Ändern der Kapazität von Keramikkondensatoren von Temperatur und Spannung oder wie sich Ihr 4,7 μF-Kondensator in 0,33 μF verwandelt

Einleitung: Ich war verwirrt.

Vor einigen Jahren, nach mehr als 25 Jahren Arbeit mit diesen Dingen, habe ich etwas Neues über Keramikkondensatoren gelernt. Während der Arbeit am LED-Lampentreiber stellte ich fest, dass die Zeitkonstante der RC-Kette in meiner Schaltung nicht der berechneten entspricht.

Unter der Annahme, dass die falschen Komponenten auf die Platine gelötet wurden, habe ich den Widerstand der beiden Widerstände gemessen, aus denen der Spannungsteiler besteht - sie waren sehr genau. Dann wurde der Kondensator gelötet - es war auch großartig. Um sicherzugehen, nahm ich neue Widerstände und einen Kondensator, maß sie und löte sie zurück. Danach schaltete ich die Schaltung ein, überprüfte die Hauptanzeigen und erwartete, dass mein Problem mit der RC-Kette gelöst war ... Wenn nur.

Ich habe die Schaltung in ihrer natürlichen Umgebung getestet: im Gehäuse, das wiederum von selbst ummantelt wurde, um das Gehäuse einer Deckenleuchte zu simulieren. Die Temperatur der Komponenten erreichte an einigen Stellen mehr als 100 ° C. Um sicherzugehen und mein Gedächtnis aufzufrischen, habe ich das Datenblatt der verwendeten Kondensatoren erneut gelesen. So begann mein Umdenken bei Keramikkondensatoren.

Referenzinformationen zu den Haupttypen von Keramikkondensatoren.

Für diejenigen, die sich nicht daran erinnern (wie fast alle), zeigt Tabelle 1 die Kennzeichnung der Haupttypen von Kondensatoren und ihre Bedeutung. Diese Tabelle beschreibt die Kondensatoren der zweiten und dritten Klasse . Ohne auf Details einzugehen, werden erstklassige Kondensatoren normalerweise auf einem Dielektrikum wie C0G (NP0) hergestellt.

Tabelle 1.

Niedrigere Betriebstemperatur				(.)
	(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

Von den oben genannten auf meinem Lebensweg stieß ich am häufigsten auf Kondensatoren wie X5R, X7R und Y5V. Ich habe nie Kondensatoren wie Y5V verwendet, weil sie extrem empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen sind.

Wenn ein Kondensatorhersteller ein neues Produkt entwickelt, wählt er das Dielektrikum so aus, dass sich die Kapazität des Kondensators in einem bestimmten Temperaturbereich nicht mehr als bestimmte Grenzen ändert. Die von mir verwendeten X7R-Kondensatoren sollten ihre Kapazität nicht um mehr als ± 15% (drittes Zeichen) ändern, wenn sich die Temperatur von -55 ° C (erstes Zeichen) auf + 125 ° C (zweites Zeichen) ändert. Entweder habe ich ein schlechtes Spiel oder es passiert etwas anderes in meinem Schema.

Nicht alle X7Rs sind gleich.

Da die Änderung der Zeitkonstante meiner RC-Kette viel größer war als durch den Temperaturkoeffizienten der Kapazität erklärt werden konnte, musste ich tiefer graben. Als ich sah, wie stark die Kapazität meines Kondensators von der an ihn angelegten Spannung abschwamm, war ich sehr überrascht. Das Ergebnis war sehr weit von dem gelöteten Nennwert entfernt. Ich nahm einen 16-V-Kondensator, um in einem 12-V-Stromkreis zu arbeiten. Datashit sagte, dass meine 4,7 Mikrofarad unter solchen Bedingungen in 1,5 Mikrofarad umgewandelt werden. Dies erklärte mein Problem.

Datashit sagte auch, dass, wenn Sie nur die Größe von 0805 auf 1206 erhöhen, die resultierende Kapazität unter den gleichen Bedingungen bereits 3,4 Mikrofarad beträgt! Dieser Moment erforderte einen genaueren Blick.

Ich fand heraus, dass die Murata®- und TDK®-Standorte über coole Tools zum Auftragen der Kondensatorkapazität unter verschiedenen Bedingungen verfügen. Ich habe 4,7 Mikrofarad-Keramikkondensatoren für verschiedene Größen und Nennspannungen durchlaufen lassen. In Abbildung 1 sind Diagramme von Murata dargestellt. Die Kondensatoren X5R und X7R wurden in Größen von 0603 bis 1812 für eine Spannung von 6,3 bis 25 V aufgenommen.

Abbildung 1. Die Änderung der Kapazität in Abhängigkeit von der angelegten Spannung für die ausgewählten Kondensatoren.


Bitte beachten Sie, dass erstens mit zunehmender Größe die Änderung der Kapazität in Abhängigkeit von der angelegten Spannung abnimmt und umgekehrt.

Der zweite interessante Punkt ist, dass die Nennspannung im Gegensatz zur Art des Dielektrikums und der Größe nichts zu beeinflussen scheint. Ich würde erwarten, dass ein 25-V-Kondensator bei einer 12-V-Spannung seine Kapazität weniger ändert als ein 16-V-Kondensator bei derselben Spannung. Wenn wir uns die Grafik für den X5R mit der Baugröße 1206 ansehen, sehen wir, dass sich der 6,3-V-Kondensator bei einer höheren Nennspannung tatsächlich besser verhält als seine Verwandten.

Wenn wir einen größeren Bereich von Kondensatoren verwenden, werden wir feststellen, dass dieses Verhalten für alle Keramikkondensatoren insgesamt charakteristisch ist.

Die dritte Beobachtung ist, dass der X7R mit der gleichen Größe weniger empfindlich gegenüber Spannungsänderungen ist als der X5R. Ich weiß nicht, wie universell diese Regel ist, aber in meinem Fall ist es.

Mit den Daten der Graphen machen wirTabelle 2 zeigt, um wie viel die Kapazität von X7R-Kondensatoren bei 12 V abnimmt.

Tabelle 2. Reduzierung der Kapazität von X7R-Kondensatoren unterschiedlicher Größe bei einer Spannung von 12 V.

Größe	Kapazität, Mikrofarad	% des Nennwerts
0805	1,53	32.6
1206	3.43	73,0
1210	4.16	88,5
1812	4.18	88,9
Nennwert	4.7	100

Wir sehen eine stetige Verbesserung der Situation, wenn die Größe des Falles zunimmt, bis wir die Größe 1210 erreichen. Eine weitere Zunahme des Falles ist nicht mehr sinnvoll.

In meinem Fall habe ich die kleinstmögliche Komponentengröße gewählt, da dieser Parameter für mein Projekt entscheidend war. In meiner Unwissenheit glaubte ich, dass jeder X7R-Kondensator genauso gut funktionieren würde wie ein anderer mit demselben Dielektrikum - und war falsch. Damit die RC-Kette richtig funktioniert, musste ich einen Kondensator mit der gleichen Leistung verwenden, aber in einem größeren Fall.

Auswahl des richtigen Kondensators

Ich wollte wirklich keinen Kondensator der Größe 1210 verwenden. Glücklicherweise hatte ich die Möglichkeit, den Widerstand der Widerstände um das Fünffache zu erhöhen und gleichzeitig die Kapazität auf 1 uF zu reduzieren. Die Grafiken in Abbildung 2 zeigen das Verhalten verschiedener X7R-Kondensatoren von 1 μF bei 16 V im Vergleich zu ihren Gegenstücken X7R 4,7 μF bei 16 V.

Abbildung 2. Das Verhalten verschiedener Kondensatoren bei 1uF und 4,7uF.


Der Kondensator 0603 1uF verhält sich genauso wie 0805 4.7uF. Zusammengenommen fühlen sich 0805 und 1206 pro 1 Mikrofarad besser an als 4,7 Mikrofarad der Baugröße 1210. Mit einem 1-Mikrofarad-Kondensator im 0805-Gehäuse konnte ich die Anforderungen für Komponentengrößen beibehalten, während ich gleichzeitig 85% der ursprünglichen Kapazität und nicht 30% als erhielt war früher.

Aber das ist nicht alles. Ich war ziemlich verwirrt, denn ich dachte, dass alle X7R-Kondensatorensollten ähnliche Koeffizienten für die Änderung der Kapazität von der Spannung haben, da alle auf demselben Dielektrikum hergestellt sind - nämlich X7R. Ich habe einen Kollegen kontaktiert - einen Spezialisten für Keramikkondensatoren ¹ . Er erklärte, dass es viele Materialien gibt, die als „X7R“ qualifiziert sind. Tatsächlich kann jedes Material, das es dem Bauteil ermöglicht, im Temperaturbereich von -55 ° C bis + 125 ° C mit einer Änderung der Eigenschaften von nicht mehr als ± 15% zu arbeiten, als „X7R“ bezeichnet werden. Er sagte auch, dass es weder für den X7R noch für andere Typen Spezifikationen für den Kapazitätsänderungskoeffizienten von der Spannung gibt.

Dies ist ein sehr wichtiger Punkt, und ich werde ihn wiederholen. Der Hersteller kann den Kondensator X7R (oder X5R oder etwas anderes) nennen, solange er die Toleranzen für den Temperaturkoeffizienten der Kapazität erfüllt. Unabhängig davon, wie schlecht sein Spannungskoeffizient ist.

Für einen Entwicklungsingenieur erfrischt diese Tatsache nur den alten Witz: „Jeder erfahrene Ingenieur weiß: Lesen Sie das Datenblatt!“

Die Hersteller geben immer kleinere Komponenten heraus und sind gezwungen, nach Kompromissmaterialien zu suchen. Um die notwendigen kapazitiv-dimensionalen Indikatoren bereitzustellen, müssen sie die Spannungskoeffizienten verschlechtern. Natürlich tun seriösere Hersteller alles, um die nachteiligen Auswirkungen dieses Kompromisses zu minimieren.

Was ist mit dem Typ Y5V, den ich sofort fallen ließ? Schauen wir uns zur Überprüfung des Kopfes einen herkömmlichen Y5V-Kondensator an. Ich werde keinen bestimmten Hersteller dieser Kondensatoren hervorheben - alle sind ungefähr gleich. Wir wählen 4,7 Mikrofarad pro 6,3 V im 0603-Paket aus und betrachten die Parameter bei einer Temperatur von + 85 ° C und einer Spannung von 5 V. Die typische Kapazität liegt um 92,3% unter dem Nennwert oder 0,33 uF. Ist das so. Durch Anschließen von 5 V an diesen Kondensator ergibt sich ein Kapazitätsabfall von 14 gegenüber dem Nennwert.

Bei einer Temperatur von + 85ºC und einer Spannung von 0 V nimmt die Kapazität um 68,14% von 4,7 uF auf 1,5 uF ab. Es ist davon auszugehen, dass durch Anlegen von 5 V die Kapazität weiter abnimmt - von 0,33 μF auf 0,11 μF. Glücklicherweise werden diese Effekte nicht kombiniert. Eine Abnahme der Kapazität bei 5 V bei Raumtemperatur ist viel schlimmer als bei + 85 ° C.

Aus Gründen der Klarheit fällt in diesem Fall bei einer Spannung von 0 V die Kapazität von 4,7 μF auf 1,5 μF bei + 85 ° C ab, während bei einer Spannung von 5 V die Kapazität von 0,33 μF bei Raumtemperatur auf 0,39 μF bei + 85 ° C ansteigt. Dies sollte Sie überzeugen, alle Spezifikationen der von Ihnen verwendeten Komponenten wirklich sorgfältig zu überprüfen.

Fazit

Als Ergebnis dieser Lektion gebe ich Kollegen oder Lieferanten nicht mehr nur die Typen X7R oder X5R an. Stattdessen gebe ich bestimmte Chargen bestimmter Lieferanten an, die ich selbst getestet habe. Ich warne Kunden auch davor, die Spezifikationen zu überprüfen, wenn sie alternative Lieferanten für die Produktion in Betracht ziehen, um sicherzustellen, dass sie nicht auf diese Probleme stoßen.

Die wichtigste Schlussfolgerung aus dieser ganzen Geschichte lautet, wie Sie wahrscheinlich vermutet haben: „Datenblätter lesen!“. Ist immer. Ohne Ausnahmen. Fordern Sie weitere Daten an, wenn das Datenblatt nicht genügend Informationen enthält. Denken Sie daran, dass die Bezeichnungen von Keramikkondensatoren X7V, Y5V usw. sind. sagen Sie absolut nichts über ihre Spannungskoeffizienten. Ingenieure müssen die Daten überprüfen, um zu wissen, wie sich die verwendeten Kondensatoren unter realen Bedingungen verhalten. Denken Sie im Allgemeinen daran, dass dies in unserem verrückten Wettlauf um immer kleinere Dimensionen von Tag zu Tag wichtiger wird.

Über den Autor

Mark Fortunato verbrachte den größten Teil seines Lebens damit, diese fiesen Elektronen zur richtigen Zeit am richtigen Ort zu haben. Er arbeitete an verschiedenen Dingen - von Spracherkennungssystemen und Mikrowellengeräten bis hin zu LED-Lampen (die korrekt reguliert sind, wohlgemerkt!). In den letzten 16 Jahren half er Kunden, ihre analogen Schaltkreise zu zähmen. Herr Fortunato ist heute ein führender Spezialist bei Maxim Integrated Communications und Automotive Solutions. Wenn er keine Elektronen weidet, liebt Mark es, junge Leute auszubilden, Journalismus zu lesen, seinem jüngsten Sohn beim Lacrosse-Spielen zuzusehen, und der älteste Sohn spielt Musik. Im Allgemeinen versucht er, in Harmonie zu leben. Mark tut es sehr leid, dass er sich nicht mehr mit Jim Williams oder Bob Pease treffen wird.

Fußnoten

¹ Der Autor möchte Chris Burkett, TDK Application Engineer, für seine Erklärung danken, „was zum Teufel hier los ist“.

Murata ist eine eingetragene Marke von Murata Manufacturing Co., Ltd.

TDK ist eine eingetragene Dienstleistungsmarke und eingetragene Marke der TDK Corporation.

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PS Auf Wunsch der Arbeiter - ein Vergleichsfoto von Kondensatoren unterschiedlicher Größe. 5mm Maschenabstand.

Source: https://habr.com/ru/post/de384833/