Поющие конденсаторы (пьезоэлектрический эффект)

В некоторых приложениях инженеры-конструкторы обнаруживают вибрацию или слабый слышимый шум, исходящий от определенных керамических конденсаторов. Это иногда описывают как «поющий» конденсатор и на самом деле является пьезоэлектрическим эффектом. В этом FAQ будут обсуждаться некоторые аспекты этого феномена «поющих конденсаторов».

1. Что такое поющий конденсатор?

Пение – это один из многих способов описания пьезоэлектрического эффекта у конденсатора. Это «пение» на самом деле является вибрацией конденсатора на печатной плате, которое во многих случаях происходит при определенных условиях.

2. Все многослойные керамические конденсаторы (MLCC) обладают пьезоэлектрическим эффектом?

Пьезоэлектрический эффект возникает в сегнетоэлектрических конденсаторах (т.е. в конденсаторах классов II и III). Конденсаторы класса I не используют сегнетоэлектриков и, следовательно, не обладают пьезоэлектрическим эффектом. Важно также понимать, что не все сегнетоэлектрические конденсаторы будут испытывать пьезоэлектрический эффект. Должна сложиться определенная комбинация конструкции компонента и условий использования схемы, чтобы заставить конденсатор вибрировать или звенеть.

3. Какие факторы могут заставить MLCC конденсатор «запеть»?

Существует несколько факторов, которые способствуют пьезоэлектрическому эффекту. Есть факторы, основанные на конструкции MLCC конденсатора, и внешние факторы, зависящие от схемы, в которой установлен многослойный керамический конденсатор.

Факторы конструкции включает в себя диэлектрическую проницаемость материала, количество активных слоев, толщину слоя и размер корпуса. Электрические факторы включают в себя смещение постоянным напряжением.

Одними из наиболее значимых внешних факторов являются напряжение схемы и пульсации тока входного сигнала. Порог пульсаций зависит от других внешних условий, применяемых к MLCC конденсатору. Например, высокая температура ограничивает возможности MLCC конденсатора относительно пульсаций тока и, следовательно, может играть роль в том, что конденсатор начинает петь.

4. Какие обобщения можно сделать относительно факторов, влияющих на пьезоэлектрический эффект?

Каждый из обсуждаемых здесь факторов играет определенную роль в содействии пьезоэлектрическому эффекту. Все эти факторы, влияющие на пьезоэлектричество, влияют по-разному. Эти факторы могут работать вместе, чтобы увеличить или уменьшить пьезоэлектрический эффект. Из-за этой сложности нет простого способа предложить какие-либо правила проектирования.

В качестве примера мы можем рассмотреть количество слоев. При всех одинаковых конструктивных факторах конденсатор с большим количеством слоев (не пропорционально) даст бо́льшую пьезоэлектрическую амплитуду. Это просто потому, что полная амплитуда представляет собой эффект сложения амплитуды каждого слоя.

Влияющие факторы также могут компенсировать или уменьшить пьезоэлектрический эффект. Например, более высокая диэлектрическая проницаемость может компенсировать влияние смещения по постоянному напряжению. Это приведет к снижению пьезоэлектрической амплитуды.

Подробности и физика каждой комбинации влияющих факторов выходят за рамки данной статьи. Важно помнить, что пьезоэлектрический эффект не проявится без правильной комбинации внешних факторов.

Большинство проблем можно избежать, если инженер-разработчик может оптимизировать качество входного сигнала, а также окружающую среду, в которой находится схема. Если пьезоэлектрическая проблема всё еще остается, тогда инженер-разработчик должен пересмотреть выбор компонентов и конструкцию.

5. Можно ли измерить этот пьезоэлектрический эффект?

При оценке выбора компонентов и конструкции может оказаться полезным сравнить некоторую форму пьезоэлектрической интенсивности у различных компонентов. Поэтому для какого-либо относительного сравнения необходим метод измерения.

Пьезоэлектрический эффект на самом деле являет вибрацией конденсатора. Эта вибрация вызывает смещение конденсатора, как показано на рисунке 1. У этого смещения можно измерить амплитуду.

Поскольку вибрация и смещение происходят в относительно небольшом масштабе, для фактического измерения смещения следует использовать бесконтактный метод. Проводить точные бесконтактные измерения смещения позволяет такое устройство, как лазерный виброметр (рисунок 2).

6. Существуют ли стандарт или спецификация для пьезоэлектрического уровня

В настоящее время не существует промышленного стандартизированного метода официального указания пьезоэлектрического уровня. Пьезоэлектрический эффект возникает в результате сочетания многих переменных. Корреляция по уровню одной переменной относительно других также добавляет дополнительный уровень сложности. Пьезоэлектричество можно измерить, но это полезно только в качестве относительного сравнения с другими измерениями.

7. Если можно измерить пьезоэлектрическую амплитуду, можно ли это использовать для обобщения производительности MLCC конденсаторов?

В таблице 1 показан пример бесконтактных измерений нескольких многослойных керамических конденсаторов. Эти амплитуды основаны на конкретных входных тестовых сигналах. Инженер не может делать общие предположения, основываясь только на этих измерениях.

Как обсуждалось ранее (в вопросе 4), чем выше количество слоев, тем больше пьезоэлектрическая амплитуда. Это связано с тем, что общая амплитуда является суммой амплитуд каждого слоя. Это не всегда означает, что разные конструкции с одинаковым количеством слоев будут обязательно работать одинаково.

Если посмотреть на простой пример в таблице 1, вы найдете два MLCC конденсатора (под номерами 4 и 5) с одинаковым количеством слоев. Хотя MLCC конденсатор №4 имеет то же количество слоев, что и MLCC конденсатор №5, амплитуда у MLCC конденсатора №5 выше. В данном примере это связано с тем, что MLCC конденсатор №5 имеет меньшую толщину слоя.

Рассмотрим другой пример, первые три MLCC конденсатора в таблице 1 показывают, что MLCC конденсатор №2 дает наибольшие измерения пьезоэлектрической амплитуды. Если инженер-разработчик использовал несколько конденсаторов, то пульсация тока распределялась между ними. Чтобы упростить математику, предположим, что 10 конденсаторов используются в параллельном соединении.

Используя MLCC конденсатор №1, десять MLCC конденсаторов по 10 мкФ в параллельном соединении дают номинальную эффективную емкость 100 мкФ. Коэффициент смещения по постоянному напряжению –90 означает, что после прикладывания постоянного напряжения будет доступно 10% емкости. 10% от 100 мкФ составляет 10 мкФ. Распределение импеданса между десятью MLCC конденсаторами (10 конденсаторов / эффективная емкость) дает масштабирующий коэффициент амплитуды 1, и поэтому результирующая амплитуда составит 15 нм.

Из этого следует, что MLCC конденсатор №2 даст эффективную емкость 33 мкФ. Масштабирующий коэффициент амплитуды составляет 10/33. Умножение этого масштабирующего коэффициента на измеренную амплитуду (в таблице 1) даст итоговую амплитуду 8 нм.

MLCC конденсатор №3 даст эффективную емкость 13 мкФ. Масштабирующий коэффициент амплитуды составляет примерно 10/13, и поэтому амплитуда будет равна 25/3, приблизительно 8,5 нм.

Основываясь на этих расчетах, MLCC конденсатор №2 дал наибольшие показания в таблице 1, но при этом является наилучшим выбором в нашем проекте.

Этот пример показывает, что, хотя пьезоэлектрическую амплитуду можно измерить, это значение само по себе не может определить влияние на схему. Очевидно, что проектирование схемы также играет важную роль.

8. Если пьезоэлектрический эффект является вибрацией, что вызывает «пение»?

Пьезоэлектрический эффект – это вибрация. Эффект пения возникает при определенных условиях вибрации. Если частота вибрации попадает в слышимый диапазон (примерно 20 Гц – 20 кГц), тогда вы можете услышать слышимый шум. Когда MLCC конденсатор припаивается к печатной плате или подложке, интенсивность слышимого шума может также усилиться. То, что вы могли бы в итоге получить, – это грубый динамик или даже микрофон на вашей плате.

9. Что может сделать инженер-разработчик, чтобы уменьшить «пение»?

Инженер должен определить, вызывает ли вибрацию или жужжание другие проблемы системы в целом. Например, если схема демонстрирует слышимый шум низкой частоты, который позже будет заглушен шумом двигателя, инженер должен решить, необходимо ли избавление от шума конденсаторов.

Если инженер решает улучшить схему, первым шагом будет рассмотрение уменьшения пульсации, поступающей в цепь. Это принесет пользу не только MLCC конденсаторам, но и всей схеме.

Если пульсации не могут быть уменьшены, инженер должен рассмотреть возможность добавления конденсаторов в параллельное соединение, чтобы распределить ток пульсаций или другие напряжения. Следует отметить, что это не обязательно увеличивает величину емкости, поэтому целью не является просто увеличение максимального значения емкости.

Если схема не требует высокой емкости, тогда следует рассмотреть класс I (C0G) многослойных керамических конденсаторов. Поскольку диэлектрики класса I не являются сегнетоэлектриками, они не проявят пьезоэлектрический эффект.

10. Существует ли связь между пением и долговременной надежностью конденсатора?

В настоящее время нет окончательных тестовых данных, которые предполагали бы какой-либо риск для надежности. MLCC конденсатор, который не проявляет пьезо-вибрации, приведет к равной или лучшей надежности по сравнению с MLCC конденсатором, который проявляет пьезо-вибрацию.

Многослойные керамические конденсаторы уже обладают превосходной надежностью по сравнению с конкурирующими технологиями. Квалификационные тесты MLCC конденсаторов, такие как те, которые предлагаются в спецификации Automotive “AEC-Q200”, включают в себя тесты, основанные на военном стандарте Mil-Std-202. Эти тесты содержат различные экологические, механические и электрические стресс-тесты. Среди них есть два теста, в частности, тест на механический удар (Mil-Std-202 метод 213) и вибрацию (Mil-Std-202 метод 204). Эти тесты применяют внешнее напряжение, чтобы гарантировать, что MLCC конденсатор будет выдерживать внешние ударные и вибрационные напряжения.

Теги