Changer la capacité des condensateurs en céramique de la température et de la tension, ou comment votre condensateur de 4,7 μF se transforme en 0,33 μF

Introduction: j'étais perplexe.

Il y a quelques années, après plus de 25 ans de travail avec ces choses, j'ai appris quelque chose de nouveau sur les condensateurs en céramique. En travaillant sur le pilote de lampe LED, j'ai constaté que la constante de temps de la chaîne RC dans mon circuit ne ressemble pas beaucoup à celle calculée.

En supposant que les mauvais composants ont été soudés à la carte, j'ai mesuré la résistance des deux résistances constituant le diviseur de tension - elles étaient très précises. Ensuite, le condensateur a été soudé - c'était aussi magnifique. Juste pour être sûr, j'ai pris de nouvelles résistances et un condensateur, les ai mesurées et soudées. Après cela, j'ai allumé le circuit, vérifié les principaux indicateurs et je m'attendais à voir que mon problème avec la chaîne RC était résolu ... Si seulement.

J'ai testé le circuit dans son environnement naturel: dans le boîtier, qui à son tour a été gainé par lui-même pour simuler le boîtier d'un plafonnier. La température des composants à certains endroits a atteint plus de 100 ° C. Pour être sûr, et pour rafraîchir ma mémoire, j'ai relu la fiche technique des condensateurs utilisés. C'est ainsi que j'ai commencé à repenser les condensateurs céramiques.

Informations de référence sur les principaux types de condensateurs céramiques.

Pour ceux qui ne s'en souviennent pas (comme presque tout le monde), le tableau 1 montre l'étiquetage des principaux types de condensateurs et sa signification. Ce tableau décrit les condensateurs des deuxième et troisième classes . Sans entrer dans les détails, les condensateurs de première classe sont généralement fabriqués sur un diélectrique tel que C0G (NP0).

Tableau 1.

Température de fonctionnement plus basse				(.)
	(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

Parmi les éléments ci-dessus sur mon chemin de vie, j'ai rencontré le plus souvent des condensateurs tels que X5R, X7R et Y5V. Je n'ai jamais utilisé de condensateurs comme le Y5V en raison de leur sensibilité extrêmement élevée aux influences externes.

Lorsqu'un fabricant de condensateur développe un nouveau produit, il sélectionne le diélectrique de sorte que la capacité du condensateur ne change pas plus que certaines limites dans une certaine plage de températures. Les condensateurs X7R que j'utilise ne devraient pas changer leur capacité de plus de ± 15% (troisième caractère) lorsque la température passe de -55ºC (premier caractère) à + 125ºC (deuxième caractère). Donc soit j'ai un mauvais match, soit quelque chose d'autre se passe dans mon plan.

Tous les X7R ne sont pas créés de la même manière.

Comme le changement dans la constante de temps de ma chaîne RC était beaucoup plus important que ce qui pouvait être expliqué par le coefficient de température de la capacité, j'ai dû creuser plus profondément. En regardant combien la capacité de mon condensateur s'est éloignée de la tension qui lui était appliquée, j'ai été très surpris. Le résultat était très loin de la valeur nominale qui a été soudée. J'ai pris un condensateur 16V pour travailler dans un circuit 12V. Datashit a déclaré que mes 4,7 microfarads se convertissaient en 1,5 microfarads dans de telles conditions. Cela a expliqué mon problème.

Datashit a également déclaré que si vous augmentez uniquement la taille de 0805 à 1206, la capacité résultante dans les mêmes conditions sera déjà de 3,4 microfarads! Ce moment a nécessité un examen plus approfondi.

J'ai trouvé que les sites Murata® et TDK® ont des outils sympas pour tracer la capacité du condensateur en fonction de diverses conditions. J'ai fait passer 4,7 condensateurs en céramique microfarad à travers eux pour différentes tailles et tensions nominales. Sur la figure 1 montre des graphiques construits Murata. Les condensateurs X5R et X7R ont été pris dans des tailles de 0603 à 1812 pour une tension de 6,3 à 25 V.

Figure 1. Le changement de capacité en fonction de la tension appliquée pour les condensateurs sélectionnés.


Veuillez noter que tout d'abord, avec une augmentation de taille, le changement de capacité diminue en fonction de la tension appliquée, et inversement.

Le deuxième point intéressant est que, contrairement au type de diélectrique et à sa taille, la tension nominale ne semble rien affecter. Je m'attendrais à ce qu'un condensateur de 25 V à une tension de 12 V change moins sa capacité qu'un condensateur de 16 V à la même tension. En regardant le graphique du X5R de la taille de trame 1206, nous voyons que le condensateur 6,3 V se comporte en fait mieux que ses parents à une tension nominale plus élevée.

Si nous prenons une gamme plus large de condensateurs, nous verrons que ce comportement est caractéristique de tous les condensateurs céramiques dans leur ensemble.

La troisième observation est que le X7R de même taille a moins de sensibilité aux changements de tension que le X5R. Je ne sais pas à quel point cette règle est universelle, mais dans mon cas, elle l'est.

En utilisant les données des graphiques, nous faisonsle tableau 2 , montrant à quel point la capacité des condensateurs X7R diminue à 12V.

Tableau 2. Réduction de la capacité des condensateurs X7R de différentes tailles à une tension de 12V.

Taille	Capacitance, microfarad	% de la valeur nominale
0805	1,53	32,6
1206	3,43	73,0
1210	4.16	88,5
1812	4.18	88,9
Valeur nominale	4.7	100

Nous constatons une amélioration constante de la situation à mesure que la taille du boîtier augmente jusqu'à atteindre la taille 1210. Une nouvelle augmentation du boîtier n'a plus de sens.

Dans mon cas, j'ai choisi la plus petite taille de composant possible, car ce paramètre était critique pour mon projet. Dans mon ignorance, je pensais que tout condensateur X7R fonctionnerait aussi bien qu'un autre avec le même diélectrique - et c'était faux. Pour que la chaîne RC fonctionne correctement, j'ai dû prendre un condensateur de même valeur, mais dans un boîtier plus grand.

Choisir le bon condensateur

Je ne voulais vraiment pas utiliser un condensateur de taille 1210. Heureusement, j'ai eu l'opportunité d'augmenter la résistance des résistances de cinq fois, tout en réduisant la capacité à 1uF. Les graphiques de la figure 2 montrent le comportement de divers condensateurs X7R de 1 μF à 16 V par rapport à leurs homologues X7R 4,7 μF à 16 V.

Figure 2. Le comportement de divers condensateurs à 1 uF et 4,7 uF.


Le condensateur 0603 1uF se comporte comme le 0805 4.7uF. Pris ensemble, 0805 et 1206 pour 1 microfarad se sentent mieux que 4,7 microfarad de taille de trame 1210. En utilisant un condensateur de 1 microfarad dans le boîtier 0805, je pouvais maintenir les exigences de taille des composants, alors qu'en même temps j'ai reçu 85% de la capacité initiale, et non 30%, comme était plus tôt.

Mais ce n'est pas tout. J'étais assez perplexe, car je pensais que tous les condensateurs X7Rdevrait avoir des coefficients similaires pour changer la capacité de la tension, car tous sont fabriqués sur le même diélectrique - à savoir, X7R. J'ai contacté un collègue - un spécialiste des condensateurs céramiques ¹ . Il a expliqué qu'il existe de nombreux matériaux qualifiés de «X7R». En fait, tout matériau qui permet au composant de fonctionner dans la plage de température de -55ºC à + 125ºC avec un changement de caractéristiques ne dépassant pas ± 15% peut être appelé «X7R». Il a également déclaré qu'il n'y avait pas de spécifications pour le coefficient de variation de la capacité de la tension pour le X7R ou tout autre type.

C'est un point très important et je le répéterai. Le fabricant peut appeler le condensateur X7R (ou X5R, ou quelque chose d'autre) tant qu'il respecte les tolérances pour le coefficient de température de capacité. Quelle que soit la gravité de son coefficient de tension.

Pour un ingénieur en développement, ce fait ne fait que rafraîchir la vieille blague - "tout ingénieur expérimenté sait: lisez la fiche technique!"

Les fabricants lancent des composants de plus en plus petits et sont contraints de rechercher des matériaux de compromis. Afin de fournir les indicateurs capacitifs dimensionnels nécessaires, ils doivent dégrader les coefficients de tension. Bien sûr, des fabricants plus réputés font tout leur possible pour minimiser les effets négatifs de ce compromis.

Qu'en est-il du type Y5V que j'ai immédiatement abandonné? Pour un contrôle dans la tête, regardons un condensateur Y5V conventionnel. Je ne soulignerai aucun fabricant spécifique de ces condensateurs - tous sont à peu près les mêmes. Nous sélectionnons 4,7 microfarads par 6,3 V dans le boîtier 0603 et examinons ses paramètres à une température de + 85 ° C et à une tension de 5 V. La capacité typique est de 92,3% inférieure à la valeur nominale, ou 0,33 uF. C'est vrai. En attachant 5V à ce condensateur, nous obtenons une baisse de capacité de 14 fois par rapport au nominal.

À une température de + 85 ° C et une tension de 0 V, la capacité diminue de 68,14%, de 4,7 μF à 1,5 μF. On peut supposer qu'en appliquant 5 V, nous obtenons une diminution supplémentaire de la capacité - de 0,33 μF à 0,11 μF. Heureusement, ces effets ne sont pas combinés. Une diminution de la capacité à 5 V à température ambiante est bien pire qu'à + 85 ° C.

Pour plus de clarté, dans ce cas, à une tension de 0 V, la capacité passe de 4,7 μF à 1,5 μF à + 85 ° C, tandis qu'à une tension de 5 V, la capacité augmente de 0,33 μF à température ambiante, à 0,39 μF à + 85 ° C. Cela devrait vous convaincre de vérifier attentivement toutes les spécifications des composants que vous utilisez.

Conclusion

À la suite de cette leçon, je n'indique plus simplement les types X7R ou X5R à des collègues ou des fournisseurs. Au lieu de cela, j'indique des lots spécifiques de fournisseurs spécifiques que j'ai moi-même testés. Je préviens également les clients de vérifier les spécifications lorsqu'ils envisagent des fournisseurs alternatifs pour la production afin de s'assurer qu'ils ne rencontrent pas ces problèmes.

La conclusion principale de toute cette histoire, comme vous l'avez probablement deviné, est: «lisez les fiches techniques!». Est toujours. Sans aucune exception. Demandez plus de données si la fiche technique ne contient pas suffisamment d'informations. N'oubliez pas que les désignations des condensateurs céramiques sont X7V, Y5V, etc. ne disent absolument rien de leurs coefficients de tension. Les ingénieurs doivent revérifier les données pour savoir, pour vraiment savoir comment les condensateurs utilisés se comporteront en conditions réelles. En général, gardez à l'esprit, dans notre course folle pour des dimensions de plus en plus petites, cela devient chaque jour un moment de plus en plus important.

A propos de l'auteur

Mark Fortunato a passé la majeure partie de sa vie à essayer de mettre ces méchants électrons au bon endroit au bon moment. Il a travaillé sur diverses choses - des systèmes de reconnaissance vocale et des équipements micro-ondes aux lampes LED (celles qui sont correctement réglées, faites attention!). Il a passé les 16 dernières années à aider les clients à apprivoiser leurs circuits analogiques. M. Fortunato est maintenant l'un des principaux spécialistes de Maxim Integrated Communications and Automotive Solutions. Lorsqu'il ne broute pas les électrons, Mark aime former les jeunes, lire le journalisme, regarder son plus jeune fils jouer à la crosse et le fils aîné joue de la musique. En général, il cherche à vivre en harmonie. Mark est vraiment désolé de ne plus rencontrer Jim Williams ou Bob Pease.

Notes de bas de page

¹ L'auteur tient à remercier Chris Burkett, ingénieur d'application TDK pour son explication de «ce qui se passe ici.»

Murata est une marque déposée de Murata Manufacturing Co., Ltd.

TDK est une marque de service déposée et une marque déposée de TDK Corporation.

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PS À la demande des travailleurs - une photo comparative de condensateurs de différentes tailles. Pas de maille de 5 mm.

Source: https://habr.com/ru/post/fr384833/