Một google nhanh chóng và tất cả những gì tôi dường như có thể tìm thấy là những người nói về vật lý & hóa học của các tụ điện chứ không phải điều này ảnh hưởng đến việc lựa chọn sử dụng cái nào.

Tránh nói về sự khác biệt trong trang điểm của họ, và công suất lớn hơn được tìm thấy trong các nắp điện phân, những suy nghĩ chính thúc đẩy loại tụ điện nào được sử dụng cho một ứng dụng?

Ví dụ, tại sao tôi thấy nó được đề xuất sử dụng nắp gốm để tách nguồn cho mỗi bộ vi xử lý & tụ điện điện phân lớn hơn trên mỗi bảng? Tại sao không sử dụng điện phân xung quanh?

1. Tụ điện

Có rất nhiều quan niệm sai lầm về tụ điện, vì vậy tôi muốn làm rõ ngắn gọn điện dung là gì và tụ điện làm gì.

Điện dung đo lượng năng lượng sẽ được lưu trữ trong điện trường được tạo ra giữa hai điểm khác nhau cho một sự khác biệt nhất định về tiềm năng. Đây là lý do tại sao điện dung thường được gọi là 'kép' của điện cảm. Độ tự cảm là dòng năng lượng nhất định sẽ lưu trữ trong từ trường và điện dung là như nhau, nhưng đối với năng lượng được lưu trữ trong điện trường (bởi sự khác biệt tiềm năng, thay vì dòng điện).

Tụ điện không lưu trữ điện tích, đó là quan niệm sai lầm lớn đầu tiên. Họ lưu trữ năng lượng. Đối với mỗi sóng mang điện tích, bạn buộc vào một tấm, một hạt mang điện ở tấm đối diện rời đi. Điện tích ròng vẫn giữ nguyên (bỏ qua mọi điện tích 'tĩnh' không cân bằng nhỏ hơn có thể có thể tích tụ trên các tấm bên ngoài tiếp xúc không đối xứng).

Tụ lưu trữ năng lượng trong điện môi, KHÔNG trong các tấm dẫn điện. Chỉ có hai điều xác định hiệu quả của tụ điện: kích thước vật lý của nó (diện tích tấm và khoảng cách ngăn cách chúng) và hằng số điện môi của cách điện giữa các bản. Nhiều diện tích hơn có nghĩa là một trường lớn hơn, các tấm gần hơn có nghĩa là một trường mạnh hơn (vì cường độ trường được đo bằng Volts trên mét, do đó, sự khác biệt tương tự của điện thế trên một khoảng cách nhỏ hơn nhiều tạo ra điện trường mạnh hơn).

$\varepsilon$

Diện tích tấm, điện môi, và tách tấm. Đó thực sự là tất cả các tụ điện. Vậy tại sao chúng rất phức tạp và đa dạng?

Họ không. Ngoại trừ những cái có nhiều hơn hàng ngàn pF điện dung. Nếu bạn muốn số lượng điện dung lố bịch như chúng ta thường sử dụng ngày nay, chẳng hạn như hàng triệu picofarad (microfarad), và thậm chí là thứ tự cường độ vượt xa, chúng ta rất thương xót vật lý.

Giống như bất kỳ kỹ sư giỏi nào, trước những giới hạn được áp đặt bởi quy luật tự nhiên, chúng ta gian lận và vượt qua những giới hạn đó. Tụ điện điện phân và tụ điện cao (0,1 ĐFF đến 100 CFF +) là những thủ đoạn bẩn mà chúng tôi sử dụng.

2. Tụ điện

Nhôm

Sự khác biệt đầu tiên và quan trọng nhất (mà chúng được đặt tên) là các tụ điện điện phân sử dụng chất điện phân. Chất điện phân đóng vai trò là tấm thứ hai. Là một chất lỏng, điều này có nghĩa là nó có thể trực tiếp chống lại một chất điện môi, thậm chí là một chất có hình dạng không đồng đều. Trong các tụ điện điện phân nhôm, điều này cho phép chúng ta tận dụng quá trình oxy hóa bề mặt của nhôm (chất cứng, đôi khi có chủ ý là xốp và thuốc nhuộm được tẩm màu, trên nhôm anot hóa có lớp phủ Sapphire cách điện) để sử dụng làm chất điện môi. Tuy nhiên, nếu không có "tấm" điện phân, sự không đồng đều của bề mặt sẽ ngăn không cho tấm kim loại cứng đến gần để đạt được bất kỳ lợi thế nào khi sử dụng oxit nhôm ở nơi đầu tiên.

Thậm chí tốt hơn, bằng cách sử dụng một chất lỏng, bề mặt của lá nhôm có thể được làm nhám, gây ra sự gia tăng lớn trong diện tích bề mặt hiệu quả. Sau đó, nó được anốt hóa cho đến khi một lớp nhôm oxit đủ dày hình thành trên bề mặt của nó. Một bề mặt gồ ghề mà tất cả sẽ tiếp giáp trực tiếp với 'tấm' khác - chất điện phân lỏng của chúng tôi.

Có những vấn đề, tuy nhiên. Một trong những quen thuộc nhất là cực. Anod hóa nhôm, nếu bạn không thể nói bằng sự tương tự của nó với từ anode, là một quá trình phụ thuộc vào cực. Các tụ điện phải luôn luôn được sử dụng trong cực mà anốt hóa nhôm. Phân cực ngược lại sẽ cho phép chất điện phân phá hủy oxit bề mặt, khiến bạn bị tụ điện ngắn. Một số chất điện phân sẽ dần dần ăn mòn lớp này, vì vậy nhiều tụ điện điện phân nhôm có thời hạn sử dụng. Chúng được thiết kế để được sử dụng, và việc sử dụng đó có tác dụng phụ có lợi là duy trì và thậm chí khôi phục oxit bề mặt. Tuy nhiên, với việc sử dụng đủ lâu, oxit có thể bị phá hủy hoàn toàn. Nếu bạn phải sử dụng một tụ điện bụi cũ có điều kiện không chắc chắn, tốt nhất là 'cải tổ' chúng bằng cách sử dụng dòng điện rất thấp (hàng trăm âmA đến mA) từ nguồn điện liên tục và để điện áp tăng chậm cho đến khi nó đạt được điện áp định mức.

Vấn đề khác là các chất điện giải, do hóa học, một cái gì đó ion hòa tan trong dung môi. Những loại nhôm không polymer sử dụng nước (với một số thành phần 'nước sốt bí mật' khác được thêm vào nó). Nước làm gì khi dòng điện chạy qua? Nó điện phân! Tuyệt vời nếu bạn muốn oxy và khí hydro, thật tệ nếu bạn không. Trong pin, việc sạc lại có kiểm soát có thể tái hấp thụ khí này, nhưng tụ điện không có phản ứng điện hóa bị đảo ngược. Họ chỉ sử dụng chất điện phân như một vật dẫn điện. Vì vậy, không có vấn đề gì, chúng tạo ra một lượng nhỏ khí hydro (oxy được sử dụng để tạo ra lớp oxit nhôm), và mặc dù rất nhỏ, nó ngăn chúng ta hàn kín các tụ điện này. Vì vậy, họ khô.

Tuổi thọ hữu ích tiêu chuẩn ở nhiệt độ tối đa là 2.000 giờ. Điều đó không dài lắm. Khoảng 83 ngày. Điều này đơn giản là do nhiệt độ cao hơn khiến nước bay hơi nhanh hơn. Nếu bạn muốn một cái gì đó có tuổi thọ cao, điều quan trọng là giữ cho chúng mát nhất có thể và có được các mô hình độ bền cao nhất (tôi đã thấy những cái cao tới 15.000 giờ). Khi chất điện phân khô, nó trở nên ít dẫn điện hơn, làm tăng ESR, do đó làm tăng nhiệt, gây ra vấn đề.

Tantalum

Tantalum tụ là loại khác nhau của tụ điện. Chúng sử dụng mangan dioxide làm chất điện phân của chúng, ở dạng rắn. Trong quá trình sản xuất, mangan dioxide được hòa tan trong một axit, sau đó lắng đọng điện hóa (tương tự như mạ điện) trên bề mặt bột tantalum sau đó được thiêu kết. Các chi tiết chính xác của phần 'ma thuật' nơi họ tạo ra một kết nối điện giữa tất cả các mẩu bột tantalum nhỏ và chất điện môi không được biết đến với tôi (các chỉnh sửa hoặc nhận xét được đánh giá cao!) Nhưng đủ để nói, các tụ điện tantalum được tạo ra từ tantalum vì một hóa chất cho phép chúng ta dễ dàng sản xuất chúng từ bột (diện tích bề mặt cao).

Điều này mang lại cho họ hiệu quả thể tích tuyệt vời, nhưng với chi phí: tantalum tự do và mangan dioxide có thể trải qua một phản ứng tương tự như thermite, đó là nhôm và oxit sắt. Chỉ có điều, phản ứng tantalum có nhiệt độ kích hoạt thấp hơn nhiều - nhiệt độ dễ dàng và nhanh chóng đạt được nên ngược lại với sự phân cực hoặc sự kiện quá điện áp đục một lỗ thông qua chất điện môi (tantalum pentoxide, giống như oxit nhôm) và tạo ra một đoạn ngắn. Đây là lý do tại sao bạn thấy điện áp tụ điện tantalum và dòng điện giảm từ 50% trở lên. Đối với những người không biết về thermite (nóng hơn rất nhiều nhưng vẫn không giống với phản ứng tantalum và MnO ₂ ), có một tấn lửa và nhiệt. Nó được sử dụng để hàn các đường ray xe lửa với nhau, và nó thực hiện nhiệm vụ này trong vài giây.

Ngoài ra còn có các tụ điện điện phân polymer, sử dụng polymer dẫn điện, ở dạng monome của nó, là một chất lỏng, nhưng khi tiếp xúc với chất xúc tác phải, sẽ trùng hợp thành một vật liệu rắn. Điều này cũng giống như siêu keo, là một monome lỏng trùng hợp chất rắn một khi nó tiếp xúc với độ ẩm (trong / trên bề mặt mà nó được áp dụng hoặc từ chính không khí). Theo cách này, các tụ điện polymer có thể chủ yếu là một chất điện phân rắn, dẫn đến giảm ESR, tuổi thọ cao hơn và nói chung là độ bền tốt hơn. Tuy nhiên, chúng vẫn có một lượng nhỏ dung môi trong ma trận polymer và cần phải dẫn điện. Vì vậy, họ vẫn khô. Không có bữa trưa miễn phí đáng buồn.

Bây giờ, các tính chất điện thực tế của các loại tụ điện là gì? Chúng tôi đã đề cập đến sự phân cực, nhưng cái khác là ESR và ESL của họ. Tụ điện phân, do được chế tạo như một vết thương rất dài thành một cuộn dây, có độ tương đối cao (độ tự cảm dòng tương đương). Trên thực tế, chúng hoàn toàn không hiệu quả khi các tụ điện trên 100kHz, hoặc 150kHz cho các loại polymer. Trên tần số này, về cơ bản chúng chỉ là các điện trở chặn DC. Chúng sẽ không làm bất cứ điều gì đối với gợn điện áp của bạn, và thay vào đó sẽ làm cho gợn bằng với dòng điện gợn nhân với ESR của tụ điện, điều này thường có thể làm cho gợn thậm chí còn tồi tệ hơn . Tất nhiên, điều này có nghĩa là bất kỳ loại nhiễu hoặc tần số cao nào cũng sẽ bắn ngay qua một tụ điện điện phân nhôm giống như nó thậm chí còn ở đó.

Tantalums không hoàn toàn xấu, nhưng chúng vẫn mất hiệu quả với tần số trung bình (tần số tốt nhất và nhỏ nhất gần như có thể đạt 1 MHz, hầu hết mất đặc tính điện dung của chúng khoảng 300 Nott600kHz).

Nói chung, tụ điện là tuyệt vời để lưu trữ một tấn năng lượng trong một không gian nhỏ, nhưng thực sự chỉ hữu ích để xử lý nhiễu hoặc gợn dưới 100kHz. Nếu không phải vì điểm yếu quan trọng đó, sẽ có rất ít lý do để sử dụng bất cứ thứ gì khác.

3. Tụ gốm

Tụ gốm sử dụng gốm làm chất điện môi của chúng, với kim loại hóa ở hai bên làm tấm. Tôi sẽ không đi vào các loại Lớp 1 (điện dung thấp), mà chỉ là loại II.

Tụ điện cấp II gian lận sử dụng hiệu ứng sắt điện. Điều này rất giống với ferromagnetism, chỉ với điện trường thay thế. Một vật liệu sắt điện có một tấn lưỡng cực điện, ở mức độ này hay mức độ khác, có thể được định hướng trong sự hiện diện của một điện trường bên ngoài. Vì vậy, ứng dụng của điện trường sẽ kéo các lưỡng cực thẳng hàng, đòi hỏi năng lượng và khiến một lượng năng lượng khổng lồ cuối cùng được lưu trữ trong điện trường. Hãy nhớ làm thế nào một chân không là đường cơ sở của 1? Các gốm sứ điện được sử dụng trong các MLCC hiện đại có hằng số điện môi theo thứ tự 7.000.

Thật không may, giống như các vật liệu sắt từ, vì một trường mạnh hơn và mạnh hơn từ hóa (hoặc phân cực trong trường hợp của chúng ta) một vật liệu, nó bắt đầu chạy ra nhiều lưỡng cực hơn để phân cực. Nó bão hòa. Điều này cuối cùng chuyển thành thuộc tính khó chịu của tụ gốm loại X5R / X7R / etc: điện dung của chúng giảm với điện áp sai lệch. Điện áp trên các thiết bị đầu cuối của họ càng cao, điện dung hiệu dụng của họ càng thấp. Lượng năng lượng được lưu trữ vẫn luôn tăng theo điện áp, nhưng nó không tốt như bạn mong đợi dựa trên điện dung không thiên vị của nó.

Đánh giá điện áp của một tụ gốm có rất ít ảnh hưởng đến điều này. Trong thực tế, điện áp chịu được thực tế của hầu hết các đồ gốm cao hơn nhiều, 75 hoặc 100V cho các điện áp thấp hơn. Trong thực tế, nhiều tụ điện gốm mà tôi nghi ngờ là cùng một phần nhưng với số phần khác nhau, cùng một tụ 4,7 4,7F được bán như một tụ điện 35V và 50V dưới các nhãn khác nhau. Đồ thị của điện dung của một số MLCC so với điện áp phân cực là giống hệt nhau, tiết kiệm cho điện áp thấp hơn có đồ thị bị cắt ở điện áp định mức. Nghi ngờ, chắc chắn, nhưng tôi có thể sai.

Dù sao, mua gốm được đánh giá cao hơn sẽ không làm gì để chống lại sự sụt giảm điện dung liên quan đến điện áp này, yếu tố duy nhất cuối cùng đóng vai trò là khối lượng vật lý của điện môi. Nhiều vật liệu hơn có nghĩa là nhiều lưỡng cực hơn. Vì vậy, các tụ điện vật lý lớn hơn sẽ giữ lại nhiều điện dung của chúng dưới điện áp.

Đây cũng không phải là một hiệu ứng tầm thường. Một tụ điện gốm 1210 10 cườngF 50V, một con thú thực sự của tụ điện, sẽ mất 80% điện dung của nó bằng 50V. Một số tốt hơn một chút, một số tồi tệ hơn một chút, nhưng 80% là con số hợp lý. Điều tốt nhất tôi thấy là một điện dung 1210 (inch) giữ khoảng 3 điện dung cho đến khi nó đạt 60V, dù sao trong gói 1210. Một gốm 50V kích thước 1206 (inch) có kích thước 10V sẽ may mắn có 500nF còn lại 50V.

Đồ gốm loại II cũng là áp điện và nhiệt điện, mặc dù điều này không thực sự tác động đến chúng bằng điện. Chúng đã được biết là rung hoặc hát do gợn, và có thể hoạt động như micro. Có lẽ tốt nhất để tránh sử dụng chúng như tụ điện ghép trong các mạch âm thanh.

Mặt khác, gốm có hàm lượng ESR và ESR thấp nhất so với bất kỳ tụ điện nào. Chúng là "giống như tụ điện" nhất trong số đó. ESL của họ thấp đến mức nguồn chính là chiều cao của các điểm kết thúc trên chính gói Có, chiều cao của gốm 0805 là nguồn chính của 3 nH của ESL. Chúng vẫn hoạt động giống như các tụ điện trong nhiều MHz, hoặc thậm chí cao hơn đối với các loại RF chuyên dụng. Họ cũng có thể tách rời rất nhiều tiếng ồn và tách rời những thứ rất nhanh như mạch kỹ thuật số, những thứ điện phân là vô dụng.

Tóm lại, điện phân là:

• rất nhiều điện dung số lượng lớn trong một gói nhỏ
• khủng khiếp theo mọi cách

Chúng chậm chạp, chúng hao mòn, chúng bắt lửa, chúng sẽ biến thành ngắn nếu bạn phân cực chúng sai. Theo mọi tiêu chí tụ điện được đo bằng, tiết kiệm cho chính điện dung, điện phân là hoàn toàn khủng khiếp. Bạn sử dụng chúng bởi vì bạn phải, không bao giờ vì bạn muốn.

Gốm sứ là:

• Không ổn định và mất rất nhiều điện dung của chúng dưới độ lệch điện áp
• Có thể rung hoặc hoạt động như micro. Hoặc nanoactuators!
• Nếu không thì tuyệt vời.

Tụ gốm là những gì bạn muốn sử dụng, nhưng không phải lúc nào cũng có thể. Chúng thực sự hoạt động giống như tụ điện và thậm chí ở tần số cao, nhưng không thể phù hợp với hiệu suất thể tích của điện phân và chỉ các loại Loại 1 (có lượng điện dung rất nhỏ) mới có điện dung ổn định. Chúng thay đổi khá nhiều với nhiệt độ và điện áp. Ồ, chúng cũng có thể bị nứt và không mạnh mẽ như máy móc.

Ồ, một lưu ý cuối cùng, bạn có thể sử dụng điện phân tốt trong các ứng dụng AC / không phân cực, với tất cả các vấn đề khác của chúng vẫn còn tồn tại. Chỉ cần kết nối một cặp tụ điện phân cực thông thường, với cùng cực các cực cực với nhau, và bây giờ các cực phân cực đối diện là các cực của điện phân hoàn toàn mới, không phân cực. Miễn là các giá trị điện dung của chúng tương đối tốt và có giới hạn độ lệch DC trạng thái ổn định, các tụ điện dường như không được sử dụng.

Ví dụ, tại sao tôi thấy nó được đề xuất sử dụng nắp gốm để tách nguồn cho mỗi bộ vi xử lý & tụ điện điện phân lớn hơn trên mỗi bảng? Tại sao không sử dụng điện phân xung quanh?

Ba loại chính có các đặc điểm khác nhau - Tôi khuyên bạn nên thực hiện một số nghiên cứu về chúng nhưng những điều chính cần tìm là

• tần số tự cộng hưởng (do độ tự cảm dòng hiệu dụng mang lại). Ví dụ đơn giản hiển thị bên dưới: -

• tổn thất điện môi (thường ở tần số cao): -

• kháng loạt hiệu quả (mất nhiều hơn)

• thay đổi điện dung với điện áp được áp dụng (không tốt cho bộ lọc): -

• thay đổi điện dung theo nhiệt độ (cũng không tốt cho bộ lọc): -

• mong đợi dung sai ban đầu

• dòng điện gợn (quan trọng đối với nguồn cung cấp do nhu cầu cao nhất): -

• Khả năng tránh bị đoản mạch (tụ điện X và Y)

• Microphonics thấp (quan trọng trong các ứng dụng âm thanh nhạy cảm). Đây là một chàng trai biết về nó: -

• Mũ điện phân cơ bản được phân cực do đó các ứng dụng AC bị hạn chế. Đây là mạch tương đương: -

Tôi chắc chắn có một vài điều khác nhưng những điều này sẽ trở nên rõ ràng trong quá trình điều tra của bạn.

Sự khác biệt rõ ràng là chất điện phân lớn hơn nhiều so với gốm sứ. Gốm 1mm x 0,5mm là loại vườn phổ biến, lon điện phân của bạn lớn hơn nhiều.

Sau đó, như những người khác đã chỉ ra, điện phân không làm tốt điều đó ở tần số cao nên chúng không phù hợp để bỏ qua tần số "cao", nó không thể theo kịp chip 1 MHz, chứ đừng nói đến ethernet gigabit 125 MHz.

Một điểm khác của sự tranh cãi là ESR. Trong các ứng dụng năng lượng, điều này có xu hướng chuyển trực tiếp sang lãng phí nhiệt trong các nút chuyển đổi, do đó, một chất điện phân có xu hướng được chọn bởi xếp hạng dòng điện gợn thay vì điện dung.

Điện phân cũng khá kinh khủng với sự ổn định nhiệt độ vv nên điện dung của bạn có thể thay đổi khá nhiều.

Gốm sứ đã tiến bộ rất nhiều, khi tôi bắt đầu gốm 100nF là "công suất lớn". Bây giờ bạn có thể mua gốm sứ 10uF với giá rẻ. Điều khó khăn ở đây không rõ ràng là gốm "lớn" sử dụng chất điện môi X7R (hoặc tệ hơn) bị mất điện dung điện áp cao hơn mà chúng phải chịu. Gốm 10uF 80V của bạn có thể chỉ 1uF ở 63V.

Dung sai điện áp gốm cũng không phải là một hướng dẫn, đi qua một volt và bạn bắt đầu gặp sự cố. Không phải là bạn nên sử dụng thụ động mà không giảm bớt.

Do đó, chất điện phân lớn có thể cung cấp một "thùng điện tử" lớn theo kịp các xung điện tần số thấp trên mạch điện. Các đồ gốm nhỏ hơn chiếm tần số trung bình lên đến 50 MHz hoặc hơn trừ khi bạn rất cẩn thận với vị trí, định tuyến và lựa chọn bộ phận. Đối với tần số cao thực tế, bạn muốn máy bay điện kết hợp chặt chẽ.

Một nhược điểm khác với gốm là trở kháng theo tần số, điện dung lớn không làm tốt điều đó với tần số cao và ngược lại. Điều này là để làm với điện dung và điện cảm do gói vật lý.

Tính chất của tụ điện điện phân

• Hiệu quả ở tần số thấp
• Điện dung lớn
• Giá thấp
• ESR lớn
• Tiếng Anh lớn

Tính chất của tụ gốm

• Hiệu quả ở tần số cao
• Điện dung hiệu dụng giảm với điện áp phân cực
• Đắt hơn tụ điện
• ESR thấp
• Tiếng Anh thấp
• Kích thước tụ hạn chế

Có nhiều yếu tố sẽ ảnh hưởng đến quyết định sử dụng loại tụ điện nào trong bất kỳ trường hợp cụ thể nào. Ở đây có một ít:

1. Chi phí là một yếu tố. Một ứng dụng nhất định sẽ yêu cầu một bộ thông số kỹ thuật nhất định như năng lực và chi phí để đạt được điều đó sẽ hướng dẫn quyết định.

2. Các yêu cầu thực hiện. Nó sẽ được mong muốn để đáp ứng các mục tiêu nhất định như phản ứng thoáng qua. Nếu một thông số kỹ thuật như ESR (điện trở sê-ri hiệu quả) quá cao, tụ điện có thể không cung cấp các yêu cầu dòng điện cần thiết.

3. Kích thước và lắp đặt. Phương pháp gắn vào mạch cũng sẽ hướng dẫn lựa chọn. Một SMT nhỏ có thể dễ dàng hơn rất nhiều để chống lại các chân của IC trong khi loại chì có thể chắc chắn hơn.

Sự khác biệt hữu hình có thể là:

1. Tụ gốm có ESR thấp hơn và do đó, chúng cung cấp dòng rò thấp hơn so với tụ điện. Mẹo: Cố gắng sử dụng tụ gốm để thiết kế chạy bằng pin của bạn.

2. Lowe ESR cũng có nghĩa là các tụ gốm có đáp ứng quá độ tốt hơn để chúng có thể cung cấp dòng điện (dễ dàng hơn) trong thời gian nhất thời.

3. Tụ điện phân không cung cấp độ ổn định nhiệt độ tốt để điện dung của chúng có thể thay đổi 20% hoặc 30% so với giá trị ban đầu.

4. Giá cả: Nếu bạn cần các giá trị lớn của điện dung (giả sử> 100uF), thì bạn sẽ thấy rằng các tụ gốm rất đắt so với các tụ điện.