1. Condensatori
Ci sono molte idee sbagliate sui condensatori, quindi volevo chiarire brevemente cosa sono le capacità e cosa fanno i condensatori.
La capacità misura quanta energia verrà immagazzinata nel campo elettrico generato tra due punti diversi per una data differenza di potenziale. Questo è il motivo per cui la capacità viene spesso chiamata il "doppio" dell'induttanza. L'induttanza è la quantità di energia che un determinato flusso di corrente immagazzinerà in un campo magnetico e la capacità è la stessa, ma per l'energia immagazzinata in un campo elettrico (per differenza di potenziale, piuttosto che corrente).
I condensatori non immagazzinano la carica elettrica, che è il primo grande malinteso. Conservano energia. Per ogni portatore di carica forzato su una piastra, parte un portatore di carica sulle piastre opposte. La carica netta rimane la stessa (trascurando ogni possibile carica 'statica' sbilanciata molto più piccola che potrebbe accumularsi su piastre esterne esposte asimmetriche).
I condensatori immagazzinano energia nel dielettrico, NON nelle piastre conduttive. Solo due cose determinano l'efficacia di un condensatore: le sue dimensioni fisiche (area della piastra e distanza che le separa) e la costante dielettrica dell'isolante tra le piastre. Più area significa un campo più grande, piastre più vicine significano un campo più forte (poiché l'intensità del campo è misurata in Volt per metro, quindi la stessa differenza di potenziale su una distanza molto più piccola produce un campo elettrico più forte).
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Area della piastra, dielettrico e separazione della piastra. Questo è davvero tutto ciò che c'è da fare sui condensatori. Allora perché sono così complicati e vari?
Non lo sono. Tranne quelli con molto più di migliaia di pF di capacità. Se vuoi una quantità così ridicola di capacità che diamo per scontata oggi, quantità come in milioni di picofarad (microfarad) e persino ordine di grandezza oltre, siamo in balia della fisica.
Come ogni bravo ingegnere, di fronte ai limiti imposti dalle leggi della natura, imbrogliamo e aggiriamo comunque quei limiti. Condensatori elettrolitici e condensatori ceramici ad alta capacità (da 0,1µF a 100µF +) sono i trucchi sporchi che abbiamo usato.
2. Condensatori elettrolitici
Alluminio
La prima e più importante distinzione (per cui prendono il nome) è che i condensatori elettrolitici usano un elettrolita. L'elettrolita funge da seconda piastra. Essendo un liquido, questo significa che può essere direttamente contro un dielettrico, anche uno che ha una forma irregolare. Nei condensatori elettrolitici in alluminio, ciò ci consente di sfruttare l'ossidazione superficiale dell'alluminio (il materiale duro, a volte deliberatamente poroso e impregnato di coloranti per i colori, sull'alluminio anodizzato che equivale a un rivestimento isolante in zaffiro) da utilizzare come dielettrico. Senza una "piastra" elettrolitica, tuttavia, l'irregolarità della superficie impedirebbe a una piastra metallica rigida di avvicinarsi abbastanza da ottenere qualsiasi vantaggio dall'utilizzare l'ossido di alluminio in primo luogo.
Ancora meglio, usando un liquido, la superficie del foglio di alluminio può essere irruvidita, causando un grande aumento della superficie effettiva. Quindi viene anodizzato fino a quando uno strato sufficientemente spesso di ossido di alluminio si è formato sulla sua superficie. Una superficie ruvida di cui tutto sarà direttamente adiacente all'altra "piastra" - il nostro elettrolita liquido.
Ci sono problemi, tuttavia. La più familiare è la polarità. Anodizzazione dell'alluminio, se non si potesse dire dalla sua somiglianza con la parola anodo, è un processo dipendente dalla polarità. Il condensatore deve essere sempre utilizzato nella polarità che anodizza l'alluminio. La polarità opposta consentirà all'elettrolita di distruggere l'ossido superficiale, che ti lascia con un condensatore in corto. Alcuni elettroliti lentamente divoreranno comunque questo strato, quindi molti condensatori elettrolitici in alluminio hanno una durata di conservazione. Sono progettati per essere utilizzati e quell'uso ha il benefico effetto collaterale di mantenere e persino ripristinare l'ossido superficiale. Tuttavia, con un disuso abbastanza lungo, l'ossido può essere completamente distrutto. Se è necessario utilizzare un vecchio condensatore polveroso in condizioni incerte, è meglio 'riformarli' applicando una corrente molto bassa (centinaia di µA a mA) da un alimentatore a corrente costante e lasciare che la tensione salga lentamente fino a raggiungere il suo tensione nominale.
L'altro problema è che gli elettroliti sono, a causa della chimica, qualcosa di ionico disciolto in un solvente. Quelle di alluminio non polimerico usano acqua (con aggiunta di altri ingredienti di "salsa segreta"). Cosa fa l'acqua quando la corrente scorre attraverso di essa? Si elettrolizza! Ottimo se volevi ossigeno e idrogeno, terribile se non lo facessi. Nelle batterie, la ricarica controllata può riassorbire questo gas, ma i condensatori non hanno una reazione elettrochimica che è invertita. Stanno solo usando l'elettrolito come una cosa conduttiva. Quindi, indipendentemente da ciò, generano minuscole quantità di idrogeno gassoso (l'ossigeno viene utilizzato per costruire lo strato di ossido di alluminio) e, sebbene molto piccolo, ci impedisce di sigillare ermeticamente questi condensatori. Quindi si seccano.
La vita utile standard alla massima temperatura è di 2.000 ore. Non è molto lungo. Intorno 83 giorni. Ciò è semplicemente dovuto alle temperature più elevate che fanno evaporare l'acqua più rapidamente. Se vuoi che qualcosa abbia una longevità, è importante mantenerlo il più fresco possibile e ottenere i modelli di resistenza più alti (ne ho visti di fino a 15.000 ore). Man mano che l'elettrolito si secca, diventa meno conduttivo, il che aumenta l'ESR, che a sua volta aumenta il calore, che aggrava il problema.
Tantalio
I condensatori al tantalio sono l'altra varietà di condensatori elettrolitici. Questi usano il biossido di manganese come elettrolita, che è solido nella sua forma finita. Durante la produzione, il biossido di manganese viene sciolto in un acido, quindi depositato elettrochimicamente (simile alla galvanica) sulla superficie della polvere di tantalio che viene quindi sinterizzata. I dettagli esatti della parte 'magica' in cui creano una connessione elettrica tra tutti i minuscoli pezzi di polvere di tantalio e il dielettrico non mi sono noti (modifiche o commenti sono apprezzati!) Ma basti dire che i condensatori al tantalio sono fatti da tantalio a causa di una chimica che ci consente di fabbricarli facilmente da una polvere (alta superficie).
Questo dà loro un'eccezionale efficienza volumetrica, ma a un costo: il tantalio libero e il biossido di manganese possono subire una reazione simile alla termite, che è alluminio e ossido di ferro. Solo, la reazione al tantalio ha temperature di attivazione molto più basse - le temperature che sono facilmente e rapidamente raggiunte dovrebbero opporre la polarità o un evento di sovratensione perforare un dielettrico (pentossido di tantalio, molto simile all'ossido di alluminio) e creare un corto. Questo è il motivo per cui la tensione e la corrente dei condensatori al tantalio sono diminuite del 50% o più. Per coloro che non sono a conoscenza della termite (che è molto più calda ma non ancora dissimile dal tantalio e dalla reazione di MnO 2 ), c'è una tonnellata di fuoco e calore. Viene utilizzato per saldare i binari della ferrovia tra loro e svolge questa attività in pochi secondi.
Esistono anche condensatori elettrolitici polimerici, che usano polimeri conduttivi che, nella sua forma monomerica, è un liquido, ma se esposto al catalizzatore giusto, polimerizzerà in un materiale solido. Questo è proprio come la super colla, che è un monomero liquido che polimerizza solido una volta che viene esposto all'umidità (o nelle / sulle superfici su cui viene applicato o dall'aria stessa). In questo modo, i condensatori polimerici possono essere per lo più un elettrolita solido, il che si traduce in ESR ridotto, maggiore longevità e generalmente migliore robustezza. Hanno comunque una piccola quantità di solvente nella matrice polimerica ed è necessario che sia conduttivo. Quindi si seccano ancora. Nessun pranzo libero purtroppo.
Ora, quali sono le proprietà elettriche effettive di questi tipi di condensatori? Abbiamo già menzionato la polarità, ma l'altro è il loro ESR e ESL. I condensatori elettrolitici, essendo costruiti come una piastra molto lunga avvolta in una bobina, hanno ESL relativamente elevato (induttanza serie equivalente). Così alti, infatti, che sono completamente inefficaci come condensatori sopra i 100kHz o 150kHz per i tipi di polimeri. Al di sopra di questa frequenza, sono fondamentalmente solo resistori che bloccano la corrente continua. Non faranno nulla per la tua ondulazione di tensione, e invece faranno in modo che l'ondulazione sia uguale alla corrente di ondulazione moltiplicata per l'ESR del condensatore, che spesso può peggiorare ulteriormente l' ondulazione . Naturalmente, ciò significa che qualsiasi tipo di rumore o picco ad alta frequenza sparerà attraverso un condensatore elettrolitico in alluminio come se non fosse nemmeno lì.
I tantalio non sono poi così male, ma perdono ancora la loro efficacia con le frequenze medie (le migliori e le più piccole possono quasi colpire 1MHz, la maggior parte perde la sua caratteristica capacitiva intorno a 300-600kHz).
Tutto sommato, i condensatori elettrolitici sono ottimi per conservare una tonnellata di energia in un piccolo spazio, ma sono davvero utili solo per gestire il rumore o l'ondulazione al di sotto di 100 kHz. Se non fosse per quella debolezza critica, ci sarebbero poche ragioni per usare qualcos'altro.
3. Condensatori ceramici
I condensatori ceramici usano una ceramica come loro dielettrico, con metallizzazione su entrambi i lati come le piastre. Non entrerò nei tipi di classe 1 (bassa capacità), ma solo nella classe II.
I condensatori di classe II imbrogliano usando l'effetto ferroelettrico. Questo è molto simile al ferromagnetismo, ma solo con campi elettrici. Un materiale ferroelettrico ha una tonnellata di dipoli elettrici che possono, in un modo o nell'altro, essere orientati in presenza di un campo elettrico esterno. Quindi l'applicazione di un campo elettrico trascinerà i dipoli in allineamento, il che richiede energia, e alla fine una quantità enorme di energia verrà immagazzinata nel campo elettrico. Ricordi come un vuoto era la base di 1? Le ceramiche ferroelettriche utilizzate nei moderni MLCC hanno una costante dielettrica dell'ordine di 7.000.
Sfortunatamente, proprio come i materiali ferromagnetici, quando un campo sempre più forte magnetizza (o polarizza nel nostro caso) un materiale, inizia a rimanere senza più dipoli per polarizzare. Satura. Questo alla fine si traduce nella cattiva proprietà dei condensatori ceramici di tipo X5R / X7R / etc: la loro capacità diminuisce con una tensione di polarizzazione. Maggiore è la tensione tra i loro terminali, minore è la loro capacità effettiva. La quantità di energia immagazzinata continua ad aumentare con la tensione, ma non è così buona come ci si aspetterebbe in base alla sua capacità imparziale.
La tensione nominale di un condensatore ceramico ha un effetto molto limitato su questo. In effetti, la tensione di resistenza effettiva della maggior parte delle ceramiche è molto più alta, 75 o 100 V per quelle a bassa tensione. In effetti, sospetto che molti condensatori ceramici siano esattamente la stessa parte ma con numeri di parte diversi, lo stesso condensatore da 4,7 µF viene venduto sia come condensatore da 35 V che 50 V con etichette diverse. Il grafico della capacità di alcuni MLCC rispetto alla tensione di polarizzazione è identico, tranne per quello a tensione più bassa con il suo grafico troncato alla sua tensione nominale. Sospetto, certo, ma potrei sbagliarmi.
In ogni caso, l'acquisto di ceramiche con rating più elevato non farà nulla per combattere questo calo di capacità correlato alla tensione, l'unico fattore che alla fine gioca un ruolo è il volume fisico del dielettrico. Più materiale significa più dipoli. Quindi condensatori fisicamente più grandi manterranno più della loro capacità sotto tensione.
Anche questo non è un effetto banale. Un condensatore ceramico 1210 10µF 50V, una vera bestia di un condensatore, perderà l'80% della sua capacità di 50V. Alcuni sono un po 'meglio, altri un po' peggio, ma l'80% è una cifra ragionevole. La migliore che abbia mai visto è stata una capacità di 1210 (pollici) di circa 3 µF quando ha raggiunto 60 V, in un pacchetto 1210 comunque. Una ceramica da 50 V da 10µF 1206 (pollici) sarà fortunata ad avere 500nF da 50V.
Le ceramiche di classe II sono anche piezoelettriche e piroelettriche, anche se ciò non le influenza elettricamente. Sono noti per vibrare o cantare a causa dell'ondulazione e possono agire come microfoni. Probabilmente è meglio evitare di usarli come condensatori di accoppiamento nei circuiti audio.
Altrimenti, la ceramica ha l'ESL e l'ESR più bassi di qualsiasi condensatore. Sono i più "condensatori" del gruppo. Il loro ESL è così basso che la fonte primaria è l' altezza delle terminazioni finali sul pacchetto stesso Sì, quell'altezza di una ceramica 0805 è la fonte principale del suo 3 nH di ESL. Si comportano ancora come condensatori in molti MHz, o anche più in alto per tipi RF specializzati. Possono anche disaccoppiare molto rumore e disaccoppiare cose molto veloci come i circuiti digitali, cose per cui l'elettrolita è inutile.
In conclusione, gli elettrolitici sono:
- molta capacità di massa in un piccolo pacchetto
- terribile in ogni altro modo
Sono lenti, si consumano, prendono fuoco, si trasformeranno in un corto se li polarizzi male. Secondo ogni criterio, i condensatori vengono misurati, salvo la capacità stessa, gli elettrolitici sono assolutamente terribili. Li usi perché devi, mai perché vuoi.
Le ceramiche sono:
- Instabili e perdono molto della loro capacità sotto tensione
- Può vibrare o agire come microfoni. O nanoattuatori!
- Altrimenti sono fantastici.
I condensatori ceramici sono ciò che vuoi usare, ma non sono sempre in grado di farlo. In realtà si comportano come condensatori e anche ad alte frequenze, ma non possono eguagliare l'efficienza volumetrica degli elettrolitici e solo i tipi di Classe 1 (che hanno quantità molto piccole di capacità) avranno una capacità stabile. Variano abbastanza con la temperatura e la tensione. Oh, possono anche rompersi e non sono meccanicamente robusti.
Oh, un'ultima nota, puoi usare l'elettrolitico bene nelle applicazioni AC / non polarizzate, con tutti gli altri problemi ancora in gioco ovviamente. Basta collegare una coppia di normali condensatori elettrolitici polarizzati, con terminali terminali della stessa polarità insieme, e ora le estremità opposte della polarità sono i terminali di un nuovissimo elettrolitico non polare. Finché i loro valori di capacità sono abbastanza ben abbinati e c'è una quantità limitata di polarizzazione DC a stato stazionario, i condensatori sembrano resistere durante l'uso.
