Jedným z najrozšírenejších komponentov, ktoré používame v elektronike, je bezpochyby viacvrstvový kondenzátor označovaný aj ako MLCC. Ide o hnedé alebo žltohnedé keramické kondenzátory určené pre SMT montáž, ktoré ste pravdepodobne použili už stokrát bez väčšieho rozmýšľania. Existuje však niekoľko dôvodov, ktoré pri ich používaní naozaj musíte zvážiť. Možno nedostanete to, čo očakávate!

Pri výbere týchto kondenzátorov uvidíte, že sú špecifikované rôznymi záhadnými názvami, ako napríklad C0G, X7R alebo Y5U. Tieto názvy sú špecifikované normou EIA-198, a preto sú u rôznych výrobcov jednotné. Čo však presne znamenajú?

Tieto čísla opisujú teplotný koeficient kapacity (TCC) kondenzátora, nie dielektrický materiál, z ktorého je vyrobený, hoci tieto dve vlastnosti spolu samozrejme súvisia. Norma špecifikuje niekoľko tried kondenzátorov - prvé tri z nich sú celkom bežné a budú tu opísané.

Kondenzátory triedy I sú kondenzátory, ktoré sa považujú za veľmi stabilné a sú spravidla vyrobené z keramiky s dobrými teplotnými vlastnosťami, ale relatívne nízkou relatívnou permitivitou. To znamená, že pre danú kapacitu a napätie sú vo všeobecnosti väčšie ako kondenzátory triedy II alebo III, ale majú lepšiu teplotnú stabilitu.

V tabuľke 1 je uvedené, ako fungujú kódy spojené s kondenzátormi triedy I. Najbežnejšie označenie triedy I, s ktorým sa stretnete, je C0G, ktoré má nulovú teplotu (±30 ppm). Kapacita týchto zariadení je takmer nezávislá od teploty, takže sú dobrou voľbou pre kritické časovacie a filtračné aplikácie.

Tabuľka 1. Táto tabuľka opisuje interpretáciu kódov teplotného koeficientu kapacity (TCC) pre MLCC triedy I. Bežné kondenzátory C0G majú nulový (±30 ppm) TCC. Tieto kondenzátory tiež vykazujú malé alebo žiadne starnutie, a preto sú dobrou voľbou pre kritické časovacie alebo filtračné aplikácie.

Prečo by sme vôbec uvažovali o použití kondenzátora, ktorého hodnota závisí od teploty? No, najmenší 100 nF 10 V kondenzátor triedy I, ktorý som našiel, mal veľkosť 1206 a stál 0,16 USD za 100 kusov. Porovnajte to s kondenzátorom triedy II s podobnou hodnotou, ktorý je k dispozícii v prevedení 0402 a stojí 0,019 USD za 100 kusov.

Je to preto, že kondenzátory triedy II sú vyrobené z keramiky s oveľa vyššou relatívnou permitivitou, ale s určitou teplotnou závislosťou. V tabuľke 2 je uvedené, ako sa tieto kondenzátory špecifikujú. Veľmi bežný čipový kondenzátor typu X7R má preto maximálnu odchýlku kapacity ±15 % v teplotnom rozsahu -55 až +125 °C. To bude postačovať pre všeobecné bypassové a nekritické filtračné aplikácie, najmä ak sú dôležité náklady a veľkosť.

Tabuľka 2. Kondenzátory triedy II, opísané v tejto tabuľke, vykazujú mierne TCC. Veľmi bežné kondenzátory X7R môžu mať zmenu kapacity ±15 % v teplotnom rozsahu od -55 do +125 °C. Tieto kondenzátory tiež vykazujú zmenu kapacity s aplikovaným jednosmerným napätím a vplyvom starnutia v priebehu času. Túto skutočnosť by ste mali zohľadniť vo svojich konštrukciách.

Kondenzátory triedy III sú vyrobené z dielektrických materiálov s ešte vyššou permitivitou a nižšou teplotnou stabilitou ako zariadenia triedy II, ako je uvedené v tabuľke 3. Napríklad typické bežné kondenzátory Y5V majú kapacitu, ktorá sa môže v teplotnom rozsahu od -30 do +85 °C meniť až o 15 % nad ich menovitú hodnotu a až o 85 % pod ňu. Pri tejto úvahe sa pozastavme. Pri vysokých teplotách môže kondenzátor s nominálnou kapacitou 1 µF poskytovať kapacitu len 150 nF. To nemusí byť problém, ak vaše zariadenie vždy pracuje v obmedzenom rozsahu teplôt.

Tabuľka 3. Dielektrické materiály používané v kondenzátoroch triedy III majú ešte vyššiu relatívnu permitivitu ako materiály používané v zariadeniach triedy I alebo II. To znamená, že majú vyššiu kapacitu na jednotku objemu, ale je to na úkor ešte vyššej TCC, rýchlejšieho starnutia a výraznejšej závislosti od napätia.

Závislosť od teploty však nie je všetko. Jednou z ďalších zvláštností kondenzátorov MLCC je, že kondenzátory triedy II a III tiež vykazujú starnutie a časom strácajú kapacitu. Napríklad typický kondenzátor X7R stratí približne 2 % svojej kapacity každých desať hodín prevádzky. To znamená, že po 10 000 hodinách (niečo viac ako 1 rok) takýto kondenzátor stratí 8 % svojej kapacitnej hodnoty. Na obrázku 1 je znázornený graf z technického listu výrobcu, ktorý to pekne ilustruje. Všimnite si, že tento efekt môže byť v prípade niektorých komponentov až okolo 5 % za desať hodín.

Na obrázku 1 sú znázornené charakteristiky starnutia pre typické MLCC. Kondenzátory triedy II a III starnú lineárne s logaritmom času. Zvyčajne sa udáva ako percentuálna zmena kapacity za desať hodín. Kondenzátory triedy II zvyčajne strácajú približne 2 % svojej hodnoty každú dekádu hodín a kondenzátory triedy II až 5 % za dekádu.

A keď ste si mysleli, že už to nemôže byť horšie, kapacita mnohých MLCC sa tiež znižuje s zvyšujúcim sa jednosmerným napätím. Kondenzátory triedy II a III vykazujú tento jav v dôsledku jednosmerného predpätia, ktoré obmedzuje pohyblivosť iónov titánu v dielektriku.Tento efekt sa líši, ale môže znamenať, že kondenzátor môže stratiť 20 až 85 % svojej kapacity, ak je prevádzkovaný pri menovitom napätí. Myslím, že budete súhlasiť, že to nie je zanedbateľné množstvo.

Na obrázku 2 je graf, ktorý poskytol jeden z dodávateľov kondenzátorov a ktorý ukazuje typický príklad, v tomto prípade je kondenzátor 4,7 µF 50 V X7R. Pri napätí 40 V sa kapacita znížila o polovicu a pri plnom menovitom napätí (pri ktorom by ste nikdy nemali pracovať) sa znížila o 60 %. Toto je niečo, čo si treba uvedomiť pri používaní týchto kondenzátorov v bypassových aplikáciách, kde je normou jednosmerné predpätie.

Obrázok 2. Kapacita typického kondenzátora 4,7 µF, 50 V X7R klesá s zvyšujúcim sa jednosmerným napätím. Pri napätí 40 V klesne kapacita približne na 50 % menovitej hodnoty, preto je dôležité si to uvedomiť a starostlivo zvoliť menovité napätie a kapacitu, aby ste nedostali neočakávané výsledky.

Čo si o tom všetkom môžeme myslieť? Nie je vhodné používať MLCC triedy II a III, pretože ich kapacita je veľmi závislá od teploty, času a použitého napätia?

Odpoveď je samozrejme taká, že si musíte vždy vybrať správny kondenzátor pre správnu úlohu. Ak máte kritickú požiadavku na časovanie alebo filter, kde je dôležitá stabilita hodnoty kondenzátora, vyberte si MLCC triedy I alebo iný typ kondenzátora, ktorý má správnu kapacitu s teplotnými vlastnosťami a charakteristikami starnutia.

Na bežné aplikácie oddeľovania sú vhodné kondenzátory triedy II alebo III, ale musíte si uvedomiť, že kapacita sa pravdepodobne výrazne zníži pri zvyšujúcej sa teplote, jednosmernom skreslení a v priebehu času, a podľa toho zvážte jeho použitie.

Referencie:

• Teplotné a napäťové zmeny keramických kondenzátorov alebo prečo sa z vášho 4,7µF kondenzátora stane 0,33µF kondenzátor | Analog Devices.
• Murata Manufacturing Co., Ltd.„Mení sa kapacita pri použití jednosmerného napätia na keramické kondenzátory? Existujú nejaké body, na ktoré si treba dať pozor, pokiaľ ide o zmeny kapacity? | Často kladené otázky o kondenzátoroch.
• V čom sa líšia dielektriká MLCC. | Kemet
• CL10A105KO8NNNC_Spec.Pdf. | Digikey
• EIA-198 Norma | Ecianow