Kondensatory MLCC to podstawa układów zasilania – odpowiadają one za odsprzęganie i filtrację napięcia w niemal wszystkich układach analogowych i cyfrowych. W wielu projektach prototypowych (i nie tylko) BOM zawiera jedynie lakoniczne zapisy dotyczące pojemności i napięcia roboczego. O tym, dlaczego taki zapis to zdecydowanie za mało, można przekonać się zaglądając do not katalogowych kondensatorów ceramicznych.
Z jednej strony wszyscy znają zalety MLCC: oferują one dość niską rezystancję szeregową (ESR), małą indukcyjność pasożytniczą (ESL) i dużą pojemność w stosunku do wielkości obudowy. Wartość widoczna na schemacie nie mówi jednak, jaka pojemność pozostanie dostępna po przyłożeniu napięcia stałego czy po zmianie temperatury w rzeczywistym układzie. W dielektrykach klasy II znaczenie mają parametry, o których oznaczenia typu 1 μF, 50 V, 0402 nie mówi zbyt wiele.
Kod dielektryka – co oznaczają zapisy X7R, X5R czy Y5V?
Rodzaje charakterystyk temperaturowych dielektryków klasy II wg EIA są oznaczane w katalogach producentów za pomocą 3-znakowego kodu. Pierwszy znak określa minimalną temperaturę pracy, drugi temperaturę maksymalną, a trzeci dopuszczalną zmianę pojemności w tym zakresie.
Pozycja 1 oznacza temperaturę minimalną (Tmin), w której może pracować kondensator.
X: -55°CY: -30°CZ: +10°C
Pozycja 2 koduje wartość temperatury maksymalnej (Tmax).
4: +65°C5: +85°C6: +105°C7: +125°C8: +150°C9: +200°C
Pozycja 3 definiuje natomiast maksymalną względną zmianę pojemności odniesioną do wartości referencyjnej (zwykle wyznaczanej przy 25°C), w pelnym zakresie temperatury <Tmin, Tmax>.
P: ±10%R: ±15%S: ±22%T: +22% / -33%U: +22% / -56%V: +22% / -82%
Jak widać, zmiana pojemności w wyniku wahań temperatury może być znaczna. Nie wynika to z niskiej jakości kondensatorów, ale z fizycznych właściwości dielektryków ceramicznych na poziomie mikroskopowym. Jeżeli więc urządzenie może być w trakcie pracy narażone na skrajne warunki termiczne, lepiej jest wybierać kondensatory typu X6S (do +105°C) bądź X7R (do +125°C) – dotyczy to m.in. urządzeń przemysłowych bądź instalowanych na zewnątrz budynków. Wersje z dielektrykiem X5R można natomiast z powodzeniem stosować np. w części urządzeń konsumenckich, w których górna granica dopuszczalnej temperatury równa +85°C pozostawi sensowny margines bezpieczeństwa (nawet w skrajnych przewidywanych warunkach środowiskowych). Rzecz jasna zawsze trzeba wziąć pod uwagę nie tylko warunki otoczenia, ale także „mikroklimat” panujący wewnątrz obudowy – przykładowo w zasilaczach lub sterownikach silników można nierzadko spodziewać się znacznie wyższych temperatur z uwagi na straty w elementach dużej mocy.
Stabilność temperaturowa pojemności
W torach zasilania kondensatory z dielektrykiem X7R są zwykle najbardziej uniwersalnym kompromisem między pojemnością (w przeliczeniu na jednostkę objętości), a stabilnością. Kondensatory X5R zachowują te same granice ±15%, lecz w zakresie temperatur ograniczonym do +85°C. Z kolei elementy z dielektrykiem X6S lub X7T pozwalają przeważnie uzyskać nieco większe pojemności w małych obudowach, ale kosztem szerszego przedziału zmian pojemności. Zastosowania kondensatorów Y5V powinny być ograniczone do obwodów, w których pojemność nie wpływa w istotnym stopniu na stabilność regulatora, czas podtrzymania ani poziom tętnień – chyba że można z dużym prawdopodobieństwem przyjąć, iż elementy te nie będą pracowały w temperaturach istotnie różnych od pokojowej. Zaletą dielektryków Y5V i podobnych jest za to większa przenikalność dielektryczna w porównaniu do X5R czy X7R, co pozwala na daleko posuniętą miniaturyzację urządzeń pracujących w „przyjaznych” warunkach termicznych.
Spadek pojemności pod napięciem – efekt DC bias
Kondensatory X7R, X5R czy X6S bazują na materiałach o właściwościach ferroelektrycznych, które oferują wysoką przenikalność, ale także podatność na zmiany właściwości elektrycznych pod wpływem napięcia stałego. Pole elektryczne utrudnia odwracanie polaryzacji spontanicznej w domenach ferroelektrycznych, co obniża efektywną przenikalność dielektryka. W rezultacie pojemność kondensatora pod napięciem stałym może być znacznie mniejsza od wartości nominalnej. Pod względem stabilności pojemności w funkcji napięcia stałego (zwłaszcza w jego wyższych zakresach) najlepiej wypadają kondensatory X7R, nieco gorzej X5R, a za nimi plasują się kondensatory Y5V. Przypomnijmy jednak, że są to zależności typowe, a nie gwarantowane, gdyż kod dielektryka odnosi się formalnie tylko do charakterystyk termicznych.
Skala zjawiska zależy nie tylko od składu konkretnego dielektryka, ale także – pośrednio – od stosunku napięcia roboczego do znamionowego w danym układzie pracy. Rozmiar obudowy oraz pojemność znamionowa determinują bowiem grubość i liczbę zastosowanych warstw dielektryka. Mniejsza obudowa i większa pojemność zwykle wymagają cieńszych warstw, co zwiększa natężenie pola elektrycznego w objętości izolatora i nasila niepożądany efekt. Z tego powodu dwa pozornie identyczne (pod względem elektrycznym) kondensatory 4,7 µF / 16 V, wykonane z dielektryka X7R, mogą zachowywać się odmiennie.
Margines napięcia – wytrzymałość i pojemność efektywna
Margines napięcia trzeba rozpatrywać w dwóch niezależnych kategoriach. Pierwsza dotyczy niezawodności i wymaga uwzględnienia maksymalnego napięcia stałego, ewentualnych tętnień, przepięć oraz zaleceń producenta. Druga dotyczy zachowania wymaganej pojemności po uwzględnieniu efektu DC bias.
Nota katalogowa kondensatorów MLCC marki Akyga Passive przewiduje dla elementów o napięciu znamionowym do 50 V krótkotrwałą próbę wytrzymałości równą 250% napięcia znamionowego dla X7R, X5R, X6S, X7T i Y5V. Próba trwa 5 s, a warunkiem pozytywnego przejścia testu jest nieprzekroczenie prądu o wartości 50 mA – nie należy więc interpretować jej jako przyzwolenia na pracę powyżej wartości znamionowej. Wartości napięcia probierczego dla kondensatorów X7R i X7T zależą od napięcia znamionowego i wahają się od 200 do 120% wraz ze wzrostem napięcia znamionowego.
Warto w tym miejscu dodać, że – przykładowo – dobór kondensatora 25-woltowego do szyny 12 V zwykle poprawia zapas elektryczny i może ograniczyć efekt DC bias, lecz nie daje gwarancji mniejszego procentowego spadku pojemności niż w każdym kondensatorze 16-woltowym. Decydująca pozostaje charakterystyka konkretnego modelu katalogowego. W przypadku zastosowania kondensatorów w przetwornicach DC/DC należy sprawdzić minimalną pojemność efektywną przy maksymalnym napięciu i temperaturze, a następnie zestawić ją z zakresem wymaganym przez producenta kontrolera.
DF – straty dielektryczne
Współczynnik strat DF jest w przybliżeniu równy tangensowi kąta strat tan δ. Dla zastępczego modelu szeregowego reprezentującego kondensator można zapisać:
Mała wartość DF oznacza więc mniejsze straty przy wysokich prądach tętnień, a co się z tym wiąże, także mniejsze nagrzewanie. W katalogu Akyga Passive dla dielektryków X7R, X5R, X6S i X7T graniczne wartości DF zależą od obudowy, pojemności i napięcia znamionowego i typowo wynoszą 5-10%. Dla Y5V katalog dopuszcza wartości od 7% do 15%. Różnica jest wystarczająco duża, aby przy silnych tętnieniach wpływać na straty, temperaturę elementu czy impedancję filtru.
Podsumowanie
Kod dielektryka określa przede wszystkim zakres temperatury i dopuszczalną zmianę pojemności, lecz nie opisuje jednoznacznie całego zachowania kondensatora w układzie – choć pozwala z grubsza . Najchętniej stosowane w obwodach zasilania kondensatory X7R i X5R pozwalają uzyskać pojemności liczone w mikrofaradach, jednak wymagają obliczenia pojemności efektywnej w zależności od napięcia stałego oraz temperatury roboczej. Dielektryk Y5V oferuje dużą pojemność objętościową kosztem dużych wahań w funkcji temperatury, a także (przeważnie) większych strat. Ostateczna decyzja powinna zawsze wynikać z danych konkretnego elementu oraz warunków napięciowych i temperaturowych gotowego urządzenia. I – co ważne – powinna to być decyzja podjęta w pełni świadomie, a nie przypadkowy wybór pierwszego komponentu z katalogu, który odpowiada nam pod względem pojemności, rozmiaru i napięcia dopuszczalnego.
Sponsorem artykułu jest marka Akyga Components
Akyga Components oferuje szeroką gamę komponentów elektronicznych dla przemysłu i elektroniki użytkowej. Portfolio marki obejmuje baterie i akumulatory, półprzewodniki, komponenty pasywne oraz rozwiązania z zakresu zasilania i ochrony obwodów, znajdujące zastosowanie w automatyce, IoT, oświetleniu i systemach pomiarowych. Więcej informacji można znaleźć na stronie: www.akygacomponents.com
