Керамические конденсаторы большой емкости
 

В. Степуков

Керамические конденсаторы большой емкости

Керамические конденсаторы являются естественным элементом практически любой электронной схемы. Они применяются там, где необходима способность работать с сигналами меняющейся полярности, необходимы хорошие частотные характеристики, малые потери, незначительные токи утечки, небольшие габаритные размеры и низкая стоимость. Там же, где эти требования пересекаются, они практически незаменимы. Но проблемы, связанные с технологией их производства, отводили этому типу конденсаторов нишу устройств малой ёмкости. Действительно, керамический конденсатор на 10 мкФ ещё недавно воспринимался как удивительная экзотика, и стоило такое чудо как горсть алюминиевых электролитических, таких же ёмкости и напряжения, либо как несколько аналогичных танталовых.

Однако, развитие технологий позволило к настоящему времени сразу нескольким фирмам заявить о достижении ими ёмкости керамических конденсаторов 100 мкФ и анонсировать начало производства приборов ещё больших номиналов в конце этого года. А сопровождающее этот процесс непрерывное падение цен на все изделия данной группы заставляет внимательнее присмотреться ко вчерашней экзотике, чтобы не отстать от технического прогресса и сохранить конкурентоспособность.

Структура многослойного керамического конденсатора
Рисунок 1. Структура многослойного керамического конденсатора

Несколько слов о технологиях. Говоря о керамических конденсаторах, мы будем рассматривать многослойные керамические структуры. На рис. 1 представлена структура такого конденсатора, а на рис. 2 - фотография сильно увеличенного среза изделия одного из мировых лидеров их производства — японской фирмы Murata.

Срез структуры конденсатора фирмы Murata
Рисунок 2. Срез структуры конденсатора фирмы Murata (увеличено)

Ёмкость многослойных керамических конденсаторов определяется формулой:

Формула для определения ёмкости многослойных керамических конденсаторов., (1)

где e0 - константа диэлектрической проницаемости вакуума; e - константа диэлектрической проницаемости, используемой в качестве диэлектрика керамики; S0 - активная площадь одного электрода; n - число слоёв диэлектрика; d - толщина слоя диэлектрика.

Таким образом, увеличения ёмкости конденсатора можно добиться уменьшением толщины слоёв диэлектрика, увеличением числа электродов, их активной площади и увеличением диэлектриче-ской проницаемости диэлектрика.

Уменьшение толщины диэлектрика и связанная с этим возможность увеличения количества электродов — основной способ увеличения ёмкости керамиче-ских конденсаторов. Но снижение толщины диэлектрика приводит с снижению напряжения пробоя, поэтому конденсаторы большой ёмкости на высокое рабочее напряжение встречаются редко.

Увеличение числа слоёв диэлектрика — процесс, технологически связанный с уменьшением толщины единичного слоя. Рис. 3 отображает технологические тенденции послед-них лет в этой области, представленные фирмой Murata.

Взаимозависимость толщины слоя диэлектрика и числа слоёв многослойных конденсаторов
Рисунок 3. Взаимозависимость толщины слоя диэлектрика и числа слоёв многослойных конденсаторов

Увеличение активной площади одного электрода - это увеличение габаритных размеров конденсатора — крайне неприятное явление, приводящее к резкому росту стоимости изделия.

Увеличение диэлектрической проницаемости при заметном увеличении ёмкости приводит к существенному ухудшению температурной стабильности и сильной зависимости ёмкости от приложенного напряжения.

Теперь рассмотрим возможности и особенности применения керамических конденсаторов большой ёмкости. Перед началом обсуждения стоит обратить внимание на уже имеющиеся предложения и ближайшие планы лидеров отрасли фирм Murata и Samsung Electro-Mechanics, представленные в табл. 1.

Таблица 1. * Выпускаемые и перспективные модели

Murata X5R/X7R
100 220  
В 1210 1812 2220 2220  
50 В 1206 1210 1210 1210/1812 2220  
25 В 0603/0805 0805/1206 1206 1206/1210 1812 2220  
16 В 0603 0805 1206 1206 1210 1812  
10 В 0603/0402 0603 0603/0805 0805/1206 0805/1206 1210 1812/2220
6,3 В 1 мкФ 2,2 мкФ 4,7 мкФ 10 мкФ 22 мкФ 47 мкФ 100 мкФ
Samsung Electro-Mechanics X7R
100 В 1210 2220  
50 В 1210  
25 В 1206  
16 В 0805 1206 1206 1210  
10 В 0805 1206 1206 1206 1812  
6,3 В 0603 0805 0805 0805 1210   2220
  1 мкФ 2,2 мкФ 4,7 мкФ 10 мкФ 22 мкФ 47 мкФ 100 мкФ
Murata Y5V
100 В 1210  
50 В 1206   1210 1812  
25 В 0805 0805 1206 1210  
16 В 0603 0805 1206  
10 В 0603   0805 0805 1210  
6,3 В 0402 0603   0805 1206 1210 1812
  1 мкФ 2,2 мкФ 4,7 мкФ 10 мкФ 22 мкФ 47 мкФ 100 мкФ
Samsung Electro-Mechanics Y5V
100 В  
50 В 1210 1812  
25 В 0805 1206 1206 1206  
16 В 0603 0805 1206 1206  
10 В 0603 0805 0805 1206 1206 1812 2220
63 В  
  1 мкФ 2,2 мкФ 4,7 мкФ 10 мкФ 22 мкФ 47 мкФ 100 мкФ

*) Ожидается в ближайшем будущем;уже доступно.

Естественной областью применения подобного спектра керамических конденсаторов большой ёмкости может быть замена ими танталовых и алюминиевых конденсаторов для поверхностного монтажа в схемах подавления пульсаций, разделения постоянной и переменной составляющих электрического сигнала, интегрирующих цепочках. Однако, при этом необходимо учитывать принципиальные различия между этими группами деталей, делающие, в большинстве случаев, бессмысленными замены вида электролитический конденсатор "номинал x напряжение" на керамический конденсатор аналогичного "номинала x напряжения". Рассмотрим коротко основные причины этого.

Частотные свойства конденсаторов определяет зависимость их импеданса и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) от частоты. Типичные зависимости такого рода для керамических, танталовых и алюминиевых конденсаторов приведены на рис. 4 и 5.

Зависимость импеданса конденсаторов от частоты
Рисунок 4. Зависимость импеданса конденсаторов от частоты

Зависимость ESR конденсаторов от частоты
Рисунок 5. Зависимость ESR конденсаторов от частоты

Существенная разница в импедансе керамических конденсаторов на частотах выше 1 кГц с алюминиевыми электролитическими и свыше 10 Гц с танталовыми конденсаторами позволяет в некоторых случаях использовать для сглаживания пульсаций напряжения номиналы меньшей ёмкости для получения аналогичного эффекта. Данные, характеризующие разницу в величине сглаживания паразитных синусоидальных пульсаций различных частот конденсаторами разного типа, но одинаковой ёмкости 10 мкФ, даны в табл. 2.

Таблица 2. Сравнительные характеристики конденсаторов различных типов

Частота пульсации Входная амплитуда пульсации Выходная амплитуда пульсации, мВ
Алюминиевые эл-кие конденсаторы Танталовые эл-кие конденсаторы Керамические конденсаторы
10 кГц 2 В 534 204 196
100 кГц 336 64 16
500 кГц 346 38 12
1 МГц 332 30 3

Таким образом, для обеспечения одинакового с танталовым конденсатором в 10 мкФ уровня подавления пульсаций частотой 1 МГц можно использовать керамический конденсатор ёмкостью 1,0–2,2 мкФ. Экономия места на плате и денег очевидна.

Низкое эквивалентное последовательное сопротивление и связанные с ним малые потери позволяют значительно сильнее нагружать керамические конденсаторы, нежели электролитические, не вызывая при этом критического для детали разогрева, несмотря на их значительно более скромные габаритные размеры. Сравнительные кривые разогрева конденсаторов токами пульсации различной частоты приведены на рис. 6.

Зависимость разогрева конденсаторов от тока пульсации
Рисунок 6. Зависимость разогрева конденсаторов от тока пульсации на частотах 100 кГц (а) и 1 МГц (б)

Ещё одним немалым плюсом керамических конденсаторов является их способность выдерживать кратковременные высокие напряжения перегрузки, многократно превышающие номинальные. Кто выбирал сглаживающие конденсаторы для импульсных источников питания, знает, как это важно, ибо в моменты запуска и выключения в них могут генерироваться импульсы амплитудой до нескольких значений выходного напряжения, вынуждая использовать электролитические конденсаторы с большим запасом по напряжению.

Сравнительные характеристики напряжения пробоя для различных типов конденсаторов по результатам тестов, проведённых фирмой Murata, приведены на рис. 7.

Характеристики пробоя конденсаторов разных типов
Рисунок 7. Характеристики пробоя конденсаторов разных типов

Теперь несколько слов о грустном. При всех своих достоинствах, керамические конденсаторы большой ёмкости производятся с использованием диэлектриков типа X7R/X5R и Y5V. Их отличительной особенностью является сильная зависимость диэлектрической проницаемости, а с ней, согласно (1), и ёмкости от температуры и приложенного напряжения. Типичные зависимости такого рода для конденсаторов разных типов показаны на рис. 8 и 9.

Температурная зависимость ёмкости конденсаторов
Рисунок 8. Температурная зависимость ёмкости конденсаторов

Зависимость ёмкости конденсаторов от приложенного напряжения
Рисунок 9. Зависимость ёмкости конденсаторов от приложенного напряжения

Из них видим, что при достаточно жёстких требованиях к стабильности номинала, например, во времязадающих цепях или при развязке постоянной и переменной составляющих, на замену электролитическим конденсаторам можно рекомендовать только керамические с диэлектриком X7R, который может оказаться ещё более интересным, если принять во внимание его допустимый диапазон рабочих температур -55 : +125°С, позволяющий ему найти применение как в аппаратуре, рассчитанной на работу на улице в условиях севера, так и в автомобильной технике, с её жёсткими требованиями к сохранению работоспособности при высоких температурах.

Однако, для сглаживающего конденсатора стабильность номинала не является критическим параметром. Поэтому можно рассчитывать и на высокую востребованность приборов на основе менее стабильной керамики Y5V, из которой можно получить детали меньшего габарита и стоимости.

 
Автор документа: Сергей Гаврилюк , http://www.gaw.ru"
Дата публикации: 08.08.2007
Дата редактирования: 08.08.2007
Кол-во просмотров 7729
 
 Все новости одной лентой