1. Kondensatory
Istnieje wiele nieporozumień na temat kondensatorów, więc chciałem krótko wyjaśnić, co to jest pojemność i co robią kondensatory.
Pojemność mierzy, ile energii będzie zmagazynowane w polu elektrycznym wytwarzanym między dwoma różnymi punktami dla danej różnicy potencjałów. Właśnie dlatego pojemność często nazywana jest „podwójnością” indukcyjności. Indukcyjność jest to, ile energii dany przepływ prądu zgromadzi w polu magnetycznym, a pojemność jest taka sama, ale dla energii zmagazynowanej w polu elektrycznym (raczej przez różnicę potencjałów niż prąd).
Kondensatory nie przechowują ładunku elektrycznego, co jest pierwszym dużym nieporozumieniem. Przechowują energię. Dla każdego nośnika ładunku narzuconego na jedną płytkę opuszcza się nośnik ładunku na przeciwnej płycie. Ładunek netto pozostaje taki sam (pomijając wszelkie możliwe znacznie mniejsze niezrównoważone ładunki „statyczne”, które mogą gromadzić się na asymetrycznych odsłoniętych płytach zewnętrznych).
Kondensatory przechowują energię w dielektryku, NIE w płytkach przewodzących. Tylko dwie rzeczy determinują efektywność kondensatora: jego wymiary fizyczne (powierzchnia płyty i odległość dzieląca je) oraz stała dielektryczna izolacji między płytami. Większa powierzchnia oznacza większe pole, bliższe płytki oznaczają silniejsze pole (ponieważ natężenie pola jest mierzone w woltach na metr, więc ta sama różnica potencjału na znacznie mniejszej odległości daje silniejsze pole elektryczne).
Stała dielektryczna określa siłę generowania pola w określonym ośrodku. „Podstawową” stałą dielektryczną jest , ze znormalizowaną wartością 1. Jest to stała dielektryczna idealnej próżni lub natężenie pola występujące w samej czasoprzestrzeni. Materia ma na to bardzo duży wpływ i może wspierać generowanie znacznie silniejszych pól. Najlepsze materiały to materiały z dużą ilością dipoli elektrycznych, które zwiększą siłę pola generowanego w materiale. ε
Obszar płyty, dielektryk i separacja płyt. To naprawdę wszystko, co jest do kondensatorów. Dlaczego więc są tak skomplikowane i różnorodne?
Nie są. Z wyjątkiem tych o znacznie większej niż tysiące pF pojemności. Jeśli chcesz tak absurdalnie dużych pojemności, które dziś uważamy za coś oczywistego, takich jak miliony pikofaradów (mikrofaradów), a nawet rzędu wielkości powyżej, jesteśmy na łasce fizyki.
Jak każdy dobry inżynier, w obliczu ograniczeń narzuconych przez prawa natury, i tak oszukujemy i przekraczamy te ograniczenia. Kondensatory elektrolityczne i kondensatory ceramiczne o wysokiej pojemności (0,1µF do 100µF +) to brudne sztuczki, których użyliśmy.
2. Kondensatory elektrolityczne
Aluminium
Pierwszym i najważniejszym rozróżnieniem (od którego są nazwane) jest to, że kondensatory elektrolityczne wykorzystują elektrolit. Elektrolit służy jako druga płytka. Będąc płynem, oznacza to, że może być bezpośrednio przeciw dielektrykowi, nawet o nierównomiernym kształcie. W aluminiowych kondensatorach elektrolitycznych pozwala nam to wykorzystać oksydację powierzchniową aluminium (twarde materiały, czasem celowo porowate i impregnowane barwnikiem dla kolorów, na anodowanym aluminium, co stanowi izolacyjną powłokę szafirową) do stosowania jako dielektryk. Bez elektrolitycznej „płyty” nierówność powierzchni uniemożliwiłaby jednak dostateczne zbliżenie sztywnej płyty metalowej, aby uzyskać jakąkolwiek korzyść z zastosowania tlenku glinu.
Jeszcze lepiej, stosując płyn, powierzchnię folii aluminiowej można chropowacić, powodując duży wzrost efektywnej powierzchni. Następnie anoduje się, aż na jego powierzchni utworzy się wystarczająco gruba warstwa tlenku glinu. Szorstka powierzchnia, z której wszystko będzie bezpośrednio przylegać do drugiej „płyty” - naszego ciekłego elektrolitu.
Są jednak problemy. Najbardziej znana jest polaryzacja. Anodowanie aluminium, jeśli nie można odróżnić jego podobieństwa do słowa anoda, jest procesem zależnym od polaryzacji. Kondensator należy zawsze stosować w polaryzacji anodowanej na aluminium. Odwrotna biegunowość pozwoli elektrolitowi zniszczyć tlenek powierzchniowy, który pozostawia zwarty kondensator. Niektóre elektrolity i tak powoli zjadają tę warstwę, więc wiele aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych ma okres trwałości. Są przeznaczone do użycia, a to zastosowanie ma korzystny efekt uboczny utrzymania, a nawet przywrócenia tlenku powierzchniowego. Jednak przy wystarczająco długim nieużywaniu tlenek można całkowicie zniszczyć. Jeśli musisz użyć starego zakurzonego kondensatora o niepewnych warunkach, najlepiej je „zreformować”, przykładając bardzo niski prąd (setki µA do mA) ze stałego źródła zasilania i pozwól, aby napięcie powoli rosło, aż osiągnie swoje napięcie znamionowe.
Innym problemem jest to, że elektrolity z powodu chemii rozpuszczają się w rozpuszczalniku w postaci jonów. Te niepolimerowe z aluminium używają wody (z dodatkiem innych składników „tajnego sosu”). Co robi woda, gdy przepływa przez nią prąd? To elektrolizy! Świetnie, jeśli chcesz tlenu i wodoru, straszne, jeśli nie. W akumulatorach kontrolowane ładowanie może ponownie wchłonąć ten gaz, ale kondensatory nie mają reakcji elektrochemicznej odwróconej. Po prostu używają elektrolitu jako rzeczy przewodzącej. Niezależnie od tego, wytwarzają niewielkie ilości wodoru (gaz jest wykorzystywany do tworzenia warstwy tlenku glinu) i chociaż bardzo mały, uniemożliwia nam hermetyczne uszczelnienie tych kondensatorów. Więc wysychają.
Standardowy okres użytkowania w maksymalnej temperaturze wynosi 2000 godzin. To nie jest bardzo długie. Około 83 dni. Wynika to po prostu z wyższych temperatur powodujących szybsze odparowywanie wody. Jeśli chcesz, aby coś miało długowieczność, ważne jest, aby utrzymywać je w jak najlepszym stanie i uzyskać modele o najwyższej wytrzymałości (widziałem takie, które mają nawet 15 000 godzin). W miarę wysychania elektrolit staje się mniej przewodzący, co zwiększa ESR, co z kolei zwiększa ciepło, co pogarsza problem.
Tantal
Kondensatory tantalowe to inna odmiana kondensatorów elektrolitycznych. Wykorzystują one dwutlenek manganu jako elektrolit, który jest stały w swojej gotowej formie. Podczas produkcji dwutlenek manganu rozpuszcza się w kwasie, a następnie osadza się elektrochemicznie (podobnie jak galwanizacja) na powierzchni proszku tantalu, który jest następnie spiekany. Dokładne szczegóły części „magicznej”, w której tworzą połączenie elektryczne między wszystkimi drobnymi kawałkami proszku tantalu i dielektrykiem, nie są mi znane (zmiany lub komentarze są mile widziane!), Ale wystarczy powiedzieć, że kondensatory tantalu są wykonane z tantal ze względu na chemię, która pozwala nam łatwo wytwarzać je z proszku (duża powierzchnia).
Daje to im doskonałą wydajność objętościową, ale kosztem: wolny tantal i dwutlenek manganu mogą podlegać reakcji podobnej do termitu, jakim jest tlenek glinu i żelaza. Tylko reakcja tantalu ma znacznie niższe temperatury aktywacji - temperatury, które są łatwo i szybko osiągane, powinny przeciwnej polaryzacji lub przepięciu przebić dziurę w dielektryku (pięciotlenek tantalu, podobnie jak tlenek glinu) i stworzyć zwarcie. Dlatego widzisz napięcie kondensatorów tantalu i prąd obniżony o 50% lub więcej. Dla osób nieświadomych termitu (który jest znacznie cieplejszy, ale wciąż nie różni się od tantalu i reakcji MnO 2 ), jest mnóstwo ognia i ciepła. Służy do przyspawania do siebie szyn kolejowych i wykonuje to zadanie w kilka sekund.
Istnieją również polimerowe kondensatory elektrolityczne, które wykorzystują przewodzący polimer, który w postaci monomeru jest ciekły, ale po wystawieniu na odpowiedni katalizator polimeryzuje w stały materiał. Jest to tak jak super klej, który jest ciekłym monomerem, który polimeryzuje ciało stałe po wystawieniu na działanie wilgoci (w / na powierzchniach, na które jest nakładany, lub z samego powietrza). W ten sposób kondensatory polimerowe mogą być głównie elektrolitem stałym, co powoduje zmniejszenie ESR, dłuższą żywotność i ogólnie lepszą wytrzymałość. Wciąż mają jednak niewielką ilość rozpuszczalnika w matrycy polimerowej i trzeba przewodzić. Więc nadal wysychają. Niestety nie ma darmowego lunchu.
Jakie są rzeczywiste właściwości elektryczne tego typu kondensatorów? Wspominaliśmy już o polaryzacji, ale drugim jest ESR i ESL. Kondensatory elektrolityczne, ponieważ są skonstruowane jako bardzo długa płytka nawinięta na cewkę, mają stosunkowo wysoką ESL (równoważna indukcyjność szeregowa). Tak wysokie, że są całkowicie nieskuteczne jako kondensatory powyżej 100 kHz lub 150 kHz dla typów polimerów. Powyżej tej częstotliwości są to po prostu rezystory blokujące prąd stały. Nie zrobią nic z tętnienia napięcia, a zamiast tego spowodują, że tętnienie będzie równe prądowi tętnienia pomnożonemu przez ESR kondensatora, co często może pogorszyć tętnienie . Oczywiście oznacza to, że jakikolwiek szum lub skok o wysokiej częstotliwości wystrzeli prosto przez aluminiowy kondensator elektrolityczny, jakby go tam nawet nie było.
Tantale nie są wcale takie złe, ale nadal tracą swoją skuteczność przy średnich częstotliwościach (najlepsze i najmniejsze mogą prawie trafić 1 MHz, większość traci charakterystykę pojemnościową około 300–600 kHz).
Podsumowując, kondensatory elektrolityczne świetnie nadają się do przechowywania tony energii na małej przestrzeni, ale naprawdę są przydatne tylko w przypadku szumu lub tętnienia poniżej 100 kHz. Gdyby nie krytyczna słabość, nie byłoby powodu, by używać czegokolwiek innego.
3. Kondensatory ceramiczne
Kondensatory ceramiczne wykorzystują ceramikę jako dielektryk, z metalizacją po obu stronach jako płytki. Nie będę wchodził w typy klasy 1 (o niskiej pojemności), ale tylko do klasy II.
Kondensatory klasy II oszukują za pomocą efektu ferroelektrycznego. Jest to bardzo podobne do ferromagnetyzmu, tylko z polami elektrycznymi. Materiał ferroelektryczny ma masę dipoli elektrycznych, które mogą do pewnego stopnia być zorientowane w obecności zewnętrznego pola elektrycznego. Tak więc zastosowanie pola elektrycznego spowoduje wyrównanie dipoli, co wymaga energii i spowoduje, że ogromna ilość energii ostatecznie zostanie zgromadzona w polu elektrycznym. Pamiętasz, jak próżnia była wartością początkową 1? Ceramika ferroelektryczna stosowana we współczesnych MLCC ma stałą dielektryczną rzędu 7 000.
Niestety, podobnie jak materiały ferromagnetyczne, gdy coraz silniejsze pole magnetyzuje (lub w naszym przypadku polaryzuje) materiał, zaczyna brakować kolejnych dipoli do polaryzacji. Nasyca. To ostatecznie przekłada się na nieprzyjemną właściwość kondensatorów ceramicznych typu X5R / X7R / etc: ich pojemność spada wraz z napięciem polaryzacji. Im wyższe napięcie na ich zaciskach, tym niższa ich efektywna pojemność. Ilość zmagazynowanej energii ciągle rośnie wraz z napięciem, ale nie jest tak dobra, jak można by się spodziewać na podstawie jej obiektywnej pojemności.
Napięcie znamionowe kondensatora ceramicznego ma na to bardzo mały wpływ. W rzeczywistości faktyczne napięcie wytrzymałe większości materiałów ceramicznych jest znacznie wyższe, 75 lub 100 V dla niższych napięć. W rzeczywistości wiele ceramicznych kondensatorów, które podejrzewam, to dokładnie ta sama część, ale z różnymi numerami części, przy czym ten sam kondensator 4,7 µF jest sprzedawany zarówno jako kondensator 35 V, jak i 50 V pod różnymi etykietami. Wykres pojemności niektórych MLCC w funkcji napięcia polaryzacji jest identyczny, z wyjątkiem wykresu o niższym napięciu, którego wykres jest obcięty przy napięciu znamionowym. Z pewnością podejrzane, ale mogę się mylić.
W każdym razie, zakup ceramiki o wyższej wartości znamionowej nie pomoże w walce z tym spadkiem pojemności związanym z napięciem, jedynym czynnikiem, który ostatecznie odgrywa rolę, jest objętość fizyczna dielektryka. Więcej materiału oznacza więcej dipoli. Tak więc fizycznie większe kondensatory zachowają więcej swojej pojemności pod napięciem.
Nie jest to również trywialny efekt. Ceramiczny kondensator 1210 10µF 50 V, istna bestia kondensatora, straci 80% swojej pojemności o 50 V. Niektóre są nieco lepsze, niektóre są nieco gorsze, ale 80% to rozsądna liczba. Najlepsze, co widziałem, to 1210 (cale) utrzymywać pojemność około 3µF, zanim osiągnie 60 V, w każdym razie w pakiecie 1210. Ceramika 50 V o wielkości 10µF 1206 (cale) będzie miała szczęście, że pozostanie 500nF o 50V.
Ceramika klasy II jest również piezoelektryczna i piroelektryczna, chociaż tak naprawdę nie ma to na nie wpływu elektrycznego. Wiadomo, że wibrują lub śpiewają z powodu tętnień i mogą działać jak mikrofony. Prawdopodobnie najlepiej unikać używania ich jako kondensatorów sprzęgających w obwodach audio.
W przeciwnym razie ceramika ma najniższy ESL i ESR spośród wszystkich kondensatorów. Są najbardziej „kondensatorowe” w grupie. Ich ESL jest tak niski, że głównym źródłem jest wysokość zakończeń końcowych na samym opakowaniu. Tak, że wysokość ceramiki 0805 jest głównym źródłem jej 3 nH ESL. Nadal zachowują się jak kondensatory do wielu MHz, a nawet wyższych dla wyspecjalizowanych typów RF. Mogą również oddzielić wiele szumów i oddzielić bardzo szybkie rzeczy, takie jak obwody cyfrowe, dla których elektrolityczność jest bezużyteczna.
Podsumowując, elektrolityka to:
- dużo pojemności w małej obudowie
- okropny pod każdym innym względem
Są powolne, zużywają się, zapalają się, staną się krótkie, jeśli źle je spolaryzujesz. Według każdego kryterium mierzone są kondensatory, z wyjątkiem samej pojemności, elektrolityka jest absolutnie straszna. Używasz ich, ponieważ musisz, nigdy, ponieważ chcesz.
Ceramika to:
- Niestabilne i tracą dużo swojej pojemności pod napięciem
- Może wibrować lub działać jak mikrofony. Lub nanoaktory!
- Są poza tym niesamowite.
Kondensatory ceramiczne są tym, czego chcesz użyć, ale nie zawsze są w stanie. W rzeczywistości zachowują się jak kondensatory, a nawet przy wysokich częstotliwościach, ale nie mogą dorównać wydajności objętościowej elektrolityki, a tylko typy klasy 1 (które mają bardzo małe pojemności) będą miały stabilną pojemność. Różnią się one nieco temperaturą i napięciem. Och, oni też mogą pękać i nie są tak odporni mechanicznie.
Aha, ostatnia uwaga: elektrolitykę można dobrze stosować w aplikacjach AC / niespolaryzowanych, a wszystkie inne problemy są oczywiście nadal w grze. Wystarczy podłączyć parę regularnych spolaryzowanych kondensatorów elektrolitycznych, z tymi samymi zaciskami biegunowymi, a teraz przeciwnymi biegunami są zaciski zupełnie nowego, niepolarnego elektrolitu. Dopóki ich wartości pojemności są dość dobrze dopasowane, a stan ustalonego prądu stałego jest ograniczony, kondensatory wydają się wytrzymać w użyciu.
