Bisakah saya mengganti semua kapasitor elektrolitik dengan kapasitor keramik?


Saya merancang rangkaian catu daya untuk sistem yang memerlukan beberapa persediaan, pertanyaan saya adalah:

  • Apakah mungkin untuk mengganti semua tutup elektrolit (Sebagian besar 100 uF) dengan yang keramik? Apa keterbatasan keramik?

  • Haruskah saya menggunakan peringkat tegangan 2x untuk keramik seperti yang dilakukan untuk elektrolit?

  • Bagaimana dengan peringkat riak saat ini? Apakah itu faktor penting ketika memilih keramik seperti elektrolit?

Ditambahkan 1/9/2014: Lebih lanjut tentang batasan keramik

Saya menemukan video yang luar biasa ini dikirim oleh Dave di EEVBlog yang menunjukkan keterbatasan berbagai jenis tutup keramik dan bagaimana mereka dipengaruhi oleh tegangan yang diberikan dan tegangan bias juga. Layak ditonton!


5
Anda dapat menemukan 100uF tutup keramik?
Standard Sandun


@ sandundhammika pada digikey ada hingga 680 uF tapi terlalu mahal. 100uF tersedia sekitar $ 2. Peringkat tegangan juga mempengaruhi harga.
Abdella

5
@geometrikal: Ketika Anda tidak ingin membuang uang Anda?
endolith

2
@Abdella, edit ulang, Pertama, tantalum adalah jenis elektrolitik. Kedua, jika tantalum tidak digunakan dalam produk komersial, tidak ada yang akan repot-repot membuatnya.
The Photon

Jawaban:


100 μF benar-benar mendorong batas untuk tutup keramik. Jika voltase Anda rendah, beberapa volt hingga 10 atau mungkin 20 volt, maka paralelkan beberapa keramik mungkin masuk akal.

Tutup keramik kapasitansi tinggi memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing. Keuntungannya adalah resistansi seri ekuivalen yang jauh lebih rendah dan karena itu kemampuan riak arus yang jauh lebih tinggi, kegunaan untuk frekuensi yang lebih tinggi, sensitivitas panas yang lebih rendah, masa pakai yang jauh lebih baik, dan dalam banyak kasus kekasaran mekanik yang lebih baik. Mereka juga memiliki masalah sendiri. Kapasitansi dapat menurun secara signifikan dengan tegangan, dan keramik yang lebih padat (lebih banyak penyimpanan energi per volume) menunjukkan efek piezo yang sering disebut "mikrofonik". Dalam keadaan yang salah, ini dapat menyebabkan osilasi, tetapi itu jarang terjadi.

Untuk beralih aplikasi catu daya, keramik biasanya merupakan tradeoff yang lebih baik daripada elektrolit kecuali Anda membutuhkan kapasitansi terlalu banyak. Ini karena mereka dapat mengambil lebih banyak arus riak dan panas yang lebih baik. Umur elektrolit sangat terdegradasi oleh panas, yang sering menjadi masalah dengan pasokan listrik.

Anda tidak perlu menurunkan keramik sebanyak elektrolit karena umur keramik jauh lebih besar, untuk memulai, dan jauh lebih sedikit fungsi dari tegangan yang diberikan. Hal yang harus diperhatikan dengan keramik adalah bahwa yang padat terbuat dari bahan yang non-linear, yang muncul sebagai kapasitansi yang berkurang pada ujung rentang tegangan yang lebih tinggi.

Ditambahkan tentang mikrofonik:

Beberapa dielektrik secara fisik mengubah ukuran sebagai fungsi dari medan listrik yang diterapkan. Bagi banyak orang, efeknya sangat kecil sehingga Anda tidak menyadarinya dan itu dapat diabaikan. Namun, beberapa keramik menunjukkan efek yang cukup kuat sehingga Anda akhirnya dapat mendengar getaran yang dihasilkan. Biasanya, Anda tidak dapat mendengar kapasitor dengan sendirinya, tetapi karena disolder cukup kaku ke papan, getaran kecil kapasitor dapat menyebabkan papan yang jauh lebih besar juga bergetar, terutama pada frekuensi resonansi papan. Hasilnya bisa sangat terdengar.

Tentu saja, kebalikannya juga bekerja karena sifat fisik umumnya bekerja dua arah, dan ini tidak terkecuali. Karena tegangan yang diberikan dapat mengubah dimensi kapasitor, mengubah dimensinya dengan menerapkan tegangan dapat mengubah tegangan rangkaian terbuka. Akibatnya, kapasitor bertindak sebagai mikrofon. Itu dapat menangkap getaran mekanis yang dialami papan, dan itu bisa masuk ke sinyal listrik di papan. Jenis kapasitor ini dihindari di sirkuit audio sensitivitas tinggi karena alasan ini.

Untuk informasi lebih lanjut tentang fisika di balik ini, lihat properti barium titanate sebagai contoh. Ini adalah dielektrik umum untuk beberapa tutup keramik karena memiliki sifat listrik yang diinginkan, kepadatan energi yang cukup baik dibandingkan dengan kisaran keramik. Ini mencapai ini dengan beralihnya atom titanium antara dua kondisi energi. Namun, ukuran efektif atom berbeda antara dua keadaan energi, karenanya ukuran kisi berubah, dan kami mendapatkan deformasi fisik sebagai fungsi dari tegangan yang diberikan.

Anekdot:Saya baru-baru ini mengalami masalah ini secara langsung. Saya merancang alat yang menghubungkan ke daya DCC (Digital Command and Control) yang digunakan oleh kereta model. DCC adalah cara untuk mentransmisikan daya tetapi juga informasi untuk "rolling stock" tertentu di trek. Ini adalah sinyal daya diferensial hingga 22 V. Informasi dilakukan dengan membalik polaritas dengan waktu tertentu. Tingkat flipping kira-kira 5-10 kHz. Untuk mendapatkan daya, perangkat gelombang penuh memperbaiki ini. Perangkat saya tidak mencoba men-decode informasi DCC, hanya mendapatkan sedikit daya. Saya menggunakan dioda tunggal untuk meluruskan setengah gelombang DCC ke topi keramik 10 μF. Droop pada tutup ini selama setengah siklus hanya sekitar 3 V, tetapi 3 Vpp itu cukup untuk membuatnya bernyanyi. Sirkuit bekerja dengan sempurna, tetapi seluruh papan mengeluarkan rengekan yang cukup menjengkelkan. Itu tidak dapat diterima dalam suatu produk, jadi untuk versi produksi, ini diubah menjadi 20 μF tutup elektrolit. Saya awalnya menggunakan keramik karena lebih murah, lebih kecil, dan seharusnya memiliki umur yang lebih panjang. Untungnya, perangkat ini tidak mungkin digunakan pada suhu tinggi, sehingga masa pakai tutup elektrolitik harus jauh lebih baik daripada nilai terburuknya.

Saya melihat dari komentar ada beberapa diskusi tentang mengapa mengganti catu daya kadang-kadang merengek. Beberapa di antaranya mungkin disebabkan oleh penutup keramik, tetapi komponen magnetik seperti induktor juga dapat bergetar karena dua alasan. Pertama, ada kekuatan pada setiap bit kawat di induktor sebanding dengan kuadrat arus melalui itu. Gaya ini menyamping ke kawat, membuat gelung bergetar jika tidak tertahan dengan baik. Kedua, ada sifat magnetik yang mirip dengan efek piezo elektrostatik, yang disebut magnetostriksi. Bahan inti induktor dapat mengubah ukuran sedikit sebagai fungsi medan magnet yang diterapkan. Ferrite tidak menunjukkan efek ini dengan sangat kuat, tetapi selalu ada sedikit, dan mungkin ada bahan lain di medan magnet. Saya pernah bekerja pada produk yang menggunakan efek magnetostriktif sebagai pickup magnetik. Dan ya,


2
Apakah mikrofonik adalah rengekan bernada tinggi yang kadang-kadang saya lihat orang melaporkan masalah dengan beberapa kartu GPU?
Dan Neely

@ Dan Sebenarnya saya pikir Olin mengacu pada fakta bahwa kapasitansi kapasitor keramik dapat berubah karena bergetar secara fisik. Suara dapat menyebabkan kapasitansi berubah. Jadi jika kapasitansi mempengaruhi suara yang dihasilkan, dan suara mempengaruhi kapasitansi, Anda mendapatkan umpan balik yang akan memiliki efek yang tidak diinginkan.
Stephen Collings

Setidaknya, saya menganggap efeknya tidak disengaja. Jika Anda mendesain efek mikrofonik dari tutup keramik, Anda mungkin melakukan sesuatu yang salah.
Stephen Collings

1
@DanNeely - Anggur bernada tinggi disebabkan oleh magnetostriksi dalam induktor perangkat . Saya tidak berpikir saya pernah melihat kapasitor membuat suara (well, kecuali ketika mereka gagal serempak).
Connor Wolf

@Remiel - Ini adalah pertimbangan umum dalam audio berkinerja tinggi, dan salah satu dari banyak alasan mereka tidak menggunakan tutup keramik di jalur audio.
Connor Wolf

Ada beberapa alasan untuk tidak mengubah desain dari elektrolitik menjadi keramik yang belum disebutkan:

  • Beberapa desain pengatur linier membutuhkan ESR elektrolit yang lebih tinggi pada kapasitor keluarannya untuk menjaga stabilitas.

  • Keramik kurang kuat dari elektrolitik bila mengalami kelenturan papan. Khususnya dalam ukuran besar, katakanlah 1206 ke atas, seperti Anda membutuhkan nilai di atas 10 - 20 uF dengan WV yang wajar, keramik mudah retak jika ada kelenturan di papan tulis. Flex merusak dapat terjadi di lapangan, atau bisa terjadi dengan beberapa metode mengeluarkan papan dari panel mereka diproduksi.


Berdasarkan pertanyaan penurunan OP, dan lebih jauh ke jawaban baik Olin:

IPC-9592A (yang merupakan standar untuk perangkat konversi daya keandalan tinggi) mengutip pedoman penurunan berikut:

MLCC keramik tetap:

  • Tegangan DC <= 80% dari peringkat produsen
  • Suhu: Minimum 10 ° C di bawah peringkat pabrik
  • Ukuran: Ukuran lebih besar dari 1210 tidak direkomendasikan karena potensi retak

Kapasitor elektrolit aluminium:

  • Tegangan DC <= 80% dari peringkat produsen (<= 90% untuk 250V atau perangkat yang lebih tinggi)
  • Umur / daya tahan:> = 10 tahun pada 40 ° C, beban 80% untuk perangkat Kelas II (pusat data), atau 5 tahun untuk perangkat Kelas I (tingkat konsumen)

The hidup / daya tahan Peringkat dari kapasitor elektrolit aluminium adalah fungsi dari semua tekanan itu - tegangan, arus riak dan suhu lingkungan. Jika tutupnya dalam aliran udara yang baik, dapat membutuhkan lebih banyak riak dan mempertahankan umur panjang. Topi panas tidak akan berumur panjang.

Untuk kapasitor keramik, ini juga tentang suhu. Suhu sekitar dan arus riak akan menghasilkan kenaikan suhu. Itu bukan untuk mengatakan bahwa keramik tidak menua - bahan dielektrik tertentu (bahan Kelas 2 seperti X7R dan Y5V) menurunkan kapasitansi dari waktu ke waktu - Bahan Kelas 1 sebagian besar kebal terhadap ini.

Juga, seperti yang dinyatakan Olin, bahan-bahan dieletrik tertentu mengalami roll-off kapasitansi yang signifikan sebagai fungsi dari tegangan bias DC. Sekali lagi, materi Kelas 2 menderita karena ini, materi Kelas 1 sebagian besar tidak.

Intinya, jika Anda menggunakan kedua jenis kapasitor, pertahankan tegangan maksimum di bawah 80% dari tegangan.

ESR yang jauh lebih rendah dari kapasitor keramik (vs tutup electroytic) memiliki implikasi stabilitas loop umpan balik. Dengan asumsi konverter Anda akan menjadi switcher dan memiliki filter LC output, jaringan kompensasi tipe-3 mungkin diperlukan untuk menstabilkan konverter.

ESR yang rendah menyebabkan gain loop terbuka turun pada -40 dB / dekade untuk interval yang lama (ESR nol didorong keluar ketika ESR turun) yang memerlukan gain + 20dB / dekade dalam jaringan kompensasi untuk cross-over frekuensi berada pada -20dB / dekade (yang merupakan salah satu dari tiga kriteria stabilitas loop yang dicari oleh desainer daya, bersama dengan margin keuntungan dan margin fase).


Saya mungkin salah, tetapi beralih ke topi massal keramik akan membuat anti-resonansi antara tutup massal dan tutup decoupling yang lebih kecil. Kecuali mereka dipilih dengan hati-hati, induktansi dari topi curah akan beresonansi dengan kapasitansi dari topi pelepas sambungan. Ini tidak terjadi dengan Tantalum dan topi elektrolit, karena ESR dari perangkat tersebut meredam resonansi. Sekali lagi, saya bisa salah, karena saya belum pernah mencoba ini dalam praktik.

Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.