Przewodnik po dielektrykach kondensatorów ceramicznych i innych typach

Kondensatory stanowią ważną część większości obwodów elektronicznych. Ale co tak naprawdę robią i co sprawia, że działają w ten sposób? Są to urządzenia pasywne, które magazynują energię potencjalną elektryczną jako napięcie między dwoma naładowanymi przewodnikami, które są oddzielone izolującym dielektrykiem. Materiał dielektryczny izoluje prąd stały i pozwala na indukowanie prądu przesunięcia przez prąd zmienny między dwoma płytami, co jest pośredniczone przez polaryzację w obecności napięcia zewnętrznego. Te komponenty znajdują zastosowanie w wszystkim, począwszy od sieci filtrów analogowych, przez zasilacze, aż po komponenty cyfrowe wysokiej prędkości.

Co pomaga kondensatorom osiągnąć zamierzony efekt działania? Siła pola elektrycznego w dielektryku kondensatora decyduje o tym, jak prąd przesunięcia powstaje w urządzeniu, dlatego możemy klasyfikować kondensatory na podstawie ich izolującego dielektryka. W tym artykule omawiamy klasyfikację dielektryków kondensatorów, w tym sekcję poświęconą dielektrykom kondensatorów ceramicznych.

Typowe dielektryki kondensatorów

Istnieje kilka rodzajów dielektryków kondensatorów, każdy dostępny w różnych rozmiarach obudów. Niektóre materiały ogólnie mają znacznie wyższą stałą dielektryczną niż inne, co można uznać za wyższą „gęstość pojemności”, co oznacza, że zapewniają one wyższą pojemność w mniejszych obudowach. Projektanci, którzy przyglądali się wnętrzu zasilacza, prawdopodobnie widzieli duże, radialne obudowy kondensatorów, które stoją pionowo na płytce; są to kondensatory elektrolityczne, które wymagają takiej wielkości opakowania, aby zapewnić tak wysokie wartości pojemności.

Inne dielektryki kondensatorów mają inne zalety poza zapewnianiem wysokiej gęstości pojemności. Mogą mieć bardzo wysoką ocenę napięcia przebicia, mogą być bardzo użyteczne dla prądu zmiennego, ponieważ nie wymagają określonej polarności, lub mogą mieć bardzo niski współczynnik temperaturowy, co czyni je lepszą opcją dla aplikacji precyzyjnych. To jeden z powodów, dla których karty katalogowe i notatki aplikacyjne będą zalecać wybór kondensatorów na podstawie ich materiału dielektrycznego, a nie na podstawie rzeczywistej wartości pojemności. W tych aplikacjach wartość kondensatora może być mniej ważna niż konkretne zalety samego materiału dielektrycznego kondensatora. Miej to na uwadze, gdy zobaczysz rekomendacje dotyczące kondensatorów w kartach katalogowych lub notatkach aplikacyjnych.

Typy dielektryków kondensatorów

Ceramika

Pojemność dielektryków kondensatorów ceramicznych jest zależna od temperatury i przyłożonego napięcia. Posiadają one również niższe wartości prądu upływu DC oraz niższą równoważną rezystancję szeregową (ESR). Kondensatory ceramiczne zazwyczaj są niepolaryzacyjne, co oznacza, że mogą być montowane w dowolnej orientacji na płytce PCB; jest to jeden z powodów, dla których są preferowane w aplikacjach wysokich częstotliwości AC i zasilania. Jednak ich niska ESR może pozwolić na silne transjenty w systemach zasilania, co można by uniknąć, stosując kondensator z kontrolowaną ESR.

Kondensatory ceramiczne są wytwarzane przez pokrycie dwóch stron małego dysku ceramicznego metalową folią (taką jak srebro), a następnie układanie ich razem w obudowie kondensatora. Pojedynczy dysk ceramiczny o średnicy około 3-6 mm może być użyty do osiągnięcia bardzo niskiej pojemności. Stała dielektryczna (Dk) dielektryków kondensatorów ceramicznych jest bardzo wysoka, więc stosunkowo duża pojemność może być uzyskana w małej obudowie.

Elektrolityczne (tj. tantalowe, aluminiowe itp.) lub tlenkowe dielektryki

Te kondensatory są używane w obwodach, gdzie wymagana pojemność jest bardzo wysoka. Tutaj jako zamiennik bardzo cienkiej warstwy metalowej, która służy jako katoda, używa się półpłynnego roztworu elektrolitu w formie żelu lub pasty. Są one bardziej stabilne pod względem pojemności (np. mniejsze tolerancje i zmiany temperatury) oraz są bardziej stabilne przy wysokim napięciu. Mają wyższe ESR niż kondensatory ceramiczne i są niepolaryzowane.

Plastikowa folia

Dielektryki tych kondensatorów mają tendencję do posiadania niższej wartości Dk, co skutkuje znacznie większym rozmiarem, ale są bardzo użyteczne w obwodach wysokich częstotliwości. Kondensatory foliowe to najczęściej dostępny typ kondensatorów, obejmujący stosunkowo dużą rodzinę kondensatorów o różnych charakterystykach dielektrycznych. Dlatego istnieje szeroki zakres specyfikacji materiałowych dla tych kondensatorów.

Podłoża PCB

Technicznie, PCB jest dużym kondensatorem, kiedy zawiera duże, sąsiadujące ze sobą warstwy płaskie. Płaszczyzny w PCB mogą zapewnić około 50 pF na cal kwadratowy pojemności z bardzo niskim ESL, dlatego kondensatory płaskie są często najskuteczniejszą formą kondensatora, którą można użyć do dekuplowania przejściowych zakłóceń indukowanych przez pakiet w PDN wysokoszybkościowego PCB.

Dielektryki kondensatorów ceramicznych i ich klasyfikacja oparta na wytrzymałości

Klasa kondensatora ceramicznego zależy od jego wytrzymałości dielektrycznej, która określa napięcie przebicia w dielektryku kondensatora.

• Klasa 1: Kondensatory ceramiczne klasy 1 są zazwyczaj wykonane z dodatków materiałów tlenkowych Zn, Zr, Nb, Mg, Ta, Co i Sr. Te kondensatory wybierane są w aplikacjach wymagających obwodu prądu zmiennego, który jest stosunkowo nieczuły na zmiany temperatury. Przykładem mogą być obwody rezonansowe, takie jak filtry czy sieci dopasowujące, gdzie produkt musi charakteryzować się wysoką precyzją w trudnych warunkach eksploatacji.
• Klasa 2: Te kondensatory ceramiczne są wykonane z dielektryka na bazie tytanianu baru, który jest wrażliwy na temperaturę. Kondensatory ceramiczne klasy 2 mają wysoką gęstość pojemności, tzn. można osiągnąć wysoką pojemność w małej objętości. Ogólnie kondensatory ceramiczne klasy 2 są używane do wygładzania, omijania, sprzęgania i rozprzęgania.
• Klasa 3: Ta grupa dielektryków kondensatorów ceramicznych zapewnia wysoką pojemność w porównaniu do materiałów ceramicznych klasy 2. Kondensatory klasy 3 są uważane za przestarzałe i nie są już standaryzowane przez IEC. Nowoczesne wielowarstwowe kondensatory ceramiczne klasy 2 mogą oferować wyższe pojemności z lepszą stabilnością i dokładnością w bardziej kompaktowej obudowie.

Należy zauważyć, że powyższe definicje są ustandaryzowane w IEC/EN 60384-1 oraz IEC/EN 60384-8/9/21/22. EIA posiada własny zestaw definicji z czterema klasami dielektryków kondensatorów ceramicznych. Każda klasa jest oznaczona rzymską cyfrą, więc miej to na uwadze, jeśli zobaczysz strony produktów, które określają kondensator jako klasę 3 w porównaniu do klasy III; te oznaczenia nie są równoważne.

System kodowania kondensatorów

Istnieje trzyznakowy alfanumeryczny system kodowania używany do oznaczania kondensatorów ceramicznych, przy czym system zależy od klasy ceramiki. Dodatkowe oznaczenia kodowe na obudowie kondensatora mogą wskazywać na znamionowe napięcie robocze, tolerancje i współczynnik temperaturowy.

Jako przykład, kondensatory ceramiczne klasy 2 są kategoryzowane przez ich granice temperatury pracy i wrażliwość pojemności na zmiany temperatury. Wartość wrażliwości jest oceniana w granicach górnej i dolnej temperatury i nie jest gwarantowana poza tymi limitami. Należy zauważyć, że te kody nie są nazwami nadanymi materiałom dielektrycznym kondensatorów ceramicznych. Związki ceramiczne mogą być nazwą produktu własnościowego lub nazwą związku chemicznego. Zamiast tego, te kody są używane do dopasowania obszaru zastosowania do wymaganego poziomu tolerancji.
Poniższa tabela pokazuje znaki w trzyznakowym kodzie nazewnictwa dla kondensatorów ceramicznych klasy 2 (X5R, X7R itp.).

Jak znaleźć kondensatory z określonymi dielektrykami

Jeśli szukasz kondensatorów z dielektrykiem elektrolitycznym, plastikowym lub nawet poliestrowym, wystarczy, że wyszukasz je w narzędziach biblioteki części PCB. Usługa taka jak Octopart może pokazać wiele opcji z określonymi dielektrykami, rozmiarami obudów, stylami montażu itp. Istnieje kilka głównych punktów, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze dielektryków:

• Pojemność i współczynnik temperaturowy: Oba te punkty powinny być rozważane razem podczas wyszukiwania komponentów na podstawie dielektryka.
• Tolerancje: To nie to samo co współczynnik temperaturowy; jest to zmienność wokół nominalnej wartości pojemności (tak jak w przypadku innych elementów pasywnych).
• Żywotność: Dielektryki kondensatorów mają ograniczoną żywotność, gdzie pojemność będzie powoli maleć z czasem i ostatecznie zmieni się poza limit określony przez poziom tolerancji urządzenia.
• Parazyty: ESL i ESR są ważne dla aplikacji wysokich częstotliwości, w niektórych aplikacjach zasilających z szybkim przełączaniem lub integralności mocy dla systemów cyfrowych.
• Rozmiar obudowy: W przypadku kondensatorów chipowych i elektrolitycznych radialnych/osiowych, większe obudowy zapewniają większe pojemności. Mogą one podążać za standardowym oznaczeniem, takim jak kody obudów SMD dla kondensatorów chipowych. Mniejsze obudowy będą miały mniejsze rozmiary padów, a co za tym idzie, mniejsze ESL.

Dla kondensatorów ceramicznych, spośród tych podstawowych specyfikacji, tylko punkty 1 i 2 są ustandaryzowane na podstawie trzyznakowego kodu nazewnictwa. Jeśli wiesz, że określony kod będzie działał w twojej aplikacji, wtedy możesz szukać według kodu. Inne typy kondensatorów nie mają takiego samego typu ustandaryzowanego systemu nazewnictwa jak ceramika, więc możesz nie znaleźć potrzebnych elektrolitów, jeśli zaczniesz szukać, wpisując litery kodu.

Ostatecznie, w przypadku aplikacji zasilających, ważne jest napięcie przebicia. Należy zauważyć, że dielektryki kondensatorów charakteryzują się pod względem ich wytrzymałości dielektrycznej, która jest siłą pola elektrycznego wymaganą do przebicia dielektryka. Napięcie przebicia jest specyficzne dla urządzenia i będzie ważną specyfikacją podczas projektowania systemów zasilających. Nie zapomnij wziąć pod uwagę tej specyfikacji, projektując zasilacz, i upewnij się, że ocena dotyczy napięcia AC lub DC; to powszechny błąd, który może spowodować awarię twojego systemu!

Bez względu na to, czy projektujesz zasilacz, czy urządzenie bezprzewodowe, będziesz musiał zastosować kondensatory i możliwe, że będziesz musiał wybrać je na podstawie dielektryka kondensatora. Gdy znajdziesz już kondensatory potrzebne w twoim projekcie, użyj narzędzi do projektowania PCB w CircuitMaker, aby przygotować schematy i układ płytki PCB. Wszyscy użytkownicy CircuitMaker mogą tworzyć schematy, układy PCB oraz dokumentację produkcyjną potrzebną do przekształcenia pomysłu w produkt. Użytkownicy mają również dostęp do osobistej przestrzeni roboczej na platformie Altium 365™, gdzie mogą przesyłać i przechowywać dane projektowe w chmurze oraz łatwo przeglądać projekty za pomocą przeglądarki internetowej na bezpiecznej platformie.

Zacznij używać CircuitMaker już dziś i czekaj na nowy CircuitMaker Pro od Altium.