1. Kapasitor
Ada banyak kesalahpahaman tentang kapasitor, jadi saya ingin menjelaskan secara singkat apa kapasitansi itu dan apa yang kapasitor lakukan.
Kapasitansi mengukur berapa banyak energi yang akan disimpan dalam medan listrik yang dihasilkan antara dua titik yang berbeda untuk perbedaan potensial yang diberikan. Inilah sebabnya mengapa kapasitansi sering disebut 'ganda' dari induktansi. Induktansi adalah berapa banyak energi yang aliran arus yang diberikan akan disimpan dalam medan magnet, dan kapasitansi adalah sama, tetapi untuk energi yang disimpan dalam medan listrik (oleh perbedaan potensial, bukan arus).
Kapasitor tidak menyimpan muatan listrik, yang merupakan kesalahpahaman besar pertama. Mereka menyimpan energi. Untuk setiap pembawa muatan yang Anda paksakan ke satu pelat, pembawa muatan di pelat yang berlawanan akan berangkat. Muatan netto tetap sama (mengabaikan kemungkinan muatan 'statis' yang jauh lebih kecil yang mungkin menumpuk di pelat luar yang terbuka asimetris).
Kapasitor menyimpan energi dalam dielektrik, BUKAN dalam pelat konduktif. Hanya dua hal yang menentukan efektivitas kapasitor: dimensi fisiknya (area pelat dan jarak memisahkannya), dan konstanta dielektrik isolasi antara pelat. Semakin banyak area berarti medan yang lebih besar, pelat yang lebih dekat berarti medan yang lebih kuat (karena kekuatan medan diukur dalam Volt per meter, sehingga perbedaan potensial yang sama di jarak yang jauh lebih kecil menghasilkan medan listrik yang lebih kuat).
Konstanta dielektrik adalah seberapa kuat bidang akan dihasilkan dalam media tertentu. Konstanta dielektrik 'baseline' adalah , dengan nilai dinormalisasi dari 1. Ini adalah konstanta dielektrik dari vakum sempurna, atau kekuatan medan yang terjadi melalui ruangwaktu itu sendiri. Materi memiliki dampak yang sangat besar pada hal ini, dan dapat mendukung generasi bidang yang jauh lebih kuat. Bahan terbaik adalah bahan dengan banyak dipol listrik yang akan meningkatkan kekuatan medan yang dihasilkan dalam materi. ε
Area pelat, dielektrik, dan pemisahan pelat. Itu benar-benar semua yang ada untuk kapasitor. Jadi mengapa mereka begitu rumit dan beragam?
Mereka bukan. Kecuali yang dengan lebih dari ribuan pF kapasitansi. Jika Anda menginginkan jumlah kapasitansi menggelikan seperti yang kita anggap remeh hari ini, jumlah seperti dalam jutaan picofarad (mikrofarad), dan bahkan urutan besarnya di luar, kita berada di bawah kekuasaan fisika.
Seperti halnya insinyur yang baik, dalam menghadapi batasan yang diberlakukan oleh hukum alam, kita tetap menipu dan menyiasati batasan itu. Kapasitor elektrolit dan kapasitor keramik tinggi (0,1μF hingga 100μF +) kapasitor keramik adalah trik kotor yang kami gunakan.
2. Kapasitor elektrolit
Aluminium
Perbedaan pertama dan paling penting (untuk apa mereka dinamai demikian) adalah bahwa kapasitor elektrolitik menggunakan elektrolit. Elektrolit berfungsi sebagai pelat kedua. Menjadi cairan, ini berarti dapat langsung melawan dielektrik, bahkan yang berbentuk tidak merata. Dalam kapasitor elektrolit aluminium, ini memungkinkan kita untuk mengambil keuntungan dari oksidasi permukaan aluminium (barang-barang keras, kadang-kadang sengaja berpori dan pewarna diresapi untuk warna, pada aluminium anodized yang berjumlah lapisan Safir isolasi) untuk digunakan sebagai dielektrik. Namun tanpa 'pelat' elektrolit, ketidakrataan permukaan akan mencegah pelat logam yang kaku mendekati cukup untuk mendapatkan keuntungan apa pun dari penggunaan aluminium oksida.
Bahkan lebih baik, dengan menggunakan cairan, permukaan aluminium foil dapat menjadi kasar, menyebabkan peningkatan luas area permukaan yang efektif. Kemudian dianodisasi sampai terbentuk lapisan aluminium oksida yang cukup tebal di permukaannya. Permukaan kasar yang semuanya akan berbatasan langsung dengan 'piring' lainnya - elektrolit cair kami.
Namun ada beberapa masalah. Yang paling akrab adalah polaritas. Anodisasi aluminium, jika Anda tidak tahu dari kemiripannya dengan kata anoda, adalah proses yang bergantung pada polaritas. Kapasitor harus selalu digunakan dalam polaritas yang menganodisasi aluminium. Polaritas berlawanan akan memungkinkan elektrolit menghancurkan oksida permukaan, yang membuat Anda dengan kapasitor korsleting. Beberapa elektrolit lambat laun akan menggerogoti lapisan ini, begitu banyak kapasitor elektrolit aluminium memiliki umur simpan. Mereka dirancang untuk digunakan, dan penggunaan itu memiliki efek samping yang bermanfaat yaitu mempertahankan dan bahkan mengembalikan oksida permukaan. Namun, dengan cukup lama tidak digunakan, oksida dapat dihancurkan sepenuhnya. Jika Anda harus menggunakan kapasitor berdebu tua yang kondisi tidak pasti, yang terbaik adalah 'mereformasi' mereka dengan menerapkan arus yang sangat rendah (ratusan μA ke mA) dari catu daya arus konstan, dan biarkan tegangan naik perlahan sampai mencapai nilai tegangan.
Masalah lainnya adalah bahwa elektrolit adalah, karena kimia, sesuatu ionik terlarut dalam pelarut. Aluminium non-polimer menggunakan air (dengan beberapa bahan 'saus rahasia' ditambahkan ke dalamnya). Apa yang dilakukan air ketika arus mengalir melaluinya? Itu elektrolisis! Hebat jika Anda menginginkan oksigen dan gas hidrogen, mengerikan jika tidak. Dalam baterai, pengisian yang terkontrol dapat menyerap kembali gas ini, tetapi kapasitor tidak memiliki reaksi elektrokimia yang terbalik. Mereka hanya menggunakan elektrolit sebagai hal yang konduktif. Jadi, apa pun yang terjadi, mereka menghasilkan gas hidrogen dalam jumlah kecil (oksigen digunakan untuk membangun lapisan aluminium oksida), dan meskipun sangat kecil, ia mencegah kita menyegel kapasitor ini secara hermetis. Jadi mereka mengering.
Masa manfaat standar pada suhu maksimum adalah 2.000 jam. Itu tidak terlalu lama. Sekitar 83 hari. Ini hanya karena suhu yang lebih tinggi menyebabkan air menguap lebih cepat. Jika Anda ingin sesuatu memiliki umur panjang, penting untuk menjaga mereka sekeren mungkin, dan dapatkan model daya tahan tertinggi (saya pernah melihat yang setinggi 15.000 jam). Saat elektrolit mengering, ia menjadi kurang konduktif, yang meningkatkan ESR, yang pada gilirannya meningkatkan panas, yang memperparah masalah.
Tantalum
Kapasitor Tantalum adalah varietas lain dari kapasitor elektrolitik. Ini menggunakan mangan dioksida sebagai elektrolitnya, yang padat dalam bentuk akhirnya. Selama produksi, mangan dioksida dilarutkan dalam asam, kemudian diendapkan secara elektrokimia (mirip dengan pelapisan listrik) ke permukaan bubuk tantalum yang kemudian disinter. Detail pasti dari bagian 'ajaib' di mana mereka membuat koneksi listrik antara semua bagian kecil bubuk tantalum dan dielektrik tidak diketahui oleh saya (suntingan atau komentar dihargai!) Tetapi cukup dikatakan, kapasitor tantalum dibuat dari tantalum karena kimia yang memungkinkan kita untuk dengan mudah membuatnya dari bubuk (area permukaan tinggi).
Ini memberi mereka efisiensi volumetrik yang hebat, tetapi dengan biaya: tantalum bebas dan mangan dioksida dapat mengalami reaksi yang mirip dengan termit, yaitu aluminium dan oksida besi. Hanya saja, reaksi tantalum memiliki suhu aktivasi yang jauh lebih rendah - suhu yang mudah dan cepat dicapai harus berlawanan dengan polaritas atau peristiwa tegangan berlebih yang melubangi dielektrik (tantalum pentoksida, seperti aluminium oksida) dan membuat pendek. Inilah sebabnya mengapa Anda melihat tegangan dan arus kapasitor tantalum turun 50% atau lebih. Bagi mereka yang tidak mengetahui tentang termit (yang jauh lebih panas tetapi masih tidak berbeda dengan reaksi tantalum dan MnO 2 ), ada satu ton api dan panas. Ini digunakan untuk mengelas rel kereta api satu sama lain, dan melakukan tugas ini dalam hitungan detik.
Ada juga kapasitor elektrolit polimer, yang menggunakan polimer konduktif yang, dalam bentuk monomernya, adalah cairan, tetapi ketika terpapar dengan katalis yang tepat, akan berpolimerisasi menjadi bahan padat. Ini seperti lem super, yang merupakan monomer cair yang mempolimerisasi padatan setelah terkena uap air (baik di / pada permukaan yang digunakan, atau dari udara itu sendiri). Dengan cara ini, kapasitor polimer sebagian besar merupakan elektrolit padat, yang menghasilkan ESR berkurang, umur panjang lebih besar, dan ketahanan umumnya lebih baik. Mereka masih memiliki sejumlah kecil pelarut dalam matriks polimer, dan itu harus konduktif. Jadi mereka masih mengering. Sayangnya tidak ada makan siang gratis.
Sekarang, apa sifat listrik aktual dari jenis kapasitor ini? Kami sudah menyebutkan polaritas, tetapi yang lainnya adalah ESR dan ESL mereka. Kapasitor elektrolit, karena dibangun sebagai luka pelat yang sangat panjang ke dalam kumparan, memiliki ESL yang relatif tinggi (induktansi seri ekuivalen). Begitu tinggi pada kenyataannya, bahwa mereka benar-benar tidak efektif sebagai kapasitor di atas 100kHz, atau 150kHz untuk jenis polimer. Di atas frekuensi ini, mereka pada dasarnya hanyalah resistor yang menghalangi DC. Mereka tidak akan melakukan apa pun pada riak tegangan Anda, dan sebagai gantinya akan membuat riak sama dengan arus riak dikalikan dengan ESR kapasitor, yang seringkali dapat membuat riak menjadi lebih buruk . Tentu saja, ini berarti segala jenis kebisingan frekuensi tinggi atau lonjakan hanya akan menembak melalui kapasitor elektrolit aluminium seperti itu bahkan tidak ada di sana.
Tantalum tidak seburuk itu, tetapi mereka masih kehilangan efektivitasnya dengan frekuensi menengah (yang terbaik dan terkecil hampir dapat mencapai 1MHz, sebagian besar kehilangan karakteristik kapasitif mereka sekitar 300-600kHz).
Secara keseluruhan, kapasitor elektrolitik sangat bagus untuk menyimpan satu ton energi dalam ruang kecil, tetapi benar-benar hanya berguna untuk menangani kebisingan atau riak di bawah 100kHz. Jika bukan karena kelemahan kritis itu, akan ada sedikit alasan untuk menggunakan hal lain.
3. Kapasitor Keramik
Kapasitor keramik menggunakan keramik sebagai dielektriknya, dengan metalisasi di kedua sisinya sebagai pelat. Saya tidak akan masuk ke kelas 1 (kapasitansi rendah) jenis, tetapi hanya kelas II.
Kapasitor kelas II curang menggunakan efek feroelektrik. Ini sangat mirip dengan feromagnetisme, hanya dengan medan listrik saja. Bahan feroelektrik memiliki satu ton dipol listrik yang dapat, sampai taraf tertentu, berorientasi pada adanya medan listrik eksternal. Jadi penerapan medan listrik akan menarik dipol ke dalam penyelarasan, yang membutuhkan energi, dan menyebabkan sejumlah besar energi akhirnya disimpan di medan listrik. Ingat bagaimana ruang hampa adalah garis dasar 1? Keramik feroelektrik yang digunakan dalam MLCC modern memiliki konstanta dielektrik pada urutan 7.000.
Sayangnya, sama seperti bahan feromagnetik, sebagai medan yang lebih kuat dan lebih kuat menarik (atau mempolarisasi dalam kasus kami) bahan, itu mulai kehabisan dipol lebih untuk mempolarisasi. Itu jenuh. Ini akhirnya diterjemahkan ke dalam properti jahat dari kapasitor keramik tipe X5R / X7R / etc: kapasitansinya turun dengan tegangan bias. Semakin tinggi tegangan di terminal mereka, semakin rendah kapasitansi efektifnya. Jumlah energi yang disimpan masih selalu meningkat dengan voltase, tetapi tidak sebagus yang Anda harapkan berdasarkan kapasitansinya yang tidak bias.
Peringkat tegangan kapasitor keramik memiliki efek yang sangat kecil pada ini. Faktanya, tegangan aktual dari kebanyakan keramik jauh lebih tinggi, 75 atau 100V untuk tegangan yang lebih rendah. Pada kenyataannya, banyak kapasitor keramik yang saya curigai adalah bagian yang sama persis tetapi dengan nomor bagian yang berbeda, kapasitor 4.7μF yang sama dijual sebagai kapasitor 35V dan 50V di bawah label yang berbeda. Grafik kapasitansi vs tegangan bias beberapa MLCC adalah identik, kecuali untuk tegangan yang lebih rendah memiliki grafik yang terpotong pada tegangan pengenalnya. Curiga, tentu saja, tapi aku bisa saja salah.
Lagi pula, membeli keramik berperingkat lebih tinggi tidak akan melakukan apa pun untuk melawan penurunan kapasitansi terkait tegangan ini, satu-satunya faktor yang akhirnya memainkan peran adalah volume fisik dielektrik. Lebih banyak material berarti lebih banyak dipol. Jadi kapasitor yang secara fisik lebih besar akan mempertahankan lebih banyak kapasitansinya di bawah tegangan.
Ini juga bukan efek sepele. Sebuah kapasitor keramik 1210 10μF 50V, binatang buas kapasitor, akan kehilangan 80% kapasitansinya sebesar 50V. Ada yang sedikit lebih baik, ada yang sedikit lebih buruk, tetapi 80% adalah angka yang masuk akal. Yang terbaik yang saya lihat adalah 1210 (inci) tetap sekitar 3μF kapasitansi pada saat mencapai 60V, dalam paket 1210 pula. Keramik 50V berukuran 10μF 1206 (inci) akan beruntung memiliki 500nF tersisa 50V.
Keramik kelas II juga piezoelektrik dan piroelektrik, meskipun ini tidak terlalu mempengaruhi mereka secara elektrik. Mereka dikenal bergetar atau bernyanyi karena riak, dan dapat bertindak sebagai mikrofon. Mungkin yang terbaik untuk menghindari menggunakannya sebagai kapasitor kopling di sirkuit audio.
Kalau tidak, keramik memiliki ESL dan ESR terendah dari kapasitor apa pun. Mereka yang paling 'seperti kapasitor' dari kelompok itu. ESL mereka sangat rendah sehingga sumber utamanya adalah ketinggian akhir terminasi pada paket itu sendiri. Ya, tinggi keramik 0805 adalah sumber utama ESL 3 nH-nya. Mereka masih berperilaku seperti kapasitor ke banyak MHz, atau bahkan lebih tinggi untuk tipe RF khusus. Mereka juga dapat decouple banyak kebisingan, dan decouple hal-hal yang sangat cepat seperti sirkuit digital, hal-hal elektrolitik tidak berguna.
Kesimpulannya, elektrolitik adalah:
- banyak kapasitansi massal dalam paket kecil
- mengerikan dalam segala hal
Mereka lambat, mereka aus, mereka terbakar, mereka akan berubah menjadi pendek jika Anda mempolarisasi mereka salah. Dengan setiap kriteria kapasitor diukur dengan, kecuali kapasitansi itu sendiri, elektrolitik benar-benar mengerikan. Anda menggunakannya karena Anda harus, tidak pernah karena Anda ingin.
Keramik adalah:
- Tidak stabil dan kehilangan banyak kapasitansi di bawah tegangan bias
- Dapat bergetar atau bertindak sebagai mikrofon. Atau nanoactuators!
- Sebaliknya mengagumkan.
Kapasitor keramik adalah apa yang ingin Anda gunakan, tetapi tidak selalu bisa. Mereka sebenarnya berperilaku seperti kapasitor dan bahkan pada frekuensi tinggi, tetapi tidak dapat menyamai efisiensi volumetrik elektrolitik, dan hanya tipe Kelas 1 (yang memiliki jumlah kapasitansi sangat kecil) yang akan memiliki kapasitansi yang stabil. Mereka sedikit berbeda dengan suhu dan tegangan. Oh, mereka juga bisa retak dan tidak kuat secara mekanis.
Oh, satu catatan terakhir, Anda dapat menggunakan elektrolitik baik-baik saja di aplikasi AC / non-terpolarisasi, dengan semua masalah mereka yang lain masih dalam permainan tentu saja. Cukup sambungkan sepasang kapasitor elektrolitik terpolarisasi reguler, dengan terminal terminal polaritas yang sama secara bersamaan, dan sekarang ujung polaritas yang berlawanan adalah terminal elektrolit non-polar yang sama sekali baru. Selama nilai kapasitansi mereka cukup cocok dan ada sejumlah bias DC kondisi tunak, kapasitor tampaknya bertahan digunakan.
