Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
PCBway
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Wpływ temperatury i napięcia na kondensatory ceramiczne

ghost666 18 Kwi 2016 23:58 4083 3
  • Na każdym kroku nauczyć się można czegoś nowego, nawet o elementach elektronicznych z którymi obcujemy na co dzień. Weźmy tutaj na przykład kondensatory - czy nie zdarzyło nam się, że element tego rodzaju zachowywał się dziwnie lub niepoprawnie? Najczęściej zakładaliśmy wtedy, że jest on uszkodzony, ale często tak nie jest. W poniższym artykule przyjrzymy się dokładniej zachowaniu się kondensatorów ceramicznych w funkcji napięcia i temperatury pracy - okazuje się, że te dwa czynniki mają niezwykle istotny wpływ na działanie tych prostych elementów pasywnych.

    Autor artykułu, Mark Fortunato, jako przykład podaje autentyczną sytuację ze swojego życia zawodowego. Projektował on przetwornicę do żarówki LEDowej - oscylator RC uparcie synchronizował przetwornicę do złej częstotliwości. Pierwszą ideą były elementy o niepoprawnej wartości, dlatego też autor sprawdził wszystkie oporniki w układzie, a następnie wylutował kondensator z układu RC w celu sprawdzenia jego pojemności. Ku zdziwieniu okazało się, że jest ona poprawna. Wszystkie elementy, zastosowane w układzie były nowe i sprawne, jednakże po ponownym zamontowaniu ich w układzie generator RC nadal nie pracował tak jak powinien. Dlaczego?

    Układ testowany był w swoich "naturalnych warunkach" - w niewielkiej obudowie, zamkniętej razem z diodą LED etc. Temperatura wewnątrz obudowy tego światła sięgała nawet powyżej 100°C. Układ nagrzewał się dosyć szybko, więc już po kilku chwilach osiągał wysoką temperaturę. Czy to ona mogła mieć wpływ na niepoprawne działanie układu RC w przetwornicy?

    Autor był sceptyczny względem takiej odpowiedzi, używał wszak kondensatorów X7R, które nie powinny zmieniać swojej pojemności o więcej niż ?15% aż do temperatury +125°C. Oczywiście postanowił się upewnić w tej materii, wiec zaczął czytać dokładnie kartę katalogową. Okazało się, że jednak ta kwestia nie jest taka prosta!

    Podstawowe typy kondensatorów ceramicznych

    Jeśli nie pamiętacie wszystkich typów kondensatorów (jak większość ludzi na świecie) to w tabeli 1 zawarto legendę czytania trzyznakowych oznaczeń charakterystyk dielektryka kondensatora. Poniższa tabela dotyczy tak kondensatorów klasy I jak i klasy II (o których pisałem np. tutaj).

    Jak widzimy w tabeli, kondensatory mogą posiadać bardzo różne wartości opisanych cech, a dodatkowo zmieniać się one będą pod wpływem przykładanego napięcia, na skutek efektów piezoelektrycznych. Czasem, na skutek tych efektów, można nawet usłyszeć 'brzęczenie' kondensatora pod wpływem napięcia o częstotliwości z zakresu słyszalnego.

    Tabela 1. Typy kondensatorów ceramicznych












    Pierwszy znak: dolna granica temperaturTemperatura (°C)Drugi znak: górna granica temperaturTemperatura (°C)Trzeci znak: zmiana w funkcji temperaturyZmiana (%)
    Z10245A?1.0
    Y-30465B?1.5
    X-55585C?2.2
    ??6105D?3.3
    ??7125E?4.7
    ??8150F?7.5
    ??9200P?10
    ????R?15
    ????S?22
    ????T-11
    ????U-34
    ????V-60


    Z wszystkich wymienionych powyżej kombinacji, najpopularniejsze wydają się być X5R, X7R oraz Y5V, z czego Y5V są najgorsze, gdyż ich pojemność waha się mocno w funkcji zmiennych otoczenia kondensatora.

    Firma wytwarzająca kondensatory, na etapie projektowania, wybiera dla tego elementu materiał, który charakteryzować się będzie odpowiednim rozrzutem (trzeci znak oznaczenia) i umożliwi pracę w specyfikowanym zakresie temperatur (pierwszy i drugi znak).

    W swoim projekcie lampy LED autor używał kondensatora X7R, który bez problemu powinien pracować w temperaturze, jaka panowała w urządzeniu i nie wykazywać wahania pojemności o więcej niż 15%, ale tak nie było. Dlaczego?

    Nie wszystkie X7R są sobie równe

    Jako że przyczyna wahania się pojemności w układzie RC musiała być poważniejsza, niż tylko zmiana temperatury, autor musiał zagłębić się mocniej w temat. Kolejnym czynnikiem, jaki musiał uwzględnić, jest zależność pojemności kondensatora ceramicznego od jego napięcia pracy. Okazuje się, że ma ono ogromny wpływ na pracę tego elementu.

    Według danych zawartych w karcie katalogowej elementu, z jakim pracował autor tego artykułu, pojemność kondensatora spadać może nawet do 1,5 ?F przy polaryzacji elementu napięciem 12 V. To bardzo dużo, zważywszy, że jest to element dostosowany do pracy z napięciem do 16 V o nominalnej pojemności 4,7 ?F. Wpływ napięcia pracy kondensatora w układzie RC - 12 V - wyjaśniał zupełnie problem z generatorem.

    To jak napięcie pracy wpływa na pojemność kondensatora zależy istotnie od jego wielkości, tj. od rodzaju obudowy. W przypadku autora wystarczyło, aby zmienił on obudowę element z 0805 na 1206, aby nie musieć obawiać się problemów. Taki kondensator w tej temperaturze i przy napięciu 12 V miał pojemność 3,4 ?F - wystarczająco blisko nominalnej.

    Jednakże samo zjawisko zaciekawiło autora na tyle, że postanowił on przyjrzeć się sprawie bliżej. Na stronach firm Murata oraz TDK znaleźć można narzędzia dedykowane do wykreślania charakterystyk pojemności kondensatora w funkcji napięcia i temperatury, dla danego rodzaju i obudowy. Pozwala to na oszacowanie jaka może być efektywna pojemność naszego elementu w danej aplikacji. Na rysunku 1 zaprezentowano dane dla kondensatorów X5R i X7R o pojemności nominalnej na poziomie 4,7 ?F w obudowach 0603 i 1812 dla napięć od 6,3 V do 25 v.

    Wpływ temperatury i napięcia na kondensatory ceramiczne
    Rys.1. Wariacja pojemności kondensatora 4,7 ?F w funkcji temperatury w funkcji napięcia polaryzacji/


    Po pierwsze, warto zwrócić uwagę, na to, że im większa obudowa elementu, tym mniejsza zmiana pojemności w funkcji napięcia polaryzacji. Wpływ tego parametru jest bardzo duży.

    Po drugie, interesującą obserwacją jest fakt, że dla danej wielkości obudowy, nominalne maksymalne napięcie pracy nie ma wpływu na zachowanie kondensatora dla różnych napięć. To dziwne, bo spodziewalibyśmy się, że kondensator na 25 V będzie pracował lepiej przy 12 V niż np. kondensator o maksymalnym napięciu pracy równym 16 V. Na zaprezentowanym na rysunku 1 wykresie łatwo jest dostrzec, że kondensator 6,3 V sprawuje się lepiej niż jego 'rodzeństwo' dedykowane do pracy z wyższym napięciem. Taka reguła, jak się okazuje, jest bardzo częsta.

    Po trzecie, dla tej samej obudowy, kondensatory X7R mają lepsze parametry niż kondensatory X5R. Nie jest to zasada ogólna, ale zazwyczaj się sprawdza.

    Stosując informacje z wykresu autor obliczył na ile pojemność jego kondensatora w układzie zmniejszyła się przy polaryzacji napięciem 12 V. Wyniki obliczeń zawarte są w tabeli 2.

    Tabela 2. Zmiana pojemności przy polaryzacji kondensatora napięciem 12 V dla różnych obudów.





    RozmiarPojemnośćProcent Nominalnej
    8051.5332.6
    12063.4373.0
    12104.1688.5
    18124.1888.9
    Wartość nominalna4.7100


    Widać istotną poprawę od najmniejszych elementów do obudowy 1210. Potem powiększanie elementu nie ma już wielkiego wpływu. Do swojego projektu autor wybrał element w najmniejszej dostępnej obudowie, jako że rozmiar PCB miał istotne znaczenie. Okazało się jednak finalnie, że musi dobrać większy element, aby układ działał poprawnie.

    Jako że autor nie chciał stosować elementu w obudowie 1210 w swoim układzie, po prostu zwiększył pięciokrotnie rezystancję oporników w układzie RC, co pozwoliło zmniejszyć potrzebną pojemność do 1 ?F. Rysunek 2 pokazuje porównanie kondensatora 1 ?F i 4,7 ?F o podobnych parametrach.

    16V, 1.0?F X7R caps versus their 4.7?F, 16V, X7R cousins.

    Wpływ temperatury i napięcia na kondensatory ceramiczne
    Rys.2. Porównanie zachowania kondensatorów 1,0?F i 4,7?F 16 V, X7R.


    Kondensator 1 ?F w obudowie 0603 zachowuje się podobnie, jak jego większy kuzyn w obudowie 0805. Podobnie jak kondensatory 1 ?F w obudowie 0805 i 1206 zachowują się lepiej niż większy kondensator w obudowie 1210. Dzięki temu, bez zmiany wielkości obudowy elementu, możliwe było uruchomienie układu, gdyż zastosowany mniejszy kondensator pod napięciem wykazywał 85% swojej nominalnej pojemności, a nie 30% jak pierwszy wykorzystany element.

    Jednakże nauka z tego przykładu jest poważniejsza. Można by odnieść wrażenie, że np. wszystkie kondensatory typu X7R będą miały podobne napięciowe współczynniki pojemności, w końcu oparte są o ten sam dielektryk. Niestety prawda jest daleka od tego i X7R to nie jest rodzaj dielektryka, a określenie całej rodziny materiałów. Zasadniczo każdy materiał, który spełnia wymagania - rozrzut ?15% w funkcji temperatury od -55°C do +125°C - jest nazywany w ten sposób. Stąd też różne kondensatory różnie się zachowują.

    Podsumowanie

    To co musimy zapamiętać z powyższego tekstu, to to, że nie każdy kondensator z dielektrykiem X7R czy innym będzie miał podobne wszystkie parametry. Określenie to specyfikuje jedynie zakres temperatur i ich wpływ na pojemność elementu. Parametry opisujące wpływ np. napięcia polaryzacji elementu na jego pojemność są już różne dla poszczególnych elementów.

    Dlatego też, jeśli projektujemy jakieś urządzenie i opisujemy je dokładnie w stosownej dokumentacji, rozsądnie jest podawać nie tylko pojemność, napięcie pracy i typ kondensatora, jaki ma być wykorzystany w układzie - wskazane jest podawanie dokładnego typu i producenta elementów, aby uniknąć przykrych niespodzianek.

    No i oczywiście, przy tej okazji, warto wspomnieć starą maksymę elektroników-projektantów - czytaj kartę katalogową każdego elementu! Jak widać nawet w przypadku elementu tak podstawowego jak kondensator ceramiczny można w niej znaleźć bardzo ciekawe informacje.

    Źródło: https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5527

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9294 postów o ocenie 6878, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • PCBway
  • #2
    m_wozniak
    Poziom 16  
    Ten problem opisuje artykuł EdW 4/2016 "Jak to działa" str. 16.
  • PCBway
  • #3
    Macosmail
    Poziom 33  
    Temat ważny, a często pomijany. Nie dotyczy tylko kondensatorów, a ogólnie elementów RLC ich rodzajów i przydatności w konkretnych warunkach i układach. Jeszcze ciekawsze jest uwzględnienie wpływu częstotliwości na parametry rzeczywiste widziane przez docelowy układ pracy. Np. już przy częstotliwości kilkuset kHz lub pojedynczych MHz znacznie mniejszą impedancję może stanowić ceramik 100nF niż elektrolit 1000µF, który to może być wtedy już widziany bardziej jako cewka niż kondensator.
  • #4
    buzerek
    Poziom 13  
    A ja mam pytanie do autora tematu.
    W takim razie jak jest określana pojemność takiego kondensatora przeznaczonego do sprzedaży, to znaczy przy jakim napięciu?