Ein kurzes Googlen und alles, was ich zu finden scheine, sind Leute, die über die Physik und die Chemie der Kondensatoren sprechen, aber nicht , wie sich dies auf die Auswahl der zu verwendenden Kondensatoren auswirkt.
Was sind die Hauptgedanken, die dazu führen, welche Art von Kondensator für eine Anwendung verwendet werden sollte, ohne über den Unterschied in ihrer Zusammensetzung und die größeren Kapazitäten von Elektrolytkondensatoren zu sprechen?
Warum sehe ich zum Beispiel die Verwendung von Keramikkappen zur Leistungsentkopplung pro Mikroprozessor und einen größeren Elektrolytkondensator pro Platine? warum nicht überall elektrolytisch verwenden?
Es gibt viele Missverständnisse über Kondensatoren, deshalb wollte ich kurz klarstellen, was Kapazität ist und was Kondensatoren tun.
Die Kapazität misst, wie viel Energie in dem elektrischen Feld gespeichert wird, das zwischen zwei verschiedenen Punkten für eine bestimmte Potentialdifferenz erzeugt wird. Aus diesem Grund wird die Kapazität oft als „Dual“ der Induktivität bezeichnet. Die Induktivität gibt an, wie viel Energie ein bestimmter Stromfluss in einem Magnetfeld speichert, und die Kapazität ist dieselbe, außer für die in einem elektrischen Feld gespeicherte Energie (durch eine Potentialdifferenz und nicht durch Strom).
Kondensatoren speichern keine elektrische Ladung, was das erste große Missverständnis ist. Sie speichern Energie. Für jeden Ladungsträger, den Sie auf eine Platte zwingen, verlässt ein Ladungsträger die gegenüberliegende Platte. Die Nettoladung bleibt gleich (unter Vernachlässigung einer möglichen viel kleineren unausgeglichenen "statischen" Ladung, die sich auf asymmetrischen, freiliegenden äußeren Platten aufbauen könnte).
Kondensatoren speichern Energie im Dielektrikum, NICHT in den leitfähigen Platten. Nur zwei Dinge bestimmen die Effektivität eines Kondensators: seine physikalischen Abmessungen (Plattenfläche und Abstand zwischen ihnen) und die Dielektrizitätskonstante der Isolierung zwischen den Platten. Mehr Fläche bedeutet ein größeres Feld, engere Platten bedeuten ein stärkeres Feld (da die Feldstärke in Volt pro Meter gemessen wird, ergibt der gleiche Potentialunterschied über eine viel geringere Entfernung ein stärkeres elektrisches Feld).
Die Dielektrizitätskonstante gibt an, wie stark ein Feld in einem bestimmten Medium erzeugt wird. Die 'Grundlinien'-Dielektrizitätskonstante ist , mit einem normalisierten Wert von 1. Dies ist die Dielektrizitätskonstante eines perfekten Vakuums oder die Feldstärke, die durch die Raumzeit selbst auftritt. Materie hat darauf einen sehr großen Einfluss und kann die Erzeugung viel stärkerer Felder unterstützen. Die besten Materialien sind Materialien mit vielen elektrischen Dipolen, die die Stärke eines innerhalb des Materials erzeugten Feldes erhöhen.
Plattenfläche, Dielektrikum und Plattenabstand. Das ist wirklich alles, was es an Kondensatoren gibt. Warum sind sie also so kompliziert und vielfältig?
Das sind sie nicht. Außer denen mit viel mehr als Tausend pF Kapazität. Wenn Sie solche lächerlichen Kapazitätsmengen wollen, die wir heute meist als selbstverständlich ansehen, solche Mengen in Millionen von Picofarad (Mikrofarad) und sogar Größenordnungen darüber hinaus, sind wir der Physik ausgeliefert.
Wie jeder gute Ingenieur schummeln wir angesichts der durch die Naturgesetze auferlegten Grenzen und umgehen diese Grenzen trotzdem. Elektrolytkondensatoren und Keramikkondensatoren mit hoher Kapazität (0,1 µF bis 100 µF+) sind die schmutzigen Tricks, die wir angewendet haben.
Der erste und wichtigste Unterschied (nach dem sie benannt sind) besteht darin, dass Elektrolytkondensatoren einen Elektrolyten verwenden. Der Elektrolyt dient als zweite Platte. Da es sich um eine Flüssigkeit handelt, bedeutet dies, dass es direkt an einem Dielektrikum anliegen kann, selbst wenn es ungleichmäßig geformt ist. In Aluminium-Elektrolytkondensatoren ermöglicht uns dies, die Oberflächenoxidation von Aluminium (das harte Material, manchmal absichtlich porös und mit Farbstoff imprägniert für Farben, auf eloxiertem Aluminium, das einer isolierenden Saphirbeschichtung gleichkommt) zur Verwendung als Dielektrikum zu nutzen. Ohne eine elektrolytische "Platte" würde die Unebenheit der Oberfläche jedoch verhindern, dass eine starre Metallplatte nahe genug kommt, um überhaupt einen Vorteil aus der Verwendung von Aluminiumoxid zu ziehen.
Noch besser, durch die Verwendung einer Flüssigkeit kann die Oberfläche der Aluminiumfolie aufgeraut werden, was eine große Vergrößerung des effektiven Oberflächenbereichs bewirkt. Anschließend wird es solange eloxiert, bis sich auf seiner Oberfläche eine ausreichend dicke Aluminiumoxidschicht gebildet hat. Eine raue Oberfläche, von der alle direkt an die andere „Platte“ angrenzen – unser flüssiges Elektrolyt.
Es gibt jedoch Probleme. Die bekannteste ist die Polarität. Anodisierung von Aluminium, wenn man es nicht an der Ähnlichkeit mit dem Wort Anode erkennen könnte, ist ein polaritätsabhängiger Prozess. Der Kondensator muss immer in der Polarität verwendet werden, die das Aluminium anodisiert. Die entgegengesetzte Polarität ermöglicht es dem Elektrolyten, das Oberflächenoxid zu zerstören, was zu einem kurzgeschlossenen Kondensator führt. Einige Elektrolyte fressen diese Schicht sowieso langsam auf, so dass viele Aluminium-Elektrolytkondensatoren eine Haltbarkeit haben. Sie sind für den Gebrauch konzipiert, und dieser Gebrauch hat den positiven Nebeneffekt, dass das Oberflächenoxid erhalten und sogar wiederhergestellt wird. Bei ausreichend langer Nichtbenutzung kann das Oxid jedoch vollständig zerstört werden. Wenn Sie einen alten, verstaubten Kondensator mit unsicherem Zustand verwenden müssen, ist es am besten, ihn zu „reformieren“, indem Sie einen sehr niedrigen Strom (Hunderte von µA bis mA) von einer Konstantstromquelle anlegen und die Spannung langsam ansteigen lassen, bis sie ihren Wert erreicht Nennspannung.
Das andere Problem ist, dass Elektrolyte aufgrund der Chemie etwas Ionisches sind, das in einem Lösungsmittel gelöst ist. Nicht polymere Aluminiumprodukte verwenden Wasser (mit einigen anderen Zutaten für die „geheime Soße“). Was macht Wasser, wenn Strom durch es fließt? Es elektrolysiert! Großartig, wenn Sie Sauerstoff und Wasserstoffgas wollten, schrecklich, wenn nicht. In Batterien kann dieses Gas durch kontrolliertes Wiederaufladen wieder absorbiert werden, aber Kondensatoren haben keine umgekehrte elektrochemische Reaktion. Sie verwenden den Elektrolyten einfach als etwas, das leitfähig ist. Sie erzeugen also in jedem Fall winzige Mengen an Wasserstoffgas (der Sauerstoff wird zum Aufbau der Aluminiumoxidschicht verwendet), und obwohl es sehr klein ist, hindert es uns daran, diese Kondensatoren hermetisch abzudichten. Sie trocknen also aus.
Die Standardnutzungsdauer bei maximaler Temperatur beträgt 2.000 Stunden. Das ist nicht sehr lange. Rund 83 Tage. Dies liegt einfach daran, dass höhere Temperaturen dazu führen, dass das Wasser schneller verdunstet. Wenn Sie möchten, dass etwas eine lange Lebensdauer hat, ist es wichtig, es so kühl wie möglich zu halten und die Modelle mit der höchsten Ausdauer zu kaufen (ich habe solche mit bis zu 15.000 Stunden gesehen). Wenn der Elektrolyt austrocknet, wird er weniger leitfähig, was den ESR erhöht, was wiederum die Wärme erhöht, was das Problem verschlimmert.
Tantalkondensatoren sind die andere Art von Elektrolytkondensatoren. Diese verwenden als Elektrolyt Mangandioxid, das in seiner fertigen Form fest ist. Bei der Herstellung wird Braunstein in einer Säure gelöst, dann elektrochemisch (ähnlich wie beim Galvanisieren) auf der Oberfläche von Tantalpulver abgeschieden, das dann gesintert wird. Die genauen Details des „magischen“ Teils, in dem sie eine elektrische Verbindung zwischen all den winzigen Tantalpulverstücken und dem Dielektrikum herstellen, sind mir nicht bekannt (Bearbeitungen oder Kommentare sind willkommen!), aber es genügt zu sagen, dass Tantalkondensatoren hergestellt werden aus Tantal aufgrund einer Chemie, die es uns ermöglicht, sie leicht aus einem Pulver (große Oberfläche) herzustellen.
Dies verleiht ihnen einen enormen volumetrischen Wirkungsgrad, aber zu einem Preis: Das freie Tantal und Mangandioxid können eine ähnliche Reaktion eingehen wie Thermit, das Aluminium und Eisenoxid ist. Nur hat die Tantalreaktion viel niedrigere Aktivierungstemperaturen - Temperaturen, die leicht und schnell erreicht werden, sollte eine entgegengesetzte Polarität oder ein Überspannungsereignis ein Loch durch das Dielektrikum (Tantalpentoxid, ähnlich wie Aluminiumoxid) schlagen und einen Kurzschluss erzeugen. Aus diesem Grund werden Spannung und Strom von Tantalkondensatoren um 50 % oder mehr herabgesetzt. Für diejenigen, die Thermit nicht kennen (das viel heißer ist, aber der Tantal- und MnO 2 -Reaktion immer noch nicht unähnlich ist), gibt es eine Menge Feuer und Hitze. Es wird verwendet, um Eisenbahnschienen miteinander zu verschweißen, und es erledigt diese Aufgabe in Sekundenschnelle.
Es gibt auch Polymer-Elektrolytkondensatoren, die leitfähiges Polymer verwenden, das in seiner Monomerform eine Flüssigkeit ist, aber wenn es dem richtigen Katalysator ausgesetzt wird, zu einem festen Material polymerisiert. Dies ist genau wie Sekundenkleber, ein flüssiges Monomer, das fest polymerisiert, sobald es Feuchtigkeit ausgesetzt wird (entweder in/auf den Oberflächen, auf die es aufgetragen wird, oder aus der Luft selbst). Auf diese Weise können Polymerkondensatoren größtenteils ein Festelektrolyt sein, was zu einem reduzierten ESR, einer längeren Lebensdauer und einer allgemein besseren Robustheit führt. Sie haben jedoch immer noch eine kleine Menge Lösungsmittel in der Polymermatrix, und es muss leitfähig sein. Sie trocknen also immer noch aus. Leider kein kostenloses Mittagessen.
Was sind nun die tatsächlichen elektrischen Eigenschaften dieser Kondensatortypen? Wir haben bereits die Polarität erwähnt, aber die andere ist ihre ESR und ESL. Da Elektrolytkondensatoren als sehr lange Platte aufgebaut sind, die zu einer Spule gewickelt ist, haben sie eine relativ hohe ESL (äquivalente Serieninduktivität). Tatsächlich so hoch, dass sie als Kondensatoren über 100 kHz oder 150 kHz für Polymertypen völlig unwirksam sind. Oberhalb dieser Frequenz sind sie im Grunde nur Widerstände, die Gleichstrom blockieren. Sie werden nichts mit Ihrer Spannungswelligkeit tun und stattdessen die Welligkeit gleich dem Welligkeitsstrom multipliziert mit dem ESR des Kondensators machen, was die Welligkeit oft noch schlimmer machen kann . Dies bedeutet natürlich, dass jede Art von Hochfrequenzrauschen oder -spitzen einfach durch einen Aluminium-Elektrolytkondensator schießt, als wäre er nicht einmal da.
Tantal ist nicht ganz so schlimm, verliert aber bei mittleren Frequenzen immer noch an Wirksamkeit (die besten und kleinsten können fast 1 MHz erreichen, die meisten verlieren ihre kapazitive Eigenschaft bei etwa 300–600 kHz).
Alles in allem eignen sich Elektrolytkondensatoren hervorragend zum Speichern einer Tonne Energie auf kleinem Raum, sind aber wirklich nur nützlich, um mit Rauschen oder Welligkeit unter 100 kHz fertig zu werden. Ohne diese kritische Schwäche gäbe es wenig Grund, etwas anderes zu verwenden.
Keramikkondensatoren verwenden eine Keramik als Dielektrikum mit einer Metallisierung auf beiden Seiten als Platten. Ich werde nicht auf Typen der Klasse 1 (niedrige Kapazität) eingehen, sondern nur auf Klasse II.
Kondensatoren der Klasse II betrügen mit dem ferroelektrischen Effekt. Dies ist dem Ferromagnetismus sehr ähnlich, nur mit elektrischen Feldern. Ein ferroelektrisches Material hat eine Tonne elektrischer Dipole, die bis zu einem gewissen Grad in Gegenwart eines externen elektrischen Felds ausgerichtet werden können. Das Anlegen eines elektrischen Felds zieht also die Dipole in Ausrichtung, was Energie erfordert und dazu führt, dass eine enorme Energiemenge letztendlich im elektrischen Feld gespeichert wird. Erinnern Sie sich, wie ein Vakuum die Grundlinie von 1 war? Die in modernen MLCCs verwendeten ferroelektrischen Keramiken haben eine Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 7.000.
Unglücklicherweise gehen, genau wie bei ferromagnetischen Materialien, wenn ein stärkeres und stärkeres Feld ein Material magnetisiert (oder in unserem Fall polarisiert), ihm die Dipole zur Polarisierung aus. Es sättigt. Dies führt letztendlich zu der unangenehmen Eigenschaft von Keramikkondensatoren des Typs X5R/X7R/etc: Ihre Kapazität fällt mit der Vorspannung ab. Je höher die Spannung an ihren Anschlüssen ist, desto geringer ist ihre effektive Kapazität. Die gespeicherte Energiemenge steigt immer noch mit der Spannung, aber sie ist bei weitem nicht so gut, wie Sie aufgrund ihrer nicht vorgespannten Kapazität erwarten würden.
Die Nennspannung eines Keramikkondensators hat darauf nur einen sehr geringen Einfluss. Tatsächlich ist die tatsächliche Spannungsfestigkeit der meisten Keramiken viel höher, 75 oder 100 V für die mit niedrigerer Spannung. Tatsächlich sind viele Keramikkondensatoren, die ich vermute, genau das gleiche Teil, aber mit unterschiedlichen Teilenummern, wobei derselbe 4,7-µF-Kondensator sowohl als 35-V- als auch als 50-V-Kondensator unter verschiedenen Labels verkauft wird. Der Graph der Kapazität gegenüber der Vorspannung einiger MLCCs ist identisch, abgesehen davon, dass der Graph für die niedrigere Spannung bei seiner Nennspannung abgeschnitten ist. Verdächtig, sicherlich, aber ich könnte mich irren.
Wie auch immer, der Kauf von höher bewerteter Keramik wird nichts dazu beitragen, diesen spannungsbedingten Kapazitätsabfall zu bekämpfen, der einzige Faktor, der letztendlich eine Rolle spielt, ist das physikalische Volumen des Dielektrikums. Mehr Material bedeutet mehr Dipole. Physikalisch größere Kondensatoren behalten also mehr Kapazität unter Spannung.
Auch dies ist kein trivialer Effekt. Ein 1210 10 µF 50 V Keramikkondensator, ein wahres Biest von einem Kondensator, verliert 80 % seiner Kapazität bei 50 V. Einige sind etwas besser, andere etwas schlechter, aber 80 % sind eine vernünftige Zahl. Das Beste, was ich gesehen habe, war, dass ein 1210 (Zoll) eine Kapazität von etwa 3 µF beibehält, wenn er 60 V erreicht, jedenfalls in einem 1210-Gehäuse. Eine 10 µF 1206 (Zoll) große 50-V-Keramik hat das Glück, 500 nF bei 50 V übrig zu haben.
Keramik der Klasse II ist auch piezoelektrisch und pyroelektrisch, obwohl dies sie nicht wirklich elektrisch beeinflusst. Es ist bekannt, dass sie aufgrund von Welligkeit vibrieren oder singen und als Mikrofone fungieren können. Wahrscheinlich ist es am besten, sie nicht als Koppelkondensatoren in Audioschaltungen zu verwenden.
Ansonsten haben Keramiken die niedrigsten ESL und ESR aller Kondensatoren. Sie sind die "Kondensator-ähnlichsten" der Gruppe. Ihre ESL ist so niedrig, dass die Hauptquelle die Höhe der Endanschlüsse am Gehäuse selbst ist. Ja, diese Höhe einer 0805-Keramik ist die Hauptquelle für ihre 3 nH ESL. Sie verhalten sich immer noch wie Kondensatoren bis zu vielen MHz oder sogar noch höher für spezialisierte HF-Typen. Sie können auch viel Rauschen entkoppeln und sehr schnelle Dinge wie digitale Schaltungen entkoppeln, für die Elkos nutzlos sind.
Zusammenfassend sind Elektrolyte:
Sie sind langsam, sie nutzen sich ab, sie fangen Feuer, sie werden zu einem Kurzschluss, wenn Sie sie falsch polarisieren. Nach allen Kriterien werden Kondensatoren gemessen, abgesehen von der Kapazität selbst, Elektrolyte sind absolut schrecklich. Sie verwenden sie, weil Sie müssen, niemals, weil Sie es wollen.
Keramik sind:
Keramikkondensatoren sind das, was Sie verwenden möchten, aber nicht immer können. Sie verhalten sich tatsächlich wie Kondensatoren und sogar bei hohen Frequenzen, können aber nicht mit dem volumetrischen Wirkungsgrad von Elektrolyten mithalten, und nur Typen der Klasse 1 (die eine sehr geringe Kapazität haben) werden eine stabile Kapazität haben. Sie variieren ziemlich stark mit Temperatur und Spannung. Oh, sie können auch reißen und sind mechanisch nicht so robust.
Oh, eine letzte Anmerkung, Sie können Elektrolyte gut in Wechselstrom-/nicht polarisierten Anwendungen verwenden, wobei all ihre anderen Probleme natürlich immer noch im Spiel sind. Verbinden Sie einfach ein Paar normal polarisierter Elektrolytkondensatoren mit Klemmen gleicher Polarität miteinander, und jetzt sind die Enden mit entgegengesetzter Polarität die Klemmen eines brandneuen, unpolaren Elektrolyten. Solange ihre Kapazitätswerte ziemlich gut aufeinander abgestimmt sind und eine begrenzte Gleichspannungsvorspannung im stationären Zustand vorhanden ist, scheinen die Kondensatoren im Einsatz zu bestehen.
The dielectric constant is how strong a field will be generated in a specific medium. The lowest and 'baseline' dielectric constant is ε0, with a normalized value of 1.
Ist das wirklich? Das ist das erste Mal, dass ich davon höre. Normalerweise habe ich die Formel ε=ε0*εr gesehen, wobei εr für Vakuum auf 1 normalisiert ist und die Konstante ε0 bei etwa 8,85e-12 F/m liegt.Warum sehe ich zum Beispiel die Verwendung von Keramikkappen zur Leistungsentkopplung pro Mikroprozessor und einen größeren Elektrolytkondensator pro Platine? warum nicht überall elektrolytisch verwenden?
Die drei Haupttypen haben unterschiedliche Eigenschaften – ich schlage vor, dass Sie einige Nachforschungen anstellen, aber die wichtigsten Dinge, auf die Sie achten sollten, sind
Eigenresonanzfrequenz (hervorgerufen durch die wirksame Längsinduktivität). Einfaches Beispiel unten gezeigt: -
dielektrische Verluste (normalerweise bei hohen Frequenzen): -
Ich bin mir sicher, dass es noch ein paar andere Dinge gibt, aber diese werden sich während Ihrer Untersuchung herausstellen.
Der offensichtliche Unterschied besteht darin, dass Elektrolyte viel größer sind als Keramiken. 1 mm x 0,5 mm große Keramiken sind im Garten weit verbreitet, Ihre Elektrolytdosen sind viel größer.
Wie andere bereits angemerkt haben, eignen sich Elektrolyte bei hohen Frequenzen nicht so gut, sodass sie nicht zum Umgehen "hoher" Frequenzen geeignet sind. Sie können nicht mit 1-MHz-Chips mithalten, geschweige denn mit 125-MHz-Gigabit-Ethernet-PHY.
Ein weiterer Streitpunkt ist der ESR. In Leistungsanwendungen führt dies tendenziell direkt zu Abwärme in Schaltknoten, sodass ein Elektrolyt eher nach dem Ripple-Nennstrom als nach der Kapazität gewählt wird.
Elektrolytisch ist auch ziemlich schrecklich mit Temperaturstabilität usw., sodass Ihre Kapazität ziemlich stark variieren kann.
Keramik hat sich stark weiterentwickelt, als ich anfing, war 100nF Keramik "große Kapazität". Jetzt können Sie 10uF Keramik günstig kaufen. Der nicht offensichtliche Haken hier ist, dass "große" Keramiken mit X7R-Dielektrikum (oder schlechter) an Kapazität verlieren, je höher die Spannung ist, der sie ausgesetzt sind. Ihre 10-uF-80-V-Keramik beträgt möglicherweise nur 1 uF bei 63 V.
Keramikspannungstoleranz ist auch keine Richtlinie, gehen Sie um ein Volt darüber und Sie bekommen Ausfälle. Nicht, dass Sie jemals Passive ohne Derating verwenden sollten.
Daher liefert die große Elektrolytdose einen großen "Eimer mit Elektronen", der mit niederfrequenten Leistungsspitzen auf Schaltkreisen Schritt hält. Die kleineren Keramiken nehmen die mittleren Frequenzen bis etwa 50 MHz auf, es sei denn, Sie sind sehr vorsichtig mit Platzierung, Routing und Teileauswahl. Für tatsächliche hohe Frequenzen möchten Sie eng gekoppelte Leistungsebenen.
Ein weiterer Haken bei der Keramik ist die Impedanz über der Frequenz, große Kapazitäten eignen sich nicht so gut für hohe Frequenzen und umgekehrt. Dies hat mit Kapazitäten und Induktivitäten aufgrund des physischen Gehäuses zu tun.
Es gibt viele Faktoren, die die Entscheidung beeinflussen, welcher Kondensatortyp in einem bestimmten Fall verwendet werden soll. Hier sind ein paar:
Die Kosten sind ein Faktor. Eine bestimmte Anwendung erfordert bestimmte Spezifikationen wie Kapazität und Kosten, um die Entscheidung zu treffen.
Leistungsanforderungen. Es wird erwünscht sein, gewisse Ziele zu erreichen, wie z. B. ein Übergangsverhalten. Wenn eine Spezifikation wie der ESR (effektiver Serienwiderstand) zu hoch ist, liefert der Kondensator möglicherweise nicht die erforderlichen Stromflussanforderungen.
Größe und Montage. Die Methode der Befestigung an der Schaltung wird ebenfalls die Auswahl leiten. Ein kleiner SMT lässt sich möglicherweise viel einfacher an die Stifte eines ICs schmiegen, während ein bedrahteter Typ robuster sein kann.
Spürbare Unterschiede können sein:
Keramikkondensatoren haben einen niedrigeren ESR und bieten daher geringere Leckströme als die Elektrolytkondensatoren. Tipp: Versuchen Sie, Keramikkondensatoren für Ihre batteriebetriebenen Designs zu verwenden.
Lowe ESR bedeutet auch, dass Keramikkondensatoren ein besseres Ansprechverhalten bei Transienten aufweisen, sodass sie während eines Transienten (leichter) Strom liefern können.
Elektrolytkondensatoren bieten keine gute Temperaturstabilität, sodass sich ihre Kapazität um 20 % oder 30 % von ihrem ursprünglichen Wert ändern kann.
Preis: Wenn Sie große Kapazitätswerte benötigen (z. B. > 100 uF), werden Sie feststellen, dass die Keramikkondensatoren im Vergleich zu den Elektrolytkondensatoren sehr teuer sind.
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