Керамический конденсатор

Диск с фиксированными выводами и многослойные керамические чип-конденсаторы (MLCC)

Керамические конденсаторы являются фиксированным значением конденсатором , где керамический материал действует как диэлектрические . Он состоит из двух или более чередующихся слоев керамики и металлического слоя, действующих как электроды . Состав керамического материала определяет электрические характеристики и, следовательно, области применения. Керамические конденсаторы делятся на два класса применения:

• Керамические конденсаторы класса 1 обеспечивают высокую стабильность и низкие потери для применения в резонансных цепях.
• Керамические конденсаторы класса 2 обладают высокой объемной эффективностью для использования в буферных, байпасных и соединительных устройствах.

Керамические конденсаторы, особенно многослойные керамические конденсаторы (MLCC), являются наиболее производимыми и используемыми конденсаторами в электронном оборудовании, которые составляют примерно один триллион (10 ¹² ) штук в год. ^[1]

Керамические конденсаторы особых форм и стилей используются в качестве конденсаторов для подавления RFI / EMI , в качестве проходных конденсаторов и в больших размерах в качестве силовых конденсаторов для передатчиков .

История [ править ]

С самого начала изучения электричества непроводящие материалы, такие как стекло , фарфор , бумага и слюда , использовались в качестве изоляторов. Эти материалы несколько десятилетий спустя также хорошо подходили для дальнейшего использования в качестве диэлектрика для первых конденсаторов.

Даже в первые годы существования беспроводных передающих устройств Маркони фарфоровые конденсаторы использовались в передатчиках для высокого напряжения и высоких частот . На стороне приемника для резонансных цепей использовались слюдяные конденсаторы меньшего размера. Слюдяные диэлектрические конденсаторы были изобретены в 1909 году Уильямом Дубилье. До Второй мировой войны слюда была наиболее распространенным диэлектриком для конденсаторов в Соединенных Штатах. ^[1]

Слюда - это натуральный материал, и его нет в неограниченном количестве. Таким образом, в середине 1920-х годов дефицит слюды в Германии и опыт производства фарфора - особого класса керамики - привели в Германии к первым конденсаторам, в которых в качестве диэлектрика использовалась керамика, и основали новое семейство керамических конденсаторов. Параэлектрический диоксид титана ( рутил) был использован в качестве первого керамического диэлектрика, поскольку он имел линейную температурную зависимость емкости для температурной компенсации резонансных контуров и может заменить слюдяные конденсаторы. 1926 г. Эти керамические конденсаторы производились в небольших количествах, и в 1940-х их количество увеличивалось. Стилем этой ранней керамики был диск с металлизацией с обеих сторон, контактировавший с луженой проволокой. Этот стиль предшествовал транзистору и широко использовался в ламповом оборудовании (например, радиоприемниках) примерно с 1930 по 1950-е годы.

Но этот параэлектрический диэлектрик имел относительно низкую диэлектрическую проницаемость, так что могли быть реализованы только небольшие значения емкости. Расширяющийся рынок радиоприемников в 1930-х и 1940-х годах создает спрос на более высокие значения емкости, но ниже электролитических конденсаторов для приложений ВЧ развязки. Обнаруженный в 1921 году сегнетоэлектрический керамический материал титанат бария с диэлектрической проницаемостью в диапазоне 1000, что примерно в десять раз больше, чем у диоксида титана или слюды, начал играть гораздо большую роль в электронных приложениях. ^{[1] [2]}

Более высокая диэлектрическая проницаемость привела к гораздо более высоким значениям емкости, но это было связано с относительно нестабильными электрическими параметрами. Следовательно, эти керамические конденсаторы могли заменить обычно используемые слюдяные конденсаторы только там, где стабильность была менее важна. Меньшие размеры по сравнению с слюдяными конденсаторами, более низкие производственные затраты и независимость от наличия слюды ускорили их принятие.

Быстрорастущая индустрия вещания после Второй мировой войны привела к более глубокому пониманию кристаллографии , фазовых переходов и химической и механической оптимизации керамических материалов. Благодаря сложной смеси различных основных материалов электрические свойства керамических конденсаторов могут быть точно отрегулированы. Чтобы различать электрические свойства керамических конденсаторов, стандартизация определила несколько различных классов приложений (Класс 1, Класс 2, Класс 3). Примечательно, что отдельные разработки во время войны и в последующее время в США и на европейском рынке привели к различным определениям этих классов (EIA и IEC), и только недавно (с 2010 г.) произошла всемирная гармонизация стандартизации IEC. состоялось.

Типичным стилем керамических конденсаторов под диском (в то время называемых конденсаторами) в радиоприемниках в послевоенное время с 1950-х по 1970-е годы была керамическая трубка, покрытая оловом или серебром как на внутренней, так и на внешней поверхности. Он включал в себя относительно длинные клеммы, образующие вместе с резисторами и другими компонентами клубок разомкнутой проводки.

Керамический материал, который легко формовать, облегчил разработку керамических конденсаторов особого размера и большого размера для высоковольтных, высокочастотных (ВЧ) и силовых приложений.

С развитием полупроводниковой технологии в 1950-х годах с использованием легированной сегнетоэлектрической керамики были разработаны конденсаторы с барьерным слоем или конденсаторы IEC класса 3 / EIA класса IV . Поскольку этот легированный материал не подходил для изготовления многослойных материалов, спустя десятилетия они были заменены конденсаторами Y5V класса 2.

Керамический дисковый конденсатор раннего типа мог быть более дешевым в производстве, чем обычные керамические трубчатые конденсаторы 1950-х и 1970-х годов. Американская компания, участвовавшая в программе Apollo , запущенной в 1961 году, первой применила штабелирование нескольких дисков для создания монолитного блока. Этот «многослойный керамический конденсатор» (MLCC) был компактным и предлагал конденсаторы большой емкости. ^[3] Производство этих конденсаторов с использованием процессов отливки ленты и совместного обжига керамических электродов было сложной производственной задачей. MLCC расширили диапазон приложений до тех, которые требуют больших значений емкости в небольших корпусах. Эти керамические конденсаторы микросхемы были движущей силой преобразования электронных устройств из сквозных отверстий.монтаж по технологии поверхностного монтажа в 1980-х годах. Поляризованные электролитические конденсаторы можно заменить неполяризованными керамическими конденсаторами, что упростит установку.

В 1993 году TDK Corporation удалось заменить электроды с палладиевыми подшипниками гораздо более дешевыми никелевыми электродами, что значительно снизило производственные затраты и обеспечило массовое производство MLCC. ^[4]

По состоянию на 2012 год ежегодно производилось ^[update]более 10 ¹² MLCC. ^[1] Наряду с керамическими микросхемными конденсаторами, керамические дисковые конденсаторы часто используются в качестве предохранительных конденсаторов в приложениях для подавления электромагнитных помех . Помимо этого, также можно найти большие керамические силовые конденсаторы для приложений высокого напряжения или высокочастотных передатчиков.

Новые разработки в керамических материалах были сделаны с использованием антисегнетоэлектрической керамики. Этот материал имеет нелинейный переход фазы антисегнето / сегнетоэлектрический, что позволяет увеличить накопление энергии с более высокой объемной эффективностью. Они используются для хранения энергии (например, в детонаторах). ^[5]

Классы приложений, определения [ править ]

Различные керамические материалы, используемые для керамических конденсаторов, параэлектрическая или сегнетоэлектрическая керамика, влияют на электрические характеристики конденсаторов. Использование смесей параэлектрических веществ на основе диоксида титана приводит к очень стабильному и линейному поведению значения емкости в заданном температурном диапазоне и низким потерям на высоких частотах. Но эти смеси имеют относительно низкую диэлектрическую проницаемость, поэтому значения емкости этих конденсаторов относительно малы.

Более высокие значения емкости керамических конденсаторов могут быть достигнуты при использовании смесей сегнетоэлектрических материалов, таких как титанат бария, вместе со специальными оксидами. Эти диэлектрические материалы имеют гораздо более высокие диэлектрические проницаемости, но в то же время их значения емкости более или менее нелинейны в диапазоне температур, а потери на высоких частотах намного выше. Эти разные электрические характеристики керамических конденсаторов требуют сгруппировать их по «классам применения». Определение классов приложений происходит из стандартизации. По состоянию на 2013 год использовались два набора стандартов: один от Международной электротехнической комиссии (МЭК), а другой от ныне не существующего Альянса электронной промышленности (EIA).

Определения классов приложений, приведенные в двух стандартах, различаются. В следующей таблице показаны различные определения классов применения керамических конденсаторов:

Производители, особенно в США, предпочитают стандарты Electronic Industries Alliance (EIA). Во многих частях, очень похожих на стандарт IEC, EIA RS-198 определяет четыре класса применения керамических конденсаторов. ^[6]

Различные номера классов в обоих стандартах являются причиной множества недоразумений при интерпретации описаний классов в таблицах данных многих производителей. ^{[7] [8]} ОВОС прекратила свою деятельность 11 февраля 2011 года, но прежние секторы продолжают обслуживать международные организации по стандартизации.

В дальнейшем определения стандарта IEC будут предпочтительнее и в важных случаях по сравнению с определениями стандарта EIA.

Керамические конденсаторы 1 класса [ править ]

Керамические конденсаторы класса 1 представляют собой точные конденсаторы с температурной компенсацией. Они предлагают наиболее стабильное напряжение, температуру и, в некоторой степени, частоту. Они имеют самые низкие потери и поэтому особенно подходят для применения в резонансных цепях, где важна стабильность или где требуется точно определенный температурный коэффициент, например, для компенсации температурных эффектов для цепи. Основные материалы керамических конденсаторов класса 1 состоят из смеси мелко измельченных гранул параэлектрических материалов, таких как диоксид титана ( TiO
₂), модифицированный добавками цинка, циркония, ниобия, магния, тантала, кобальта и стронция, которые необходимы для достижения желаемых линейных характеристик конденсатора. ^{[9] [10]}

Общее температурное поведение емкости конденсаторов класса 1 зависит от основного параэлектрического материала, например TiO.
₂. Добавки химического состава используются для точного регулирования желаемой температурной характеристики. Керамические конденсаторы класса 1 имеют самый низкий объемный КПД среди керамических конденсаторов. Это результат относительно низкой диэлектрической проницаемости (от 6 до 200) параэлектрических материалов. Следовательно, конденсаторы класса 1 имеют значения емкости в нижнем диапазоне.

Конденсаторы класса 1 имеют температурный коэффициент, который обычно довольно линейно зависит от температуры. Эти конденсаторы имеют очень низкие электрические потери с коэффициентом рассеяния примерно 0,15%. Они не подвергаются значительным процессам старения, а значение емкости практически не зависит от приложенного напряжения. Эти характеристики позволяют применять фильтры с высокой добротностью в резонансных цепях и генераторах (например, в цепях фазовой автоподстройки частоты ).

Стандарт EIA RS-198 кодирует керамические конденсаторы класса 1 трехзначным кодом, который указывает температурный коэффициент. Первая буква дает значительную фигуру изменения емкости по температуре (температурный коэффициент & alpha ; ) в м.д. / K . Второй символ дает множитель температурного коэффициента. Третья буква дает максимальное отклонение от указанного в ppm / K. Все значения от 25 до 85 ° C:

Помимо кода EIA, температурный коэффициент зависимости емкости керамических конденсаторов класса 1 обычно выражается керамическими названиями, такими как «NP0», «N220» и т. Д. Эти названия включают температурный коэффициент (α). В стандарте IEC / EN 60384-8 / 21 температурный коэффициент и допуск заменены двухзначным буквенным кодом (см. Таблицу), в который добавлен соответствующий код EIA.

Например, конденсатор «NP0» с кодом EIA «C0G» будет иметь дрейф 0 с допуском ± 30 ppm / K, в то время как конденсатор «N1500» с кодом «P3K» будет иметь дрейф -1500 ppm / K, с максимальный допуск ± 250 ppm / ° C. Обратите внимание, что коды конденсаторов IEC и EIA являются отраслевыми кодами конденсаторов, а не кодами конденсаторов военного назначения.

К конденсаторам класса 1 относятся конденсаторы с разными температурными коэффициентами α. В частности, большой интерес с технической точки зрения представляют конденсаторы NP0 / CG / C0G с α ± 0 • 10 ⁻⁶  / K и допуском α 30  ppm . Эти конденсаторы имеют изменение емкости dC / C ± 0,54% в диапазоне температур от -55 до +125 ° C. Это обеспечивает точную частотную характеристику в широком диапазоне температур (например, в резонансных цепях). Другие материалы с их особыми температурными характеристиками используются для компенсации противотока параллельно соединенных компонентов, таких как катушки в цепях генератора. Конденсаторы класса 1 имеют очень малые допуски по номинальной емкости.

• Идеализированные кривые различных керамических конденсаторов класса 1 и представление диапазона допуска температурного коэффициента α
• Идеализированные кривые различных керамических конденсаторов класса 1

• представление диапазона допуска температурного коэффициента α

Керамические конденсаторы 2 класса [ править ]

Керамические конденсаторы класса 2 имеют диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью и, следовательно, большую объемную эффективность, чем конденсаторы класса 1, но более низкую точность и стабильность. Керамический диэлектрик характеризуется нелинейным изменением емкости в диапазоне температур. Величина емкости также зависит от приложенного напряжения. Они подходят для приложений байпаса, связи и развязки или для схем частотной дискриминации, где низкие потери и высокая стабильность емкости менее важны. Обычно они обладают микрофоном .

Конденсаторы класса 2 изготовлены из сегнетоэлектрических материалов, таких как титанат бария ( BaTiO
₃) И подходящие добавки , такие как силикат алюминия , силикат магния и оксид алюминия . Эта керамика имеет диэлектрическую проницаемость от высокой до очень высокой (от 200 до 14000), которая зависит от напряженности поля . Следовательно, значение емкости конденсаторов класса 2 нелинейно. Это зависит от температуры и приложенного напряжения. Кроме того, конденсаторы класса 2 со временем стареют. ^[9]

Однако высокая диэлектрическая проницаемость поддерживает высокие значения емкости в небольших устройствах. Конденсаторы класса 2 значительно меньше устройств класса 1 при одинаковой номинальной емкости и напряжении. Они подходят для приложений, в которых требуется, чтобы конденсатор поддерживал только минимальное значение емкости, например, для буферизации и фильтрации в источниках питания, а также для связи и развязки электрических сигналов.

Конденсаторы класса 2 маркируются в соответствии с изменением емкости в диапазоне температур. Наиболее широко используемая классификация основана на стандарте EIA RS-198 и использует трехзначный код. Первый символ - это буква, обозначающая нижнюю рабочую температуру . Второй символ дает максимальную рабочую температуру, а последний символ дает изменение емкости в этом диапазоне температур:

Например, конденсатор Z5U будет работать при температуре от +10 ° C до +85 ° C с изменением емкости не более чем от + 22% до -56%. Конденсатор X7R будет работать при температуре от -55 ° C до +125 ° C с изменением емкости не более ± 15%.

Некоторые из наиболее часто используемых материалов керамических конденсаторов класса 2 перечислены ниже:

• X8R (-55 / + 150, ΔC / C ₀ = ± 15%),
• X7R (-55 / + 125 ° C, ΔC / C ₀ = ± 15%),
• X6R (-55 / + 105 ° C, ΔC / C ₀ = ± 15%),
• X5R (-55 / + 85 ° C, ΔC / C ₀ = ± 15%),
• X7S (-55 / + 125, ΔC / C ₀ = ± 22%),
• Z5U (+ 10 / + 85 ° C, ΔC / C ₀ = + 22 / -56%),
• Y5V (-30 / + 85 ° C, ΔC / C ₀ = + 22 / -82%),

В стандарте IEC / EN 60384 -9/22 используется другой двузначный код.

В большинстве случаев можно перевести код EIA в код IEC / EN. Возможны незначительные ошибки перевода, но обычно они допустимы.

• X7R коррелирует с 2X1
• Z5U коррелирует с 2E6
• Y5V аналогично 2F4 , аберрация: ΔC / C ₀ = + 30 / −80% вместо + 30 / −82%
• X7S похож на 2C1 , аберрация: & delta ; C / C ₀ = ± 20% вместо ± 22%
• X8R код IEC / EN отсутствует

Поскольку керамические конденсаторы класса 2 имеют более низкую точность измерения емкости и стабильность, они требуют более высоких допусков.

Для военных типов диэлектрики класса 2 определяют температурную характеристику (TC), но не температурно-вольтную характеристику (TVC). Подобно X7R, военный тип BX не может отклоняться от температуры более чем на 15% и, кроме того, должен оставаться в пределах +15% / - 25% при максимальном номинальном напряжении. Тип BR имеет ограничение TVC +15% / - 40%.

Керамические конденсаторы 3 класса [ править ]

Барьерный слой класса 3 или полупроводниковые керамические конденсаторы имеют очень высокую диэлектрическую проницаемость, до 50 000, и, следовательно, лучшую объемную эффективность, чем конденсаторы класса 2. Однако эти конденсаторы имеют худшие электрические характеристики, в том числе меньшую точность и стабильность. Диэлектрик характеризуется очень высоким нелинейным изменением емкости в диапазоне температур. Величина емкости дополнительно зависит от приложенного напряжения. Кроме того, у них очень большие потери и со временем они стареют.

Керамические конденсаторы с барьерным слоем изготовлены из легированных сегнетоэлектрических материалов, таких как титанат бария ( BaTiO
₃). По мере совершенствования этой керамической технологии в середине 1980-х годов стали доступны конденсаторы с барьерным слоем емкостью до 100 мкФ, и в то время казалось, что они могут заменить электролитические конденсаторы меньшего размера .

Поскольку из этого материала невозможно изготовить многослойные конденсаторы, на рынке предлагаются только однослойные свинцовые конденсаторы.^{[12] [13]}

По состоянию на 2013 год ^[update]конденсаторы с барьерным слоем считаются устаревшими, поскольку современная многослойная керамика класса 2 может предложить более высокую емкость и лучшие характеристики в более компактном корпусе. Как следствие, эти конденсаторы больше не стандартизированы МЭК.

Строительство и стили [ править ]

• Базовая структура керамических конденсаторов
• Конструкция многослойного керамического чип-конденсатора (MLCC), 1 = металлические электроды, 2 = диэлектрическая керамика, 3 = соединительные клеммы

• Конструкция керамического дискового конденсатора

Керамические конденсаторы состоят из смеси мелко измельченных гранул параэлектрических или сегнетоэлектрических материалов, смешанных надлежащим образом с другими материалами для достижения желаемых характеристик. Из этих порошковых смесей керамика спекается при высоких температурах. Керамика образует диэлектрик и служит носителем для металлических электродов. Минимальная толщина диэлектрического слоя, которая сегодня (2013 г.) для низковольтных конденсаторов находится в диапазоне размеров 0,5 микрометра ^[3] , ограничена размером зерна керамического порошка. Толщина диэлектрика конденсаторов с более высоким напряжением определяется электрической прочностью требуемого конденсатора.

Электроды конденсатора нанесены на керамический слой методом металлизации. В случае MLCC чередующиеся слои металлизированной керамики накладываются друг на друга. Превосходная металлизация электродов с обеих сторон корпуса соединена с контактной клеммой. Лаковое или керамическое покрытие защищает конденсатор от влаги и других внешних воздействий.

Керамические конденсаторы бывают разных форм и стилей. Вот некоторые из наиболее распространенных:

• Многослойный керамический чип-конденсатор (MLCC), прямоугольный блок, для поверхностного монтажа
• Керамический дисковый конденсатор, однослойный диск, покрытый смолой, со сквозными выводами
• Проходной керамический конденсатор, используемый для байпаса в высокочастотных цепях. Форма трубки, внутренняя металлизация в контакте со свинцом, внешняя металлизация для пайки
• Керамические силовые конденсаторы, большие керамические корпуса различной формы для высоковольтных приложений

• Некоторые разные стили керамических конденсаторов для использования в электронном оборудовании
• Многослойный керамический чип-конденсатор (MLCC)

• Керамический дисковый конденсатор (однослойный)

• Проходной керамический конденсатор

• Керамический силовой конденсатор высокого напряжения

Многослойные керамические конденсаторы (MLCC) [ править ]

Производственный процесс [ править ]

• Многослойные керамические чип-конденсаторы
• Детальная конструкция многослойного керамического чип-конденсатора (MLCC).

  1. Керамический диэлектрик
  2. Керамическое или лакированное покрытие
  3. Металлизированный электрод
  4. Соединительные клеммы
• Образцы многослойных керамических чип-конденсаторов

MLCC состоит из ряда отдельных конденсаторов, установленных вместе параллельно и контактирующих через контактные поверхности. Исходный материал для всех чипов MLCC представляет собой смесь тонко измельченных гранул параэлектрического или сегнетоэлектрического сырья, модифицированного точно определенными добавками. ^[14] Эти порошковые материалы смешиваются однородно. Состав смеси и размер частиц порошка до 10 нм отражают опыт производителя.

Из суспензии порошка с подходящим связующим отливают тонкую керамическую фольгу. Эта пленка свернута для транспортировки. Снова развернув, он разрезается на листы одинакового размера, на которые наносится трафаретная печать с использованием металлической пасты. Эти листы становятся электродами. В автоматизированном процессе эти листы укладываются в необходимое количество слоев и затвердевают под давлением. Помимо относительной диэлектрической проницаемости, размер и количество слоев определяют более позднее значение емкости. Электроды уложены в чередующемся порядке с небольшим смещением от соседних слоев, так что каждый из них впоследствии может быть соединен со смещенной стороной, один слева, один справа. Многослойная стопка прессуется, а затем разрезается на отдельные компоненты. Высокая механическая точность требуется, например, для изготовления стопки из 500 или более слоев размером «0201» (0,5 мм × 0,3 мм).

После разрезания связующее выгорает из стопки. Затем следует спекание при температурах от 1200 до 1450 ° C с получением окончательной, в основном кристаллической, структуры. Этот процесс горения создает желаемые диэлектрические свойства. После обжига следует очистка и металлизация обеих торцевых поверхностей. Благодаря металлизации концы и внутренние электроды соединяются параллельно, и конденсатор получает свои выводы. Наконец, будет выполнено 100% измерение электрических величин и нанесение ленты для автоматизированной обработки на производственном устройстве.

Миниатюризация [ править ]

Формула емкости ( C ) конденсатора MLCC основана на формуле для пластинчатого конденсатора с увеличенным количеством слоев: где ε обозначает диэлектрическую проницаемость ; A - площадь поверхности электрода; n - количество слоев; и d на расстояние между электродами.
${\displaystyle C=\varepsilon \cdot {{n\cdot A} \over {d}}}$

Более тонкий диэлектрик или большая площадь электрода увеличивают значение емкости , как и диэлектрический материал с более высокой диэлектрической проницаемостью.

С прогрессирующей миниатюризацией цифровой электроники в последние десятилетия, компоненты на периферии интегральных логических схем также были уменьшены в масштабе. Усадка MLCC включает уменьшение толщины диэлектрика и увеличение количества слоев. Оба варианта требуют огромных усилий и связаны с большим опытом.

В 1995 г. минимальная толщина диэлектрика составляла 4 мкм. К 2005 году некоторые производители выпускали чипы MLCC с толщиной слоя 1 мкм. По состоянию на 2010 год ^[update]минимальная толщина составляет около 0,5 мкм. ^[1] Напряженность поля в диэлектрике увеличилась до 35 В / мкм. ^[15]

Уменьшение размера этих конденсаторов достигается за счет уменьшения размера зерна порошка, что предполагает уменьшение толщины керамических слоев. Кроме того, производственный процесс стал более точно контролируемым, так что можно складывать все больше и больше слоев.

Между 1995 и 2005 годами емкость конденсатора Y5V MLCC размером 1206 была увеличена с 4,7 мкФ до 100 мкФ. ^[16] Между тем (2013 г.) многие производители могут поставлять конденсаторы MLCC класса 2 с емкостью 100 мкФ в размере микросхемы 0805. ^[17]

Размеры корпуса MLCC [ править ]

У MLCC нет выводов, и в результате они обычно меньше, чем их аналоги с выводами. Они не требуют доступа через отверстие в печатной плате для монтажа и предназначены для работы с машинами, а не людьми. В результате компоненты для поверхностного монтажа, такие как MLCC, обычно дешевле.

MLCC производятся в стандартных формах и размерах для сопоставимого обращения. Поскольку на ранних этапах стандартизации доминировали американские стандарты EIA, размеры микросхем MLCC были стандартизированы EIA в дюймах. Прямоугольный чип размером 0,06 дюйма в длину и 0,03 дюйма в ширину кодируется как «0603». Этот код является международным и широко используется. JEDEC(IEC / EN) разработал второй метрический код. Код EIA и метрический эквивалент обычных размеров многослойных керамических чип-конденсаторов, а также размеры в мм показаны в следующей таблице. В таблице отсутствует мера высоты "H". Обычно это не указывается, потому что высота микросхем MLCC зависит от количества слоев и, следовательно, от емкости. Однако обычно высота H не превышает ширины W.

Металлизация NME и BME [ править ]

• Влияние металлизации на зависимость напряжения керамических многослойных чип-конденсаторов X7R
• Структура электродов NME и соответственно BME металлизация выводов микросхем MLCC

• Влияние металлизации NME или BME для микросхем X7R MLCC класса 2 на зависимость емкости от напряжения.

Особой проблемой при производстве многослойных керамических конденсаторов для микросхем в конце 1990-х было резкое повышение цен на металлы, используемые для электродов и клемм. Первоначально были выбраны неокисляющиеся благородные металлы, серебро и палладий, которые могут выдерживать высокие температуры спекания от 1200 до 1400 ° C. Они назывались «NME» (электроды из благородных металлов) и обладали очень хорошими электрическими свойствами для конденсаторов класса 2. Рост цен на эти металлы значительно увеличил цены на конденсаторы.

Из-за ценового давления были разработаны электроды из недрагоценных металлов (BME), в которых использовались гораздо более дешевые материалы - никель и медь . ^[18]

Но металлизация BME привела к другим электрическим свойствам; например, зависимость конденсаторов X7R от напряжения значительно увеличилась (см. рисунок). Даже коэффициент потерь и поведение импеданса керамических конденсаторов класса 2 были уменьшены за счет металлизации BME.

Для керамических конденсаторов класса 2, из-за их использования в приложениях, где это обычно не очень важно для стабильности электрических свойств, эти отрицательные изменения по причинам стоимости были наконец приняты рынком, в то время как металлизация NME была сохранена в керамические конденсаторы класса 1.

Диапазоны емкости MLCC [ править ]

Емкость микросхем MLCC зависит от диэлектрика, размера и требуемого напряжения (номинального напряжения). Значения емкости начинаются примерно с 1 пФ. Максимальное значение емкости определяется технологией производства. Для X7R это 47 мкФ, для Y5V: 100 мкФ.

На рисунке справа показана максимальная емкость для многослойных керамических конденсаторов класса 1 и класса 2. В следующих двух таблицах, каждая для керамики NP0 / C0G и X7R, перечислены для каждого типичного размера корпуса максимально доступное значение емкости и номинальное напряжение ведущих производителей Murata, TDK, KEMET, AVX. (По состоянию на апрель 2017 г.)

Стили с низким уровнем ESL [ править ]

• Сравнение различных конструкций MLCC
• Стандартная конструкция микросхемы MLCC

• Конструкция микросхемы MLCC с низким уровнем ESL

• Массив микросхем MLCC

В области своей резонансной частоты конденсатор имеет лучшие свойства развязки для шумов или электромагнитных помех . Резонансная частота конденсатора определяется индуктивностью компонента. Индуктивные части конденсатора суммируются в эквивалентной последовательной индуктивности, или ESL. (Обратите внимание, что L - электрический символ индуктивности.) Чем меньше индуктивность, тем выше резонансная частота.

Поскольку, особенно при цифровой обработке сигналов, частота переключения продолжает расти, потребность в высокочастотной развязке или фильтрующих конденсаторах возрастает. Простым изменением конструкции можно уменьшить ESL микросхемы MLCC. Поэтому уложенные друг на друга электроды соединяются продольной стороной с соединительными выводами. Это уменьшает расстояние, на которое носители заряда протекают по электродам, что снижает индуктивность компонента. ^[19]

Например, результат для X7R с 0,1 мкФ для размера 0805 с резонансной частотой около 16 МГц увеличивается до около 22 МГц, если микросхема имеет размер 0508 с выводами на продольной стороне.

Другая возможность - сформировать устройство в виде массива конденсаторов. Здесь несколько отдельных конденсаторов встроены в общий корпус. При их параллельном подключении уменьшаются результирующие значения ESL, а также ESR компонентов.

Развязочный конденсатор X2Y [ править ]

• Конденсатор развязки X2Y
• Разделительные конденсаторы X2Y с разными размерами корпусов

• Внутренняя конструкция конденсатора X2Y

• Принципиальная схема конденсатора X2Y в цепи развязки

Стандартный многослойный керамический конденсатор имеет множество противоположных электродных слоев, уложенных внутри, соединенных с двумя внешними выводами. Однако керамический чип-конденсатор X2Y представляет собой 4-контактное устройство. Он сконструирован как стандартный двухконтактный MLCC из уложенных друг на друга керамических слоев с дополнительным третьим набором экранирующих электродов, встроенных в микросхему. Эти экранирующие электроды окружают каждый существующий электрод в стопке пластин конденсатора и имеют низкоомный контакт с двумя дополнительными боковыми выводами на выводах конденсатора. Конструкция X2Y приводит к трехузловой емкостной схеме, которая обеспечивает одновременную фильтрацию между линиями и между фазами и землей. ^{[20] [21] [22]}

Керамические конденсаторы X2Y, способные заменить 2 или более обычных устройства, идеально подходят для высокочастотной фильтрации или подавления шума питающих напряжений в цифровых схемах и могут оказаться неоценимыми для удовлетворения строгих требований ЭМС в двигателях постоянного тока, в автомобилях, аудио, датчиках и других Приложения. ^{[23] [24]}

Площадь основания X2Y приводит к более низкой установленной индуктивности. ^[25] Это особенно интересно для использования в высокоскоростных цифровых схемах с тактовой частотой от нескольких 100 МГц и выше. Разделение отдельных напряжений питания на печатной плате трудно реализовать из-за паразитных индуктивностей линий питания. Стандартное решение с обычными керамическими конденсаторами требует параллельного использования многих обычных микросхем MLCC с разными значениями емкости. Здесь конденсаторы X2Y могут заменить до пяти керамических конденсаторов одинакового размера на печатной плате. ^[26] Однако этот конкретный тип керамического конденсатора запатентован, поэтому эти компоненты по-прежнему сравнительно дороги.

Альтернативой конденсаторам X2Y может быть трехконтактный конденсатор. ^[27]

Механическая восприимчивость [ править ]

Керамика, с одной стороны, очень прочный материал; с другой стороны, он ломается даже при относительно небольших механических нагрузках. ^[28] Микросхемы MLCC как компоненты для поверхностного монтажа чувствительны к изгибающим напряжениям, поскольку они устанавливаются непосредственно на подложку. Они застревают между паяными соединениями на печатной плате (PCB) и часто подвергаются механическим воздействиям, например, при ударе по печатной плате от вибрации или удара. Они также более чувствительны к термическим нагрузкам, чем свинцовые компоненты. Избыточная высота галтели припоя может увеличить эти напряжения и вызвать растрескивание стружки. Из всех влияющих факторов наиболее критическим оказалось механическое воздействие на печатную плату. ^[29] Причина в том, что силы, вызванные такого рода напряжениями, более или менее передаются без демпфирования компонентам через печатную плату и паяные соединения.

• Чипы MLCC - правильная установка - чип с трещинами - испытание на изгиб подложки
• Правильно смонтированный и припаянный чип MLCC на печатной плате

• Микрофотография сломанной керамики в микросхеме MLCC

• Упрощенный рисунок испытания на изгиб паяного MLCC

Способность микросхем MLCC выдерживать механические нагрузки проверяется так называемым испытанием на изгиб подложки. Здесь тестовая печатная плата с припаянной микросхемой MLCC между двумя точками опоры сгибается пробойником на длину пути от 1 до 3 мм. Длина пути зависит от требований, исходящих от приложения. Если трещина не появляется, конденсаторы могут выдерживать требуемые требования. Трещины обычно обнаруживаются по короткому замыканию или изменению значения емкости в отклоненном состоянии.

Прочность на изгиб микросхемы MLCC зависит от свойств керамики, размера кристалла и конструкции конденсаторов. Без каких-либо особых конструктивных особенностей керамические чипы MLCC NP0 / C0G класса 1 достигают типичной прочности на изгиб 2 мм, в то время как более крупные типы керамических чипов X7R, Y5V класса 2 достигают только прочности на изгиб примерно 1 мм. Более мелкие чипы, такие как размер 0402, достигаются во всех типах керамики более высоких значений прочности на изгиб.

Благодаря особым конструктивным особенностям, в частности специальной конструкции электродов и выводов, прочность на изгиб может быть улучшена. Например, внутреннее короткое замыкание возникает из-за контакта двух электродов с противоположной полярностью, которое возникает при разрыве керамики в области выводов. Этого можно избежать, если уменьшить перекрывающиеся поверхности электродов. Это достигается, например, с помощью «Проектирования в открытом режиме» (OMD). Здесь обрыв в области выводов лишь немного снижает значение емкости (AVX, KEMET).

• Различные конструкции MLCC для минимизации механического напряжения
• Стандартный чип MLCC, возможно короткое замыкание, если керамика сломается из-за механического воздействия

• Микросхема MLCC «Open-Mode-Design», разрыв только снижает значение емкости

• «Конструкция с плавающим электродом» - MLCC, разрыв только снижает значение емкости

• «Flex-Termination» - микросхемы MLCC, гибкий контактный слой предотвращает поломку керамики. ^[30]

При аналогичной конструкции, называемой «Конструкция с плавающим электродом» (FED) или «Многослойные последовательные конденсаторы» (MLSC), также происходит только уменьшение емкости, если части корпуса конденсатора ломаются. Эта конструкция работает с плавающими электродами без каких-либо проводящих соединений с заделкой. Обрыв не приводит к короткому замыканию, только к уменьшению емкости. Однако обе структуры приводят к более крупным конструкциям по сравнению со стандартной версией MLCC с тем же значением емкости.

Такой же объем по сравнению со стандартными MLCC достигается за счет введения гибкого промежуточного слоя из проводящего полимера между электродами и заделкой, называемого «гибкими заделками» (FT-Cap) или «мягкими заделками». В этой конструкции жесткое металлическое паяное соединение может перемещаться по гибкому полимерному слою и, таким образом, может поглощать изгибающие усилия, не вызывая разрушения керамики. ^[31]

Подавление RFI / EMI с помощью конденсаторов X и Y [ править ]

Конденсаторы подавления являются эффективными компонентами уменьшения помех, поскольку их электрическое сопротивлениеуменьшается с увеличением частоты, так что на более высоких частотах происходит короткое замыкание электрических помех и переходных процессов между линиями или на землю. Таким образом, они предотвращают посылку и прием электромагнитных и радиочастотных помех, а также переходных процессов в линиях (X-конденсаторы) для оборудования и механизмов (включая двигатели, инверторы и электронные балласты, а также демпферы твердотельных реле и искрогасители). ) и заземление (Y-конденсаторы). Конденсаторы X эффективно поглощают симметричные, сбалансированные или дифференциальные помехи. Конденсаторы типа Y подключены в байпас линии между фазой линии и точкой нулевого потенциала для поглощения асимметричных, несимметричных или синфазных помех. ^{[32] [33] [34]}

• Подавление RFI / EMI с помощью X- и Y-конденсаторов для оборудования без и с дополнительной защитной изоляцией
• Подключение конденсатора класса I устройства

• Подключение конденсатора класса II устройства

Конденсаторы для подавления электромагнитных / радиопомех сконструированы таким образом, чтобы любые оставшиеся помехи или электрические помехи не превышали пределы, указанные в директиве по электромагнитной совместимости EN 50081. ^[35] Компоненты подавления подключаются непосредственно к сетевому напряжению на срок от 10 до 20 лет или более и поэтому потенциально подвержены опасные перенапряжения и переходные процессы. По этой причине ограничительные конденсаторы должны соответствовать требованиям безопасности и негорючести международных стандартов безопасности, таких как

• Европа: EN 60384-14,
• США: UL 1414, UL 1283
• Канада: CSA C22.2, № 1, CSA C22.2, № 8
• Китай: CQC (GB / T 14472-1998)

Конденсаторы RFI, отвечающие всем указанным требованиям, имеют сертификационный знак различных национальных агентств по стандартам безопасности. Для линий электропередачи особые требования предъявляются к негорючести покрытия и эпоксидной смоле, пропитывающей или покрывающей корпус конденсатора. Для получения сертификатов безопасности конденсаторы X и Y, рассчитанные на питание от сети, подвергаются разрушающим испытаниям до точки отказа. Даже при воздействии значительных скачков перенапряжения эти конденсаторы с рейтингом безопасности должны выходить из строя безотказным образом, не подвергая опасности персонал или имущество.

По состоянию на 2012 год ^[update]большинство керамических конденсаторов, используемых для подавления EMI / RFI, были свинцовыми для монтажа в сквозные отверстия на печатной плате ^{[36] [37],} техника поверхностного монтажа становится все более и более важной. По этой причине в последние годы множество микросхем MLCC для подавления EMI / RFI от различных производителей получили одобрения и соответствуют всем требованиям, указанным в применимых стандартах. ^{[36] [38] [39] [40] [41]}

Керамические силовые конденсаторы [ править ]

• Различные стили керамических конденсаторов для силовой электроники
• Керамический конденсатор высокого напряжения в стиле дверной ручки

• Силовой керамический конденсатор дискового типа

• Трубчатый или горшечный керамический конденсатор

Хотя материалы, используемые для керамических конденсаторов большой мощности, в основном очень похожи на материалы, используемые для меньших, керамические конденсаторы с высокой и очень высокой мощностью или номинальным напряжением для приложений в энергосистемах, передатчиках и электрических установках часто классифицируются отдельно по историческим причинам. Стандартизация керамических конденсаторов для более низкой мощности ориентирована на электрические и механические параметры в качестве компонентов для использования в электронном оборудовании. Стандартизация силовых конденсаторов, в отличие от этого, в значительной степени сосредоточена на защите персонала и оборудования, установленном местным регулирующим органом.

По мере того как современное электронное оборудование получило возможность работать с уровнями мощности, которые ранее были исключительной прерогативой «электрических» компонентов, различие между «электронной» и «электрической» номинальной мощностью стало менее четким. В прошлом граница между этими двумя семействами проходила примерно при реактивной мощности 200 вольт-ампер, но современная силовая электроника может справиться с увеличивающейся мощностью.

Силовые керамические конденсаторы в основном рассчитаны на ток намного выше 200 вольт. Высокая пластичность керамического сырья и высокая диэлектрическая прочность керамики позволяют найти решения для многих областей применения и являются причинами огромного разнообразия стилей в семействе силовых керамических конденсаторов. Эти силовые конденсаторы присутствуют на рынке уже несколько десятилетий. Они производятся в соответствии с требованиями как силовые керамические конденсаторы класса 1 с высокой стабильностью и низкими потерями или силовые керамические конденсаторы класса 2 с высоким объемным КПД.

Класс 1 электрических керамические конденсаторы используются для резонансного контура применения в передающих станциях . Силовые керамические конденсаторы класса 2 используются в автоматических выключателях , в линиях распределения питания, в источниках питания высокого напряжения в лазерных устройствах, в индукционных печах и в цепях удвоения напряжения . Силовые керамические конденсаторы могут поставляться с высоким номинальным напряжением в диапазоне от 2 кВ до 100 кВ. ^[42]

Размеры этих силовых керамических конденсаторов могут быть очень большими. В приложениях с высокой мощностью потери в этих конденсаторах могут привести к выделению большого количества тепла. По этой причине некоторые специальные типы силовых керамических конденсаторов имеют трубы для водяного охлаждения.

Электрические характеристики [ править ]

Последовательно-эквивалентная схема [ править ]

Все электрические характеристики керамических конденсаторов могут быть определены и определены последовательной эквивалентной схемой, состоящей из идеализированной емкости и дополнительных электрических компонентов, которые моделируют все потери и индуктивные параметры конденсатора. В этой последовательной эквивалентной схеме электрические характеристики конденсаторов определяются следующим образом:

• C , емкость конденсатора,
• R _insul , сопротивление изоляции диэлектрика, не путать с изоляцией корпуса.
• R _ESR , эквивалентное последовательное сопротивление , которое суммирует все омические потери конденсатора, обычно сокращенно «ESR».
• L _ESL , эквивалентная последовательная индуктивность , которая представляет собой эффективную самоиндукцию конденсатора, обычно сокращенно «ESL».

Использование последовательной эквивалентной схемы вместо параллельной эквивалентной схемы определено в IEC / EN 60384-1.

Стандартные значения емкости и допуски [ править ]

«Номинальная емкость» C _R или «номинальная емкость» C _N - это значение, на которое рассчитан конденсатор. Фактическая емкость зависит от частоты измерения и температуры окружающей среды. Стандартные условия для конденсаторов - это низковольтный метод измерения переменного тока при температуре 20 ° C и частотах

• Керамические конденсаторы класса 1
  • C _R ≤ 100 пФ на 1 МГц, измерительное напряжение 5 В
  • C _R > 100 пФ при 1 кГц, измерительное напряжение 5 В
• Керамические конденсаторы класса 2
  • C _R ≤ 100 пФ при 1 МГц, измерительное напряжение 1 В
  • 100 пФ <C _R ≤ 10 мкФ при 1 кГц, измерительное напряжение 1 В
  • C _R > 10 мкФ при 100/120 Гц, измерительное напряжение 0,5 В

Конденсаторы доступны в различных, геометрически увеличивающихся предпочтительных значениях, как указано в стандартах серии E, указанных в IEC / EN 60063 . По количеству значений на декаду их называли сериями E3, E6, E12, E24 и т. Д. Единицы, используемые для определения емкости конденсатора, включают в себя все: пикофарад (пФ), нанофарад (нФ), микрофарад (мкФ) и фарад (Ф).

Процент допустимого отклонения емкости от номинального значения называется допуском емкости . Фактическое значение емкости должно быть в пределах допуска, в противном случае конденсатор не соответствует техническим характеристикам. Для сокращенной маркировки в ограниченном пространстве буквенный код для каждого допуска указан в IEC / EN 60062 .

Требуемый допуск емкости определяется конкретным применением. Узкие допуски от E24 до E96 будут использоваться для высококачественных конденсаторов класса 1 в таких схемах, как прецизионные генераторы и таймеры. С другой стороны, для общих применений, таких как некритические схемы фильтрации или связи, для конденсаторов класса 2 достаточно серий допусков от E12 до E3.

Температурная зависимость емкости [ править ]

Емкость керамических конденсаторов зависит от температуры. Различные диэлектрики конденсаторов разных типов сильно различаются в зависимости от температуры. Температурный коэффициент выражается в частях на миллион (ppm) на градус Цельсия для керамических конденсаторов класса 1 или в процентах (%) от общего диапазона температур для конденсаторов класса 2.

Частотная зависимость емкости [ править ]

Большинство типов дискретных конденсаторов имеют большие или меньшие изменения емкости с увеличением частоты. Диэлектрическая прочность керамической и пластиковой пленки класса 2 уменьшается с увеличением частоты. Следовательно, их значение емкости уменьшается с увеличением частоты. Это явление связано с диэлектрической релаксацией, при которой постоянная времени электрических диполей является причиной частотной зависимости диэлектрической проницаемости . График справа показывает типичное частотное поведение конденсаторов класса 2 и конденсаторов класса 1.

Зависимость емкости от напряжения [ править ]

Емкость керамических конденсаторов также может изменяться в зависимости от приложенного напряжения. Этот эффект более распространен в керамических конденсаторах класса 2. Сегнетоэлектрический материал зависит от приложенного напряжения. ^{[43] [44]} Чем выше приложенное напряжение, тем ниже диэлектрическая проницаемость. Емкость, измеренная или приложенная с более высоким напряжением, может упасть до значений -80% от значения, измеренного при стандартизированном измерительном напряжении 0,5 или 1,0 В. Такое поведение является небольшим источником нелинейности в фильтрах с низким уровнем искажений и других аналоговых приложениях. В аудиоприложениях это может быть причиной гармонических искажений .

• Зависимость емкости от напряжения для некоторых керамических конденсаторов класса 2
• Упрощенная диаграмма изменения емкости в зависимости от приложенного напряжения для конденсаторов 25 В из различных марок керамики.

• Упрощенная диаграмма изменения емкости в зависимости от приложенного напряжения для керамики X7R с различным номинальным напряжением

Зависимость емкости от напряжения на обеих диаграммах выше показывает кривые для керамических конденсаторов с металлизацией NME. Для конденсаторов с металлизацией BME зависимость емкости от напряжения значительно увеличилась. ^{[45] [46] [47] [48]}

Доказательство напряжения [ править ]

Для большинства конденсаторов физически обусловленная диэлектрическая прочность или напряжение пробоя обычно могут быть указаны для каждого диэлектрического материала и толщины. Это невозможно с керамическими конденсаторами. Напряжение пробоя керамического диэлектрического слоя может варьироваться в зависимости от материала электрода и условий спекания керамики с точностью до 10 раз. Высокая степень точности и контроль параметров процесса необходимы для сохранения разброса электрических свойств в современных условиях. очень тонкие керамические слои в заданных пределах.

Доказательство напряжения керамических конденсаторов указано как номинальное напряжение (UR). Это максимальное постоянное напряжение, которое может непрерывно подаваться на конденсатор до верхнего предела температуры. Эта гарантированная проверка напряжения проверяется в соответствии с напряжениями, указанными в соседней таблице.

Кроме того, при периодических испытаниях на долговечность (испытания на долговечность) доказательство напряжения керамических конденсаторов проверяется повышенным испытательным напряжением (от 120 до 150% от U _R ) для обеспечения безопасности конструкции.

Импеданс [ править ]

Частотно-зависимое сопротивление конденсатора переменному току называется импедансом и представляет собой сложное отношение напряжения к току в цепи переменного тока. Импеданс расширяет понятие закона Ома на цепи переменного тока и обладает как величиной, так и фазой на определенной частоте, в отличие от сопротивления, которое имеет только величину.${\displaystyle Z}$

Импеданс - это мера способности конденсатора пропускать переменный ток. В этом смысле импеданс можно использовать как закон Ома.

${\displaystyle Z={\frac {\hat {u}}{\hat {\imath }}}={\frac {U_{\mathrm {AC} }}{I_{\mathrm {AC} }}}.}$

для расчета пикового или действующего значения тока или напряжения.

Как показано на схеме последовательного замещения конденсатора, реальный компонент включает идеальный конденсатор , индуктивность и резистор .${\displaystyle C}$${\displaystyle L}$${\displaystyle R}$

Для расчета импеданса необходимо геометрически сложить сопротивление и оба реактивных сопротивления.${\displaystyle Z}$

${\displaystyle Z={\sqrt {{ESR}^{2}+(X_{\mathrm {C} }+(-X_{\mathrm {L} }))^{2}}}}$

где емкостное реактивное сопротивление ( емкость ) равно

${\displaystyle X_{C}=-{\frac {1}{\omega C}}}$

а индуктивное реактивное сопротивление ( индуктивность ) равно

${\displaystyle X_{L}=\omega L_{\mathrm {ESL} }}$.

В частном случае резонанса , когда оба реактивных сопротивления имеют одинаковое значение ( ), тогда полное сопротивление будет определяться только величиной .${\displaystyle X_{C}=X_{L}}$${\displaystyle {ESR}}$

В технических характеристиках керамических конденсаторов указывается только величина импеданса . Типичная кривая импеданса показывает, что с увеличением частоты импеданс уменьшается до минимума. Чем ниже импеданс, тем легче переменные токи могут проходить через конденсатор. В минимальной точке кривой, точке резонанса, где X _C имеет то же значение, что и X _L , конденсатор показывает самое низкое значение импеданса. Здесь только омическое ESR определяет импеданс. С частотами выше резонанса импеданс снова увеличивается из-за ESL.${\displaystyle Z}$

СОЭ, коэффициент рассеяния и добротность [ править ]

Суммарные потери в керамических конденсаторах представляют собой омические потери переменного тока . Потери постоянного тока определяются как « ток утечки » или «сопротивление изоляции» и пренебрежимо малы для спецификации переменного тока. Эти потери переменного тока нелинейны и могут зависеть от частоты, температуры, возраста, а для некоторых специальных типов - от влажности. Потери возникают из-за двух физических условий:

• линейные потери с внутренними сопротивлениями питающей линии, контактное сопротивление контакта электродов, линейное сопротивление электродов
• что диэлектрические потери из-за диэлектрической поляризации

Наибольшую долю этих потерь в конденсаторах большей емкости обычно составляют омические диэлектрические потери, зависящие от частоты. Что касается стандарта IEC 60384-1, омические потери конденсаторов измеряются на той же частоте, которая используется для измерения емкости. Эти:

• 100 кГц, 1 МГц (предпочтительно) или 10 МГц для керамических конденсаторов с C _R ≤ 1 нФ:
• 1 кГц или 10 кГц для керамических конденсаторов с 1 нФ <C _R ≤ 10 мкФ
• 50/60 Гц или 100/120 Гц для керамических конденсаторов с C _R > 10 мкФ

Результаты суммарных резистивных потерь конденсатора могут быть указаны либо как эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), как коэффициент рассеяния (DF, tan δ), либо как коэффициент качества (Q), в зависимости от требований приложения.

Конденсаторы класса 2 в основном указываются с коэффициентом рассеяния tan δ. Коэффициент рассеяния определяется как тангенс реактивного сопротивления - и ESR, и может быть показан как угол между б мнимой и импеданса осей в приведенном выше векторной диаграмме, см параграф «Импеданс».${\displaystyle X_{C}}$${\displaystyle X_{L}}$

Если индуктивность мала, коэффициент рассеяния можно приблизительно рассчитать как:${\displaystyle ESL}$

${\displaystyle \tan \delta =ESR\cdot \omega C}$

Конденсаторы класса 1 с очень низкими потерями указываются с коэффициентом рассеяния и часто с коэффициентом качества (Q). Коэффициент качества определяется как величина, обратная коэффициенту рассеяния.

${\displaystyle Q={\frac {1}{tan\delta }}={\frac {f_{0}}{B}}\ }$

Коэффициент добротности отражает влияние электрического сопротивления и характеризует полосу пропускания резонатора относительно его центральной или резонансной частоты . Высокое значение добротности является признаком качества резонанса для резонансных контуров.${\displaystyle B}$${\displaystyle f_{0}}$

В соответствии с IEC 60384-8 / -21 / -9 / -22 керамические конденсаторы не могут превышать следующие коэффициенты рассеяния:

Омические потери керамических конденсаторов зависят от частоты, температуры и напряжения. Кроме того, измерения конденсаторов класса 2 изменяются из-за старения. Различные керамические материалы имеют разные потери в диапазоне температур и рабочей частоты. Изменения в конденсаторах класса 1 выражаются в однозначном диапазоне, в то время как у конденсаторов класса 2 изменения намного выше.

Использование ВЧ, индуктивности (ESL) и собственной резонансной частоты [ править ]

Электрический резонанс возникает в керамическом конденсаторе на определенной резонансной частоте, когда мнимые части импеданса и проводимости конденсатора компенсируют друг друга. Эта частота, при которой X _C достигает X _L , называется собственной резонансной частотой и может быть вычислена с помощью:

${\displaystyle \omega ={\frac {1}{\sqrt {LC}}}}$

где ω = 2π f , где f - резонансная частота в герцах , L - индуктивность в генри , а C - емкость в фарадах .

Чем меньше емкость C и индуктивность L, тем выше резонансная частота. Саморезонансная частота - это самая низкая частота, при которой полное сопротивление проходит через минимум. Для любого приложения переменного тока собственная резонансная частота - это самая высокая частота, на которой конденсатор может использоваться в качестве емкостного компонента. На частотах выше резонанса импеданс снова увеличивается из-за ESL: конденсатор становится индуктором с индуктивностью, равной ESL конденсатора, и сопротивлением, равным ESR на данной частоте.

ESL в промышленных конденсаторах в основном вызывается выводами и внутренними соединениями, используемыми для подключения пластин к внешнему миру. Конденсаторы большего размера имеют тенденцию к более высокому ESL, чем маленькие, потому что расстояния до пластины больше, и каждый миллиметр увеличивает индуктивность.

Керамические конденсаторы, которые доступны в диапазоне очень малых значений емкости (пФ и выше), уже вышли из своих меньших значений емкости, подходящих для более высоких частот до нескольких 100 МГц (см. Формулу выше). Из-за отсутствия выводов и близости к электродам микросхемы MLCC имеют значительно более низкую паразитную индуктивность, чем выводы с выводами, что делает их пригодными для высокочастотных приложений. Дальнейшее снижение паразитной индуктивности достигается за счет контакта электродов на продольной стороне чипа, а не на боковой стороне.

Примеры собственных резонансных частот для одного набора NP0 / C0G и одного набора керамических конденсаторов X7R: ^[49]

Обратите внимание, что X7R имеют лучшую частотную характеристику, чем C0G. Однако это имеет смысл, поскольку конденсаторы класса 2 намного меньше, чем класса 1, поэтому они должны иметь меньшую паразитную индуктивность.

Старение [ править ]

В сегнетоэлектриках класса 2 емкость керамических конденсаторов со временем уменьшается. Такое поведение называется «старением». Старение происходит в сегнетоэлектрических диэлектриках, где области поляризации в диэлектрике вносят вклад в общую поляризацию. Деградация поляризованных доменов в диэлектрике со временем снижает диэлектрическую проницаемость, так что емкость керамических конденсаторов класса 2 уменьшается по мере старения компонента. ^{[50] [51]}

Старение происходит по логарифмическому закону. Этот закон определяет уменьшение емкости в процентах в течение десяти лет после времени восстановления пайки при определенной температуре, например, в период от 1 до 10 часов при 20 ° C. Поскольку закон является логарифмическим, процентная потеря емкости будет в два раза в диапазоне от 1 до 100 часов и в 3 раза в диапазоне от 1 до 1000 часов и так далее. Таким образом, старение происходит быстрее всего в начале, и значение емкости эффективно стабилизируется с течением времени.

Скорость старения конденсаторов класса 2 в основном зависит от используемых материалов. Как показывает практика, чем выше температурная зависимость керамики, тем выше процент старения. Типичное старение керамических конденсаторов X7R составляет около 2,5% за декаду ^[52]. Скорость старения керамических конденсаторов Z5U значительно выше и может достигать 7% за декаду.

Процесс старения конденсаторов класса 2 можно обратить вспять, нагревая компонент выше точки Кюри . ^[2]

Конденсаторы класса 1 не подвержены ферроэлектрическому старению, как конденсаторы класса 2. Но влияние окружающей среды, такое как более высокая температура, высокая влажность и механическое напряжение, может в течение более длительного периода времени привести к небольшому необратимому снижению емкости, иногда также называемому старением. Изменение емкости для конденсаторов P 100 и N 470 класса 1 составляет менее 1%, для конденсаторов с керамикой от N 750 до N 1500 - ≤ 2%.

Сопротивление изоляции и постоянная саморазряда [ править ]

Сопротивление диэлектрика никогда не бывает бесконечным, что приводит к некоторому уровню постоянного «тока утечки» , который способствует саморазряду. Для керамических конденсаторов это сопротивление, включенное параллельно конденсатору в эквивалентной схеме последовательного замещения конденсаторов, называется «сопротивлением изоляции R _ins ». Сопротивление изоляции не следует путать с внешней изоляцией по отношению к окружающей среде.

Скорость саморазряда при уменьшении напряжения на конденсаторе определяется по формуле

${\displaystyle u(t)=U_{0}\cdot \mathrm {e} ^{-t/\tau _{\mathrm {s} }},}$

При сохранении постоянного напряжения и постоянной саморазряда${\displaystyle U_{0}}$

${\displaystyle \tau _{\mathrm {s} }=R_{\mathrm {ins} }\cdot C}$

Это означает, что после падения напряжения на конденсаторе до 37% от начального значения.${\displaystyle \tau _{\mathrm {s} }\,}$${\displaystyle U_{0}}$

Сопротивление изоляции, указанное в единицах МОм (10 ⁶ Ом), а также постоянная саморазряда в секундах являются важным параметром для качества диэлектрической изоляции. Эти значения времени важны, например, когда конденсатор используется в качестве компонента синхронизации для реле или для хранения значения напряжения, как в схемах выборки и хранения или операционных усилителях .

В соответствии с применимыми стандартами керамические конденсаторы класса 1 имеют R _ins ≥ 10 000 МОм для конденсаторов с C _R ≤ 10 нФ или τ _s ≥ 100 с для конденсаторов с C _R > 10 нФ. Керамические конденсаторы класса 2 имеют R _ins ≥ 4000 МОм для конденсаторов с C _R ≤ 25 нФ или τ _s ≥ 100 с для конденсаторов с C _R > 25 нФ.

Сопротивление изоляции и, следовательно, время саморазряда зависят от температуры и уменьшаются с повышением температуры примерно на 1 МОм на 60 ° C.

Диэлектрическая абсорбция (пропитка) [ править ]

Диэлектрическое поглощение - это эффект, при котором конденсатор, который заряжался в течение длительного времени, разряжается только частично. Хотя идеальный конденсатор остается при нулевом вольт после разряда, реальные конденсаторы будут развивать небольшое напряжение, возникающее из-за дипольного разряда с задержкой по времени, явление, которое также называется диэлектрической релаксацией , «замачиванием» или «действием батареи».

Во многих применениях конденсаторов диэлектрическое поглощение не является проблемой, но в некоторых приложениях, таких как интеграторы с длительной постоянной времени , схемы выборки и хранения , аналого-цифровые преобразователи с переключаемыми конденсаторами и фильтры с очень низким уровнем искажений , это Важно, чтобы конденсатор не восстанавливал остаточный заряд после полной разрядки, и указаны конденсаторы с низким потреблением энергии. Напряжение на выводах, создаваемое диэлектрической абсорбцией, в некоторых случаях может вызвать проблемы в работе электронной схемы или может представлять угрозу безопасности персонала. Чтобы предотвратить удары, большинство очень больших конденсаторов, таких как силовые конденсаторы, поставляются с закорачивающими проводами, которые перед использованием удаляются. ^[53]

Микрофония [ править ]

Все керамические конденсаторы класса 2, в которых используется сегнетоэлектрическая керамика, демонстрируют пьезоэлектричество и имеют пьезоэлектрический эффект, называемый микрофоном , микрофоном или писком в звуковых приложениях. ^[54] Микрофония описывает явление, при котором электронные компоненты преобразуют механические колебания в электрический сигнал, который во многих случаях является нежелательным шумом . ^{[55] В} чувствительных электронных предусилителях обычно используются керамические и пленочные конденсаторы класса 1, чтобы избежать этого эффекта. ^[55]

В обратном микрофонном эффекте изменяющееся электрическое поле между пластинами конденсатора оказывает физическую силу, перемещая их как динамик. ^[55] Сильноточные импульсные нагрузки или токи с высокой пульсацией могут генерировать слышимый акустический звук, исходящий от конденсатора, но разряжает конденсатор и вызывает напряжение диэлектрика. ^{[56] [57] [58]}

Пайка [ править ]

Электрические параметры керамических конденсаторов могут измениться из-за напряжения при пайке. Тепло ванны с припоем, особенно для SMD-стилей, может вызвать изменение контактного сопротивления между выводами и электродами. Для сегнетоэлектрических керамических конденсаторов класса 2 температура пайки выше точки Кюри . Поляризованные домены в диэлектрике возвращаются, и процесс старения керамических конденсаторов класса 2 начинается снова. ^[2]

Следовательно, после пайки необходимо время восстановления примерно 24 часа. После восстановления некоторые электрические параметры, такие как значение емкости, ESR, токи утечки, необратимо изменяются. Изменения находятся в нижнем процентном диапазоне в зависимости от типа конденсатора.

Дополнительная информация [ править ]

Стандартизация [ править ]

Стандартизация всех электрических , электронных компонентов и связанных технологий следует правилам, установленным Международной электротехнической комиссией (МЭК) ^[59] , некоммерческой неправительственной международной организацией по стандартизации . ^{[60] [61]}

Определение характеристик и процедура методов испытаний конденсаторов для использования в электронном оборудовании изложены в общих технических условиях:

• IEC 60384-1, Конденсаторы постоянной емкости для использования в электронном оборудовании. Часть 1. Общие технические условия.

Испытания и требования, которым должны соответствовать керамические конденсаторы для использования в электронном оборудовании для утверждения в качестве стандартизованных типов, изложены в следующих спецификациях:

• IEC 60384-8, Конденсаторы постоянной емкости из керамического диэлектрика, класс 1
• IEC 60384-9, Конденсаторы постоянной емкости из керамического диэлектрика, класс 2
• IEC 60384-21, Многослойные конденсаторы из керамического диэлектрика с фиксированной поверхностью, класс 1
• IEC 60384-22, Многослойные конденсаторы из керамического диэлектрика с фиксированной поверхностью, класс 2

Замена танталового конденсатора [ править ]

Многослойные керамические конденсаторы все чаще используются для замены танталовых и алюминиевых электролитических конденсаторов с низкой емкостью в таких приложениях, как байпасные или высокочастотные импульсные источники питания, поскольку их стоимость, надежность и размер становятся конкурентоспособными. Во многих случаях их низкое ESR позволяет использовать более низкое значение номинальной емкости. ^{[62] [63] [64] [65] [66]}

Особенности и недостатки керамических конденсаторов [ править ]

Особенности и недостатки керамических конденсаторов см. В основной статье Типы конденсаторов # Сравнение характеристик конденсаторов

Маркировка [ править ]

Отпечатанные отметки [ править ]

Если позволяет место, керамические конденсаторы, как и большинство других электронных компонентов, имеют нанесенную маркировку с указанием производителя, типа, их электрических и тепловых характеристик и даты изготовления. В идеальном случае, если они достаточно большие, конденсатор будет иметь маркировку:

• название производителя или товарный знак;
• обозначение типа изготовителя;
• номинальная емкость;
• допуск на номинальную емкость
• номинальное напряжение и характер питания (переменный или постоянный ток)
• климатическая категория или номинальная температура;
• год и месяц (или неделя) выпуска;
• сертификационные знаки стандартов безопасности (для предохранительных конденсаторов EMI / RFI)

Конденсаторы меньшего размера используют сокращенное обозначение, чтобы отображать всю необходимую информацию в ограниченном пространстве. Наиболее часто используемый формат: XYZ J / K / M VOLTS V, где XYZ представляет собой емкость (рассчитанную как XY × 10 ^Z пФ), буквы J, K или M указывают допуск (± 5%, ± 10% и ± 20% соответственно), а VOLTS V представляет рабочее напряжение.

Примеры [ править ]

• Конденсатор со следующим текстом на корпусе: 105K 330V имеет емкость 10 × 10 ⁵ пФ = 1 мкФ (K = ± 10%) с рабочим напряжением 330 В.
• Конденсатор со следующим текстом: 473M 100V имеет емкость 47 × 10 ³ пФ = 47 нФ (M = ± 20%) с рабочим напряжением 100 В.

Емкость, допуск и дату изготовления можно идентифицировать с помощью короткого кода в соответствии с IEC / EN 60062 . Примеры короткой маркировки номинальной емкости (микрофарад):

• µ47 = 0,47 мкФ
• 4µ7 = 4,7 мкФ
• 47 мкФ = 47 мкФ

Дата изготовления часто печатается в соответствии с международными стандартами.

• Версия 1: кодирование числовым кодом года / недели, «1208» означает «2012 год, неделя номер 8».
• Версия 2: кодирование с кодом года / кода месяца,

Код года: «R» = 2003, «S» = 2004, «T» = 2005, «U» = 2006, «V» = 2007, «W» = 2008, «X» = 2009, «A» = 2010. , «B» = 2011, «C» = 2012, «D» = 2013 и т. Д.

Код месяца: от "1" до "9" = с января по сентябрь, "O" = октябрь, "N" = ноябрь, "D" = декабрь.

«Х5» значит «2009, май».

Для очень маленьких конденсаторов, таких как микросхемы MLCC, маркировка невозможна. Здесь только отслеживание производителей может гарантировать идентификацию типа.

Цветовая кодировка [ править ]

Идентификация современных конденсаторов не имеет подробной цветовой кодировки.

Производители и продукты [ править ]

Обзор действующих производителей во всем мире и их ассортимента продукции по состоянию на 2012 год ^[update]приведен в следующей таблице:

См. Также [ править ]

• Конденсатор развязки
• Список производителей конденсаторов
• Лента литье
• Типы конденсатора

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме керамических конденсаторов .