Путеводитель по электронным компонентам Информация об отдельных типах компонентов 2.7 Конденсаторы

2.7 Конденсаторы

КЕРАМИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАТОРЫ MLCC*
* MLCC — Multi Layer Ceramic Capacitors

Конденсаторы MLCC подразделяются по видам диэлектрика с различными температурными характеристиками на следующие классы:

Класс 1 (Temperature Compensation or Ultra Stable). Наиболее распространённый диэлектрик данного класса — C0G/NP0. NP0 означает высокую стабильность — Negative/Positive/Zero.
Класс 2 (Temperature Stable). Наиболее распространённые диэлектрики данного класса — X7R и X5R.
Класс 3 (General Purpose). Наиболее распространённые диэлектрики данного класса — Z5U, X6T и Y5V.

В таблице 2.28 приведены различные диэлектрики с температурными характеристиками, параметрами стабильности и допусками.

Табл. 2.28

Dielectric Material	Capacitance Change	Operating Temperature Range, °C	Tolerance
C0G/NP0	±30 ppm/°C	–55 … +125	0.1, 0.25, 0.5 pF, 1, 2, 5, 10 %
X7R	±15 %	–55 … +125	5, 10, 20 %
X8R	±15 %	–55 … +150	5, 10, 20 %
X5R	±15 %	–55 … +85	10, 20 %
Y5V	+22 … –82 %	–30 … +85	20 %, +80 … –20 %
X7S	±22 %	–55 … +125	10, 20 %
X6S	±22 %	–55 … +105	10, 20 %
Z5U	+22 … –56 %	+10 … +85	20 %, +80 … –20 %
X6T	+22 … –33 %	–55 … +105	+22 … –33 %

СТАБИЛЬНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ MLCC

Рис. 2.11а. C0G/NP0

Рис. 2.11б. X7R

Рис. 2.11в. Y5V

Более ясное различие в температурной стабильности между диэлектриком C0G/NP0 (±30 ppm/°C) и диэлектриком X7R (±15 %) может быть продемонстрировано следующим несложным расчётом:

Таким образом, стабильность диэлектрика C0G/NP0 в полном температурном диапазоне составляет ±0.3 % по сравнению с ±15 % у диэлектрика X7R.

Целесообразно особо упомянуть и о диэлектрике Y5V. Многие ошибочно считают, что диэлектрик Y5V позволяет получить конденсатор с большей ёмкостью или более высоким напряжением при одинаковых размерах по сравнению с диэлектриками X7R и X5R. Такое мнение оказывается серьёзным заблуждением, так как при низкой стабильности (от +22 до –82 %) в узком диапазоне температур (от –30 до +85 °C) действительная ёмкость в наихудшем случае может оказаться величиной около 15 % от номинальной ёмкости конденсатора.

Пример: конденсатор с номинальной ёмкостью в 10 микрофарад и допуском –20 % может обладать ёмкостью в 8 микрофарад при комнатной температуре, а со стабильностью –82 % в упомянутом диапазоне температур его ёмкость при реальном функционировании изделия может снизиться до 1.44 микрофарад.

Как видно из таблицы 2.28, диэлектрики имеют трёхзначное наименование в виде 2-х букв и цифры между ними. Таблица 2.29 позволяет понять техническое содержание каждого наименования диэлектрика. Так, первая буква и последующая цифра обозначают диапазон температур (буква обозначает минимум, цифра — максимум), а 2-я буква обозначает стабильность диэлектрика, т. е. максимальное отклонение ёмкости в пределах его температурного диапазона.

Табл. 2.29

Low Temp. Limit, °C		High Temp. Limit, °C		Change Over Range, %
X	–55	2	+45	A	±1.0
Y	–30	4	+65	B	±1.5
Z	+10	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 … –56
				V	+22 … –82

Таблица 2.30 содержит коды допусков к номинальным значениям ёмкости в соответствии со стандартом EIA.

Табл. 2.30

Code	Tolerance
A	±0.05 pF
B	±0.10 pF
C	±0.25 pF
D	±0.5p F
E	±0.5 %
F	±1 %
G	±2 %
H	±3 %
J	±5 %
K	±10 %
L	±15 pF
M	±20 %
N	±30 %
P	+100 … 0 %
S	–20 … +50 %
W	0 … +200 %
X	–20 … +40 %
Z	–20 … +80 %

Стандартные значения ёмкости керамических конденсаторов определяются таблицей 2.31 с величинами в декадах E24, E12, Eи E3. Значения ёмкости у конденсаторов C0G/NP0 соответствуют декаде E24 в диапазоне pF и декаде E12 в диапазоне nF. Значения ёмкости у конденсаторов X7R и X5R соответствуют декадам E12 и E6, а для конденсаторов с ёмкостью 10 uF и выше — в соответствии с декадой E3.

Конденсаторы с диэлектриками X7R, а особенно X5R, в связи с существенным повышением в последние годы величины емкостей при сохранении размеров и допустимого напряжения, стали привлекательной альтернативой для применения вместо танталовых конденсаторов. При этом достигаются дополнительные преимущества в связи с отсутствием полярности, более низкими паразитными параметрами (сопротивления и индуктивности), бóльшим диапазоном напряжений и меньшими размерами.

Табл. 2.31

E24	E12	E6	E6
10	10	10	10
11
12	12
13
15	15	15
16
18	18
20
22	22	22	22
24
27	27
30
33	33	33
36
39	39
43
47	47	47	47
51
56	56
62
68	68	68
75
82	82
91

В таблице 2.32 приведены максимально возможные значения ёмкости керамических конденсаторов в зависимости от типа диэлектрика, размера конденсатора и допустимого напряжения.

Табл. 2.32

Chip Size	Nominal Voltage, V						Dielectric
	Capacitance, μF
	4	6.3	10	16	25	50
0201		0.01	0.01	0.01	0.0033	0.0015	X7R
0201		1.0	0.22	0.22	0.1	0.0033	X5R
0402		1.0	0.22	0.22	0.1	0.1	X7R
0402	10.0	10.0	4.7	2.2	2.2	0.1	X5R
0603		2.2	2.2	1.0	1.0	1.0	X7R
0603	22.0	22.0	22.0	10.0	10.0	2.2	X5R
0805		10.0	10.0	10.0	4.7	2.2	X7R
0805	47.0	47.0	47.0	22.0	22.0	4.7	X5R
1206		22.0	22.0	10.0	10.0	4.7	X7R
1206	100.0	100.0	100.0	47.0	47.0	10.0	X5R
1210		47.0	47.0	22.0	22.0	10.0	X7R
1210		220.0	100.0	100.0	22.0	10.0	X5R

Данные значения указаны с учётом их наличия у нескольких изготовителей чип-конденсаторов. Наблюдается постоянная тенденция увеличения достигаемых максимальных значений ёмкости в связи с продолжающимся развитием технологии по изготовлению чип-конденсаторов высокой ёмкости (High Capacitance MLCC).

Конденсаторы MLCC имеют хрупкую кристаллическую структуру диэлектрика, чувствительного к температурным и механическим стрессам. Температурный коэффициент расширения (TCE — Thermal Coefﬁcient of Expansion) керамического материала существенно отличается от аналогичного коэффициента у материала печатных плат.

Так, коэффициент расширения материала FR4, наиболее распространённого для печатных плат, почти в два раза выше по сравнению с керамикой, что может способствовать трещинам внутри конденсатора (Cracks) в процессе пайки при высоких температурах (Reﬂow). Эти трещины практически не выявляются при функциональных тестах после пайки, а в результате механических воздействий при установке платы в изделие или в результате транспортировки могут привести к неисправностям и нередко уже при использовании изделия заказчиком. Чем больше размер конденсатора, тем более актуальной становится проблема, и потому не рекомендуется применять конденсаторы с размерами 2220, 2225 и выше. В этом случае необходимо использование ручной пайки.

ТАНТАЛОВЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ

Максимальное напряжение для танталовых конденсаторов — 50 В в следующих стандартных категориях: 2.5, 4, 6.3, 10, 16, 20, 25, 35 и 50 В.

Танталовый конденсатор должен быть выбран с напряжением, существенно превышающим рабочее напряжение электрической схемы.

В соответствии с рекомендациями изготовителей танталовых конденсаторов, для поддержания надёжности конденсаторов во всём диапазоне температур (от –55 до +125 °C), превышение должно быть не менее 60 %, а желательно даже до 100 %.

Необходимо также напомнить, что танталовые конденсаторы очень чувствительны к повышенным токам при включении изделия (Inrush Currents), а также к импульсам напряжения противоположной полярности (Surge Spikes). Кратковременные импульсы допускаются с напряжением не выше 15 % от номинального значения при комнатной температуре 25 °C и не выше 5 % при температуре 85 °C (см. табл. 2.33). Таким образом, при температуре 85 °C танталовый конденсатор напряжением 20 В может выйти из строя при импульсе более 1 В.

Табл. 2.33. Допустимые импульсы обратной полярности

Temperature, °C	Percentage of Rated Voltage
+25	15
+85	5
+125	1

Пренебрежение к указанным требованиям приводит к серьёзным повреждениям танталовых конденсаторов, вплоть до их возгорания. При этом необходимо помнить, что если характер повреждения (Failure Mode) у керамических и алюминиевых конденсаторов — Open (т. е. приводит к разрыву электрической цепи), то неисправности у танталовых конденсаторов более опасны, поскольку, как правило, приводят к короткому замыканию (Short) и серьёзному повреждению находящихся поблизости компонентов и самой печатной платы.

РАЗМЕРЫ КОРПУСОВ SMT ТАНТАЛОВЫХ КОНДЕНСАТОРОВ*
* В соответствии со стандартом EIA

Рис. 2.12

Наиболее популярные корпуса — A, B, C и D. Корпуса S, T, W и Y являются версией танталовых конденсаторов с малой толщиной (Low Proﬁle) для корпусов A, B, C и D соответственно.

Табл. 2.34

EIA Code	Case Code	L	W	H	W1	A
		Tolerance
		±0.2	+0.2/–0.1	+0.2/–0.1	+0.2	+0.3/–0.2
3216-10	I, K	3.2	1.6	1.0 (max)	1.2	0.8
3216-12	S	3.2	1.6	1.2 (max)	1.2	0.8
3216-18	A	3.2	1.6	1.6	1.2	0.8
3528-12	T	3.5	2.8	1.2 (max)	2.2	0.8
3528-15	M, H	3.5	2.8	1.5 (max)	2.2	0.8
3528-21	B	3.5	2.8	1.9	2.2	0.8
6032-15	U, W	6.0	3.2	1.5 (max)	2.2	1.3
6032-28	C	6.0	3.2	2.6	2.2	1.3
7343-20	V, Y	7.3	4.3	2.0 (max)	2.4	1.3
7343-31	D	7.3	4.3	2.9	2.4	1.3
7343-53	X, E	7.3	4.3	4.1	2.4	1.3

АЛЮМИНИЕВЫЕ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАТОРЫ

Алюминиевые конденсаторы весьма чувствительны к длительному хранению (Long Term Storage), и рекомендуемый срок хранения — не более года.

Рекомендация фирмы Panasonic по восстановлению алюминиевых конденсаторов после длительного срока хранения:

Ток утечки алюминиевого конденсатора увеличивается со временем, а алюминиевая оксидная плёнка ухудшается с потерей свойств в зависимости от времени и температуры. Если конденсатор используется без его восстановления после длительного хранения, потребуется чересчур высокий ток, чтобы восстановить оксидную плёнку.
В случае если срок хранения конденсатора превысил 12 месяцев, он должен быть восстановлен путём подачи к нему номинального напряжения последовательно с ограничивающим ток резистором 1000 Ом в течение 30 минут.
В условиях хранения алюминиевых конденсаторов необходимо поддерживать температуру в интервале от +5 до +35 °C и влажность от 45 до 85 %, а также хранить в местах, недоступных для прямого солнечного света.

Сравнение керамических, танталовых и алюминиевых конденсаторов.

Табл. 2.35

Тип конденсаторов	Преимущества	Недостатки
Керамические (MLCC)	Отсутствие полярности Широкий диапазон частот и низкий импеданс Низкие паразитные параметры (ESR и ESL) Низкий ток утечки Широкий диапазон напряжений (от 2.5 В до 10 кВ)	Ограниченные значения ёмкости (до 220 мкФ 6.3 В) Снижение реальной ёмкости при номинальном напряжении для всех диэлектриков, кроме C0G/NP0 Чувствительность к температурным и механическим стрессам
Танталовые	Более высокий диапазон ёмкостей (до 1000 мкФ) по сравнению с керамическими Меньший размер по сравнению c алюминиевыми при тех же ёмкости и напряжении Устойчивость к высоким температурам пайки Reﬂow	Ограниченный диапазон напряжений (до 50 В) Требование выбора напряжения, более высокого, чем рабочее Чувствительность к повышенным токам при включении и импульсам противоположной полярности Ограниченный диапазон ёмкости по сравнению с алюминиевыми Сравнительно высокая цена Тип неисправности — короткое замыкание
Алюминиевые	Существенно более широкий диапазон напряжений (до 500 В) и ёмкостей (до 0.1 Ф) по сравнению с танталовыми Не требуется более высокое напряжение, чем рабочее Тип неисправности — разрыв цепи Сравнительно низкая цена	Короткие сроки хранения Снижение ёмкости из-за испарения электролита Больший размер по сравнению с танталовым при тех же ёмкости и напряжении Чувствительность к температурам пайки (Reﬂow) Невозможность использования на больших высотах (более 6 км)