Posso substituir todos os capacitores eletrolíticos por cerâmicos?

Estou projetando o circuito da fonte de alimentação para um sistema que precisa de várias fontes, minhas perguntas são:

• É possível substituir todas as tampas eletrolíticas (principalmente 100uF) por cerâmicas? Quais são as limitações da cerâmica?

• Devo usar uma classificação de tensão 2x para cerâmica, como é feito para eletrolítico?

• E a classificação da corrente de ondulação? É um fator importante na escolha da cerâmica como na eletrolítica?

09/01/2014 adicionado: Mais sobre limitações cerâmicas

Encontrei este excelente vídeo enviado por Dave no EEVBlog mostrando as limitações de diferentes tipos de tampas de cerâmica e como elas são afetadas pela tensão aplicada e pela tensão de polarização também. Vale a pena assistir!

100 µF está realmente aumentando o limite para tampas de cerâmica. Se suas tensões forem baixas, como alguns volts a 10 ou talvez 20 volts, a comparação de várias cerâmicas pode ser razoável.

As tampas de cerâmica de alta capacitância têm seu próprio conjunto de vantagens e desvantagens. As vantagens são: resistência em série equivalente muito menor e, portanto, capacidade de corrente de ondulação muito maior, utilidade para frequências mais altas, menos sensibilidade ao calor, vida útil muito melhor e, na maioria dos casos, melhor robustez mecânica. Eles também têm seus próprios problemas. A capacitância pode se degradar significativamente com a tensão, e as cerâmicas mais densas (mais armazenamento de energia por volume) exibem efeitos piezoelétricos freqüentemente chamados de "microfones". Apenas na circunstância errada, isso pode levar à oscilação, mas isso é raro.

Para aplicações de comutação de fontes de alimentação, a cerâmica é geralmente uma troca melhor do que os eletrólitos, a menos que você precise de muita capacitância. Isso ocorre porque eles podem receber muito mais corrente de ondulação e aquecer melhor. A vida útil dos eletrólitos é severamente degradada pelo calor, o que geralmente é um problema nas fontes de alimentação.

Você não precisa reduzir a cerâmica tanto quanto os eletrólitos, porque a vida útil da cerâmica é muito maior, para começar, e é muito menos uma função da tensão aplicada. O que deve ser observado com a cerâmica é que as densas são feitas de um material não linear, que aparece como uma capacitância reduzida nas extremidades mais altas da faixa de tensão.

Adicionado sobre microfones:

Alguns dielétricos mudam fisicamente de tamanho em função do campo elétrico aplicado. Para muitos, o efeito é tão pequeno que você não percebe e pode ser ignorado. No entanto, algumas cerâmicas exibem um efeito forte o suficiente para que você possa ouvir as vibrações resultantes. Normalmente, você não pode ouvir um capacitor por si só, mas como eles são soldados rigidamente a uma placa, as pequenas vibrações do capacitor podem fazer com que a placa muito maior também vibre, especialmente com uma frequência ressonante da placa. O resultado pode ser bastante audível.

Obviamente, o inverso também funciona, pois as propriedades físicas geralmente funcionam nos dois sentidos, e essa não é uma exceção. Como a tensão aplicada pode alterar as dimensões do capacitor, alterar suas dimensões aplicando tensão pode alterar sua tensão em circuito aberto. Com efeito, o capacitor atua como um microfone. Ele pode captar as vibrações mecânicas às quais a placa está sujeita e essas podem entrar nos sinais elétricos da placa. Esses tipos de capacitores são evitados em circuitos de áudio de alta sensibilidade por esse motivo.

Para obter mais informações sobre a física por trás disso, consulte as propriedades do titanato de bário como exemplo. Este é um dielétrico comum para algumas tampas de cerâmica porque possui propriedades elétricas desejáveis, particularmente boa densidade de energia em comparação com a gama de cerâmicas. Isso é alcançado pela troca de átomos de titânio entre dois estados de energia. No entanto, o tamanho efetivo do átomo difere entre os dois estados de energia, portanto o tamanho da rede muda, e obtemos deformação física em função da tensão aplicada.

Anedota:Recentemente, me deparei com esse problema. Projetei um dispositivo que se conecta à energia DCC (Digital Command and Control) usada pelos trens-modelo. O DCC é uma maneira de transmitir energia, mas também informações para "material circulante" específico nas pistas. É um sinal de potência diferencial de até 22 V. As informações são transmitidas invertendo a polaridade com um tempo específico. A taxa de inversão é de aproximadamente 5 a 10 kHz. Para obter energia, a onda completa dos dispositivos corrige isso. Meu dispositivo não estava tentando decodificar as informações do DCC, apenas um pouco de energia. Usei um único diodo para retificar meia onda o DCC em uma tampa de cerâmica de 10 µF. A queda nessa tampa durante o meio-ciclo foi de apenas 3 V, mas esses 3 Vpp foram suficientes para fazê-la cantar. O circuito funcionou perfeitamente, mas toda a diretoria emitiu um gemido bastante irritante. Isso era inaceitável em um produto, portanto, para a versão de produção, isso foi alterado para uma tampa eletrolítica de 20 µF. Originalmente, fui com cerâmica porque era mais barata, menor e deveria ter uma vida mais longa. Felizmente, é improvável que este dispositivo seja usado em altas temperaturas; portanto, a vida útil da tampa eletrolítica deve ser muito melhor do que a sua classificação de pior caso.

Vejo nos comentários que há alguma discussão sobre o motivo pelo qual as fontes de alimentação às vezes choram. Parte disso pode ser devido às tampas de cerâmica, mas componentes magnéticos como indutores também podem vibrar por dois motivos. Primeiro, há força em cada pedaço de fio no indutor proporcional ao quadrado da corrente através dele. Essa força está lateralmente ao fio, fazendo a bobina vibrar se não for bem mantida no lugar. Segundo, existe uma propriedade magnética semelhante ao efeito piezo eletrostático, chamado magnetostrição. O material do núcleo do indutor pode mudar ligeiramente de tamanho em função do campo magnético aplicado. Os ferritos não exibem esse efeito com muita força, mas sempre há um pouco, e pode haver outro material no campo magnético. Certa vez, trabalhei em um produto que usava o efeito magnetorrestritivo como um captador magnético. E sim,

Existem algumas razões para não mudar um projeto de eletrolítico para cerâmica que ainda não foram mencionados:

• Alguns projetos de reguladores lineares exigem a ESR mais alta do eletrolítico em seu capacitor de saída para manter a estabilidade.

• A cerâmica é menos robusta que a eletrolítica quando submetida à flexão da placa. Especialmente nos tamanhos grandes, digamos 1206 e acima, como você precisará de valores acima de 10 - 20 uF com WV razoável, a cerâmica é facilmente quebrada se houver alguma flexão na placa. A flexão prejudicial pode ocorrer em campo ou com alguns métodos de isolar as placas do painel em que são fabricadas.

De acordo com as perguntas depreciativas do OP e ainda com a boa resposta de Olin:

O IPC-9592A (que é um padrão para dispositivos de conversão de energia de alta confiabilidade) cita as seguintes diretrizes de redução de potência:

MLCCs de cerâmica fixa:

• Tensão CC <= 80% da classificação do fabricante
• Temperatura: Mínimo 10 ° C abaixo da classificação do fabricante
• Tamanho: tamanhos maiores que 1210 não são recomendados devido ao potencial de rachaduras

Capacitores eletrolíticos de alumínio:

• Tensão CC <= 80% da classificação do fabricante (<= 90% para dispositivos de 250V ou superiores)
• Vida / resistência:> = 10 anos a 40 ° C, 80% de carga para dispositivos de Classe II (material do datacenter) ou 5 anos para dispositivos de Classe I (classe de consumidor)

A classificação de vida / resistência de um capacitor eletrolítico de alumínio é uma função de todas as suas tensões - tensão, corrente de ondulação e temperatura ambiente. Se a tampa estiver com bom fluxo de ar, poderá sofrer mais ondulações e manter uma vida útil longa. Um boné quente não terá uma vida longa.

Para capacitores de cerâmica, também se trata de temperatura. A temperatura ambiente e a corrente de ondulação resultam em um aumento de temperatura. Isso não quer dizer que a cerâmica não envelheça - certos materiais dielétricos (materiais da Classe 2, como X7R e Y5V) se degradam em capacitância ao longo do tempo - os materiais da Classe 1 são imunes a isso.

Além disso, como Olin afirmou, certos materiais dielétricos sofrem com a redução significativa da capacitância em função da tensão de polarização DC. Novamente, os materiais da Classe 2 sofrem com isso, os materiais da Classe 1 em grande parte não.

Essencialmente, se você usar qualquer tipo de capacitor, mantenha a tensão máxima abaixo de 80% da tensão.

A VHS muito mais baixa dos capacitores cerâmicos (vs. tampas eletroytic) tem uma implicação na estabilidade do loop de realimentação. Supondo que o seu conversor seja um comutador e tenha um filtro LC de saída, pode ser necessária uma rede de compensação do tipo 3 para estabilizar o conversor.

A baixa ESR faz com que o ganho de malha aberta saia a -40 dB / década por um longo intervalo (o zero da ESR é empurrado à medida que a ESR diminui), necessitando de um ganho de + 20dB / década na rede de compensação para o cruzamento de frequências estar em -20dB / década (que é um dos três critérios de estabilidade de loop que os projetistas de energia procuram, juntamente com a margem de ganho e a margem de fase).

Posso estar errado, mas mudar para tampas de granel em cerâmica criará uma anti-ressonância entre as tampas de granel e as tampas de desacoplamento menores. A menos que sejam escolhidos com cuidado, a indutância das tampas a granel ressoará com a capacitância das tampas de desacoplamento. Isso não acontece com o tântalo e as tampas eletrolíticas, porque a ESR desses dispositivos amortece a ressonância. Mais uma vez, posso estar errado, pois nunca tentei isso na prática.