Estoy diseñando el circuito de suministro de energía para un sistema que necesita varios suministros, mis preguntas son:
¿Es posible reemplazar todas las tapas electrolíticas (principalmente 100uF) por cerámicas? ¿Cuáles son las limitaciones de la cerámica?
¿Debo usar un voltaje de 2x para cerámica como se hace para electrolítico?
¿Qué pasa con la clasificación actual de ondulación? ¿Es un factor importante al elegir cerámica como electrolítica?
Añadido el 9/1/2014: más información sobre las limitaciones cerámicas
Encontré este excelente video enviado por Dave en EEVBlog que muestra las limitaciones de los diferentes tipos de tapas de cerámica y cómo se ven afectados por el voltaje aplicado y el voltaje de polarización. ¡Vale la pena ver!
Respuestas:
100 µF realmente está empujando el límite para las tapas de cerámica. Si sus voltajes son bajos, como unos pocos voltios a 10 o tal vez 20 voltios, entonces la cerámica en paralelo múltiple puede ser razonable.
Las tapas cerámicas de alta capacitancia tienen su propio conjunto de ventajas y desventajas. Las ventajas son una resistencia en serie equivalente mucho más baja y, por lo tanto, una capacidad de corriente de ondulación mucho más alta, utilidad para frecuencias más altas, menos sensibilidad al calor, vida útil mucho mejor y, en la mayoría de los casos, mejor robustez mecánica. Ellos también tienen sus propios problemas. La capacitancia puede degradarse significativamente con el voltaje, y las cerámicas más densas (más almacenamiento de energía por volumen) exhiben efectos piezoeléctricos a menudo llamados "microfonía". En las circunstancias equivocadas, esto puede conducir a una oscilación, pero eso es raro.
Para cambiar las aplicaciones de suministro de energía, la cerámica suele ser una mejor compensación que los electrolitos, a menos que necesite demasiada capacidad. Esto se debe a que pueden tomar mucha más corriente de ondulación y calentarse mejor. La vida útil de los electrolitos se degrada severamente por el calor, que a menudo es un problema con las fuentes de alimentación.
No es necesario que reduzca la cerámica tanto como los electrolitos porque la vida útil de la cerámica es mucho mayor, para empezar, y es mucho menos una función del voltaje aplicado. Lo que hay que tener en cuenta con las cerámicas es que las densas están hechas de un material que no es lineal, lo que se muestra como una capacidad reducida en los extremos más altos del rango de voltaje.
Añadido sobre microfonía:
Algunos dieléctricos cambian físicamente de tamaño en función del campo eléctrico aplicado. Para muchos, el efecto es tan pequeño que no se nota y puede ignorarse. Sin embargo, algunas cerámicas exhiben un efecto lo suficientemente fuerte que eventualmente puede escuchar las vibraciones resultantes. Por lo general, no se puede escuchar un condensador por sí solo, pero dado que estos se sueldan de manera bastante rígida a una placa, las pequeñas vibraciones del condensador pueden hacer que la placa mucho más grande también vibre, especialmente a una frecuencia resonante de la placa. El resultado puede ser bastante audible.
Por supuesto, lo contrario también funciona, ya que las propiedades físicas generalmente funcionan en ambos sentidos, y esta no es una excepción. Dado que el voltaje aplicado puede cambiar las dimensiones del condensador, cambiar sus dimensiones aplicando tensión puede cambiar su voltaje de circuito abierto. En efecto, el condensador actúa como un micrófono. Puede captar las vibraciones mecánicas a las que está sujeta la placa, y esas pueden llegar a las señales eléctricas de la placa. Por este motivo, se evitan estos tipos de condensadores en circuitos de audio de alta sensibilidad.
Para obtener más información sobre la física detrás de esto, consulte las propiedades del titanato de bario como ejemplo. Este es un dieléctrico común para algunas tapas cerámicas porque tiene propiedades eléctricas deseables, particularmente una densidad de energía bastante buena en comparación con el rango de la cerámica. Lo logra mediante el átomo de titanio que cambia entre dos estados de energía. Sin embargo, el tamaño efectivo del átomo difiere entre los dos estados de energía, por lo tanto, el tamaño de la red cambia, y obtenemos deformación física en función del voltaje aplicado.
Anécdota:Recientemente me encontré con este problema de frente. Diseñé un artilugio que se conecta a la potencia DCC (Comando y Control Digital) utilizada por los trenes modelo. DCC es una forma de transmitir potencia, pero también información a "material rodante" específico en las pistas. Es una señal de potencia diferencial de hasta 22 V. La información se transporta volteando la polaridad con un tiempo específico. La velocidad de volteo es de aproximadamente 5-10 kHz. Para obtener energía, los dispositivos de onda completa rectifican esto. Mi dispositivo no intentaba decodificar la información DCC, solo obtener un poco de energía. Usé un solo diodo para rectificar la media onda del DCC en una tapa de cerámica de 10 µF. La caída en esta tapa durante el medio ciclo de apagado fue de solo 3 V, pero esos 3 Vpp fueron suficientes para hacerlo cantar. El circuito funcionó perfectamente, pero toda la placa emitió un gemido bastante molesto. Eso era inaceptable en un producto, así que para la versión de producción, esto se cambió a una tapa electrolítica de 20 µF. Originalmente fui con cerámica porque era más barata, más pequeña y debería tener una vida más larga. Afortunadamente, es poco probable que este dispositivo se use a altas temperaturas, por lo que la vida útil de la tapa electrolítica debería ser mucho mejor que la calificación de su peor caso.
Veo por los comentarios que hay una discusión sobre por qué a veces se quejan las fuentes de alimentación. Algo de eso podría deberse a las tapas de cerámica, pero los componentes magnéticos como los inductores también pueden vibrar por dos razones. Primero, hay fuerza en cada bit de cable en el inductor proporcional al cuadrado de la corriente a través de él. Esta fuerza es lateral al cable, haciendo que la bobina vibre si no se mantiene bien en su lugar. En segundo lugar, existe una propiedad magnética similar al efecto piezoeléctrico electrostático, llamado magnetostricción. El material del núcleo del inductor puede cambiar ligeramente de tamaño en función del campo magnético aplicado. Las ferritas no exhiben este efecto con mucha fuerza, pero siempre hay un poco, y puede haber otro material en el campo magnético. Una vez trabajé en un producto que utilizaba el efecto magnetoestrictivo como una pastilla magnética. Y si,
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Hay un par de razones para no cambiar un diseño de electrolítico a cerámica que aún no se han mencionado:
Algunos diseños de reguladores lineales requieren la mayor ESR del electrolítico en su condensador de salida para mantener la estabilidad.
Las cerámicas son menos robustas que los electrolíticos cuando se someten a flexión de la placa. Especialmente en los tamaños grandes, digamos 1206 y superiores, como necesitará para valores superiores a 10-20 uF con un WV razonable, las cerámicas se rompen fácilmente si hay alguna flexión en el tablero. La flexión dañina podría ocurrir en el campo, o podría ocurrir con algunos métodos para individualizar las tablas fuera del panel en el que se fabrican.
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De acuerdo con las preguntas de reducción de OP, y más allá de la buena respuesta de Olin:
IPC-9592A (que es un estándar para dispositivos de conversión de energía de alta confiabilidad) cita las siguientes pautas de reducción:
MLCC cerámicos fijos:
Condensadores electrolíticos de aluminio:
La calificación de vida / resistencia de un condensador electrolítico de aluminio es una función de todas sus tensiones: voltaje, corriente de ondulación y temperatura ambiente. Si la tapa está en buen flujo de aire, puede tomar más ondulación y mantener una larga vida útil. Una gorra caliente no tendrá una larga vida.
Para los condensadores de cerámica, también se trata de la temperatura. La temperatura ambiente y la corriente de ondulación provocarán un aumento de la temperatura. Eso no quiere decir que la cerámica no envejezca: ciertos materiales dieléctricos (materiales de Clase 2 como X7R e Y5V) se degradan con el tiempo : los materiales de Clase 1 son en gran medida inmunes a esto.
Además, como dijo Olin, ciertos materiales dielétricos sufren una caída de capacitancia significativa en función del voltaje de polarización de CC. Nuevamente, los materiales de Clase 2 sufren de esto, los materiales de Clase 1 en gran medida no.
Esencialmente, si usa cualquier tipo de condensador, mantenga el voltaje máximo por debajo del 80% del estrés.
La ESR mucho más baja de los condensadores cerámicos (frente a las tapas electroíticas) tiene una implicación de estabilidad del circuito de retroalimentación. Suponiendo que su convertidor sea un conmutador y tenga un filtro LC de salida, puede ser necesaria una red de compensación de tipo 3 para estabilizar el convertidor.
La baja ESR hace que la ganancia de bucle abierto se reduzca a -40 dB / década durante un largo intervalo (el ESR cero se expulsa a medida que la ESR cae), lo que requiere una ganancia de + 20dB / década en la red de compensación para el cruce de frecuencia estar en -20dB / década (que es uno de los tres criterios de estabilidad de bucle que buscan los diseñadores de potencia, junto con el margen de ganancia y el margen de fase).
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Puede que me equivoque, pero cambiar a tapas volumétricas de cerámica creará una antirresonancia entre las tapas volumétricas y las tapas desacopladoras más pequeñas. A menos que se elijan cuidadosamente, la inductancia de las tapas a granel resonará con la capacitancia de las tapas de desacoplamiento. Esto no sucede con el tantalio y las tapas electrolíticas, porque la ESR de esos dispositivos amortigua la resonancia. De nuevo, podría estar equivocado, ya que nunca he intentado esto en la práctica.
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