Керамические конденсаторы какие лучше: Пленочные чип конденсаторы vs керамические конденсаторы

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:

 

Как выбрать конденсатор?

Во время работы над разделом о конденсаторах я подумал, что было бы полезно объяснить, почему один тип конденсаторов может быть заменен другим. Это важный вопрос, так как существует множество факторов (температурные характеристики, тип корпуса и так далее), которые делают тот или иной тип конденсаторов (электролитический, керамический и пр.) наиболее предпочтительным для вашего проекта.

В статье будут рассмотрены популярные типы конденсаторов, их достоинства и особенности, а также области применения. В каждом разделе помещены ссылки на результаты поисковых запросов для некоторых серий наиболее популярных конденсаторов из каталога компании Терраэлектроника.

Например, результат поиска для DIP конденсаторов  c рабочим напряжением 450 В серии HP3 производства компании Hitachi с емкостью 56…680 мкФ приведен на Рис.1.

Рис. 1. Результат поискового запроса для  имеющихся на складе конденсаторов серии HP3 с рабочим напряжением 450 В от Hitachi  с емкостью в диапазоне  56…560 мкФ

Конденсаторы (Рис. 2) представляют собой двухвыводные компоненты, используемые для фильтрации, хранения энергии, подавления импульсов напряжения и других задач. В самом простом случае они состоят из двух параллельных пластин, разделенных изоляционным материалом, называемым диэлектриком.

Рис. 2. Конденсаторы различных типов

Конденсаторы хранят электрический заряд. Единицей емкости является Фарад (Ф). Это название было дано в честь Майкла Фарадея, который в свое время стал пионером в области практического использования конденсаторов.

Конденсаторы могут быть полярными и неполярными. К полярным относятся почти все электролитические и танталовые конденсаторы. Они должны подключаться с учетом полярности напряжения. Если перепутать выводы «-» и «+», то это приведет к короткому замыканию. К неполярным относятся керамические, слюдяные и пленочные конденсаторы. Они могут работать при любой полярности приложенного напряжения, что делает их подходящими для применения в цепях переменного тока.

Несмотря на широкое распространение конденсаторов, выбор конкретной модели бывает достаточно сложным. Вы можете знать емкость и рабочее напряжение, которые требуются в вашем проекте, но у конденсаторов есть и множество других характеристик, таких как полярность, температурный коэффициент, стабильность, последовательное эквивалентное сопротивление (ESR) и так далее. Это делает каждый конкретный тип конденсаторов пригодным для конкретного приложения. Ниже перечислены наиболее популярные типы конденсаторов с кратким описанием их достоинств и особенностей.

Типы конденсаторов

Существует несколько типов конденсаторов, которые отличаются электрическими характеристиками и стоимостью. Ниже приведено описание наиболее популярных типов конденсаторов: алюминиевых электролитических, керамических, танталовых, пленочных, слюдяных и полимерных (твердотельных). Кроме того, для каждого типа представлены наиболее подходящие приложения, а также информация о корпусных исполнениях и примеры конкретных серий.

Рис. 3. Алюминиевый электролитический конденсатор

Описание: алюминиевые электролитические конденсаторы (Рис. 3) являются полярными, поэтому их нельзя использовать в цепях переменного напряжения. Они могут иметь высокую номинальную емкость, но отклонение от номинала обычно составляет до 20%.

Приложения: алюминиевые электролитические конденсаторы оптимальны для приложений, которые не требуют высокой точности и работы с переменными напряжениями. Чаще всего они применяются в качестве развязывающих конденсаторов в источниках питания, то есть для уменьшения пульсаций напряжения. Они также широко используются в импульсных DC/DC-преобразователях напряжения.

Корпусное исполнение: как для монтажа в отверстия, так и для поверхностного монтажа.

Примеры:

Для монтажа в отверстия:

• 25 В серия TKR производства Jamicon с диапазоном доступных емкостей 10…5000 мкФ.
• 50 В серия ECA-1HM  от Panasonic с диапазоном доступных емкостей 4.7…3300 мкФ.
• 450 В серия HP32 от Hitachi AIC с диапазоном доступных емкостей 56…1000 мкФ.

Для поверхностного монтажа:

• 16 В серия EEE-FK от Panasonic с диапазоном доступных емкостей 10…4700 мкФ.
• 50 В серия CA050 от Yageo с диапазоном доступных емкостей 0,22…220 мкФ.

Рис.4. Керамические конденсаторы

Описание: существует два основных типа керамических конденсаторов (Рис. 4): многослойные чип-конденсаторы (MLCC) и керамические дисковые. MLCC пользуются большой популярностью и широко применяются в электронных устройствах, поскольку обладают высокой стабильностью и малым уровнем потерь. Они отличаются низким последовательным сопротивлением (ESR) и минимальной погрешностью номинала по сравнению с электролитическими или танталовыми конденсаторами. Вместе с тем их максимальная емкость невелика и достигает всего нескольких десятков мкФ. Из-за высокой удельной емкости MLCC имеют очень малые габариты и отлично подходят для размещения на печатных платах.

Приложения: поскольку керамические конденсаторы являются неполярными, то их можно применять в цепях переменного тока. Они широко используются в качестве «универсальных» конденсаторов, например, для высокочастотной развязки, фильтрации, подстройки резонаторов и подавления электромагнитных помех. Как MLCC, так и керамические дисковые конденсаторы подразделяются на два класса:

Керамические конденсаторы I класса – точные (+/- 5%) и стабильные конденсаторы с минимальной зависимостью емкости от температуры. Конденсаторы NP0/C0G отличаются минимальным температурным коэффициентом 30 ppm/K. К сожалению, их максимальная емкость ограничена несколькими нанофарадами (нФ). Поскольку они очень стабильны и точны, то их чаще всего используют в системах с частотным регулированием, например, в резонансных схемах для радиочастотных приложений.

Керамические конденсаторы II класса менее точны, но обеспечивают более высокую удельную емкость (номинальные значения — до десятков мкФ) и, следовательно, подходят для фильтрации и развязки. Среди их недостатков можно отметить большой коэффициент напряжения. Например, даже при приложении напряжения, равного половине рабочего, обычно наблюдается снижение емкости на 50%.

• X5R может работать в диапазоне — 55…85°C с изменением емкости +/- 15%;
• X7R может работать в диапазоне — 55…125°C с изменением емкости +/- 15%;
• Y5V — в диапазоне от — 30…+ 85°C с изменением емкости -20/ +80%.

Корпусные исполнения: наиболее распространены корпуса для поверхностного монтажа 0201, 0402, 0603, 0805, 1206 и 1812. Цифры обозначают габаритные размеры в дюймовой системе. Например, 0402 составляет 0,04х0,02″, 0603 — 0,06х0,03″ и так далее.

Примеры:

Тип NP0/C0G:

• 0402 — серия CC0402JRNPO9 производства компании Yageo с диапазоном доступных емкостей 0,01…1 нФ;
• 0603 — серия CC0603JRNPO9 от Yageo с диапазоном доступных емкостей 0,008…2,7 нФ.

Тип X7R:

• 0402 — серия CC0402KRX7R9BB от Yageo с диапазоном доступных емкостей 0,1…10 нФ;
• 0603 — серия CC0603KRX7R7BB от Yageo с диапазоном доступных емкостей 0,1…1 мкФ;
• 1206 — серия GRM31 от Murata с диапазоном доступных емкостей 470 пф…22 мкФ;
• 0805 — серия CL21 от Samsung с диапазоном доступных емкостей 150 пф…10 мкФ.

Для монтажа в отверстия:

• Серия C315C производства компании Kemet с диапазоном доступных емкостей 1 пФ …1 мкФ.

Танталовые конденсаторы

Рис. 5. Танталовые конденсаторы

Описание: танталовые конденсаторы (Рис. 5) – это подтип электролитических конденсаторов с высоким уровнем поляризации. При их использовании необходимо проявлять осторожность, поскольку они имеют склонность к катастрофическим отказам даже при воздействии импульсов напряжения с амплитудой, лишь немного превышающей номинальное рабочее напряжение. Танталовые конденсаторы могут иметь высокую номинальную емкость и отличаются высокой временной стабильностью. Они меньше по размеру, чем алюминиевые электролитические конденсаторы той же емкости. Но алюминиевые электролиты могут выдерживать более высокие максимальные напряжения.

Приложения: из-за малого тока утечки, стабильности и высокой емкости танталовые конденсаторы часто используются в схемах выборки-хранения, в которых требуется обеспечивать минимальный ток утечки для продолжительного хранения заряда. Также, благодаря малым размерам и долговременной стабильности, они применяются для фильтрации по цепям питания.

Корпусные исполнения: танталовые конденсаторы выпускаются как для монтажа в отверстия, так и для поверхностного монтажа (SMD). Тем не менее, чаще всего используются именно SMD-компоненты. В дюймовой системе типоразмер А соответствует размеру 1206 (0,12х0,06″), типоразмер В соответствует размеру 1210, типоразмер C соответствует размеру 2312, типоразмер D — размеру 2917.

Примеры:

• Типоразмер A: серия TAJA от AVX с диапазоном доступных емкостей 1…10 мкФ;
• Типоразмер B: серия TAJB от AVX с диапазоном доступных емкостей 10…47 мкФ;
• Типоразмер C: серия TAJC от AVX с диапазоном доступных емкостей 47…220 мкФ;
• Типоразмер D: серия TAJD от AVX с диапазоном доступных емкостей 220…680 мкФ;
• Типоразмер A-E: серия 293D компании Vishay с диапазоном доступных емкостей 0,1…1000 мкФ;
• Типоразмер A-X: серии T491 компании Vishay с диапазоном доступных емкостей 0,1…1000 мкФ.

Пленочные конденсаторы

Рис. 6. Пленочные конденсаторы

Описание: пленочные конденсаторы (Рис. 6) являются неполярными, что позволяет использовать их в цепях переменного напряжения. Они отличаются малыми значениями эквивалентного сопротивления (ESR) и последовательной индуктивности (ESL).

Приложения: пленочные конденсаторы часто применяются в схемах с аналого-цифровыми преобразователями. Кроме того, они способны работать с высоким пиковым током и, таким образом, могут применяться в снабберных цепочках для фильтрации индуктивных выбросов напряжения в DC/DC-преобразователях.

Примеры:

• серия B32021 производства компании EPCOS с диапазоном доступных емкостей 1 нФ…10 нФ и рабочим напряжением 300В AC.
• серия ECHU от Panasonic c диапазоном доступных емкостей 0,1 нФ…220 нФ и рабочим напряжением 16 В и 50 В DC.

Слюдяные конденсаторы

Рис. 7. Слюдяной конденсатор

Описание: слюдяные конденсаторы (Рис. 7) являются неполярными, отличаются малой величиной потерь, высокой стабильностью и обладают отличными характеристиками на высоких частотах.

Приложения: эффективны при работе в составе радиочастотных схем. Они могут стоить несколько долларов за штуку, поэтому в маломощных приложениях чаще используют керамические конденсаторы. Однако слюдяные конденсаторы благодаря высокому напряжению пробоя остаются практически незаменимыми для таких приложений, как  радиопередатчики высокой мощности.

Примеры:

• серия CD производства CDE с диапазоном доступных емкостей 0,001…47 нФ (монтаж в отверстия) рабочим напряжением до 500 В .

Полимерные (твердотельные) конденсаторы

Рис. 8. Полимерные (твердотельные) конденсаторы

Описание: твердотельные конденсаторы являются полярными, так же как и другие электролитические конденсаторы, но имеют ряд преимуществ, например, меньшие потери благодаря низкому последовательному сопротивлению ESR и длительный срок службы. Для обычных алюминиевых электролитов существует риск высыхания электролита при низких температурах, но твердотельные конденсаторы благодаря применению твердого полимерного диэлектрика обладают высокой надежностью даже при очень низких температурах.

Приложения: используются вместо электролитов в высококачественных материнских платах и DC/DC-преобразователях.

Примеры:

• серия OS-CON производства Panasonic с диапазоном доступных емкостей 3,3…2700 мкФ. 

• серия SP-Cap производства Panasonic с диапазоном доступных емкостей 10…560 мкФ в SMD исполнении. 

• серия ECAS производства компании Murata с диапазоном доступных емкостей 10…150 мкФ.

Конденсаторные сборки

Описание: конденсаторная сборка (capacitor array)  — это группа конденсаторов, конструктивно объединенных в одном корпусе, причем любой из конденсаторов может быть отдельно от остальных подключен к внешней цепи. Существует много различных типов сборок, которые отличаются количеством конденсаторов, типом диэлектрика, величиной отклонения емкости конденсатора от номинального значения, максимальным рабочим напряжением, типом корпуса и др.

Приложения: конденсаторные сборки широко применяются в мобильной и носимой аппаратуре, в материнских платах компьютеров и цифровых приставках, в радиочастотных модемах и усилителях, в автомобильных и медицинских приложениях и т.д.

Корпусные исполнения: конденсаторные сборки выпускаются как в DIP корпусах, так и в SMD исполнении. Наиболее популярные типоразмеры сборок для поверхностного монтажа 0508, 0612, 0805 представлены в нашем каталоге.

Примеры:

• Серия CA конденсаторных сборок общего назначения от компании Yageo типоразмера 0612 с диапазоном доступных емкостей от 22 пФ до 100 нФ.

Подобрать необходимый конденсатор в каталоге Терраэлектроники можно двумя способами:

1. использовать параметрический поиск в соответствующем разделе каталога, для чего необходимо зайти в раздел конденсаторов, выбрать соответствующий задаче тип конденсатора, а далее заполнить ряд фильтров с параметрами. Фрагмент скриншота поиска MLCC конденсатора с параметрами: номиналом 1 нФ, точностью 10 %, диэлектриком X7R, напряжением  250 В и корпусом 0805 представлен на Рис. 9.
2. воспользоваться интеллектуальным поиском конденсатора по параметрам. Для этого достаточно скопировать строку из спецификации “Конденсатор 1 нФ, X7R, 10%, 250 В, 0805″ или ввести «1n X7R 10% 250V 0805» в строку поиска и получить тот же самый  список подходящих по указанным параметрам компонентов.

Рис. 9. Фрагмент скриншота сервиса поиска конденсатора

Заключение

В данном руководстве были рассмотрены некоторые наиболее популярные типы конденсаторов. Кроме них существуют суперконденсаторы, кремниевые конденсаторы, оксид-ниобиевые и подстрочные конденсаторы, которые обладают уникальными преимуществами по величине емкости, уровню надежности или возможности подстройки. Однако в большинстве электронных схем вы чаще всего увидите один из шести рассмотренных выше типов конденсаторов.
 

Автор: Санкет Гупта Перевод: Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Разделы: Конденсаторы керамические, Пленочные конденсаторы

Опубликовано: 15.03.2018

MLCC, X7R, C0G, Y5V, NP0… » Примечания по электронике

Ознакомьтесь с характеристиками керамических конденсаторов различных типов: C0G, X7R, Z5U и Y5V, MLCC для поверхностного монтажа и устройств с выводами.

---

Учебное пособие по конденсаторам Включает:
Использование конденсаторов Типы конденсаторов Электролитический конденсатор Керамический конденсатор Танталовый конденсатор Пленочные конденсаторы Серебряный слюдяной конденсатор Суперконденсатор Конденсаторы для поверхностного монтажа Технические характеристики и параметры Как купить конденсаторы — советы и подсказки Коды и маркировка конденсаторов Таблица преобразования

---

Керамический конденсатор получил свое название из-за того, что в качестве диэлектрика в нем используются керамические материалы.

В семействе керамических конденсаторов используется много форм керамического диэлектрика: распространенные типы включают C0G, NP0, X7R, Y5V, Z5U, хотя их гораздо больше.

Хотя керамические конденсаторы в течение многих лет использовались в качестве электронных компонентов с выводами в очень многих электронных схемах, именно в качестве конденсаторов для поверхностного монтажа, SMT, где их свойства позволяют достичь очень малых размеров конденсаторов, сохраняя при этом высокие уровни производительности и емкости. .

Выбор освинцованных керамических конденсаторов

В результате бесчисленные миллиарды этих керамических конденсаторов, известных как MLCC, используются каждый год во всех видах электронного оборудования, поскольку их очень легко размещать на печатных платах.

Благодаря своим свойствам, включая производительность на всех частотах, включая радиочастоты, доступные диапазоны емкости, емкость для заданного объема, устойчивость и стабильность для некоторых форм диэлектрика, это одна из самых популярных форм доступных конденсаторов.

В то время как танталовые конденсаторы и электролитические конденсаторы используются для более высоких значений емкости свыше 1 мкФ, керамические конденсаторы доминируют на рынке для значений емкости менее 1 мкФ.

Керамические конденсаторы

, как в виде устройств с выводами, так и в виде конденсаторов для поверхностного монтажа, доступны для номиналов от нескольких пикофарад до значений чуть ниже 1 мкФ. Однако чаще всего они используются в качестве компонентов для поверхностного монтажа.

Основы керамического конденсатора

Керамический диэлектрик, используемый в этих электронных компонентах, обладает многими полезными свойствами, включая низкий коэффициент потерь и приемлемый уровень стабильности, но это зависит от конкретного типа используемой керамики.

Используемая керамическая технология развивалась в течение многих лет, и это привело к тому, что сегодня можно достичь гораздо более высоких уровней емкости и производительности, чем это было возможно ранее.

Как следует из названия, керамические конденсаторы основаны на керамических диэлектриках. Керамика, используемая в керамических конденсаторах, представляет собой смесь тонко измельченных гранул параэлектрических или сегнетоэлектрических материалов. Их смешивают с другими материалами для достижения желаемых характеристик.

Керамика спекается при высоких температурах. Сформированная таким образом керамика образует электрическую и механическую основу конденсаторов.

Толщина керамических слоев в конденсаторах часто очень мала, но зависит от материала и требуемого рабочего напряжения.

Например, для низковольтных конденсаторов керамический диэлектрический слой может быть толщиной всего 5 мкм, но это часто ограничивается размером зерна керамического материала.

Есть несколько типов керамических конденсаторов, которые можно получить:

• Дисковый керамический конденсатор: Дисковый керамический конденсатор чаще всего используется в качестве конденсатора с выводами. Как видно из названия, он имеет форму диска с двумя выводами, выходящими из нижней части корпуса.

  Весь конденсатор покрыт смолой для обеспечения физической защиты и предотвращения проникновения влаги и других загрязняющих веществ.

  Внутренняя конструкция дискового керамического конденсатора

  Основной компонент состоит из одного диска из керамического диэлектрика. На этот диэлектрик наносятся электроды, а затем к электродам прикрепляются проволочные выводы. Наконец, добавляется смоляное покрытие и предварительно формируются выводы для придания любой формы, которая может понадобиться для процесса сборки.

  Дисковый керамический конденсатор со свинцом

• Конденсатор MLCC для поверхностного монтажа : Конденсаторы для поверхностного монтажа являются наиболее широко используемым форматом для этих компонентов в наши дни, поскольку компоненты для поверхностного монтажа используются в огромных количествах для массового производства электронного оборудования.

  В керамическом конденсаторе для поверхностного монтажа используется так называемый многослойный керамический конденсатор конструкции MLCC.

  По определению, многослойный керамический конденсатор представляет собой конденсатор для поверхностного монтажа, состоящий из нескольких отдельных слоев, уложенных вместе параллельно, при этом общий контакт осуществляется через поверхности выводов компонента.

  Поперечное сечение конденсатора MLCC, показывающее его конструкцию

  Корпус конденсатора обычно имеет тонкое покрытие для защиты конденсатора от проникновения влаги и других загрязняющих веществ, которые могут изменить его характеристики.

  Торцевое соединение конденсатора MLCC состоит из нескольких слоев: внутренние слои обеспечивают хорошее соединение с электродами внутри конденсатора, а внешние предназначены для обеспечения превосходной паяемости.

  Во многих случаях для выводов MLCC используется либо серебряно-палладиевый сплав (AgPd) в соотношении 65 : 35, либо серебро для соединения с электродами конденсатора.

  Затем может быть барьерный слой из гальванического никеля и, наконец, он покрыт слоем гальванического олова (NiSn).

  Выбор керамического конденсатора SMD

• Проходной конденсатор:   Проходные конденсаторы используются в приложениях, где требуется высокий уровень подавления в коробках экранов, через которые могут проходить провода.

Дисковые керамические конденсаторы с основными выводами широко используются для общей развязки и связи в различных схемных решениях, а также широко используются в ВЧ-схемах, поскольку их частотная характеристика хорошо распространяется в ВЧ- и СВЧ-диапазоне в зависимости от конкретного конденсатора. .

В настоящее время многие более специализированные дисковые керамические конденсаторы включаются во многие схемы — они используют более сложные диэлектрики и обеспечивают высокий уровень производительности.

Аналогично для версий компонентов для поверхностного монтажа базовые конденсаторы с хорошими характеристиками доступны для развязки, связи и т. п., а также для радиочастотных конструкций.

Опять же, значительно увеличились рабочие характеристики и разнообразие диэлектриков, доступных для керамических конденсаторов для поверхностного монтажа. Версии с высокой устойчивостью и высокой стабильностью широко доступны и по относительно низкой цене, особенно в тех количествах, в которых они используются.

Тип керамического диэлектрика

Керамический конденсатор

может использовать целый ряд различных диэлектриков, в отличие от других типов конденсаторов, включая танталовые конденсаторы и электролитические конденсаторы. Эти разные диэлектрики придают конденсаторам очень разные свойства, поэтому помимо выбора керамического конденсатора может также потребоваться второе решение о конкретном типе диэлектрика.

Часто упоминаются обычные диэлектрики керамических конденсаторов, включая C0G, NP0, X7R, Y5V, Z5U и многие другие, указанные в списке дистрибьюторов. Но знание того, какой тип лучше, требует небольшого дальнейшего изучения.

Керамический конденсатор с маркировкой, указывающей тип диэлектрика (X7R)

Классы диэлектрика керамического конденсатора

Чтобы упростить выбор конденсаторов с требуемым диэлектриком, некоторые отраслевые организации определили ряд классов применения керамического диэлектрика.

Эти классы применения разделяют различные диэлектрики, доступные для керамических конденсаторов, на разные классы в соответствии с предполагаемым применением.

Керамические конденсаторы Керамические конденсаторы класса 3

Классы применения диэлектриков керамических конденсаторов
Класс	Описание	Общие типы
Класс 1	Эти керамические конденсаторы обеспечивают высокий уровень стабильности и низкий уровень потерь и идеально подходят для использования в резонансных цепях.	НП0, Р100, Н33, Н75 и т. д.
Класс 2	класса 2 обладают высокой объемной эффективностью, т. е. большой емкостью при заданном объеме для сглаживания, обхода, связи и развязки.	X7R, X5R, Y5V, Z5U и т. д.
Класс 3	обеспечивают более высокий объемный КПД, чем керамические конденсаторы класса 2, но их температурная стабильность не так хороша. Типичная характеристика изменения емкости в зависимости от температуры составляет от −22% до +56% в диапазоне от 10°C до 55°C.	Доступны только компоненты с выводами. Больше не стандартизирован.

Эти классы керамических конденсаторов стандартизированы международными организациями, включая IEC, Международную электротехническую комиссию и EIA, Альянс электронной промышленности.

Керамический конденсатор класса 1 диэлектрик

Керамические конденсаторы

, в которых используются диэлектрики класса 1, обладают высочайшими характеристиками с точки зрения стабильности и потерь. Они могут обеспечить точные конденсаторы с высокими допусками со стабильными коэффициентами напряжения и температуры. Они также обеспечивают низкие потери и поэтому подходят для использования в генераторах, фильтрах и т.п.

Керамические диэлектрики класса 1

обычно изготавливаются на основе тонкоизмельченных материалов, таких как диоксид титана (TiO ₂ ), с добавками цинка, циркония, ниобия, магния, тантала, кобальта и стронция, хотя многие современные составы C0G (NP0) содержат неодим, оксиды самария и других редкоземельных элементов.

Коды конденсаторов класса 1:

Для определения характеристик диэлектрика керамического конденсатора используется трехзначный код, который относится к диэлектрикам керамического конденсатора класса 1.

• Первый символ представляет собой букву, обозначающую значащую цифру изменения емкости в зависимости от температуры в ppm/°C
• Второй символ является числовым и дает множитель
• Третий символ представляет собой букву и дает максимальную ошибку в ppm/C

В таблице ниже подробно описано, что означает каждый из кодов EIA.

Первый символ		Второй символ		Третий символ
Письмо	Сиг инжир*	Цифра	Множитель 10 x	Письмо	Допуск
С	0,0	0	-1	Г	+/-30
Б	0,3	1	-10	Х	+/-60
Л	0,8	2	-100	Дж	+/-120
А	0,9	3	-1000	К	+/-250
М	1,0	4	+1	л	+/-500
П	1,5	6	+10	М	+/-1000
Р	2,2	7	+100	Н	+/-2500
С	3,3	8	+1000
Т	4,7
В	5,6
У	7,5

В качестве примера, одним распространенным типом конденсатора класса 1 является C0G, и он будет иметь 0 дрейф с погрешностью ±30ppm/°C.

C0G (NP0) — самая популярная формула керамических материалов класса 1 EIA.

Керамика

C0G (NP0) является одним из самых стабильных диэлектриков для конденсаторов. Изменение емкости в зависимости от температуры составляет 0 ±30 ppm/°C, что составляет менее ±0,3% ΔC от -55°C до +125°C. Дрейф емкости или гистерезис для керамики C0G (NP0) незначителен и составляет менее ± ± 0,05 % по сравнению с ± 2 % для пленок.

Керамический диэлектрик C0G (NP0) обычно имеет «добротность» более 1000 и демонстрирует небольшие изменения емкости или «добротности» в зависимости от частоты. В дополнение к этому диэлектрическое поглощение обычно составляет менее 0,6%, что аналогично слюде, которая известна своим очень низким поглощением.

Выбор керамического конденсатора SMD

Керамический конденсатор класса 2 с диэлектриком

Диэлектрики керамических конденсаторов класса 2 имеют гораздо более высокий уровень диэлектрической проницаемости, чем их аналоги класса 1. Это дает им гораздо более высокий уровень емкости для данного объема, т. е. лучшую эффективность объемной емкости. Однако это происходит за счет точности и стабильности. В дополнение к этому они демонстрируют нелинейный температурный коэффициент и емкость, которая в небольшой степени зависит от приложенного напряжения.

Благодаря этим характеристикам они идеально подходят для приложений с развязкой и связью, где точное значение емкости не критично, но где может быть проблема с пространством.

Коды конденсаторов класса 2

Три кода используются для определения характеристик диэлектрика керамического конденсатора.

• Первый символ — буква. Это дает низкую рабочую температуру.
• Второе числовое значение указывает максимальную рабочую температуру.
• Третий символ — буква, обозначающая изменение емкости в диапазоне температур.

В таблице ниже подробно описано, что означает каждый из кодов EIA.

Первый символ		Второй символ		Третий символ
Письмо	Низкотемпературный	Цифра	Высокотемпературный	Письмо	Изменить
х	-55С (-67Ф)	2	+45°С (+113°F)	Д	+/-3,3%
Д	-30С (-22F)	4	+65 (+149F)	Е	+/-4,7%
З	+10°С (+50°F)	5	+85 (+185F)	Ф	+/-7,5%
		6	+105 (+221F)	П	+/-10%
		7	+125 (+257F)	Р	+/-15%
				С	+/-22%
				Т	+22% / -33%
				У	+22% / -56%
				В	+22% / -82%

Популярные керамические диэлектрики класса 2 включают X7R, работающий в диапазоне температур от −55 до +125°C, с ΔC/C0 ±15%, Y5V, работающий в диапазоне температур от −30 до +85°C с ΔC/C0 +22/-82% и Z5U, который имеет температурный диапазон от +10 до +85°C и ΔC/C0 = +22/-56%.

Керамический конденсатор класса 3 диэлектрик

Керамические конденсаторные диэлектрики

класса 3 обеспечивают чрезвычайно высокий уровень диэлектрической проницаемости, причем показатели диэлектрической проницаемости в 50 000 раз выше, чем у некоторых керамических изделий класса 2.

С другой стороны, эти конденсаторные диэлектрики значительно уступают по точности и стабильности, а также старению с течением времени, емкости, зависящей от напряжения, нелинейной температурной характеристике и высоким потерям.

Еще одним недостатком этих конденсаторов является то, что их невозможно изготовить в многослойном формате, что исключает версии для поверхностного монтажа.

Эти конденсаторы были заменены другими технологиями, в результате чего они больше не стандартизируются IEC или EIA.

Керамический конденсатор класса 4 диэлектрик

Это были так называемые конденсаторы с барьерным слоем. Хотя в них использовались диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью, они были вытеснены другими типами и в течение некоторого времени не стандартизировались.

Существует множество диэлектриков, которые можно использовать для керамических конденсаторов. Их производительность тщательно подобрана, чтобы гарантировать, что они соответствуют требуемым уровням производительности. При выборе керамического конденсатора для конкретного применения обращение к приведенным выше таблицам может дать необходимую информацию.

Обзор керамических конденсаторов

Керамические конденсаторы

широко используются в современном производстве электроники. Хотя керамические конденсаторы изначально использовались как электронные компоненты с выводами, по мере того, как технология поверхностного монтажа стала применяться в массовом производстве, вскоре они появились как конденсаторы для поверхностного монтажа. Сегодня многослойные керамические конденсаторы производятся в огромных количествах и дополняют характеристики других конденсаторов, таких как электролитические конденсаторы и танталовые конденсаторы, которые, как правило, используются для более высоких значений емкости выше 1 мкФ.

В таблице ниже приведены основные характеристики керамических конденсаторов.

Обзор керамических конденсаторов
Параметр	Детали
Типовые диапазоны емкости	от 10 пФ до 0,1 мкФ (100 нФ)
Наличие номинального напряжения	Примерно от 2В и выше — некоторые специализированные могут иметь напряжение 1кВ и выше.
Преимущества	Дешевизна в производстве Хорошие характеристики на высоких частотах Хорошая стабильность зависит от фактического керамического диэлектрика Доступен как в корпусах с выводами, так и в корпусах SMD (MLCC)
Недостатки	Невозможно достичь высоких уровней емкости поляризованных типов

Больше электронных компонентов:
Батареи конденсаторы Соединители Диоды полевой транзистор Индукторы Типы памяти Фототранзистор Кристаллы кварца Реле Резисторы ВЧ-разъемы Переключатели Технология поверхностного монтажа Тиристор Трансформеры Транзистор Клапаны/трубки
    Вернуться в меню «Компоненты». . .

Номинальное напряжение керамических конденсаторов — вот что вам нужно знать | Блог о расширенном проектировании печатных плат

Ключевые выводы

• Существует два типа керамических конденсаторов: многослойные керамические конденсаторы (MLCC) и керамические дисковые конденсаторы.

• Номинальное напряжение керамического конденсатора дает максимальную безопасную разность потенциалов, которая может быть приложена между положительной и отрицательной пластинами конденсатора.

• Общепринятой практикой при выборе электронных компонентов является снижение номинального напряжения керамического конденсатора на 50%, чтобы предотвратить взрыв, а также VCC.

Многослойные керамические конденсаторы представляют собой высокотехнологичные керамические конденсаторы, в основном для поверхностного монтажа. значения емкости и типы. Процесс производства и свойства конденсаторов каждого типа различаются. При выборе конденсатора для данного приложения инженеры должны понимать тип и свойства конденсатора.

Одним из широко используемых типов конденсаторов являются керамические конденсаторы. Керамические конденсаторы — это неполяризованные конденсаторы, используемые в таких приложениях, как фильтрация, связь, развязка и синхронизация. Номинальное напряжение керамического конденсатора довольно высокое и способно работать как с постоянным, так и с переменным напряжением. Однако керамические конденсаторы обычно имеют пониженные номиналы при использовании в цепях. В этой статье мы рассмотрим причины снижения номинального напряжения керамического конденсатора.

Керамические конденсаторы представляют собой фиксированные неполяризованные конденсаторы, в которых керамические материалы действуют как диэлектрик. Керамические конденсаторы состоят из металлического слоя и чередующихся слоев с керамикой. При производстве керамических конденсаторов на оба конца тонкого керамического диэлектрического материала наносится металл. Несколько таких керамических слоев укладываются вместе и отделяются от каждого слоя дополнительным количеством керамики. Слои соединены металлическими электродами, которые выведены в качестве выводов. Емкость керамического конденсатора варьируется от 1 пФ до примерно 1 мкФ, при этом рабочее напряжение керамического конденсатора достигает нескольких тысяч вольт. Эти конденсаторы подходят для высокотемпературных применений.

Типы керамических конденсаторов

Существует два типа керамических конденсаторов:

1. Многослойные керамические конденсаторы (MLCC): Многослойные керамические конденсаторы в основном используются в технологии поверхностного монтажа и, из-за их меньшего размера, в электромагнитных или радиочастотных помехах. системы подавления. Они также используются в качестве проходных конденсаторов.
2. Керамические дисковые конденсаторы: В керамических дисковых конденсаторах керамический диск с обеих сторон покрыт серебряными электродами. Несколько слоев керамических материалов включены для улучшения конденсатора. Как правило, они изготавливаются по сквозной технологии. Керамические дисковые конденсаторы чаще всего применяются в качестве предохранительных конденсаторов в цепях подавления электромагнитных помех.

Классы керамических конденсаторов 

Существует три классификации керамических конденсаторов:

1. Керамический конденсатор класса 1: В керамическом конденсаторе класса I используются керамические материалы, нечувствительные к изменениям температуры. Керамические конденсаторы класса I обычно используются в высокочастотных цепях в телевизионных и радиотюнерах, генераторах и фильтрах.
2. Керамический конденсатор класса 2: Керамические материалы, полученные из титаната бария (с диэлектрической проницаемостью 6000+), чувствительные к температуре, используются в керамических конденсаторах класса 2. Они подходят для сопряжения, байпаса и буфера.
3. Керамический конденсатор класса 3: Керамические конденсаторы имеют более высокий объемный КПД, чем керамические конденсаторы класса 2. Однако керамические конденсаторы класса 3 обладают плохой температурной стабильностью, точностью и старением со временем по сравнению с их аналогами.

Характеристики керамических конденсаторов

Вот три ключевые характеристики керамических конденсаторов, о которых следует помнить инженерам:

Точная точность и допуски: Керамические конденсаторы демонстрируют стабильные значения емкости и стабильные рабочие характеристики. 9№ 0009

Размер: Конденсаторы MLCC отличаются высокой плотностью упаковки и компактностью схемы.

Высокая мощность и способность выдерживать высокое напряжение: Керамические конденсаторы могут работать с высокой мощностью и высоким напряжением. Силовые керамические конденсаторы хорошо известны своим высоким номинальным напряжением от 2 кВ до 100 кВ.

Номинальное напряжение керамического конденсатора

В керамических конденсаторах есть два проводящих электрода или пластины, разделенные изолирующим или диэлектрическим материалом. Электроды расположены ближе для увеличения емкости с тонким слоем диэлектрического материала. Используемый диэлектрический материал обладает значением напряжения пробоя. Когда напряжение, приложенное к обкладкам конденсатора, превышает значение напряжения пробоя, молекулярная структура диэлектрического материала изменяется и начинает проводить через него ток. Когда приложенное напряжение конденсатора пересекает значение пробоя, он ведет себя как резистор.

Номинальное напряжение керамического конденсатора может быть связано с диэлектрической прочностью или напряжением пробоя диэлектрического материала. Номинальное напряжение керамического конденсатора дает максимальную безопасную разность потенциалов, которая может быть приложена между положительной и отрицательной пластинами конденсатора. Это напряжение, с которым керамический конденсатор может безопасно работать без пробоя диэлектрика.

Снижение номинальных характеристик керамических конденсаторов

Керамические конденсаторы редко подвергаются катастрофическим отказам, поскольку они часто изготавливаются с большим запасом прочности по номинальному напряжению. Однако значение емкости керамических конденсаторов может уменьшиться до 90% при номинальном напряжении. Это явление, особенно наблюдаемое при недостаточном постоянном напряжении в многослойных керамических конденсаторах, называется коэффициентом емкости по напряжению (VCC).

Для предотвращения VCC и обеспечения защиты в электронных схемах используются керамические конденсаторы с пониженными характеристиками. Эмпирическое правило для снижения номинальных характеристик заключается в выборе керамического конденсатора с номинальным напряжением, превышающим или равным удвоенному напряжению, которое должно быть приложено к нему в приложении. Это означает, например, что если фактическое напряжение конденсатора составляет 50 В, выберите конденсатор с номинальным напряжением не менее 100 В.

Общепринятой практикой при выборе электронных компонентов является снижение номинального напряжения керамического конденсатора на 50 % для предотвращения взрыва и VCC. В любой электронной схеме с керамическими конденсаторами следует придерживаться этой тенденции.

Если вы пытаетесь спроектировать электронную схему, продукты Cadence помогут вам построить надежные и эффективные электронные схемы. Ведущие поставщики электроники полагаются на продукты Cadence для оптимизации потребностей в мощности, пространстве и энергии для широкого спектра рыночных приложений. Если вы хотите узнать больше о наших инновационных решениях, поговорите с нашей командой экспертов или подпишитесь на наш канал YouTube.

Запрос оценки

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты.