Zaloguj się
Wszystkie
10 października 2025
15
Kondensator MLCC zbudowany jest z wielu naprzemiennie ułożonych warstw materiału ceramicznego (dielektryka) i wewnętrznych elektrod metalowych, które wyprowadzone są do zewnętrznych końcówek lutowniczych kondensatora. Dzięki takiej budowie uzyskuje się dużą pojemność w małej obudowie - kilkaset, a nawet tysiąc warstw może tworzyć jedną strukturę o wymiarach zewnętrznych rzędu ułamków milimetra. Na rysunku 1 pokazano schematycznie budowę typowego kondensatora wielowarstwowego.
Rodzaje dielektryków - wpływ temperatury
Z materiałowego punktu widzenia wyróżnia się tzw. klasy dielektryków ceramicznych. Kondensatory klasy I (np. C0G/NP0) bazują na materiałach o bardzo stabilnych parametrach, przy czym najczęściej stosowanym izolatorem jest CaZrO3 (cyrkonian wapnia). Minimalne zmiany pojemności pod wpływem temperatury czy pola elektrycznego (w wyniku braku domen ferroelektrycznych - dielektryki klasy I są paraelektrykami) sprawiają, że kondensatory te nie wprowadzają do sygnałów przemiennych zniekształceń spowodowanych histerezą. Mało tego - kolejną zaletą dielektryków klasy I jest praktycznie zerowy wpływ starzenia na wartość pojemności.
Czy są to zatem elementy idealne? Z punktu widzenia stabilności - jak najbardziej można je uznać za bliskie perfekcji. Niestety, dielektryki klasy I mają znikomą (w porównaniu do innych materiałów) przenikalność dielektryczną, przez co ich maksymalna pojemność jest mocno ograniczona. W katalogu jednego z największych na świecie dostawców komponentów elektronicznych można wprawdzie znaleźć kondensatory MLCC typu C0G o pojemności np. 470 nF, jednak ich rozmiar (wyrażony w systemie calowym) to aż… 2220 (długość 5,7 mm, szerokość 5,0 mm). Cena takich elementów także nie jest niska, zwłaszcza w porównaniu do typowych, tanich kondensatorów, które przy większych zakupach kosztują co najwyżej kilka groszy - tutaj trzeba się bowiem liczyć z cenami rzędu 10...30 zł/sztukę i to przy zamówieniach hurtowych. Na szczęście w praktyce dość rzadko zdarzają się sytuacje, by ultrastabilny kondensator o tak wysokiej pojemności rzeczywiście był potrzebny - przeważnie kondensatory z dielektrykiem klasy I są stosowane w obwodach radiowych (dopasowanie impedancji, filtry, sprzęganie), a także np. w oscylatorach kwarcowych. Elementy o pojemności rzędu pikofaradów są na szczęście nieporównanie tańsze i w dodatku łatwo dostępne, także w małych rozmiarach (w tym 0402).
Warto w tym momencie powiedzieć nieco więcej o sposobie kodowania parametrów dielektryków klasy I. W tabeli 1 zebrano informacje niezbędne do zdekodowania 3-pozycyjnego oznaczenia parametrów stabilności termicznej takiego dielektryka. Pierwsza litera definiuje liczbę znaczącą, niezbędną do obliczenia współczynnika temperaturowego pojemności zaś następująca po niej cyfra koduje mnożnik. Na trzeciej pozycji znajduje się znów oznaczenie literowe, tym razem jednak kodujące tolerancję współczynnika temperaturowego, wyrażoną w ppm/°C. I tak najpopularniejszy kod C0G oznacza (praktycznie) zerowy współczynnik termiczny, z tolerancją dopuszczalną na poziomie 30 ppm/°C (w całym zakresie temperatur). Z kolei kondensator z dielektrykiem U2J ma już znacznie mniejszą stabilność termiczną, gdyż jego współczynnik termiczny to aż 750 ppm/°C (-100·7,5) z tolerancją równą ±120 ppm/°C - gorsze parametry są ceną za 2...4-krotnie większą pojemność, w porównaniu do kondensatora C0G o tych samych rozmiarach.
Kondensatory z dielektrykiem klasy II są zdecydowanie najliczniejsze w większości zastosowań (za wyjątkiem obwodów RF i innych precyzyjnych układów, zdominowanych przez klasę I). Grupa materiałów klasy II obejmuje m. in. dielektryki X5R, X6R i X7R. Ceramika bazuje na ferroelektrycznym tytanianie baru, który pozwala uzyskać bardzo wysoką przenikalność dielektryczną (a więc dużą pojemność w przeliczeniu na jednostkę objętości), kosztem zdecydowanie gorszej stabilności parametrów. Z uwagi na diametralnie inny zakres zmienności pojemności w funkcji temperatury (wynikający z budowy dielektryka na poziomie mikroskopowym), sposób kodowania literowo-cyfrowego jest inny, choć także oparty na 3-znakowym kodzie. Sposób odczytywania kodów można znaleźć w tabeli 2 - jak widać, tutaj także całość dotyczy termicznej stabilności pojemności, ale nie mamy już bezpośredniej informacji o współczynniku temperaturowym.
Zamiast niej poszczególne pozycje kodują:
- dolną granicę dopuszczalnego zakresu temperatur pracy,
- górną granicę dopuszczalnego zakresu temperatur pracy,
- zakres zmian pojemności w funkcji temperatury (w odniesieniu do granic określonych przez literę i cyfrę na początku oznaczenia).
Najpopularniejsze kondensatory X7R mogą zatem pracować w zakresie temperatur otoczenia od -55 do +125°C, ale ich pojemność może zmieniać się w tych warunkach o ±15% wartości nominalnej.
W tym miejscu należy dodać, że istnieje także klasa III, również obejmująca materiały ferroelektryczne, ale tym razem już o ekstremalnie wysokiej przenikalności. Kondensatory wykonane z takich dielektryków wykazują bardzo duże zmiany pojemności, dochodzące nawet do -82% (w przypadku dielektryków z oznaczeniem V na trzeciej pozycji). Choć stabilność temperaturowa tych komponentów jest wręcz fatalna, to nie należy ich całkowicie deprecjonować - mogą okazać się niezastąpione w urządzeniach, które wymagają silnej miniaturyzacji, ale ponieważ zwykle pracują w warunkach zbliżonych do temperatury pokojowej, to nie trzeba przejmować się zanadto spadkiem pojemności mierzonym w warunkach skrajnych. Rzecz jasna w urządzeniach przemysłowych, motoryzacyjnych czy wojskowych, które są narażone na zmiany temperatury w szerokim zakresie, zdecydowanie warto postawić na stabilniejsze kondensatory klasy II.
Zmiana pojemności w funkcji napięcia
Ważną cechą kondensatorów ceramicznych klasy II i III jest silna zależność pojemności od przyłożonego napięcia stałego (DC). Zjawisko to, nazywane efektem DC bias, powoduje, że rzeczywista pojemność kondensatora w układzie może być wielokrotnie niższa od nominalnej. Niestety, kod typu dielektryka (np. X7R) nie zawiera żadnej informacji o podatności na ten efekt - projektant musi zaglądać do charakterystyk zawartych w notach katalogowych. Ogólnie rzecz biorąc: im większa jest pojemność uzyskana w małym kondensatorze (czyli im cieńsze warstwy dielektryka i im więcej warstw), tym silniejszy spadek pojemności pod wpływem pola elektrycznego. Dokładniejszy opis wpływu efektów ferroelektrycznych na histerezę krzywej pojemności w funkcji napięcia można znaleźć w artykule „Komponenty bierne pod lupą” - nie będziemy więc ponownie zagłębiać się w tę tematykę.
Trzeba natomiast zdecydowanie zwrócić uwagę na inne zjawisko związane z ferroelektrycznym charakterem dielektryków klasy II i III. Okazuje się bowiem, że spadek pojemności nie następuje natychmiast po przyłożeniu napięcia - część wolniejszych domen ustawia się z pewnym opóźnieniem. Dlatego po załączeniu napięcia obserwuje się początkowy szybki spadek pojemności, a następnie wolniejszy, dodatkowy ubytek postępuje w ciągu kolejnych minut i godzin pracy (rysunek 2). W układach pracujących z przebiegami zmiennymi regularne wahania napięcia „resetują” część uwięzionych dipoli. Natomiast w zastosowaniach takich, jak chociażby odsprzęganie i filtracja zasilania, inżynierska praktyka nakazuje zaplanować użycie kondensatora X7R lub X5R z dużym naddatkiem pojemności, jeśli ma on pracować z relatywnie wysokim (względem nominalnego) napięciem stałym. Pomocne bywa wybranie elementu w większej obudowie i/lub o znacznie wyższym napięciu nominalnym niż rzeczywiste napięcie robocze - wtedy grubsze warstwy dielektryka i słabsze natężenie pola (w przeliczeniu na warstwę) pozwolą zredukować efekt DC bias.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
