Tôi có thể thay thế tất cả các tụ điện điện bằng gốm không?


57

Tôi đang thiết kế mạch cung cấp điện cho một hệ thống cần nhiều nguồn cung cấp, câu hỏi của tôi là:

  • Có thể thay thế tất cả các nắp điện phân (Chủ yếu là 100uF) bằng gốm không? Những hạn chế của gốm là gì?

  • Tôi có nên sử dụng định mức điện áp gấp 2 lần cho gốm sứ vì nó được thực hiện cho điện phân?

  • Điều gì về đánh giá hiện tại Ripple? Có phải là một yếu tố quan trọng khi chọn gốm như trong điện phân?

Đã thêm 1/9/2014: Thông tin thêm về các hạn chế của gốm

Tôi tìm thấy video tuyệt vời này được gửi bởi Dave tại EEVBlog cho thấy những hạn chế của các loại nắp gốm khác nhau và cách chúng bị ảnh hưởng bởi điện áp ứng dụng và điện áp sai lệch. Đáng để xem!


5
bạn có thể tìm thấy mũ gốm 100uF?
Tiêu chuẩn Sandun


@sandundhammika trên digikey có tới 680 uF nhưng nó quá đắt. 100uF có sẵn khoảng $ 2. Đánh giá điện áp ảnh hưởng đến giá cả quá.
Abdella

5
@geometrikal: Khi nào bạn không muốn vứt tiền của mình?
endolith

2
@Abdella, re chỉnh sửa của bạn, Đầu tiên, tantalum là một loại điện phân. Thứ hai, nếu tantalums không được sử dụng trong các sản phẩm thương mại, sẽ không có ai bận tâm sản xuất chúng.
Photon

Câu trả lời:


73

100 100F thực sự đang đẩy giới hạn cho mũ gốm. Nếu điện áp của bạn thấp, từ vài volt đến 10 hoặc có thể 20 volt, thì song song nhiều gốm có thể là hợp lý.

Mũ gốm điện dung cao có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Ưu điểm là điện trở sê-ri tương đương thấp hơn nhiều và do đó khả năng dòng gợn cao hơn nhiều, hữu ích với tần số cao hơn, độ nhạy nhiệt ít hơn, tuổi thọ tốt hơn nhiều và trong hầu hết các trường hợp độ chắc chắn cơ học tốt hơn. Họ cũng có những vấn đề của riêng họ. Điện dung có thể suy giảm đáng kể với điện áp, và gốm dày đặc hơn (lưu trữ năng lượng nhiều hơn trên mỗi thể tích) thể hiện hiệu ứng piezo thường được gọi là "microphonics". Trong trường hợp sai, điều này có thể dẫn đến dao động, nhưng điều đó là hiếm.

Để chuyển đổi các ứng dụng cung cấp điện, gốm thường là một sự đánh đổi tốt hơn so với chất điện phân trừ khi bạn cần quá nhiều điện dung. Điều này là do họ có thể mất nhiều dòng điện gợn hơn và nhiệt tốt hơn. Tuổi thọ của chất điện phân bị suy giảm nghiêm trọng do nhiệt, thường là vấn đề với nguồn cung cấp năng lượng.

Bạn không cần phải loại bỏ gốm nhiều như chất điện phân vì tuổi thọ của gốm lớn hơn nhiều, bắt đầu bằng, và ít hơn một chức năng của điện áp ứng dụng. Điều cần chú ý với gốm sứ là những cái dày đặc được làm từ vật liệu phi tuyến tính, thể hiện dưới dạng điện dung giảm ở hai đầu cao hơn của dải điện áp.

Đã thêm về microphonics:

Một số điện môi thay đổi kích thước vật lý như là một chức năng của điện trường ứng dụng. Đối với nhiều người, hiệu ứng này nhỏ đến mức bạn không nhận thấy và nó có thể bị bỏ qua. Tuy nhiên, một số đồ gốm thể hiện một hiệu ứng đủ mạnh để cuối cùng bạn có thể nghe thấy các rung động kết quả. Thông thường, bạn không thể tự nghe một tụ điện, nhưng vì chúng được hàn khá cứng vào một bảng, các rung động nhỏ của tụ có thể làm cho bảng lớn hơn nhiều cũng rung, đặc biệt là ở tần số cộng hưởng của bảng. Kết quả có thể nghe được.

Tất nhiên, điều ngược lại cũng hoạt động vì các tính chất vật lý thường hoạt động theo cả hai cách, và cách này cũng không ngoại lệ. Vì điện áp ứng dụng có thể thay đổi kích thước của tụ điện, thay đổi kích thước của nó bằng cách đặt ứng suất có thể thay đổi điện áp mạch hở của nó. Trong thực tế, các tụ điện hoạt động như một micro. Nó có thể nhận các rung động cơ học mà bảng phải chịu, và chúng có thể đi vào các tín hiệu điện trên bảng. Những loại tụ điện này được tránh trong các mạch âm thanh có độ nhạy cao vì lý do này.

Để biết thêm thông tin về vật lý đằng sau điều này, hãy tìm các thuộc tính của barium titanate làm ví dụ. Đây là một chất điện môi phổ biến cho một số nắp gốm vì nó có tính chất điện mong muốn, mật độ năng lượng đặc biệt khá tốt so với phạm vi của gốm. Nó đạt được điều này bằng cách chuyển đổi nguyên tử titan giữa hai trạng thái năng lượng. Tuy nhiên, kích thước hiệu quả của nguyên tử khác nhau giữa hai trạng thái năng lượng, do đó kích thước của mạng thay đổi và chúng ta có biến dạng vật lý như là một hàm của điện áp ứng dụng.

Giai thoại:Gần đây tôi gặp vấn đề này. Tôi đã thiết kế một gizmo kết nối với nguồn DCC (Lệnh kỹ thuật số và điều khiển) được sử dụng bởi các đoàn tàu mô hình. DCC là một cách để truyền sức mạnh nhưng cũng là thông tin cho "cổ phiếu" cụ thể trên đường ray. Đó là tín hiệu công suất vi sai lên đến 22 V. Thông tin được mang theo bằng cách lật cực tính với thời gian cụ thể. Tốc độ lật là khoảng 5-10 kHz. Để có được sức mạnh, các thiết bị sóng đầy đủ khắc phục điều này. Thiết bị của tôi không cố giải mã thông tin DCC, chỉ cần lấy một chút năng lượng. Tôi đã sử dụng một diode duy nhất để điều chỉnh một nửa sóng DCC trên nắp gốm 10. Sự sụt giảm trên nắp này trong nửa chu kỳ tắt chỉ khoảng 3 V, nhưng 3 Vpp đó là đủ để làm cho nó hát. Mạch hoạt động hoàn hảo, nhưng toàn bộ bảng phát ra tiếng rên rỉ khá khó chịu. Điều đó là không thể chấp nhận được trong một sản phẩm, Vì vậy, đối với phiên bản sản xuất, điều này đã được thay đổi thành nắp điện phân 20FFF. Ban đầu tôi đi bằng gốm vì nó rẻ hơn, nhỏ hơn và có tuổi thọ cao hơn. May mắn thay, thiết bị này khó có thể được sử dụng ở nhiệt độ cao, vì vậy tuổi thọ của nắp điện phân sẽ tốt hơn rất nhiều so với đánh giá trường hợp xấu nhất của nó.

Tôi thấy từ các ý kiến ​​có một số cuộc thảo luận về lý do tại sao việc chuyển đổi nguồn cung cấp đôi khi rên rỉ. Một số trong đó có thể là do nắp gốm, nhưng các thành phần từ tính như cuộn cảm cũng có thể rung vì hai lý do. Đầu tiên, có lực trên mỗi bit của dây dẫn trong cuộn cảm tỷ lệ với bình phương của dòng điện thông qua nó. Lực này nằm nghiêng sang dây, làm cho cuộn dây rung nếu không được giữ đúng vị trí. Thứ hai, có một tính chất từ ​​tính tương tự như hiệu ứng piezo tĩnh điện, được gọi là từ tính. Vật liệu lõi cuộn cảm có thể thay đổi kích thước một chút như là một chức năng của từ trường được áp dụng. Ferrites không thể hiện hiệu ứng này rất mạnh mẽ, nhưng luôn có một chút và có thể có vật liệu khác trong từ trường. Tôi đã từng làm việc trên một sản phẩm sử dụng hiệu ứng từ tính như một bộ thu từ tính. Và vâng,


2
Có phải microphonics là những tiếng rên rỉ cao vút mà tôi thỉnh thoảng thấy mọi người báo cáo là có vấn đề với một số thẻ GPU?
Dan Neely

@DanNeely Tôi nghĩ rằng Olin đang đề cập đến thực tế là điện dung của tụ gốm có thể thay đổi khi chúng rung động vật lý. Âm thanh có thể khiến điện dung thay đổi. Vì vậy, nếu điện dung xảy ra ảnh hưởng đến âm thanh được tạo ra và âm thanh ảnh hưởng đến điện dung, bạn sẽ nhận được một vòng phản hồi sẽ có tác dụng ngoài ý muốn.
Stephen Collings

Ít nhất, tôi cho rằng các hiệu ứng sẽ là ngoài ý muốn. Nếu bạn đang thiết kế xung quanh hiệu ứng microphonic của nắp gốm, có lẽ bạn đã làm sai điều gì đó.
Stephen Collings

1
@DanNeely - Rượu vang cao được gây ra bởi từ tính trong cuộn cảm của thiết bị . Tôi không nghĩ rằng tôi đã từng thấy một tụ điện gây ra tiếng ồn (tốt, ngoại trừ khi chúng thất bại thảm hại).
Sói Connor

@Remiel - Đó là một sự cân nhắc phổ biến trong âm thanh hiệu suất cao và một trong nhiều lý do họ không sử dụng mũ gốm trong đường dẫn âm thanh.
Sói Connor

18

Có một vài lý do để không chuyển đổi thiết kế từ điện phân sang gốm chưa được đề cập:

  • Một số thiết kế bộ điều chỉnh tuyến tính yêu cầu ESR cao hơn của chất điện phân trên tụ điện đầu ra của chúng để duy trì sự ổn định.

  • Gốm kém bền hơn so với điện phân khi chịu uốn cong. Đặc biệt là ở các kích thước lớn, giả sử 1206 trở lên, như bạn sẽ cần các giá trị trên 10 - 20 uF với WV hợp lý, gốm dễ bị nứt nếu có bất kỳ uốn cong nào trong bảng. Sự uốn cong gây tổn hại có thể xảy ra trong lĩnh vực này, hoặc nó có thể xảy ra với một số phương pháp tách các bảng ra khỏi bảng điều khiển mà chúng được sản xuất.


15

Căn cứ vào các câu hỏi bắt nguồn của OP và hơn nữa là câu trả lời hay của Olin:

IPC-9592A (là một tiêu chuẩn cho các thiết bị chuyển đổi năng lượng có độ tin cậy cao) trích dẫn các nguyên tắc giảm dần sau đây:

Các MLCC gốm cố định:

  • Điện áp DC <= 80% đánh giá của nhà sản xuất
  • Nhiệt độ: Tối thiểu 10 ° C dưới mức đánh giá của nhà sản xuất
  • Kích thước: Kích thước lớn hơn 1210 không được đề xuất do khả năng bẻ khóa

Tụ nhôm điện phân:

  • Điện áp DC <= 80% đánh giá của nhà sản xuất (<= 90% cho các thiết bị 250V trở lên)
  • Tuổi thọ / độ bền:> = 10 năm ở 40 ° C, tải 80% cho các thiết bị Class II (công cụ trung tâm dữ liệu) hoặc 5 năm cho các thiết bị Class I (cấp tiêu dùng)

Các đánh giá cuộc sống / sức chịu đựng của một tụ hóa nhôm là một chức năng của tất cả các căng thẳng của nó - điện áp, nhiệt độ hiện tại và môi trường xung quanh gợn. Nếu nắp trong luồng không khí tốt, nó có thể mất nhiều gợn hơn và duy trì tuổi thọ dài. Một cái mũ nóng sẽ không có một cuộc sống lâu dài.

Đối với tụ gốm, đó cũng là về nhiệt độ. Nhiệt độ môi trường xung quanh và dòng điện gợn sóng sẽ dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ. Điều đó không có nghĩa là gốm không bị lão hóa - một số vật liệu điện môi (vật liệu loại 2 như X7R và Y5V) bị suy giảm điện dung theo thời gian - Vật liệu loại 1 phần lớn miễn nhiễm với điều này.

Ngoài ra, như Olin đã nêu, một số vật liệu điện môi nhất định phải chịu sự sụt giảm điện dung đáng kể như là một hàm của điện áp phân cực DC. Một lần nữa, các tài liệu Lớp 2 chịu đựng điều này, các tài liệu Lớp 1 phần lớn không có.

Về cơ bản, nếu bạn sử dụng một trong hai loại tụ điện, hãy giữ điện áp tối đa dưới 80% ứng suất.

ESR thấp hơn nhiều của tụ gốm (so với nắp điện cực) có hàm ý ổn định vòng phản hồi. Giả sử bộ chuyển đổi của bạn sẽ là bộ chuyển đổi và có bộ lọc LC đầu ra, mạng bù loại 3 có thể được yêu cầu để ổn định bộ chuyển đổi.

ESR thấp làm cho mức tăng của vòng mở giảm xuống ở mức -40 dB / thập kỷ trong một khoảng thời gian dài (ESR zero được đẩy ra khi ESR giảm) đòi hỏi mức tăng + 20dB / thập kỷ trong mạng bù cho tần số chéo ở mức -20dB / thập kỷ (là một trong ba tiêu chí ổn định vòng lặp mà các nhà thiết kế công suất tìm kiếm, cùng với biên độ khuếch đại và biên pha).


2

Tôi có thể sai, nhưng chuyển sang mũ số lượng lớn bằng gốm sẽ tạo ra sự chống cộng hưởng giữa các nắp số lượng lớn và các nắp tách nhỏ hơn. Trừ khi chúng được chọn cẩn thận, độ tự cảm của các nắp số lượng lớn sẽ cộng hưởng với điện dung của các nắp tách. Điều này không xảy ra với mũ Tantalum và điện phân, vì ESR của các thiết bị đó làm giảm sự cộng hưởng. Một lần nữa, tôi có thể sai, vì tôi chưa bao giờ thử điều này trong thực tế.

Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookieChính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.