1. Kondansatörler
Kondansatörlerle ilgili birçok yanılgı var, bu yüzden kapasitörün ne olduğunu ve kapasitörlerin ne yaptığını kısaca açıklamak istedim.
Kapasitans, belirli bir potansiyel farkı için iki farklı nokta arasında oluşturulan elektrik alanında ne kadar enerji depolanacağını ölçer. Bu nedenle kapasitansa genellikle endüktansın 'ikili' adı verilir. Endüktans, verilen bir akımın manyetik alanda ne kadar enerji depolayacağı ve kapasitansın aynı olması, ancak bir elektrik alanda depolanan enerji için (akım yerine potansiyel bir farkla) aynıdır.
Kondansatörler, ilk büyük yanılgı olan elektrik yükünü saklamaz. Enerji depolarlar. Her bir şarj taşıyıcısı için bir tabağa zorlarsınız, karşıt plaka üzerinde bir şarj taşıyıcısı kalkar. Net yük aynı kalır (asimetrik maruz kalan dış plakalarda birikebilecek muhtemel daha küçük dengesiz 'statik' yükleri göz ardı eder).
Kondansatörler, dielektrikte, iletken plakalarda DEĞİL, enerji depolarlar. Bir kapasitörün etkinliğini yalnızca iki şey belirler: fiziksel boyutları (plaka alanı ve onları ayıran mesafe) ve plakalar arasındaki yalıtımın dielektrik sabiti. Daha fazla alan daha büyük bir alan anlamına gelir, daha yakın plakalar daha güçlü bir alan anlamına gelir (çünkü alan kuvveti metre başına Volt cinsinden ölçülür, bu nedenle çok daha küçük bir mesafe boyunca aynı potansiyel farkı daha güçlü bir elektrik alanı sağlar).
Dielektrik sabiti, bir alanın belirli bir ortamda ne kadar güçlü oluşturulacağıdır. 'Temel' dielektrik sabiti, 1 'in normalize edilmiş bir değeri olan . Bu, mükemmel bir vakumun dielektrik sabiti veya uzay-zamanın kendisinde meydana gelen alan kuvvetidir. Maddenin bu konuda çok büyük bir etkisi vardır ve çok daha güçlü alanların oluşturulmasını destekleyebilir. En iyi malzemeler, malzemede üretilen alanın gücünü artıracak çok sayıda elektrik dipolüne sahip malzemelerdir. ε
Plaka alanı, dielektrik ve plaka ayrılması. Kapasitörlerin hepsi bu kadar. Peki neden bu kadar karmaşık ve çeşitli?
Onlar değil. Binlerce pF kapasitansın üzerinde olanlar hariç. Bugün en çok aldığımız gibi çok yüksek miktarlarda kapasitans, milyonlarca picofarad (mikrofarad) ve hatta ötesindeki büyüklüklerin sırasındaki miktarları istiyorsanız, fiziğin insafına kalmışız.
İyi bir mühendis gibi, doğa yasalarının dayattığı sınırlar karşısında, yine de hile yapıyoruz ve bu sınırları aşıyoruz. Elektrolitik kapasitörler ve yüksek kapasitans (0.1µF - 100µF +) seramik kapasitörler kullandığımız kirli püf noktalarıdır.
2. Elektrolitik kondansatörler
Alüminyum
İlk ve en önemli ayrım (bunun için adlandırıldıkları) elektrolitik kondansatörlerin bir elektrolit kullanmasıdır. Elektrolit, ikinci plaka olarak görev yapar. Bir sıvı olması, düzensiz şekilli bile olsa doğrudan dielektriklere karşı olabileceği anlamına gelir. Alüminyum elektrolitik kondansatörlerde bu, alüminyumun yüzey oksidasyonundan (dielektrik olarak kullanılmak üzere anodize edilmiş alüminyum üzerine yalıtkan bir Safir kaplama anlamına gelen eloksallı alüminyum üzerinde sert renkler, bazen kasıtlı olarak gözenekli ve boya emdirilmiş) faydalanmamızı sağlar. Bununla birlikte, bir elektrolitik 'plaka' olmadan, yüzeyin düzensizliği, sert metalik bir plakanın, ilk başta alüminyum oksit kullanmaktan herhangi bir avantaj elde etmek için yeterince yaklaşmasını önleyecektir.
Daha da iyisi, bir sıvı kullanarak, alüminyum folyo yüzeyi pürüzlü hale getirilebilir ve bu da etkili yüzey alanında büyük bir artışa neden olur. Daha sonra yüzeyinde yeterince kalın bir alüminyum oksit tabakası oluşana kadar anodize edilir. Sıvı elektrolitimiz - tümü diğer 'plakaya' doğrudan bitişik olacak kaba bir yüzey.
Ancak, sorunlar var. En tanıdık olanı kutupluluktur. Alüminyum anotlama, anot kelimesine benzerliği ile söylenemezse, polariteye bağlı bir işlemdir. Kapasitör her zaman alüminyumu anodize eden kutuplarda kullanılmalıdır. Ters polarite, elektrolitin sizi kısa bir kapasitörle bırakan yüzey oksitini yok etmesine izin verecektir. Bazı elektrolitler yine de bu tabakayı yavaşça yiyecektir, bu yüzden birçok alüminyum elektrolitik kapasitörün raf ömrü vardır. Kullanılmak üzere tasarlanmışlardır ve bu kullanım, yüzey oksidinin korunması ve hatta geri kazandırılması için faydalı yan etkiye sahiptir. Bununla birlikte, yeterince uzun süre kullanılmadığında, oksit tamamen tahrip olabilir. Emin değilseniz eski bir tozlu kondansatör kullanmanız gerekiyorsa, bunları sabit bir akım güç kaynağından çok düşük bir akım (yüzlerce µA - mA) uygulayarak 'düzeltmek' en iyisidir ve voltajın yavaş yavaş yükselmesine izin verin anma gerilimi.
Diğer problem elektrolitlerin kimya nedeniyle bir çözücü içinde çözünmüş iyonik bir şey olmasıdır. Polimer olmayan alüminyum olanlar su kullanır (kendisine eklenen bazı 'gizli sos' içerikli). Akım içinden geçtiğinde su ne yapar? Elektrolize olur! Oksijen ve hidrojen gazı istiyorsanız harika, eğer istemiyorsanız korkunç. Pillerde, kontrollü şarj işlemi bu gazı yeniden emebilir, ancak kapasitörlerde ters çevrilmiş elektrokimyasal reaksiyon yoktur. Elektroliti, iletken bir şey olarak kullanıyorlar. Dolayısıyla, ne olursa olsun, dakikalarca hidrojen gazı üretirler (oksijen, alüminyum oksit tabakasını oluşturmak için kullanılır) ve çok küçük olsa da, bu kapasitörleri hava geçirmez şekilde kapatmamızı önler. Böylece kururlar.
Maksimum sıcaklıkta standart faydalı ömür 2.000 saattir. Bu çok uzun değil. 83 gün civarında. Bu sadece suyun daha hızlı buharlaşmasına neden olan yüksek sıcaklıklardan kaynaklanmaktadır. Bir şeyin uzun ömürlü olmasını istiyorsanız, onları mümkün olduğunca serin tutmak ve en yüksek dayanıklılık modellerini elde etmek önemlidir (15.000 saat kadar yüksek olanları gördüm). Elektrolit kurudukça daha az iletken hale gelir, bu da ESR'yi yükseltir ve bu da ısıyı yükseltir ve bu da sorunu artırır.
Tantal
Tantal kondansatörler diğer çeşitli elektrolitik kondansatörlerdir. Bunlar, bitmiş formunda katı olan elektrolitleri olarak manganez dioksit kullanır. Üretim sırasında, manganez dioksit bir asit içinde eritilir, daha sonra sinterlenen tantal tozu yüzeyine elektrokimyasal olarak bırakılır (elektrolizle benzer). Tüm küçük tantalum tozu ve dielektrik parçaları arasında elektriksel bir bağlantı kurdukları 'sihir' kısmının tam detayları benim için bilinmez (düzenlemeler veya yorumlar takdir edilir!), Ancak şunu söylemeye yeteriz, tantal kapasitörleri Kolaylıkla tozdan (yüksek yüzey alanı) üretmemizi sağlayan bir kimya nedeniyle tantal.
Bu, onlara müthiş hacimsel verim sağlar, ancak bunun bir bedeli vardır: serbest tantal ve manganez dioksit, alüminyum ve demir oksit olan termite benzer bir reaksiyona girebilir. Sadece, tantal reaksiyonun çok daha düşük aktivasyon sıcaklıkları vardır - kutupsallığın veya aşırı voltaj olayının zıt kutuplara veya aşırı voltaj olaylarına karşı dielektrikten bir delik açıp kısa devre oluşturması durumunda kolayca ve hızlı bir şekilde elde edilen sıcaklıklar vardır. Bu yüzden tantal kondansatörlerin voltajını ve akımını% 50 veya daha fazla azalmış görüyorsunuz. Termitten habersizler için (ki bunlar çok daha sıcak ama yine de tantal ve MnO 2 reaksiyonuna benzemiyor ), bir ton ateş ve ısı var. Demiryolu raylarını birbirine kaynaklamak için kullanılır ve bu görevi saniyeler içinde yapar.
Monomer formunda bir sıvı olan, ancak doğru katalizöre maruz kaldığında katı bir malzemeye polimerize olan iletken polimeri kullanan polimer elektrolitik kapasitörler de vardır. Bu, aynca neme maruz kaldığında katılaşan polimerize edilmiş sıvı bir monomer olan süper yapıştırıcı gibidir (uygulandığı yüzeylerde veya havanın kendisinden). Bu şekilde, polimer kapasitörler çoğunlukla ESR'nin azaltılması, daha uzun ömür ve genellikle daha iyi sağlamlık ile sonuçlanan katı bir elektrolit olabilir. Bununla birlikte, polimer matrisinde hala az miktarda çözücüler vardır ve iletken olmaları gerekir. Bu yüzden hala kurumuşlar. Ne yazık ki bedava yemek yok.
Şimdi, bu tip kapasitörlerin gerçek elektriksel özellikleri nelerdir? Polariteden çoktan bahsettik, ama diğeri onların ESR ve ESL'si. Elektrolitik kapasitörler, bir bobine sarılı çok uzun bir levha olarak imal edildiklerinden nispeten yüksek ESL'ye (eşdeğer seri endüktans) sahiptir. Aslında o kadar yüksek ki, bunlar 100kHz'in üzerindeki kapasitörler veya polimer tipleri için 150kHz olarak tamamen etkisizdirler. Bu frekansın üstünde, temel olarak sadece DC'yi bloke eden dirençlerdir. Gerilim dalgalanmanıza bir şey yapmazlar ve bunun yerine dalgalanmayı kapasitörün ESR'si ile çarpılan dalgalanma akımına eşit yapar, bu da dalgalanmayı genellikle daha da kötüleştirir . Tabii ki, bu herhangi bir yüksek frekanslı gürültü veya ani yükselme, tıpkı orada olmadığı gibi bir alüminyum elektrolitik kondansatörden etkileneceği anlamına geliyor.
Tantallar fena değiller ama orta frekanslarda etkilerini hala kaybediyorlar (en iyi ve en küçüğü neredeyse 1MHz'e ulaşabilir, çoğu 300-600kHz civarında kapasitif özelliklerini kaybeder).
Sonuç olarak, elektrolitik kapasitörler küçük bir alanda bir ton enerjiyi depolamak için mükemmeldir, ancak sadece 100kHz'in altındaki gürültü veya dalgalanma ile uğraşmak için gerçekten yararlıdır. Bu kritik zayıflık olmasa, başka bir şey kullanmak için çok az sebep olurdu.
3. Seramik Kondansatörler
Seramik kapasitörler, dielektrik olarak bir seramik kullanır, plakaların her iki tarafında da metalize olur. Sınıf 1 (düşük kapasitans) türlerine girmeyeceğim, ancak yalnızca sınıf II'ye gireceğim.
Sınıf II kapasitörler ferroelektrik etki kullanarak hile yapar. Bu ferromanyetizmaya çok benzer, bunun yerine sadece elektrik alanlarla. Bir ferroelektrik malzeme, bir dereceye kadar veya başka bir şekilde harici bir elektrik alanı varlığında yönlendirilebilen bir ton elektrik dipolüne sahiptir. Böylece bir elektrik alanın uygulanması, dipolleri enerji gerektiren ve sonuçta elektrik alanında depolanacak çok büyük miktarda enerjinin oluşmasına neden olacak şekilde hizaya çekecektir. 1'in başlangıcında nasıl bir boşluk olduğunu hatırlıyor musunuz? Modern MLCC'lerde kullanılan ferroelektrik seramikler 7.000'in üzerinde dielektrik sabitine sahiptir.
Ne yazık ki, aynı ferromanyetik malzemeler gibi, daha güçlü ve daha güçlü bir alan bir materyali mıknatısladığında (veya bizim durumumuzda polarize olduğunda), polarize etmek için daha fazla dipolden tükenmeye başlar. Doyurur. Bu sonuçta X5R / X7R / etc tipi seramik kapasitörlerin kötü özelliklerine dönüşür: kapasitansları yanlılık gerilimi ile düşer. Terminalleri arasındaki voltaj ne kadar yüksek olursa, etkin kapasiteleri o kadar düşük olur. Depolanan enerji miktarı hala voltajla artmaktadır, ancak tarafsız kapasitansına dayanarak beklediğiniz kadar neredeyse hiç değildir.
Seramik kondansatörün voltaj oranının bu konuda çok az etkisi vardır. Aslında, çoğu seramiklerin gerçek dayanma gerilimi, daha düşük voltajlı olanlar için 75 ya da 100V daha yüksektir. Aslında, şüphelendiğim pek çok seramik kondansatör aynı parçadır ancak farklı parça numaraları ile aynı 4.7 µF kapasitör farklı etiketler altında hem 35V hem de 50V kapasitör olarak satılmaktadır. Bazı MLCC'lerin kapasitansına karşı eğilim voltajı grafiği aynıdır, grafiğini nominal voltajında kesilmiş olan düşük voltaj için tasarruf sağlar. Şüpheli, kesinlikle, ama yanılıyor olabilirim.
Her neyse, daha yüksek dereceli seramik satın almak, voltajla ilgili bu kapasitans düşüşüyle mücadele etmek için hiçbir şey yapmaz, sonuçta rol oynayan tek faktör dielektriklerin fiziksel hacmidir. Daha fazla malzeme daha fazla dipol anlamına gelir. Fiziksel olarak daha büyük kapasitörler kapasitanslarının çoğunu gerilim altında tutacaktır.
Bu aynı zamanda önemsiz bir etki değildir. Bir kondansatörün gerçek bir canavarı olan 121010µF 50V seramik kondansatör, kapasitansının% 80'ini 50V kaybeder. Bazıları biraz daha iyi, bazıları biraz daha kötü, ancak% 80 makul bir rakam. Gördüğüm en iyi 1210 (inç), yine de 1210'luk bir pakette 60V'a ulaştığında yaklaşık 3µF kapasitansı koruyordu. 10µF 1206 (inç) büyüklüğünde bir 50V seramik, 50nC'de 500nF kaldığı için şanslı olacaktır.
II. Sınıf seramikler ayrıca piezoelektrik ve piroelektriktir, ancak bu elektriksel olarak onları gerçekten etkilemez. Dalgalanma nedeniyle titreştikleri veya şarkı söyledikleri biliniyor ve mikrofon gibi davranabiliyorlar. Muhtemelen en iyisi, bunları ses devrelerinde kuplaj kapasitörleri olarak kullanmaktan kaçınmaktır.
Aksi takdirde, seramikler herhangi bir kapasitörün en düşük ESL ve ESR değerlerine sahiptir. Onlar grubun en 'kondansatörüne benziyor'. ESL'leri o kadar düşüktür ki, birincil kaynak, ambalajın üzerindeki son sonlandırmaların yüksekliğidir. Evet, bir 0805 seramik yüksekliği, 3 nH ESL'nin ana kaynağıdır. Halen birçok MHz'de kapasitör gibi davranıyorlar veya özel RF tipleri için daha da yüksekler. Ayrıca, çok fazla gürültüyü ve dijital devreler gibi çok hızlı parçaları çözebilirler, elektrolitiklerin yararsız olduğu şeyler.
Sonuç olarak, elektrolitikler:
- küçük bir pakette çok fazla kapasitans
- her şekilde korkunç
Yavaşlar, yıpranırlar, ateş yakarlar, eğer yanlış polarize ederseniz kısa devreye girerler. Her ölçütle kondansatörler ölçülür, kapasitansın kendisinden tasarruf edilir, elektrolitik kesinlikle korkunçtur. Onları kullanıyorsun, çünkü yapmak zorundasın, asla yapmak istemediğin için.
Seramikler:
- Kararsız ve voltaj önyargısı altında kapasitelerinin çoğunu kaybedersiniz
- Titreşebilir veya mikrofon gibi davranabilir. Veya nanoaktifler!
- Aksi takdirde harika.
Seramik kondansatörler kullanmak istediğiniz şeydir, ancak her zaman kullanamazsınız. Aslında kapasitörler gibi ve hatta yüksek frekanslarda davranırlar, ancak elektrolitiklerin hacimsel verimini karşılayamazlar ve sadece Sınıf 1 tipleri (çok az kapasitansa sahip olan) kararlı bir kapasitansa sahip olurlar. Sıcaklık ve voltaj ile biraz değişir. Oh, ayrıca çatlayabilirler ve mekanik olarak sağlam değildirler.
Oh, son bir not, AC / polarize olmayan uygulamalarda elektroliti tamamen kullanabiliyorsunuz, diğer tüm problemleri devam ediyor. Sadece bir çift kutupsal elektrolitik kondansatör bağla, aynı kutup terminalleri birlikte, ve şimdi zıt kutup uçları yepyeni, kutupsal olmayan bir elektrolitik terminallerdir. Kapasitans değerleri oldukça iyi eşlendiği ve sınırlı miktarda sabit durumlu DC önyargısı olduğu sürece, kapasitörler kullanımda tutulur gibi görünmektedir.
