В чем различие керамических и электролитических конденсаторов?

Question

В чём различие между этими двумя видами? Можно ли заменить керамический на электролитический, если ёмкость одинаковая?

Answer 1

Самое главное различие - в материале диэлектрика. Самый стабильный диэлектрик для керамических конденсаторов обозначается как NP0 (он же C0G) - у таких конденсаторов отсутствует зависимость емкости от температуры и от приложенного напряжения. Недостаток таких конденсаторов - невозможность создать конденсатор большой емкости. Следующий диэлектрик обозначается как X5R. Позволяет создавать более емкие конденсаторы, но уже начинает проявляться зависимость емкости от приложенного напряжения - чем выше приложенное напряжение, тем меньше емкость. Последний диэлектрик - X7R позволяет создавать конденсаторы номиналом 10мкФ и даже более, но вобрал в себя все самый худшие черты - здесь сильная зависимость от температуры, от приложенного напряжения, микрофонный эффект во всей красе.

В электролитическом конденсаторе в качестве диэлектрика используется диэлектрическая оксидная пленка на одном из электродов - самый распространенный это алюминий, используется ещё тантал и экзотический ниобий. Чтобы поддерживать сохранение пленки, используются электролиты. При этом необходимо соблюдать полярность подключения - в противном случае пленка разрушается, происходит вспенивание электролита и разрушение корпуса конденсатора. В случае с танталовым конденсатором - возможно и возгорание (выводы танталовых конденсаторов маркируются по-другому - обязательно читать даташит! - может быть помечен плюсовой контакт). Самый главный недостаток алюминиевых электролитов - высыхание электролита на высокой температуре.

Почему нельзя менять керамический конденсатор на электролитический? 1. Керамические конденсаторы вполне работоспособны на СВЧ частотах. Предел работы электролитических конденсаторов - десятки кГц. 2. Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) - это сопротивление, которое характеризует тангенс угла потерь конденсатора. Другими словами, чем меньше значение ESR, тем меньше потери при заряде/разряде конденсатора, скорость разряда/заряда также выше, выше и та частота, на которой конденсатор способен выполнять свою главную функцию - накапливание энергии. Так вот самое низкое значение ESR  - у керамических конденсаторов - порядка 1-10мОм. Самым худшим ESR обладают алюминиевые электролитические конденсаторы - редко, когда оно падает ниже 300 мОм. Для высоковольтных конденсаторов оно составляет уже единицы Ом.

Середину между керамическими конденсаторами и электролитами занимают конденсаторы с полимерным диэлектриком. У них высокая емкость и весьма приемлемый ESR  - на уровне десятков мОм. Они могут работать на частотах вплоть до сотен кГц, пожаробезопасны, не высыхают, нет ограничений на предельное напряжение - их можно ставить практически впритык: для шины в 5 вольт можно смело ставить полимер на 6 или 6.3 вольта, тогда как тантал не менее 10 вольт.

Answer 2

Резервный конденсатор

Многие схемы расчитаны на получение постоянного, стабильного питания. Например 5 В. Их им поставляет источник питания. Но идеальных систем не существует и в случае резкого изменения потребления тока устройством, например когда включается компонент, источник питания не успевает «отреагировать» моментально и происходит кратковременный спад напряжения. Кроме того, в случаях когда провод от источника питания до схемы достаточно длинный, он начинает работать как антенна и тоже вносить нежелательный шум в уровень напряжения.

Обычно отклонение от идеального напряжения не превышает тысячной доли вольта и это являние абсолютно незначительно, если речь идёт о питании, например, светодиодов или электродвигателя. Но в логических цепях, где переключение логического нуля и логической единицы происходит на основе изменения малых напряжений, шумы питания могут быть ошибочно приняты за сигнал, что приведёт к неверному переключению, которое по принципу домино поставит систему в непредсказуемое состояние.

Для предотвращения таких сбоев, непосредственно перед схемой ставят резервный конденсатор

В моменты, когда напряжение полное, конденсатор заряжается до насыщения и становится запасом резервного заряда. Как только уровень напряжения на линии падает, резервный конденсатор выступает в роли быстрой батарейки, отдавая накопленный ранее заряд, чтобы заполнить пробел пока ситуация не нормализуется. Такая помощь основному источнику питания происходит огромное количество раз ежесекундно.

Если рассуждать с другой точки зрения: конденсатор выделяет из постоянного напряжения переменную составляющую и пропуская её через себя, уводит её с линии питания в землю. Именно поэтому резервный конденсатор также называют «bypass capacitor».

В итоге, сглаженное напряжение выглядит так:

Типичный конденсаторы, который используется для этих целей — керамические, номиналом 10 или 100 нФ. Большие электролитические слабо подходят на эту роль, т.к. они медленее и не смогут быстро отдавать свой заряд в этих условиях, где шум обладает высокой частотой.

В одном устройстве резервные конденсаторы могут присутствовать во множестве мест: перед каждой схемой, представляющей собой самостоятельную единицу. Так, например, на Arduino уже есть резервные конденсаторы, которые обеспечивают стабильную работу процессора, но перед питанием подключаемого к нему LCD экрана должен быть установлен свой собственный.

Подробнее читайте здесь

Comments

Забористая клюква)
1. Времена гиперчувствительной логики давно канули в лету. Да и логика такая была только в Советском Союзе - у буржуев возникнуть не успела.
2. Если МК на шине один, никаких конденсаторов не нужно. Единственный блок, на который возможно влияние шума на шине питания - осциллятор. Но если вы озабочены стабильностью генерации частоты, то выберете МК с помехоустойчивыми цепями запитки осциллятора (у AVR и STM32 таких МК нет). Да и вместо резонатора поставите DCXO.
3. Блокировочный конденсатор с низким ESR необходим тогда, когда на шине висит ещё что-то аналоговое - усилитель, трансивер и прочее. Но в таком случае основа основ - правильная разводка цепей питания, особенно шины возвратных токов. Недопущение пересечек аналоговых цепей с цифровыми, в том числе и нулевой шины (она делится на грязную нулевую шину и чистую. Единственное место их соединения - нулевой зажим блока питания).
4. Если батарейка не тянет потребление схемы, то надо вешать не конденсаторы, а менять батарейку. Конденсаторы помогут только лишь в том случае, когда между пиками потребления батарейка сможет полностью зарядить конденсатор.
5. Ну и помнить, что керамика с диэлектриками X5R и X7R страдает зависимостью емкости от приложенного напряжения. Допустим, поставили 10мкФ на 25 вольт. Зарядили до 5 вольт и о-па - там уже не 10мкФ, а всего 7-8.
6. От того, что поставите конденсатор, проводник антенной быть не перестанет - ударный ток заряда конденсатора также порождает излучение в пространство. В этом случае индуктивность проводника играет только на руку - не даёт сформироваться резкому фронту тока. Для этих целей иногда даже ставят bead -ы. Ежели стоит задача наоборот снизить индуктивность проводника, то применяют многослойные ПП.

Answer 3

Электролитические конденсаторы полярны. Они имеют "+" и "-" , которые нельзя менять местами.

Электролитические конденсаторы оптимальны для схем, которые не требуют высокой точности и работы с переменными напряжениями.

Керамические конденсаторы являются неполярными, то их можно применять в цепях переменного тока. Они широко используются в качестве «универсальных» конденсаторов, например, для высокочастотной развязки, фильтрации, подстройки резонаторов и подавления электромагнитных помех.

Без знания схемы на ваш вопрос ответить трудно, но скорее всего данный керамический конденсатор стоит в цепи переменного тока и его на электролит заменить нельзя.

Comments

Электролитические конденсаторы бывают и неполярные и также могут применяться в цепях переменного тока, например в качестве пусковых для электродвигателей большой мощности.