👨🏻‍🚀 ⭐️ 🤼 تغيير سعة المكثفات الخزفية من درجة الحرارة والجهد ، أو كيف يتحول مكثف 4.7 درجة فهرنهايت إلى 0.33 درجة فهرنهايت 🚥 🎩 🙏🏻

مقدمة: لقد كنت في حيرة.

قبل بضع سنوات ، بعد أكثر من 25 عامًا من العمل مع هذه الأشياء ، تعلمت شيئًا جديدًا حول المكثفات الخزفية. أثناء العمل على برنامج تشغيل مصباح LED ، وجدت أن ثابت الوقت في سلسلة RC في دائرتي لا يشبه إلى حد كبير السلسلة المحسوبة.

بافتراض أن المكونات الخاطئة ملحومة على اللوحة ، قمت بقياس مقاومة المقاومين اللذين يشكلان مقسم الجهد - كانت دقيقة للغاية. ثم تم لحام المكثف - كان رائعًا أيضًا. للتأكد فقط ، أخذت مقاومات جديدة ومكثف وقياسها ، وتم لحامها مرة أخرى. بعد ذلك ، قمت بتشغيل الدائرة ، والتحقق من المؤشرات الرئيسية ، وتوقعت أن أرى أنه تم حل مشكلتي مع سلسلة RC ... إذا فقط.

لقد اختبرت الدائرة في بيئتها الطبيعية: في الغلاف ، والذي بدوره كان مغلفًا بمفرده لمحاكاة غلاف مصباح السقف. وصلت درجة حرارة المكونات في بعض الأماكن إلى أكثر من 100 درجة مئوية. للتأكد ، ولتحديث ذاكرتي ، أعدت قراءة ورقة البيانات على المكثفات المستخدمة. وهكذا بدأت إعادة التفكير في المكثفات الخزفية.

معلومات مرجعية عن الأنواع الرئيسية للمكثفات الخزفية.

بالنسبة لأولئك الذين لا يتذكرون هذا (مثل الجميع تقريبًا) ، يوضح الجدول 1 وضع علامات على الأنواع الرئيسية للمكثفات ومعناها. يصف هذا الجدول المكثفات من الدرجة الثانية والثالثة . دون التعمق في التفاصيل ، عادة ما يتم تصنيع المكثفات من الدرجة الأولى على عازل مثل C0G (NP0).

الجدول 1.

انخفاض درجة حرارة التشغيل				(.)
	(ºC)		(ºC)		(%)
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

مما سبق في مسار حياتي ، صادفت في الغالب مكثفات مثل X5R و X7R و Y5V. لم أستخدم أبدًا المكثفات مثل Y5V بسبب حساسيتها العالية للغاية للتأثيرات الخارجية.

عندما يقوم مصنع مكثف بتطوير منتج جديد ، فإنه يختار العازل بحيث لا تتغير سعة المكثف أكثر من حدود معينة في نطاق درجة حرارة معينة. يجب ألا تغير مكثفات X7R التي أستخدمها من سعتها بأكثر من ± 15٪ (الحرف الثالث) عندما تتغير درجة الحرارة من -55 درجة مئوية (الحرف الأول) إلى + 125 درجة مئوية (الحرف الثاني). لذلك إما أن حصلت على لعبة سيئة ، أو يحدث شيء آخر في مخطط بلدي.

لا يتم إنشاء جميع X7Rs بنفس الطريقة.

نظرًا لأن التغيير في ثابت الوقت في سلسلة RC كان أكبر بكثير مما يمكن تفسيره بواسطة معامل درجة الحرارة للسعة ، كان علي أن أعمق. بالنظر إلى مقدار السعة التي يتحملها مكثف بعيدًا عن الجهد المطبق عليه ، فوجئت جدًا. كانت النتيجة بعيدة جدًا عن القيمة الاسمية التي تم لحامها. أخذت مكثف 16V للعمل في دائرة 12V. قال داتاشيت إن 4.7 ميكروفاردات تتحول إلى 1.5 ميكروفاراد في ظل هذه الظروف. هذا شرح مشكلتي.

قال داتاشيت أيضًا أنه إذا قمت بزيادة الحجم فقط من 0805 إلى 1206 ، فإن السعة الناتجة في نفس الظروف ستكون بالفعل 3.4 ميكروفاراد! هذه اللحظة تتطلب نظرة فاحصة.

لقد وجدت أن موقعي Murata® و TDK® يحتويان على أدوات رائعة لرسم سعة المكثف مقابل الظروف المختلفة. قمت بتشغيل 4.7 مكثفات سيراميك microfarad من خلالها لأحجام مختلفة و الفولطية المقدرة. في الشكل 1 يظهر الرسوم البيانية التي تم إنشاؤها موراتا. تم أخذ المكثفات X5R و X7R بأحجام من 0603 إلى 1812 للجهد من 6.3 إلى 25 فولت.

الشكل 1. التغيير في السعة اعتمادًا على الجهد المطبق للمكثفات المحددة.

يرجى ملاحظة أنه أولاً ، مع زيادة الحجم ، ينخفض التغيير في السعة اعتمادًا على الجهد المطبق والعكس صحيح.

النقطة الثانية المثيرة للاهتمام هي أنه على عكس نوع العازل والحجم ، لا يبدو أن الجهد المقنن يؤثر على أي شيء. أتوقع مكثف 25V بجهد 12 فولت لتغيير سعته أقل من مكثف 16V عند نفس الجهد. بالنظر إلى الرسم البياني لـ X5R لحجم الإطار 1206 ، نرى أن المكثف 6.3V يعمل في الواقع بشكل أفضل من أقاربه عند جهد مقنن أعلى.

إذا أخذنا مجموعة أكبر من المكثفات ، فسوف نرى أن هذا السلوك هو سمة مميزة لجميع المكثفات الخزفية ككل.

الملاحظة الثالثة هي أن X7R بنفس الحجم لديه حساسية أقل لتغيرات الجهد من X5R. لا أعرف مدى عالمية هذه القاعدة ، ولكنها في حالتي هي.

باستخدام بيانات الرسوم البيانية ، نصنعهاالجدول 2 ، يوضح مدى انخفاض سعة المكثفات X7R عند 12V.

الجدول 2. تقليل سعة المكثفات X7R بأحجام مختلفة بجهد 12 فولت.

بحجم	السعة ، microfarad	٪ من القيمة الاسمية
0805	1،53	32.6
1206	3.43	73.0
1210	4.16	88.5
1812	4.18	88.9
قيمة الوجه	4.7	100

نرى تحسنًا مطردًا في الوضع حيث يزداد حجم الحالة حتى نصل إلى الحجم 1210. ولم تعد الزيادة في الحالة منطقية.

في حالتي ، اخترت أصغر حجم مكون ممكن ، لأن هذه المعلمة كانت حاسمة لمشروعي. في جهلي ، اعتقدت أن أي مكثف X7R سيعمل تمامًا مثل آخر مع نفس العازل - وكان خطأ. لكي تعمل سلسلة RC بشكل صحيح ، كان علي أخذ مكثف من نفس التصنيف ، ولكن في حالة أكبر.

اختيار المكثف المناسب

لم أكن أرغب في استخدام مكثف بحجم 1210. لحسن الحظ ، أتيحت لي الفرصة لزيادة مقاومة المقاومات بمقدار خمس مرات ، مع تقليل السعة إلى 1uF. تظهر الرسوم البيانية في الشكل 2 سلوك مختلف المكثفات X7R من 1 μF عند 16V مقارنة بنظرائهم X7R 4.7 μF عند 16V.

الشكل 2. سلوك المكثفات المختلفة في 1uF و 4.7uF.

يتصرف المكثف 0603 1uF مثل 0805 4.7uF. مجتمعة ، 0805 و 1206 لكل 1 ميكروفاراد يشعرون بأنهم أفضل من 4.7 ميكروفاراد من حجم الإطار 1210. باستخدام مكثف ميكروفاراد واحد في حزمة 0805 ، يمكنني الحفاظ على متطلبات حجم المكونات ، بينما تلقيت في نفس الوقت 85٪ من السعة الأولية ، وليس 30٪ ، كما كان في وقت سابق.

لكن هذا ليس كل شيء. كنت في حيرة شديدة ، لأنني اعتقدت أن جميع المكثفات X7Rيجب أن يكون لها معاملات مماثلة لتغيير السعة من الجهد ، حيث أن جميعها مصنوعة على نفس العازل - وهي X7R. اتصلت بزميل - متخصص في المكثفات الخزفية ¹ . وأوضح أن هناك العديد من المواد التي تصنف على أنها "X7R". في الواقع ، أي مادة تسمح للمكون بالعمل في نطاق درجة الحرارة من -55 درجة مئوية إلى + 125 درجة مئوية مع تغيير في خصائص لا تزيد عن ± 15٪ يمكن أن يطلق عليها "X7R". وقال أيضا أنه لا توجد مواصفات لمعامل تغيير السعة من الجهد إما X7R أو أي أنواع أخرى.

هذه نقطة مهمة جدا ، وسأكررها. قد تستدعي الشركة المصنعة المكثف X7R (أو X5R ، أو أي شيء آخر) طالما أنها تلبي التحمل لمعامل درجة الحرارة للسعة. بغض النظر عن مدى سوء معامل الجهد.

بالنسبة لمهندس تطوير ، فإن هذه الحقيقة تعمل على تحديث النكتة القديمة فقط - "أي مهندس متمرس يعرف: قراءة ورقة البيانات!"

يطلق المصنعون مكونات أصغر بشكل متزايد ، ويضطرون إلى البحث عن مواد وسط. من أجل توفير مؤشرات الأبعاد السعوية اللازمة ، يجب عليهم تحطيم معاملات الجهد. بالطبع ، يبذل المزيد من الشركات المصنعة ذات السمعة الطيبة كل ما هو ممكن لتقليل الآثار السلبية لهذه التسوية.

ماذا عن النوع Y5V الذي أسقطته على الفور؟ لإجراء فحص في الرأس ، دعنا ننظر إلى مكثف Y5V التقليدي. لن أسلط الضوء على أي مصنع محدد لهذه المكثفات - كلها متشابهة تقريبًا. نختار 4.7 microfarads لكل 6.3V في حزمة 0603 ، ونلقي نظرة على معلماتها عند درجة حرارة + 85 درجة مئوية والجهد 5 فولت. السعة النموذجية أقل بنسبة 92.3٪ من القيمة الاسمية ، أو 0.33 فائق التوهج. هذا صحيح. من خلال ربط 5V بهذا المكثف ، نحصل على انخفاض في السعة 14 مرة مقارنة بالقيمة الاسمية.

عند درجة حرارة + 85 درجة مئوية وجهد 0 فولت ، تنخفض السعة بنسبة 68.14٪ ، من 4.7 درجة فهرنهايت إلى 1.5 درجة فهرنهايت. يمكن افتراض أنه بتطبيق 5V نحصل على مزيد من الانخفاض في السعة - من 0.33 درجة فهرنهايت إلى 0.11 درجة فهرنهايت. لحسن الحظ ، لا يتم الجمع بين هذه الآثار. انخفاض السعة عند 5 فولت عند درجة حرارة الغرفة أسوأ بكثير من + 85 درجة مئوية.

للتوضيح ، في هذه الحالة ، عند جهد 0 فولت ، تنخفض السعة من 4.7 درجة فهرنهايت إلى 1.5 درجة فهرنهايت عند + 85 درجة مئوية ، بينما عند الجهد 5 فولت ، تزداد السعة من 0.33 درجة فهرنهايت عند درجة حرارة الغرفة ، إلى 0.39 درجة فهرنهايت عند + 85 درجة مئوية. هذا يجب أن يقنعك بالتحقق بعناية من جميع مواصفات المكونات التي تستخدمها.

استنتاج

نتيجة لهذا الدرس ، لم أعد أشير ببساطة إلى النوعين X7R أو X5R للزملاء أو الموردين. بدلاً من ذلك ، أشير إلى مجموعات محددة من الموردين المحددين الذين قمت باختبارهم بنفسي. كما أحذر العملاء من التحقق من المواصفات عند التفكير في موردين بديلين للإنتاج للتأكد من عدم تعرضهم لهذه المشكلات.

الاستنتاج الرئيسي من هذه القصة بأكملها ، كما توقعت على الأرجح ، هو: "قراءة أوراق البيانات!". دائما. بدون استثناءات. اطلب المزيد من البيانات إذا كانت ورقة البيانات لا تحتوي على معلومات كافية. تذكر أن تعيينات المكثفات الخزفية هي X7V ، Y5V ، إلخ. لا تقل شيئًا عن معاملات الجهد الخاصة بهم. يجب على المهندسين التحقق مرة أخرى من البيانات لمعرفة ، لمعرفة حقًا كيف ستتصرف المكثفات المستخدمة في الظروف الحقيقية. بشكل عام ، ضع في اعتبارك ، في سباقنا المجنون لأبعاد أصغر وأصغر ، أصبحت هذه لحظة متزايدة الأهمية كل يوم.

نبذة عن الكاتب

قضى مارك فورتوناتو معظم حياته محاولاً جعل هذه الإلكترونات السيئة في المكان المناسب في الوقت المناسب. لقد عمل على أشياء مختلفة - من أنظمة التعرف على الكلام ومعدات الميكروويف ، إلى مصابيح LED (تلك التي يتم تنظيمها بشكل صحيح ، ضع في اعتبارك!). أمضى السنوات الـ 16 الماضية في مساعدة العملاء على ترويض دوائرهم التناظرية. السيد Fortunato هو الآن متخصص رائد في Maxim Integrated Communications و Automotive Solutions. عندما لا يرعى الإلكترونات ، يحب مارك تدريب الشباب وقراءة الصحافة ومشاهدة ابنه الأصغر يلعب اللاكروس ، والابن الأكبر يعزف الموسيقى. بشكل عام ، يسعى للعيش في وئام. يؤسف مارك جدًا أنه لن يلتقي بعد الآن بجيم ويليامز أو بوب بيز.

الحواشي

¹ يود المؤلف أن يشكر كريس بوركيت ، مهندس تطبيقات TDK على شرحه "ما الذي يحدث هنا بحق الجحيم".

موراتا هي علامة تجارية مسجلة لشركة موراتا للتصنيع المحدودة.

TDK هي علامة خدمة مسجلة وعلامة تجارية مسجلة لشركة TDK Corporation.

PS بناء على طلب العمال - صورة مقارنة للمكثفات بأحجام مختلفة. 5 ملم الملعب مش.