Guida ai dielettrici dei condensatori ceramici e ad altri tipi

I condensatori costituiscono una parte importante della maggior parte dei circuiti elettronici. Ma cosa fanno realmente, e cosa causa il loro funzionamento in tal modo? Sono dispositivi passivi che immagazzinano energia potenziale elettrica come una tensione tra due conduttori carichi separati da un dielettrico isolante. Il materiale dielettrico isolante limita la corrente continua e permette alla corrente alternata di indurre una corrente di spostamento attraverso le due piastre, mediata dalla polarizzazione in presenza di una tensione applicata. Questi componenti trovano impiego in tutto, dalle reti di filtri analogici alle alimentazioni e ai componenti digitali ad alta velocità.

Cosa aiuta i condensatori a raggiungere la funzione per cui sono destinati? La forza del campo elettrico nel dielettrico del condensatore determina come sorge la corrente di spostamento attraverso il dispositivo, quindi possiamo categorizzare i condensatori in base al loro dielettrico isolante. In questo articolo, discutiamo la categorizzazione dei dielettrici dei condensatori, includendo una sezione dedicata ai dielettrici dei condensatori ceramici.

Dielettrici Comuni dei Condensatori

Ci sono diversi tipi di dielettrici per condensatori, ognuno disponibile in una varietà di dimensioni di pacchetto. Alcuni materiali generalmente hanno una costante dielettrica molto più alta rispetto ad altri e possono essere considerati come aventi una maggiore "densità di capacitanza", il che significa che forniscono una capacitanza maggiore in pacchetti più piccoli. I progettisti che hanno esaminato l'interno di un alimentatore hanno probabilmente visto grandi pacchetti di condensatori radiali che stanno verticalmente sulla scheda; questi sono condensatori elettrolitici, e richiedono un imballaggio di questa dimensione per fornire valori di capacitanza così elevati.

Altri dielettrici per condensatori hanno altri vantaggi oltre a fornire una elevata densità di capacitanza. Possono avere una valutazione di tensione di rottura molto alta, possono essere molto utili per la corrente alternata poiché non richiedono una polarità specifica, o possono avere un coefficiente di temperatura molto basso che li rende una migliore opzione per applicazioni di precisione. Questo è uno dei motivi per cui i datasheet e le note applicative raccomanderanno di selezionare i condensatori in base al loro materiale dielettrico piuttosto che basandosi su un valore di capacitanza effettivo. In quelle applicazioni, il valore del condensatore potrebbe importare meno rispetto ai vantaggi specifici del materiale dielettrico del condensatore stesso. Tenete questo a mente quando vedete raccomandazioni di condensatori nei datasheet o nelle note applicative.

Tipi di Dielettrici per Condensatori

Ceramici

La capacità dei dielettrici dei condensatori ceramici è influenzata dalla temperatura e dalla tensione applicata. Presentano inoltre valori di corrente di dispersione in DC più bassi e una minore resistenza serie equivalente (ESR). I condensatori ceramici tendono ad essere non polarizzati e quindi possono avere qualsiasi orientamento in un layout di PCB; questa è una delle ragioni per cui sono preferiti nelle applicazioni ad alta frequenza in AC e nelle applicazioni di potenza. Tuttavia, il loro basso ESR può permettere forti transitori nei sistemi di potenza, qualcosa che potrebbe essere evitato con un condensatore a ESR controllato.

I condensatori ceramici sono realizzati rivestendo due lati di un piccolo disco ceramico con un film metallico (come l'argento) e poi impilandoli insieme nel packaging del condensatore. Un singolo disco ceramico di circa 3-6 mm può essere utilizzato per raggiungere una capacità molto bassa. La costante dielettrica (Dk) dei dielettrici dei condensatori ceramici è molto alta, quindi si può ottenere una capacità relativamente alta in un piccolo packaging.

Dielettrici elettrolitici (ad esempio, tantalio, alluminio, ecc.) o dielettrici di ossido

Questi condensatori sono utilizzati in circuiti dove la capacità richiesta è molto alta. Qui viene utilizzata una soluzione elettrolitica semi-liquida sotto forma di gelatina o pasta come sostituto di un sottilissimo strato di film metallico che funge da catodo. Questi sono più stabili in termini di capacità (ad esempio, tolleranze più strette e variazione di temperatura), e sono più stabili ad alta tensione. Hanno ESR più alti rispetto ai condensatori ceramici e sono non polarizzati.

Film plastico

Questi dielettrici dei condensatori tendono ad avere un valore Dk più basso e quindi una dimensione molto più grande, ma sono molto utili nei circuiti ad alta frequenza. I condensatori a film sono il tipo di condensatore più comunemente disponibile, che coinvolge una famiglia relativamente ampia di condensatori con varie caratteristiche dielettriche. Pertanto, può esserci una vasta gamma di specifiche dei materiali per questi condensatori.

Substrati PCB

Tecnicamente, un PCB è un grande condensatore ogni volta che contiene grandi strati piani adiacenti. I piani in un PCB possono fornire circa 50 pF/sq. in. di capacità con ESL molto basso, motivo per cui i condensatori a piano sono spesso la forma più efficace di condensatore che si può utilizzare per il decoupling delle transitorietà indotte dal pacchetto nella PDN di un PCB ad alta velocità.

Dielettrici dei Condensatori Ceramici e la loro Categorizzazione basata sulla Resistenza

La classe di un condensatore ceramico dipende dalla sua resistenza dielettrica, che determina la tensione di rottura nel dielettrico del condensatore.

• Classe 1: I condensatori ceramici di classe 1 sono comunemente realizzati con additivi di materiali ossidici di Zn, Zr, Nb, Mg, Ta, Co e Sr. Questi condensatori sarebbero scelti in applicazioni che richiedono un circuito AC relativamente insensibile ai cambiamenti di temperatura. Un esempio potrebbe essere nei circuiti risonanti come filtri o reti di adattamento dove un prodotto deve avere un'alta precisione in condizioni operative severe.
• Classe 2: Questi condensatori ceramici sono realizzati con un materiale dielettrico a base di titanato di bario, che è sensibile alla temperatura. Questi condensatori ceramici hanno un'alta densità di capacitanza, ovvero, è possibile raggiungere un'alta capacitanza in un piccolo volume. In generale, i condensatori ceramici di classe 2 sono utilizzati per applicazioni di livellamento, bypass, accoppiamento e decoupling.
• Classe 3: Questo gruppo di dielettrici per condensatori ceramici fornisce un'alta capacitanza rispetto ai materiali ceramici di Classe 2. I condensatori di Classe 3 sono considerati obsoleti e non sono più standardizzati dall'IEC. I moderni condensatori ceramici multistrato di Classe 2 possono offrire capacitanze più elevate con una migliore stabilità e una maggiore precisione in un pacchetto più compatto.

Si noti che le definizioni sopra menzionate sono standardizzate in IEC/EN 60384-1 e IEC/EN 60384-8/9/21/22. L'EIA ha il proprio insieme di definizioni con quattro classi di dielettrici per condensatori ceramici. Ogni classe è denotata con un numero romano, quindi tenete questo a mente se vedete pagine di prodotto che definiscono un condensatore come Classe 3 rispetto a Classe III; queste designazioni non sono equivalenti.

Sistema di Codifica dei Condensatori

Esiste un sistema di codifica alfanumerico a tre caratteri utilizzato per designare i condensatori ceramici, con il sistema che dipende dalla classe di ceramica. Ulteriori codici marcature sul caso di un condensatore possono indicare la tensione nominale di esercizio, le tolleranze e il coefficiente di temperatura.

Ad esempio, i condensatori ceramici di classe 2 sono categorizzati dai loro limiti di temperatura di esercizio e dalla sensibilità della capacità ai cambiamenti di temperatura. Il valore di sensibilità è valutato entro i limiti di temperatura superiore e inferiore e non è garantito al di fuori di questi limiti. Notare che questi codici non sono nomi dati ai materiali dielettrici dei condensatori ceramici. I composti ceramici potrebbero essere un nome di prodotto proprietario o un nome di composto chimico. Invece, questi codici sono utilizzati per abbinare un'area di applicazione a un livello di tolleranza richiesto.
La tabella sottostante mostra i caratteri nel codice di denominazione a 3 caratteri per i condensatori ceramici di Classe 2 (X5R, X7R, ecc.).

Come Trovare Condensatori Con Dielettrici Specifici

Se stai cercando condensatori con dielettrico elettrolitico, plastico o addirittura in poliestere, puoi semplicemente cercarli nei tuoi strumenti di libreria di parti PCB. Un servizio come Octopart può mostrare molte opzioni con specifici dielettrici, dimensioni del case, stili di montaggio, ecc. Ci sono alcuni punti principali da considerare nella selezione dei dielettrici:

• Capacità e coefficiente di temperatura: Entrambi questi punti dovrebbero essere considerati insieme quando si effettua una ricerca di componenti basata sui dielettrici.
• Tolleranze: Questo non è lo stesso del coefficiente di temperatura; è la variazione intorno al valore di capacità nominale (proprio come negli altri passivi).
• Durata: I dielettrici dei condensatori hanno un limite di durata, dove la capacità diminuirà lentamente nel tempo e alla fine cambierà oltre il limite definito dal livello di tolleranza del dispositivo.
• Parassiti: ESL ed ESR sono importanti per applicazioni ad alta frequenza, in alcune applicazioni di potenza che coinvolgono commutazioni rapide, o integrità della potenza per sistemi digitali.
• Dimensione del case: Per i condensatori a chip e gli elettrolitici radiali/assiali, i case più grandi offrono capacità maggiori. Questi possono seguire una designazione standard, come i codici case SMD per i condensatori a chip. I case più piccoli avranno dimensioni di pad più piccole e, quindi, un ESL minore.

Per i condensatori ceramici, tra queste specifiche di base, solo i punti 1 e 2 sono standardizzati in base al codice di denominazione a 3 caratteri. Se sai che un codice specifico funzionerà nella tua applicazione, allora puoi cercare per codice. Altri tipi di condensatori non hanno lo stesso tipo di sistema di denominazione standardizzato dei ceramici, quindi potresti non trovare gli elettrolitici di cui hai bisogno se inizi semplicemente a cercare tramite lettere di codifica.

Infine, per le applicazioni di potenza, la tensione di rottura è importante. Nota che i dielettrici dei condensatori sono caratterizzati in termini di loro forza dielettrica, che è la forza del campo elettrico richiesta per rompere il dielettrico. La tensione di rottura è specifica del dispositivo e sarà la specifica importante quando si progettano sistemi di potenza. Non dimenticare di considerare questa specifica quando progetti per un alimentatore, e assicurati di verificare che la valutazione si applichi alla tensione AC o DC; questo è un errore comune che può causare il fallimento del tuo sistema!

Sia che tu stia progettando un alimentatore o un dispositivo wireless, avrai bisogno di includere dei condensatori e potresti doverli selezionare in base al dielettrico del condensatore. Quando hai trovato i condensatori necessari per il tuo progetto, utilizza gli strumenti di progettazione PCB in CircuitMaker per preparare i tuoi schemi e il layout del PCB. Tutti gli utenti di CircuitMaker possono creare schemi, layout PCB e documentazione di produzione necessari per trasformare un'idea in un prodotto. Gli utenti hanno anche accesso a uno spazio personale sulla piattaforma Altium 365™, dove possono caricare e memorizzare i dati di progettazione nel cloud, e visualizzare facilmente i progetti tramite un browser web in una piattaforma sicura.

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