Site Loader

Содержание

Что делает многослойные керамические конденсаторы разными?

Добавлено 15 июля 2018 в 14:07

Сохранить или поделиться

Вы можете обнаружить, что многослойные керамические конденсаторы (MLCC, Multilayer Ceramic Capacitors) доступны в широком диапазоне корпусов, размеров и диэлектрических материалов. В зависимости от их характеристик эти конденсаторы разделены классификацией диэлектриков на классы I, II и III. Существует несколько типов диэлектриков, каждый из которых имеет различные характеристики. Данная статья представляет различия между классами MLCC конденсаторов в характеристиках смещения постоянным напряжением, старения и пьезоэлектрического шума, присущих многим керамическим конденсаторам.

Обозначения

Стандарт 198 Американского союза электроники (EIA, Electronic Industries Alliance) определяет температурный коэффициент емкости (ТКЕ, он же TCC, temperature coefficient of capacitance) керамических конденсаторов. При использовании этих определений вы увидите такие обозначения диэлектриков MLCC конденсаторов, как Y5V, X7R и C0G. Каждая буква здесь имеет значение. Вы можете использовать таблицы ниже для расшифровки этих обозначений.

ppm – милионная доля, 10-6.

Расшифровка маркировки многослойных керамических конденсаторов (MLCC) с диэлектриками класса 1
БукваЗначащее число температурного коэффициента, ppm/°CЦифраМножитель значащего числаБукваДопустимое отклонение температурного коэффициента, ±ppm/°C
C00–1G30
B0,31–10H60
L0,82–100J120
A0,93–1000K250
M1,04–10000L500
P1,55+1M1000
R2,26+10N2500
S3,37+100  
T4,78+1000  
U7,59+10000  
Расшифровка маркировки многослойных керамических конденсаторов (MLCC) с диэлектриками классов 2 и 3
БукваМинимальная температура (°C)ЦифраМаксимальная температура (°C)
Буква
Максимальное изменение емкости в температурном диапазоне (%) 
Z+102+45A±1,0Класс 2
Y–304+65B±1,5
X–555+85C±2,2
  6+105D±3,3
  7+125E±4,7
  8+150F±7,5
  9+200P±10
    R±15
    S±22
    *Lот +15 до –40
    Tот +22 до –33Класс 3
    Uот +22 до –56
    Vот +22 до –82

Класс I

Иногда называемые как NP0, C0G считаются ультрастабильными. Используя таблицу для расшифровки «имени», мы можем увидеть, то ТКЕ для C0G составляет ±30 ppm/°C (±30 миллионных долей на градус Цельсия) в номинальном температурном диапазоне. Другими словами, емкость C0G будет меняться незначительно из-за изменений температуры.

Промышленные конденсаторы C0G от KEMET изготавливаются с использованием уникального состава цирконата кальция. Этот материал является параэлектрическим, что обеспечивает его стабильность при прикладывании постоянного напряжения.

Поскольку классификация не определяет используемый материал, другие производители могут использовать различные составы или разные наборы материалов.

Классы II и III

Диэлектрики классов II и III используют немного отличающуюся от класса I систему именования.

  1. Первая буква представляет собой самую низкую температуру.
  2. Вторая цифра представляет собой максимальную температуру.
  3. Третья буква указывает максимальное изменение емкости, которое будет происходить между минимальной и максимальной температурами в заданном диапазоне.

Например, давайте рассмотрим X7R в таблице классов II/III. X означает –55°C, 7 означает +125°C, а R означает изменение емкости ±15% в пределах указанного температурного диапазона.

Разница между классами II и III заключается в том, насколько емкость будет изменяться при определенной температуре. Как правило, в качестве диэлектрика классов II и III используется титанат бария. Данный материал является сегнетоэлектриком, который является источником нестабильности емкости.

Зависимость относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика от температурыЗависимость относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика от температуры

По мере увеличения класса некоторые из отрицательных характеристик диэлектрика усиливаются.

Изменения при прикладывании напряжения

Термины «смещение постоянным напряжением» или «коэффициент напряжения» относятся к потерям емкости при прикладывании напряжения. Этот эффект наблюдается в сегнетоэлектрических материалах, таких как титанат бария, используемый в большинстве конденсаторов X5R и X7R. В зависимости от состава диэлектрика эти конденсаторы могут потерять более 70% номинальной емкости при прикладывании напряжения!

Одним из способов достижения меньших размеров SMD конденсаторов при сохранении того же уровня емкости является уменьшение толщины диэлектрика. Это различие в конструкции приводит к тому, что более высокое напряжение дает бо́льшую потерю емкости.

K-SIM от KEMET позволяет моделировать напряжение на керамическом конденсаторе при прикладывании постоянного напряжения. Эта утилита также может отображать ожидаемое изменение емкости при прикладывании напряжения. Она доступна на ksim.kemet.com.

Диэлектрики класса I не реагируют на смещение по постоянному напряжению, особенно те, которые изготовлены с использованием цирконата кальция.

Старение

Старение – еще одна характеристика, проявляемая сегнетоэлектриками, или диэлектриками классов II и III. При изготовлении керамического конденсатора диэлектрик подвергается воздействию температур более 1000°C. Для устройств из титаната бария температура Кюри может находиться в диапазоне от 130°C до 150°C, в зависимости от конкретного состава.

При воздействии температуры Кюри кристаллическая структура выравнивается в тетрагональную форму. После охлаждения кристаллическая структура керамики изменяется до кубической. По мере этих изменений структуры также изменяется диэлектрическая проницаемость материала.

Со временем емкость будет продолжать снижаться. Можно перезагрузить этот цикл старения путем «перезагрузки» материала, подвергнув его температуре Кюри.

Как правило, вы можете найти скорость старения для определенного типа компонента в каталоге. Ниже приведен пример коэффициентов старения.

Показатели старения многослойных керамических конденсаторов (MLCC)
EIA кодPME – электроды из драгоценных металлов
BME – электроды из недрагоценных металлов
Типовое старение
(% / порядок часов)
Типовое время оценки
(час)
C0GPME/BME0не доступно
X7RBME2,01 000
X5RBME5,048
Изменение емкости многослойных керамических конденсаторов (MLCC) при старенииИзменение емкости многослойных керамических конденсаторов (MLCC) при старении

Старения может изменяться в зависимости от серии компонентов, поэтому смотрите технические описания.

Микрофонный эффект

Наконец, кристаллическая структура титаната бария придает керамике свою пьезоэлектрическую, или микрофонную, характерную особенность. Когда к диэлектрическому материалу применяются внешние напряжения, молекулы титаната начинают колебаться назад и вперед. Электрические сигналы могут механически деформировать диэлектрик. Эта деформация, или движение, создает характерный «жужжащий» шум, который слышат некоторые пользователи при использовании керамических конденсаторов в своих проектах.

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектричество, также называемое пьезоэлектрическим эффектом, представляет собой способность материала генерировать напряжение и/или электрический сигнал (шум) при воздействии внешнего механического напряжения или вибрации.

По аналогии с термином «микрофонный», многослойные керамические конденсаторы (MLCC), построенные из сегнетоэлектрических материалов, являются по своей природе пьезоэлектрическими и могут преобразовывать внешнее напряжение, подобно тому, как микрофон преобразует звук, в электрический сигнал.

Пьезоэлектрический эффект многослойных керамических конденсаторов (MLCC)Пьезоэлектрический эффект многослойных керамических конденсаторов (MLCC)

Электрострикция

Электрострикция – это поведение всех диэлектриков, в которых материал испытывает механическую деформацию, или изменение формы, под воздействием электрического поля. Керамические диэлектрики классов II и III производятся с использованием сегнетоэлектрических материалов, которые проявляют большее влияние электрострикционного движения. Вы знаете эти керамические конденсаторы как типы X7R, X5R, Z5V и Y5V.

Когда происходит механическая деформация, результатом может быть звуковое излучение, такое как слышимый гул (т.е. «пение»).

Несколько конденсаторов, установленных на плате близко друг к другу, могут усиливать звук до такой степени, что он станет заметным.

Эффект электрострикции – «поющий» конденсаторЭффект электрострикции – «поющий» конденсатор

Заключение

Емкость на этикетке, возможно, не является той емкостью, которую вы в итоге получите. Характеристики, обсуждаемые в данной статье, могут изменить величину емкости, которая будет иметь место во время работы или срока службы вашей системы.

Конечно, этот пост не является полным описанием различий между керамическими диэлектриками. Существуют и другие тонкие различия, которые необходимо учитывать при использовании керамических конденсаторов. Но эта информация должна стать хорошей отправной точкой при выборе подходящего керамического конденсатора (MLCC).

Оригинал статьи:

Теги

MLCC (многослойный керамический конденсатор)TCC / ТКЕ (температурный коэффициент емкости)Керамический конденсаторКлассы керамических конденсаторовКодовое обозначениеКонденсаторКонденсатор C0G / NP0Конденсатор X7RКонденсатор Y5VПоющий конденсаторПьезоэлектрический эффектСрок службы компонентовШумЭлектрострикция

Сохранить или поделиться

Многослойные керамические конденсаторы (MLCC) в корпусе SMD

 

Малогабаритные керамические конденсаторы находят широкое применение в телекоммуникационном оборудовании, автоматике и системах контроля, в персональных компьютерах и т. д.
Многослойные керамические конденсаторы TDK представлены широкой линейкой различных чип-конденсаторов.

ОСОБЕННОСТИ

  • Подходят для замены любых танталовых конденсаторов, ранее выпускавшихся Epcos, и многих пленочных и алюминиевых конденсаторов.
  • Имеют никелевые электроды, обеспечивающие оптимальное соотношение по цене и качеству.
  • Могут применяться в различных областях от мобильных телефонов до автомобильной промышленности.

УСТРОЙСТВО

Многослойный керамический конденсатор сотоит из сплошного блока керамического диэлектрика и металлизированных электродов. В качестве диэлектрика используют титанаты кальция (CaTiO3) и бария (BaTiO3). Высокое значение емскости достигается благодаря увеличению числа электродов и уменьшению толщины диэлектрика.

Конструкция керамического конденсатора

Монолитная структура обеспечивает прочность и надежность.

Устройство керамического конденсатора

Благодаря высокой точности размеров конденсаторов возможно применение автоматизированной системы установки компонентов на плату.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

  • Группа ТКЕ: X5R/X7R/X8R/C0G/Y5V
  • Диапазон возможных напряжений: 6,3 — 630 В
  • Емкость: 0,5 пФ — 100 мкФ
  • Типоразмеры:
    C0402 (0,4мм x 0,2мм; EIA 01005) – C5750 (5,7мм x 0,5мм; EIA 2220)

Типы MLCC

  Серия Технические данные Свойства Применение pdf
Серия С Большой емкости общего
назначения
Серия C
Размеры: 0402…5750
Температурная хар-ка:
CH, C0G, JB, X7R, X5R, X7S, X6S
Ном. напряжение: 4…50 В
Емкость: 0,5 пФ… 100 мкФ
— Большая емкость
— Длительный срок службы
— Низкое последовательное сопротивление и отличные частотные хар-ки
-Оптимальны для применения в ИП, требующих высокого уровня надежности, а также высокочастотных ИП с высокой плотность монтажа
Автомобильные и другие устройства
Серия С Для среднего напряжения
Серия C
Размеры: 1005…5750
Температурная хар-ка: CH, C0G, JB, X7R, X5R,X6S,X7S,X7T
Ном. напряжение: 100…630 В
Емкость: 1 пФ… 15 мкФ
— Уникальная технология, сочетающая компактный корпус с устойчивостью к больши напряжениям Демпфирующие
цепи для ИИП, звонковых схем в телефонах и
модемах и для
других устройств с высоко-вольтными цепями
Высоковольтная серия C Высоко- вольтные
Серия C
Размеры: 4520…4532
Температурная хар-ка:
C0G, X7R, CH, JB
Ном. напряжение: 1…3 кВ
Емкость: 10 пФ… 10 нФ
— Улучшенная конструкция для повышения стойкости к высоким напряжениям
— Высокая надежность и производительность при высоких напряжениях
— Приспособлены для пайки волной
-Соответствуют стандарту ISO8802-3 для ЛВС
Для устройств с высоко-вольтными цепями
Mega cap Мега-капы с металлическими выводами
Серия СKG
Размеры: 35 (3.6×2.6мм), 45 (5×3.5мм), 57 (6×5мм)
Температурная хар-ка:
COG, X5R, X7R, X7S, X7T
Ном. напряжение: 16…630 В
Емкость: 22 нФ… 100 мкФ
— Металлические выводы снижают тепловое воздействие и удар, обеспечивая отличные хар-ки при монтаже на алюминиевую подложку
— Хорошо подходят для высокочастотных ИИП благодаря низким значениям эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и эквивалентной последовательной индуктивности (ESL)
Сглаживающие схемы, устройства с изменяющейся температурой, необслуживаемые источники питания, DC/DC- преобразователи, автомобильная электроника
Серия с низким ESL, реверсивно расположенные контакты Серия с
реверсивно расположен-ными
контактами и
низким значением эквивалентной последо-вательной индуктивности
(ESL)
Серия C
Размеры: 0510…1632
Температурная хар-ка: JB, X5R, X6S, X7R, X7S
Ном. напряжение: 2.5…50 В
Емкость: 10 нФ… 10 мкФ
— Улучшенные значения ESR и ESL благодаря размещению электродов вдоль длинной стороны чипа
— Высокая резонансная частота обеспечивает эффективное подавление ВЧ шумов
-Применения: развязка между ИС
Персональные компьютеры, мобильные и радиотелефоны, камкордеры
ESR Control Cap 3-выводной
проходной
Серия CKD
Размеры: 1005, 1608
Ном. напряжение: 4…6.3 В
Емкость: 0.47 мкФ… 4.3 мкФ
-Эффективны для подавления помех и колебаний напряжения в силовых схемах.
-Подходят для применения при больших токах (до 2 А).
Силовые линии высокоскоростных, высокоточных схем телекоммуникационных устройств.

По коду керамического конденсатора легко узнать его размеры:

Размеры конденсатора
Обозначение
размера в коде
Длина L, мм Ширина W, мм Ширина контактной
области B, мм
0402 0,4±0,02 0,2±0,02 0,07
0603 0,6±0,03 0,3±0,03 0,1
1005 1,0±0,05 0,5±0,05 0,1
1608 1,6±0,1 0,8±0,1 0,2
2012 2,0±0,2 1,25±0,2 0,2
3216 3,2±0,2 1,6±0,2 0,2
3225 3,2±0,4 2,5±0,3 0,2
4532 4,5±0,4 3,2±0,4 0,2
5750 5,7±0,4 5,0±0,4 0,2

Температурные характеристики:

Классификация Стандарт Диэлектрик Область рабочих температур, °С Допустимое отклонение от номинала
Класс 1. Термокомпенсированные (20°С) JIS CH -25°С … +85°С +/- 60ppm/°С
EIA C0G -55°С … +125°С +/- 30ppm/°С
Класс 2.
Температурно-стабильные (25°С)
EIA X5R -55°С … +85°С +/- 15%
X7R -55°С … +125°С +/- 15%
Y5V -30°С … +85°С +22, -82%
X7S -55°С … +125°С +/- 22%

 

ФЕРРИТ-ХОЛДИНГ: Новости

 

23.01 20 

ВНИМАНИЕ! Новый склад компании ЛЭПКОС находится по адресу: 196626, г. Санкт-Петербург, Московское шоссе, д.101, к.3.
Размеры конденсатора

30.12 19 

Уважаемые коллеги и партнеры! Коллектив компании ЛЭПКОС поздравляет с наступающими Новым годом и Рождеством! Желаем уверенно идти к самым амбициозным целям, всегда держать руку на пульсе и реализовать в Новом году все самые смелые идеи. Интересных проектов, хороших новостей и финансовых успехов!


Размеры конденсатора

24.12 19 

Режим работы склада ЛЭПКОС:31.12.2019 склад ЛЭПКОС работает с 8-30 до 15-00. В период с 01.01.2020 по 13.01.2020 в связи с новогодними праздниками и переездом склада ЛЭПКОС отгрузки продукции заказчикам производиться не будут. С 14 января 2020 года отгрузки будут осуществляться с нового склада по адресу: СПб, Московское шоссе, д.101, к.3. Приносим извинения за временные неудобства!


Размеры конденсатора

08.10 19 

ООО «ЛЭПКОС» приглашает посетить стенд нашей компании на выставке ChipEXPO 2019, которая пройдет с 16 по 18 октября 2019 года в г. Москве на территории ЦВК «Экспоцентр» на Красной Пресне, павильон «Форум», стенд C23.


Размеры конденсатора

26.06 19 

По итогам 2018 года компания «ЛЭПКОС» награждена компанией TDK памятным знаком «Лучший продавец ферритов 2018».
Размеры конденсатора


 

Многослойные керамические конденсаторы MLCC (MultiLayer Chip Capacitors) для поверхностного монтажа

Многослойные керамические конденсаторы MLCC (MultiLayer Chip Capacitors) для поверхностного монтажа

Конструкция, материалы и особенности MLCC

Обычно конденсатор представляет собой трехслойную конструкцию, состоящую из двух пластин-электродов и слоя диэлектрика между ними (рисунок 1).

Ёмкость такого конденсатора будет прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и диэлектрической проницаемости диэлектрика и обратно пропорциональна расстоянию между электродами.

В MLCC используется многослойная структура, состоящая из чередующихся слоев керамического диэлектрика и металлических пленочных электродов (рисунок 2). На краях металлические электроды соединяются и образуют торцевые выводы, которые покрываются оловом. Таким образом получается параллельное соединение простейших конденсаторов, количество которых пропорционально числу слоёв. При этом увеличивается общая площадь, а значит – и повышается ёмкость. Итоговая емкость MLCC будет равна сумме емкостей простейших конденсаторов. Например для X7R MLCC с номинальным напряжением 100 В типоразмера 1812 возможно 39-кратное увеличение емкости по сравнению с ЧИП-танталовым конденсатором.

 

Характеристики MLCC определяются типом используемого диэлектрика. По типу диэлектрика MLCC делят на два класса (таблица 1).


Таблица 1. Характеристики различных типов диэлектриков

Класс

Диэлектрик

Диэлектрическая проницаемость

Рабочая температура, ℃

Температурная погрешность

Класс 1

C0G/NP0

6…400

-55…125

0 ±30 ppm/℃

Класс 2

X5R

1,000…20,000

-55…85

±15%

X6S

-55…105

±22

X7R

-55…125

±15%

Y5V

-30…85

-82…22%

Класс 1 – конденсаторы с высокостабильным параэлектрическим диэлектриком, имеющим линейную температурную зависимость. Примером таких конденсаторов являются NP0/C0G. Они применяются во времязадающих цепях и фильтрах, где основными требованиями являются малые потери и высокая стабильность емкости.

Класс 2 – конденсаторы с ферромагнитным диэлектриком с более высоким уровнем потерь и нелинейной зависимостью от температуры окружающей среды. Примерами таких конденсаторов являются X7R/X5R/Y5V/X6S. Они чаще всего используются как разделительные и блокировочные конденсаторы.

 

Группы MLCC

MLCC подразделяются на группы (рисунок 3):

Рис. 3. Группы многослойных керамических конденсаторов

 

На складе есть некоторые семейства MLCC конденсаторов:

Medium-High Voltage Capacitors – семейство средне- и высоковольтных конденсаторов общего назначения, которые характеризуются величиной рабочего напряжения 100…3000 В. Конденсаторы предназначены для работы в импульсных источниках питания, цепях подавления переходных процессов, балластных схемах, во входных фильтрах и так далее. ( C1608X7R2A103K080AA, CC1206KKX7RZBB103) 

Для достижения высокого рабочего напряжения необходимо устранить возможность пробоя конденсатора — следует увеличить толщину диэлектрика и расстояние между внутренними электродами (рисунок 4).

Рис. 4. Конструкции стандартных и высоковольтных конденсаторов

Soft-term Capacitors – семейство конденсаторов с мягкими выводами, применяемых в случаях, когда требуется высокая устойчивость к механическим воздействиям, возникающим при изгибе платы в процессе эксплуатации.

В конструктиве конденсаторов с мягкими выводами между внутренними и внешними электродами помещен слой эластичного проводящего компаунда (рисунок 5), который демпфирует деформации и значительно повышает живучесть компонентов.

Рис. 5. Конструкции стандартных и Soft-term-конденсаторов с мягкими выводами


В настоящее время выпускаются  конденсаторы с гибкими выводами, позволяющими выдерживать изгибы до 5 мм. Конденсаторы с мягкими выводами применяются в автомобильных приложениях, в сотовых телефонах, планшетах, жестких дисках, ноутбуках и так далее. (AC0603KRX7R9BB473, AC0402KRX7R7BB104, AC0805KRX7R9BB104, AC0603KRX7R9BB222, CEU3E2X7R2A102K080AE, CGA3E2X7R1h323K080AA ).

High Effective Capacitance Capacitors – семейство конденсаторов общего назначения с минимальным эффектом смещения при постоянном напряжении и минимальном старении.  ( CC1206JKNPOCBN101, CC1206KKX7RDBB471, CC1210KKX5RGBB106) 

Емкость конденсаторов класса 1 почти не изменяется. Емкость конденсаторов класса 2 изменяется в течение времени (рисунок 6).

Рис. 6. Изменение емкости конденсаторов с течением времени

 

Использование «устаревших» конденсаторов ограничено. Если «постаревший» диэлектрик разогреть выше температуры Кюри, а затем охладить до комнатной температуры, его диэлектрическая проницаемость восстанавливается.

Рис. 7. Изменение диэлектрической проницаемости BaTiO3 с течением времени

В качестве диэлектрика в MLCC класса 2 используется титанат бария BaTiO3. Температура Кюри для этого материала приблизительно + 130° С (рисунок 7).

Итоги:

  1. Увеличенная удельная (по отношению к размерам) ёмкость MLCC – до 39-кратного по сравнению с ЧИП-танталовыми конденсаторами. ( CL10A106KP8NNNC , CL21A476MQYNNNG, CL21B106KPQNNNG, CL21A106KAYNNNG)
  2. Возможность изгиба платы при использовании MLCC с гибкими выводами. Допускается изгиб вывода элемента до 2…5 мм. (AC0603KRX7R9BB473, AC0402KRX7R7BB104, AC0805KRX7R9BB104, AC0603KRX7R9BB222) 
  3. Вероятно термовосстановление MLCC с диэлектриком класса 2 после длительного хранения (GRM32DR72J473KW01L, 1808HC152KAT1A, C0805C105K4RAC7800 ) 

В настоящее время на складе «Промэлектроники» имеются в продаже многослойные керамические конденсаторы для поверхностного монтажа от ведущих производителей, таких как AVX, KEMET, Samsung, TDK и Yageo.

Посмотреть весь ассортимент многослойных конденсаторов

Продукцию компании  Вы можете заказать, сделав заявку:

Полимерные конденсаторы — альтернатива многослойным керамическим конденсаторам

Расширение сферы применений портативных устройств для обработки информации и вычислений, а также рост автомобильной промышленности вызвали огромный спрос на многослойные керамические конденсаторы. Сложность производственных процессов при изготовлении этих конденсаторов (с использованием чередующихся слоев керамики и металла толщиной в несколько нанометров) ограничивает число производителей, способных осуществлять последовательный контроль качества. Отраслевые наблюдатели ожидают, что дефицит исчезнет к 2020 году, но производители конечных изделий электроники по-прежнему обеспокоены. 

Хорошей новостью является то, что у инженеров есть множество способов избежать применения в разработках многослойных керамических конденсаторов. Один из подходов состоит в том, чтобы использовать конденсаторы большей емкости в доступном типоразмере, если это не требует больших изменений в трассировке печатной платы. Другой подход заключается в параллельном соединении конденсаторов меньшей емкости или использовании конденсаторов, выполненных по совершено другой технологии, такой как полимерные конденсаторы.

Онлайн-сообщество “Element14” проверило последнее утверждение относительно полимерных конденсаторов в рамках специального конкурса. В поисках подходящих альтернатив интернет-сообщество из более чем 650 000 инженеров провело конкурс, который включал в себя испытания полимерных конденсаторов на предмет того, как они ведут себя по сравнению с аналогичными керамическими конденсаторами. В итоге были получены очень интересные результаты.

Участники конкурса получили набор из 17 типов полимерных конденсаторов производства Panasonic, которые обладали емкостью 4,7…470 мкФ. Они также получили тестер, который позволял измерять пиковые значения эквивалентного последовательного сопротивления конденсаторов (далее ESR), экспериментировать с различными конденсаторами, создавать оригинальные схемы, модифицировать уже существующие и так далее (рисунок 1). Вот что написали участники экспериментов о сделанных выводах.

Их первая задача заключалась в том, чтобы найти лучший способ измерения величины ESR и фактической емкости конденсаторов. Эти параметры важны потому что современным микропроцессорным системам требуются источники питания, выдающие большой ток и с чрезвычайно быстрым прохождением переходных процессов, что в свою очередь требует жесткого регулирования. Эти условия создают потребность в экономичных компактных конденсаторах с высокими значениями емкости.

Идеальный конденсатор не имеет эквивалентного последовательного сопротивления, однако во всех реальных конденсаторах это сопротивление присутствует, хотя и имеет крайне небольшие значения. ESR конденсатора влияет на поведение всей электрической цепи и по прошествии определенного времени. Из-за старения и высыхания электролита в некоторых конденсаторах, неправильного использования и перегрева значение этого параметра может ухудшиться. В таком случае рассеиваемая мощность возрастает, что еще более ухудшает производительность.

ESR-метр ESR 70 и настольный мультиметр Tenma 72-1020, используемые для измерения величины ESR при испытаниях конденсаторов

Рис. 1. ESR-метр ESR 70 и настольный мультиметр Tenma 72-1020, используемые для измерения величины ESR при испытаниях конденсаторов

Одной из первых целей участников эксперимента был поиск наиболее надежного способа измерения величины ESR полимерных конденсаторов. Для этого участники использовали два разных метода измерений: метод измерения при помощи осциллографа и метод с использованием специального измерителя значения ESR (рисунок 2). Исследованные конденсаторы соответствовали своим спецификациям с учетом условий, при которых проводились измерения. Участники исследования были особенно внимательны к тому, чтобы обеспечить надежный контакт между выводами конденсатора и щупами средства измерения величины ESR.

В итоге оба метода дали схожие результаты, хотя были отмечены некоторые важные моменты. Значения емкости, измеренные с помощью ESR 70 и настольного мультиметра Tenma 72-1020 были в практически полном соответствии, хотя ESR 70 неизменно давал результаты, значения которых были ниже, чем у Tenma 72-1020. Прибор ESR 70 оказался простым в использовании, но ему не хватает точности для измерения значений ESR ниже, чем, примерно, 0,04 Ом.

Типовые схемы для измерения величины ESR конденсатора с использованием осциллографа и встроенного генератора сигналов

Рис. 2. Типовые схемы для измерения величины ESR конденсатора с использованием осциллографа и встроенного генератора сигналов

Метод с применением осциллографа, хотя и сложнее в настройке и медленнее, дает схожие с полученными при помощи прибора ESR 70 результаты. Однако метод с применением осциллографа имеет некоторые преимущества. Например, изменяя частоту или просто наблюдая форму сигнала, можно получить более глобальное понимание иных причин, которые вызывают неидеальное поведение конденсатора (скажем, наличие индуктивности выводов). 

Уменьшение пульсаций на выходе при коммутации

В другом эксперименте было исследовано влияние замены керамических конденсаторов на полимерные. Участники исследования подключили емкость к силовому модулю TI SWIFT Power Module, чтобы увидеть, уменьшают ли полимерные конденсаторы пульсации на выходе модуля.

Силовой модуль SWIFT TPSM84A21 10 A представляет собой понижающий преобразователь, который позволяет получить на выходе постоянное напряжение в диапазоне 0,508…1,3 В с максимальным током 10 А при входном постоянном напряжении 8…14 В. Модуль имеет встроенные конденсаторы на входе и на выходе. Внешняя емкость обычно не требуется. Однако если источник входного напряжения находится на расстоянии более нескольких дюймов от TPSM84A21, то может возникнуть необходимость в дополнительной емкости, которую необходимо подключить ко входу микросхемы. Типовое рекомендуемое значение входной емкости составляет 47…100 мкФ.

Члены сообщества проверили, может ли помочь в решении поставленной задачи полимерный конденсатор с низким значением ESR. Чрезвычайно низкое значение ESR необходимо для уменьшения амплитуды пульсаций напряжения и, как правило, в этом случае используются керамические конденсаторы. Альтернативой является один алюминиевый полимерный конденсатор Panasonic, который может заменить несколько керамических конденсаторов.

Участники сообщества оценили ограниченное количество условий проведения эксперимента при относительно низкой выходной мощности. В первом испытании не использовалась внешняя дополнительная емкость, в результате чего величина пульсаций составила около 8 мВ. Коммутационный шум возникал на той же частоте, что и коммутация модуля.

Затем участники экспериментировали, добавляя внешнюю входную емкость в виде алюминиевого твердотельного конденсатора Panasonic для поверхностного монтажа на 120 мкФ. Добавление внешнего конденсатора уменьшило пульсации с 8 до 5,6 мВ, что значительно ниже значения, указанного в описании модуля.

Пульсаций и шума, не уменьшенных посредством фильтрации, может быть достаточно, чтобы ухудшить характеристики устройств, подключенных к источнику питания. Добавление дополнительной емкости показало, как можно уменьшить шум и пульсации на выходе схемы.

Схема накачки заряда

Рис. 3. Схема накачки заряда

Другой эксперимент был сосредоточен на схеме накачки заряда и сравнивал характеристики полимерных конденсаторов с характеристиками многослойных керамических. В качестве краткого обзора: схема накачки заряда – это своего рода преобразователь постоянного тока (DC/DC-преобразователь), который использует конденсаторы для повышения или понижения напряжения. Некоторые виды коммутирующих устройств контролируют подключение напряжения питания к нагрузке через конденсатор. В схеме накачки заряда с двухступенчатым циклом конденсатор на первом этапе подключается через источник питания и заряжается от источника напряжения питания. На втором этапе схема изменяется таким образом, что конденсатор включается последовательно с источником питания и нагрузкой. Это делает напряжение на нагрузке равным сумме напряжения питания и напряжений на конденсаторах. Импульсный характер переключаемого более высокого выходного напряжения часто сглаживается путем использования конденсатора.

Системы с накачкой заряда могут удваивать, утраивать напряжение, вдвое уменьшать его и генерировать произвольные напряжения путем быстрого переключения между режимами, в зависимости от топологии схемы и применяемого контроллера. В данном случае схема накачки заряда представляла собой схему Диксона, в которой использовался вход, на который подавалось 12 В. На выходе без подключенной нагрузки было напряжение порядка 48 В (рисунок 3).

Генератор, приводящий в действие схему накачки заряда.

Рис. 4. Генератор, приводящий в действие схему накачки заряда

Экспериментаторы управляли этой системой с помощью простого генератора. Конструкция генерировала последовательность импульсов на выходе, используя счетчик 74HC4040D, инверторы на основе триггеров Шмитта 74AC14 и H-образный мост LMD18201 (рисунок 4). Схема использовала только один из выходов драйвера H-образного моста, потому что конденсаторы полярные, а полный мост сгенерировал бы напряжение обратной полярности, которое было бы подано на конденсаторы. В системе использовались керамические многослойные конденсаторы и полимерные конденсаторы, в обоих случаях это были конденсаторы емкостью 10 мкФ и рабочим напряжением 50 В.

В таблице 1 приведены результаты исследования функционирования конденсаторов в схеме накачки заряда. Полимерные конденсаторы могут значительно лучше выполнять свою функцию, чем многослойные керамические конденсаторы, особенно в тех случаях, когда рабочее напряжение близко к номинальному напряжению конденсатора.

Параметр Многослойный керамический конденсатор Полимерный конденсатор
Выходное напряжение, В 49 49
Входное напряжение, В 16 14,05
Входной ток, А 0,572 0,565
Выходной ток, А 0,139 0,138
Входная мощность, Вт 9,15 7,94
Выходная мощность, Вт 6,82 6,76
Эффективность, % 74,5 85,2
Напряжение пульсаций, Vp-p 2,91 0,5

Участники обнаружили, что без нагрузки обе схемы накачки генерировали одинаковое повышенное напряжение; при 12 вольтах на входе они выдавали 47 вольт на выходе. Тем не менее, чтобы получить на выходе 49 В, схеме с применением керамических многослойных конденсаторов потребовалось дополнительно подать еще два вольта на вход, что на 13% больше номинального входного напряжения.

Для схемы накачки заряда с полимерными конденсаторами и выходным напряжением 49 В, где в качестве нагрузки был подключен нагреватель клеевого пистолета, входная мощность составила 7,94 Вт, выходная мощность – 6,76 Вт, а КПД составил 85,2%. Для многослойных керамических конденсаторов, использовавшихся в схеме накачки заряда с выходным напряжением 49 В и аналогичной подключенной нагрузкой в виде нагревателя, входная мощность составила 9,15 Вт, выходная мощность – 6,82 Вт, а КПД – 74,5%.

Испытания также показали, что пульсации выходного напряжения в цепи, содержащей многослойные керамические конденсаторы, были примерно в пять раз выше, чем в цепи, содержащей полимерные конденсаторы, что было бы важно, если бы схему использовали в качестве источника питания. При том же входном напряжении (12 В) схема, содержащая полимерные конденсаторы, генерировала примерно на шесть вольт больше (под нагрузкой), чем схема с многослойными керамическими конденсаторами, что выше примерно на 17%.

Реальная альтернатива многослойным керамическим конденсаторам

Применение схемы накачки заряда показало, что полимерные конденсаторы могут работать значительно лучше, чем многослойные керамические конденсаторы, особенно в тех случаях, когда фактическое рабочее напряжение близко к номинальному напряжению конденсатора.

Экспериментаторы проверили работу схемы при различных условиях и при относительно низких значениях выходной мощности, с внешней входной емкостью и без нее. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

№ испытания (эксперимента) Входное напряжение, В Входной ток, А Выходное напряжение, В Выходной ток, А Нагрузка на выходе, Ом Мощность, рассеиваемая на нагрузке, Вт Пульсации напряжения на выходе, мВ
1 10,52 0,036 1,005 0 Бесконечно большая величина 0 8
2 10,52 0,046 1,004 0,1 10 0,1 8
3 10,52 0,138 1,005 1 1 1 8
4 10,51 0,247 1,005 2 0,5 2 8
5 10,04 0,046 1,005 0,1 10 0,1 5,6
6 10,05 0,138 1 1 1 1 5,6
7 10,05 0,247 1,005 0,5 0,5 2 5,6

Эти эксперименты указывают на большие перспективы применения полимерных конденсаторов в качестве замены многослойным керамическим конденсаторам. Полимерные конденсаторы имеют преимущества перед многослойными керамическими конденсаторами, особенно с точки зрения более низкого значения ESR, обеспечения меньших пульсаций напряжения и лучшей энергоэффективности. Нехватка многослойных керамических конденсаторов вызвала много дискуссий в сообществе разработчиков относительно пассивных компонентов в целом и использования полимерных конденсаторов в частности. Хотя спрос и предложение многослойных керамических конденсаторов со временем стабилизируются, текущий дефицит конденсаторов данного типа помог понять, что полимерные конденсаторы в качестве альтернативы керамическим помогут избежать проблем с поставками в будущем.

 Источник: https://www.eeworldonline.com

Литература

  1. Evaluating polymer capacitors 
  2. The polymer capacitor contest page

многослойные керамические конденсаторы (MLCC)

Многослойные керамические конденсаторы (MLCC — multilayer ceramic capacitor) это достаточно привычные компоненты РЭА, которые, несмотря на присущие им недостатки, широк используются для фильтрации, развязки, блокировки и подавлению помех, что крайне важно с точки зрения выполнения требований по электромагнитной совместимости (ЭМС).

В общем случае многослойные керамические конденсаторы, уже судя из своего названия представляют собой слоистую структуру в виде керамического пирога, «промазанного» токопроводящими слоями. Слои керамики выполняют роль диэлектрика, а металлизация между ними — обкладок (рис. 1).

Типовая структура MLCC-конденсатора категории BME

Рис. 1. Типовая структура MLCC-конденсатора категории BME

Однако в таких конденсаторах есть существенное различие. Оно касается внутренних электродов и в меньшей степени терминалов. Что касается терминалов то они имею те или иные вариации, обусловленные техпроцессом изготовления, но, главное, что нас разработчиков интересует и касается напрямую, это то, что из-за необходимости соответствия Директиве RoHS, они могут иметь чисто оловянное покрытие (низкотемпературное) или SAC (высокотемпературное), но в настоящее время большая часть MLCC-конденсаторов имеет оловянное покрытие. Это позволяет повысить надежность их пайки, остальные проблемы [1] здесь уходят на второй план, так как современная электроника широкого применения, ввиду ее быстрого морального старения, не рассчитывается на длительный срок жизни.

Что касается внутренних электродов, то здесь мы имеем два варианта. Первый — это MLCC-конденсаторы обычного или базового исполнения, которые относятся к категории BME (Base Metal Electrode). Их электроды выполняются из никеля (Ni) или медно-никелевого (NiCu) сплава. Вторые — это конденсаторы с обкладками из благородных металлов — сплав AgPd, такие MLCC-конденсаторы относятся к категории NME (Noble Metal Electrode) и отличаются повышенной надежностью. Для первой категории никель иногда убирается даже и из терминалов. Конденсаторы категории BME — это не ширпотреб. Они обеспечивает более высокую нагрузочную способность по напряжению. В качестве основного диэлектрика для конденсаторов малой емкости используется метацирконат кальция, но в настоящее время более популярны MLCC-конденсаторы с диэлектриками типа X7R и X5R, которые основаны на титанате бария с такими добавками, как диоксид марганца [5]. Оба диэлектрика хорошо сочетаются с медно-никелевыми и никелевыми электродами.

Однако есть проблема. В настоящее время ряд объективных и субъективных причин привели к дефициту MLCC-конденсаторов на рынке (рис. 2) [9] и причин тут несколько. Во-первых, рост спроса. Современный смартфон содержит сотни, а электрический автомобиль более 10 тысяч MLCC. Это основные потребители MLCC-конденсаторов, в типичном смартфоне общая емкость керамических конденсаторов достигает 75 мкФ. Вторая причина дефицита кроется не только в росте потребления, ее можно было бы решить, нарастив мощности их выпуску, она еще и непосредственно в технологии изготовления самих конденсаторах. И делится на две — исчерпание возможностей наращивать объемы выпуска керамики, и рост дефицита на серебро (его добыча в 2018 году упала на 11%) и палладий, которые, как уже было сказано, используются в высококачественных MLCC. Как результат рынок MLCC исчерпал свои резервы и его рост почти остановился. Тренд это или временное явление? Жизнь покажет. Но пока мы имеем то, что имеем.

Динамика поставок керамических конденсаторов в млрд. микрофарад в период 1990–2018 гг.

Рис. 2. Динамика поставок керамических конденсаторов в млрд. микрофарад в период 1990–2018 гг.

Поскольку резкого увеличения выпуска не предвидится, для разработчиков РЭА здесь один выход — оптимизировать использование MLCC и остановить свой выбор на поставках от известных брендов таких, как, например, Vishay Intertechnology (VISHAY) и EPCOS AG (EPCOS, ныне одна из компаний TDK Corporation). Применение таких конденсаторов даст гарантии получения заданных электрических характеристик и надежности конечного продукта, и позволит избежать необходимости чрезмерного резервировать MLCC-конденсаторов на плате.

В чем причина того, что мы даже в условиях настающего дефицита не можем кардинально уйти от использования MLCC-конденсаторов? Дело в том, что основная масса таких конденсаторов используется в цепях питания и именно для решения проблемы ЭМС, а чапаевский подход — в лоб, путем использования электролитических конденсаторов, эту проблему не решает. Подробное рассмотрение вопросов сравнения и особенностей использования конденсаторов разных технологий и их комбинаций выходит за рамки настоящей статьи (подробно см. [2, 3, 4]). Тем не менее, вкратце отметим ряд важных моментов.

Используя привычные для нас дешевые алюминиевые и более дорогие — танталовые и полимерные конденсаторы, мы можем решить проблему сокращения MLCC-конденсаторов, но лишь частично и далеко не везде. Кроме того, они при относительно малых номинальных емкостях имеют несравнимо большие габариты.

Алюминиевые электролитические конденсаторы в свете подавления высокочастотных электромагнитных помех (ЭМП) как основной элемент вообще не рассматриваются. Их задача обеспечить накопление энергии и справиться с пульсациями, и даже здесь они, сами по себе, бессильны и без MLCC-конденсаторов справиться не могут. Что касается алюминиевых полимерных конденсаторов, то они весьма перспективны, но эта замена пока еще дорогая, коммерчески доступный выбор таких конденсаторов ограничен и разработчики к ним еще не привыкли.

Что касается танталовых конденсаторов, то они не только дорогие, но и сами находятся в кризисе в части поставок, и как раз MLCC-конденсаторы помогли в свое время из него выйти [7]. Кроме того, им присущ ряд неприятных моментов, например, образование потенциальных локальных очагов возгорания. Как известно они изготавливаются на основе аморфного пентаоксида тантала (Ta2O5), а в качестве электролита обычно используется твердый диоксид марганца (MnO2). Несоблюдение требований по максимальному рабочему напряжению и токам повышает температуру внутри конденсатора, которая приводит к деградации. Но главная проблема — это высокое содержание кислорода в MnO2, что при пробое приводит к образованию потенциальных локальных очагов возгорания. Это тепло, в свою очередь, переводит аморфный пентаоксид тантала в кристаллическую форму, которая является хорошим проводником, со всеми вытекающими отсюда последствиями, а сам процесс выделения тепла становится уже лавинообразным. Имеются танталовые конденсаторы с полимерным диэлектриком, но они решают проблему не в полной мере, так как имеют малую емкость и большой ток утечки, особенно при включении и не широкодоступны.

Если обратиться к повседневной практике, то что греха таить, вопросу оптимального баланса при выборе комбинации входных и выходных конденсаторов для подавления пульсаций и помех DC/DC-преобразователей разработчики уделяют недостаточно внимания. Здесь обычно пользуются или традицией — «вали кулем, потом разберем», мол, все так делают или опытом, который, как известно, «сын ошибок трудных». В общем, как любят шутить украинские разработчики РЭА, здесь достаточно часто используется справочник «Стэля» (укр. стеля — это потолок), но такие потолочные подходы лучше оставить любителям и пользоваться инженерным анализом с математическими выкладками.

Однако, чтобы не приводить здесь громоздкие подтверждающие расчеты, только скажем, что общий пульсирующий ток в любом случае необходимо разделить между сглаживающими электролитическими и керамическими MLCC-конденсаторами. Это же касается и входных и выходных цепей. Так что, как бы нам не хотелось, без MLCC здесь никак.

На рис. 3 в качестве примера показано напряжение пульсации на выходе понижающего DC/DC-преобразователя при использовании алюминиевого полимерного конденсатора на выходе понижающего DC/DC-преобразователя совместно с керамическим многослойным конденсатором [8]. Комментарии тут, как говорится, излишни.

Сравнение использования алюминиевых электролитических конденсаторов на выходе понижающего DC/DC-преобразователя с керамическим многослойным конденсатором (MLCC)

Рис. 3. Сравнение использования алюминиевых электролитических конденсаторов на выходе понижающего DC/DC-преобразователя с керамическим многослойным конденсатором (MLCC)

Кроме того не забываем, что одним из решений проблемы ЭМС является еще и оптимизация формы импульсов, а именно — уменьшение скорости нарастания. Точно положить фронт нам опять-таки помогут MLCC-конденсаторы, но на этот раз относительно малой емкости.

Основными же преимуществами современных MLCC-конденсаторов являются их высокая удельная емкость, эти конденсаторы доступны в очень небольших форм-факторах и их легко «рассыпать» по печатной плате. Кроме того, они предлагают нам широкий диапазон номинальных емкостей, широкий диапазон рабочих напряжений, стандартный набор и низкие значение эквивалентного последовательного сопротивления ESR (equivalent series resistance) с малой зависимостью от температуры, низкую собственную индуктивность ESL (Equivalent Series Inductance), сверхмалый ток утечки и высокую стабильность ТКЕ (температурный коэффициент емкости) для некоторой части диэлектриков, как правило, для конденсаторов небольшой номинальной емкости, для них же характерно малое отклонение и сдвинутый в область более высоких частот собственный резонанс. Как можно видеть — достоинств много.

Однако в этой бочке меда есть и ложка дегтя. Недостатки — малая механическая прочность и устойчивость к термоудару (при пайке требуют подогрев), высокая зависимость емкости от напряжения смещения, низкий ТКЕ и большое отклонение от номинальной емкости для конденсаторов больших номиналов, для них же сдвинутый в область более низких частот собственный резонанс, пьезоэффект (механические вибрация и удары превращаются в электрический сигнал) (причины и следствия см. [6]).

Взвесив все pro et contra можно сказать, что здесь нужен обдуманный подход, а реализовать его в полной мере помогут преимущества конденсаторов от известных брендов, поскольку в характеристиках их продуктов вы будете иметь уверенность на все 100%. С ними вы сможете принять меры к оптимизации схемных решений, обеспечив заданную надежность, избежав излишнего резервирования и, соответственно, лишних затрат.

Итак, что нам предлагается на рынке? Компании VISHAY и EPCOS предлагают нам широкий выбор многослойных керамических конденсаторов различного исполнения и разного применения.

Что касается компании VISHAY, то производством многослойных керамических конденсаторов MLCC занимается Vishay Vitramon, компания, входящая в состав Vishay с 1994 года. Компания производит конденсаторы для поверхностного монтажа двенадцати стандартных типоразмеров с использованием восьми различных диэлектрических материалов. Диапазон номинальных напряжений конденсаторов: 6,3-3000 В, а максимальная рабочая температура до 175 °C. Нам коммерчески доступны следующие основные варианты исполнения MLCC-конденсаторов [10]:

  1. Vishay Vitramon Chip Capacitor: Конденсаторы серии VJ — это надежная замена конденсаторов для поверхностного монтажа с содержанием свинца. В серии доступны конденсаторы варианта BME для диэлектриков X7R/X5R/Y5V и варианта NME для диэлектрика NP0, а также высокодобротные конденсаторы типоразмера 0402.
  2. High-Q Serie: C0G (NP0) сверхстабильные высокочастотные конденсаторы.
  3. Medical Grade Capacitors: Для имплантируемых сердечно-сосудистых систем.
  4. Automotive Grade Capacitors: Конденсаторы, соответствуют требованиям AEC Q200 для автомобильной электроники.
  5. MIL-PRF‑55681: Соответствует требованиям спецификации Министерства обороны для конденсаторов военного класса.
  6. High-Voltage Series: Для приложений с напряжениями выше 200 В.
  7. С диэлектриком X8R: Стабилизированная емкость с надежным представлением до + 150 °C.
  8. Серия Tip N Ring: Заменяет пленочные конденсаторы высокого напряжения в фильтрах телекоммуникационных линий.
  9. Серия VTOP: Низкопрофильные, толщина менее 0,026″ (0,66 мм).
  10. Серия Low Inductance (с низкой собственной индуктивностью): Имеют индуктивности в половину меньше, чем у стандартных продуктов.
  11. Серия Cer-F: Альтернатива пленочным конденсаторам со стабильным температурным коэффициентом емкости.
  12. Серия устойчивых к воздействиям чип-конденсаторов RuGGred: Усовершенствованный диэлектрик X7R, низкое энергопотребление, более высокое по сравнению со стандартными конденсаторами рабочее напряжение и отличные характеристики стойкости к тепловому удару.
  13. Серия OMD-Cap: Снижает риск короткого замыкания и снижения сопротивления изоляции от трещин на конденсаторах из-за изгиба платы, отличатся высоким напряжением пробоя по сравнению со стандартными конденсаторами.
  14. Серия HVArc Guard: Высоковольтные керамические SMD-конденсаторы большой емкости, разработанные для предотвращения образования поверхностной электрической дуги.

Кроме того, предлагаются исполнения конденсаторов с повышенной надежностью, предназначенные для требующей высокой гарантированной надежности аппаратуры, работающей в жестких условиях окружающей среды. Конденсаторы для требующей высокой гарантированной надежности аппаратуры с терминалами, имеющими покрытие матовым оловом с подслоем Sn/Pb с минимальным содержанием свинца 4% выводами. Конденсаторы устойчивые к механическим нагрузкам с гибкими терминалами. Конденсаторы высокой емкости на основе диэлектриков X5R и X7R (рабочая температура до + 125 °C), предназначенные для замены танталовых электролитических конденсаторов. В сериях доступны конденсаторы сверхмалых форм-факторов для миниатюрной электроники и конденсатор с высокой добротностью. Для некоторых типов аппаратуры интерес будут представлять немагнитные конденсаторы, которые выполняются без содержания никеля [10]. Конденсаторы представлены в серии VJ (Non-Magnetic Series) и доступны с диэлектриками C0G (NP0) с диапазоном емкостей 0,5 пФ … 39 нФ (рабочее напряжение 10–3000 В) и X7R/X5R с диапазоном емкостей 100 пФ … 6,8 мкФ (рабочее напряжение 6,3–3000 В).

Компания EPCOS так предлагает нам очень широкий выбор рассматриваемых конденсаторов. В том числе и MLCC выводного исполнения, что позволяет уменьшить механические напряжения и обеспечить повышенную электрическую прочность изоляции, увеличивая пути токов утечки (рис. 4) [11].

MLCC выводного исполнения компании EPCOS позволяют уменьшить механические напряжения на конденсаторе и обеспечивают повышенную электрическую прочность изоляции

Рис. 4. MLCC выводного исполнения компании EPCOS позволяют уменьшить механические напряжения на конденсаторе и обеспечивают повышенную электрическую прочность изоляции

В настоящее время от EPCOS коммерчески доступны следующие основные серии MLCC конденсаторов [12]:

  1. Для автомобильной промышленности:
    • Серия CGA— конденсаторы с номинальным напряжением до 75 В.
    • Серия CGA— конденсаторы с номинальным напряжением 100-630 В.
    • Серия CGA— конденсаторы с номинальным напряжением 1000 В и выше.
    • Серия CGA— конденсаторы с диапазоном рабочих температур до 150 °C.
    • Серия CKG— конденсаторы с двумя L‑образными направляющими.
    • Серия CGA— конденсаторы с мягкими терминалами.
    • Серия CNA— конденсаторы с мягкими терминалами и низким ESR, которое было достигнуто благодаря тому, что ток может проходить через слои с низким сопротивлением, токопроводящей смолой покрыты только места пайки.
    • Серия CEU— конденсаторы с двумя последовательно соединенными конденсаторами в одном керамическом корпусе и с полимерными терминалами.
    • Серия CGA— конденсаторы для монтажа с помощью токопроводящего клея.
    • Серия CGA— конденсаторы с терминалами по широкой стороне для снижения ESL.
    • Серия CGA3EA— конденсаторы для защиты от электростатических разрядов в соответствии с IEC 61000–4-2 (Уровень 4).
  1.  Для коммерческого применения:
    • Серия C— конденсаторы с номинальным рабочим напряжением до 75 В.
    • Серия C — конденсаторы с номинальным рабочим напряжением 100-630 В.
    • Серия C— конденсаторы с номинальным рабочим напряжением 1000 В и выше.
    • Серия CGB— конденсаторы толщиной менее 0,22 мм.
    • Серия C — конденсаторы с диапазоном рабочих температур до 150 °C.
    • Серия CKG— конденсаторы двумя L-образными направляющими.
    • Серия CA— конденсаторы с низким профилем, низким ESR и высокой емкостью, благодаря структуре Inline (в линию), в которой MLCC-конденсаторы укладываются рядом друг с другом и оптимизируют заполнение металлического каркаса.
    • Серия C — конденсаторы с мягкими терминалами и низким ESR, которое было достигнуто благодаря тому, что ток может проходить через слои с низким сопротивлением, токопроводящей смолой покрыты только места пайки.
    • Серия C— конденсаторы с уникальным дизайном для уменьшения отказов по причине коротких замыканий.
    • Серия C— конденсаторы с терминалами по широкой стороне для снижения ESL.
    • Серия CLL— конденсаторы с несколькими терминалами и уникальным внутренним дизайном для снижения ESL.

Кроме того, доступны две серии конденсаторов CGJ с повышенной надежностью — конденсаторы с номинальным рабочим напряжением до 50 В и с номинальным рабочим напряжением 100-630 В.

Данная статья не имела целью подробно и в деталях расписать особенности и преимущества каждой серии многослойных керамических конденсаторов таких гигантов индустрии, как компании VISHAY и EPCOS, но, на что автор статьи очень надеется, она будет полезным гидом по их выбору. Применение качественных конденсаторов гарантирует надежность конечного продукта и вписывается в парадигму — лучше меньше (по количеству) да лучше (по качеству), избавляя разработчиков устанавливать лишние MLCC-конденсаторы с целью их резервирования.

И напоследок хочется отметить, поскольку одной из основных областей применения данной продукции так или иначе является решение проблем электромагнитных помех и выполнения требований в части электромагнитной совместимости, то читателям будет весьма целесообразно обратить свое внимание на серию статей, посвященную этой проблеме [13], поскольку она имеет исключительно и только комплексное решение.

Литература
  1. Рентюк В. RoHS-директива: защита экологии или рынков? // Технологии в электронной промышленности, № 5’2013.
  2. Richardson Christopher. ANP038 «Selecting and Combining Capacitor Types for High Ripple Switching Converter Input and Output Rails», Wurth Elektronik.
  3. Рентюк В. Электролитические конденсаторы: традиционные или полимерные, вот в чем вопрос. // Компоненты и технологии, № 9’2017.
  4. Фрэнк Пухане (Frank Puhane), перевод Владимир Рентюк. Алюминиевые конденсаторы: электролитический или полимерный? Полноценная реализация их преимуществ. Компоненты итехнологии, № 8’2018.
  5. Richard Wilson. Capacitor reliability can be improved with the right materials.
  6. MLCC solutions for suppressing acoustic noise in the battery lines of laptop computers.
  7.  Скрипников А. Керамические конденсаторы: выход из танталового кризиса//Компоненты и технологии № 6’2001.
  8. Guide to Replacing an Electrolytic Capacitor with an MLCC.
  9. Dennis  Zogbi. MLCC Shortages Are Creating Challenges In Multiple End-Markets in 2018.
  10. Surface-Mount Multilayer Ceramic Chip Capacitors for Non-Magnetic Applications.
  11. Solution Guides.
  12. Multilayer Ceramic Chip Capacitors.
  13. Рентюк В. Рентюк В. Электромагнитная совместимость: проблема, от решения которой не уйти//Компоненты и технологии. 2017. № 7.

Керамические конденсаторы, теория и примеры

Определение и общие сведения о керамических конденсаторах

В настоящее время существует широкий выбор разных типов конденсаторов. Каждый из этих типов имеет свои преимущества и недостатки. Некоторые из них имеют большую емкость, другие работают при высоких напряжениях, третьи имеют малый ток утечки, четвертые обладают небольшой индуктивностью. Преимущества того или иного типа конденсатора определяет их области использования.

Когда говорят о керамике в конденсаторах, то имеют в виду материалы, которые имеют структуру схожую с обожженной глиной, однако глины в таких материалах нет или ее крайне мало. В керамических конденсаторах диэлектриком в настоящее время часто является высококачественная керамика: ультрафарфор, тиконд, ультрастеатит и др. Обкладкой служит слой серебра, нанесенный на поверхность.

Керамические конденсаторы стали обычным элементом для почти любой электронной схемы. Их используют там, где необходимо работать с сигналами изменяющейся полярности, важны частотные характеристики, небольшие потери при утечке, малые размеры и невысокая стоимость.

Керамические конденсаторы делят на конденсаторы с постоянной емкостью и подстроечные.

Большую группу конденсаторов составляют керамические конденсаторы с сегнетоэлектриком в качестве диэлектрика, который имеет высокую диэлектрическую проницаемость. Дисковые сегнетоэлектрические керамические конденсаторы изготавливают в виде круглых керамических пластинок, имеющих обкладки из тонкого слоя серебра. Имеются керамические трубчатые конденсаторы, которые представляют собой трубку с тонкими стенками, поверхности которой покрывают слоем серебра.

Керамические конденсаторы используют в разделительных цепях усилителей высокой частоты. Керамические конденсаторы устойчивые к перепадам температуры применяют в контурах генераторов.

Подстроечные керамические конденсаторы служат для подстройки колебательных контуров. Такой конденсатор имеет в составе основание (статор) из керамики и керамический ротор (подвижный диск). Ротор при помощи оси прикрепляется к статору и может вращаться. Обкладки из серебра имеют форму секторов, их наносят и на статор и на ротор. Емкость такого конденсатора изменяется при вращении обкладок. Существуют керамические подстроечные конденсаторы и в виде трубки. Одна из обкладок трубчатого построечного конденсатора — это стационарный металлический стержень с винтовой нарезкой, который наносят на внутреннюю поверхность трубки. Емкость такого конденсатора изменяют за счет ввода (вывода) стержня из трубки при помощи отвертки.

Долгое время керамические конденсаторы были приборами с малой емкостью из-за проблем технологии производства.

Керамические конденсаторы могут короткое время выдерживать перегрузки по напряжению, которые во много раз превышают номинальное рабочее напряжение.

К недостаткам керамических конденсаторов относят: сильную зависимость диэлектрической проницаемости (соответственно емкости) от температуры и разности потенциалов на обкладках. В настоящее время существуют керамические конденсаторы с диэлектриком (X7R), который позволяет работать элементу в диапазоне температур от -55oС до 125oС, но такой конденсатор является довольно дорогостоящим на сегодняшний момент.

Керамические однослойные конденсаторы

Керамические однослойные конденсаторы встречаются обычно в виде дисков. Они имеют относительно большую емкость при малых размерах. Она составляет от 1пФ до 220 нФ. Максимальное рабочее напряжение обычно составляет не более 50 В . Такие конденсаторы имеют малый ток утечки и низкую индуктивность, могут работать при высокой частоте и имеют большую стабильность емкости при повышении температуры. Данные конденсаторы можно применять в цепях постоянного, переменного и импульсного тока.

Керамические многослойные конденсаторы

Электрическая емкость плоского конденсатора, который содержит N слоев диэлектрика толщина каждого , соответствующая диэлектрическая проницаемость i-го слоя , равна:

   

где S – площадь активной части одного электрода. Из выражения (1) следует, что ёмкость многослойного конденсатора можно увеличивать, если уменьшать толщину слоев диэлектрика (керамических пластин), увеличивая число слоев, диэлектрическую проницаемость керамики, активную площадь. Можно создавать конденсаторы с несколькими выводами. При этом следует учесть, что уменьшение единичного слоя диэлектрика ведет к барьера напряжения для пробоя. Увеличение активной площади неизбежно ведет к росту габаритов конденсатора. Кроме того, увеличение диэлектрической проницаемости керамики ухудшает температурную стабильность и вызывает существенную зависимость емкости конденсатора от напряжения.

Многослойные керамические конденсаторы используют для поверхностного монтажа в схемах для подавления пульсаций, деления электрического сигнала на постоянную и переменную компоненты.

Для создания малых многослойных конденсаторов применяют керамику на основе и .

Примеры решения задач

Многослойные, керамические: MLCC-конденсаторы Samsung

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

“Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники”

кафедра ЭВС

РЕФЕРАТ

На тему:

«Высокочастотные и низкочастотные конденсаторы

постоянной ёмкости. Полупеременные конденсаторы медицинской электроники »

МИНСК, 2008

Высокочастотные конденсаторы (керамические, слюдяные, стеклоэмалевые, стеклокерамические и стеклянные) имеют малую паразитную индуктивность и незначительные потери в диэлектрике, обладают высокими стабильностью (10 1/°С) и точностью (до ±2%), достаточной температуростойкостью, малыми габаритами и массой.

Высокочастотные конденсаторы применяют в схемах генераторов и усилителей сверхвысокой, высокой и промежуточной частот. Наиболее точные и стабильные высокочастотные конденсаторы используют как контурные, а остальные – в качестве разделительных, фильтровых и термокомпенсирующих в высокочастотных цепях. Номинальная ёмкость некоторых из них может быть до 1мкФ, поэтому их используют как разделительные и даже фильтровые по высокой и низкой частоте (например, КМ, КЛГ, КЛС).

Рис. 1. Высокочастотные конденсаторы

а – КЛГ, б – КМ-6, в – КД-2Е, г – КТ-1, д – КТП (вариант «б»),

е – К10-17 (варианты «а» и «в»), ж – К10-60, з – К15-5, и – КСОТ, к – К22-4

Керамические литые герметизированные и секционированные конденсаторы КЛГ и КЛС имеют значительную ёмкость и сравнительно малые габариты 4´5´(4¸10) мм. Конденсаторы, изготовляемые из термостабильной керамики, имеют, как правило, малую емкость и жесткие допуски ( ±2%; ±5%), а из сегнетокерамики – менее стабильны и точны (от –20 до +80%), но обладают наибольшей емкостью.

Керамические малогабаритные пакетные конденсаторы КМ-6 (монолитные) обладают повышенной удельной емкостью вследствие малой толщины пластинок (0,2 мм), спрессованных в пакет, или применения керамики, обладающей высокой диэлектрической постоянной (тиконд-150, сегнетокерамика).

Дисковые керамические конденсаторы КДУ и КДО используются в качестве контурных, разделительных и фильтровых (опорных) в высокочастотных цепях аппаратуры. Конденсаторы КДУ, имеющие короткие утолщенные ленточные выводы, припаянные параллельно или перпендикулярно обкладкам диска (диаметром 8,5 – 16,5 мм и толщиной 2 – 5 мм), обладают малой собственной индуктивностью и могут применяться на частоте до 500 МГц. Конденсаторы КДО (фильтровые) имеют металлический фланец с резьбовой втулкой, на котором закреплен диск диэлектрика. Плюсовой вывод выполнен в виде ленточного лепестка, а минусовой – в виде резьбовой втулки, с помощью которой конденсатор ввинчивают в металлическое основание. Конденсаторы КД-2Е (дисковые повышенной надежности) используются как контурные и имеют диаметр 6 –10 мм при толщине 7 мм.

Керамические трубчатые конденсаторы КТ, КТ-1Е и КТ-2Е, обладающие высокой точностью, стабильностью и надежностью, чаще используются как контурные, имеют размеры (3,5¸7)´(10¸50) мм и радиальные гибкие проволочные выводы.

Конденсаторы КТ-1Е и КТ-2Е (повышенной надежности) похожи по конструкции на резисторы ОМЛТ (на трубки надеты колпачки с проволочными аксиальными выводами).

Керамические трубчатые проходные КТП и опорные КО конденсаторы, используемые в качестве фильтровых при напряжении до 750 В, ввинчиваются в шасси аппаратуры металлическими резьбовыми фланцами.

Керамические высоковольтные импульсные конденсаторы КВИ, используемые в цепях напряжением от 5 до 15 кВ, при обычной цилиндрической форме имеют гибкие проволочные аксиальные выводы, а выполненные в виде укороченного плоского цилиндра – резьбовые втулки, прессованные в торцы. Эти конденсаторы применяют в высоковольтных выпрямителях телевизионных приемников.

Керамические миниатюрные конденсаторы К10 предназначены в качестве компонентов микросхем и микросборок.

Конденсаторы К10-17 превосходят по удельной емкости в 2-3 раза конденсаторы КМ-6 К10-9 и выпускаются трех исполнений: в опрессованных и компаундированных оболочках с гибкими проволочными выводами (для РЭА, работающей в тропических условиях) и с металлизированными выводами –площадками (для микросхем). Размеры конденсаторов первых двух исполнений от 6,6´4,5´5,5 до 8,2´6,6´5,5 мм, а третьего – от 1,7´1,2´1 до 5,9´4,3´1,8 мм.

Конденсаторы К10-22 имеют диаметр от 1,7 до 6,7 мм и толщину не боле 0,3 мм.

Конденсаторы К10-23 по конструкции аналогичны первому варианту исполнения конденсаторов К10-17, имеют размеры 9´4,5´6,5 мм и применяются в условиях тропического климата.

Конденсаторы К10-27, изготовленные в виде монолитной керамической пластины прямоугольной формы с размерами сторон (4¸8) ´(4¸6,5) мм при толщине 1 – 1,2 мм. Так как эти конденсаторы выполнены из двух, трех или пяти секций, они соответственно имеют по три, четыре и шесть выводов.

Конденсаторы К10-42 (незащищенные для СВЧ техники), предназначенные для работы на частоте до 2 ГГц, имеют торцевые луженые или серебреные контакты; их размеры 1,5´(1,3¸1,4)´(1¸1,2) мм.

Конденсаторы К10-50 выпускаются в двух вариантах – «а» и «б». Для варианта «а» длина составляет от 6,8 до 8,4 мм, высота 5,6 мм; ширина от 4,6 до 6,7 мм при массе от 0,5 до 0,8 г.

Керамические конденсаторы

Для варианта «б» длина составляет от 1,5 до 5,5 мм, высота от 1,2 до 4,4 мм при массе от 0,1 до 0,6 г.

Слюдяные опрессованные конденсаторы КСОТ и К31У-3Е нескольких типоразмеров отличаются габаритами, массой, выводами (проволочные, ленточные, резьбовые) и используются как контурные и разделительные в высокочастотных цепях. Эти конденсаторы имеют четыре группы стабильности, обозначаемые на корпусе буквами А, Б, В, и Г. наиболее стабильны конденсаторы группы Г (с металлизированными обкладками), поскольку их ТКЕ определяют в основном КТР диэлектрика (слюда), а не фольги, который значительно больше. Конденсаторы пропитываю церезином и опрессовывают термоактивной пластмассой.

Стеклянные конденсаторы К21-7 предназначены для работы в высокочастотных, а также импульсных устройствах, выпускаются тропического исполнения прямоугольной формы с размерами (7,5¸11)´(3¸3,5)´(9,5¸11,5) мм и предназначены для установки на печатные платы.

Стеклокерамические конденсаторы К22-4 применяют в герметизированных микросхемах вместо конденсаторов К10-9 и К10-17, стоимость которых выше. Размеры этих конденсаторов (2,7¸6,1)´(2,8¸6,8)´2,1 мм.

Низкочастотные конденсаторы постоянной емкости

В цепях постоянного, пульсирующего и переменного токов низкой частоты в качестве фильтровых, блокировочных и разделительных применяют конденсаторы большой номинальной емкости. Такими конденсаторами являются бумажные, металлобумажные, пленочные и в большей части электролитические, а также оксидно-полупроводниковые.

Бумажные, металлобумажные и пленочные конденсаторы чаще всего применяют как разделительные и блокировочные, пленочные малой емкости – как контурные, а бумажные большой емкости – как фильтровые низкой частоты.

Основные конструкции бумажных, металлобумажных и пленочных конденсаторов приведены на рис. 2, а – е.

Бумажные конденсаторы обладают повышенной удельной емкостью вследствие малой толщины диэлектрика (до 5 мкм), достаточно температуростойки и дешевы в изготовлении.

Металлобумажные конденсаторы имеют еще более высокую удельную емкость, поскольку их изготавливают из металлизированной бумаги с весьма тонким (до 1 мкм) слоем металлизации. После пробоя благодаря выгоранию слоя металлизации вокруг канала пробоя (обуглившегося столбика бумаги) они самовосстанавливаются, т.е. исчезает короткое замыкание обкладок.

Основными недостатками бумажных и металлобумажных конденсаторов являются большие потери и невысокая стабильность. Кроме того, практически все эти конденсаторы требую пропитки и герметизации корпуса. Электрическая прочность металлобумажных конденсаторов в процессе старения снижается и, кроме того, они имеют низкое сопротивление изоляции (за счет миграции ионов слоя металлизации в бумагу), что необходимо учитывать при расчете разделительных цепей каскадов усилителей.

Рис. 2. Бумажные, металлобумажные и пленочные конденсаторы:

а К42П-5, б – К71-5, в – К71-7, г К73-16, д – К75-24, е – К77-2б

Конденсаторы К40У-9 (в герметизированном металлическом корпусе) цилиндрической формы, с аксиальными выводами используются как блокировочные и разделительные. Предшественниками их являлись конденсаторы К40П-2 (малогабаритные в пластмассовой опрессовке), которые и сейчас могут применяться в РЭА широкого назначения.

Конденсаторы К42П-5 (цилиндрические с герметичными торцами) предназначены для малогабаритной аппаратуры, эксплуатируемой в сравнительно легких условиях.

При крайних значениях температур отклонение емкости бумажных и металлобумажных конденсаторов от номинальной не превышает ±15%.

В пленочных конденсаторах многих типов в качестве диэлектрика используются неполярные пленки из полистирола и фторопласта-4, а также полярные из лавсана (полиэтилентерефталата) и фторопласта-3. Толщина пленки обычно составляет 20-30 мкм, а лака – от 2 до 3 мкм. Обкладки этих конденсаторов выполняют из фольги или напыляют на диэлектрик.

Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы обладают большими удельными емкостью и энергией. Недостатками этих конденсаторов являются нестабильность параметров, зависимость от низких температур, ограниченный диапазон частот (постоянный и пульсирующий низкочастотный токи), униполярность для некоторых типов (способность конденсатора работать только при приложении определенной фазы напряжения). Поэтому их применяют как фильтровые, реже – как блокировочные и в зависимости от материала диэлектрика подразделяют на электролитические алюминиевые, танталовые, ниобиевые и оксидно-полупроводниковые. В качестве электролитов в электролитических конденсаторах используют концентрированные растворы кислот и щелочей. В оксидно-полупроводниковых конденсаторах вместо электролита применяют твердый полупроводник – оксид марганца MnO2

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *