Un rapide google et tout ce que je semble pouvoir trouver sont des gens qui parlent de la physique et de la chimie des condensateurs, mais pas de la façon dont cela affecte le choix de l’utilisation.

En évitant de parler de la différence de composition et des capacités plus importantes des bouchons électrolytiques, quelles sont les principales idées qui déterminent le type de condensateur à utiliser pour une application?

Par exemple, pourquoi est-il suggéré d'utiliser des capuchons en céramique pour le découplage de l'alimentation par microprocesseur et un condensateur électrolytique plus grand par carte? pourquoi ne pas utiliser électrolytique tout autour?

1. Condensateurs

Il y a beaucoup d'idées fausses sur les condensateurs, je voulais donc clarifier brièvement ce que sont les capacités et ce que font les condensateurs.

La capacité mesure la quantité d'énergie qui sera stockée dans le champ électrique généré entre deux points différents pour une différence de potentiel donnée. C'est pourquoi la capacité est souvent appelée le «double» de l'inductance. L'inductance est la quantité d'énergie qu'un flux de courant stockera dans un champ magnétique, et la capacité est la même, à l'exception de l'énergie stockée dans un champ électrique (par une différence de potentiel plutôt que par le courant).

Les condensateurs ne stockent pas de charge électrique, ce qui est la première grande idée fausse. Ils stockent de l'énergie. Pour chaque support de charge que vous forcez sur une plaque, un support de charge sur la plaque opposée s'en va. La charge nette reste la même (en négligeant toute charge «statique» déséquilibrée beaucoup plus petite qui pourrait s'accumuler sur des plaques extérieures exposées asymétriques).

Les condensateurs emmagasinent de l'énergie dans le diélectrique, PAS dans les plaques conductrices. L'efficacité d'un condensateur ne dépend que de deux facteurs: ses dimensions physiques (surface de la plaque et distance qui les sépare) et la constante diélectrique de l'isolant entre les plaques. Plus la surface est grande, plus les champs sont proches et plus les plaques sont proches, plus le champ est puissant (l'intensité du champ étant mesurée en volts par mètre, la même différence de potentiel sur une distance beaucoup plus petite donne un champ électrique plus puissant).

La constante diélectrique est la force avec laquelle un champ sera généré dans un support spécifique. La constante diélectrique de base est , avec une valeur normalisée de 1. Il s'agit de la constante diélectrique d'un vide parfait ou de l'intensité du champ qui se produit dans l'espace-temps lui-même. La matière a un impact très important à cet égard et peut soutenir la génération de champs beaucoup plus puissants. Les meilleurs matériaux sont des matériaux avec beaucoup de dipôles électriques qui amélioreront la force d'un champ généré dans le matériau. $\varepsilon$

Surface de la plaque, diélectrique et séparation de la plaque. C'est vraiment tout ce qu'il y a pour les condensateurs. Alors pourquoi sont-ils si compliqués et variés?

Ils ne sont pas. Sauf ceux avec beaucoup plus que des milliers de pF de capacité. Si vous souhaitez des capacités aussi ridicules que nous tenons pour la plupart pour acquis aujourd'hui, telles que des millions de picofarads (microfarads), voire des ordres de grandeur, nous sommes à la merci de la physique.

Comme tout bon ingénieur, malgré les limites imposées par les lois de la nature, nous trichons et contournons ces limites de toute façon. Condensateurs électrolytiques et condensateurs céramiques à haute capacité (0,1µF à 100µF +) sont les pièges sales que nous avons utilisés.

2. Condensateurs électrolytiques

Aluminium

La première et la plus importante distinction (pour laquelle ils ont été nommés) est que les condensateurs électrolytiques utilisent un électrolyte. L'électrolyte sert de deuxième plaque. Étant un liquide, cela signifie qu'il peut être directement placé contre un diélectrique, même de forme inégale. Dans les condensateurs électrolytiques en aluminium, cela nous permet de tirer parti de l’oxydation superficielle de l’aluminium (substance dure, parfois délibérément poreuse et imprégnée de colorant sur des couleurs, sur de l’aluminium anodisé constituant un revêtement isolant en saphir) pour une utilisation en tant que diélectrique. Sans une «plaque» électrolytique, cependant, l’inégalité de la surface empêcherait une plaque métallique rigide de s’approcher suffisamment pour que l’utilisation de l’oxyde d’aluminium soit un avantage.

Mieux encore, en utilisant un liquide, la surface de la feuille d’aluminium peut être rendue rugueuse, ce qui entraîne une augmentation importante de la surface effective. Ensuite, il est anodisé jusqu'à ce qu'une couche suffisamment épaisse d'oxyde d'aluminium se soit formée à sa surface. Une surface rugueuse dont tous seront directement adjacents à l'autre "plaque" - notre électrolyte liquide.

Il y a cependant des problèmes. Le plus connu est la polarité. L'anodisation de l'aluminium, si vous ne pouvez pas dire par sa similitude avec le mot anode, est un processus dépendant de la polarité. Le condensateur doit toujours être utilisé dans la polarité qui anodise l'aluminium. La polarité opposée permettra à l'électrolyte de détruire l'oxyde de surface, ce qui vous laissera avec un condensateur en court-circuit. De toute façon, certains électrolytes vont ronger lentement cette couche, de sorte que de nombreux condensateurs électrolytiques en aluminium ont une durée de conservation. Ils sont conçus pour être utilisés et cette utilisation a pour effet secondaire bénéfique de maintenir, voire de restaurer l'oxyde de surface. Cependant, après une longue période d'inutilisation, l'oxyde peut être complètement détruit. Si vous devez utiliser un vieux condensateur poussiéreux dont l'état est incertain, il est préférable de le "reformer" en appliquant un courant très faible (plusieurs centaines de µA à mA) à partir d'une alimentation électrique à courant constant, et en laissant la tension augmenter lentement jusqu'à atteindre son niveau minimum. tension nominale.

L'autre problème est que les électrolytes sont, en raison de la chimie, quelque chose d'ionique dissous dans un solvant. Ceux en aluminium non polymère utilisent de l'eau (avec quelques autres ingrédients de la "sauce secrète" ajoutés). Que fait l'eau quand le courant la traverse? Ça électrolyse! Super si vous vouliez de l'oxygène et de l'hydrogène, terrible si vous ne le vouliez pas. Dans les batteries, une recharge contrôlée peut réabsorber ce gaz, mais les condensateurs n’ont pas de réaction électrochimique inversée. Ils utilisent simplement l'électrolyte comme une chose conductrice. Ainsi, quoi qu’il en soit, ils génèrent des quantités infimes d’hydrogène (l’oxygène sert à la constitution de la couche d’oxyde d’aluminium) et, bien que très petite, nous empêche de sceller hermétiquement ces condensateurs. Alors ils se dessèchent.

La durée de vie normale à la température maximale est de 2 000 heures. Ce n'est pas très long Environ 83 jours. Ceci est tout simplement dû aux températures plus élevées entraînant une évaporation plus rapide de l'eau. Si vous voulez que quelque chose ait une longévité, il est important de le garder aussi cool que possible et d'obtenir les modèles d'endurance les plus élevés (j'ai déjà vu des modèles atteignant 15 000 heures). Au fur et à mesure que l'électrolyte se dessèche, il devient moins conducteur, ce qui augmente la RSE, ce qui augmente également la chaleur, ce qui aggrave le problème.

Tantale

Les condensateurs au tantale sont l’autre variété de condensateurs électrolytiques. Ceux-ci utilisent le dioxyde de manganèse comme électrolyte, qui est solide dans sa forme finale. Pendant la production, le dioxyde de manganèse est dissous dans un acide, puis déposé par voie électrochimique (semblable à la galvanoplastie) sur la surface de la poudre de tantale qui est ensuite frittée. Les détails exacts de la partie «magique» où ils créent une connexion électrique entre tous les petits morceaux de poudre de tantale et le diélectrique m ne sont pas connus de moi (les modifications ou commentaires sont appréciés!), Mais il suffit de dire que les condensateurs au tantale sont fabriqués à partir de le tantale en raison d’une chimie qui nous permet de les fabriquer facilement à partir d’une poudre (surface élevée).

Cela leur confère une efficacité volumétrique remarquable, mais à un coût: le tantale libre et le dioxyde de manganèse peuvent subir une réaction similaire à la thermite, qui est l’oxyde d’aluminium et l’oxyde de fer. Seulement, la réaction au tantale a des températures d'activation beaucoup plus basses - des températures qui sont facilement et rapidement atteintes si une polarité opposée ou un événement de surtension perforait un trou dans le diélectrique (pentoxyde de tantale, un peu comme l'oxyde d'aluminium) et créait un court-circuit. C’est la raison pour laquelle la tension et le courant des condensateurs au tantale sont réduits de 50% ou plus. Pour ceux qui ne sont pas au courant de la thermite (qui est beaucoup plus chaude mais qui n’est pas si différente de la réaction au tantale et au MnO ₂ ), il ya une tonne de feu et de chaleur. Il est utilisé pour souder des rails de chemin de fer entre eux et effectue cette tâche en quelques secondes.

Il existe également des condensateurs électrolytiques polymères, qui utilisent un polymère conducteur qui, sous sa forme monomère, est un liquide, mais lorsqu'il est exposé au catalyseur approprié, il polymérise en un matériau solide. Cela ressemble à la super colle, qui est un monomère liquide qui polymérise un solide une fois exposé à l'humidité (soit sur / sur les surfaces sur lesquelles il est appliqué, soit à partir de l'air lui-même). De cette manière, les condensateurs polymères peuvent être principalement des électrolytes solides, ce qui entraîne une réduction de la résistance aux effets indésirables, une plus grande longévité et généralement une meilleure robustesse. Cependant, ils ont encore une petite quantité de solvant dans la matrice polymère, qui doit être conductrice. Alors ils sèchent encore. Pas de repas gratuit malheureusement.

Quelles sont les propriétés électriques réelles de ces types de condensateurs? Nous avons déjà mentionné la polarité, mais l’autre est leur RSE et leur RSE. Les condensateurs électrolytiques, du fait qu’ils sont construits sous la forme d’une très longue plaque enroulée dans une bobine, ont une ESL (inductance série équivalente) relativement élevée. Si élevé en fait, ils sont totalement inefficaces en tant que condensateurs supérieurs à 100 kHz, ou 150 kHz pour les types de polymères. Au-dessus de cette fréquence, ce ne sont que des résistances qui bloquent le courant continu. Ils ne feront rien à votre ondulation de la tension, et au lieu fera l'ondulation soit égal au courant multiplié par ESR du condensateur d' entraînement, ce qui peut souvent ondulation encore pire . Bien sûr, cela signifie que toute sorte de bruit haute fréquence ou de crête va traverser un condensateur électrolytique en aluminium comme si ce n’était même pas là.

Les tantales ne sont pas aussi mauvais, mais ils perdent tout de même leur efficacité avec les moyennes fréquences (les meilleures et les plus petites peuvent atteindre presque 1 MHz, la plupart perdent leur caractéristique capacitive autour de 300–600kHz).

Dans l’ensemble, les condensateurs électrolytiques sont parfaits pour stocker une tonne d’énergie dans un petit espace, mais ne sont vraiment utiles que pour faire face au bruit ou aux ondulations en dessous de 100 kHz. Sans cette faiblesse critique, il y aurait peu de raisons d'utiliser autre chose.

3. Condensateurs en céramique

Les condensateurs en céramique utilisent une céramique comme diélectrique, avec une métallisation de chaque côté comme les plaques. Je n'entrerai pas dans les types de classe 1 (faible capacité), mais uniquement dans la classe II.

Les condensateurs de classe II trichent en utilisant l'effet ferroélectrique. Cela ressemble beaucoup au ferromagnétisme, mais uniquement avec des champs électriques. Un matériau ferroélectrique a une tonne de dipôles électriques qui peuvent, dans une certaine mesure, être orientés en présence d'un champ électrique externe. Ainsi, l'application d'un champ électrique amènera les dipôles à s'aligner, ce qui nécessite de l'énergie et entraînera le stockage d'une quantité énorme d'énergie dans le champ électrique. Rappelez-vous comment un vide était la ligne de base de 1? Les céramiques ferroélectriques utilisées dans les MLCC modernes ont une constante diélectrique de l'ordre de 7 000.

Malheureusement, tout comme les matériaux ferromagnétiques, comme un champ de plus en plus puissant magnétise (ou polarise dans notre cas) un matériau, il commence à manquer de dipôles à polariser. Ça sature. Cela se traduit finalement par la mauvaise propriété des condensateurs céramiques de type X5R / X7R / etc: leur capacité chute avec la tension de polarisation. Plus la tension aux bornes de leurs bornes est élevée, plus leur capacité effective est faible. La quantité d'énergie stockée augmente toujours avec la tension, mais elle est loin d'être aussi bonne que ce à quoi on pourrait s'attendre en fonction de sa capacité non biaisée.

La tension nominale d'un condensateur en céramique a très peu d'effet sur ce point. En fait, la tension de résistance réelle de la plupart des céramiques est beaucoup plus élevée, 75 ou 100 V pour les plus basses tensions. En fait, de nombreux condensateurs en céramique que je soupçonne sont exactement la même pièce mais avec des références différentes, le même condensateur de 4,7µF étant vendu à la fois comme condensateur 35V et 50V sous des étiquettes différentes. Le graphique de la capacité de certaines MLCC par rapport à la tension de polarisation est identique, à l'exception de la tension inférieure dont le graphique est tronqué à sa tension nominale. Méfiant, certes, mais je peux me tromper.

Quoi qu’il en soit, l’achat de céramiques de calibre élevé ne contribuera en rien à lutter contre cette chute de capacité liée à la tension, le seul facteur qui joue finalement un rôle est le volume physique du diélectrique. Plus de matériel signifie plus de dipôles. Donc, les condensateurs physiquement plus gros conservent une plus grande partie de leur capacité sous tension.

Ce n'est pas non plus un effet trivial. Un condensateur céramique de 1210 10µF 50V, une véritable bête de condensateur, perdra 80% de sa capacité de 50V. Certains sont un peu meilleurs, d'autres un peu moins, mais 80% est un chiffre raisonnable. Le meilleur que j'ai vu était un 1210 (pouces) garder environ 3µF de capacité au moment où il atteint 60V, dans un paquet 1210 de toute façon. Une céramique 50V de 10µF de taille 1206 (pouces) aura la chance d'avoir 500nF de 50V.

Les céramiques de classe II sont également piézoélectriques et pyroélectriques, bien que cela ne les affecte pas vraiment électriquement. Ils sont connus pour vibrer ou chanter à cause d’ondulations et peuvent jouer le rôle de microphones. Il est probablement préférable d'éviter de les utiliser comme condensateurs de couplage dans des circuits audio.

Sinon, les céramiques ont l'ESL et l'ESR les plus faibles de tous les condensateurs. Ils sont le plus "condensateur" de la bande. Leur ESL est si faible que la source principale est la hauteur des extrémités du paquet lui-même. Oui, la hauteur d’une céramique 0805 est la source principale de ses 3 nH d’ESL. Ils se comportent toujours comme des condensateurs dans les nombreux MHz, voire plus pour les types RF spécialisés. Ils peuvent également dissocier beaucoup de bruit et des composants très rapides tels que les circuits numériques, pour lesquels les applications électrolytiques sont inutiles.

En conclusion, les électrolytiques sont:

• beaucoup de capacité en vrac dans un boîtier minuscule
• terrible à tous les égards

Ils sont lents, ils s'usent, ils prennent feu, ils se transformeront en courts-métrages si vous les polarisez mal. Selon tous les critères, les condensateurs sont mesurés par, sauf pour la capacité elle-même, les électrolytiques sont absolument terribles. Vous les utilisez parce que vous devez, jamais parce que vous voulez.

Les céramiques sont:

• Instable et perd beaucoup de leur capacité sous polarisation en tension
• Peut vibrer ou faire office de microphones. Ou des nanoacteurs!
• Sont autrement génial.

Les condensateurs en céramique sont ce que vous voulez utiliser, mais vous ne le pouvez pas toujours. En réalité, ils se comportent comme des condensateurs et même à des fréquences élevées, mais ils ne peuvent pas égaler le rendement volumétrique des électrolytiques. Seuls les types de classe 1 (qui ont de très petites capacités) vont avoir une capacité stable. Ils varient un peu avec la température et la tension. Oh, ils peuvent également se fissurer et ne sont pas aussi robustes sur le plan mécanique.

Oh, une dernière remarque, vous pouvez utiliser l'électrolytique parfaitement dans les applications AC / non polarisées, avec tous leurs autres problèmes toujours d'actualité, bien sûr. Il suffit de connecter une paire de condensateurs électrolytiques polarisés normaux, avec les mêmes bornes de polarité, et les extrémités opposées sont maintenant les bornes d’un électrolytique non polaire flambant neuf. Tant que leurs valeurs de capacité sont assez bien adaptées et que la polarisation CC en régime permanent est limitée, les condensateurs semblent rester inutilisables.

Par exemple, pourquoi est-il suggéré d'utiliser des capuchons en céramique pour le découplage de l'alimentation par microprocesseur et un condensateur électrolytique plus grand par carte? pourquoi ne pas utiliser électrolytique tout autour?

Les trois types principaux ont des caractéristiques différentes - je vous suggère de faire des recherches sur eux mais les choses principales à rechercher sont

• fréquence d'auto-résonance (provoquée par l'inductance en série effective). Exemple simple ci-dessous: -

• pertes diélectriques (généralement à hautes fréquences): -

• résistance en série effective (plus de pertes)

• changement de capacité avec la tension appliquée (non approprié pour les filtres): -

• changement de capacité en fonction de la température (également déconseillé pour les filtres): -

• attentes initiales de tolérance

• courant d'ondulation (important pour les alimentations en raison des demandes de pointe élevées): -

• Capacité d'éviter les courts-circuits (condensateurs X et Y)

• Microphonique faible (important dans les applications audio sensibles). Voici un gars qui sait à ce sujet: -

• Les capsules électrolytiques de base sont polarisées, ce qui limite les applications CA. Voici le circuit équivalent: -

Je suis sûr qu'il y a quelques autres choses, mais celles-ci deviendront apparentes lors de votre enquête.

La différence évidente est que les électrolytiques sont beaucoup plus gros que la céramique. La céramique de 1 mm sur 0,5 mm est une variété de jardinage courante, vos boîtes d'électrolyse sont beaucoup plus grandes.

Ensuite, comme d'autres l'ont déjà souligné, l'électrolytique ne fonctionne pas très bien dans les hautes fréquences et ne convient donc pas pour contourner les "hautes" fréquences. Il ne peut pas suivre le rythme d'une puce à 1 MHz, sans parler du PHY Ethernet Gigabit à 125 MHz.

Un autre point de discorde est l'ESR. Dans les applications de puissance, cela a tendance à traduire directement en chaleur perdue dans les nœuds de commutation, de sorte qu'un électrolytique a tendance à être choisi en fonction du courant nominal de l'ondulation plutôt que de la capacité.

L'électrolyse est également assez horrible avec la stabilité de la température, etc., de sorte que votre capacité peut varier beaucoup.

La céramique a beaucoup progressé, lorsque je débutais, la céramique 100nF était "de grande capacité". Maintenant, vous pouvez acheter de la céramique 10uF à moindre coût. Le problème qui n’est pas évident ici est que les «grandes» céramiques utilisant le diélectrique X7R (ou pire) perdent de la capacité à la tension plus élevée à laquelle elles sont soumises. Votre céramique 10uF 80V peut être seulement 1uF à 63V.

La tolérance de tension en céramique n’est pas non plus une ligne de conduite, augmentez d’un volt et vous commencez à avoir des défaillances. Non pas que vous devriez jamais utiliser des passifs sans déclassement.

Par conséquent, le grand électrolytique peut fournir un grand "seau d'électrons", capable de suivre les pointes de puissance à basse fréquence sur les circuits. Les petites céramiques utilisent les fréquences moyennes jusqu’à 50 MHz environ, à moins que vous ne soyez très prudent en ce qui concerne le placement, l’acheminement et la sélection des pièces. Pour les hautes fréquences réelles, vous voulez des plans d’alimentation étroitement couplés.

Un autre problème avec les céramiques est l'impédance sur la fréquence, une grande capacité ne fait pas cela bien avec les hautes fréquences et vice versa. Cela concerne les capacités et les inductances dues au boîtier physique.

Propriétés des condensateurs électrolytiques

• Efficace à basse fréquence
• Grande capacité
• À bas prix
• Grande ESR
• Grand ESL

Propriétés des condensateurs en céramique

• Efficace à haute fréquence
• La capacité effective diminue avec la tension de polarisation
• Plus cher qu'un condensateur électrolytique
• ESR faible
• Faible ESL
• Taille limitée du condensateur

De nombreux facteurs influenceraient le choix du type de condensateur à utiliser dans un cas donné. Voici quelques-uns:

1. Le coût est un facteur. Une application donnée nécessitera un certain ensemble de spécifications telles que la capacité et le coût à atteindre qui guideront la décision.

2. Exigences de performance. On voudra atteindre certains objectifs tels que la réponse transitoire. Si une spécification telle que l'ESR (résistance série effective) est trop élevée, le condensateur peut ne pas fournir les exigences de flux de courant nécessaires.

3. Taille et montage. La méthode de raccordement au circuit guidera également la sélection. Un petit SMT peut être beaucoup plus facile à caler contre les broches d'un circuit intégré, tandis qu'un type à fil peut être plus robuste.

Les différences tangibles pourraient être:

1. Les condensateurs céramiques ont une ESR plus faible et, de ce fait, ils offrent des courants de fuite plus faibles que les condensateurs électrolytiques. Conseil: essayez d’utiliser des condensateurs en céramique pour vos conceptions alimentées par batterie.

2. Lowe ESR signifie également que les condensateurs céramiques ont une meilleure réponse transitoire, ce qui leur permet de fournir du courant (plus facilement) pendant un transitoire.

3. Les condensateurs électrolytiques n'offrent pas une bonne stabilité de la température, leur capacité peut donc varier de 20% ou 30% par rapport à leur valeur d'origine.

4. Prix: Si vous avez besoin de grandes valeurs de capacité (disons> 100uF), vous verrez alors que les condensateurs en céramique sont très coûteux par rapport aux condensateurs électrolytiques.