¿Puedo reemplazar todos los condensadores electrolíticos con cerámica?

100 µF realmente está superando el límite de las tapas de cerámica. Si sus voltajes son bajos, como unos pocos voltios a 10 o tal vez 20 voltios, entonces puede ser razonable conectar en paralelo varias cerámicas.

Las tapas de cerámica de alta capacitancia tienen su propio conjunto de 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 más alta, 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 "micrófonos". En las circunstancias equivocadas, esto puede provocar una oscilación, pero eso es raro.

Para aplicaciones de fuente de alimentación conmutada, la cerámica suele ser una mejor compensación que los electrolitos, a menos que necesite demasiada capacitancia. Esto se debe a que pueden soportar mucha más corriente ondulada y calentarse mejor. La vida útil de los electrolitos se ve gravemente degradada por el calor, que suele ser un problema con las fuentes de alimentación.

No es necesario reducir la cerámica tanto como los electrolitos porque, para empezar, la vida útil de la cerámica es mucho mayor y depende mucho menos del voltaje aplicado. Lo que hay que tener en cuenta con la cerámica es que las densas están hechas de un material que no es lineal, lo que se muestra como una capacitancia reducida en los extremos más altos del rango de voltaje.

Añadido 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 puede escuchar un capacitor por sí solo, pero dado que estos están soldados de manera bastante rígida a una placa, las pequeñas vibraciones del capacitor 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 capacitor actúa como un micrófono. Puede captar las vibraciones mecánicas a las que está sujeta la placa, y éstas pueden convertirse en señales eléctricas de la placa. Este tipo de condensadores se evitan en los 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 a escala. 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 transporta cambiando la polaridad con un tiempo específico. La tasa de volteo es de aproximadamente 5-10 kHz. Para obtener energía, los dispositivos de onda completa rectifican esto. Mi dispositivo no estaba tratando de decodificar la información DCC, solo obtenía un poco de energía. Usé un solo diodo para rectificar a media onda el DCC en una tapa de cerámica de 10 µF. La caída en esta tapa durante el medio ciclo de apagado fue de solo unos 3 V, pero esos 3 Vpp fueron suficientes para hacerlo cantar. El circuito funcionaba perfectamente, pero toda la placa emitía un gemido bastante molesto. Eso era inaceptable en un producto, entonces, para la versión de producción, esto se cambió a una tapa electrolítica de 20 µF. Originalmente opté por la cerámica porque era más barata, más pequeña y debería tener una vida más larga. Afortunadamente, es poco probable que este dispositivo se use a altas temperaturas, por lo que la vida útil de la tapa electrolítica debería ser mucho mejor que la clasificación en el peor de los casos.

Veo en los comentarios que hay cierta discusión sobre por qué las fuentes de alimentación conmutadas 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 alambre en el inductor proporcional al cuadrado de la corriente que lo atraviesa. Esta fuerza es lateral al cable, haciendo que la bobina vibre si no se mantiene bien en su lugar. En segundo lugar, existe una propiedad magnética similar al efecto piezoeléctrico electrostático, llamada magnetoestricción. El material del núcleo del inductor puede cambiar ligeramente de tamaño 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 captador magnético. Y si,

Hay un par de razones para no cambiar un diseño de electrolítico a cerámico que aún no se han mencionado:

• Algunos diseños de reguladores lineales requieren una mayor ESR del electrolítico en su capacitor de salida para mantener la estabilidad.

• La cerámica es menos robusta que los electrolíticos cuando se somete a la flexión de la placa. Especialmente en los tamaños grandes, digamos 1206 y superiores, como los que necesitará para valores superiores a 10 - 20 uF con WV razonable, la cerámica se agrieta fácilmente si hay alguna flexión en el tablero. 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 de 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 de 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 del centro de datos) o 5 años para dispositivos de Clase I (grado de consumo)

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 ondulación y mantener una larga vida útil. Una gorra caliente no tendrá una vida larga.

Para los condensadores cerámicos, también se trata de la temperatura. La temperatura ambiente y la corriente de ondulación darán como resultado un aumento de la temperatura. Eso no quiere decir que la cerámica no envejezca: ciertos materiales dieléctricos (materiales de Clase 2 como X7R e Y5V) se degradan en capacitancia con el tiempo ; los materiales de Clase 1 son en gran medida inmunes a esto.

Además, como indicó Olin, ciertos materiales dieléctricos sufren una disminución significativa de la capacitancia en función del voltaje de polarización de CC. Nuevamente, los materiales de Clase 2 sufren esto, los materiales de Clase 1 en gran medida no.

Esencialmente, si usa cualquier tipo de capacitor, mantenga el voltaje máximo por debajo del 80% del estrés.

La ESR mucho más baja de los capacitores cerámicos (frente a las tapas electrolíticas) tiene una implicación en la estabilidad del circuito de retroalimentación. Suponiendo que su convertidor sea un conmutador y tenga un filtro LC de salida, es posible que se requiera una red de compensación de tipo 3 para estabilizar el convertidor.

La baja ESR hace que la ganancia de bucle abierto disminuya a -40 dB/década durante un largo intervalo (el cero de la ESR se desplaza a medida que cae la ESR), lo que requiere una ganancia de +20 dB/década en la red de compensación para el cruce de frecuencia estar en -20dB/década (que es uno de los tres criterios de estabilidad de bucle que buscan los diseñadores de potencia, junto con el margen de ganancia y el margen de fase).

Puede que me equivoque, pero cambiar a tapas a granel de cerámica creará una anti-resonancia entre las tapas a granel y las tapas de desacoplamiento más pequeñas. A menos que se elijan con cuidado, la inductancia de las tapas a granel resonará con la capacitancia de las tapas de desacoplamiento. Esto no sucede con el Tantalio y las tapas electrolíticas, porque la ESR de esos dispositivos amortigua la resonancia. Nuevamente, podría estar equivocado, ya que nunca he probado esto en la práctica.