В. Степуков

Керамические конденсаторы большой емкости

Керамические конденсаторы являются естественным элементом практически любой электронной схемы. Они применяются там, где необходима способность работать с сигналами меняющейся полярности, необходимы хорошие частотные характеристики, малые потери, незначительные токи утечки, небольшие габаритные размеры и низкая стоимость. Там же, где эти требования пересекаются, они практически незаменимы. Но проблемы, связанные с технологией их производства, отводили этому типу конденсаторов нишу устройств малой ╦мкости. Действительно, керамический конденсатор на 10 мкФ ещ╦ недавно воспринимался как удивительная экзотика, и стоило такое чудо как горсть алюминиевых электролитических, таких же ╦мкости и напряжения, либо как несколько аналогичных танталовых.

Однако, развитие технологий позволило к настоящему времени сразу нескольким фирмам заявить о достижении ими ╦мкости керамических конденсаторов 100 мкФ и анонсировать начало производства приборов ещ╦ больших номиналов в конце этого года. А сопровождающее этот процесс непрерывное падение цен на все изделия данной группы заставляет внимательнее присмотреться ко вчерашней экзотике, чтобы не отстать от технического прогресса и сохранить конкурентоспособность.

Рисунок 1. Структура многослойного керамического конденсатора

Несколько слов о технологиях. Говоря о керамических конденсаторах, мы будем рассматривать многослойные керамические структуры. На рис. 1 представлена структура такого конденсатора, а на рис. 2 - фотография сильно увеличенного среза изделия одного из мировых лидеров их производства ≈ японской фирмы Murata.

Рисунок 2. Срез структуры конденсатора фирмы Murata (увеличено)

╗мкость многослойных керамических конденсаторов определяется формулой:

, (1)

где e₀ - константа диэлектрической проницаемости вакуума; e - константа диэлектрической проницаемости, используемой в качестве диэлектрика керамики; S₀ - активная площадь одного электрода; n - число сло╦в диэлектрика; d - толщина слоя диэлектрика.

Таким образом, увеличения ╦мкости конденсатора можно добиться уменьшением толщины сло╦в диэлектрика, увеличением числа электродов, их активной площади и увеличением диэлектриче-ской проницаемости диэлектрика.

Уменьшение толщины диэлектрика и связанная с этим возможность увеличения количества электродов ≈ основной способ увеличения ╦мкости керамиче-ских конденсаторов. Но снижение толщины диэлектрика приводит с снижению напряжения пробоя, поэтому конденсаторы большой ╦мкости на высокое рабочее напряжение встречаются редко.

Увеличение числа сло╦в диэлектрика ≈ процесс, технологически связанный с уменьшением толщины единичного слоя. Рис. 3 отображает технологические тенденции послед-них лет в этой области, представленные фирмой Murata.

Рисунок 3. Взаимозависимость толщины слоя диэлектрика и числа сло╦в многослойных конденсаторов

Увеличение активной площади одного электрода - это увеличение габаритных размеров конденсатора ≈ крайне неприятное явление, приводящее к резкому росту стоимости изделия.

Увеличение диэлектрической проницаемости при заметном увеличении ╦мкости приводит к существенному ухудшению температурной стабильности и сильной зависимости ╦мкости от приложенного напряжения.

Теперь рассмотрим возможности и особенности применения керамических конденсаторов большой ╦мкости. Перед началом обсуждения стоит обратить внимание на уже имеющиеся предложения и ближайшие планы лидеров отрасли фирм Murata и Samsung Electro-Mechanics, представленные в табл. 1.

Таблица 1.* Выпускаемые и перспективные модели

*) Ожидается в ближайшем будущем;уже доступно.

В таблице могут быть мелкие неточности, поэтому рекомендуем обратиться к файлу в формате .pdf

Естественной областью применения подобного спектра керамических конденсаторов большой ╦мкости может быть замена ими танталовых и алюминиевых конденсаторов для поверхностного монтажа в схемах подавления пульсаций, разделения постоянной и переменной составляющих электрического сигнала, интегрирующих цепочках. Однако, при этом необходимо учитывать принципиальные различия между этими группами деталей, делающие, в большинстве случаев, бессмысленными замены вида электролитический конденсатор "номинал x напряжение" на керамический конденсатор аналогичного "номинала x напряжения". Рассмотрим коротко основные причины этого.

Частотные свойства конденсаторов определяет зависимость их импеданса и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) от частоты. Типичные зависимости такого рода для керамических, танталовых и алюминиевых конденсаторов приведены на рис. 4 и 5.

Рисунок 4. Зависимость импеданса конденсаторов от частоты

Рисунок 5. Зависимость ESR конденсаторов от частоты

Существенная разница в импедансе керамических конденсаторов на частотах выше 1 кГц с алюминиевыми электролитическими и свыше 10 Гц с танталовыми конденсаторами позволяет в некоторых случаях использовать для сглаживания пульсаций напряжения номиналы меньшей ╦мкости для получения аналогичного эффекта. Данные, характеризующие разницу в величине сглаживания паразитных синусоидальных пульсаций различных частот конденсаторами разного типа, но одинаковой ╦мкости 10 мкФ, даны в табл. 2.

Таблица 2.Сравнительные характеристики конденсаторов различных типов

В таблице могут быть мелкие неточности, поэтому рекомендуем обратиться к файлу в формате .pdf

Таким образом, для обеспечения одинакового с танталовым конденсатором в 10 мкФ уровня подавления пульсаций частотой 1 МГц можно использовать керамический конденсатор ╦мкостью 1,0√2,2 мкФ. Экономия места на плате и денег очевидна.

Низкое эквивалентное последовательное сопротивление и связанные с ним малые потери позволяют значительно сильнее нагружать керамические конденсаторы, нежели электролитические, не вызывая при этом критического для детали разогрева, несмотря на их значительно более скромные габаритные размеры. Сравнительные кривые разогрева конденсаторов токами пульсации различной частоты приведены на рис. 6.

Рисунок 6. Зависимость разогрева конденсаторов от тока пульсации на частотах 100 кГц (а) и 1 МГц (б)

Ещ╦ одним немалым плюсом керамических конденсаторов является их способность выдерживать кратковременные высокие напряжения перегрузки, многократно превышающие номинальные. Кто выбирал сглаживающие конденсаторы для импульсных источников питания, знает, как это важно, ибо в моменты запуска и выключения в них могут генерироваться импульсы амплитудой до нескольких значений выходного напряжения, вынуждая использовать электролитические конденсаторы с большим запасом по напряжению.

Сравнительные характеристики напряжения пробоя для различных типов конденсаторов по результатам тестов, провед╦нных фирмой Murata, приведены на рис. 7.

Рисунок 7. Характеристики пробоя конденсаторов разных типов

Теперь несколько слов о грустном. При всех своих достоинствах, керамические конденсаторы большой ╦мкости производятся с использованием диэлектриков типа X7R/X5R и Y5V. Их отличительной особенностью является сильная зависимость диэлектрической проницаемости, а с ней, согласно (1), и ╦мкости от температуры и приложенного напряжения. Типичные зависимости такого рода для конденсаторов разных типов показаны на рис. 8 и 9.

Рисунок 8. Температурная зависимость ╦мкости конденсаторов

Рисунок 9. Зависимость ╦мкости конденсаторов от приложенного напряжения

Из них видим, что при достаточно ж╦стких требованиях к стабильности номинала, например, во времязадающих цепях или при развязке постоянной и переменной составляющих, на замену электролитическим конденсаторам можно рекомендовать только керамические с диэлектриком X7R, который может оказаться ещ╦ более интересным, если принять во внимание его допустимый диапазон рабочих температур -55 : +125°С, позволяющий ему найти применение как в аппаратуре, рассчитанной на работу на улице в условиях севера, так и в автомобильной технике, с е╦ ж╦сткими требованиями к сохранению работоспособности при высоких температурах.

Однако, для сглаживающего конденсатора стабильность номинала не является критическим параметром. Поэтому можно рассчитывать и на высокую востребованность приборов на основе менее стабильной керамики Y5V, из которой можно получить детали меньшего габарита и стоимости.