Конденсаторы. температурный коэффициент емкости (тке)

Конденсаторы. температурный коэффициент емкости (тке)

17 Января 2017 В керамических конденсаторах используется обширный класс диэлектрических материалов — в основном это различные соединения на основе титанатов или ниобатов. Дли инженера важна классификация диэлектриков для керамики по признаку температурной стабильности, для оценки которой используется т.н. температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ).

В зарубежной системе классификации используется деление керамических конденсаторов на три класса:

  • Класс 1 — точные термостабильные конденсаторы с практически линейной зависимостью ТКЕ от температуры;
  • Класс 2 — конденсаторы с меньшей температурной стабильностью, но, в основном, с большей объёмной ёмкостью.
  • Класс 3 (устаревшие) — т.н. барьерные керамические конденсаторы, имеют очень высокую диэлектрическую проницаемость и поэтому более высокую объемную ёмкость, чем конденсаторы второго класса. Тем не менее, эти конденсаторы имеют худшие электрические характеристики, в том числе более низкую точность и стабильность. Так как не представляется возможным создание многослойного конденсатора такого типа, на рынке присутствуют лишь выводные конденсаторы третьего класса. По состоянию на 2013-й год конденсаторы третьего класса считаются устаревшими, так как современная многослойная керамика 2 класса может обеспечить более высокую емкость и лучшие параметры в более компактном корпусе.

Для обозначения диэлектриков керамических конденсаторов зарубежом используются два стандарта: EIA RS-198 и IEC/EN 60384-8/21. Согласно этой системе, к первому классу принадлежат следующие диэлектрики:

Тип диэлектрика
(согласно IEC/EN 60384-8/21)
Тип диэлектрика
(согласно EIA-RS-198)
Температурный коэффциент ёмкости
(10 -6 /K)
Допустимое отклонение ТКЕ на градус
(10 -6 /K)
NP0 C0G ±30
P100 M7G 100 ±30
N33 H2G -33 ±30
N75 L2G -75 ±30
N150 P2H -150 ±60
N220 R2H -220 ±60
N330 S2H -330 ±60
N470 T2H -470 ±60
N750 U2J -750 ±120
N1000 Q3K -1000 ±250
N1500 P3K -1500 ±250

По стандарту EIA RS-198 керамические конденсаторы 2-го класса различаются по допустимому изменению ёмкости и рабочему диапазону температур.

Нижняя рабочая температура
(первый индекс)
Верхняя рабочая температура
(цифровой индекс)
Допустимое изменение ёмкости в температурном диапазоне
(третий индекс)
X = -55°
Y = -30°
Z = +10°
2 = +45°
4 = +65°
5 = +85°
6 = +105°
7 = +125°
8 = +150°
9 = +200°
A = ±1.0%
B = ±1.5%
C = ±2.2%
D = ±3.3%
E = ±4.7%
F = ±7.5%
P = ±10%
R = ±15%
S = ±22%
T = +22%, -33%
U = +22%, -56%
V = +22%, -82%

Пример обозначения, одни из самых распространённых типов диэлектриков:
X7R — ёмкость изменяется на ±15% в диапазоне от -55° до +125°
Y5V — ёмкость может измениться на +22% или -82% в диапазоне от -30° до +85°

В отечествнной системе классификации диэлектрики керамических конденсаторов по типу ТКЕ разделяются на три группы:

  • Конденсаторы с линейной или близкой к ней зависимостью ТКЕ от температуры
  • Керамические конденсаторы различающиемя по допускаемому изменению емкости в интервале температур
  • Слюдяные конденсаторы

Классификация конденсаторов с линейной или близкой к ней зависимостью ТКЕ от температуры приведена в таблице ниже. Там же указано соответствие отечественной системы и импортной, чтобы подобрать замену импортному конденсатору по типу диэлектрика:

Обозначение группы ТКЕ
По отечественной классификации
Обозначение группы ТКЕ
По импортной классификации
Номинальное значение ТКЕ в диапазоне 20 — 85°С
П100 (П120) P100 +100 (+120)
П33 +33
МП0 NP0
М33 N030 -33
М47 -47
М75 N75 -75
М150 N150 -150
М220 N220 -220
М330 N330 -330
М470 N470 -470
М750 N750 -750
М1500 N1500 -1500
М2200 N2200 -2200

Группы керамических конденсаторов классифицируемые по допускаемому изменению емкости в интервале температур:

Обозначение группы ТКЕ Допускаемое относительное изменение емкости в интервале рабочих температур, %
H10 ±10
H20 ±20
H30 ±30
H50 ±50
H70 ±70
H90 ±90

Для слюдяных конденсаторов используется следующее деление по типам ТКЕ:

Обозначение группы ТКЕ Допускаемое относительное изменение емкости в интервале рабочих температур, %
А ±200
Б ±100
В ±50
Г ±20

Остальные конденсаторы могут иметь различный ТКЕ, в зависимости от конкретного диэлектрика и конструкции. При расчётах необходимо сверяться с документацией на конкретный тип конденсатора. Для примера можно руководствоваться следующими значениями:

Полистирольные конденсаторы — ТКЕ в диапазоне 40 — 200 (10 -6 /°К).
Поликарбонатные конденсаторы — ТКЕ около ±50 (10 -6 /°К).
Полиэтилентерефталатные (ПЭТФ) конденсаторы — ТКЕ у них не нормирован, но, как правило, они относительно термостабильные.
Полипропиленовые конденсаторы (серия К78) имеют достаточно высокий ТКЕ: -500 (10 -6 /°К).

Обратите внимание. Ёмкость конденсаторов изменяется не только из-за температуры окружающей среды, но также и в зависимости от приложенного напряжения. Данная особенность освещена в отдельной заметке.

Конденсатор

Конденсатор можно сравнить с небольшим аккумулятором, он умеет быстро накапливать электрическую энергию и так же быстро ее отдавать. Основной параметр конденсатора – это его емкость (C). Важным свойством конденсатора, является то, что он оказывает переменному току сопротивление, чем больше частота переменного тока, тем меньше сопротивление. Постоянный ток конденсатор не пропускает.

Как и резисторы, конденсаторы бывают постоянной емкости и переменной емкости. Применение конденсаторы находят в колебательных контурах, различных фильтрах, для разделения цепей постоянного и переменного токов и в качестве блокировочных элементов.

Основная единица измерения емкости – фарад (Ф) – это очень большая величина, которая на практике не применяется. В электронике используют конденсаторы емкостью от долей пикофарада (пФ) до десятков тысяч микрофарад (мкФ). 1 мкФ равен одной миллионной доле фарада, а 1 пФ – одной миллионной доле микрофарада.

Обозначение конденсатора на схеме

На электрических принципиальных схемах конденсатор отображается в виде двух параллельных линий символизирующих его основные части: две обкладки и диэлектрик между ними. Возле обозначения конденсатора обычно указывают его номинальную емкость, а иногда его номинальное напряжение.

Номинальное напряжение – значение напряжения указанное на корпусе конденсатора, при котором гарантируется нормальная работа в течение всего срока службы конденсатора. Если напряжение в цепи будет превышать номинальное напряжение конденсатора, то он быстро выйдет из строя, может даже взорваться. Рекомендуется ставить конденсаторы с запасом по напряжению, например: в цепи напряжение 9 вольт – нужно ставить конденсатор с номинальным напряжением 16 вольт или больше.

Электролитические конденсаторы

Для работы в диапазоне звуковых частот, а так же для фильтрации выпрямленных напряжений питания, необходимы конденсаторы большой емкости. Называются такие конденсаторы – электролитическими. В отличие от других типов электролитические конденсаторы полярны, это значит, что их можно включать только в цепи постоянного или пульсирующего напряжения и только в той полярности, которая указана на корпусе конденсатора. Не выполнение этого условия приводит к выходу конденсатора из строя, что часто сопровождается взрывом.

Температурный коэффициент емкости конденсатора (ТКЕ)

ТКЕ показывает относительное изменение емкости при изменении температуры на один градус. ТКЕ может быть положительным и отрицательным. По значению и знаку этого параметра конденсаторы разделяются на группы, которым присвоены соответствующие буквенные обозначения на корпусе.

Маркировка конденсаторов

Емкость от 0 до 9999 пФ может быть указана без обозначения единицы измерения:

22 = 22p = 22П = 22пФ

Если емкость меньше 10пФ, то обозначение может быть таким:

Так же конденсаторы маркируют в нанофарадах (нФ), 1 нанофарад равен 1000пФ и микрофарадах (мкФ):

10n = 10Н = 10нФ = 0,01мкФ = 10000пФ

Н18 = 0,18нФ = 180пФ

1n0 = 1Н0 = 1нФ = 1000пФ

330Н = 330n = М33 = m33 = 330нФ = 0,33мкФ = 330000пФ

100Н = 100n = М10 = m10 = 100нФ = 0,1мкФ = 100000пФ

1Н5 = 1n5 = 1,5нФ = 1500пФ

4n7 = 4Н7 = 0,0047мкФ = 4700пФ

Цифровая маркировка конденсаторов

Если код трехзначный, то первые две цифры обозначают значение, третья – количество нулей, результат в пикофарадах.

Например: код 104, к первым двум цифрам приписываем четыре нуля, получаем 100000пФ = 100нФ = 0,1мкФ.

Если код четырехзначный, то первые три цифры обозначают значение, четвертая – количество нулей, результат тоже в пикофарадах.

4722 = 47200пФ = 47,2нФ

Параллельное соединение конденсаторов

Емкость конденсаторов при параллельном соединении складывается.

Последовательное соединение конденсаторов

Общая емкость конденсаторов при последовательном соединении рассчитывается по формуле:

Если последовательно соединены два конденсатора:

Если последовательно соединены два одинаковых конденсатора, то общая емкость равна половине емкости одного из них.

Конденсаторы. температурный коэффициент емкости (тке)

Автор: Мышонок
Опубликовано 07.02.2007

1. Что же такое «ТК»?
«ТК» — это сокращение от «Температурный Коэффициент». Это свойство радиодеталей изменять свои характеристики в зависимости от температуры. Возникает он оттого, что материалы, из которых делаются радиодетали, при изменении температуры расширяются, сжимаются, и с ними происходят другие странные вещи, о которых физики лучше знают.

Читайте также  Кабельным операторам о кабельных модемах

2. Что происходит, когда мы забываем про «ТК»?
Многие котята не знают или просто забывают про «ТК». А иногда происходит всё гораздо проще, например, нужен конденсатор какой-нибудь ёмкости, а нужного ТКЕ нет или он не известен. Часто торгаши вообще не знают (или не хотят знать, что гораздо вероятнее), чем они торгуют. Вот и приходится впаивать в конструкцию то, что удалось добыть.
А этот параметр очень важный. Если его не принимать во внимание, то при изменении температуры (просто окружающего воздуха или даже от нагрева аппаратуры во время её работы), характеристики детали с неучтённым ТК могут измениться настолько, что аппаратура станет работать плохо или вообще перестанет работать. Но самое интересное, что как только температура опять станет «нормальной», аппаратура опять начинает работать как ни в чём не бывало. И сколько сил уйдёт на то, что бы отыскать эту «мерцающую неисправность» — а виноват во всём «ТК».

3. Какие «ТК» бывают и в чём они измеряются.
Бывают они такие:

  • ТКС — температурный коэффициент сопротивления — у резисторов;
  • ТКЕ — температурный коэффициент ёмкости — конденсаторов;
  • ТКИ — температурный коэффициент индуктивности — катушек индуктивности;
  • ТКН — температурный коэффициент напряжения — стабилитронов (стабилизаторов);
  • ТКЧ — температурный коэффициент частоты — кварцевых (пьезоэлектрических) резонаторов и фильтров;
  • ТКШ — температурный коэффициент шума -есть практически у всех.
    Могут и другие встретиться, но эти главные, практически всегда присутствуют.
    Измеряются они в относительных единицах, которые показывают, насколько и куда изменяется данная характеристика радиодетали при изменении температуры на 1°. Это могут быть проценты на градус (%/°), промилле на градус (%/°) или миллионные доли на градус (ppm/°). Для ТКШ это могут быть микровольты или нановольты на градус (мкВ/° или нВ/°).
    Чтобы было совсем ясно:
    % — процент — это одна сотая (10 -2 , 0,01 или 1/100) часть какой-то величины;
    %o — промилле — это одна тысячная (10 -3 , 0,001 или 1/1000) часть какой-то величины;
    ppm (по-русски: млн-1) — это одна миллионная (10 -6 , 0,000001 или 1/1000000) часть какой-то величины.
    Иногда от температуры характеристики радиодеталей так хитро меняются, что для них специальные графики рисуют или сложные формулы пишут.

    4. А теперь поговорим о «ТК» подробнее:

    ТКС — температурный коэффициент сопротивления

    Резисторы делают из разных материалов.
    Самые простые из них проволочные. Температурная зависимость сопротивления у них линейная, самый маленький ТКС из них имеют резисторы сделанные из константана (ТКС -5 ) и манганина (ТКС -5 ), поэтому их используют в измерительной технике.
    Очень дешёвые резисторы углеродистые, типа С1-4 или CF. Но ТКС у них довольно большой: от +350 до минус 2500 ppm/°. Поэтому они в основном и применяются в бытовой аппаратуре, которая в комнатных условиях работает.
    Металлизированные и металлоплёночные резисторы, типа С2-23, С2-33 (МЛТ, МТ старые) или MF. ТКС у них средний: от 15 до 500 ppm/°, максимум до 1200 ppm/°. Подходят для большинства применений в широком диапазоне температур.
    Самые дорогие — прецизионные, типа С2-29В или RN. ТКС у них самый маленький: от 5 до 300 ppm/°. Их и применяют в измерительной аппаратуре или в ответственных местах обычной аппаратуры, где важна стабильность сопротивления при изменении температуры, например в RC — фильтрах.
    В отечественных резисторах группа ТКС обозначается буквой, которую, к сожалению, указывают только на заводской упаковке. Конкретные обозначения и величины ТКС можно узнать, заглянув в справочники или в ТУ (технические условия по-нашему или ДатаШиты по-ихнему). Вот только не каждому они доступны.
    Внимание! Сейчас среди импортных резисторов (как правило, неизвестного происхождения) встречается подмена понятия «Допуск номинала» — т.е. точности, с которой изготовлен резистор на заводе. В понятие «Допуск» в этом случае закладывается огромный ТКС. Имеется в виду, что сопротивление данного резистора не выйдет за пределы, к примеру, +/-10% при изменении температуры. Этот якобы «Допуск» и обозначается на резисторе. Товарищи, будьте бдительны!
    Существует класс резисторов, где наоборот важен большой ТКС. Это терморезисторы или термисторы и термометры-сопротивления. Терморезисторы или термисторы (иногда встречается «позистор» — терморезистор с положительным ТКС) очень широко применяются в радиоэлектронной аппаратуре в различных целях, например: защита мощных транзисторов, термостабилизация каких-либо частей схемы и т.д. Термометры-сопротивления, как правило, делаются из медной или даже платиновой проволоки и служат для точного измерения температуры в промышленности.

    ТКЕ — температурный коэффициент ёмкости

    ТКЕ конденсатора очень сильно зависит от материала диэлектрика между обкладками. Ведь малейшее температурное изменение толщины диэлектрика, вызывает очень большое изменение ёмкости конденсатора.
    Наиболее подвержены влиянию температуры керамические конденсаторы. Так как полностью победить ТКЕ не удаётся, (а иногда, наоборот, клин клином вышибают: например, в LC-контуре, у катушки ТКИ положительный, тогда конденсатор с отрицательным ТКЕ ставят, чтобы частота настройки контура от температуры не уходила), у керамических конденсаторов очень много всяких ТКЕ имеется. ТКЕ у керамических конденсаторов настолько важен, что его на корпусе конденсатора каким-либо способом практически всегда обозначают.
    Поэтому про них мы поговорим подробнее:
    Отечественная система обозначений ТКЕ (в том числе старая и очень старая)

    Примечание: там, где для цветового обозначения ТКЕ требуется 2 цвета, то одним из них может быть цвет корпуса.
    Группы ТКЕ, обозначенные буквами «П» (плюс) и «М» (минус) имеют линейную зависимость ёмкости от температуры. Группа МП0 самая стойкая — никакое изменение температуры на ёмкость конденсатора не влияет. А вот группы ТКЕ, буквой «Н» (нелинейные) обозначенные, имеют очень хитрую зависимость ёмкости от температуры, поэтому их лучше на картинке посмотреть:

    Картинка эта для примера нарисована, у разных типов конденсаторов эти «Н» и по другому могут кривиться. Главное в том, что ёмкость этих конденсаторов при изменении температуры не изменится больше, чем процентов с буквой «Н» написано.

    Конденсаторы с группами ТКЕ П100 (П120), П33, М47, М75, т.е. с малыми значениями ТКЕ называют ещё термостабильными. Группа ТКЕ МП0 как уже раньше было сказано, самая термостабильная. Конденсаторы с группами ТКЕ М750, М1500 (М1300), т.е с большими отрицательными значениями ТКЕ называют ещё термокомпенсирующими (их и ставят в LC-контура для стабильности).
    У буржуинов своя система обозначений, но она очень на нашу похожа. Вместо буквы «М» у них латинская буква «N», вместо «П» — «P». Группа МП0 у них NP0 или C0G обозначается. А вместо буквы «Н» у них целая куча всяких обозначений: Y5x, X5x, Z5x (x — обозначает какую-то из букв: F, P, S, U, V); X7R. Эти обозначения наиболее часто встречаются, но разные фирмы ещё и «фирменные» обозначения ТКЕ используют. Тут нам только ДатаШиты (справочные листы) фирменные помогут.
    Чтобы нам попроще было, примерное соответствие наших и буржуинских обозначений такое:

  • вместо Н10 можно ставить X7R;
  • вместо Н20, Н30, Н50, Н70, Н90 можно ставить Y5V или Z5V;
  • вместо П33, МП0, М33 можно ставить NP0 (C0G);
  • вместо П60, П100, М47, М1500 можно ставить X7R, NP0 (C0G).
    Но в каждом случае, конечно, думать надо: «Семь раз отмерь — один раз отрежь» — пословица №1, «Доверяй, но проверяй!» — пословица №2.
    Вот, сколько мороки нам керамические конденсаторы задали. С другими конденсаторами будет полегче:

    Конденсаторы слюдяные — у них всего 4 группы ТКЕ имеется:

    Группа ТКЕ

    Номинальное значение ТКЕ, ppm/ °C

    Характеристики конденсаторов

    Ранее мы уже рассмотрели принцип работы и маркировку многих типов конденсаторов. Однако настоящий электронщик должен знать следующие характеристики конденсаторов: допустимое напряжение, классы точности, температурный коэффициент емкости и тангенс угла потерь. Понимание указанных характеристик позволяет сделать выбор и применить лучший из имеющихся накопителей, что благоприятно скажется в целом на работе электронного устройства.

    Читайте также  Преобразователь напряжения на микросхеме ir2153

    Основные характеристики конденсаторов

    Допустимое напряжение является очень важным параметром любого конденсатора и его нельзя превышать, иначе произойдет пробой диэлектрика и накопитель придет в непригодность. На корпусе указывается всегда величина максимального допустимого напряжения. Поэтому начинающих радиолюбителей такое обозначение вводит в заблуждения, поскольку в розетке напряжение 230 В, то казалось бы, что напряжения накопителя 300 В вполне достаточно. Однако это не так. Так как 230 В – это действующее напряжение, а диэлектрик может пробиться от мгновенного амплитудного значения, которое в 1,41 раза больше действующего и равно 230×1,41 = 324 В плюс допуск отклонения 10 % от номинального значения в сторону увеличения, нормированный ГОСТом, и того получим 324×0,1+324 = 356 В. Поэтому допустимое напряжение должно быть не ниже 360 В.

    Стандартные значения емкости конденсаторов

    Если взять любой радиоэлектронный прибор, например, резистор, диод, транзистор, стабилитрон и снять его характеристики либо измерить параметры высокоточным измерительным прибором, то они будут иметь некоторые отклонения от заявленных номинальных значений. Такое отклонение от указанных параметров вызвано технологическим процессом и нормируется производителем. Дело в том, что на изготовление любого устройства или его отдельного компонента влияет много факторов, которые невозможно учесть и скомпенсировать. Даже лист бумаги, формата А4, имеет некоторые отклонения от заданных размеров, но тем не менее это никак не сказывается на их применении.

    Аналогично обстоят дела и с емкостью. Если измерить ее в нескольких накопителей одинакового номинала, то можно заметить небольшую разницу. Эта разница строго нормирована и называется допустимым отклонением емкости от номинального значения. Она измеряется в процентах, значения которых соответствуют классам точности.

    В зависимости от класса точности и допустимого отклонения производятся стандартные значения емкости, то есть стандартные номиналы конденсаторов. Емкость в приведенной ниже таблице исчисляется пикофарадоми. Любое значение из таблицы может быть умножено на 0,1 или 1 или 10 и т.д.

    Температурный коэффициент емкости

    Протекание электрического тока через любой радиоэлектронный элемент вызывает его нагрев, ввиду неизбежного наличия сопротивления. Чем больше ток и выше сопротивление, тем интенсивнее нагревается прибор. Такое явление в большинстве случаев является вредным и может привести к изменению параметров схемы, а соответственно и нарушить режим работы всего устройства. Поэтому нагрев радиоэлектронных элементов всегда учитывается при проектировании изделия. Характеристики конденсаторов также склонны изменятся с изменением температуры и с этим обязательно нужно считаться. Для этого введен температурный коэффициент емкости, сокращенно ТКЕ.

    ТКЕ показывает, насколько отклоняется емкость конденсатора от номинального значения с ростом температуры. Номинальное значение емкости накопителя приводится для температуры окружающей среды +20 С.

    Рост температуры может вызвать как рост емкости, так и ее уменьшение. В зависимости от этого различают конденсаторы с положительным и отрицательным температурным коэффициентом емкости.

    Следует знать, чем меньше значение ТКЕ, тем более стабильными характеристиками обладает конденсатор. Особое внимание уделяют ТКЕ разработчик измерительного оборудования высокого класса точности, где критичны значительные отклонения характеристик любого радиоэлектронного элемента.

    Тангенс угла потерь

    Потери, неизбежно возникающие при работе конденсатора, главным образом определяются свойствами диэлектрика, расположенного между обкладками накопителя, и характеризуются тангенсом угла потерь tg δ. Производители стремятся снизить значение угла tg δ и за счет этого улучшить характеристики конденсаторов. Поэтому наибольшее применение получила специальная керамика, обладающая минимальным тангенсом угла потерь. Обратной величиной тангенса угла потерь конденсатора является добротность, равная QC=1/tgδ. Конденсаторы высокого качества обладают добротностью свыше тысячи единиц.

    Изменение ёмкости керамических конденсаторов от температуры и напряжения, или как ваш конденсатор на 4,7мкФ превращается в 0,33мкФ

    Вступление: я был озадачен.

    Несколько лет назад, после более чем 25 лет работы с этими вещами, я узнал кое-что новое о керамических конденсаторах. Работая над драйвером светодиодной лампы я обнаружил, что постоянная времени RC-цепочки в моей схеме не сильно смахивает на расчётную.

    Предположив, что на плату были впаяны не те компоненты, я измерил сопротивление двух резисторов составлявших делитель напряжения — они были весьма точны. Тогда был выпаян конденсатор — он так же был великолепен. Просто чтобы убедиться, я взял новые резисторы и конденсатор, измерил их, и впаял обратно. После этого я включил схему, проверил основные показатели, и ожидал увидеть что моя проблема с RC-цепочкой решена… Если бы.

    Я проверял схему в её естественной среде: в корпусе, который в свою очередь сам по себе был зачехлён чтобы имитировать кожух потолочного светильника. Температура компонентов в некоторых местах достигала более чем 100ºC. Для уверенности, и чтобы освежить память я перечитал даташит на используемые конденсаторы. Так началось моё переосмысление керамических конденсаторов.

    Справочная информация об основных типах керамических конденсаторов.

    Для тех кто этого не помнит (как практически все), в таблице 1 указана маркировка основных типов конденсаторов и её значение. Эта таблица описывает конденсаторы второго и третьего класса. Не вдаваясь глубоко в подробности, конденсаторы первого класса обычно сделаны на диэлектрике типа C0G (NP0).

    Таблица 1.

    Нижняя рабочая температура Верхняя рабочая температура Изменение ёмкости в диапазоне (макс.)
    Символ Температура (ºC) Символ Температура (ºC) Символ Изменение (%)
    Z +10 2 +45 A ±1.0
    Y -30 4 +65 B ±1.5
    X -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, -56
    V +22, -82

    Из описанных выше на моём жизненном пути чаще всего мне попадались конденсаторы типа X5R, X7R и Y5V. Я никогда не использовал конденсаторы типа Y5V из-за их экстремально высокой чувствительности к внешним воздействиям.

    Когда производитель конденсаторов разрабатывает новый продукт, он подбирает диэлектрик так, чтобы ёмкость конденсатора изменялась не более определённых пределов в определённом температурном диапазоне. Конденсаторы X7R которые я использую не должны изменять свою ёмкость более чем на ±15% (третий символ) при изменении температуры от -55ºC (первый символ) до +125ºC (второй символ). Так что, либо мне попалась плохая партия, либо что-то ещё происходит в моей схеме.

    Не все X7R созданы одинаковыми.

    Так как изменение постоянной времени моей RC-цепочки было куда больше, чем это могло быть объяснено температурным коэффициентом ёмкости, мне пришлось копать глубже. Глядя на то, насколько уплыла ёмкость моего конденсатора от приложенного к нему напряжения я был очень удивлён. Результат был очень далёк от того номинала, который был впаян. Я брал конденсатор на 16В для работы в цепи 12В. Даташит говорил, что мои 4,7мкФ превращаются в 1,5мкФ в таких условиях. Это объясняло мою проблему.

    Даташит также говорил, что если только увеличить типоразмер с 0805 до 1206, то результирующая ёмкость в тех же условиях будет уже 3,4мкФ! Этот момент требовал более пристального изучения.

    Я нашёл, что сайты Murata® и TDK® имеют классные инструменты для построения графиков изменения ёмкости конденсаторов в зависимости от различных условий. Я прогнал через них керамические конденсаторы на 4,7мкФ для разных типоразмеров и номинальных напряжений. На рисунке 1 показаны графики построенные Murata. Были взяты конденсаторы X5R и X7R типоразмеров от 0603 до 1812 на напряжение от 6,3 до 25В.

    Рисунок 1. Изменение ёмкости в зависимости от приложенного напряжения для выбранных конденсаторов.

    Обратите внимание, что во-первых, при увеличении типоразмера уменьшается изменение ёмкости в зависимости от приложенного напряжения, и наоборот.

    Второй интересный момент состоит в том, что в отличии от типа диэлектрика и типоразмера, номинальное напряжение похоже ни на что не влияет. Я ожидал бы, что конденсатор на 25В под напряжением 12В меньше изменит свою ёмкость, чем конденсатор на 16В под тем же напряжением. Глядя на график для X5R типоразмера 1206 мы видим, что конденсатор на 6,3В на самом деле ведёт себя лучше, чем его родня на большее номинальное напряжение.

    Читайте также  Лайтбокс своими руками на светодиодах

    Если взять более широкий ряд конденсаторов, то мы увидим, что это поведение характерно для всех керамических конденсаторов в целом.

    Третье наблюдение состоит в том, что X7R при том же типоразмере имеет меньшую чувствительность к изменениям напряжения, чем X5R. Не знаю, насколько универсально это правило, но в моём случае это так.

    Используя данные графиков, составим таблицу 2, показывающую насколько уменьшится ёмкость конденсаторов X7R при 12В.

    Таблица 2. Уменьшение ёмкости конденсаторов X7R разных типоразмеров при напряжении 12В.

    Типоразмер Ёмкость, мкФ % от номинала
    0805 1,53 32,6
    1206 3,43 73,0
    1210 4,16 88,5
    1812 4,18 88,9
    Номинал 4,7 100

    Мы видим устойчивое улучшение ситуации по мере роста размера корпуса пока мы не достигнем типоразмера 1210. Дальнейшее увеличение корпуса уже не имеет смысла.

    В моём случае я выбрал наименьший возможный типоразмер компонентов, поскольку этот параметр был критичен для моего проекта. В своём невежестве я полагал что любой конденсатор X7R будет так же хорошо работать, как другой с тем же диэлектриком — и был неправ. Чтобы RC-цепочка заработала правильно я должен был взять конденсатор того же номинала, но в большем корпусе.

    Выбор правильного конденсатора

    Я очень не хотел использовать конденсатор типоразмера 1210. К счастью, я имел возможность увеличить сопротивление резисторов в пять раз, уменьшив при этом ёмкость до 1мкФ. Графики на рисунке 2 показывают поведение различных X7R конденсаторов 1мкФ на 16В в сравнении с их собратьями X7R 4,7мкФ на 16В.

    Рисунок 2. Поведение различных конденсаторов на 1мкФ и 4,7мкФ.

    Конденсатор 0603 1мкФ ведёт себя так же, как 0805 4,7мкФ. Вместе взятые 0805 и 1206 на 1мкФ чувствуют себя лучше, чем 4,7мкФ типоразмера 1210. Используя конденсатор 1мкФ в корпусе 0805 я мог сохранить требования к размерам компонентов, получив при этом в рабочем режиме 85% от исходной ёмкости, а не 30%, как было ранее.

    Но это ещё не всё. Я был изрядно озадачен, ибо считал что все конденсаторы X7R должны иметь сходные коэффициенты изменения ёмкости от напряжения, поскольку все выполены на одном и том же диэлектрике — а именно X7R. Я связался с коллегой — специалистом по керамическим конденсаторам 1 . Он пояснил, что есть много материалов, которые квалифицируются как «X7R». На самом деле, любой материал который позволяет компоненту функционировать в температурном диапазоне от -55ºC до +125ºC с изменением характеристик не более чем на ±15% можно назвать «X7R». Так же он сказал, что нет каких-либо спецификаций на коэффициент изменения ёмкости от напряжения ни для X7R, ни для каких-либо других типов.

    Это очень важный момент, и я его повторю. Производитель может называть конденсатор X7R (или X5R, или еще как-нибудь) до тех пор, пока он соответствует допускам по температурному коэффициенту ёмкости. Вне зависимости от того, насколько плох его коэффициент по напряжению.

    Для инженера-разработчика этот факт только освежает старую шутку — «любой опытный инженер знает: читай даташит!»

    Производители выпускают всё более миниатюрные компоненты, и вынуждены искать компромиссные материалы. Для того чтобы обеспечить необходимые ёмкостно-габаритные показатели, им приходится ухудшать коэффициенты по напряжению. Конечно, более авторитетные производители делают все возможное, чтобы свести к минимуму неблагоприятные последствия этого компромисса.

    А как насчёт типа Y5V, который я сразу отбросил? Для контрольного в голову, давайте рассмотрим обычный конденсатор Y5V. Я не буду выделять какого-то конкретного производителя этих конденсаторов — все примерно одинаковы. Выберем 4,7мкФ на 6,3В в корпусе 0603, и посмотрим его параметры при температуре +85ºC и напряжении 5В. Типовая ёмкость на 92,3% ниже номинала, или 0,33мкФ. Это так. Приложив 5В к этому конденсатору мы получаем падение ёмкости в 14 раз по сравнению с номиналом.

    При температуре +85ºC и напряжении 0В ёмкость уменьшается на 68,14%, с 4,7мкФ до 1,5мкФ. Можно предположить, что приложив 5В мы получим дальнейшее уменьшение ёмкости — от 0,33мкФ до 0,11мкФ. К счастью, эти эффекты не объединяются. Уменьшение ёмкости под напряжением 5В при комнатной температуре куда хуже, чем при +85ºC.

    Для ясности, в данном случае при напряжении 0В ёмкость падает от 4,7мкФ до 1,5мкФ при +85ºC, в то время как при напряжении 5В ёмкость конденсатора увеличивается от 0,33мкФ при комнатной температуре, до 0,39мкФ при +85ºC. Это должно убедить вас действительно тщательно проверять все спецификации тех компонентов, которые вы используете.

    Вывод

    В результате этого урока я уже не просто указываю типы X7R или X5R коллегам или поставщикам. Вместо этого я указываю конкретные партии конкретных поставщиков, которые я сам проверил. Я также предупреждаю клиентов о том, чтобы они перепроверяли спецификации при рассмотрении альтернативных поставщиков для производства, чтобы гарантировать что они не столкнутся с этими проблемами.

    Главный вывод из всей этой истории, как вы наверное догадались, это: «читайте даташиты!». Всегда. Без исключений. Запросите дополнительные данные, если даташит не содержит достаточной информации. Помните, что обозначения керамических конденсаторов X7V, Y5V и т.д. совершенно ничего не говорят о их коэффициентах по напряжению. Инженеры должны перепроверять данные чтобы знать, реально знать о том, как используемые конденсаторы будут вести себя в реальных условиях. В общем, имейте в виду, в нашей безумной гонке за меньшими и меньшими габаритами это становится всё более важным моментом каждый день.

    Об авторе

    Марк Фортунато провёл большую часть жизни пытаясь сделать так, чтобы эти противные электроны оказались в нужное время в нужном месте. Он работал над различными вещами — от систем распознавания речи и микроволновой аппаратуры, до светодиодных ламп (тех, которые регулируются правильно, заметьте!). Он провёл последние 16 лет помогая клиентам приручить их аналоговые схемы. Г-н Фортунато сейчас является ведущим специалистом подразделения коммуникационных и автомобильных решений Maxim Integrated. Когда он не пасёт электроны, Марк любит тренировать молодёжь, читать публицистику, смотреть как его младший сын играет в лакросс, а старший сын играет музыку. В целом, он стремится жить в гармонии. Марк очень сожалеет, что больше не встретится с Джимом Уильямсом или Бобом Пизом.

    Сноски

    1 Автор хотел бы поблагодарить Криса Буркетта, инженера по применению из TDK за его объяснения «что здесь, чёрт возьми, происходит».

    Murata является зарегистрированной торговой маркой компании Murata Manufacturing Co., Ltd.

    Температурный коэффициент емкости (ТКЕ)

    Конденсаторы с неномируемым ТКЕ

    Группа ТКЕ Допуск при –60..+85 С° [%] Буквенный код Цвет*
    H10 ±10 B Оранжевый + Черный
    H20 ±20 Z Оранжевый + Красный
    H30 ±30 D Оранжевый + Зеленый
    H50 ±50 X Оранжевый + Голубой
    H70 ±70 E Оранжевый + Фиолетовый
    H90 ±90 F Оранжевый + Белый

    *- современная цветовая кодировка. Цветные полоски или точки. Второй цвет может быть представлен цветом корпуса.

    Конденсаторы с линейной зависимостью от температуры

    Буквенный

    код

    *- в скобках приведен реальный разброс для импортных конденсаторов в диапазоне температур –55…+85°С
    **- современная цветовая кодировка в соответствии с EIA. Цветные полоски или точки. Второй цвет может быть представлен
    цветом корпуса.

    Конденсаторы с нелинейной зависимостью от температуры

    Группа ТКЕ* Допуск [%] Температура**[°С] Буквенный код *** Цвет
    Y5F ±7.5 -30…+85
    Y5P ±10 -30…+85 серебряный
    Y5R -30…+85 R серый
    Y5S ±22 -30…+85 S коричневый
    Y5U ±22 . -56 -30…+85 A
    Y5V(2F) ±22 . -82 -30…+85
    X5F ±7.5 -55…+85
    X5P ±10 -55…+85
    X5S ±22 -55…+85
    X5U ±22 . -56 -55…+85 синий
    X5V ±22 . -82 -55…+85
    X7R(2R) ±15 -55…+125
    Z5F ±7.5 -10…+85 B
    Z5P ±10 -10…+85 C
    Z5S ±22 -10…+85
    Z5U(2E) ±22 . -56 -10…+85 E
    Z5V ±22 . -82 -10…+85 F зеленый
    SLO(GP) ±150 . -1500 -55…+150 NiL белый

    *- Обозначения приведены в соответствии со стандартом EIA, в скобках (IEC)
    **- в зависимости от технологий, которыми обладает фирма диапазон может быть другим.
    Например, фирма PHILIPS для группы Y5P нормирует –55…+125 °С.
    ***- в соответствии с EIA.Некоторые фирмы, например, Panasonic пользуется другой кодировкой.