wersja mobilna
Online: 462 Sobota, 2016.12.03

Technika

Kondensatory ceramiczne do aplikacji w.cz.

czwartek, 14 stycznia 2016 11:52

Współczesne układy elektroniczne działają z coraz większymi częstotliwościami w coraz szerszym zakresie aplikacji i z uwagi na konieczność miniaturyzacji wykorzystują powszechnie wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC). W artykule opisujemy szczegóły aplikacyjne tych elementów w zakresie w.cz.

W mało wymagających aplikacjach selekcja kondensatora sprowadza się do wyboru pojemności i odpowiedniego dopuszczalnego napięcia pracy. Wybiera się również sposób jego przyłączenia (końcówki osiowe lub boczne, montaż przelotowy lub powierzchniowy) oraz kształt i rozmiar. Czasem trzeba jeszcze brać pod uwagę wymagania temperaturowe i częstotliwościowe.

Rys. 1. Budowa typowego wielowarstwowego kondensatora ceramicznego (MLCC)

Rys. 2. Zależność rezystywności stopu AgPd od jego składu

Przy wyższych częstotliwościach znaczenia nabierają jeszcze inne parametry. Na przykład tłumienność, która w obwodach radiowych pracujących przy 2,4 GHz obniża poziom wysyłanych sygnałów. Podobnie, zależność tłumienia w kondensatorze od częstotliwości ma wpływ na charakterystyki filtrów. Miarą tłumienności kondensatora jest częstotliwość jego rezonansu własnego (self-resonant frequency, SRF). Drugim ważnym parametrem kondensatora przy wielkich częstotliwościach jest jego zastępcza rezystancja szeregowa (equivalent series resistance, ESR). Proporcjonalnie od niej zależy tracona w nim w postaci ciepła moc.

Budowa kondensatora

Charakterystyki kondensatora w dużej mierze zależą od jego budowy. Na rysunku 1 przedstawiono przekrój typowego kondensatora MLCC. Od rodzaju materiału ceramicznego zależą wartości SRF i ESR. Materiały klasy I (zwykle NP0/C0G) rezonują przy wyższych częstotliwościach (wyższa SRF i niższa ESR), a klasy II (zwykle X7R) przy niższych częstotliwościach (niższa SRF i wyższa ESR). Do aplikacji wysokich częstotliwości zwykle stosuje się materiały klasy I.

Rys. 3. ESR kondensatora MLCC w funkcji częstotliwości przy różnych materiałach elektrod

Rys. 4. Obraz termiczny obciążonych MLCC o różnym materiale elektrod

Na parametry kondensatorów istotny wpływ ma również materiał elektrod. Podstawowym surowcem jest miedź (Cu) lub nikiel (Ni). W kondensatorach do wielkich częstotliwości, wymagających małych strat, stosuje się metale szlachetne: platynę (Pt), pallad (Pd) lub srebro (Ag). Często jest używany 100% pallad, który znosi bardzo wysokie temperatury, co umożliwia maksymalne zagęszczenie materiału w wypalanych ceramicznych kondensatorach.

Rys. 5. Temperatura obciążonych MLCC o różnym materiale elektrod w funkcji czasu

Rys. 6. SRF i PRF dla kondensatora MLCC o wielkości 0402 w zależności od pojemności

Z powodu najwyższej przewodności idealnym materiałem na elektrody byłoby srebro, gdyby nie jego stosunkowo niska temperatura topnienia. W praktyce więc do produkcji kondensatorów ceramicznych stosuje się stopy palladowo-srebrowe, najczęściej jest to srebro z 5% udziałem palladu (rys. 2). Przewodność tego stopu jest około trzykrotnie większa niż czystego palladu (3,8 mΩ·cm wobec 10,3 mΩ·cm). Duża przewodność obniża ESR kondensatora. No i jest on dzięki temu znacznie tańszy.

Straty mocy

W zakresie wielkich częstotliwości do strat w MLCC w większym stopniu przyczynia się rezystywność elektrod niż rodzaj materiału ceramicznego. Udział ESR w stratach kondensatorów można prześledzić na rysunku 3, przedstawiającym zależność strat od częstotliwości. Są one około dwukrotnie większe dla czystego palladu w porównaniu ze stopem srebrowo-palladowym.

Rys. 7. SRF i PRF dla kondensatora MLCC o wielkości 0603 w zależności od pojemności

Rys. 8. Tłumienność wtrąceniowa MLCC 1 pF wielkości 0402 o różnym materiale elektrod w zależności od częstotliwości

Przy wielkich częstotliwościach wydzielanie się ciepła w kondensatorach o niższym ESR jest wyraźnie niższe. Demonstrują to pomiary temperatury kondensatorów MLCC obciążonych ciągłym napięciem wielkiej częstotliwości. Dwa kondensatory 180 pF o wielkości 1111, jeden ze 100% palladem, a drugi z 95,5% srebra z palladem, poddano obciążeniu mocą 120 W dla napięcia zmiennego 360 MHz. Termiczna fotografia (rys. 4) pokazuje, że różnią się w temperaturze o 5%. Rysunek 5 przedstawia zmiany ich temperatury w funkcji czasu.

Inne parametry

Rys. 9. Tłumienność wtrąceniowa MLCC 10 pF wielkości 0402 o różnym materiale elektrod w zależności od częstotliwości

Od materiału elektrod kondensatora MLCC zależy ESR i wydzielanie się w nich ciepła, a także jeszcze inne parametry są uzależnione od materiału elektrod. Na rysunkach 6 i 7 pokazano zależność SRF i równoległej częstotliwości rezonansowej (PRF) kondensatorów wielkości 0402 i 0603, ze 100% palladem i z 95,5% srebra z palladem, od ich pojemności. Uzależnienie to jest, jak widać, niewielkie. Rysunki 8 i 9 przedstawiają zależność tłumienności wtrąceniowej MLCC od częstotliwości. I na nich widać, że wpływ tego materiału jest bardzo mały.

KKP