Kann ich alle Elektrolytkondensatoren durch Keramikkondensatoren ersetzen?


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Ich entwerfe den Stromkreis für ein System, das mehrere Versorgungen benötigt. Meine Fragen sind:

  • Ist es möglich, alle Elektrolytkappen (meist 100uF) durch Keramikkappen zu ersetzen? Was sind die Grenzen von Keramik?

  • Sollte ich für Keramik eine Spannung von 2x verwenden, wie es für Elektrolyse getan wird?

  • Was ist mit der Restwelligkeit? Ist es ein wichtiger Faktor bei der Auswahl der Keramik wie bei der Elektrolyse?

Hinzugefügt am 09.01.2014: Weitere Informationen zu Keramikbeschränkungen

Ich fand dieses hervorragende Video von Dave auf EEVBlog, das die Einschränkungen verschiedener Arten von Keramikkappen und deren Auswirkungen auf die angelegte Spannung und die Vorspannung zeigt. Sehenswert!


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könnten Sie 100uF Keramikkappen finden?
Standard Sandun


@sandundhammika auf digikey gibt es bis zu 680 uF, aber es ist überteuert. 100 uF sind für etwa 2 USD erhältlich. Die Nennspannung beeinflusst auch den Preis.
Abdella

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@geometrikal: Wenn du dein Geld nicht wegwerfen willst?
Endolith

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@Abdella, re your edit, Erstens ist Tantal eine Art Elektrolyt. Zweitens würde sich niemand die Mühe machen, Tantale herzustellen, wenn sie nicht in kommerziellen Produkten verwendet würden.
Das Photon

Antworten:


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

Keramikkappen mit hoher Kapazität haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. Die Vorteile sind ein viel geringerer äquivalenter Serienwiderstand und daher eine viel höhere Rippelstromfähigkeit, die Nützlichkeit für höhere Frequenzen, eine geringere Wärmeempfindlichkeit, eine viel bessere Lebensdauer und in den meisten Fällen eine bessere mechanische Robustheit. Sie haben auch ihre eigenen Probleme. Die Kapazität kann sich mit der Spannung erheblich verschlechtern, und die dichteren Keramiken (mehr Energiespeicher pro Volumen) weisen Piezoeffekte auf, die oft als "Mikrophonik" bezeichnet werden. Unter den falschen Umständen kann dies zu Schwingungen führen, aber das ist selten.

Beim Schalten von Stromversorgungsanwendungen ist Keramik 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 erwärmen können. Die Lebensdauer von Elektrolyten wird durch Hitze stark beeinträchtigt, was bei Stromversorgungen häufig ein Problem darstellt.

Sie müssen Keramiken nicht so stark herabsetzen wie Elektrolyte, da die Lebensdauer von Keramiken anfangs viel länger ist und viel weniger von der angelegten Spannung abhängt. Bei Keramik ist zu beachten, dass die dichten aus einem nichtlinearen Material bestehen, das sich in einer verringerten Kapazität an den oberen Enden des Spannungsbereichs niederschlägt.

Hinzugefügt über Mikrofonik:

Einige Dielektrika ändern ihre Größe physikalisch in Abhängigkeit vom angelegten elektrischen Feld. Für viele ist der Effekt so gering, dass Sie ihn nicht bemerken und ignorieren können. Einige Keramiken weisen jedoch einen ausreichend starken Effekt auf, so dass Sie die resultierenden Vibrationen eventuell hören können. Normalerweise hört man einen Kondensator nicht von selbst, aber da diese ziemlich starr an 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 Gegenteil, da physikalische Eigenschaften im Allgemeinen in beide Richtungen funktionieren, und dies ist keine Ausnahme. Da die angelegte Spannung die Abmessungen des Kondensators ändern kann, kann eine Änderung seiner Abmessungen durch Anlegen einer Spannung seine Leerlaufspannung ändern. In der Tat wirkt 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 eindringen. Aus diesem Grund werden derartige Kondensatoren in hochempfindlichen Audio-Schaltkreisen vermieden.

Weitere Informationen zur Physik finden Sie am Beispiel der Eigenschaften von Bariumtitanat. Dies ist ein übliches Dielektrikum für einige Keramikkappen, da es wünschenswerte elektrische Eigenschaften aufweist, insbesondere eine ziemlich gute Energiedichte im Vergleich zum Keramikbereich. Dies wird erreicht, indem das Titanatom zwischen zwei Energiezuständen umschaltet. Die effektive Größe des Atoms unterscheidet sich jedoch zwischen den beiden Energiezuständen, weshalb sich die Größe des Gitters ändert und wir eine physikalische Verformung als Funktion der angelegten Spannung erhalten.

Anekdote:Ich bin kürzlich frontal auf dieses Problem gestoßen. Ich habe ein Gizmo entwickelt, das an die DCC-Stromversorgung (Digital Command and Control) angeschlossen wird, die von Modellzügen verwendet wird. DCC ist eine Möglichkeit, Energie, aber auch Informationen an bestimmte "Fahrzeuge" auf den Gleisen zu übertragen. Es handelt sich um ein differenzielles Leistungssignal von bis zu 22 V. Informationen werden durch Umkehren der Polarität mit einem bestimmten Zeitablauf übertragen. Die Flip-Rate beträgt ungefähr 5-10 kHz. Um Strom zu bekommen, korrigieren Geräte dies auf Vollwelle. Mein Gerät hat nicht versucht, die DCC-Informationen zu dekodieren, sondern nur ein bisschen Strom. Ich habe eine einzelne Diode verwendet, um den DCC mit einer Halbwelle auf eine 10-µF-Keramikkappe gleichzurichten. Der Abfall auf dieser Kappe während der Off-Halbwelle betrug nur etwa 3 V, aber diese 3 Vpp reichten aus, um sie zum Singen zu bringen. Die Strecke funktionierte einwandfrei, aber das ganze Board gab ein ziemlich nerviges Winseln von sich. Das war in einem Produkt nicht akzeptabel, Für die Serienversion wurde dies in eine 20-µF-Elektrolytkappe geändert. Ich habe mich ursprünglich für Keramik entschieden, weil sie billiger und kleiner war und eine längere Lebensdauer haben sollte. Glücklicherweise ist es unwahrscheinlich, dass dieses Gerät bei hohen Temperaturen verwendet wird. Daher sollte die Lebensdauer der Elektrolytkappe deutlich besser sein als im ungünstigsten Fall.

Ich sehe aus den Kommentaren eine Diskussion darüber, warum Schaltnetzteile manchmal jammern. Ein Teil davon könnte auf die Keramikkappen zurückzuführen sein, aber magnetische Komponenten wie Induktoren können auch aus zwei Gründen vibrieren. Zunächst wird auf jedes Drahtstück im Induktor eine Kraft ausgeübt, die proportional zum Quadrat des durch ihn fließenden Stroms ist. Diese Kraft wirkt seitlich auf den Draht, wodurch die Spule vibriert, wenn sie nicht gut an Ort und Stelle gehalten wird. Zweitens gibt es eine dem elektrostatischen Piezoeffekt ähnliche magnetische Eigenschaft, die als Magnetostriktion bezeichnet wird. Das Induktorkernmaterial kann sich in Abhängigkeit vom angelegten Magnetfeld geringfügig verändern. Ferrite zeigen diesen Effekt nicht sehr stark, aber es gibt immer ein bisschen, und es kann anderes Material im Magnetfeld geben. Ich habe einmal an einem Produkt gearbeitet, bei dem der magnetostriktive Effekt als magnetischer Tonabnehmer verwendet wurde. Und ja,


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Sind Mikrofone die hohen Gejammer, die ich gelegentlich als Probleme mit einigen GPU-Karten sehe?
Dan Neely

@DanNeely Ich denke, Olin bezieht sich auf die Tatsache, dass sich die Kapazität von Keramikkondensatoren ändern kann, wenn sie physikalisch vibrieren. Ton kann dazu führen, dass sich die Kapazität ändert. Wenn also die Kapazität einen erzeugten Sound beeinflusst und der Sound die Kapazität beeinflusst, erhalten Sie eine Rückkopplungsschleife, die unbeabsichtigte Auswirkungen hat.
Stephen Collings

Zumindest gehe ich davon aus, dass die Auswirkungen unbeabsichtigt wären. Wenn Sie um den Mikrofoneffekt einer Keramikkappe herum konstruieren, tun Sie wahrscheinlich etwas Falsches.
Stephen Collings

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@DanNeely - Der hohe Wein wird durch Magnetostriktion in den Induktoren des Geräts verursacht . Ich glaube, ich habe noch nie einen Kondensator gesehen, der Geräusche macht (außer wenn sie katastrophal ausfallen).
Connor Wolf

@Remiel - Dies ist eine häufige Überlegung bei Hochleistungsaudio und einer der vielen Gründe, warum im Audiopfad keine Keramikkappen verwendet werden.
Connor Wolf

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Es gibt ein paar Gründe , nicht ein Design von Elkos zu Keramik zu wechseln , die bisher noch nicht erwähnt haben:

  • Einige Ausführungen von Linearreglern erfordern einen höheren ESR des Elektrolyten an ihrem Ausgangskondensator, um die Stabilität aufrechtzuerhalten.

  • Keramiken sind weniger robust als Elektrolyte, wenn sie Plattenbiegungen ausgesetzt werden. Insbesondere bei großen Formaten, z. B. 1206 und höher, wie Sie sie für Werte über 10 - 20 uF mit angemessenem WV benötigen, können Keramiken leicht rissig werden, wenn sich ein Flex in der Platte befindet. Der schädliche Flex kann auf dem Feld oder bei einigen Methoden zum Herauslösen der Platinen aus der Platte, in der sie hergestellt wurden, auftreten.


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

Der IPC-9592A (ein Standard für hochzuverlässige Leistungsumwandlungsgeräte) nennt die folgenden Derating-Richtlinien:

Feste keramische MLCCs:

  • Gleichspannung <= 80% der Herstellerleistung
  • Temperatur: Mindestens 10 ° C unter der Herstellerangabe
  • Größe: Größere Größen als 1210 werden aufgrund des Risspotentials nicht empfohlen

Aluminium-Elektrolytkondensatoren:

  • Gleichspannung <= 80% der Herstellerbewertung (<= 90% für Geräte mit 250 V oder höher)
  • Lebensdauer / Lebensdauer:> = 10 Jahre bei 40 ° C, 80% Auslastung für Geräte der Klasse II (Datacenter-Material) oder 5 Jahre für Geräte der Klasse I (Consumer-Klasse)

Die Lebensdauer / Lebensdauer eines Aluminium-Elektrolytkondensators ist eine Funktion aller seiner Beanspruchungen - Spannung, Welligkeitsstrom und Umgebungstemperatur. Wenn die Kappe in einem guten Luftstrom ist, kann es mehr Welligkeit nehmen und eine lange Lebensdauer aufrechterhalten. Eine heiße Kappe hat kein langes Leben.

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

Wie Olin feststellte, leiden auch bestimmte dielektrische Materialien unter einem signifikanten Kapazitätsabfall als Funktion der Gleichvorspannung. Auch hier leiden Materialien der Klasse 2 darunter, Materialien der Klasse 1 weitgehend nicht.

Wenn Sie einen der Kondensatortypen verwenden, halten Sie die maximale Spannung im Wesentlichen unter 80% der Belastung.

Der viel niedrigere ESR von Keramikkondensatoren (im Vergleich zu elektrolytischen Kappen) hat eine Auswirkung auf die Stabilität der Rückkopplungsschleife. Angenommen, Ihr Konverter ist ein Umschalter und verfügt über ein Ausgangs-LC-Filter. Möglicherweise ist ein Kompensationsnetzwerk vom Typ 3 erforderlich, um den Konverter zu stabilisieren.

Der niedrige ESR bewirkt, dass die Verstärkung im offenen Regelkreis für ein langes Intervall bei -40 dB / Dekade abfällt (der ESR-Nullpunkt wird herausgedrückt, wenn der ESR abfällt), was eine Verstärkung von +20 dB / Dekade im Kompensationsnetzwerk für die Frequenzweiche erforderlich macht bei -20dB / Dekade zu sein (das ist eines der drei Regelkreisstabilitätskriterien, nach denen Leistungsentwickler suchen, zusammen mit der Gewinnmarge und der Phasenmarge).


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

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