Kann ich alle Elektrolytkondensatoren durch Keramik ersetzen?

100 µF gehen wirklich an die Grenze für Keramikkappen. Wenn Ihre Spannungen niedrig sind, wie ein paar Volt bis 10 oder vielleicht 20 Volt, dann kann es sinnvoll sein, mehrere Keramiken parallel zu schalten.

Keramikkappen mit hoher Kapazität haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. Die Vorteile sind ein viel niedrigerer äquivalenter Serienwiderstand und daher eine viel höhere Ripple-Stromfähigkeit, Nützlichkeit für höhere Frequenzen, geringere Wärmeempfindlichkeit, viel bessere Lebensdauer und in den meisten Fällen eine bessere mechanische Robustheit. Sie haben auch ihre eigenen Probleme. Die Kapazität kann sich mit Spannung erheblich verschlechtern, und die dichtere (mehr Energiespeicherung pro Volumen) Keramik weist Piezoeffekte auf, die oft als "Mikrofonie" bezeichnet werden. Unter den falschen Umständen kann dies zu Oszillationen führen, aber das ist selten.

Für Schaltnetzteilanwendungen sind Keramiken normalerweise ein besserer Kompromiss als Elektrolyte, es sei denn, Sie benötigen zu viel Kapazität. Dies liegt daran, dass sie viel mehr Rippelstrom aufnehmen und besser heizen können. Die Lebensdauer von Elektrolyten wird durch Hitze stark beeinträchtigt, was bei Netzteilen oft ein Problem darstellt.

Sie müssen Keramik nicht so stark herabsetzen wie Elektrolyte, da die Lebensdauer von Keramik zunächst viel größer ist und viel weniger von der angelegten Spannung abhängt. Bei Keramik ist zu beachten, dass die dichten aus einem nichtlinearen Material bestehen, was sich als reduzierte Kapazität an den höheren Enden des Spannungsbereichs zeigt.

Über Mikrofonie hinzugefügt:

Einige Dielektrika ändern physikalisch ihre Größe als Funktion des angelegten elektrischen Feldes. Bei vielen ist der Effekt so gering, dass man ihn nicht bemerkt und vernachlässigen kann. Einige Keramiken zeigen jedoch eine so starke Wirkung, dass Sie die resultierenden Vibrationen schließlich hören können. Normalerweise hört man einen Kondensator nicht alleine, aber da diese ziemlich starr auf eine Platine gelötet sind, können die kleinen Vibrationen des Kondensators dazu führen, dass die viel größere Platine auch vibriert, insbesondere bei einer Resonanzfrequenz der Platine. Das Ergebnis kann durchaus hörbar sein.

Natürlich funktioniert auch das Umgekehrte, da physikalische Eigenschaften im Allgemeinen in beide Richtungen funktionieren, und diese hier ist keine Ausnahme. Da die angelegte Spannung die Abmessungen des Kondensators ändern kann, kann eine Änderung seiner Abmessungen durch Anlegen von Spannung seine Leerlaufspannung ändern. Tatsächlich fungiert der Kondensator als Mikrofon. Es kann die mechanischen Vibrationen aufnehmen, denen die Platine ausgesetzt ist, und diese können in die elektrischen Signale auf der Platine einfließen. Diese Arten von Kondensatoren werden aus diesem Grund in hochempfindlichen Audioschaltkreisen vermieden.

Weitere Informationen zur dahinter stehenden Physik finden Sie unter Eigenschaften von Bariumtitanat als Beispiel. Dies ist ein übliches Dielektrikum für einige Keramikkappen, da es wünschenswerte elektrische Eigenschaften hat, insbesondere eine ziemlich gute Energiedichte im Vergleich zu den Keramiken. Dies wird dadurch erreicht, dass das Titanatom zwischen zwei Energiezuständen wechselt. Die effektive Größe des Atoms unterscheidet sich jedoch zwischen den beiden Energiezuständen, daher ändert sich die Größe des Gitters, und wir erhalten eine physikalische Verformung als Funktion der angelegten Spannung.

Anekdote:Ich bin kürzlich direkt auf dieses Problem gestoßen. Ich habe ein Gizmo entworfen, das an die DCC-Stromversorgung (Digital Command and Control) angeschlossen wird, die von Modelleisenbahnen verwendet wird. DCC ist eine Möglichkeit, Energie, aber auch Informationen an bestimmte „Fahrzeuge“ auf den Gleisen zu übertragen. Es ist ein differentielles Leistungssignal von bis zu 22 V. Informationen werden durch Umkehren der Polarität mit einem bestimmten Timing übertragen. Die Flipping-Rate beträgt ungefähr 5-10 kHz. Um Strom zu erhalten, richten Geräte dies vollwellengleich. Mein Gerät hat nicht versucht, die DCC-Informationen zu dekodieren, sondern nur ein wenig Strom bekommen. Ich habe eine einzelne Diode verwendet, um den DCC auf einer 10-µF-Keramikkappe gleichzurichten. Der Spannungsabfall an dieser Kappe während des Aus-Halbzyklus betrug nur etwa 3 V, aber diese 3 Vpp reichten aus, um sie zum Singen zu bringen. Die Schaltung funktionierte einwandfrei, aber das ganze Board gab ein ziemlich nerviges Heulen von sich. Das war bei einem Produkt nicht akzeptabel, Für die Produktionsversion wurde dies auf eine 20-µF-Elektrolytkappe geändert. Ich habe mich ursprünglich für Keramik entschieden, weil es billiger und kleiner war und eine längere Lebensdauer haben sollte. Glücklicherweise ist es unwahrscheinlich, dass dieses Gerät bei hohen Temperaturen verwendet wird, sodass die Lebensdauer des Elektrolytdeckels viel besser sein sollte als seine Worst-Case-Bewertung.

Ich sehe aus den Kommentaren, dass es einige Diskussionen darüber gibt, warum Schaltnetzteile manchmal jammern. Ein Teil davon könnte an den Keramikkappen liegen, aber auch magnetische Komponenten wie Induktoren können aus zwei Gründen vibrieren. Erstens wirkt auf jedes Drahtstück im Induktor eine Kraft, die proportional zum Quadrat des Stroms ist. Diese Kraft wirkt seitlich zum Draht und lässt die Spule vibrieren, wenn sie nicht gut gehalten wird. Zweitens gibt es eine dem elektrostatischen Piezoeffekt ähnliche magnetische Eigenschaft, die als Magnetostriktion bezeichnet wird. Das Induktorkernmaterial kann seine Größe als Funktion des angelegten Magnetfelds geringfügig ändern. Ferrite zeigen diesen Effekt nicht sehr stark, aber ein bisschen ist immer da, und es kann auch anderes Material im Magnetfeld sein. Ich habe einmal an einem Produkt gearbeitet, das den magnetostriktiven Effekt als magnetischen Tonabnehmer nutzte. Und ja,

Es gibt ein paar Gründe , ein Design nicht von Elektrolyten auf Keramik umzustellen, die noch nicht erwähnt wurden:

• Einige Linearregler-Designs erfordern den höheren ESR des Elektrolyten an ihrem Ausgangskondensator, um die Stabilität aufrechtzuerhalten.

• Keramiken sind weniger robust als Elektrolyte, wenn sie einer Plattenbiegung ausgesetzt werden. Besonders in den großen Größen, z. B. 1206 und höher, wie Sie sie für Werte über 10 - 20 uF mit angemessenem WV benötigen, bricht Keramik leicht, wenn sich die Platine verbiegt. Die schädliche Biegung kann vor Ort auftreten oder bei einigen Methoden zum Heraustrennen der Platinen aus der Platte, in der sie hergestellt werden.

Gemäß den Derating-Fragen von OP und weiter zu Olins guter Antwort:

IPC-9592A (eine Norm für hochzuverlässige Leistungsumwandlungsgeräte) nennt die folgenden Derating-Richtlinien:

Feste Keramik-MLCCs:

• Gleichspannung <= 80 % der Herstellerangabe
• Temperatur: Mindestens 10 °C unter der Herstellerangabe
• Größe: Größen größer als 1210 werden wegen möglicher Rissbildung nicht empfohlen

Aluminium-Elektrolytkondensatoren:

• Gleichspannung <= 80 % der Herstellerangabe (<= 90 % für 250-V- oder höhere Geräte)
• Lebensdauer / Ausdauer: >= 10 Jahre bei 40 °C, 80 % Last für Geräte der Klasse II (Rechenzentrumsmaterial) oder 5 Jahre für Geräte der Klasse I (Verbraucherklasse)

Die Lebensdauer/Haltbarkeit eines Aluminium-Elektrolytkondensators ist eine Funktion all seiner Belastungen – Spannung, Restwelligkeit und Umgebungstemperatur. Wenn sich die Kappe in einem guten Luftstrom befindet, kann sie mehr Wellen vertragen und eine lange Lebensdauer aufrechterhalten. Eine heiße Mütze hat kein langes Leben.

Bei Keramikkondensatoren geht es auch um die Temperatur. Die Umgebungstemperatur und der Welligkeitsstrom führen zu einem Temperaturanstieg. Das soll nicht heißen, dass Keramik nicht altert – bestimmte dielektrische Materialien (Materialien der Klasse 2 wie X7R und Y5V) bauen mit der Zeit ihre Kapazität ab – Materialien der Klasse 1 sind dagegen weitgehend immun.

Wie Olin feststellte, leiden auch bestimmte dielektrische Materialien unter einem erheblichen Kapazitätsabfall als Funktion der DC-Vorspannung. Auch hier leiden Materialien der Klasse 2 darunter, Materialien der Klasse 1 größtenteils nicht.

Wenn Sie beide Arten von Kondensatoren verwenden, halten Sie im Wesentlichen die maximale Spannung unter 80 % der Belastung.

Der viel niedrigere ESR von Keramikkondensatoren (im Vergleich zu Elektrolytkondensatoren) hat Auswirkungen auf die Stabilität der Rückkopplungsschleife. Unter der Annahme, dass Ihr Konverter ein Umschalter ist und über einen LC-Ausgangsfilter verfügt, ist möglicherweise ein Typ-3-Kompensationsnetzwerk erforderlich, um den Konverter zu stabilisieren.

Der niedrige ESR führt dazu, dass die Open-Loop-Verstärkung bei -40 dB/Dekade für ein langes Intervall abfällt (die ESR-Null wird verschoben, wenn der ESR abfällt), was eine Verstärkung von +20 dB/Dekade im Kompensationsnetzwerk für die Frequenzüberkreuzung erforderlich macht bei -20dB/Dekade liegen (was eines der drei Schleifenstabilitätskriterien ist, nach denen Leistungsentwickler suchen, zusammen mit Verstärkungsreserve und Phasenreserve).

Ich kann mich irren, aber der Wechsel zu Keramik-Bulk-Kappen erzeugt eine Antiresonanz zwischen den Bulk-Kappen und den kleineren Entkopplungskappen. Wenn sie nicht sorgfältig ausgewählt werden, schwingt die Induktivität der Bulk-Kappen mit der Kapazität der Entkopplungskappen mit. Bei Tantal- und Elkos passiert das nicht, da der ESR dieser Geräte die Resonanz dämpft. Auch hier könnte ich mich irren, da ich dies noch nie in der Praxis ausprobiert habe.