Пленочные чип конденсаторы vs керамические конденсаторы

Главная / Новости / Новости «Panasonic» / Пленочные чип конденсаторы vs керамические конденсаторы

Пленочные чип конденсаторы необоснованно получили свое забвение уступив место бюджетным керамическим (MLCC) конденсаторам сери X7R, X5R, Y5R и др.

Попробуем восстановить статус-кво пленочных конденсаторов, описав их преимущества в сравнении с керамическими конденсаторами и побудить инженеров-электронщиков к более активному применению пленочных чип конденсаторов Panasonic.

Пленочные конденсаторы в чип корпусах, как и керамические (MLCC) конденсаторы, имеют многослойную структуру. Несмотря на схожую структуру пленочных конденсаторов с керамическими, пленочные конденсаторы обладают рядом преимуществ в сравнении с последними.

Рисунок 1. Структура пленочного чип конденсатора

Пленочные чип конденсаторы Panasonic изготавливаются на основе диэлектриков Полифениленсульфид (Polyphenylene sulfide (PPS)), Полиэтиленнафталат (Polyethylene naphthalate (PEN)) или Акрилового пластика (Acrylic resin).

Компания Panasonic предлагает 6 серий пленочных чип конденсаторов. В серии ECHU(X), ECHU(C) применен PPS материал, в сериях ECWU(X), ECWU(C), ECWU(V16) – PEN, и в серии ECPU(A) используется акриловый пластик.

Керамические конденсаторы в сравнении с пленочными конденсаторами имеют бОльшую удельную емкость, но в силу свойств бюджетной керамики, и наличия паразитных эффектов, таких как эффект DC-Bias (зависимость емкости от приложенного напряжения), зависимость емкости от температуры, которые нивелируют это преимущество. Принимая это во внимание, пленочные конденсаторы, обладающие меньшей удельной емкостью, но стабильной во всем диапазоне температур и рабочих напряжений, в ряде случаев могут конкурировать с MLCC.

Рисунок 2. Эффект DC-Bias (зависимость емкости от приложенного напряжения) керамического конденсатора

Рисунок 3. Зависимость емкости от температуры MLCC и пленочного конденсатора

Есть и еще один фактор, ограничивающий более широкое применение пленочных чип конденсаторов Panasonic, их рабочие напряжения не превышают 630 вольт прямого тока (VDC), в то время как керамические чип конденсаторы, представленные на рынке, имеют рабочие напряжения в единицы киловольт.

Однако эффект DC-Bias и высокий коэффициент абсорбции керамических конденсаторов, в ряде случаев вызывают ограничения по их применению, особенно в высоковольтных цепях.

Рисунок 4. Диэлектрическая абсорбция пленочных и керамического конденсатора

Поэтому, применение пленочных чип конденсаторов в высоковольтных цепях полностью себя оправдывает, а их способность самовосстановления позволяет обеспечить максимальные уровни защиты высоковольтных цепей.

Рисунок 5. Тангенс угла потерь керамического и пленочного конденсатора

Отменные частотные характеристики пленочных конденсаторов обеспечиваются применением материалов, обладающих малым фактором рассеяния (Dissipation Factor) и малым тангенсом угла потерь, позволяющие сохранять основные характеристики в диапазоне частот до 10 МГц.

Рисунок 6. Зависимость импеданса пленочных конденсаторов от частоты

Стабильные частотные характеристики пленочных конденсаторов обеспечивают меньшие уровни искажения третьих гармоник, уменьшают уровни шума в широкой полосе частот и соответственно обеспечивают более высокую стабильность работы схемы.

Рисунок 7. Уровень искажения третьих гармоник керамического и пленочного конденсатора

Пленочные чип конденсаторы практически не заменимы в цепях ФАПЧ, так как имеют преимущества перед керамическими конденсаторами, в силу отсутствия пьезоэлектрического эффекта, не создают шум, они не поляризованы и как результат приводят к более быстрому времени блокировки сигнала (lockup time).

Рисунок 8. Время закрытия конденсаторов

Проблема пьезоэффекта, чувствительность к вибрациям, и механическая прочность керамических конденсаторов, может стать сильной «головной болью» разработчиков электроники. Обнаружить пьезоэффект и устранить проблему бывает не очень легко, а определить внутренне механическое повреждение керамического конденсатора, без применения специального оборудования невозможно. Причем механические повреждения керамических конденсаторов могут возникнуть как в ходе производства, транспортировки, так и в ходе пайки печатной платы и подготовки устройств к серийному выпуску.

Рисунок 9. Рентгеновский снимок дефекта керамического конденсатора

По данным исследовательского центра Eptac 30% выходящих из строя в процессе эксплуатации компонентов являются конденсаторы. При этом около 34% брака керамических конденсаторов отсеивается уже на производстве, около 25% керамических конденсаторов выходят из строя при механическом воздействии на конденсатор, 23% конденсаторов теряют свои функции в процессе пайки.

Мероприятия по дополнительному входному контролю конденсаторов и выходному контролю готовых плат или серийно выпускаемых устройств, а также сервисное обслуживание готовых устройств несут дополнительные временные и финансовые затраты, которые зачастую не учитываются при расчете стоимости комплектующих и могут составлять в разы более высокие фактические затраты.

Рисунок 10. Пьезоэффект керамических конденсаторов

Многие керамические материалы, используемые в качестве диэлектрика в бюджетных конденсаторах, включают титанат бария (BaTiOз), обладающий высокой диэлектрической проницаемостью и могут генерировать напряжение (проявлять пьезоэффект) при механических деформациях или акустических шумах. Многослойная структура пленочных чип конденсаторов Panasonic включают в себя слои алюминиевой фольги с прослойками диэлектрика из Полифениленсульфида, Полиэтиленнафталата или Акрилового пластика, исключающих пьезоэффект.

Рисунок 11. Ударные шумы (пьезоэффект) керамического конденсатора

Так, например, применение пленочных конденсаторов в аудиотрактах, является абсолютно оправданным. Пленочные конденсаторы обладают низкими гармоническими искажениями (Total Harmonic Distortion (THD)) и низкими уровнями шумов звукового диапазона, в сравнении с керамическими конденсаторами, что позволяет достигнуть высочайшего уровня звука аудиоустройств и применять пленочные конденсаторы в высококачественных устройствах класса D.

Рисунок 12. Шум керамического конденсатора в цепях переменного тока.

Рисунок 13. Уровень общих гармонических искажений конденсаторов (THD)

Уровень последовательно сопротивления (ESR) пленочных чип конденсаторов сопоставим с ESR керамических конденсаторов, что в свою очередь определяет допустимые значения тока пульсации и ограничения, связанные с тепловыделением конденсаторов. Взаимосвязанные с этим сроки жизни конденсаторов, позволяют смело утверждать о высокой надежности и длительном сроке жизни пленочных конденсаторов.

Срок жизни пленочных конденсаторов рассчитывается по формуле:

В качестве примера сделаем расчет времени жизни пленочного конденсатор используя следующие параметры:

• Vs = 60% номинального напряжения, при температуре 65°C
• Vo = 1.4Vs, при 85°C, время тестирования 1000 часов

В результате полученных расчетов срок жизни пленочного конденсатора при температуре 65°C, составляет более 150 000 часов. Полученные расчеты показывают, что пленочные конденсаторы Panasonic при достаточно жестких условиях эксплуатации, способны обеспечить надежную работу устройства в течение 17 лет.

Конечно, пленочные конденсаторы не могут в полной мере заменить керамические конденсаторы, в том числе и в силу разницы удельной емкости. Но во многих случаях, таких как, фильтрация пульсаций в DC/DC преобразователях, цепи сопряжения аудио трактов, ФАПЧ схемы высокочастотных трактов, схемs фильтрации и др.

, применение пленочных конденсаторов полностью обосновано.

Обладая высокой точностью, низкими токами утечки, высоким сопротивлением изоляции, низкой величиной абсорбции, высокой температурной стабильностью, пленочные конденсаторы могут применяются во времязадающих цепях, устройствах выборки и хранения или в системах с низким энергопотреблением.

Пленочные конденсаторы превосходят керамические конденсаторы по надежности, стабильности характеристик в широком частотном, температурном диапазоне и сохраняют свои свойства на протяжении всего срока жизни, что позволяет создавать высоконадежные устройства с гарантированно большим сроком эксплуатации, что особенно важно в ряде промышленных применений.

Краткие технические характеристики пленочных чип конденсаторов Panasonic
Серия	Емкость, uF	Напряжение, VDC	Точность, %	Тип диэлектрика	Рабочий диапазон температур, °C	Корпус	Размер, мм
ECWU(V16)	0. 001…0.12	250	5	PEN	-55…+85	4833 (1913) 6041 (2416) 6050 (2420)	4.8×3.3 6.0×4.1 6.0×5.0
ECHU(X)	0.0001…0.22	16/50	2/5	PPS	-55…+125	1608 (0603) 2012 (0805) 3216 (1206) 3225 (1210) 4833 (1913) 6041 (2416)	1.6×0.8 2.0×1.2 3.2×1.6 3.2×2.5 4.8×3.3 6.0×4.1
ECHU(C)	0.01…0.22	100	2/5	PPS	-55…+105	4833 (1913) 6041 (2416) 7150 (2820) 7163 (2825)	4. 8×3.3 6.0×4.1 7.1×5.0 7.1×6.3
ECWU(X)	0.001…0.01	100	5	PEN	-55…+105	3216 (1206) 3225 (1210)	3.2×1.6 3.2×2.5
ECWU(C)	0.001…1.0	100/250/630	5/10	PEN	-40…+85	4833 (1913) 6041 (2416) 6050 (2420) 7150 (2820) 7163 (2825) 7755 (3022) 9863 (3925)	4.8×3.3 6.0×4.1 6.0×5.0 7.1×5.0 7.1×6.3 7.7×5.5 9.8×6.3
ECPU(A)	0. 1…1.0	16/50	20	Acrylic resin	-40…+105	2012 (0805) 3216 (1206) 3225 (1210)	2.0×1.2 3.2×1.6 3.2×2.5

Доступность:

Пленочные чип конденсаторы Panasonic серий ECHU(X), ECHU(C), ECWU(X), ECWU(C), ECWU(V16), ECPU(A) находятся в массовом производстве и доступны для заказа с короткими сроками поставок.

Ресурсы:

 

В чем различие керамических и электролитических конденсаторов?

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

ответил 26 дек ’19issaom (1.2 тыс. баллов) ● 5 ● 26 ● 51

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.

Выбор керамических конденсаторов

24 июня 2015 г. Крис Фрэнсис Оставить комментарий

Это может показаться немного обыденным, но выбор керамических конденсаторов может вызвать некоторые проблемы и путаницу. Керамические конденсаторы заменили алюминиевые электролитические конденсаторы и танталовые электролиты во многих случаях и даже пленочные конденсаторы, но есть и подводные камни. Например, очень низкое ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) керамических конденсаторов может вызвать нестабильность некоторых регуляторов напряжения, особенно с малым падением напряжения. Texas Instruments TPS7350 нестабилен с низким ESR, поэтому вам может потребоваться добавить последовательный резистор, чтобы увеличить ESR вашего конденсатора. Это один из графиков из таблицы данных TPS7350, который иллюстрирует проблему.

Вы могли бы использовать твердый танталовый электролитический конденсатор вместо керамического, но они сейчас довольно дороги, и вам все равно нужно быть осторожным при выборе — слишком высокое ESR также может привести к нестабильности. Если вы не можете избежать использования таких стабилизаторов, вам следует быть осторожным при выборе конденсатора, и всегда полезно включить в схему последовательный резистор при использовании керамического конденсатора с регулятором с малым падением напряжения.

Для керамических конденсаторов у вас есть выбор диэлектриков. Обычно их называют низким, средним и высоким K или классом 1, 2 или 3, но в настоящее время вы, скорее всего, встретите такие обозначения, как C0G, NP0 или Y5V. На самом деле это описания не диэлектрика, а его характеристик. Конденсаторы Low K или класса 1 представляют собой конденсаторы с температурной компенсацией, хотя наиболее распространенным является конденсатор NP0. Это ноль NP – ноль, обозначающий температурный коэффициент. Таким образом, он достаточно стабилен при изменении температуры, обычно +/-30 ppm/C. N220 будет иметь отрицательный температурный коэффициент 220 ppm / C, а P100 будет иметь положительный температурный коэффициент 100 ppm / C, но в основном люди хотят конденсатор с температурной стабильностью. Абсолютные допуски конденсаторов класса 1 тоже неплохие – до 2% или даже 1%.

Конденсаторы с низкой относительной диэлектрической проницаемостью (класс 1) становятся физически довольно большими, когда вам нужно высокое значение, поэтому более высокая диэлектрическая проницаемость помогает снизить размер и стоимость — отсюда и типы класса 2 и 3. Они могут быть описаны как Y5V или X7R, но на самом деле это определения верхнего и нижнего температурного диапазона и температурного коэффициента. Таким образом, X7R предназначен для работы от -55 до +125°C и +/-15% отклонения в диапазоне рабочих температур. В Википедии есть хорошее описание в разделе «Керамический конденсатор». Некоторые конденсаторы имеют очень плохую начальную устойчивость (до +80%/-20%, например, некоторые электролитические конденсаторы) и очень плохую температурную стабильность. Их основное применение — просто иметь большую емкость, когда вы не слишком заботитесь о «качестве» емкости, например, для развязывающего конденсатора. Они могут иметь другие нежелательные характеристики, такие как диэлектрическое поглощение и емкость, зависящая от напряжения. Это делает их непригодными в определенных схемах, таких как фильтры или высококачественные усилители, где они могут вызывать искажения.

Диэлектрическая абсорбция может проявляться как «отскок» напряжения конденсатора после его разрядки. Я также видел это как падение напряжения, до которого был заряжен конденсатор, когда источник зарядки удаляется в образце и удерживается. Самый простой способ представить эффект — представить конденсатор состоящим из двух (или более) конденсаторов, соединенных резистором. Если вы моделируете такой сценарий, вы можете наблюдать эффект для разных схем.

Это имитирует конденсатор емкостью 10 мкФ, имеющий дополнительные 200 нФ, соединенные с резистором 1 кОм. Конденсатор заряжается до 5 В через переключатель, который имеет сопротивление в открытом состоянии 1 Ом. Когда ключ разомкнут (с очень высоким сопротивлением в выключенном состоянии), напряжение на конденсаторе падает — красная кривая. Это связано с тем, что конденсатор 200 нФ не полностью заряжен (синяя кривая), поэтому, когда источник зарядки удаляется, два конденсатора уравновешивают свое напряжение через сопротивление 1 кОм. Обратите внимание, что это моделирование того, как проявляется эффект, а не описание внутреннего устройства конденсатора. Фактически, более сложные модели конденсаторов включают в себя несколько конденсаторов и резисторов, чтобы лучше имитировать фактические характеристики.

Влияние на разрядку показано ниже.

Здесь конденсатор заряжается до 5 В, а затем разряжается. Переключатель разрядки контролируется синей дорожкой, и когда этот переключатель выключен, напряжение на конденсаторе «приходит в норму» на 10 мВ. Это связано с тем, что конденсатор емкостью 200 нФ не полностью разряжен, поэтому снова конденсаторы уравновешивают свое напряжение. Обратите внимание, что время, затраченное на это, может быть очень большим. Тест Wima на диэлектрическую абсорбцию выжидает 15 минут перед проверкой остаточного напряжения после разряда.

У KEMET есть интересный документ под названием «Почему емкость конденсатора 47 мкФ падает до 37 мкФ, 30 мкФ или ниже», в котором хорошо описаны некоторые проблемы с различными типами конденсаторов и диэлектриками.

На самом деле я не касался других конденсаторов, таких как класс X и Y, или различных пленочных конденсаторов, но это придется подождать до другого раза. Керамические конденсаторы кажутся лучшими для большинства приложений, хотя это в основном из-за стоимости и размера, а не из-за того, что они обязательно являются «лучшими» для некоторых приложений.

Рубрики: Конденсаторы, Эксперты отрасли, Силовые компоненты С тегами: Commentary

Танталовый конденсатор

против керамического

Дефицит многослойных керамических конденсаторов (MLCC) начался в 2018 году и, по прогнозам, сохранится в этом году. Конденсаторы, особенно MLCC, являются жизненно важной частью почти всех распространенных электронных устройств, и в результате рынок конденсаторов становится все более прибыльным. Ожидается, что только рынок MLCC вырастет с 5 миллиардов долларов США в 2018 году до более чем 7 миллиардов долларов США к 2023 году. 

Постоянный дефицит заставил многих производителей и покупателей рассмотреть альтернативы, популярные заменители которых — танталовые конденсаторы. Во многих приложениях вместо MLCC можно использовать танталовые конденсаторы, но это часто обходится дороже. Однако со всеми сбоями в цепочке поставок и последствиями, вызванными текущей пандемией COVID-19, сроки поставки тантала увеличились, и опасения по поводу возможной нехватки тантала становятся все более обоснованными. Поскольку складские запасы становится все труднее закупать, а использование альтернатив увеличивается, важно знать, как разные конденсаторы сравниваются и чем отличаются друг от друга. В этом посте мы сравниваем танталовый конденсатор с керамическим, а также их различия и преимущества.

Танталовые и керамические конденсаторы:

Танталовые конденсаторы — это подтип электролитических конденсаторов, в которых в качестве анода используется металлический тантал. Танталовые конденсаторы обладают превосходными частотными характеристиками и долговременной стабильностью. Они известны практически неограниченным сроком службы, высокой плотностью емкости и надежностью. Танталовые конденсаторы доступны как в жидком (фольгированном), так и в сухом (твердом) электролитическом типе, причем сухие являются наиболее распространенными.

Хотя для танталовых конденсаторов обычно требуется внешнее отказоустойчивое устройство, чтобы избежать проблем, вызванных их режимом отказа, они используются в самых разных схемах. Некоторые приложения включают ПК, ноутбуки, медицинские устройства, аудиоусилители, автомобильные схемы, сотовые телефоны и другие устройства поверхностного монтажа (SMD). Танталы также являются популярной заменой алюминиевых электролитов, используемых в военных целях, поскольку они не высыхают и не изменяют емкость со временем.

В керамических конденсаторах используется один из основных типов конденсаторов, в которых в качестве диэлектрика используется керамический материал. Известный изолятор, керамика была одним из первых материалов, использованных в производстве конденсаторов. Эти конденсаторы имеют небольшие размеры, имеют более низкое максимальное номинальное напряжение и меньшие значения емкости. Двумя наиболее распространенными типами являются MLCC и керамические дисковые конденсаторы.

Керамические конденсаторы используются во многих различных приложениях и чаще всего используются в персональных электронных устройствах. Одни только MLCC являются наиболее производимыми конденсаторами, которые используются примерно в 1 млрд электронных устройств в год. Некоторые варианты использования включают печатные платы (PCB), индукционные печи, преобразователи постоянного тока и силовые автоматические выключатели. Керамические конденсаторы часто используются в качестве конденсаторов общего назначения, потому что они не поляризованы и бывают самых разных емкостей, номинальных напряжений и размеров.

Ключевые игроки в производстве конденсаторов: 

• Abracon
• AVX
• Йохансон Диэлектрикс
• Мурата
• Вишай
• Кемет
• Панасоник
• TE-соединение

Танталовые конденсаторы и керамические:

 Хотя танталовые и керамические конденсаторы схожи по своим функциям, они сильно различаются по технологиям изготовления, материалам и характеристикам.

С точки зрения характеристик конденсаторов танталовые и керамические конденсаторы различаются по нескольким ключевым параметрам:

Параметры танталовых конденсаторов и керамических: 

Параметр конденсатора:	Танталовые конденсаторы:	Керамические конденсаторы:
Эффективность старения	✔
Зависимость смещения постоянного тока	✔
Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) Стабильность		✔
Высокочастотная фильтрация		✔
Низкая индуктивность		✔
Микрофонный (пьезоэлектрический) эффект Отклик	✔
Умеренный диапазон и отклик	✔
Объемная эффективность	✔

(ссылка)

Источники конденсаторов:

В связи с нехваткой MLCC, вызывающей повышенный спрос на танталы, и недавними сбоями в цепочке поставок во всем мире нехватка танталовых конденсаторов становится все более вероятной.