Керамические конденсаторы: выход из танталового кризиса
Заказать этот номер
2001№6
Современное развитие электронного оборудования требует от производителей компонентов создания новых элементов и усовершенствования старых. Без преувеличения можно сказать, что керамический конденсатор является одним из самых распространенных элементов в современной электронике. Например, видеокамера содержит от 300 до 500 керамических конденсаторов поверхностного монтажа. Признанным лидером по производству электронных компонентов из керамических материалов является фирма Murata.
Murata была создана в 1944 г. и стала первым производителем керамических конденсаторов на основе оксида титана (TiO2).
Со дня своего основания она вела научно-исследовательские разработки в области керамических материалов и их применения, производила широкий спектр электронных компонентов, использующих уникальные свойства керамики.
Например, Murata является одним из пионеров в области разработки керамических материалов на основе титанита бария (BaTiO3), имеющих очень высокий коэффициент диэлектрической проницаемости.
Керамика — материал, похожий на обожженную глину. Изготовляется в процессе спекания в специальных печах различных, очищенных на атомном уровне материалов. Путем добавления различных примесей, варьирования температурных и других характеристик процесса обжига можно изменять электрические свойства керамических материалов.
Полностью замкнутый цикл производства, включающий в себя все этапы от заготовки и отчистки исходных материалов до упаковки готовой продукции, позволяет производить тщательный контроль качества продукции на каждом этапе производства.
Сегодня Murata значительно преуспела в деле разработки и производства электронных компонентов на основе керамики: доли рынка электронных компонентов, занимаемых ею, распределились следующим образом (рис. 1):
- керамические конденсаторы — 45 %;
- керамические резонаторы/фильтры — 65–70 %;
- сверхвысокочастотные фильтры — 50 %;
- EMI-фильтры — 35 %;
- PTC-термисторы — 20 %.
Каждый второй керамический конденсатор, используемый в электронном оборудовании, произведен фирмой Murata. Таким образом, Murata производит больше электронных компонентов на основе керамических материалов, чем все остальные производители вместе взятые.
Рис. 1. Доли мирового рынка электронных компонентов, занимаемые фирмой Murata
Основные тенденции совершенствования качественных характеристик керамических конденсаторов
Можно выделить несколько основных направлений развития многослойных керамических конденсаторов (MLCC — Мulti-layer ceramic capacitor) для поверхностного монтажа:
- миниатюризация;
- увеличение удельной емкости конденсаторов;
- исключение из производственного процесса драгоценных материалов (палладий и серебро), что приводит к удешевлению конечного продукта.
Рассмотрим каждое из этих направлений по отдельности.
Миниатюризация
С течением времени спрос на конденсаторы больших размеров падает и увеличивается спрос на более миниатюрные. По прогнозу аналитиков фирмы Murata, мировой спрос на конденсаторы различных размеров с период с 1980 по 2006 гг. отражает диаграмма, приведенная на рис. 2.
Рис. 2. Изменение спроса на керамические конденсаторы поверхностного монтажа
Диаграмма говорит сама за себя. Уже сейчас многие отечественные производители успели испытать трудности с приобретением конденсаторов типоразмера 1206, заставившие их перейти на конденсаторы типоразмера 0805 и менее.
Однако в ближайшее время им, очевидно, придется столкнуться с похожей проблемой, связанной с поставками конденсаторов типоразмера 0805, в настоящее время уже практически полностью вытесненных конденсаторами 0603 и 0402. Не за горами эра господства сверхминиатюрных конденсаторов типоразмера 0201 и менее.
В течение ближайших 2–3 лет конденсаторы 0201 вытеснят 75 % конденсаторов 0402. Следовательно, необходимо задуматься о модернизации монтажного оборудования уже сейчас.
Увеличение удельной емкости конденсаторов
Миниатюризация не должна привести к снижению верхней границы емкости в линейке конденсаторов. Следовательно, каждый этап миниатюризации требует разработки новых материалов и технологий. Но, с другой стороны, новые материалы и технологии позволяют изготавливать керамические конденсаторы достаточно большой емкости.
Рассмотрим график роста производства конденсаторов с высокой удельной емкостью (рис. 3).
Рис. 3. Рост производства конденсаторов с высокой удельной емкостью
Тенденции увеличения удельной емкости конденсаторов можно разделить на несколько направлений. Первое из них — увеличение емкости конденсаторов общего назначения.
Данное направление потребовало разработки нового диэлектрического материала, который получил индекс X5R. Конденсаторы на основе этого диэлектрика имеют емкость до 220 мкФ при рабочем напряжении до 6,3 В. При всех достоинствах сразу бросается в глаза их сравнительно низкое рабочее напряжение.
В принципе это не является серьезным фактором, ограничивающим применение этих конденсаторов, так как современные электронные изделия не требуют для своей работы напряжения выше 5 В.
Однако фирма Murata выпускает и конденсаторы высокой емкости с увеличенным рабочим напряжением (10 мкФ ґ 50 В, 47 мкФ ґ 16 В и т. д.).
Вторым направлением является увеличение емкости сверхминиатюрных конденсаторов (0402 и менее). В настоящее время освоено производство конденсаторов размером 0201 емкостью до 100 нФ.
Третье направление — это увеличение емкости конденсаторов при сохранении их высокой температурной стабильности. Для этих целей специалистами фирмы Murata разработан диэлектрик SL, сочетающий в себе, с одной стороны, большое значение относительной диэлектрической проницаемости, а с другой — высокую температурную стабильность. В настоящее время освоен выпуск керамических конденсаторов с диэлектриком SL емкостью до 1 мкФ при рабочем напряжении 25 В.
Использование альтернативных материалов
Долгое время в керамических конденсаторах использовались дорогостоящие электроды Ag/Pd. Из-за достаточно большого спроса на палладий и его малой распространенности в природе мировые цены на него нестабильны, что сказывается и на ценах керамических конденсаторов. Эти причины заставили инженеров фирмы Murata приступить к поиску альтернативных материалов для обкладок конденсаторов.
В результате замена была найдена, однако по ряду причин это потребовало существенного изменения всего производственного процесса. В настоящее время в более чем 90 % конденсаторов, выпускаемых фирмой Murata, содержатся никелевые электроды (рис. 4).
Использование электродов этого типа позволяет устанавливать достаточно низкие и стабильные цены на керамические конденсаторы при сохранении высокого качества выпускаемой продукции.
Рис. 4. Изменение доли элементов с никелевыми электродами в продукции фирмы Murata
Замена танталовых конденсаторов
В настоящее время танталовые конденсаторы являются причиной головной боли начальников отделов комплектации крупных и мелких предприятий. Отдельные номиналы и целые ряды то исчезают с рынка, то вновь неожиданно появляются. Цены на них нестабильны, спрогнозировать ситуацию на рынке танталовых конденсаторов не берутся даже «зубры» электронного бизнеса, такие как Arrow Electronics и Avnet Electronics.
Некоторые конструкторы даже ценой ухудшения параметров выпускаемого изделия стремятся избавиться от использования танталовых конденсаторов путем замены их алюминиевыми аналогами с малым током утечки — благо в последнее время приобрести алюминиевые электролитические SMD-конденсаторы не составляет проблемы.
Но есть и другой выход — отказ от использования танталовых конденсаторов и замена их керамическими с высокой удельной емкостью.
Давайте разберемся, какие функции выполняет танталовый конденсатор в электронном приборе. С помощью конденсатора отфильтровывается более высокочастотная, по сравнению с самим сигналом, помеха. Танталовый конденсатор используется как фильтр в низкочастотных цепях. Классическая область его применения — выпрямители источников питания. Кроме того, танталовые конденсаторы используются для развязки по переменному току.
Из-за более низкого значения полного сопротивления и ESR фильтрующие свойства керамических конденсаторов ярко выражены по сравнению с аналогичными по емкости танталовыми конденсаторами (рис. 5).
Рис. 5. Зависимость полного и эквивалентного последовательного сопротивления конденсаторов от частоты
Особенно это сказывается при работе на высоких частотах. По этой причине рекомендуется замена на керамический конденсатор емкостью в несколько раз меньшей, чем танталовый (рис. 6).
Рис. 6. Рекомендуемые замены танталовых конденсаторов при работе в схеме сглаживающего фильтра
Во-вторых, емкость керамических конденсаторов практически не изменяется в очень широком диапазоне частот (рис. 7).
Рис. 7. Зависимость емкости конденсатора от рабочей частоты
В-третьих, керамические конденсаторы выдерживают значительные перегрузочные напряжения по сравнению с танталовыми, что позволяет использовать их в тех цепях, где возможны выбросы высокого напряжения (рис. 8).
Рис. 8. Напряжение пробоя диэлектрика конденсатора
В-четвертых, температурные характеристики керамических конденсаторов значительно лучше танталовых, что позволяет использовать их в устройствах, работающих в тяжелых климатических условиях (рис. 9).
Рис. 9. Температурные характеристики конденсаторов
Рассмотрим практический пример использования керамической замены танталового конденсатора. На рис. 10 приведена упрощенная схема нерезонансного преобразователя DC/DC. Его характеристики:
- входное напряжение — 12 В;
- выходное напряжение — 5 В;
- выходной ток — 4 А;
- мощность — 20 Вт;
- частота преобразования — 400 кГц.
Рис. 10. Упрощенная схема преобразователя DC/DC
Пульсация напряжения на выходе преобразователя при использовании керамического и танталового конденсаторов имеет следующий вид, как показано на рис. 11.Очевидно, что пульсация напряжения при установке керамического конденсатора в несколько раз меньше, чем при установке равного по емкости танталового конденсатора, что подтверждает возможность и справедливость замены танталовых конденсаторов керамическими.
Рис. 11. Пульсация напряжения на выходе преобразователя
Следует также учесть тот факт, что по своим размерам керамические конденсаторы во многих случаях меньше своих танталовых собратьев. Это позволяет несколько уменьшить размеры устройства. А возможность работы керамического конденсатора на высоких частотах дает возможность, например, увеличить частоту преобразования преобразователя DC/DC, тем самым не только уменьшая его размер, но и повышая КПД преобразования.
Не стоит забывать, что запасы тантала не бесконечны. И если сейчас вы нашли надежного поставщика танталовых конденсаторов, это не значит, что в будущем он не повысит цены на отпускаемую продукцию или не сократит ее ассортимент. Использование керамических конденсаторов избавит вас от этой проблемы надолго.
Подводя итоги, можно сделать вывод, что в обозримом будущем намечается тотальное господство электронных компонентов на основе керамических материалов. С течением времени емкость керамических конденсаторов будет расти, а размеры и рабочее напряжение — уменьшаться. Керамические конденсаторы будут постепенно вытеснять из электронных устройств алюминиевые и танталовые конденсаторы.
Более подробную информацию о продукции фирмы Murata можно получить по адресу http://www.alkon.net/murata/. Там же содержится информация о семинарах для разработчиков электронной аппаратуры, посвященных продукции фирмы.
Скачать статью в формате PDF
Другие статьи по данной теме:
Сообщить об ошибке
Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.
Источник: https://www.kit-e.ru/articles/condenser/2001_06_86.php
Какие маркировки керамических конденсаторов
Самодельные электронные схемы собираются с применением конденсаторов, которые нужно правильно подобрать. К слову, могут быть использованы конденсаторы, уже бывшие в употреблении. Прежде чем применять их, следует тщательно проверить, в особенности это касается электролитических видов, сильно подверженных старению. В этой статье рассмотрим обозначение конденсаторов, и как они маркируются.
Особенности конденсаторов
Конденсаторами называют двухполюсники с переменным или определенным значением емкости и малой проводимостью. Отличительная черта изделия – оно обеспечивает накопление заряда и энергии электрического поля. Сам элемент применяется как пассивный электронный компонент. Конструкция не представляет ничего сложного – два электрода в виде пластин, которые разделены диэлектриком небольшой толщины. Все чаще применяются элементы, имеющие многослойные диэлектрики и электроды.
Существует большой выбор конденсаторов, которые находят применение в самых различных схемах. Чтобы грамотно подобрать параметры электросети, следует разобраться, как осуществляется маркировка керамических конденсаторов, – это ключевое их значение. Это не совсем просто, так как параметры могут существенно отличаться, в зависимости от компании-изготовителя, страны-экспортера, вида, размера и самих параметров элемента.
Керамические конденсаторы позволяют накапливать электрический заряд. Для измерения емкости используются особые единицы – фарады (F). Но стоит учесть, что одна единица фарада является большой величиной, которая не находит применения в радиотехнике.
В случае с конденсаторами актуален микрофарад – это один фарад, поделенный на миллион. Почти что на всех элементах встречается обозначение мкФ. При ознакомлении с теоретическими расчетами иногда встречается миллифарад – фарад, деленный на тысячу. Для обозначения маленьких устройств используются нанофарады и пикофарады.
Важно разбираться в обозначениях, чтобы подбирать правильные элементы.
Номиналы конденсаторов различаются, но для чего это на практике? Определенная емкость конденсатора требуется, если необходим выброс значительного количества энергии. То есть элемент позволяет высвободить за доли секунд немалый объем энергии, которая будет двигаться в том направлении, которое укажет человек.
Обозначение конденсаторов на схеме осуществляется при помощи двух параллельных отрезков, которые символизируют обкладки элемента с выводами от их середин.
Обратите внимание! На схеме рядом указывается буквенное обозначение устройства – буква С (от латинского Capacitor – конденсатор).
Каких видов бывают конденсаторы
- Из бумаги или металлобумаги – применимы как для высоко-, так и низкочастотных цепей. Из-за небольшой механической прочности их «начинка» размещена в корпусе из металла;
- Электролитические – их диэлектрик – тонкий слой оксида металла, который образуется в результате электрохимических манипуляций. Практически все виды данных элементов поляризованы, поэтому функционируют лишь в тех цепях, где есть постоянное напряжение, и соблюдается полярность. Если случается инверсия полярности, внутри элемента происходит необратимая химическая реакция, которая способна привести к его разрушению. Так как внутри выделяется газ, изделие может даже взорваться;
- Полимерные – полимерный диэлектрик нивелирует раздутие и потерю заряда конденсаторов. Полимер характеризуется своими физическими параметрами, поэтому изделие имеет следующие достоинства: большой импульсный ток, низкий показатель эквивалентного сопротивления, стабильный температурный коэффициент даже в условиях низкой температуры;
- Плёночные – диэлектриком здесь служит пластиковая пленка. Имеют немало преимуществ: способны функционировать при больших токах, прочные на растяжение и характеризуются минимальным током утечки. Применяются следующие виды пластика: полиэстер, поликарбонат, полипропилен. В последнее время все чаще применяется полифениленсульфид;
- Керамические – такие изделия имеют различные свойства и кодировку. Лишь материалы, произведенные из керамики, обладают широким диапазоном значений относительной электропроницаемости (исчисляется десятками тысяч). Высокая проницаемость позволяет производить элементы компактных размеров, но большой емкости. При этом они способны функционировать при любой поляризации и характеризуются небольшими утечками. Параметры устройства зависят от температуры, напряжения и частоты;
- С воздушным диэлектриком – диэлектрик устройств – воздух. Их особенность – отличная работоспособность при высоких частотах. По этой причине они нередко устанавливаются как конденсаторы с переменной емкостью.
Типы маркировок
Производители, выпуская конденсаторы, пользуются несколькими типами маркировок, которые располагаются непосредственно на корпусе элемента. Представленные ниже значения сугубо теоретические, в качестве наглядного примера:
- Наиболее простым типом маркировки считается, когда ёмкость сразу указывается на теле конденсатора. То есть не применяются различные шифры и табличные замещения, вся необходимая информация содержится на корпусе. Данный способ был бы актуален для всех устройств, однако, не всегда его получается использовать в силу громоздкости. Для того чтобы предоставить полное обозначение емкости, подходят только довольно большие изделия, в ином случае рассмотреть цифры проблематично даже с применением лупы. На примере разберем запись 100 µF±6% – это ёмкость конденсатора 100 микрофарад, а амортизация 6% от общей емкости. В итоге значение – 94-106 микрофарад. В некоторых ситуациях применяется маркировка следующего вида: 100 µF +8%/-10% – это неравнозначная амортизация, 90-108 микрофарад. Подобная маркировка пленочных конденсаторов хоть и считается наиболее простой и понятной, но применима не во всех случаях из-за своей громоздкости. Как правило, она используется на больших приборах немалых ёмкостей;
- Цифровая маркировка (или с использованием цифр и букв) актуальна, если площадь изделия слишком мала, чтобы на ней разместить подробную запись. Здесь для замены определенных значений применяются обычные цифры и латинские буквы, которые необходимо уметь расшифровывать. Если на поверхности изделия встречаются лишь цифры (как правило, их три), то чтение простое. Первые две цифры – так обозначается емкость. Третья цифра – число нулей, которые следует дописать после первых двух. Для измерения емкости подобных конденсаторов применимы пикофарады. В качестве примера ознакомимся с изделием, на теле которого размещена цифра 104. Оставляем первые цифры, к которым приписываются нули: в нашем случае это 4. В итоге имеем значение в 100000 пикофарад. Чтобы уменьшить число нулей, используется другое значение – микрофарады, которых в нашем случае 100. В некоторых ситуациях величина обозначается буквой. Например, 2n2 – 2.2 нанофарад. Чтобы определить, к какому классу принадлежит изделие, в конце дописывают дополнительную кодовую маркировку конденсатора, к примеру, 100V;
- Маркировка импортных конденсаторов из керамики осуществляется с использованием букв и чисел – это стандарт для данных изделий. Алгоритмы шифрования аналогичны предыдущему методу. Надписи наносит сам производитель;
- Цветовая маркировка конденсаторов тоже встречается, хотя и реже, так как данный способ несколько устарел. Ее применяли в советское время, что позволяло упростить считывание маркировки, даже если изделие было слишком маленьким. Здесь есть единственный недостаток – сразу запомнить обозначения проблематично, поэтому первое время рекомендуется иметь при себе специальную таблицу. Чтение маркировки выглядит так: первые два цвета – емкость в пикофарадах, третий цвет – число дописываемых нулей, четвертый и пятый цвета – номинал напряжения, подаваемого на изделие, и возможный допуск. Так, желтый прибор имеет обозначение цифрой 4, а синий – 6;
- Импортные конденсаторы маркируются так же, а кириллица заменяется латиницей. К примеру, возьмем отечественный вариант с обозначением 5мк1 – 5.1 микрофарад. В случае с импортной кодовой маркировкой выглядеть будет как 5µ.
Источник: https://crast.ru/instrumenty/kakie-markirovki-keramicheskih-kondensatorov
Конденсаторы керамические
Конденсатор представляет собой радиоэлектронный аппарат, он предназначен для накопления энергии поля и электрического заряда. На сегодняшний день имеется множество типов конденсаторов.
Конденсаторы керамические издают сравнительно низкие шумы, обладают временной и высокой температурной стабильностью, у них хорошая электрическая надежность. По характеру конденсаторы меняют емкость, выделяют агрегаты с переменной емкостью, постоянной и подстроечной. Также различен материал диэлектрика: слюда, воздух, тефлон, металлизированная бумага, электролит и поликарбонат. Конденсаторы бывают навесного или печатного монтажа.
Сферы применения
Керамические конденсаторы часто применяют в промышленности при выпуске измерительных устройств высокой точности. Они незаменимы в радиопередающих устройствах, используются в военной технике. Керамические конденсаторы, прежде всего, предназначены для работы в специальных импульсных режимах, применяются в цепях постоянного и переменного токов.
У них хорошее сцепление обкладок с керамической поверхностью, что предоставляет достаточно низкое значение емкостной температурной нестабильности. Небольшие габариты конденсатора не означают, что емкость у них слишком маленькая. Емкость может достигать 2,2 микрофарад.
Переменные значения емкости варьируются в интервале рабочей температуры, значение составляет от 10 до 90 микрофарад.
Керамические конденсаторы имеют свою маркировку в виде числового кода, такое число обозначает значение емкости.
Виды
Конденсаторы также необходимы для подстройки колебательных контуров, которые иногда называются полупеременными. Керамический подстроечный конденсатор выполнен из керамического статора и керамического ротора. Прикрепленный диск к статору легко вращается при помощи отвертки. Ротор изготовлен из диэлектрического материала, при его работе свое расположение изменяют обкладки, таким образом, меняется между ними емкость.
Конденсатор подстроечный керамический трубчатый обладает тонкой серебряной закрепленной обкладкой на внутренней поверхности, которая закреплена металлическим стержнем. Емкость устройства напрямую зависит от вывода или ввода стержня.
Благодаря развитию технологий, это позволило значительно увеличить емкость в конденсаторах до 100 микрофарад и это еще не предел.
Значение цветовой гаммы конденсаторов
Изделия окрашены в различные цвета, которые обозначают при изменении температуры стабильность емкости. Голубая, синяя и серая краска используется, если на изменение температуры емкость конденсатора практически не отреагирует. Данные элементы являются термостабильными.
Зеленый и красный цвет обозначают, что при высокой температуре их емкость намного уменьшится, такие агрегаты называют термокомпенсирующими.
Оранжевый цвет говорит о том, что если температурный режим будет меняться, то и емкость также сильно изменится (но при комнатной температуре емкость будет непоколебимой).
Монтаж
Конденсаторы устанавливаются с помощью навесного и печатного монтажа. Навесной монтаж можно осуществить с помощью вывода «ножек», которые имеются у аппарата, а конденсаторы для печатного монтажа устанавливаются со специальными выводами, которые имеются у их поверхности.
Во время пользования конденсатором необходимо помнить о его характеристиках. В случае если вы подключите его к слишком большому напряжению, то оборудование может перегореть, поэтому необходимо перед пользованием ознакомиться инструкцией по эксплуатации.
Источник: http://solo-project.com/articles/2/kondensatory-keramicheskie.html
Керамические конденсаторы КМ
Конденсатор — это устройство, которое способно накапливать и отдавать электрическую энергию. Конденсаторы присутствуют везде, где есть электрический ток. Они занимают от 15% до 20% перечня компонентов практически в любой электронной аппаратуре.
Немного истории
Годом изобретения конденсатора считается 1745. Принадлежит это изобретение немецкому и голландскому физикам: Эвальду Юрген фон Клейсту и Питеру ван Мушенбруку. Этот первый прототип электрического конденсатора получил название — «лейденская банка» (по названию города Лейден, где была собрана эта конструкция).
Основные характеристики
Конденсаторы КМ — это керамические монолитные конденсаторы в корпусном и бескорпусном исполнении. Они относятся к подклассу конденсаторов постоянной емкости. По классификации — это низковольтные конденсаторы с напряжением до 1600 В. Диапазон ёмкости — от 16 пФ до 2,2 мкФ. Много это или мало? Для сравнения скажем, что ёмкость Земли составляет порядка 710 мкФ.
Группа низковольтных конденсаторов КМ подразделяется на низкочастотные и высокочастотные. По назначению они делятся на три группы: 1, 2 и 3.
— группа 1 используется, когда существенным являются высокая стабильность емкости и малые потери;
— группа 2 — когда не существенно то, что характерно для группы 1;
— группа 3 — как и вторая группа, но предназначена для работы в низкочастотных цепях.
Существует больше десяти основных электрических параметров для каждого конденсатора и более 25 эксплуатационных характеристик. Подчеркнем — это только основные, полный список близок к 60-ти.
Остановимся на некоторых из них.
Номинальная емкость. Это значение стандартизировано и выбирается из определенного ряда — Е3, Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Для каждого десятичного интервала цифры после Е указывают на количество номинальных значений. Так, например, для Е6 имеем ряд номинальных значений емкости: 1,0 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8 (для каждого десятичного интервала).
Для номинальных значений существует предел допустимых отклонений, который выражается в процентах. Например: ±0,1%, ±0,25%, ±30%, (-10+30)%, (-20+50)%.
Номинальное напряжение. Это напряжение, при котором конденсатор может работать в определенных условиях и сохранять свои параметры в допустимых пределах. Для конденсаторов КМ в зависимости от модификации диапазон значений лежит в пределах от 25В до 250В.
Температурный коэффициент емкости (ТКЕ). Он применяется для конденсаторов с линейной зависимостью емкости от температуры.
Значение ТКЕ: по этому параметру можно определить, на сколько изменится емкость конденсатора, если температура окружающего воздуха изменится на один градус в заданном диапазоне температур (используют шкалы как Цельсия, так и Кельвина). Ряд ТКЕ конденсаторов КМ: П33, МПО, М47, М75, М750, М1500, Н30, Н50, Н90.
Модификации конденсаторов КМ
Производили следующие модификации конденсаторов: КМ-3, КМ-4, КМ-5, КМ-6.
КМ-4, КМ-5, КМ-6 — могут быть 1 или 2 типа, КМ-3 — только 2 типа.
Конструктивные варианты исполнения:
— неизолированные, разнонаправленные выводы: КМ-3а, КМ-4а, КМ-5а — неизолированные, однонаправленные выводы: КМ-3б, КМ-4б, КМ-5б — изолированные, однонаправленные выводы: КМ-3б, КМ-4б, КМ-5б, КМ-6(а, б)
— незащищенные: КМ-3в, КМ-4в, КМ-5в
Диапазон номинальных емкостей:
КМ-3 680 пФ — 22 нФ КМ-4 16 пФ — 47 нФ КМ-5 16 пФ — 0,15 мкФ
КМ-6 120 пФ — 2,2 мкФ
Распределение КМ по значению номинального напряжения (В) и группам ТКЕ:
| ТКЕ | П33 | МПО | М47 | М75 | М750 | М1500 | Н30 | Н50 | Н90 |
| КМ-3 | 250 | ||||||||
| КМ-4 | 250 | 250 | 250 | 250 | 160 | 160 | 100 | ||
| КМ-5 | 160 | 160 | 160 | 160 | 100 | 100 | 50 | 50 | |
| КМ-6-а | 50 | 50 | 50 | 50 | 35 25 | 35 25 | 35 25 | 35 25 | |
| КМ-6-б | 50 | 50 | 50 | 50 | 35 25 | 35 25 | 35 25 |
Применение
Конденсаторы КМ предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Используются в любой электронной аппаратуре: в бытовой технике, системах связи, измерительной и научной аппаратуре, в промышленном оборудовании и т.д.
Драгметаллы в конденсаторах КМ
Использование в конденсаторах таких материалов как палладия, платины и серебра обусловлено технологическими требованиями и имеет рациональную основу.
Конструктивно конденсаторы выполнены из керамического диэлектрика с нанесенным на него с двух сторон тонким слоем металла (обкладка конденсатора). От выбранного материала диэлектрика и обкладок зависят технические и эксплуатационные характеристики конденсатора.
В качестве диэлектрика используют специальную керамику на основе титаната кальция, циркония и бария. Технологии позволяют получить сверхтонкие слои диэлектрика и собирать их в сэндвичи. Это обеспечивает низкую электрическую проводимость, емкости конденсаторов от долей пикофарад и номинальное напряжение в широком диапазоне.
В качестве обкладок керамических конденсаторов используют палладий, платину и серебро. Эта группа металлов устойчива к действию сульфидов, предотвращает окисление при обжиге и значительно повышает температурную стабильность емкости конденсаторов. Обеспечивает нормированные значения емкости с заданными отклонениями, прогнозируемый ТКЕ, минимизирует значения паразитных параметров, уменьшает влияние внешних факторов, повышает долговечность и надежность.
В зависимости от применяемой технологии нанесения металлов на диэлектрик, варьируется использование и содержание одного из этих драгметаллов в обкладках конденсаторов. При технологическом требовании высокой температуры обжига керамики применение серебра ограничено и больше используется палладий и платина.
Так содержание палладия в электродах керамических монолитных конденсаторов доходит до 78-95%. А от массы всего конденсатора содержание платины может доходить до 0,6%, а палладия до 7%.
Любопытная информация: оказывается, из всего объема палладия, который необходим для электронной промышленности, доля палладия, используемого для производства керамических конденсаторов, может доходить до 60%.
С учетом того, что технологии производства конденсаторов осваивались последовательно, исходя из технических требований, то и содержание этих драгметаллов в конденсаторах должно зависеть, как от завода, так и от года их производства.
Как уже говорилось выше, содержание керамических конденсаторов в отработанной электронной аппаратуре может доходить до 20% от количества компонентов, а в некоторых изделиях — и выше. Проблема переработки отходов электронной промышленности сегодня — фактически нерешенная проблема. В связи с этим, на рынке существует достаточно большое количество предложений, призывающих собирать и сдавать непригодные к эксплуатации электронные устройства.
По керамическим конденсаторам КМ составлены перечни с признаками, определяющими тип конденсаторов и их ориентировочную ценность. этих «списков» может отличаться друг от друга, но прослеживается общность определенных параметров, по которым можно определить ценность того или иного типа конденсатора КМ.
Ниже приведены некоторые группы предложений от разных скупщиков конденсаторов. В столбце «Пример маркировки» знак «/» указывает на разделение строчек надписи на самом корпусе конденсатора.
| Признак | Цена (%) | Пример маркировки | |
| H30 | зеленые, тонкие | 100 | 5/Н30/22Н/1178 |
| 5-D | зеленые, тонкие | 85 | 5D/68n/A6 |
| 2*2МФ | рыжие, толстые | 72 | 6БН90/2М2/12-75 |
| Н50 | рыжие, толстые | 70 | 6Б/Н50/М10/0378 |
| Н30 | рыжие, толстые | 68 | 5Н30/68Н/6-73 |
| 1МФ | рыжие, толстые | 65 | 6В/Н90/1m0/0985, 6H90/1M0/0480 |
| 5V | зеленые, тонкие | 60 | 5V/5n6/VN |
| KM-4, 5 | зеленые, тонкие | 55 | 5F/M1/V2, 5/M1500/4H7/1078 |
| КМ-6 | рыжие, толстые | 47 | 6F/m47/U8 |
| Признак | Цена (%) | Пример маркировки |
| H30 | зеленые, тонкие | 100 |
Источник: https://detaltorg.ru/blog/radiodetali/keramicheskie_kondensatory_km.html
Что делает многослойные керамические конденсаторы разными?
Вы можете обнаружить, что многослойные керамические конденсаторы (MLCC, Multilayer Ceramic Capacitors) доступны в широком диапазоне корпусов, размеров и диэлектрических материалов.
В зависимости от их характеристик эти конденсаторы разделены классификацией диэлектриков на классы I, II и III. Существует несколько типов диэлектриков, каждый из которых имеет различные характеристики.
Данная статья представляет различия между классами MLCC конденсаторов в характеристиках смещения постоянным напряжением, старения и пьезоэлектрического шума, присущих многим керамическим конденсаторам.
Обозначения
Стандарт 198 Американского союза электроники (EIA, Electronic Industries Alliance) определяет температурный коэффициент емкости (ТКЕ, он же TCC, temperature coefficient of capacitance) керамических конденсаторов. При использовании этих определений вы увидите такие обозначения диэлектриков MLCC конденсаторов, как Y5V, X7R и C0G. Каждая буква здесь имеет значение. Вы можете использовать таблицы ниже для расшифровки этих обозначений.
ppm – милионная доля, 10-6.
| Буква | Значащее число температурного коэффициента, ppm/°C | Цифра | Множитель значащего числа | Буква | Допустимое отклонение температурного коэффициента, ±ppm/°C |
| C | –1 | G | 30 | ||
| B | 0,3 | 1 | –10 | H | 60 |
| L | 0,8 | 2 | –100 | J | 120 |
| A | 0,9 | 3 | –1000 | K | 250 |
| M | 1,0 | 4 | –10000 | L | 500 |
| P | 1,5 | 5 | +1 | M | 1000 |
| R | 2,2 | 6 | +10 | N | 2500 |
| S | 3,3 | 7 | +100 | ||
| T | 4,7 | 8 | +1000 | ||
| U | 7,5 | 9 | +10000 |
| Буква | Минимальная температура (°C) | Цифра | Максимальная температура (°C) | Буква | Максимальное изменение емкости в температурном диапазоне (%) | |
| Z | +10 | 2 | +45 | A | ±1,0 | Класс 2 |
| 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 | |||||
| *L | от +15 до –40 | |||||
| T | от +22 до –33 | Класс 3 | ||||
| U | от +22 до –56 | |||||
| V | от +22 до –82 |
Класс I
Иногда называемые как NP0, C0G считаются ультрастабильными. Используя таблицу для расшифровки «имени», мы можем увидеть, то ТКЕ для C0G составляет ±30 ppm/°C (±30 миллионных долей на градус Цельсия) в номинальном температурном диапазоне. Другими словами, емкость C0G будет меняться незначительно из-за изменений температуры.
Промышленные конденсаторы C0G от KEMET изготавливаются с использованием уникального состава цирконата кальция. Этот материал является параэлектрическим, что обеспечивает его стабильность при прикладывании постоянного напряжения.
Поскольку классификация не определяет используемый материал, другие производители могут использовать различные составы или разные наборы материалов.
Классы II и III
Диэлектрики классов II и III используют немного отличающуюся от класса I систему именования.
- Первая буква представляет собой самую низкую температуру.
- Вторая цифра представляет собой максимальную температуру.
- Третья буква указывает максимальное изменение емкости, которое будет происходить между минимальной и максимальной температурами в заданном диапазоне.
Например, давайте рассмотрим X7R в таблице классов II/III. X означает –55°C, 7 означает +125°C, а R означает изменение емкости ±15% в пределах указанного температурного диапазона.
Разница между классами II и III заключается в том, насколько емкость будет изменяться при определенной температуре. Как правило, в качестве диэлектрика классов II и III используется титанат бария. Данный материал является сегнетоэлектриком, который является источником нестабильности емкости.
Зависимость относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика от температуры
По мере увеличения класса некоторые из отрицательных характеристик диэлектрика усиливаются.
Изменения при прикладывании напряжения
Термины «смещение постоянным напряжением» или «коэффициент напряжения» относятся к потерям емкости при прикладывании напряжения. Этот эффект наблюдается в сегнетоэлектрических материалах, таких как титанат бария, используемый в большинстве конденсаторов X5R и X7R. В зависимости от состава диэлектрика эти конденсаторы могут потерять более 70% номинальной емкости при прикладывании напряжения!
Одним из способов достижения меньших размеров SMD конденсаторов при сохранении того же уровня емкости является уменьшение толщины диэлектрика. Это различие в конструкции приводит к тому, что более высокое напряжение дает бо́льшую потерю емкости.
K-SIM от KEMET позволяет моделировать напряжение на керамическом конденсаторе при прикладывании постоянного напряжения. Эта утилита также может отображать ожидаемое изменение емкости при прикладывании напряжения. Она доступна на ksim.kemet.com.
Диэлектрики класса I не реагируют на смещение по постоянному напряжению, особенно те, которые изготовлены с использованием цирконата кальция.
Старение
Старение – еще одна характеристика, проявляемая сегнетоэлектриками, или диэлектриками классов II и III. При изготовлении керамического конденсатора диэлектрик подвергается воздействию температур более 1000°C. Для устройств из титаната бария температура Кюри может находиться в диапазоне от 130°C до 150°C, в зависимости от конкретного состава.
При воздействии температуры Кюри кристаллическая структура выравнивается в тетрагональную форму. После охлаждения кристаллическая структура керамики изменяется до кубической. По мере этих изменений структуры также изменяется диэлектрическая проницаемость материала.
Со временем емкость будет продолжать снижаться. Можно перезагрузить этот цикл старения путем «перезагрузки» материала, подвергнув его температуре Кюри.
Как правило, вы можете найти скорость старения для определенного типа компонента в каталоге. Ниже приведен пример коэффициентов старения.
| C0G | PME/BME | не доступно | |
| X7R | BME | 2,0 | 1 000 |
| X5R | BME | 5,0 | 48 |
Изменение емкости многослойных керамических конденсаторов (MLCC) при старении
Старения может изменяться в зависимости от серии компонентов, поэтому смотрите технические описания.
Микрофонный эффект
Наконец, кристаллическая структура титаната бария придает керамике свою пьезоэлектрическую, или микрофонную, характерную особенность. Когда к диэлектрическому материалу применяются внешние напряжения, молекулы титаната начинают колебаться назад и вперед. Электрические сигналы могут механически деформировать диэлектрик. Эта деформация, или движение, создает характерный «жужжащий» шум, который слышат некоторые пользователи при использовании керамических конденсаторов в своих проектах.
Пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектричество, также называемое пьезоэлектрическим эффектом, представляет собой способность материала генерировать напряжение и/или электрический сигнал (шум) при воздействии внешнего механического напряжения или вибрации.
По аналогии с термином «микрофонный», многослойные керамические конденсаторы (MLCC), построенные из сегнетоэлектрических материалов, являются по своей природе пьезоэлектрическими и могут преобразовывать внешнее напряжение, подобно тому, как микрофон преобразует звук, в электрический сигнал.
Пьезоэлектрический эффект многослойных керамических конденсаторов (MLCC)
Электрострикция
Электрострикция – это поведение всех диэлектриков, в которых материал испытывает механическую деформацию, или изменение формы, под воздействием электрического поля. Керамические диэлектрики классов II и III производятся с использованием сегнетоэлектрических материалов, которые проявляют большее влияние электрострикционного движения. Вы знаете эти керамические конденсаторы как типы X7R, X5R, Z5V и Y5V.
Когда происходит механическая деформация, результатом может быть звуковое излучение, такое как слышимый гул (т.е. «пение»).
Несколько конденсаторов, установленных на плате близко друг к другу, могут усиливать звук до такой степени, что он станет заметным.
Эффект электрострикции – «поющий» конденсатор
Заключение
Емкость на этикетке, возможно, не является той емкостью, которую вы в итоге получите. Характеристики, обсуждаемые в данной статье, могут изменить величину емкости, которая будет иметь место во время работы или срока службы вашей системы.
Конечно, этот пост не является полным описанием различий между керамическими диэлектриками. Существуют и другие тонкие различия, которые необходимо учитывать при использовании керамических конденсаторов. Но эта информация должна стать хорошей отправной точкой при выборе подходящего керамического конденсатора (MLCC).
Оригинал статьи:
- Here’s What Makes MLCC Dielectrics Different
Теги
MLCC (многослойный керамический конденсатор)TCC / ТКЕ (температурный коэффициент емкости)Керамический конденсаторКлассы керамических конденсаторовКодовое обозначениеКонденсаторКонденсатор C0G / NP0Конденсатор X7RКонденсатор Y5VПоющий конденсаторПьезоэлектрический эффектСрок службы компонентовШумЭлектрострикция
Источник: https://radioprog.ru/post/427
Керамические конденсаторы, теория и примеры
В настоящее время существует широкий выбор разных типов конденсаторов. Каждый из этих типов имеет свои преимущества и недостатки. Некоторые из них имеют большую емкость, другие работают при высоких напряжениях, третьи имеют малый ток утечки, четвертые обладают небольшой индуктивностью. Преимущества того или иного типа конденсатора определяет их области использования.
Когда говорят о керамике в конденсаторах, то имеют в виду материалы, которые имеют структуру схожую с обожженной глиной, однако глины в таких материалах нет или ее крайне мало. В керамических конденсаторах диэлектриком в настоящее время часто является высококачественная керамика: ультрафарфор, тиконд, ультрастеатит и др. Обкладкой служит слой серебра, нанесенный на поверхность.
Керамические конденсаторы стали обычным элементом для почти любой электронной схемы. Их используют там, где необходимо работать с сигналами изменяющейся полярности, важны частотные характеристики, небольшие потери при утечке, малые размеры и невысокая стоимость.
Керамические конденсаторы делят на конденсаторы с постоянной емкостью и подстроечные.
Большую группу конденсаторов составляют керамические конденсаторы с сегнетоэлектриком в качестве диэлектрика, который имеет высокую диэлектрическую проницаемость. Дисковые сегнетоэлектрические керамические конденсаторы изготавливают в виде круглых керамических пластинок, имеющих обкладки из тонкого слоя серебра. Имеются керамические трубчатые конденсаторы, которые представляют собой трубку с тонкими стенками, поверхности которой покрывают слоем серебра.
Керамические конденсаторы используют в разделительных цепях усилителей высокой частоты. Керамические конденсаторы устойчивые к перепадам температуры применяют в контурах генераторов.
Подстроечные керамические конденсаторы служат для подстройки колебательных контуров. Такой конденсатор имеет в составе основание (статор) из керамики и керамический ротор (подвижный диск). Ротор при помощи оси прикрепляется к статору и может вращаться. Обкладки из серебра имеют форму секторов, их наносят и на статор и на ротор.
Емкость такого конденсатора изменяется при вращении обкладок. Существуют керамические подстроечные конденсаторы и в виде трубки. Одна из обкладок трубчатого построечного конденсатора — это стационарный металлический стержень с винтовой нарезкой, который наносят на внутреннюю поверхность трубки.
Емкость такого конденсатора изменяют за счет ввода (вывода) стержня из трубки при помощи отвертки.
Долгое время керамические конденсаторы были приборами с малой емкостью из-за проблем технологии производства.
Керамические конденсаторы могут короткое время выдерживать перегрузки по напряжению, которые во много раз превышают номинальное рабочее напряжение.
К недостаткам керамических конденсаторов относят: сильную зависимость диэлектрической проницаемости (соответственно емкости) от температуры и разности потенциалов на обкладках. В настоящее время существуют керамические конденсаторы с диэлектриком (X7R), который позволяет работать элементу в диапазоне температур от -55oС до 125oС, но такой конденсатор является довольно дорогостоящим на сегодняшний момент.
Керамические однослойные конденсаторы
Керамические однослойные конденсаторы встречаются обычно в виде дисков. Они имеют относительно большую емкость при малых размерах. Она составляет от 1пФ до 220 нФ. Максимальное рабочее напряжение обычно составляет не более 50 В . Такие конденсаторы имеют малый ток утечки и низкую индуктивность, могут работать при высокой частоте и имеют большую стабильность емкости при повышении температуры. Данные конденсаторы можно применять в цепях постоянного, переменного и импульсного тока.
Керамические многослойные конденсаторы
Электрическая емкость плоского конденсатора, который содержит N слоев диэлектрика толщина каждого , соответствующая диэлектрическая проницаемость i-го слоя , равна:
где S – площадь активной части одного электрода. Из выражения (1) следует, что ёмкость многослойного конденсатора можно увеличивать, если уменьшать толщину слоев диэлектрика (керамических пластин), увеличивая число слоев, диэлектрическую проницаемость керамики, активную площадь. Можно создавать конденсаторы с несколькими выводами.
При этом следует учесть, что уменьшение единичного слоя диэлектрика ведет к барьера напряжения для пробоя. Увеличение активной площади неизбежно ведет к росту габаритов конденсатора.
Кроме того, увеличение диэлектрической проницаемости керамики ухудшает температурную стабильность и вызывает существенную зависимость емкости конденсатора от напряжения.
Многослойные керамические конденсаторы используют для поверхностного монтажа в схемах для подавления пульсаций, деления электрического сигнала на постоянную и переменную компоненты.
Для создания малых многослойных конденсаторов применяют керамику на основе и .
Примеры решения задач
Источник: http://ru.solverbook.com/spravochnik/fizika/keramicheskie-kondensatory/
Технология керамических диэлектриков
1-4. СОВРЕМЕННЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
1-4-1. КЕРАМИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАТОРЫ
Общие положения.
Статическую емкость плоского конденсатора С, Ф, имеющего площадь электродов А, м2, и толщину диэлектрика d, м, рассчитывают по формуле
(1-4-1) где ε0=8,854· 1012, Ф/м.
Для изготовления малогабаритного конденсатора большой емкости необходимо, чтобы диэлектрик конденсатора обладал большой ε и малой толщиной d. Соблюсти последнее условие можно в том случае, когда легко изготовить тонкие пластины. В качестве материалов с высокой ε для изготовления конденсаторов используют:
- керамику на основе ТiO2 (в конденсаторах для температурной компенсации) с ε=20-=-150;
- керамику на основе ВаТiO3 (в конденсаторах с высокой диэлектрической проницаемостью) с εs= 1000-15000.
Для конденсаторов, приведенных ниже, используют некерамические материалы, из которых сравнительно просто изготовить тонкие пластины: 1) слюдяные, d=0,01 -0,05 мм; 2) бумажные, d=0,008-:-0,1 мм;
- на органических пленках, d=0,01 мм; 4) электролитические, d = 0,000010,001 мм (0,01—1 мкм).
При изготовлении керамических диэлектриков на основе ТiO или ВаТiO но обычной керамической технологии толщина, получаемая такими методами формования, как сухое прессование пли протяжка, технологически ограничена примерно 0,1 мм (100 мкм). Следовательно, если изготовить дисковый конденсатор диаметром 10 мм из материала с диэлектрической проницаемостью 10000, то емкость конденсатора составит 0,05 мкФ, при этом приходится преодолевать значительные трудности.
Для уменьшения толщины диэлектрика, как известно, используют шлифовку, при которой предел толщины составляет 30— 30 мкм. Однако помимо особых случаев этот способ не находит применения. Изучают также способы получения диэлектриков малой толщины путем обжига тонких слоев, наносимых электроосаждением, вакуумным напылением, разложением органических соединений титана.
Однако нельзя утверждать, что в промышленном освоении указанных способов получения диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью достигнуты успехи. Самыми перспективными являются конденсаторы, использующие барьерную емкость контакта полупроводник — металл. В частности, использование полупроводниковой керамики на основе ВаТiO позволяет получить такой же эффект, как при образовании бездефектного изоляционного слоя толщиной несколько микрон.
Этим способом, имеющим большое практическое значение, можно изготовить малогабаритные конденсаторы большой емкости, которые имеют высокую диэлектрическую проницаемость и малую толщину d. Полупроводникам на основе ВаТiO посвящен § 9-1. Наконец, недавно Баку Сигэру из Института электросвязи изобрел превосходную конденсаторную керамику с барьерным слоем, которая подробно будет рассмотрена в подпараграфе 9-1-3.
В настоящее время ведутся интенсивные работы по изучению путей практического применения этого замечательного материала, представляющего собой полупроводниковую керамику на основе ВаТiO. у которой изоляционный слой, образованный границами зерен кристаллитов, обладает эффективной диэлектрической проницаемостью 20 000—50 000 и пробивным напряжением примерно 45 В.
Двуокись титана имеет три кристаллические модификации (рутил, анатаз и брукит), однако для практических целей наибольшее значение имеет рутил. Монокристаллы этой модификации получают методом плавления в пламени (также называемым методом Бернулли). Они обладают более высоким коэффициентом преломления, чем алмаз, что послужило причиной изготовления из них искусственных драгоценных камней. Рутил имеет тетрагональную структуру.
В центре объема и в восьми вершинах углов ячейки находятся атомы титана, атомы кислорода расположены так, что с центральным атомом титана они образуют октаэдр. Те четыре атома кислорода, что расположены на нижней и верхней гранях, находятся на расстоянии s от центрального атома титана, остальные два атома кислорода расположены на расстоянии р от центрального атома Ti, т. с., как видно из рисунка, значительно дальше. Плотность монокристалла получается равной 4,249 г/см3.
Рис. 1-4-1. Кристаллическая структура рутила.
Температура плавления монокристаллов рутила 1840±10°С, диэлектрическая проницаемость при комнатной температуре на частоте 1 МГц равна 173 но оси с, а по перпендикулярному этой оси направлению — 89. Коэффициент преломления монокристаллов рутила в видимом диапазоне света (4000—7600 А) довольно высок и равен 2,71. Коэффициент теплопроводности равен 61,9 Вт/(м-К), твердость по Мосу — 6,7.
Анатаз также относится к кристаллам тетрагональной структуры, элементарную ячейку кристаллической решетки образуют шесть молекул TiO2; а = 0,378, с = 0,949 нм. Плотность 3,9, коэффициент преломления 2,55, диэлектрическая проницаемость ε=31. Все перечисленные константы анатаза ниже, чем у рутила. Коэффициент теплопроводности равен 180 Вт/(м-К), твердость по Мосу — 5,5—6 (о промышленном получении TiO2 см. подпараграф 2-2-2).
Конденсаторы для температурной компенсации.
Выше речь шла о монокристаллах рутила. У поликристаллического рутила диэлектрическая проницаемость равна 114 — среднему значению диэлектрических проницаемостей по различным осям монокристалла. Рутил относится к группе несегнетоэлектрических материалов, но обладает самой большой диэлектрической проницаемостью среди параэлектриков.
Эта отличительная особенность рутила была известна довольно давно, однако об использовании его в конденсаторах большой емкости впервые было сообщено в германском патенте 1925 г. Практическое использование началось примерно на 10 лет позже. Вплоть до настоящего времени фирмы Hesho и Stemag выпускают такие конденсаторы, как «Конденсер S», «Крайфа S» и «Темпа S».
Керамика на основе TiO2 обладает не только высокой диэлектрической проницаемостью, но и малыми потерями на высоких частотах, что позволяет ее широко использовать в высокочастотных схемах в качестве конденсаторов емкостью до 1000 пФ. Первые материалы на основе двуокиси титана имели большие потери на низких частотах. Путем введения добавки двуокиси циркония удалось ликвидировать этот недостаток благодаря получению керамики с мелкими кристаллитами.
Керамические конденсаторы на основе TiO2 сейчас широко применяются; керамику можно получить с различными отрицательными температурными коэффициентами диэлектрической проницаемости, так как величина ΤΚε зависит от концентрации TiO2. Используя эту возможность, разработали серию керамических материалов, применяемых при изготовлении стандартных керамических конденсаторов для температурной компенсации. Эти материалы подробно будут рассмотрены в подпараграфе 7-2-1.
Несегнето-электрическая керамика, у которой диэлектрическая проницаемость ε равна примерно 10—150, а ТК — от +100 до —750· 10-6 К-1, как правило, в том или ином количестве содержит TiO2. Керамические конденсаторы с высокой диэлектрической проницаемостью. Аномальные диэлектрические свойства BaTiO3 обнаружили примерно в одно и то же время в 1942 г. в трех странах: в Японии, США и СССР.
История этого открытия началась с того, что при изучении путей улучшения свойств керамики на основе ТО обнаружили необычайно высокую диэлектрическую проницаемость у материала, состоящего из равных мольных долей TiO2 и ВаО. Как показано на рис. 1-3-2, диэлектрическая проницаемость ε« керамики ВаТЮ3 при комнатной температура равна примерно 1500, а вблизи точки Кюри T, равной 120°С, достигает 6000—10000.
Если в ВаТiO2 ввести SrTiO3 или BaSnO2, то точка Кюри Тс понижается и можно получить керамику, у которой диэлектрическая проницаемость при комнатной температуре равна 3000—15 000. Таким образом, поскольку была получена керамика с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости, значительно превосходящим в., известных до обнаружения титаната бария керамических материалов на основе описанного выше рутила, то были сделаны попытки использовать титанат бария в качестве материала для конденсаторов с высокой диэлектрической проницаемостью.
Исследования автора позволяют сделать вывод, что в аппаратуре связи SCR-610 армии США, изготовленной ориентировочно в 1943 г., была использована керамика ВаТiO3 (см. подпараграф 11-4-3). В Японии начиная с 1944—1945 гг. также находили применение опытные образцы таких конденсаторов.
Однако ВаТiO3 как конденсаторный материал с точки зрения устаревшего представления о конденсаторах имел существенные недостатки, присущие сегнетоэлектрикам: значение диэлектрической проницаемости сильно зависело от температуры, частоты, амплитуды переменного измерительного напряжения, смещающего постоянного напряжения; кроме того, он имел довольно большие диэлектрические потери.
В связи с этим не могло быть и речи о немедленном его внедрении. Широкое промышленное производство конденсаторов на основе титаната бария началось в 1953—1954 гг. с повсеместным распространением телевидения.
В современном телевизоре примерно 30 сегнетокерамических конденсаторов, главным образом шунтирующих и предназначенных для коммутации высокочастотных схем, где некоторые колебания емкости не имеют большого значения. В телевизорах на транзисторах также применяется большое количество сверхминиатюрных конденсаторов.
Производство керамических конденсаторов различными фирмами Японии, тыс. шт
| Фирма | 1963 г., среднемесячно | 1967 г., июнь | 1968 г., июнь |
| Токио дэнки кагак | 21 621(92 389) | 38 976(63 755) | 35 968(180 475) |
| „Мурата сэйсакудзё» | 23 33! (149 425) | 38416(219 819) | 61 875(329 418) |
| „Тайё юдэн» | 24 433(99 061) | 46 497(172 429) | 52 310(197 314) |
| „КСК“ | 14 759(53 418) | 26 005(82 101) | 39 040(104 173) |
| „Мацусита дэнки“ | 7684(34 391) | 15 092(59 980) |
Источник: https://leg.co.ua/arhiv/raznoe-arhiv/tehnologiya-keramicheskih-dielektrikov.html
Конденсаторы для «чайников»
Если вы регулярно занимаетесь созданием электрических схем, вы наверняка использовали конденсаторы. Это стандартный компонент схем, такой же, как сопротивление, который вы просто берёте с полки без раздумий.
Мы используем конденсаторы для сглаживания пульсаций напряжения/тока, для согласования нагрузок, в качестве источника энергии для маломощных устройств, и других применений. Но конденсатор – это не просто пузырёк с двумя проводочками и парой параметров – рабочее напряжение и ёмкость.
Существует огромный массив технологий и материалов с разными свойствами, применяемых для создания конденсаторов.
И хотя в большинстве случаев для любой задачи сгодится практически любой конденсатор подходящей ёмкости, хорошее понимание работы этих устройств может помочь вам выбрать не просто нечто подходящее, а подходящее наилучшим образом. Если у вас когда-нибудь была проблема с температурной стабильностью или задача поиска источника дополнительных шумов – вы оцените информацию из этой статьи.
Начнём с простого
Лучше начать с простого и описать основные принципы работы конденсаторов, прежде чем переходить к настоящим устройствам. Идеальный конденсатор состоит из двух проводящих пластинок, разделённых диэлектриком. Заряд собирается на пластинах, но не может перетекать между ними – диэлектрик обладает изолирующими свойствами. Так конденсатор накапливает заряд.
Ёмкость измеряется в фарадах: конденсатор в один фарад выдаёт напряжение в один вольт, если в нём находится заряд в один кулон. Как и у многих других единиц системы СИ, у неё непрактичный размер, поэтому, если не брать в расчёт суперконденсаторы, о которых мы здесь говорить не будем, вы скорее всего встретитесь с микро-, нано- и пикофарадами.
Ёмкость любого конденсатора можно вывести из его размеров и свойств диэлектрика – если интересно, формулу для этого можно посмотреть в Википедии. Запоминать её не нужно, если только вы не готовитесь к экзамену – но в ней содержится один полезный факт.
Ёмкость пропорциональна диэлектрической проницаемости εr использованного диэлектрика, что в результате привело к появлению в продаже различных конденсаторов, использующих разные диэлектрические материалы для достижения больших ёмкостей или улучшения характеристик напряжения.
Паразитные индуктивность и сопротивление реального конденсатора С использованием диэлектриков в конденсаторах есть одна проблемка, наряду с тем, что диэлектрик с нужными характеристиками обладает неприятными побочными эффектами. У всех конденсаторов есть небольшие паразитные сопротивление и индуктивность, которые иногда могут влиять на его работу. Электрические постоянные меняются от температуры и напряжения, пьезоэлектричества или шума. Некоторые конденсаторы стоят слишком дорого, у некоторых существуют состояния отказа. И вот мы подошли к основной части статьи, в которой расскажем о разных типах конденсаторов, и об их свойствах, полезных и вредных. Мы не будем освещать все возможные технологии, хотя большинство обычных мы опишем.
Алюминиевые электролитические
Алюминиевые электролитические конденсаторы используют анодно-оксидированный слой на алюминиевом листе в качестве одной пластины-диэлектрика, и электролит из электрохимической ячейки в качестве другой пластины.
Наличие электрохимической ячейки делает их полярными, то есть напряжение постоянного тока должно прикладываться в одном направлении, и анодированная пластина должна быть анодом, или плюсом. На практике их пластины выполнены в виде сэндвича из алюминиевой фольги, завёрнутой в цилиндр и расположенной в алюминиевой банке.
Рабочее напряжение зависит от глубины анодированного слоя. У электролитических конденсаторов наибольшая среди распространённых ёмкость, от 0,1 до тысяч мкФ.
Из-за плотной упаковки электрохимической ячейки у них наблюдается большая эквивалентная последовательная индуктивность (equivalent series inductance, ESI, или эффективная индуктивность), из-за чего их нельзя использовать на высоких частотах. Обычно они используются для сглаживания питания и развязывания, а также связывания на аудиочастотах.
Танталовые электролитические
Танталовый конденсатор поверхностного размещения Танталовые электролитические конденсаторы изготавливаются в виде спечённого танталового анода с большой площадью поверхности, на которой выращивается толстый слой оксида, а затем в качестве катода размещается электролит из диоксида марганца.
Комбинация большой площади поверхности и диэлектрических свойств оксида тантала приводит к высокой ёмкости в пересчёте на объём. В результате такие конденсаторы выходят гораздо меньше алюминиевых конденсаторов сравнимой ёмкости. Как и у последних, у танталовых конденсаторов есть полярность, поэтому постоянный ток должен идти в строго одном направлении.
Их доступная ёмкостью варьируется от 0,1 до нескольких сотен мкФ. У них гораздо меньше сопротивление утечки и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), в связи с чем они используются в тестировании, измерительных приборах и высококачественных аудиоустройствах – там, где эти свойства полезны.
В случае танталовых конденсаторов необходимо особенно следить за состоянием отказа, бывает, что они загораются. Аморфный оксид тантала – хороший диэлектрик, а в кристаллической форме он становится хорошим проводником.
Неправильное использование танталового конденсатора – например, подача слишком большого пускового тока может привести к переходу диэлектрика в другую форму, что увеличит проходящий через него ток. Правда, репутация, связанная с возгораниями, появилась у более ранних поколений танталовых конденсаторов, и улучшенные методы производства привели к созданию более надёжной продукции.
Полимерные плёнки
Целое семейство конденсаторов использует полимерные плёнки в качестве диэлектриков, а плёнка либо находится между витыми или перемежающимися слоями металлической фольги, либо имеет металлизированный слой на поверхности. Их рабочее напряжение может доходить до 1000 В, но высокими ёмкостями они не обладают – это обычно от 100 пФ до единиц мкФ.
У каждого вида плёнки есть свои плюсы и минусы, но в целом всё семейство отличается более низкими ёмкостью и индуктивностью, чем у электролитических. Посему они используются в высокочастотных устройствах и для развязывания в электрически шумных системах, а также в системах общего назначения. Полипропиленовые конденсаторы используются в схемах, требующих хорошей тепловой и частотной стабильности.
Также они используются в системах питания, для подавления ЭМП, в системах, использующих переменные токи высокого напряжения. Полиэстеровые конденсаторы, хотя и не обладают такими температурными и частотными характеристиками, получаются дешёвыми и выдерживают большие температуры при пайке для поверхностного монтажа.
В связи с этим они используются в схемах, предназначенных для использования в некритичных приложениях. Полиэтилен-нафталатовые конденсаторы. Не обладают стабильными температурными и частотными характеристиками, но могут выдерживать гораздо большие температуры и напряжения по сравнению с полиэстеровыми.
Полиэтилен-сульфидовые конденсаторы обладают температурными и частотными характеристиками полипропиленовых, и в дополнение выдерживают высокие температуры. В старом оборудовании можно наткнуться на поликарбонатные и полистиреновые конденсаторы, но сейчас они уже не используются.
Керамика
История керамических конденсаторов довольно длинная – они использовались с первых десятилетий прошлого века и по сей день. Ранние конденсаторы представляли собою один слой керамики, металлизированной с обеих сторон. Более поздние бывают и многослойными, где пластины с металлизацией и керамика перемежаются.
В зависимости от диэлектрика их ёмкости варьируются от 1 пФ до десятков мкФ, а напряжения достигают киловольт. Во всех отраслях электроники, где требуется малая ёмкость, можно встретить как однослойные керамические диски, так и многослойные пакетные конденсаторы поверхностного монтажа. Проще всего классифицировать керамические конденсаторы по диэлектрикам, поскольку именно они придают конденсатором все свойства.
Диэлектрики классифицируют по трёхбуквенным кодам, где зашифрована их рабочая температура и стабильность. C0G лучшая стабильность в ёмкости по отношению к температуре, частоте и напряжению. Используются в высокочастотных схемах и других контурах высокого быстродействия. X7R не обладают такими хорошими характеристиками по температуре и напряжению, посему используются в менее критичных случаях.
Обычно это развязывание и различные универсальные приложения. Y5V обладают гораздо большей ёмкостью, но характеристики температуры и напряжения у них ещё ниже. Также используются для развязывания и в различных универсальных приложениях. Поскольку керамика часто обладает и пьезоэлектрическими свойствами, некоторые керамические конденсаторы демонстрируют и микрофонный эффект.
Если вы работали с высокими напряжениями и частотами в аудиодиапазоне, например, в случае ламповых усилителей или электростатики, вы могли услышать, как «поют» конденсаторы. Если вы использовали пьезоэлектрический конденсатор для обеспечения частотной стабилизации, вы могли обнаружить, что его звук модулируется вибрацией его окружения.
Как мы уже упоминали, статья не ставит целью охватить все технологии конденсаторов. Взглянув в каталог электроники вы обнаружите, что некоторые технологии, имеющиеся в наличии, здесь не освещены. Некоторые предложения из каталогов уже устарели, или же имеют такую узкую нишу, что с ними чаще всего и не встретишься.
Мы надеялись лишь развеять некоторые тайны по поводу популярных моделей конденсаторов, и помочь вам в выборе подходящих компонентов при разработке собственных устройств. Если мы разогрели ваш аппетит, вы можете изучить нашу статью по катушкам индуктивности.
Об обнаруженных вами неточностях и ошибках прошу писать через личные сообщения сайта. Спасибо.
Источник: https://habr.com/ru/post/369421/
Керамические конденсаторы (конденсаторы км) — состав, применение, цена за грамм
Керамические конденсаторы нашли свое применение в высокоточной технике, например, измерительных приборах, медицинском оборудовании. Незаменимы керамические радиодетали и для приборов, работающие в импульсном режиме. Основным отличием этого типа конденсаторов является хорошее сцепление между его обкладками и керамическим покрытием. Это явление обеспечивает низкую температурную нестабильность.
Емкость керамических радиодеталей может достигать значения в 2,2 мФ. Значения переменной емкости может колебаться в зависимости от температуры – 10-90 микрофарад. В данной статье будут рассмотрены все особенности этих устройств. В статье можно посмотреть полезное видео и скачать бонус – интересный материал на данную тему.
Керамический конденсатор.
Что такое керамические конденсаторы
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 емкости. Действительно, керамический конденсатор на 10 мкФ еще недавно воспринимался как удивительная экзотика, и стоило такое чудо как горсть алюминиевых электролитических, таких же емкости и напряжения, либо как несколько аналогичных танталовых.
Однако, развитие технологий позволило к настоящему времени сразу нескольким фирмам заявить о достижении ими емкости керамических конденсаторов 100 мкФ и анонсировать начало производства приборов еще 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.
Таким образом, увеличения емкости конденсатора можно добиться уменьшением толщины слоя в диэлектрика, увеличением числа электродов, их активной площади и увеличением диэлектрической проницаемости диэлектрика.
Уменьшение толщины диэлектрика и связанная с этим возможность увеличения количества электродов ≈ основной способ увеличения емкости керамических конденсаторов. Но снижение толщины диэлектрика приводит с снижению напряжения пробоя, поэтому конденсаторы большой емкости на высокое рабочее напряжение встречаются редко.
Увеличение числа слоя в диэлектрика, процесс технологически связанный с уменьшением толщины единичного слоя.
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 емкости приводит к существенному ухудшению температурной стабильности и сильной зависимости емкости от приложенного напряжения. Теперь рассмотрим возможности и особенности применения керамических конденсаторов большой емкости.
Перед началом обсуждения стоит обратить внимание на уже имеющиеся предложения и ближайшие планы лидеров отрасли фирм Murata и Samsung Electro-Mechanics .
Материал в тему: все о переменном конденсаторе.
Естественной областью применения подобного спектра керамических конденсаторов большой емкости 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.
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 емкости 10 мкФ.
Будет интересно➡ Формула расчёта сопротивления конденсатора
Таким образом, для обеспечения одинакового с танталовым конденсатором в 10 мкФ уровня подавления пульсаций частотой 1 МГц можно использовать керамический конденсатор емкостью 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.
Механизм и строение
Состав керамического BaTiO3 является совокупностью, составленной из микрокристаллов от 1 до 20 миллиметрового в диаметре. Этот микрокристалл называют частицей, и состоит из кристаллической структуры, которая показана на рис. 1 и 2.
Частица разделена на много доменов при температуре ниже Точки Кюри. Кристаллические оси выровнены в одном направлении в пределах домена, таким образом, как и спонтанная поляризация. При нагревании до Точки Кюри и выше кристаллическая структура BaTiO3 изменяется от четырехугольной до кубической.
Тогда, спонтанные поляризационные и доменные стены исчезают (пропадают).
Строение керамического конденсатора.
Когда BaTiO3 находится в охлажденном состоянии (ниже Точки Кюри), ее кристаллическая структура поворачивается от кубической до четырехугольной, отрезки примерно до 1 % вдоль оси C и вдоль других осей – сокращаются. Тогда появляются спонтанные поляризационные и доменные стены.
В то же время от воздействия «из вне» частицы искажаются. В этой стадии генерируются много мелких доменных стен, и направление спонтанной поляризации в каждом домене легко полностью изменить, даже малыми (низкими) электрическими полями.
Так как диэлектрическая постоянная – пропорциональна сумме инверсии спонтанной поляризации к единице объема, наблюдается большая емкость.
Кроме того, перемещение пространственных зарядов (ионы с низкой подвижностью, свободные точки кристаллической решетки и т.д.) в пределах доменной стены приводит к поляризации пространственного заряда. Эта поляризация пространственного заряда неблагоприятно воздействует на спонтанную поляризацию, преграждая ее инверсию.
Будет интересно➡ Что такое танталовый конденсатор
Другими словами, временный переход от генерации спонтанной поляризации (спонтанная поляризация постепенно перестраивается к более устойчивому состоянию) к инверсии затруднена появлением поляризации пространственного заряда.
В этом состоянии более высокое электрическое поле необходимо, чтобы полностью изменить спонтанную поляризацию в доменах, которые в свою очередь могут быть полностью изменены низким уменьшением электрического поля и снижениями емкости. Это, как полагают и есть механизм старения.
Однако, микротекстура кристаллической решетки возвращается в исходное состояние при нагревании до температуры выше Точки Кюри, в которой старение решетки начинается снова и снова.
Вообще емкость многослойного керамического конденсатора с высокой диэлектрической постоянной уменьшается приблизительно линейно в логарифмическом масштабе времени – в течение 24 часов после термической обработки выше 125 C.
Пожалуйста, обратитесь к прикрепленным типовым данным старения нашей продукции и номинальной емкости конденсаторов. Емкость, которая уменьшилась в результате естественного старения, имеет свойство восстанавливаться при нагревании конденсаторов до Точки Кюри и выше.
Ожидаемая емкость многослойного керамического конденсатора будет в его номинале, когда эти условия установлены на оборудовании. Мы выбираем свою амплитуду емкости, основанную на предшествующем предположении. Кстати, температура, компенсирующая значения типовых конденсаторов, не проявляют явление старения.
Керамические конденсаторы стандартных параметров.
Керамические и стеклокерамические конденсаторы с твердым неорганическим диэлектрическим слоем выпускаются в высоковольтном и низковольтном исполнении. Отличаются компактными размерами и надежностью. Широко востребованы в вычислительной, бытовой, медицинской, военной техники, транспорте. По номинальному напряжению их разделяют на высоко- и низковольтные.
По типу конструкции выпускают следующие керамические конденсаторы:
- КТК – трубчатые;
- КДК – дисковые;
- SMD – поверхностные и другие.
Для изготовления керамических конденсаторов используют не обожженную глину, а материалы, сходные с ней по структуре, – ультрафарфор, тиконд, ультрастеатит. Обкладка – серебряный слой. Керамические и стеклокерамические устройства используются в схемах, в которых важных частотные характеристики, невысокие потери при утечке, компактные габариты, невысокая стоимость.
Источник: https://electroinfo.net/kondensatory/skolko-stojat-keramicheskie-kondensatory.html
