1. Kondensatoren
In Bezug auf Kondensatoren gibt es viele Missverständnisse. Daher wollte ich kurz erläutern, was Kapazität ist und was Kondensatoren bewirken.
Die Kapazität misst, wie viel Energie in dem elektrischen Feld gespeichert wird, das zwischen zwei verschiedenen Punkten für eine gegebene Potentialdifferenz erzeugt wird. Aus diesem Grund wird Kapazität oft als "duale" Induktivität bezeichnet. Die Induktivität gibt an, wie viel Energie ein bestimmter Stromfluss in einem Magnetfeld speichert, und die Kapazität ist dieselbe, jedoch für die in einem elektrischen Feld gespeicherte Energie (durch eine Potentialdifferenz anstelle von Strom).
Kondensatoren speichern keine elektrische Ladung, was das erste große Missverständnis ist. Sie speichern Energie. Für jeden Ladungsträger, den Sie auf eine Platte drücken, wird ein Ladungsträger auf der gegenüberliegenden Platte angezeigt. Die Nettoladung bleibt gleich (unter Vernachlässigung einer möglichen viel kleineren unsymmetrischen "statischen" Ladung, die sich auf asymmetrisch freiliegenden Außenplatten aufbauen könnte).
Kondensatoren speichern Energie im Dielektrikum, NICHT in den leitenden Platten. Nur zwei Dinge bestimmen die Wirksamkeit eines Kondensators: seine physikalischen Abmessungen (Plattenfläche und Abstand zwischen ihnen) und die Dielektrizitätskonstante der Isolation zwischen den Platten. Mehr Fläche bedeutet ein größeres Feld, dichtere Platten bedeuten ein stärkeres Feld (da die Feldstärke in Volt pro Meter gemessen wird, ergibt der gleiche Potentialunterschied über eine viel kleinere Entfernung ein stärkeres elektrisches Feld).
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Plattenfläche, Dielektrikum und Plattentrennung. Das ist wirklich alles, was Kondensatoren zu bieten haben. Warum sind sie so kompliziert und vielfältig?
Sie sind nicht. Ausgenommen diejenigen mit viel mehr als Tausenden von pF Kapazität. Wenn Sie solch lächerliche Kapazitätsmengen wollen, wie wir sie heute meist für selbstverständlich halten, solche Mengen wie in Millionen Picofarad (Mikrofarad) und sogar Größenordnungen darüber hinaus, sind wir der Physik ausgeliefert.
Wie jeder gute Ingenieur betrügen wir trotz der Grenzen, die uns die Naturgesetze auferlegen, und umgehen diese Grenzen trotzdem. Elektrolytkondensatoren und Keramikkondensatoren mit hoher Kapazität (0,1µF bis 100µF +) sind die schmutzigen Tricks, die wir angewendet haben.
2. Elektrolytkondensatoren
Aluminium
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, kann es direkt auf ein Dielektrikum treffen, auch wenn es ungleichmäßig geformt ist. In Aluminium-Elektrolytkondensatoren können wir die Oberflächenoxidation von Aluminium (das harte Material, das manchmal absichtlich porös und farbstoffimprägniert ist, auf eloxiertem Aluminium, das eine isolierende Saphirbeschichtung darstellt) zur Verwendung als Dielektrikum nutzen. Ohne eine elektrolytische "Platte" würde die Unebenheit der Oberfläche jedoch verhindern, dass eine starre Metallplatte nahe genug kommt, um irgendeinen Vorteil daraus zu ziehen, überhaupt Aluminiumoxid zu verwenden.
Noch besser ist, dass durch die Verwendung einer Flüssigkeit die Oberfläche der Aluminiumfolie aufgeraut werden kann, was zu einer starken Vergrößerung der effektiven Oberfläche führt. Dann wird es anodisiert, bis sich auf seiner Oberfläche eine ausreichend dicke Schicht aus Aluminiumoxid gebildet hat. Eine raue Oberfläche, von der alle direkt an die andere 'Platte' angrenzen - unseren flüssigen Elektrolyten.
Es gibt jedoch Probleme. Die bekannteste ist die Polarität. Anodisierung von Aluminium, wenn man es nicht an der Ähnlichkeit mit dem Wort Anode erkennen kannist ein polaritätsabhängiger Prozess. Der Kondensator muss immer in der Polarität verwendet werden, die das Aluminium anodisiert. Bei entgegengesetzter Polarität kann der Elektrolyt das Oberflächenoxid zerstören, wodurch ein kurzgeschlossener Kondensator entsteht. Einige Elektrolyte fressen diese Schicht ohnehin langsam ab, so dass viele Aluminium-Elektrolytkondensatoren haltbar sind. Sie sind für die Verwendung bestimmt und haben den vorteilhaften Nebeneffekt, dass das Oberflächenoxid erhalten und sogar wiederhergestellt wird. Bei längerer Nichtbenutzung kann das Oxid jedoch vollständig zerstört werden. Wenn Sie einen alten staubigen Kondensator mit unsicherem Zustand verwenden müssen, sollten Sie ihn am besten 'umbauen', indem Sie einen sehr geringen Strom (Hunderte von µA bis mA) von einer Konstantstromversorgung anlegen und die Spannung langsam ansteigen lassen, bis sie ihren Wert erreicht Nennspannung.
Das andere Problem ist, dass Elektrolyte chemisch bedingt in einem Lösungsmittel ionisch gelöst sind. Nicht-polymere Aluminiumprodukte verwenden Wasser (mit einigen anderen "geheimen Saucen" -Zutaten). Was macht Wasser, wenn Strom durch es fließt? Es elektrolysiert! Großartig, wenn Sie Sauerstoff und Wasserstoffgas wollten, schrecklich, wenn Sie es nicht wollten. In Batterien kann ein kontrolliertes Wiederaufladen dieses Gas wieder absorbieren, Kondensatoren zeigen jedoch keine elektrochemische Reaktion, die umgekehrt ist. Sie benutzen nur den Elektrolyten als etwas, das leitend ist. Egal was passiert, sie erzeugen winzige Mengen Wasserstoffgas (der Sauerstoff wird zum Aufbau der Aluminiumoxidschicht verwendet), und obwohl es sehr klein ist, verhindert es, dass wir diese Kondensatoren hermetisch abdichten. Also trocknen sie aus.
Die Standardnutzungsdauer bei maximaler Temperatur beträgt 2.000 Stunden. Das ist nicht sehr lange. Ungefähr 83 Tage. Dies ist einfach auf höhere Temperaturen zurückzuführen, die 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 Lebensdauer zu erhalten (ich habe solche mit einer Lebensdauer von bis zu 15.000 Stunden gesehen). Wenn der Elektrolyt austrocknet, wird er weniger leitend, was die ESR erhöht, was wiederum die Wärme erhöht, was das Problem verschärft.
Tantal
Tantalkondensatoren sind die andere Art von Elektrolytkondensatoren. Diese verwenden als Elektrolyt Mangandioxid, das in seiner fertigen Form fest ist. Während der Produktion wird Mangandioxid in einer Säure gelöst und anschließend elektrochemisch (ähnlich wie beim Galvanisieren) auf der Oberfläche des Tantalpulvers 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 (Änderungen oder Kommentare sind erwünscht!), Aber es genügt zu sagen, dass Tantalkondensatoren aus hergestellt werden Tantal aufgrund einer Chemie, die es uns ermöglicht, sie leicht aus einem Pulver herzustellen (große Oberfläche).
Dies verleiht ihnen einen enormen volumetrischen Wirkungsgrad, allerdings auf Kosten von: Das freie Tantal und Mangandioxid können eine ähnliche Reaktion wie Thermit eingehen, nämlich Aluminium und Eisenoxid. Nur hat die Tantalreaktion viel niedrigere Aktivierungstemperaturen - Temperaturen, die leicht und schnell erreicht werden, sollten bei entgegengesetzter Polarität oder einem Überspannungsereignis ein Loch durch das Dielektrikum schlagen (Tantalpentoxid, ähnlich wie Aluminiumoxid) und einen Kurzschluss erzeugen. Aus diesem Grund werden die Spannung und der Strom von Tantalkondensatoren um 50% oder mehr verringert. Für diejenigen, die Thermit nicht kennen (das viel heißer ist, aber der Tantal- und MnO 2 -Reaktion nicht unähnlich ), gibt es eine Menge Feuer und Hitze. Es wird verwendet, um Eisenbahnschienen miteinander zu verschweißen und erledigt diese Aufgabe in Sekunden.
Es gibt auch Polymerelektrolytkondensatoren, 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 bei Superkleber, einem flüssigen 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 meist ein fester Elektrolyt sein, was zu einer verringerten ESR, einer längeren Lebensdauer und allgemein einer besseren Robustheit führt. Sie haben jedoch immer noch eine geringe Menge Lösungsmittel in der Polymermatrix, und es muss leitend 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. Elektrolytkondensatoren haben aufgrund ihres Aufbaus als sehr lange, zu einer Spule gewickelte Platte eine relativ hohe ESL (äquivalente Serieninduktivität). In der Tat so hoch, dass sie als Kondensatoren über 100 kHz oder 150 kHz für Polymertypen völlig unwirksam sind. Oberhalb dieser Frequenz handelt es sich im Grunde genommen nur um Widerstände, die Gleichstrom sperren. Sie haben keinen Einfluss auf Ihre Spannungswelligkeit und bewirken stattdessen, dass die Welligkeit gleich dem Welligkeitsstrom multipliziert mit dem ESR des Kondensators ist, was die Welligkeit oft noch verschlimmern kann . Dies bedeutet natürlich, dass jede Art von Hochfrequenzrauschen oder -spitzen direkt durch einen Aluminium-Elektrolytkondensator schießt, als wäre er nicht einmal dort.
Tantale sind nicht ganz so schlecht, verlieren jedoch bei mittleren Frequenzen ihre Wirksamkeit (die besten und kleinsten können fast 1 MHz erreichen, die meisten verlieren ihre kapazitiven Eigenschaften bei 300–600 kHz).
Alles in allem eignen sich Elektrolytkondensatoren hervorragend zum Speichern einer Tonne Energie auf kleinem Raum, sie eignen sich jedoch nur für den Umgang mit Rauschen oder Welligkeiten unter 100 kHz. Ohne diese kritische Schwäche gäbe es kaum einen Grund, etwas anderes zu verwenden.
3. Keramikkondensatoren
Keramikkondensatoren verwenden Keramik als Dielektrikum und beidseitig Metallisierung als Platten. Ich werde nicht in die Klasse 1 (mit niedriger Kapazität) einsteigen, sondern nur in die Klasse II.
Klasse-II-Kondensatoren schummeln durch den ferroelektrischen Effekt. Dies ist sehr ähnlich wie der Ferromagnetismus, nur mit elektrischen Feldern. Ein ferroelektrisches Material hat eine Tonne elektrischer Dipole, die bis zu einem gewissen Grad in Gegenwart eines externen elektrischen Feldes ausgerichtet werden können. Das Anlegen eines elektrischen Feldes zieht die Dipole in eine Ausrichtung, die Energie erfordert und bewirkt, dass letztendlich eine massive Menge an Energie 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.
Leider gehen genau wie bei ferromagnetischen Materialien die Dipole zur Polarisation aus, da ein immer stärkeres Feld ein Material magnetisiert (oder in unserem Fall polarisiert). Es ist gesättigt. Dies führt letztendlich zu der unangenehmen Eigenschaft von Keramikkondensatoren des Typs X5R / X7R / etc: Ihre Kapazität sinkt mit der Vorspannung. Je höher die Spannung an ihren Anschlüssen ist, desto geringer ist ihre effektive Kapazität. Die gespeicherte Energiemenge steigt immer noch mit der Spannung an, ist aber bei weitem nicht so gut, wie man es aufgrund der unparteiischen Kapazität erwarten würde.
Die Nennspannung eines Keramikkondensators hat darauf nur einen geringen Einfluss. Tatsächlich ist die tatsächliche Spannungsfestigkeit der meisten Keramiken viel höher, 75 oder 100 V für die Niederspannungskeramiken. Tatsächlich sind viele Keramikkondensatoren, von denen ich vermute, dass sie genau dasselbe Teil sind, aber unterschiedliche Teilenummern haben. Derselbe 4,7-µF-Kondensator wird sowohl als 35-V- als auch als 50-V-Kondensator unter verschiedenen Markierungen verkauft. Der Graph der Kapazität einiger MLCCs gegenüber der Vorspannung ist identisch, mit Ausnahme der niedrigeren Spannung, deren Graph bei ihrer Nennspannung abgeschnitten ist. Verdächtig, aber ich könnte mich irren.
Der Kauf von Keramik mit höherer Nennleistung trägt jedoch nicht dazu bei, diesen spannungsabhängigen 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 einen größeren Teil ihrer Kapazität unter Spannung.
Dies ist auch kein trivialer Effekt. Ein 1210 10µF 50V Keramikkondensator, ein wahres Biest eines Kondensators, verliert 80% seiner Kapazität durch 50V. Einige sind etwas besser, andere etwas schlechter, aber 80% sind eine vernünftige Zahl. Das Beste, was ich je gesehen habe, war eine Kapazität von 1210 (Zoll), die bis zum Erreichen von 60 V etwa 3 uF betrug, in einem 1210-Gehäuse. Eine 10µF 1206 (Zoll) große 50V Keramik hat das Glück, 500nF durch 50V 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 wie Mikrofone wirken können. Vermutlich am besten vermeiden, sie als Koppelkondensatoren in Audiokreisen zu verwenden.
Ansonsten haben Keramiken den niedrigsten ESL und ESR aller Kondensatoren. Sie sind die "kondensatorartigsten" im ganzen Haufen. Ihre ESL ist so niedrig, dass die primäre Quelle die Höhe der Endanschlüsse auf dem Gehäuse selbst ist. Ja, diese Höhe einer 0805-Keramik ist die Hauptquelle für ihre 3 nH ESL. Sie verhalten sich immer noch wie Kondensatoren mit vielen MHz oder sogar höher für spezielle HF-Typen. Sie können auch eine Menge Rauschen entkoppeln und sehr schnelle Dinge wie digitale Schaltkreise, für die Elektrolyse unbrauchbar ist, entkoppeln.
Zusammenfassend sind Elektrolyse:
- viel sperrkapazität in einem winzigen paket
- in jeder anderen Hinsicht schrecklich
Sie sind langsam, sie nutzen sich ab, sie entzünden sich, sie werden kurz, wenn Sie sie falsch polarisieren. Nach jedem Kriterium werden Kondensatoren gemessen, bis auf die Kapazität selbst, Elektrolyse ist absolut schrecklich. Sie benutzen sie, weil Sie müssen, niemals, weil Sie wollen.
Keramik sind:
- Instabil und verlieren viel Kapazität unter Vorspannung
- Kann vibrieren oder als Mikrofon wirken. Oder Nanoaktuatoren!
- Sind sonst der Hammer.
Keramikkondensatoren sind das, was Sie verwenden möchten, aber nicht immer können. Sie verhalten sich tatsächlich wie Kondensatoren und sogar bei hohen Frequenzen, können jedoch den volumetrischen Wirkungsgrad von Elektrolyten nicht erreichen, und nur Klasse-1-Typen (mit sehr geringen Kapazitätsmengen) haben eine stabile Kapazität. 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 Elektrolyse in Wechselstrom- / nicht polarisierten Anwendungen verwenden, wobei alle anderen Probleme natürlich noch im Spiel sind. Schließen Sie einfach ein Paar regulärer polarisierter Elektrolytkondensatoren mit Klemmen gleicher Polarität aneinander an, und jetzt sind die Enden mit entgegengesetzter Polarität die Klemmen einer brandneuen unpolaren Elektrolyse. Solange ihre Kapazitätswerte ziemlich gut übereinstimmen und es eine begrenzte Menge an Gleichstromvorspannung im eingeschwungenen Zustand gibt, scheinen die Kondensatoren im Gebrauch zu halten.
