1. Конденсаторы
Есть много заблуждений относительно конденсаторов, поэтому я хотел бы кратко пояснить, что такое емкость и что делают конденсаторы.
Емкость измеряет, сколько энергии будет храниться в электрическом поле, генерируемом между двумя разными точками для данной разности потенциалов. Вот почему емкость часто называют «двойной» индуктивностью. Индуктивность - это количество энергии, которое данный поток тока будет хранить в магнитном поле, а емкость та же, но для энергии, запасенной в электрическом поле (разностью потенциалов, а не током).
Конденсаторы не хранят электрический заряд, что является первым большим заблуждением. Они хранят энергию. Для каждого носителя заряда, который вы прижимаете к одной пластине, уходит держатель заряда на противоположной пластине. Чистый заряд остается тем же самым (пренебрегая любым возможным намного меньшим несбалансированным «статическим» зарядом, который может накапливаться на асимметричных внешних пластинах)
Конденсаторы накапливают энергию в диэлектрике, а не в проводящих пластинах. Только две вещи определяют эффективность конденсатора: его физические размеры (площадь пластины и расстояние между ними) и диэлектрическая проницаемость изоляции между пластинами. Чем больше площадь, тем больше поле, чем ближе пластины, тем сильнее поле (поскольку напряженность поля измеряется в Вольтах на метр, поэтому такая же разница потенциалов на гораздо меньшем расстоянии дает более сильное электрическое поле).
Диэлектрическая проницаемость - это то, насколько сильное поле будет генерироваться в конкретной среде. «Базовая» диэлектрическая проницаемость равна с нормированным значением 1. Это диэлектрическая проницаемость идеального вакуума или напряженность поля, возникающая в самом пространстве-времени. Материя оказывает на это очень большое влияние и может поддерживать создание более сильных полей. Лучшие материалы - это материалы с большим количеством электрических диполей, которые увеличивают напряженность поля, создаваемого в материале. ε
Площадь пластины, диэлектрик и разделение пластины. Это действительно все, что есть с конденсаторами. Так почему же они такие сложные и разнообразные?
Это не так. За исключением тех, которые имеют емкость более тысячи пФ. Если вам нужны такие смехотворные величины емкости, которые мы обычно принимаем как должное сегодня, такие как миллионы пикофарад (микрофарад) и даже на порядок выше, мы находимся во власти физики.
Как любой хороший инженер, перед лицом ограничений, налагаемых законами природы, мы все равно обманываем и преодолеваем эти ограничения. Электролитические конденсаторы и керамические конденсаторы с высокой емкостью (от 0,1 до 100 мкФ +) - это грязные приемы, которые мы использовали.
2. Электролитические конденсаторы
алюминий
Первое и самое важное различие (для которого они названы) состоит в том, что электролитические конденсаторы используют электролит. Электролит служит второй пластиной. Будучи жидкостью, это означает, что он может быть прямо против диэлектрика, даже если он имеет неравномерную форму. В алюминиевых электролитических конденсаторах это позволяет нам использовать преимущества окисления поверхности алюминия (твердые материалы, иногда преднамеренно пористые и пропитанные красителем для красок на анодированном алюминии, что составляет изоляционное сапфировое покрытие) для использования в качестве диэлектрика. Однако без электролитической «пластины» неровности поверхности не позволили бы жесткой металлической пластине приблизиться достаточно близко, чтобы получить хоть какое-то преимущество от использования оксида алюминия.
Более того, при использовании жидкости поверхность алюминиевой фольги может быть шероховатой, что приводит к значительному увеличению эффективной площади поверхности. Затем он анодируется до тех пор, пока на его поверхности не образуется достаточно толстый слой оксида алюминия. Шероховатая поверхность, которая будет непосредственно примыкать к другой «пластине» - нашему жидкому электролиту.
Однако есть проблемы. Наиболее знакомым является полярность. Анодирование алюминия, если не сказать по сходству со словом анод, это процесс, зависящий от полярности. Конденсатор всегда должен использоваться в полярности, которая анодирует алюминий. Противоположная полярность позволит электролиту разрушать поверхностный оксид, что оставляет вас с закороченным конденсатором. В любом случае, некоторые электролиты будут медленно разъедать этот слой, поэтому многие алюминиевые электролитические конденсаторы имеют срок годности. Они предназначены для использования, и это использование имеет полезный побочный эффект поддержания и даже восстановления поверхностного оксида. Однако при достаточно длительном неиспользовании оксид может быть полностью разрушен. Если вам необходимо использовать старый запыленный конденсатор с нестабильным состоянием, лучше всего «преобразовать» его, подав очень низкий ток (от сотен мкА до мА) от источника постоянного тока, и пусть напряжение будет медленно расти, пока оно не достигнет своего значения. Номинальное напряжение.
Другая проблема заключается в том, что из-за химии электролиты растворяют что-то ионное в растворителе. Неполимерные алюминиевые используют воду (с добавлением некоторых других ингредиентов «секретного соуса»). Что делает вода, когда через нее течет ток? Это электролиз! Отлично, если вы хотели кислород и газообразный водород, ужасно, если вы этого не сделали. В батареях контролируемая зарядка может поглощать этот газ, но конденсаторы не имеют электрохимической реакции, которая является обратной. Они просто используют электролит как проводящую вещь. Поэтому, несмотря ни на что, они генерируют незначительные количества газообразного водорода (кислород используется для создания слоя оксида алюминия), и, хотя он очень мал, он не позволяет нам герметично закрывать эти конденсаторы. Так они высыхают.
Стандартный срок полезного использования при максимальной температуре составляет 2000 часов. Это не очень долго. Около 83 дней. Это просто из-за более высоких температур, вызывающих более быстрое испарение воды. Если вы хотите, чтобы что-то было долговечным, важно сохранять его как можно более прохладным и получать модели с самой высокой выносливостью (я видел такие модели, которые достигают 15 000 часов). Когда электролит высыхает, он становится менее проводящим, что увеличивает СОЭ, что, в свою очередь, увеличивает тепло, что усугубляет проблему.
тантал
Танталовые конденсаторы являются другой разновидностью электролитических конденсаторов. Они используют диоксид марганца в качестве электролита, который является твердым в своей готовой форме. В процессе производства диоксид марганца растворяется в кислоте, а затем электрохимически осаждается (аналогично гальванизации) на поверхность порошка тантала, который затем спекается. Точные детали «магической» части, где они создают электрическую связь между всеми крошечными кусочками порошка тантала и диэлектриком, мне не известны (изменения или комментарии приветствуются!), Но достаточно сказать, что танталовые конденсаторы сделаны из тантал из-за химии, которая позволяет нам легко изготовить их из порошка (большая площадь поверхности).
Это дает им потрясающую объемную эффективность, но с затратами: свободный тантал и диоксид марганца могут подвергаться реакции, подобной термиту, который представляет собой оксид алюминия и железа. Только реакция тантала имеет гораздо более низкие температуры активации - температуры, которые легко и быстро достигаются, если противоположная полярность или событие перенапряжения пробивают отверстие в диэлектрике (пятиокись тантала, очень похожая на оксид алюминия) и создают короткое замыкание. Вот почему вы видите снижение напряжения и тока танталовых конденсаторов на 50% и более. Для тех, кто не знает о термите (который намного горячее, но все же не отличается от реакции с тантом и MnO 2 ), существует тонна огня и тепла. Он используется для сварки железнодорожных рельсов друг с другом, и он выполняет эту задачу в считанные секунды.
Существуют также полимерные электролитические конденсаторы, в которых используется проводящий полимер, который в форме мономера представляет собой жидкость, но при воздействии правильного катализатора полимеризуется в твердый материал. Это так же, как супер клей, который представляет собой жидкий мономер, который полимеризует твердое вещество, как только оно подвергается воздействию влаги (либо на / на поверхностях, на которые оно наносится, либо из самого воздуха). Таким образом, полимерные конденсаторы могут быть в основном твердым электролитом, что приводит к снижению СОЭ, большей долговечности и, как правило, лучшей прочности. Однако они все еще содержат небольшое количество растворителя в полимерной матрице, и оно должно быть проводящим. Таким образом, они все еще высыхают. Нет бесплатного обеда, к сожалению.
Теперь, каковы фактические электрические свойства этих типов конденсаторов? Мы уже упоминали полярность, но другая - это их ESR и ESL. Электролитические конденсаторы, из-за их конструкции в виде очень длинной пластины, намотанной на катушку, имеют относительно высокую ESL (эквивалентную последовательную индуктивность). Настолько высоко, что они совершенно неэффективны в качестве конденсаторов выше 100 кГц или 150 кГц для типов полимеров. Выше этой частоты они в основном просто резисторы, которые блокируют постоянный ток. Они ничего не сделают с вашей пульсацией напряжения, и вместо этого сделают пульсацию равной току пульсации, умноженному на ESR конденсатора, который часто может сделать пульсацию еще хуже . Конечно, это означает, что любой вид высокочастотного шума или пика просто выстрелит прямо через алюминиевый электролитический конденсатор, как будто его там даже не было.
Танталы не так плохи, но они все еще теряют свою эффективность на средних частотах (самые лучшие и самые маленькие могут достигать 1 МГц, большинство теряет свои емкостные характеристики около 300–600 кГц).
В общем, электролитические конденсаторы отлично подходят для хранения тонны энергии в небольшом пространстве, но на самом деле полезны только для борьбы с шумом или пульсацией ниже 100 кГц. Если бы не эта критическая слабость, было бы мало причин использовать что-либо еще.
3. Керамические конденсаторы
Керамические конденсаторы используют керамику в качестве диэлектрика с металлизацией с обеих сторон в качестве пластин. Я не буду вдаваться в классы 1 (с низкой емкостью), а только в класс II.
Конденсаторы класса II обманывают с использованием сегнетоэлектрического эффекта. Это очень похоже на ферромагнетизм, но только с электрическими полями. Сегнетоэлектрический материал имеет массу электрических диполей, которые могут в той или иной степени ориентироваться в присутствии внешнего электрического поля. Таким образом, применение электрического поля приведёт диполи в выравнивание, что требует энергии и заставит в конечном итоге накопить огромное количество энергии в электрическом поле. Помните, как вакуум был базовым 1? Сегнетоэлектрическая керамика, используемая в современных MLCC, имеет диэлектрическую проницаемость порядка 7000.
К сожалению, точно так же, как ферромагнитные материалы, поскольку более сильное и сильное поле намагничивает (или поляризует в нашем случае) материал, он начинает исчерпывать больше диполей для поляризации. Это насыщает. В конечном итоге это приводит к неприятным свойствам керамических конденсаторов типа X5R / X7R / etc: их емкость падает с напряжением смещения. Чем выше напряжение на их клеммах, тем ниже их эффективная емкость. Количество накопленной энергии по-прежнему постоянно увеличивается с напряжением, но оно не так хорошо, как можно было бы ожидать, исходя из его несмещенной емкости.
Номинальное напряжение керамического конденсатора очень мало влияет на это. Фактически, фактическое выдерживаемое напряжение большинства керамических изделий намного выше, 75 или 100 В для более низких напряжений. На самом деле, многие керамические конденсаторы, как я подозреваю, представляют собой одну и ту же деталь, но с разными номерами, причем один и тот же конденсатор емкостью 4,7 мкФ продается как конденсатор 35 В и 50 В под разными марками. График зависимости емкости некоторых MLCC от напряжения смещения идентичен, за исключением графика с более низким напряжением, график которого усечен при номинальном напряжении. Подозрительно, конечно, но я могу ошибаться.
В любом случае, покупка керамики с более высоким номинальным значением ничего не сделает для борьбы с этим падением емкости, связанным с напряжением, единственным фактором, который в конечном итоге играет роль, является физический объем диэлектрика. Больше материала означает больше диполей. Таким образом, физически большие конденсаторы будут сохранять большую емкость под напряжением.
Это тоже не банальный эффект. Керамический конденсатор 1210 10 мкФ, 50 В, настоящий зверь конденсатора, потеряет 80% своей емкости на 50 В. Некоторые немного лучше, некоторые немного хуже, но 80% - разумная цифра. Лучшее, что я видел, было 1210 (в дюймах) емкостью около 3 мкФ к моменту, когда оно достигло 60 В, в любом случае в корпусе 1210. Керамике размером 50 мкФ размером 1206 (дюймы) с напряжением 50 В повезет, если на 50 В осталось 500 нФ.
Керамика класса II также пьезоэлектрическая и пироэлектрическая, хотя это на самом деле не влияет на них электрически. Они, как было известно, вибрируют или поют из-за пульсации и могут действовать как микрофоны. Вероятно, лучше избегать их использования в качестве конденсаторов связи в аудиосистемах.
В противном случае керамика имеет самые низкие ESL и ESR из всех конденсаторов. Они наиболее похожи на конденсаторы. Их ESL настолько низок, что основным источником является высота концевых окончаний на самой упаковке. Да, эта высота керамики 0805 является основным источником его 3 нГл ESL. Они по-прежнему ведут себя как конденсаторы на многих МГц или даже выше для специализированных типов радиочастот. Они также могут разъединять много шума и быстро разъединять такие вещи, как цифровые схемы, для которых электролитики бесполезны.
В заключение электролитики являются:
- много объемной емкости в крошечной упаковке
- ужасен во всех отношениях
Они медленные, они изнашиваются, они загораются, они превратятся в короткие, если вы неправильно их поляризуете. По каждому критерию измеряются конденсаторы, за исключением самой емкости, электролитические соединения абсолютно ужасны. Вы используете их, потому что должны, а не потому, что хотите.
Керамика это:
- Нестабильны и теряют свою емкость при смещении напряжения
- Может вибрировать или выступать в роли микрофона. Или наноактуаторы!
- В остальном потрясающие.
Керамические конденсаторы - это то, что вы хотите использовать, но не всегда можете. Они на самом деле ведут себя как конденсаторы и даже на высоких частотах, но не могут сравниться с объемным КПД электролитики, и только типы 1 класса (которые имеют очень небольшое количество емкости) будут иметь стабильную емкость. Они немного различаются в зависимости от температуры и напряжения. О, они также могут взломать и не настолько механически устойчивы.
О, последнее замечание: вы можете отлично использовать электролитику в приложениях переменного / неполяризованного напряжения, и все остальные проблемы, конечно же, остаются в игре. Просто подключите пару обычных поляризованных электролитических конденсаторов с одинаковыми клеммами полярности вместе, и теперь концы противоположной полярности являются клеммами совершенно нового, неполярного электролитического. До тех пор, пока их значения емкости достаточно хорошо согласованы и имеется ограниченная величина смещения постоянного тока в устойчивом состоянии, кажется, что конденсаторы выдерживают использование.
