Kondensatory ceramiczne w zastępstwie tantalowych

Mimo że istnieje wiele innych dielektryków, MLCC i kondensatory tantalowe dominują w tych zastosowaniach ze względu na to, że w ich przypadku stosunek ceny do wydajności jest najkorzystniejszy. Wersje MLCC i kondensatory tantalowe mają podobne zastosowania, jednak różnią się budową i użytymi materiałami. 

Oba te rodzaje podzespołów, o pojemnościach zawierających się między 0,1μF a 100μF, są najczęściej stosowane jako kondensatory odprzęgające, obejściowe, bocznikujące oraz jako filtry sygnału lub elementy redukujące szumy.

W układach zasilających są one stosowane do eliminacji tętnień i filtrowania. Ich skuteczność zależy od zastosowanego dielektryka, którego właściwości zmieniają się z temperaturą, a nawet poziomem sygnałów elektrycznych przykładanych do kondensatora. Przy wybieraniu elementów blokujących zasilanie należy także być świadomym spraw, które nie są bezpośrednio związane z elektroniką, jak dostępność na rynku, technologii montażu itp.

Porównanie

Kondensatory tantalowe wymagają zachowania właściwej polaryzacji napięcia, a w temperaturze powyżej 85°C wymagają obniżenia maksymalnej wartości napięcia pracy. Przy 125°C dopuszczalne napięcie może wynosić 2/3 nominalnej wartości. Aby uzyskać wymaganą niezawodność w podwyższonych temperaturach, napięcie robocze kondensatorów tantalowych nie powinno przekraczać 50% wartości nominalnej. 

W przypadku kondensatorów elektrolitycznych dopuszczalne napięcie wsteczne wynosi 15% wartości nominalnej w temperaturze pokojowej, 5% w temperaturze 85°C i tylko 1% w temperaturze 125°C. Kondensatory MLCC nie mają tych ograniczeń. 

MLCC mają szersze pasmo częstotliwości i niższą impedancję, rzędu kilku miliomów, niż kondensatory tantalowe, charakteryzują się lepszym tłumieniem sygnałów zmiennych w linii zasilania. Impedancja elementów MLCC maleje ze wzrostem częstotliwości, impedancja kondensatorów tantalowych pozostaje taka sama powyżej 10 kHz i jest rzędu setek miliomów. W przeszłości wiele urządzeń wykorzystywało parę kondensatorów blokujących w linii zasilania, jeden elektrolityczny o wysokiej pojemności, drugi MLCC o niskiej. Obecnie wykorzystuje się coraz częściej jeden kondensator ceramiczny o wysokiej pojemności. 

Tabela 1. Porównanie pomiędzy ESR kondensatorów ceramicznych i tantalowych

Zapewnia on lepsze tłumienie sygnałów w funkcji częstot- liwości, a dodatkowo jego parametry ESR i ESL są dużo niższe niż w przypadku kondensatorów tantalowych. Porównanie wartości ESR między kondensatorami ceramicznymi i tantalowymi, przy takich samych wartościach napięcia, przedstawiono w tabeli 1. Warto zauważyć, że niższa wartość ESR zabezpiecza przed przegrzaniem zarówno elementu, jak i obwodu, zwiększając ogólną niezawodność urządzenia. 

Pasożytnicza indukcyjność kondensatorów MLCC jest niższa niż kondensatorów tantalowych, co prowadzi do redukcji poziomu harmonicznych w prądzie tętnień i szumów. Parametry ESR i ESL zależą też od rozmiarów elementów. Przy zmniejszaniu rozmiarów kondensatorów MLCC ESR wzrasta, natomiast ESL maleje. 

Tabela 2. Charakterystyki MLCC dla różnych dielektryków i temperatury

Upływ prądu stałego jest efektem niedoskonałej izolacji dielektrycznej, co powoduje rozładowanie kondensatorów. Zjawisko to jest znacznie słabsze w przypadku kondensatorów ceramicznych niż tantalowych (1nA w porównaniu do 0,5–30μA). Napięcie robocze w kondensatorach tantalowych jest ograniczone do wartości 4–50V. Napięcie znamionowe kondensatorów ceramicznych wynosi 6–200V, a w niektórych przypadkach do 5kV. Są one zatem bardziej uniwersalne.

Dodatkowe zalecenia dla kondensatorów ceramicznych

Podstawowym zagadnieniem przy doborze kondensatorów MLCC jest poprawny wybór dielektryka, a powszechnym błędem jest nieuwzględnianie zmian parametrów w temperaturach pracy innych od 25°C. Charakterystyki elementów MLCC dla różnych materiałów dielektrycznych oraz wartości stabilizacji w zależności od temperatury przedstawiono w tabeli 2. Najbardziej stabilne są elementy klasy I (C0G/NP0) mające tolerancję ±0,3% od –55°C do 125°C. Dla klasy II (X7R i X5R) tolerancja wynosi ±15% w temperaturze od –55°C do 125°C dla X7R oraz od –55°C do 85°C dla X5R.