Введение

Поводом для написания статьи послужил анекдотический случай, хотя уместнее процитировать М.Ю. Лермонтова: «Все это было бы смешно, когда бы не было так грустно». Случилось так, что несколько плат из опытной партии работали странно. Наверное, многие инженеры со стажем оказывались в ситуации, когда нельзя сказать, что схема неисправна: явных сбоев нет, но работает она совсем не так, как была рассчитана. Странность описываемой ситуации усугублялась еще и тем, что большая часть остальных плат опытной серии вела себя предсказуемо и претензий к ним не было.

Мы не будем описывать все подробности анализа странного поведения плат. Заметим лишь, что причиной всех проблем оказались керамические SMD-конденсаторы – вместо заказанных конденсаторов X7R от известного производителя изготовитель плат установил на часть из них конденсаторы X5R от малоизвестной компании. Хотя, судя по поведению плат при некоторых тестовых сигналах, можно было предположить, что на тех платах вполне могли стоять и конденсаторы типа Y5V.

Этот случай заставил внимательнее относиться к выбору конденсаторов. Мы изучили немалое число публикаций и теперь спешим поделиться с коллегами полученным опытом. Возможно, приведенные ниже сведения известны и даже кому-то покажутся банальными, но, на наш взгляд, иногда нелишне и освежить в памяти свои знания.

 

Причины изменения емкости керамических конденсаторов

Как известно, свойства конденсаторов определяются его диэлектриком, а точнее – диэлектрической проницаемостью используемого материала. В зависимости от ее величины применяемые в конденсаторе диэлектрики делятся на три класса –I, II и III. Диэлектрическая проницаемость конденсаторов класса I не превышает 1000; у компонентов класса IIона находится в диапазоне 1000–6000, а диэлектрическая проницаемость конденсаторов класса IIIзаключена в пределах 6000–25000. Чем выше диэлектрическая проницаемость, тем больше емкость конденсатора при одинаковых размерах.

К сожалению, с возрастанием диэлектрической проницаемости увеличивается и нестабильность диэлектрика, а также его зависимость от температуры и приложенного напряжения. Причем, если по температурной зависимости керамические конденсаторы стандартизованы, то зависимость емкости от приложенного напряжения не нормируется. В конденсаторах с диэлектриком класса I емкость мало зависит от температуры, а изменение емкости происходит линейно в функции изменения температуры.

В таблице 1 приведены температурные коэффициенты ∆TC наиболее распространенных конденсаторов класса I. Все значения указаны при 25°С. Расчет возможного изменения емкости очень прост. Например, если конденсатор N750 с емкостью С работает при температуре –40°С, изменение его емкости вычисляется следующим образом:

∆С(–40°С) = [С(25°С) ∙ ∆TC]/1000000 = –С(25°С) ∙ 0,75×10^–3.

Учитывая возможный разброс коэффициента ∆TC, получаем:

∆С(–40°С) = –С(25°С) ∙ (0,63∙10^–3…0,87∙10^–3).

Как видно, изменения невелики. Иначе обстоит дело с конденсаторами классов II и III. В этом случае влияние температуры на диэлектрик более значимо. В таблице 2 приведена классификация конденсаторов этих классов в зависимости от температурных вариаций. Тип конденсаторов данных классов обозначен по стандарту EIA-198, в соответствии с которым первая буква в названии означает нижний предел рабочего диапазона температур, следующая за первой буквой цифра характеризует верхний предел рабочей температуры, а последняя буква – величину погрешности во всем диапазоне рабочих температур. Последние три строчки таблицы 2 относятся к конденсаторам с диэлектриком класса III.

В отличие от конденсаторов класса I, изменение емкости от температуры конденсаторов классов II и III происходят нелинейно. На рисунке 1 показан график изменения емкости некоторых типов конденсаторов классов II и III в функции температуры.

Рис. 1. График изменения емкости некоторых типов конденсаторов классов II и III в функции температуры

 

Однако изменение емкости при изменении температуры – явление предсказуемое и далеко не самая большая неприятность, которая может ожидать разработчика. Гораздо больше непредвиденных последствий может принести зависимость емкости от приложенного напряжения. Эта величина не нормируется и может довольно значительно отличаться от производителя к производителю.

Суть явления заключается в том, что, когда к конденсатору прикладывается напряжение, в диэлектрике возникает напряженность электрического поля:

E = V/T,

где: E – напряженность электрического поля в диэлектрике; V – приложенное напряжение; T – толщина слоя диэлектрика.
Именно эта напряженность и вызывает изменение параметров диэлектрика, а значит, и емкости конденсатора. Хуже всего в этой ситуации то, что опыт может сыграть с вами злую шутку в данном случае. Совершенствуя конструкцию и свойства диэлектрика, производители уменьшают толщину диэлектрика конденсатора; следовательно, при том же напряжения возрастает напряженность электрического поля, и увеличивается изменение емкости. В результате вполне может случиться так, что, доверяя своему прежнему опыту и используя один и тот же тип конденсатора от одного производителя, можно не обратить внимание на то, что в длинном названии компонента изменилась одна буква. Это невнимание приводит к неприятным последствиям.

Заметим, что параметры конденсаторов разных классов измеряются в разных условиях:

·        конденсаторы класса I емкостью до 1000 пФ испытываются при частоте 1 МГц и напряжении 1,2 V_макс (СКЗ);

·        конденсаторы класса I емкостью свыше 1000 пФ тестируются при частоте 1 кГц и напряжении 1,2 V_макс (СКЗ);

·        конденсаторы класса II испытываются при частоте 1 кГц и напряжении 1,0±0,2 V_макс (СКЗ);

·        конденсаторы класса IIIпроверяются при частоте 1 кГц и напряжении 0,5±0,1 V_макс(СКЗ).

Отметим малое испытательное напряжение конденсаторов класса III. Становится понятно, почему не следует рассчитывать на указанную изготовителем емкость, если напряжение на этих конденсаторах превышает 50% максимально допустимого значения.

В [1] провели эксперимент с конденсаторами от разных производителей. Испытывались конденсаторы X7R и X5R в корпусах 0603, 0805, 1206, 1210, 1812 с максимально допустимыми напряжениями 6,3; 10; 16 и 25 В. На рисунке 2 показаны результаты испытаний конденсаторов с номинальной емкостью 4,7 мкФ. Видно, что чем больше размер конденсатора, тем меньше влияет на его емкость прикладываемое напряжение.

Рис. 2. Результаты испытаний конденсаторов с номинальной емкостью 4,7 мкФ

 

В таблице 3 показано, как изменяется емкость при постоянном напряжении 12 В у конденсаторов с разными размерами и номинальной емкостью 4,7 мкФ. Как следует из таблицы, изменение емкости нелинейно зависит от размера, и с увеличением размеров корпуса, по мере убывания напряженности электрического поля, прикладываемое напряжение сказывается меньше. Таким образом, нецелесообразно увеличивать размер корпуса до габарита 1812 – вполне можно ограничиться размером 1210.

В [2] провели схожий эксперимент с конденсаторами от пяти производителей, которых обозначили буквами A, B, C, D, E, F. В эксперименте участвовали два конденсатора от производителя F: F1 и F2. Как и в предыдущем случае, использовались конденсаторы X7R и X5R, но условия эксперимента были усложнены – на постоянное напряжение смещения накладывалась переменная составляющая частотой 100 Гц с амплитудами 10 и 500 мВ.

Результаты эксперимента оказались очень интересными. Когда были измерены результаты действия смещения на однотипные конденсаторы производителя F, оказалось, что разброс от экземпляра к экземпляру очень невелик, что и должно быть при отработанной технологии изготовления. А вот между конденсаторами разных типов одного производителя может быть существенная разница.

На рисунке 3 приведены результаты измерения конденсаторов производителей B и F. Все испытываемые конденсаторы имели типоразмер 0603 и одинаковое максимально допустимое напряжение 16 В. При измерении на постоянное напряжении накладывались пульсации амплитудой 10 мВ с частотой 100 Гц. Различия видны невооруженным глазом. Результат измерения подтверждает, что, в отличие от температурных изменений, реакция конденсаторов на приложенное постоянное напряжение не нормируется и зависит от производителя. Более того, даже у одного производителя реакция конденсаторов на прикладываемое напряжение может существенно отличаться.

Рис. 3. Результаты измерения конденсаторов производителей B и F

 

На рисунке 4 представлены результаты испытания всех участвующих в эксперименте конденсаторов.

Рис. 4. Результаты испытаний конденсаторов, участвующих в эксперименте

 

На постоянное напряжение накладывались пульсации амплитудой 500 мВ и частотой 100 Гц. Цифры 5 и 7 около обозначений производителей означают конденсаторы X5R и X7R, соответственно. У всех конденсаторов – одинаковый типоразмер 0603 и одинаковое максимально допустимое напряжение 16 В. Как видно из рисунка, отличия в изменении емкости даже у конденсаторов одинаковой температурной группы могут быть разными.

Влияние постоянного напряжения не ограничивается изменением емкости – под его воздействием существенно изменяется и эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора ЕSR. Из рисунка 5 видно, как изменяется ESR при изменении смещения в диапазоне 0–20 В. Если изменение величины емкости критично для конкретного приложения, возможно, стоит подумать об использовании танталовых конденсаторов, емкость которых практически не зависит от напряжения.

Рис. 5. Изменение ЕSR при изменении смещения в диапазоне 0–20 В

Помимо ограничений по постоянному напряжению, следует учитывать и ограничение по переменному напряжению. На рисунке 6 показана в общем виде зависимость максимально допустимого напряжения переменного тока от частоты.

 

Границы первого и второго диапазонов f₁ и f₂ вычисляются из соотношений:

f₁ = Q_MAX/(2πCV₁²)

f₂ = I²_MAX/(2πCQ²_MAX)

Максимально допустимая величина переменного напряжения в диапазонах 1, 2 и 3 – V₁, V₂и V₃ определяются из выражений:

V₁ = V_R/√2

V₂ = √Q_MAX/(2πfC)

V₃ = I_MAX /(2πfC)

В приведенных выше соотношениях приняты следующие обозначения: Q_MAX – максимально допустимая реактивная мощность, ВАР; f – частота; С – емкость, Ф; V_R – максимально допустимое напряжение; I_MAX – максимально допустимый ток.

И, наконец, последний фактор, обуславливающий изменение емкости конденсатора, – старение. Это явление в меньшей степени касается конденсаторов класса I, но в полной мере относится к их «коллегам» из классов II и III. Например, емкость конденсаторов NPO практически не меняется со временем, тогда как емкость конденсатора X5R изменяется на 1% на декаду, а конденсаторов X7R – на 5% на декаду. Время исчисляется в часах. На рисунке 7 представлен график, показывающий изменение емкости конденсаторов X5R и X7Rсо временем. Заметим, что если при эксплуатации конденсаторы подвергались тепловым, электрическим или механическим воздействиям, превышающим допустимые, темп старения увеличивается.

 

Выводы

Невозможно дать общие рекомендации по использованию керамических конденсаторов в разных схемах, но некоторые предостережения можно вполне четко сформулировать.

Известно, что около выводов разъема, через которые на плату поступает питание, устанавливаются сглаживающие керамические и электролитические конденсаторы. В таком случае не следует экономить, выбирая максимально допустимое напряжение конденсаторов близким к напряжению питания. Например, если конденсаторы устанавливаются на 15-В шину, ни в коем случае не следует выбирать 16-В конденсаторы – настоятельно рекомендуется установить как минимум 25-В или, если позволяет место, 50-В конденсаторы. В этом случае высокочастотные пульсации на шинах питания почти наверняка уменьшатся.

Особенный случай представляют собой сглаживающие фильтры на выходе импульсных преобразователей. Можно понять стремление разработчика уменьшить пульсации выходного напряжения за счет увеличения емкости конденсаторов. К сожалению, поскольку при этом ухудшается стабильность диэлектрика, конденсатор с большой емкостью «на бумаге» в реальных условиях эксплуатации может потерять значительную часть своей емкости. В первую очередь, это относится к конденсаторам класса III, например Z5U.

Как бы то ни было, один универсальный совет можно дать – необходимо внимательно читать документацию изготовителя. В случае отсутствия в ней каких-либо важных сведений их следует запросить. Если ответ не будет получен в приемлемые сроки, лучше использовать компоненты другого производителя.

 

Литература

1. Mark Fortunato. Temperature and Voltage Variation of Ceramic Capacitors, or Why Your 4.7µF Capacitor Becomes a 0.33µF Capacitor//www.edn.com.

2. DC and AC Bias Dependence of Capacitors Including Temperature Dependence//www.edn.com.

 

Таблица 1. Температурныекоэффициентынаиболее распространенных конденсаторов класса I

Обозначение по стандарту EIA-198	Альтернативное обозначение, часто применяемое производителями	Температурный коэффициент ∆TC, ppm/°C	Допустимое отклонение температурного коэффициента, ppm/°C
COG	NPO	0 ±30	±30
U2J	N750	–750 ±120	±120
P3K	N1500	–2200 ±500	±500
R3L	N2200	–2200 ±500	±500
T3M	N4700	–2200 ±1000	±1000
U3N	N5600	–5600 ±2500	±2500

 

Таблица 2. Температурная погрешность конденсаторов классов II и III

Первая буква в обозначении	Нижний предел рабочей температуры, °С	Цифра в обозначении	Верхний предел рабочей температуры, °С	Последняя буква в обозначении	Погрешность в рабочем диапазоне температур
Z	10	2	45	A	±1,0
X	–30	4	65	B	±1,5
Y	–55	5	85	C	±2,2
		6	105	D	±3,3
		7	125	E	±4,7
		8	150	F	±7,5
		9	200	P	±10
				R	±15
				S	±22
				T	22…–33
				U	22…–65
				V	22…–82

 

Таблица 3. Изменение емкости при смещении 12 В у конденсаторов разных типоразмеров

Типоразмер	Емкость, мкФ	Остаточная емкость, %
0805	1,53	32,6
1206	3,43	73,0
1210	4,16	88,5
1812	4,18	88,96

 

 

Рис. 6. Зависимость максимально допустимого напряжения переменного тока от частоты*

Рис. 7. Изменение емкости конденсаторов X5R и X7R при старении*

 * см в версии пдф