Este equipo especializado pasados algunos días de investigación y de juntar de datos, dieron con la solución, queremos que te resulte útil para tu trabajo.
Solución:
100 µF está superando realmente el límite de las tapas de cerámica. Si sus voltajes son bajos, desde unos pocos voltios hasta 10 o tal vez 20 voltios, entonces puede ser razonable conectar en paralelo múltiples cerámicas.
Las tapas de cerámica de alta capacitancia tienen sus propias ventajas y desventajas. Las ventajas son una resistencia en serie equivalente mucho más baja y, por lo tanto, una capacidad de corriente de ondulación mucho mayor, utilidad para frecuencias más altas, menos sensibilidad al calor, una vida útil mucho mejor y, en la mayoría de los casos, una mayor robustez mecánica. Ellos también tienen sus propios problemas. La capacitancia puede degradarse significativamente con el voltaje, y las cerámicas más densas (más almacenamiento de energía por volumen) exhiben efectos piezoeléctricos a menudo llamados “microfónicos”. En las circunstancias equivocadas, esto puede provocar una oscilación, pero eso es raro.
Para aplicaciones de fuentes de alimentación conmutadas, la cerámica suele ser una mejor compensación que los electrolitos, a menos que necesite demasiada capacitancia. Esto se debe a que pueden absorber mucha más corriente de ondulación y calentar mejor. La vida útil de los electrolitos se degrada gravemente por el calor, que a menudo es un problema con las fuentes de alimentación.
No es necesario reducir tanto la cerámica como los electrolitos porque la vida útil de la cerámica es mucho mayor, para empezar, y es mucho menos una función del voltaje aplicado. Lo que hay que tener en cuenta con las cerámicas es que las densas están hechas de un material que no es lineal, que se muestra como una capacitancia reducida en los extremos más altos del rango de voltaje.
Agregado sobre microfonía:
Algunos dieléctricos cambian físicamente de tamaño en función del campo eléctrico aplicado. Para muchos, el efecto es tan pequeño que no se nota y se puede ignorar. Sin embargo, algunas cerámicas exhiben un efecto lo suficientemente fuerte como para que eventualmente puedas escuchar las vibraciones resultantes. Por lo general, no se puede escuchar un condensador por sí solo, pero dado que estos están soldados de manera bastante rígida a una placa, las pequeñas vibraciones del condensador pueden hacer que la placa mucho más grande también vibre, especialmente a una frecuencia resonante de la placa. El resultado puede ser bastante audible.
Por supuesto, lo contrario también funciona, ya que las propiedades físicas generalmente funcionan en ambos sentidos, y esta no es una excepción. Dado que el voltaje aplicado puede cambiar las dimensiones del capacitor, cambiar sus dimensiones aplicando tensión puede cambiar su voltaje de circuito abierto. En efecto, el condensador actúa como micrófono. Puede captar las vibraciones mecánicas a las que está sometida la placa y esas pueden llegar hasta las señales eléctricas de la placa. Estos tipos de condensadores se evitan en circuitos de audio de alta sensibilidad por este motivo.
Para obtener más información sobre la física detrás de esto, busque las propiedades del titanato de bario como ejemplo. Este es un dieléctrico común para algunas tapas de cerámica porque tiene propiedades eléctricas deseables, particularmente una densidad de energía bastante buena en comparación con la gama de cerámicas. Lo logra mediante el cambio del átomo de titanio entre dos estados de energía. Sin embargo, el tamaño efectivo del átomo difiere entre los dos estados de energía, por lo tanto, el tamaño de la red cambia y obtenemos una deformación física en función del voltaje aplicado.
Anécdota: Recientemente me encontré con este problema de frente. Diseñé un artilugio que se conecta a la energía DCC (Comando y Control Digital) que usan los trenes en miniatura. DCC es una forma de transmitir energía pero también información a un “material rodante” específico en las vías. Es una señal de potencia diferencial de hasta 22 V. La información se transmite cambiando la polaridad con una sincronización específica. La tasa de cambio es de aproximadamente 5-10 kHz. Para obtener energía, los dispositivos de onda completa rectifican esto. Mi dispositivo no intentaba decodificar la información DCC, solo obtenía un poco de energía. Usé un solo diodo para rectificar en media onda el DCC en una tapa de cerámica de 10 µF. La caída de esta tapa durante el semiciclo de apagado fue solo de aproximadamente 3 V, pero esos 3 Vpp fueron suficientes para hacerlo cantar. El circuito funcionó a la perfección, pero toda la placa emitió un quejido bastante molesto. Eso era inaceptable en un producto, por lo que para la versión de producción, se cambió a una tapa electrolítica de 20 µF. Originalmente me decanté por la cerámica porque era más barata, más pequeña y debería tener una vida útil más larga. Afortunadamente, es poco probable que este dispositivo se utilice a altas temperaturas, por lo que la vida útil de la tapa electrolítica debería ser mucho mejor que la del peor de los casos.
Veo en los comentarios que hay una discusión sobre por qué las fuentes de alimentación a veces se quejan. Algo de eso podría deberse a las tapas de cerámica, pero los componentes magnéticos como los inductores también pueden vibrar por dos razones. Primero, hay una fuerza en cada trozo de cable en el inductor proporcional al cuadrado de la corriente que lo atraviesa. Esta fuerza es lateral al cable, lo que hace que la bobina vibre si no se mantiene bien en su lugar. En segundo lugar, existe una propiedad magnética similar al efecto piezoeléctrico electrostático, llamado magnetostricción. El material del núcleo del inductor puede cambiar de tamaño ligeramente en función del campo magnético aplicado. Las ferritas no exhiben este efecto con mucha fuerza, pero siempre hay un poco, y puede haber otro material en el campo magnético. Una vez trabajé en un producto que usaba el efecto magnetoestrictivo como pastilla magnética. Y sí, funcionó muy bien.
Hay un par de razones no para cambiar un diseño de electrolíticos a cerámicos que aún no se han mencionado:
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Algunos diseños de reguladores lineales requieren la ESR más alta del electrolítico en su capacitor de salida para mantener la estabilidad.
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Las cerámicas son menos robustas que los electrolíticos cuando se someten a flexión de la tabla. Especialmente en los tamaños grandes, digamos 1206 y superiores, como los que necesitará para valores superiores a 10 – 20 uF con un WV razonable, la cerámica se agrieta fácilmente si hay alguna flexión en la placa. La flexión dañina podría ocurrir en el campo, o podría ocurrir con algunos métodos para separar las tablas del panel en el que están fabricadas.
De acuerdo con las preguntas de reducción de calificación de OP, y además de la excelente respuesta de Olin:
IPC-9592A (que es un estándar para dispositivos de conversión de energía de alta confiabilidad) cita las siguientes pautas de reducción:
MLCC cerámicos fijos:
- Voltaje CC <= 80% de la clasificación del fabricante
- Temperatura: mínimo 10 ° C por debajo de la clasificación del fabricante
- Tamaño: No se recomiendan tamaños superiores a 1210 debido al potencial de agrietamiento.
Condensadores electrolíticos de aluminio:
- Voltaje CC <= 80% de la clasificación del fabricante (<= 90% para dispositivos de 250 V o más)
- Vida / resistencia:> = 10 años a 40 ° C, 80% de carga para dispositivos de Clase II (material de centro de datos) o 5 años para dispositivos de Clase I (grado de consumidor)
La clasificación de vida / resistencia de un capacitor electrolítico de aluminio es una función de todas sus tensiones: voltaje, corriente de ondulación y temperatura ambiente. Si la tapa tiene un buen flujo de aire, puede soportar más ondulaciones y mantener una larga vida útil. Una gorra caliente no durará mucho.
En el caso de los condensadores cerámicos, también se trata de la temperatura. La temperatura ambiente y la corriente de ondulación provocarán un aumento de temperatura. Eso no quiere decir que las cerámicas no envejezcan; ciertos materiales dieléctricos (materiales de Clase 2 como X7R e Y5V) degradan su capacitancia con el tiempo; los materiales de Clase 1 son en gran medida inmunes a esto.
Además, como dijo Olin, ciertos materiales dielétricos sufren una reducción significativa de la capacitancia en función de la tensión de polarización de CC. Una vez más, los materiales de Clase 2 sufren de esto, los materiales de Clase 1 en gran parte no.
Básicamente, si usa cualquier tipo de condensador, mantenga el voltaje máximo por debajo del 80% de la tensión.
La ESR mucho más baja de los condensadores cerámicos (frente a las tapas electroíticas) tiene una implicación en la estabilidad del circuito de retroalimentación. Suponiendo que su convertidor será un conmutador y tendrá un filtro LC de salida, es posible que se requiera una red de compensación de tipo 3 para estabilizar el convertidor.
La ESR baja hace que la ganancia de bucle abierto se reduzca a -40 dB / década durante un intervalo largo (la ESR cero se elimina a medida que la ESR cae), lo que requiere una ganancia de + 20dB / década en la red de compensación para el cruce de frecuencia. a -20dB / década (que es uno de los tres criterios de estabilidad de bucle que buscan los diseñadores de energía, junto con el margen de ganancia y el margen de fase).