Guide sur les diélectriques des condensateurs céramiques et autres types

Les condensateurs constituent une partie importante de la plupart des circuits électroniques. Mais que font-ils réellement, et qu'est-ce qui leur permet de fonctionner ainsi ? Ce sont des dispositifs passifs qui stockent l'énergie potentielle électrique sous forme de tension entre deux conducteurs chargés séparés par un diélectrique isolant. Le matériau diélectrique isolant limite le courant continu et permet au courant alternatif d'induire un courant de déplacement à travers les deux plaques, médié par la polarisation en présence d'une tension appliquée. Ces composants se retrouvent dans tout, des réseaux de filtres analogiques aux alimentations électriques et aux composants numériques à haute vitesse.

Qu'est-ce qui aide les condensateurs à réaliser la fonction pour laquelle ils sont destinés ? La force du champ électrique dans le diélectrique du condensateur détermine comment le courant de déplacement apparaît à travers le dispositif, ainsi nous pouvons catégoriser les condensateurs en fonction de leur diélectrique isolant. Dans cet article, nous discutons de la catégorisation des diélectriques de condensateurs, incluant une section dédiée aux diélectriques de condensateurs céramiques.

Diélectriques de Condensateurs Communs

Il existe plusieurs types de diélectriques pour condensateurs, chacun étant disponible dans une variété de tailles de boîtiers. Certains matériaux ont généralement une constante diélectrique bien plus élevée que d'autres, et ils peuvent être considérés comme ayant une plus grande « densité de capacité », ce qui signifie qu'ils fournissent une capacité supérieure dans des boîtiers plus petits. Les concepteurs qui ont examiné l'intérieur d'une alimentation ont probablement vu de grands boîtiers de condensateurs radiaux qui se tiennent verticalement sur la carte ; il s'agit de condensateurs électrolytiques, et ils nécessitent un emballage de cette taille afin de fournir de telles valeurs de capacité élevées.

D'autres diélectriques de condensateurs présentent d'autres avantages au-delà de fournir une haute densité de capacité. Ils peuvent avoir une très haute tension de claquage, ils peuvent être très utiles pour le courant alternatif car ils ne nécessitent pas de polarité spécifique, ou ils peuvent avoir un coefficient de température très bas qui les rend une meilleure option pour les applications de précision. C'est une raison pour laquelle les fiches techniques et les notes d'application recommanderont de sélectionner les condensateurs en fonction de leur matériau diélectrique plutôt que sur une valeur de capacité réelle. Dans ces applications, la valeur du condensateur pourrait importer moins que les avantages spécifiques du matériau diélectrique du condensateur lui-même. Gardez cela à l'esprit lorsque vous voyez des recommandations de condensateurs dans les fiches techniques ou les notes d'application.

Types de Diélectriques de Condensateurs

Céramiques

La capacité des diélectriques de condensateurs céramiques est affectée par la température et la tension appliquée. Ils présentent également des valeurs de courant de fuite en continu plus faibles et une résistance série équivalente (ESR) inférieure. Les condensateurs céramiques ont tendance à être non polarisés et peuvent donc être orientés dans n'importe quelle direction dans un agencement de PCB ; c'est l'une des raisons pour lesquelles ils sont privilégiés dans les applications de courant alternatif de haute fréquence et d'alimentation. Cependant, leur faible ESR peut permettre de forts transitoires dans les systèmes d'alimentation, ce qui pourrait être évité avec un condensateur à ESR contrôlé.

Les condensateurs céramiques sont fabriqués en recouvrant deux côtés d'un petit disque céramique avec un film métallique (tel que l'argent) puis en les empilant ensemble dans l'emballage du condensateur. Un seul disque céramique d'environ 3-6 mm peut être utilisé pour atteindre une très faible capacité. La constante diélectrique (Dk) des diélectriques de condensateurs céramiques est très élevée, donc une capacité relativement élevée peut être obtenue dans un petit emballage.

Les diélectriques électrolytiques (c'est-à-dire, tantale, aluminium, etc.) ou d'oxyde

Ces condensateurs sont utilisés dans les circuits où la capacité requise est très élevée. Ici, une solution électrolytique semi-liquide sous forme de gelée ou de pâte est utilisée en remplacement d'une couche de film métallique très mince qui sert de cathode. Ils sont plus stables en termes de capacité (par exemple, tolérances plus serrées et variation de température), et ils sont plus stables à haute tension. Ils ont des ESR plus élevés que les condensateurs céramiques et sont non polarisés.

Film plastique

Ces diélectriques de condensateur ont tendance à avoir une valeur Dk plus faible et donc une taille beaucoup plus grande, mais ils sont très utiles dans les circuits haute fréquence. Les condensateurs à film sont le type de condensateur le plus couramment disponible, impliquant une famille relativement large de condensateurs avec diverses caractéristiques diélectriques. Par conséquent, il peut y avoir une large gamme de spécifications matérielles pour ces condensateurs.

Substrats de PCB

Techniquement, un PCB est un grand condensateur chaque fois qu'il contient de grandes couches planes adjacentes. Les plans dans un PCB peuvent fournir environ 50 pF/sq. in. de capacité avec un ESL très bas, c'est pourquoi les condensateurs plans sont souvent la forme de condensateur la plus efficace que vous pouvez utiliser pour découpler les transitoires induits par le package dans le PDN d'un PCB à haute vitesse.

Diélectriques de Condensateurs Céramiques et leur Catégorisation Basée sur la Résistance

La classe d'un condensateur céramique dépend de sa force diélectrique, qui détermine la tension de claquage dans le diélectrique du condensateur.

• Classe 1 : Les condensateurs céramiques de classe 1 sont généralement fabriqués à partir d'additifs de matériaux d'oxyde de Zn, Zr, Nb, Mg, Ta, Co et Sr. Ces condensateurs seraient choisis dans des applications nécessitant un circuit AC relativement insensible aux changements de température. Un exemple serait dans les circuits résonants comme les filtres ou les réseaux d'adaptation où un produit doit avoir une haute précision dans des conditions de fonctionnement difficiles.
• Classe 2 : Ces condensateurs céramiques sont fabriqués à partir d'un matériau diélectrique de base en titanate de baryum, qui est sensible à la température. Ces condensateurs céramiques ont une densité de capacité élevée, c'est-à-dire que vous pouvez atteindre une haute capacité dans un petit volume. En général, les condensateurs céramiques de classe 2 sont utilisés pour le lissage, le contournement, le couplage et le découplage.
• Classe 3 : Ce groupe de diélectriques de condensateurs céramiques offre une capacité élevée par rapport aux matériaux céramiques de classe 2. Les condensateurs de classe 3 sont considérés comme obsolètes et ne sont plus normalisés par l'IEC. Les condensateurs céramiques multicouches modernes de classe 2 peuvent offrir des capacités plus élevées avec une meilleure stabilité et une précision plus serrée dans un emballage plus compact.

Notez que les définitions ci-dessus sont normalisées dans les normes IEC/EN 60384-1 et IEC/EN 60384-8/9/21/22. L'EIA dispose de son propre ensemble de définitions avec quatre classes de diélectriques pour condensateurs céramiques. Chaque classe est indiquée par un chiffre romain, gardez donc cela à l'esprit si vous voyez des pages de produits qui définissent un condensateur comme de Classe 3 vs Classe III ; ces désignations ne sont pas équivalentes.

Système de Codage des Condensateurs

Il existe un système de codage alphanumérique à trois caractères utilisé pour désigner les condensateurs céramiques, le système dépendant de la classe de céramique. Des marquages de code supplémentaires sur le boîtier d'un condensateur peuvent indiquer la tension nominale de fonctionnement, les tolérances et le coefficient de température.

À titre d'exemple, les condensateurs céramiques de classe 2 sont catégorisés par leurs limites de température de fonctionnement et la sensibilité de la capacité aux changements de température. La valeur de sensibilité est évaluée dans les limites de température supérieures et inférieures et n'est pas garantie en dehors de ces limites. Notez que ces codes ne sont pas des noms donnés aux matériaux diélectriques des condensateurs céramiques. Les composés céramiques pourraient être un nom de produit propriétaire ou un nom de composé chimique. Au lieu de cela, ces codes sont utilisés pour associer une zone d'application à un niveau de tolérance requis.
Le tableau ci-dessous montre les caractères dans le code de nommage à 3 caractères pour les condensateurs céramiques de classe 2 (X5R, X7R, etc.).

Comment Trouver des Condensateurs Avec des Diélectriques Spécifiques

Si vous recherchez des condensateurs avec un diélectrique électrolytique, plastique ou même polyester, vous pouvez simplement les rechercher dans vos outils de bibliothèque de pièces PCB. Un service comme Octopart peut présenter de nombreuses options avec des diélectriques spécifiques, tailles de boîtiers, styles de montage, etc. Il y a quelques points principaux à considérer lors de la sélection des diélectriques :

• Capacité et coefficient de température : Ces deux points doivent être considérés ensemble lors d'une recherche de composant basée sur le diélectrique.
• Tolérances : Ce n'est pas la même chose que le coefficient de température ; c'est la variation autour de la valeur de capacité nominale (tout comme dans d'autres passifs).
• Durée de vie : Les diélectriques des condensateurs ont une limitation de durée de vie, où la capacité diminuera lentement avec le temps et finira par changer au-delà de la limite définie par le niveau de tolérance de l'appareil.
• Parasites : L'ESL et l'ESR sont importants pour les applications haute fréquence, dans certaines applications de puissance impliquant une commutation rapide, ou l'intégrité de puissance pour les systèmes numériques.
• Taille du boîtier : Pour les condensateurs à puce et les électrolytiques radiaux/axiaux, les boîtiers plus grands offrent de plus grandes capacités. Ils peuvent suivre une désignation standard, telle que les codes de boîtiers SMD pour les condensateurs à puce. Les boîtiers plus petits auront des tailles de pad plus petites, et donc un ESL plus petit.

Pour les condensateurs céramiques, parmi ces spécifications de base, seuls les points 1 et 2 sont normalisés sur la base du code de nommage à 3 caractères. Si vous savez qu'un code spécifique fonctionnera dans votre application, alors vous pouvez rechercher par code. Les autres types de condensateurs n'ont pas le même type de système de nommage standardisé que les céramiques, donc vous pourriez ne pas trouver les électrolytiques dont vous avez besoin si vous commencez juste à rechercher par lettres de codage.

Enfin, pour les applications de puissance, la tension de claquage est importante. Notez que les diélectriques des condensateurs sont caractérisés en termes de leur résistance diélectrique, qui est la force du champ électrique nécessaire pour provoquer le claquage du diélectrique. La tension de claquage est spécifique à l'appareil et elle sera la spécification importante lors de la conception de systèmes de puissance. N'oubliez pas de prendre en compte cette spécification lors de la conception pour une alimentation électrique, et assurez-vous de vérifier que la notation s'applique à la tension AC ou DC ; c'est une erreur commune qui peut causer la défaillance de votre système !

Que vous conceviez une alimentation ou un dispositif sans fil, vous aurez besoin d'inclure des condensateurs et il se pourrait que vous deviez les sélectionner en fonction du diélectrique du condensateur. Lorsque vous avez trouvé les condensateurs nécessaires à votre conception, utilisez les outils de conception de PCB dans CircuitMaker pour préparer vos schémas et votre agencement de PCB. Tous les utilisateurs de CircuitMaker peuvent créer des schémas, des agencements de PCB et la documentation de fabrication nécessaire pour passer d'une idée à la production. Les utilisateurs ont également accès à un espace de travail personnel sur la plateforme Altium 365™, où ils peuvent télécharger et stocker les données de conception dans le cloud, et visualiser facilement les projets via un navigateur web sur une plateforme sécurisée.

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