Керамический конденсатор в условиях изменения температуры и напряжения

Автор: Марк Фортунато

Ссылка на оригинал статьи на английском языке.

Данная статья является сокращенным техническим переводом статьи Mark Fortunato.

Аннотация: Реальность параметров современных керамических конденсаторов SMD — хорошее напоминание о том, что всегда нужно читать техническое описание. В этой публикации объясняется, как обозначения типов керамических конденсаторов, такие как X7R и Y5V, ничего не говорят о коэффициентах напряжения.

Введение: я был удивлен тому, что после 25 лет работы с этими конденсаторами, я узнал кое-что новое. Я работал над драйвером светодиодной лампы, и постоянная времени RC-цепи в моем проекте бала не стабильной.

На всякий случай я купил новые резисторы и конденсатор, измерил и установил их. Я включил схему, проверил, но моя проблема постоянной времени RC так и осталась.
Я тестировал схему в корпусе, который сам находился в корпусе, имитирующем «банку» для потолочного освещения. Температура компонентов в некоторых случаях превышала + 100 ° C. Следующим моим выводом, конечно же, было то, что проблема заключалась в изменении температуры конденсатора.

Я скептически отнесся к этому выводу, так как использовал конденсаторы X7R, которые, как я знал много лет, изменялись только на ± 15% до + 125 ° C. Чтобы убедиться в этом, я просмотрел документацию на конденсатор, который я использовал. Тогда и изменилось мое мнение о керамических конденсаторах.

Справочная информация о некоторых основных типах керамических конденсаторов
Для тех, кто не запомнил эти вещи (как практически все), в таблице 1 показаны буквы и цифры, используемые для обозначения типов керамических конденсаторов, и их значение. В таблице приведены данные керамических конденсаторов классов II и III. Не вдаваясь в подробности, можно сказать, что конденсаторы класса I включают обычный тип COG (NPO). Их параметры не так зависят от их размера, как те, что указаны в нашей таблице, но они гораздо более устойчивы к условиям окружающей среды и не проявляют пьезоэффекта. Однако те, что указаны в таблице ниже, могут иметь самые разные характеристики. Они будут расширяться и сжиматься под действием приложенного напряжения, иногда вызывая слышимое жужжание или звон.

Таблица 1. Типы керамических конденсаторов

По моему опыту, из множества типов конденсаторов, перечисленных выше, наиболее распространенными являются X5R, X7R и Y5V. Я никогда не использую Y5V из-за очень большого изменения емкости в зависимости от условий окружающей среды. Когда производители конденсаторов разрабатывают продукты, они выбирают материалы с характеристиками, которые позволят конденсаторам работать в заданном диапазоне (3-й символ) в заданном температурном диапазоне (1-й и 2-й символы). Конденсаторы X7R, которые я использовал, не должны изменяться более чем на ± 15% в диапазоне температур от -55 ° C до + 125 ° C. Итак, либо у меня была испорченная партия конденсаторов, либо с моей схемой что-то случилось.

Не все X7R одинаковые

Поскольку моя проблема с постоянной времени RC была намного сложнее, чем можно было бы объяснить указанным изменением температуры, мне пришлось копать глубже. Глядя на данные об изменении емкости, в зависимости от приложенного напряжения для моего конденсатора, я был удивлен, увидев, насколько его емкость зависит от условий, которые я установил. Я выбрал конденсатор на 16 В для работы с напряжением 12 В. В техническом паспорте указано, что мой конденсатор 4,7 мкФ обычно обеспечивает емкость 1,5 мкФ в этих условиях! Теперь это объясняет проблему, возникшую в моей RC-цепи.
В паспорте тогда было показано, что если я просто увеличу размер конденсатора с 0805 до 1206, типичная емкость в этих условиях будет 3,4 мкФ. Это потребовало дополнительных исследований. Я обнаружил, что на веб-сайтах Murata и TDK® есть отличные инструменты, которые позволяют отображать изменения параметров конденсаторов в различных условиях окружающей среды. Я исследовал конденсаторы 4,7 мкФ различных размеров и приложенных напряжений. На рис. 1 показаны данные, полученные мною с помощью инструмента Murata, для нескольких различных керамических конденсаторов 4,7 мкФ. Я рассмотрел оба типа X5R и X7R в размерах корпуса от 0603 до 1812 и с номинальным напряжением от 6,3 до 25 В постоянного тока.

Figure. 1. Изменение емкости в зависимости от напряжения постоянного тока для выбранных конденсаторов 4,7 мкФ.

Обратите внимание, во-первых, что по мере увеличения размера корпуса изменение емкости в зависимости от приложенного напряжения постоянного тока уменьшается, причем существенно. Второй интересный момент заключается в том, что в зависимости от размера корпуса и керамического типа конденсатора номинальное напряжение последних часто не оказывает никакого влияния. Я ожидал, что использование конденсатора с номиналом 25 В при 12 В будет иметь меньшие отклонения, чем конденсатор с номиналом 16 В при том же смещении. Глядя на кривые для X5R в корпусе 1206, мы видим, что компонент с номинальным напряжением 6,3 В действительно работает лучше, чем его братья и сестры с более высоким номинальным напряжением. Если бы мы рассмотрели более широкий спектр конденсаторов, мы бы обнаружили, что такое поведение является обычным. Примерный набор конденсаторов, который я рассматривал, не проявляет такого поведения, как большинство керамических конденсаторов.

Третье наблюдение заключается в том, что для одного и того же корпуса X7R всегда имеют лучшую чувствительность к изменению напряжения, чем X5R. Я не знаю, верно ли это всегда и везде, но в моем исследовании так казалось.

Используя данные этого графика, в таблице 2 показано, насколько уменьшились емкости X7R при смещении 12 В.

Таблица 2. Конденсаторы X7R со смещением 12 В

Мы видим улучшение по мере перехода к конденсаторам большего размера, пока не достигнем размера 1210. Выход за пределы этого размера не приводит к улучшению.
В моем случае я выбрал самый маленький из доступных пакетов для 4,7 мкФ X7R, потому что размер был проблемой для моего проекта. По своему незнанию я предположил, что любой X7R так же эффективен, как и любой другой X7R — очевидно, что это не так. Чтобы обеспечить надлежащую работоспособность моей схемы, мне пришлось использовать конденсатор большего размера.

Выбор подходящего конденсатора

Очень не хотелось переходить на пакет 1210. К счастью, у меня была возможность увеличить номиналы резисторов примерно в 5 раз и, таким образом, уменьшить емкость до 1,0 мкФ. На рис. 2 показан график зависимости емкости в процентах от напряжения нескольких конденсаторов X7R на 16 В, 1,0 мкФ от их «собратьев» на 4,7 мкФ, 16 В, X7R.

Конденсатор 0603 1,0 мкФ ведет себя примерно так же, 0805 4,7 мкФ. Конденсаторы 1 мкФ 0805 и 1206 работают немного лучше, чем конденсаторы 1210 4,7 мкФ. Используя конденсатор 0805 1,0 мкФ, я, таким образом, смог сохранить размер конденсатора неизменным, в то же время получив конденсатор, емкость которого упала только примерно до 85% от номинала, а не до 30%.

Но нужно было узнать еще кое-что. Я связался с коллегой и экспертом по керамическим конденсаторам ». Он объяснил, что есть много материалов, которые квалифицируются как« X7R ». Фактически, любой материал, который позволяет устройству соответствовать или превосходить температурные характеристики X7R, ± 15% в диапазоне температур от -55 ° C до + 125 ° C, может называться X7R. Он также пояснил, что нет спецификаций коэффициента напряжения для X7R или любых других типов. Это очень важный момент, поэтому я повторю его. Производитель может назвать конденсатор X7R (или X5R, или любого другого типа), если он соответствует спецификациям температурного коэффициента, независимо от того, насколько плох коэффициент напряжения.

Этот факт просто подтверждает старую истину, которую знает любой опытный разработчик: «Прочтите техническое описание!»

Скачать данную Статью