Руководство по диэлектрикам керамических конденсаторов и другим типам

Конденсаторы являются важной частью большинства электронных схем. Но что они на самом деле делают, и что заставляет их так функционировать? Это пассивные устройства, которые накапливают электрическую потенциальную энергию в виде напряжения между двумя заряженными проводниками, разделенными изолирующим диэлектриком. Изолирующий диэлектрический материал ограничивает постоянный ток и позволяет переменному току индуцировать смещенный ток между двумя пластинами за счет поляризации в присутствии приложенного напряжения. Эти компоненты находят применение во всем, начиная от аналоговых фильтрующих сетей до блоков питания и компонентов для работы с высокоскоростными цифровыми сигналами.

Что помогает конденсаторам выполнять их предназначенную функцию? Сила электрического поля в диэлектрике конденсатора определяет, как возникает смещенный ток через устройство, таким образом, мы можем классифицировать конденсаторы на основе их изолирующего диэлектрика. В этой статье мы обсуждаем классификацию диэлектриков конденсаторов, включая раздел, посвященный диэлектрикам керамических конденсаторов.

Распространенные диэлектрики конденсаторов

Существует несколько типов диэлектриков конденсаторов, каждый из которых представлен в различных размерах корпусов. Некоторые материалы, как правило, имеют гораздо более высокую диэлектрическую проницаемость, чем другие, и их можно считать обладающими более высокой «плотностью емкости», что означает обеспечение более высокой емкости в более маленьких корпусах. Конструкторы, которые заглядывали внутрь блока питания, вероятно, видели большие радиальные корпуса конденсаторов, стоящие вертикально на плате; это электролитические конденсаторы, и для обеспечения таких высоких значений емкости требуются корпуса такого размера.

Другие диэлектрики конденсаторов имеют другие преимущества, помимо обеспечения высокой плотности емкости. Они могут иметь очень высокий предел пробоя напряжения, могут быть очень полезны для переменного тока, поскольку не требуют определенной полярности, или могут иметь очень низкий температурный коэффициент, что делает их лучшим вариантом для точных приложений. Это одна из причин, по которой в технических описаниях и приложениях рекомендуют выбирать конденсаторы на основе их диэлектрического материала, а не на основе фактического значения емкости. В этих приложениях значение конденсатора может быть менее важным, чем конкретные преимущества самого диэлектрического материала конденсатора. Имейте это в виду, когда видите рекомендации по конденсаторам в технических описаниях или приложениях.

Типы диэлектриков конденсаторов

Керамика

Емкость диэлектриков керамических конденсаторов зависит от температуры и приложенного напряжения. Также они обладают более низкими значениями постоянного тока утечки и меньшим эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). Керамические конденсаторы, как правило, неполярны, и поэтому могут быть установлены в любой ориентации на плате печатной схемы; это одна из причин, по которой они предпочтительны в приложениях высокочастотного переменного тока и питания. Однако их низкое ESR может привести к сильным переходным процессам в системах питания, чего можно было бы избежать с помощью конденсатора с контролируемым ESR.

Керамические конденсаторы изготавливаются путем покрытия двух сторон маленького керамического диска металлической пленкой (например, серебром) и последующей их укладки друг на друга в корпусе конденсатора. Один керамический диск размером около 3-6 мм может быть использован для достижения очень низкой емкости. Диэлектрическая проницаемость (Dk) диэлектриков керамических конденсаторов очень высока, поэтому относительно высокая емкость может быть получена в маленькой упаковке.

Электролитические (т.е. танталовые, алюминиевые и т.д.) или оксидные диэлектрики

Эти конденсаторы используются в схемах, где требуется очень высокая емкость. Здесь в качестве замены очень тонкому металлическому слою, который служит катодом, используется полужидкий электролит в форме желе или пасты. Они более стабильны с точки зрения емкости (например, более строгие допуски и температурные изменения) и более стабильны при высоком напряжении. У них выше ESR, чем у керамических конденсаторов, и они неполяризованные.

Пленочные

Диэлектрики этих конденсаторов обычно имеют более низкое значение Dk, из-за чего они имеют гораздо больший размер, но они очень полезны в высокочастотных схемах. Пленочные конденсаторы являются наиболее распространенным типом конденсаторов, включая относительно большую семью конденсаторов с различными диэлектрическими характеристиками. Поэтому для этих конденсаторов может быть широкий спектр материальных спецификаций.

Подложки для печатных плат

Технически, печатная плата является большим конденсатором, когда она содержит большие смежные слои плоскостей. Плоскости на печатной плате могут обеспечивать около 50 пФ/кв. дюйм емкости с очень низким ESL, поэтому плоские конденсаторы часто являются наиболее эффективной формой конденсатора, которую вы можете использовать для развязки пакетно-индуцированных переходных процессов в PDN высокоскоростной печатной платы.

Керамические диэлектрики конденсаторов и их классификация на основе прочности

Класс керамического конденсатора зависит от его диэлектрической прочности, которая определяет напряжение пробоя в диэлектрике конденсатора.

• Класс 1: Керамические конденсаторы класса 1 обычно изготавливаются с добавлением оксидных материалов Zn, Zr, Nb, Mg, Ta, Co и Sr. Эти конденсаторы выбирают в приложениях, требующих переменного тока, который относительно нечувствителен к изменениям температуры. Примером может служить использование в резонансных цепях, таких как фильтры или согласующие сети, где продукт должен обладать высокой точностью в суровых условиях эксплуатации.
• Класс 2: Эти керамические конденсаторы изготавливаются на основе диэлектрика из титаната бария, который чувствителен к температуре. У этих керамических конденсаторов высокая плотность емкости, т.е. можно достичь высокой емкости в малом объеме. В целом, керамические конденсаторы класса 2 используются для сглаживания, шунтирования, связывания и развязывания.
• Класс 3: Эта группа диэлектриков керамических конденсаторов обеспечивает высокую емкость по сравнению с материалами керамических конденсаторов класса 2. Конденсаторы класса 3 считаются устаревшими и более не стандартизированы IEC. Современные многослойные керамические конденсаторы класса 2 могут предложить более высокие емкости с лучшей стабильностью и более строгой точностью в более компактном корпусе.

Обратите внимание, что вышеуказанные определения стандартизированы в IEC/EN 60384-1 и IEC/EN 60384-8/9/21/22. EIA имеет свой собственный набор определений с четырьмя классами диэлектриков керамических конденсаторов. Каждый класс обозначается римским числом, поэтому имейте это в виду, если вы видите страницы продуктов, которые определяют конденсатор как класс 3 вместо класса III; эти обозначения не эквивалентны.

Система кодирования конденсаторов

Существует трехсимвольная буквенно-цифровая система кодирования, используемая для обозначения керамических конденсаторов, при этом система зависит от класса керамики. Дополнительные кодовые маркировки на корпусе конденсатора могут указывать на номинальное рабочее напряжение, допуски и температурный коэффициент.

К примеру, керамические конденсаторы класса 2 категоризируются по их пределам рабочих температур и чувствительности емкости к изменениям температуры. Значение чувствительности оценивается в пределах верхнего и нижнего температурных пределов и не гарантируется за пределами этих пределов. Обратите внимание, что эти коды не являются названиями, даными диэлектрическим материалам керамических конденсаторов. Керамические соединения могут быть товарным названием или химическим названием соединения. Вместо этого, эти коды используются для сопоставления области применения с требуемым уровнем допуска.
В таблице ниже показаны символы в трехсимвольном коде наименования для керамических конденсаторов класса 2 (X5R, X7R и т.д.).

Как найти конденсаторы с определенными диэлектриками

Если вы ищете конденсаторы с электролитическим, пластиковым или даже полиэфирным диэлектриком, вы можете просто искать их в инструментах библиотеки компонентов для печатных плат. Сервис, такой как Octopart, может показать множество вариантов с конкретными диэлектриками, размерами корпусов, стилями монтажа и т.д. Есть несколько основных моментов, которые следует учитывать при выборе диэлектриков:

• Емкость и температурный коэффициент: Оба этих пункта следует рассматривать вместе при поиске компонентов на основе диэлектрика.
• Допуски: Это не то же самое, что температурный коэффициент; это вариация вокруг номинального значения емкости (как и в других пассивных компонентах).
• Срок службы: Диэлектрики конденсаторов имеют ограничение по сроку службы, где емкость будет медленно уменьшаться со временем и в конечном итоге изменится за пределы, определенные уровнем допуска устройства.
• Паразитные параметры: ESL и ESR важны для приложений высокой частоты, в некоторых силовых приложениях с быстрым переключением или для обеспечения энергетической целостности цифровых систем.
• Размер корпуса: Для чип-конденсаторов и радиальных/осевых электролитов большие корпуса обеспечивают большую емкость. Они могут следовать стандартной номенклатуре, такой как коды корпусов SMD для чип-конденсаторов. Меньшие корпуса будут иметь меньшие размеры площадок, и, следовательно, меньший ESL.

Для керамических конденсаторов среди этих основных характеристик только пункты 1 и 2 стандартизированы на основе трехсимвольного кода наименования. Если вы знаете, что определенный код подойдет для вашего приложения, тогда вы можете искать по коду. Другие типы конденсаторов не имеют такой же стандартизированной системы наименований, как керамика, поэтому вы можете не найти нужные электролитические конденсаторы, если начнете поиск только с кодирования буквами.

Наконец, для приложений с высокой мощностью важно напряжение пробоя. Обратите внимание, что диэлектрики конденсаторов характеризуются с точки зрения их диэлектрической прочности, которая является напряженностью электрического поля, необходимой для пробоя диэлектрика. Напряжение пробоя специфично для устройства и будет важной характеристикой при проектировании систем питания. Не забудьте учитывать эту характеристику при проектировании источника питания, и обязательно проверьте, относится ли рейтинг к переменному или постоянному напряжению; это распространенная ошибка, которая может привести к выходу вашей системы из строя!

Независимо от того, разрабатываете ли вы блок питания или беспроводное устройство, вам потребуется включить в схему конденсаторы, и вам может потребоваться выбрать их, исходя из диэлектрика конденсатора. Когда вы найдете необходимые конденсаторы для вашего проекта, используйте инструменты для проектирования печатных плат в CircuitMaker для подготовки ваших схем и размещения на печатной плате. Все пользователи CircuitMaker могут создавать схемы, размещения на печатных платах и производственную документацию, необходимую для перевода проекта от идеи к производству. Пользователи также имеют доступ к личному рабочему пространству на платформе Altium 365™, где они могут загружать и хранить данные проектов в облаке, а также легко просматривать проекты через веб-браузер на защищенной платформе.

Начните использовать CircuitMaker уже сегодня и оставайтесь на связи, чтобы узнать о новом CircuitMaker Pro от Altium.