Czy mogę wymienić wszystkie kondensatory elektrolityczne na ceramiczne?

Projektuję obwód zasilania dla systemu, który potrzebuje kilku źródeł zasilania, moje pytania są następujące:

• Czy można zastąpić wszystkie korki elektrolityczne (głównie 100uF) ceramicznymi? Jakie są ograniczenia ceramiki?

• Czy powinienem stosować 2x napięcie znamionowe dla ceramiki, jak w przypadku elektrolitycznego?

• Co z aktualną oceną tętnienia? Czy to ważny czynnik przy wyborze ceramiki jak w elektrolicie?

Dodano 1/9/2014: Więcej o ograniczeniach ceramicznych

Znalazłem to doskonałe wideo przesłane przez Dave'a na EEVBlog, pokazujące ograniczenia różnych rodzajów ceramicznych nakładek oraz ich wpływ na przyłożone napięcie i napięcie polaryzacji. Warte oglądania!

100 µF naprawdę przekracza limit dla ceramicznych nakrętek. Jeśli twoje napięcia są niskie, od kilku woltów do 10, a może 20 woltów, wówczas równoległe łączenie wielu elementów ceramicznych może być rozsądne.

Ceramiczne nasadki o dużej pojemności mają własny zestaw zalet i wad. Zaletami są znacznie niższa równoważna rezystancja szeregowa, a zatem znacznie wyższa zdolność prądu tętnienia, przydatność do wyższych częstotliwości, mniejsza wrażliwość na ciepło, znacznie lepsza żywotność, aw większości przypadków lepsza wytrzymałość mechaniczna. Mają też własne problemy. Pojemność może się znacznie obniżyć wraz z napięciem, a gęstsza (większa pojemność magazynowania energii na objętość) ceramika wykazuje efekty piezoelektryczne często nazywane „mikrofonami”. W niewłaściwych okolicznościach może to prowadzić do oscylacji, ale jest to rzadkie zjawisko.

W przypadku przełączania zasilaczy ceramika jest zwykle lepszym kompromisem niż elektrolity, chyba że potrzebujesz zbyt dużej pojemności. Wynika to z faktu, że mogą one pobierać znacznie więcej prądu tętnienia i lepiej ogrzewać. Żywotność elektrolitów jest poważnie ograniczona przez ciepło, które często stanowi problem z zasilaczami.

Nie musisz obniżać wartości ceramiki tak bardzo jak elektrolitów, ponieważ żywotność ceramiki jest na początek znacznie większa i jest znacznie mniejszą funkcją przyłożonego napięcia. W przypadku ceramiki należy zwrócić uwagę na to, że gęste są wykonane z materiału nieliniowego, co objawia się zmniejszoną pojemnością na wyższych krańcach zakresu napięcia.

Dodano informacje o mikrofonach:

Niektóre dielektryki fizycznie zmieniają rozmiar w zależności od przyłożonego pola elektrycznego. Dla wielu efekt jest tak mały, że go nie zauważasz i można go zignorować. Jednak niektóre materiały ceramiczne wykazują wystarczająco silny efekt, aby w końcu można było usłyszeć powstałe wibracje. Zwykle sam nie słyszysz kondensatora, ale ponieważ są one lutowane dość sztywno na płytce, małe wibracje kondensatora mogą powodować wibrację znacznie większej płyty, szczególnie przy częstotliwości rezonansowej płyty. Wynik może być dość słyszalny.

Oczywiście odwrotność również działa, ponieważ właściwości fizyczne zwykle działają w obie strony, a ta nie jest wyjątkiem. Ponieważ przyłożone napięcie może zmienić wymiary kondensatora, zmiana jego wymiarów poprzez zastosowanie naprężenia może zmienić jego napięcie w obwodzie otwartym. W efekcie kondensator działa jak mikrofon. Może wychwytywać wibracje mechaniczne, na które narażona jest płyta, a one mogą przedostawać się do sygnałów elektrycznych na płycie. Z tego powodu unika się tego rodzaju kondensatorów w obwodach audio o wysokiej czułości.

Aby uzyskać więcej informacji na temat fizyki stojącej za tym, poszukaj właściwości tytanianu baru jako przykład. Jest to powszechny dielektryk dla niektórych ceramicznych kapsli, ponieważ ma pożądane właściwości elektryczne, szczególnie dość dobrą gęstość energii w porównaniu z zakresem ceramiki. Osiąga to poprzez przełączanie atomu tytanu między dwoma stanami energii. Jednak efektywny rozmiar atomu różni się między dwoma stanami energii, stąd zmienia się rozmiar siatki i uzyskujemy deformację fizyczną w funkcji przyłożonego napięcia.

Anegdota:Niedawno natknąłem się na ten problem. Zaprojektowałem gizmo, które łączy się z mocą DCC (Digital Command and Control) używaną przez modele pociągów. DCC to sposób przekazywania mocy, ale także informacji do określonego „taboru” na torach. Jest to różnicowy sygnał mocy do 22 V. Informacje są przekazywane przez odwrócenie polaryzacji z określonym czasem. Częstotliwość przerzucania wynosi około 5-10 kHz. Aby uzyskać moc, urządzenia pełnofalowe naprawiają to. Moje urządzenie nie próbowało dekodować informacji DCC, po prostu trochę mocy. Użyłem pojedynczej diody do prostowania półfalowego DCC na ceramicznej nasadce 10 µF. Spadek na tej czapce podczas przerwy w połowie wynosił tylko około 3 V, ale to 3 Vpp wystarczyło, aby śpiewać. Obwód działał idealnie, ale cała płyta wydawała dość irytujące wycie. To było nie do przyjęcia w produkcie, więc w wersji produkcyjnej zmieniono ją na elektrolityczną nasadkę 20 µF. Początkowo stosowałem ceramikę, ponieważ była tańsza, mniejsza i powinna mieć dłuższą żywotność. Na szczęście jest mało prawdopodobne, aby to urządzenie było używane w wysokich temperaturach, więc żywotność korka elektrolitycznego powinna być znacznie lepsza niż jego najgorsza ocena.

Z komentarzy wynika, że ​​czasami dyskutuje się, dlaczego przełączanie zasilaczy czasami narzeka. Niektóre z nich mogą być spowodowane ceramicznymi nasadkami, ale elementy magnetyczne, takie jak cewki indukcyjne, mogą również wibrować z dwóch powodów. Po pierwsze, na każdy kawałek drutu cewki indukcyjnej działa siła proporcjonalna do kwadratu prądu przez nią. Siła ta jest skierowana bokiem do drutu, powodując wibrację cewki, jeśli nie jest dobrze trzymana na miejscu. Po drugie, istnieje właściwość magnetyczna podobna do elektrostatycznego efektu piezoelektrycznego, zwana magnetostrykcją. Materiał rdzenia induktora może nieznacznie zmienić rozmiar w zależności od przyłożonego pola magnetycznego. Ferryty nie wykazują tego efektu bardzo silnie, ale zawsze jest trochę i w polu magnetycznym może znajdować się inny materiał. Kiedyś pracowałem nad produktem, który wykorzystywał efekt magnetostrykcyjny jako przetwornik magnetyczny. I tak,

Istnieje kilka powodów, aby nie zmieniać projektu z elektrolitycznego na ceramiczny, o którym jeszcze nie wspomniano:

• Niektóre konstrukcje regulatorów liniowych wymagają wyższego ESR elektrolitu na kondensatorze wyjściowym, aby utrzymać stabilność.

• Ceramika jest mniej wytrzymała niż elektrolityka, gdy jest poddawana zginaniu płyty. Zwłaszcza w dużych rozmiarach, powiedzmy 1206 i wyższych, takich jak będziesz potrzebować wartości powyżej 10-20 uF przy rozsądnej wartości WV, ceramika łatwo pęka, jeśli występuje jakaś fleksa na płycie. Uszkadzający flex może zdarzyć się na polu lub może się zdarzyć przy niektórych metodach oddzielania desek od panelu, w którym są produkowane.

Zgodnie z poniżającymi pytaniami OP oraz w odpowiedzi na dobrą odpowiedź Olina:

IPC-9592A (który jest standardem dla urządzeń do konwersji mocy o wysokiej niezawodności) przytacza następujące wytyczne dotyczące obniżania wartości:

Naprawiono ceramiczne MLCC:

• Napięcie stałe <= 80% wartości znamionowej producenta
• Temperatura: minimum 10 ° C poniżej oceny producenta
• Rozmiar: rozmiary większe niż 1210 nie są zalecane ze względu na potencjał pękania

Aluminiowe kondensatory elektrolityczne:

• Napięcie stałe <= 80% wartości znamionowej producenta (<= 90% dla urządzeń 250 V lub wyższych)
• Życie / wytrzymałość:> = 10 lat w 40 ° C, 80% obciążenia dla urządzeń klasy II (centrum danych) lub 5 lat dla urządzeń klasy I (klasa konsumencka)

Ocena żywotności / wytrzymałości aluminiowego kondensatora elektrolitycznego jest funkcją wszystkich jego naprężeń - napięcia, prądu tętnienia i temperatury otoczenia. Jeśli korek ma dobry przepływ powietrza, może zająć więcej marszczenia i zachować długą żywotność. Hot cap nie będzie miał długiego życia.

W przypadku kondensatorów ceramicznych chodzi również o temperaturę. Temperatura otoczenia i prąd tętnienia spowoduje wzrost temperatury. Nie oznacza to, że ceramika nie starzeje się - niektóre materiały dielektryczne (materiały klasy 2, takie jak X7R i Y5V) z czasem ulegają degradacji pojemności - materiały klasy 1 są w dużej mierze na to odporne.

Ponadto, jak stwierdził Olin, niektóre materiały dielektryczne cierpią z powodu znacznego spadku pojemności w funkcji napięcia polaryzacji prądu stałego. Ponownie cierpią z tego powodu materiały klasy 2, materiały klasy 1 w dużej mierze nie.

Zasadniczo, jeśli używasz dowolnego typu kondensatora, utrzymuj maksymalne napięcie poniżej 80% naprężenia.

Znacznie niższa ESR kondensatorów ceramicznych (w porównaniu z elektrolitycznymi nasadkami) ma wpływ na stabilność pętli sprzężenia zwrotnego. Zakładając, że twój konwerter będzie przełącznikiem i ma wyjściowy filtr LC, sieć kompensacyjna typu 3 może być wymagana do ustabilizowania konwertera.

Niski ESR powoduje, że wzmocnienie w pętli otwartej spada do wartości -40 dB / dekadę przez długi czas (zero ESR jest wypychane wraz ze spadkiem ESR), co wymaga + 20dB / dekadę w sieci kompensacji dla podziału częstotliwości wynosić -20dB / dekadę (co jest jednym z trzech kryteriów stabilności pętli, których szukają projektanci energii, wraz z marginesem wzmocnienia i marginesem fazowym).

Mogę się mylić, ale przejście na ceramiczne nasadki masowe stworzy antyrezonans między nasadkami masowymi a mniejszymi nasadkami odsprzęgającymi. O ile nie zostaną starannie wybrane, indukcyjność nasadek masowych będzie rezonować z pojemnością odrywających nasadek. Nie dzieje się tak w przypadku tantalu i pokrywek elektrolitycznych, ponieważ ESR tych urządzeń tłumi rezonans. Ponownie mogę się mylić, ponieważ nigdy nie próbowałem tego w praktyce.