Эффективное использование многослойных керамических конденсаторов

Керамические конденсаторы являются часто употребляемым элементом любой электронной конструкции. Они применяются там, где необходима работа с сигналами меняющейся полярности, требуются хорошие частотные характеристики, малые потери, незначительные токи утечки, компактные габариты и низкая стоимость. Как правило, все эти требования пересекаются, и сегодня еще не придумано действенной замены неполярным керамическим конденсаторам. Однако еще пять лет назад технология производства керамических конденсаторов для невоенной промышленности позволяла выпускать их в малых габаритах только небольшой емкости.

Действительно, керамический конденсатор емкостью 10 мкФ еще в середине 90-х гг. воспринимался как экзотика, и стоило такое чудо, как горсть оксидных алюминиевых или танталовых конденсаторов той же емкости.

Развитие технологии позволило за два последних года сразу нескольким фирмам заявить о конвейерном производстве керамических конденсаторов емкостью 100 мкФ и более, причем предел возможности увеличения емкости таких конденсаторов пока не виден. Естественно, что произошло обвальное падение розничных цен на все изделия данной группы, повлекшее за собой интерес к вчерашней экзотике.

Одна из новейших технологий – производства керамических конденсаторов большой емкости, запатентованное фирмой Murata (Япония).

Среди разнообразного семейства керамических конденсаторов наиболее современными являются многослойные . Емкость многослойных керамических конденсаторов определяется формулой:

C=E₀(ES₀N)/D,

где емкость С определяется в фарадах;

E₀ – константа диэлектрической проницаемости вакуума;

Е – константа диэлектрической проницаемости керамики (материала, используемого в данном случае в виде диэлектрика );

S₀ – активная площадь одного электрода (вывода), мм²;

N- число слоев диэлектрика;

D – толщина слоя диэлектрика, мм.

Из формулы видно, что увеличение емкости конденсатора с керамическим диэлектриком добиваются, уменьшая толщину диэлектрика (керамической пластины), увеличивая число электродов (выводов), создавая конденсаторы с несколькими выводами, в том числе трехвыводные, проходные, и их активную площадь, увеличивая диэлектрическую проницаемость диэлектрика.

Уменьшение толщины диэлектрика и связанная с этим возможность увеличения количества электродов – на сегодняшний день основной способ увеличения емкости керамического конденсатора. Однако снижение толщины диэлектрика (что известно даже школьнику из курса физики) неизбежно приведет к снижению барьера напряжения пробоя такого конденсатора. Поэтому конденсаторы большой емкости, рассчитанные на высокое рабочее напряжение, трудно найти в розничной сети.

Увеличение числа слоев диэлектрика технически связано с уменьшением толщины единичного слоя. Тенденции развития электронной промышленности, например фирмы Murata, показывают, что толщина диэлектрического слоя в керамическом конденсаторе уменьшилась (за последние 10 лет) с 10 до 1,8 мкм. В то же время число диэлектрических прослоек достигает сегодня сотни (против одной – единственной на заре развития неполярных конденсаторов).

Увеличение активности площадки одного электрода приводит к увеличению габаритных размеров, что крайне нежелательно (учитывая, что все больше становятся популярны ЧИП- и SMD-элементы), к тому же возникает неоправданное удорожание себестоимости изделия.

Увеличение диэлектрической проницаемости при заметном увеличении емкости приводит к ощутимому ухудшению параметра ТКЕ (температурной стабильности) и сильной зависимости емкости неполярного конденсатора от приложенного напряжения.

Зачем вообще нужны неполярные конденсаторы большой емкости?

Многослойные неполярные керамические конденсаторы эффективно заменяют танталовые или алюминиевые оксидные конденсаторы для поверхностного монтажа в схемах подавления пульсации, разделения постоянной и переменной составляющих электрического сигнала, в схемах с интегрующими цепочками. Однако при возможных заменах необходимо учитывать принципиальные различия между этими группами компонентов, приводящих иногда к бессмысленности замены оксидных электролитических конденсаторов на аналогичные керамические конденсаторы соответствующих параметров емкости и рабочего напряжения. Почему это происходит?

Частотные свойства конденсаторов определяет зависимость их импеданса и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) от частоты приложенного сигнала. Существенная разница в импедансе на частотах выше 1 кГц с применением алюминиевых оксидных конденсаторов и свыше 10 Гц с применением танталовых конденсаторов позволяет использовать конденсаторы меньшей емкости для сглаживания пульсаций напряжения (что актуально, например, в импульсных источниках питания). Разница в величине сглаживания паразитных пульсаций синусоидальной формы различных частот конденсаторами разного типа, но одинаковой емкости (10 мкФ) приведена в табл.

Таблица. Особенности сглаживания пульсаций разных типов конденсаторов

Как видно из табл., для обеспечения одинакового с танталовым конденсатором емкостью в 10 мкФ уровня подавления пульсаций частотой 1 МГц можно эффективно использовать керамический конденсатор емкостью 1,0-2,2 мкФ. Экономия места на плате и финансовых затрат на приобретение элементов говорят сами за себя.

Низкое эквивалентное последовательное сопротивление и связанные с ним малые потери позволяют значительно нагружать керамическими конденсаторы относительно оксидных (электролитических) и вводить первые в действие в неприемлемых для оксидных конденсаторов режимах работы (как известно, требуется правильная полюсовка), несмотря на их значительно более скромные размеры. Причем в этом случае не происходит критического для элемента температурного нагрева.

Другим большим плюсом керамических конденсаторов является их способность выдерживать, пусть и кратковременно, высокое напряжение перегрузки, многократно превышающие номинальные. Кто подбирал сглаживающие конденсаторы для импульсного источника питания, знает, насколько это важно!

В импульсных источниках в моменты включения и выключения могут генерироваться импульсы амплитудой, в несколько раз превышающей расчетное напряжение, поэтому выбор выходных и переходных оксидных конденсаторов с большим запасом напряжения оправдан.

Конденсаторы MLCC 1206 с диэлектриком X5R (10 мкФ на рабочее напряжение 6,3 В)  пробиваются постоянным напряжением 120-150 В.

Конденсаторы MLCC 1206 Y5V с такими же емкостными и рабочими параметрами пробиваются при постоянном напряжении 310-400 В (такой разброс обусловлен использованием в эксперименте различных образцов конденсаторов).

В то же время алюминиевые и танталовые оксидные конденсаторы емкостью 10 мкФ на рабочее напряжение 16 В (эксперимент на примере В43566 – отечественный аналог К50-32 и танталовый СА-42) на практике пробиваются уже при напряжении от 20 В. То же самое происходило при эксперименте с танталовыми конденсаторами 2,2 мкФ и 16 В – напряжение пробоя также оказалось невысоким – всего 28 В.

Керамические конденсаторы большой емкости  производятся с использованием диэлектриков типа X7R/X5R и Y5V. Их отличительной особенностью является сильная зависимость диэлектрической проницаемости и емкости от приложенного напряжения и окружающей температуры.  При жестких требованиях к стабильности номинала, например, во времязадающих цепях, или при развязке постоянной и переменной составляющих напряжения на замену оксидным конденсаторам можно рекомендовать разве что керамические с диэлектриком X7R.

Если принять во внимание диапазон рабочих температур керамического конденсатора с таким диэлектриком (от -55 до +125 ⁰С), оказывается, что его можно и нужно применять в широком спектре географических поясов на территории России как в радиоаппаратуре, рассчитанной на работу на улице в условиях севера, так и в автомобильной технике с ее жесткими требованиями к сохранению работоспособности при относительно высоких температурах.

Сведения о некоторых керамических многослойных конденсаторах с разными диэлектриками приведены в табл. Здесь показаны области применения и особенности данного типа конденсаторов.

  Таблица. Некоторые многослойные керамические конденсаторы