Что делает многослойные керамические конденсаторы разными?
Вы можете обнаружить, что многослойные керамические конденсаторы (MLCC, Multilayer Ceramic Capacitors) доступны в широком диапазоне корпусов, размеров и диэлектрических материалов. В зависимости от их характеристик эти конденсаторы разделены классификацией диэлектриков на классы I, II и III. Существует несколько типов диэлектриков, каждый из которых имеет различные характеристики. Данная статья представляет различия между классами MLCC конденсаторов в характеристиках смещения постоянным напряжением, старения и пьезоэлектрического шума, присущих многим керамическим конденсаторам.
Обозначения
Стандарт 198 Американского союза электроники (EIA, Electronic Industries Alliance) определяет температурный коэффициент емкости (ТКЕ, он же TCC, temperature coefficient of capacitance) керамических конденсаторов. При использовании этих определений вы увидите такие обозначения диэлектриков MLCC конденсаторов, как Y5V, X7R и C0G. Каждая буква здесь имеет значение. Вы можете использовать таблицы ниже для расшифровки этих обозначений.
ppm – милионная доля, 10-6.
| Буква | Значащее число температурного коэффициента, ppm/°C | Цифра | Множитель значащего числа | Буква | Допустимое отклонение температурного коэффициента, ±ppm/°C |
| C | 0 | 0 | –1 | G | 30 |
| B | 0,3 | 1 | –10 | H | 60 |
| L | 0,8 | 2 | –100 | J | 120 |
| A | 0,9 | 3 | –1000 | K | 250 |
| M | 1,0 | 4 | –10000 | L | 500 |
| P | 1,5 | 5 | +1 | M | 1000 |
| R | 2,2 | 6 | +10 | N | 2500 |
| S | 3,3 | 7 | +100 | ||
| T | 4,7 | 8 | +1000 | ||
| U | 7,5 | 9 | +10000 |
| Буква | Минимальная температура (°C) | Цифра | Максимальная температура (°C) | Буква | Максимальное изменение емкости в температурном диапазоне (%) | |
| Z | +10 | 2 | +45 | A | ±1,0 | Класс 2 |
| Y | –30 | 4 | +65 | B | ±1,5 | |
| X | –55 | 5 | +85 | C | ±2,2 | |
| 6 | +105 | D | ±3,3 | |||
| 7 | +125 | E | ±4,7 | |||
| 8 | +150 | F | ±7,5 | |||
| 9 | +200 | P | ±10 | |||
| R | ±15 | |||||
| S | ±22 | |||||
| *L | от +15 до –40 | |||||
| T | от +22 до –33 | Класс 3 | ||||
| U | от +22 до –56 | |||||
| V | от +22 до –82 |
Класс I
Иногда называемые как NP0, C0G считаются ультрастабильными. Используя таблицу для расшифровки «имени», мы можем увидеть, то ТКЕ для C0G составляет ±30 ppm/°C (±30 миллионных долей на градус Цельсия) в номинальном температурном диапазоне. Другими словами, емкость C0G будет меняться незначительно из-за изменений температуры.
Промышленные конденсаторы C0G от KEMET изготавливаются с использованием уникального состава цирконата кальция. Этот материал является параэлектрическим, что обеспечивает его стабильность при прикладывании постоянного напряжения.
Поскольку классификация не определяет используемый материал, другие производители могут использовать различные составы или разные наборы материалов.
Классы II и III
Диэлектрики классов II и III используют немного отличающуюся от класса I систему именования.
- Первая буква представляет собой самую низкую температуру.
- Вторая цифра представляет собой максимальную температуру.
- Третья буква указывает максимальное изменение емкости, которое будет происходить между минимальной и максимальной температурами в заданном диапазоне.
Например, давайте рассмотрим X7R в таблице классов II/III. X означает –55°C, 7 означает +125°C, а R означает изменение емкости ±15% в пределах указанного температурного диапазона.
Разница между классами II и III заключается в том, насколько емкость будет изменяться при определенной температуре. Как правило, в качестве диэлектрика классов II и III используется титанат бария. Данный материал является сегнетоэлектриком, который является источником нестабильности емкости.
По мере увеличения класса некоторые из отрицательных характеристик диэлектрика усиливаются.
Изменения при прикладывании напряжения
Термины «смещение постоянным напряжением» или «коэффициент напряжения» относятся к потерям емкости при прикладывании напряжения. Этот эффект наблюдается в сегнетоэлектрических материалах, таких как титанат бария, используемый в большинстве конденсаторов X5R и X7R. В зависимости от состава диэлектрика эти конденсаторы могут потерять более 70% номинальной емкости при прикладывании напряжения!
Одним из способов достижения меньших размеров SMD конденсаторов при сохранении того же уровня емкости является уменьшение толщины диэлектрика. Это различие в конструкции приводит к тому, что более высокое напряжение дает бо́льшую потерю емкости.
K-SIM от KEMET позволяет моделировать напряжение на керамическом конденсаторе при прикладывании постоянного напряжения. Эта утилита также может отображать ожидаемое изменение емкости при прикладывании напряжения. Она доступна на ksim.kemet.com.
Диэлектрики класса I не реагируют на смещение по постоянному напряжению, особенно те, которые изготовлены с использованием цирконата кальция.
Старение
Старение – еще одна характеристика, проявляемая сегнетоэлектриками, или диэлектриками классов II и III. При изготовлении керамического конденсатора диэлектрик подвергается воздействию температур более 1000°C. Для устройств из титаната бария температура Кюри может находиться в диапазоне от 130°C до 150°C, в зависимости от конкретного состава.
При воздействии температуры Кюри кристаллическая структура выравнивается в тетрагональную форму. После охлаждения кристаллическая структура керамики изменяется до кубической. По мере этих изменений структуры также изменяется диэлектрическая проницаемость материала.
Со временем емкость будет продолжать снижаться. Можно перезагрузить этот цикл старения путем «перезагрузки» материала, подвергнув его температуре Кюри.
Как правило, вы можете найти скорость старения для определенного типа компонента в каталоге. Ниже приведен пример коэффициентов старения.
| EIA код | PME – электроды из драгоценных металлов BME – электроды из недрагоценных металлов | Типовое старение (% / порядок часов) | Типовое время оценки (час) |
|---|---|---|---|
| C0G | PME/BME | 0 | не доступно |
| X7R | BME | 2,0 | 1 000 |
| X5R | BME | 5,0 | 48 |
Старения может изменяться в зависимости от серии компонентов, поэтому смотрите технические описания.
Микрофонный эффект
Наконец, кристаллическая структура титаната бария придает керамике свою пьезоэлектрическую, или микрофонную, характерную особенность. Когда к диэлектрическому материалу применяются внешние напряжения, молекулы титаната начинают колебаться назад и вперед. Электрические сигналы могут механически деформировать диэлектрик. Эта деформация, или движение, создает характерный «жужжащий» шум, который слышат некоторые пользователи при использовании керамических конденсаторов в своих проектах.
Пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектричество, также называемое пьезоэлектрическим эффектом, представляет собой способность материала генерировать напряжение и/или электрический сигнал (шум) при воздействии внешнего механического напряжения или вибрации.
По аналогии с термином «микрофонный», многослойные керамические конденсаторы (MLCC), построенные из сегнетоэлектрических материалов, являются по своей природе пьезоэлектрическими и могут преобразовывать внешнее напряжение, подобно тому, как микрофон преобразует звук, в электрический сигнал.
Электрострикция
Электрострикция – это поведение всех диэлектриков, в которых материал испытывает механическую деформацию, или изменение формы, под воздействием электрического поля. Керамические диэлектрики классов II и III производятся с использованием сегнетоэлектрических материалов, которые проявляют большее влияние электрострикционного движения. Вы знаете эти керамические конденсаторы как типы X7R, X5R, Z5V и Y5V.
Когда происходит механическая деформация, результатом может быть звуковое излучение, такое как слышимый гул (т.е. «пение»).
Несколько конденсаторов, установленных на плате близко друг к другу, могут усиливать звук до такой степени, что он станет заметным.
Заключение
Емкость на этикетке, возможно, не является той емкостью, которую вы в итоге получите. Характеристики, обсуждаемые в данной статье, могут изменить величину емкости, которая будет иметь место во время работы или срока службы вашей системы.
Конечно, этот пост не является полным описанием различий между керамическими диэлектриками. Существуют и другие тонкие различия, которые необходимо учитывать при использовании керамических конденсаторов. Но эта информация должна стать хорошей отправной точкой при выборе подходящего керамического конденсатора (MLCC).
