають від значної ємності згортання як функції напруги зміщення постійного струму. Знову ж таки, матеріали 2 класу страждають від цього, матеріали 1 класу значною мірою не відповідають цьому.

По суті, якщо ви використовуєте будь-який тип конденсаторів, тримайте максимальну напругу під 80% напруги.

Значно нижчий коефіцієнт ШОЕ керамічних конденсаторів (проти електроїтичних ковпачків) має вплив на стабільність циклу зворотного зв'язку. Якщо припустити, що ваш перетворювач буде комутатором і матиме вихідний LC-фільтр, для стабілізації перетворювача може знадобитися компенсаційна мережа типу 3.

Низький коефіцієнт ESR призводить до того, що коефіцієнт посилення відкритої петлі згортається на -40 дБ / десятиліття протягом тривалого інтервалу (нуль ESR виштовхується, коли ESR падає), що вимагає + 20 дБ / десятиліття посилення в компенсаційній мережі для частоти перехрещення бути на рівні -20 дБ / десятиліття (що є одним із трьох критеріїв стійкості циклу, які шукають проектувальники енергії, разом із коефіцієнтом посилення та запасом фази).

Можливо, я помиляюся, але перехід на керамічні об'ємні ковпачки створить антирезонанс між об'ємними ковпачками та меншими кришками роз'єднання. Якщо вони не будуть обрані ретельно, індуктивність об'ємних ковпачків буде відповідати ємністю кришок роз'єднання. Цього не відбувається з танталом та електролітичними ковпачками, оскільки ШОЕ цих пристроїв гасить резонанс. Знову ж таки, я можу помилитися, оскільки ніколи цього не пробував на практиці.