Особенности керамического конденсатора

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.

Несколько слов о технологиях. Говоря о керамических конденсаторах, мы будем рассматривать многослойные керамические структуры. структура а на рисунке который вы увидите ниже бет показан срез с изделия одного из мировых лидеров их производства - японской фирмы Murata.

Рисунок 2. Срез структуры конденсатора фирмы Murata (увеличено)

Ёмкость многослойных керамических конденсаторов определяется формулой:

де 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 диэлектрической проницаемости диэлектрика.

Уменьшение толщины диэлектрика и связанная с этим возможность увеличения количества электродов - основной способ увеличения ёмкости керамических 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. Следующий рисунок отображает технологические тенденции последних лет в этой области, представленные фирмой Murata.

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 таблице:

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 ниже на рисунках.

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 таблице.

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 ниже на рисунках.

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 рисунке:

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 ниже на двух рисунках.

Поиск по сайту: