Se la temperatura non è un problema, cosa si può dire dei diversi dielettrici ceramici

Supponiamo di avere un circuito il cui intervallo di temperatura ambiente di funzionamento è ben regolato a 25 + -5 ° C. Oltre ai costi, quali sarebbero i casi d'uso per i diversi tipi di dielettrici ceramici? In altre parole, quali sarebbero le applicazioni in base alle quali uno specifico dielettrico ceramico avrebbe prestazioni migliori o peggiori di altre? Possiamo fare delle generalizzazioni?

So che i codici delle lettere dei condensatori ceramici dovrebbero indicare la dipendenza dalla temperatura dei dielettrici, ma c'è qualcosa in più che si può dire al riguardo, come suggeriscono tutte queste domande?

So anche che la dimensione del pacchetto influenza i parassiti e quindi la frequenza di risonanza e la perdita dei tappi. Che alcuni dielettrici non sono disponibili in confezioni più piccole e tensioni più elevate e che molte ceramiche presentano effetti piezoelettrici / microfonici (quali?). Tutti questi fattori possono essere condensati in poche regole pratiche?

Ho anche notato che i fogli dati dei produttori sembrano assumere un'applicazione specifica per i condensatori, ad esempio non specificando perdite, risonanze o perdite in alcuni di essi.

Ma, se la temperatura ambiente non è un fattore, quale condensatore sarebbe meglio per un lavoro specifico. L'auto-riscaldamento è un problema per l'applicazione / il tipo specifico?

Finora tutti i miei circuiti commerciali non sono stati sensibili ai costi, quindi ho semplicemente specificato X7R, X5R o NP0 per tutti i tappi in ceramica, come vedo quelli suggeriti nelle schede tecniche IC. Ma c'è qualcosa di più della dipendenza dalla temperatura dietro quei suggerimenti?

Devo prestare maggiore attenzione allo scopo del cappuccio? Ad esempio, utilizzare X5R / X7R solo per bypass e regolazione della potenza, ma NPx per qualsiasi cosa si trovi nel percorso del segnale? Si può fare una generalizzazione o si tratta di un problema che richiede una lettura dettagliata dei fogli dati del produttore (molto incompleti)?

In breve. Esistono principi generali che possono essere applicati per semplificare la ricerca di parti durante un progetto?

— Edgar Brown
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L'ESR varia con la frequenza (non sto parlando di effetti 1 / (w * C), intendo che l'ESR varia con la frequenza in base agli ordini di grandezza). La polarizzazione DC riduce la capacità, quindi il modello di segnale di grandi dimensioni di un tappo in ceramica non è in realtà un condensatore. Possono verificarsi microfoni (qualsiasi shock meccanico a un condensatore ceramico creerà un impulso di tensione attraverso il cappuccio). Tuttavia, sono molto utili e molto utilizzati. Tanto che al momento sono piuttosto difficili da trovare dato che molti produttori hanno venduto la produzione futura a 6 mesi o più.

— mkeith,

@mkeith che la carenza di condensatori è reale. Una cosa recente che ho dovuto affrontare: nessun condensatore da 100 V, 1 uF, 1206, X7R / X7S rimasto nel mondo con tempi di consegna di 52 settimane. OTH 1uF 1210 100 V è abbondante. Il mercato dei componenti passivi è strano.

— crasic

Risposte:

Anche se la temperatura ambiente è ben controllata, le correnti d'aria possono causare rumore se c'è una tensione significativa attraverso il condensatore.

Il degrado della capacità nel tempo è diverso per i diversi dielettrici. E quello grande, coefficiente di tensione della capacità.

Se puoi usarli, i cappucci NP0 soffrono di tali effetti molto meno delle parti X5R X7R ecc., Ma semplicemente non sono disponibili o sono molto grandi e costosi in valori più alti. Ci sono molti casi in cui un cappuccio X7R nel percorso del segnale funziona perfettamente. D'altra parte, ho usato parti NP0 come cappucci di bypass in applicazioni speciali.

Un'altra caratteristica è che le parti più piccole, specialmente quando ci si avvicina ai limiti di ciò che è possibile all'interno di un dato footprint, tendono ad avere un coefficiente di alta tensione, quindi la maggior parte della capacità (fino all'80%) può semplicemente scomparire se polarizzata ad un normale tensione di esercizio. Quindi potrebbe essere meglio usare uno 0805 o 0603 anziché uno 0402 o 0201 anche se sono più grandi e forse più costosi.

Le schede tecniche sono generalmente incomplete, ma alcuni produttori offrono dati molto più completi sotto forma di dati online o generati localmente individualmente per ciascuna parte. Ad esempio, questo sito Murata (richiede Flash) consente di estrarre i dati CSV per varie caratteristiche.

— Spehro Pefhany
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Sì, ma esiste una serie di regole generali che possono essere applicate? Ad esempio, utilizzare sempre Nx la tensione nominale per rimanere sotto una tolleranza specifica con X7R ma 1.1x è sufficiente con NP0?

— Edgar Brown,

@EdgarBrown Ti ho dato NP0 monouso se puoi nel percorso del segnale o se la stabilità è importante. Aggiungerò un altro sopra per quanto riguarda il coefficiente di tensione. Generalità presumibilmente significa che puoi aggirare acquisendo una profonda conoscenza dell'applicazione e delle caratteristiche della parte, e non sono sicuro che sia possibile.

— Spehro Pefhany,

Adoro che prima menzioni il rumore. La mia azienda (sistemi di nanoposizione e metrologia) ha scoperto l'anno scorso che il rumore di misurazione è aumentato quando abbiamo messo il coperchio sulla scatola, invece del comportamento previsto di un rumore più basso a causa di una migliore schermatura. Risulta che alcuni tappi ceramici nel percorso del segnale avevano un comportamento piezoelettrico significativo, quindi i tappi microfonici stavano raccogliendo rumore dalle ventole di raffreddamento. Non è un'esperienza divertente quando speri che la tua tavola sia pronta per incontrare il cliente.

— Graham,

+1 per @Graham - Avevo un cappuccio X7R come bypass sul pin REF di un LDO. L'output dell'LDO oscilla con la flessibilità della scheda.

— peufeu,

@peufeu Sì, ti rovinerà la giornata. : /

— Graham,

La realtà del mercato detterà spesso le tue scelte, diventa estremamente difficile trovare parti dielettriche di classe 1 in pacchetti comuni con applicazioni ad alta tensione (> 10 V) o ad alta capacità (> 1 uF), probabilmente non sarai in grado di "speculare" un dielettrico migliore e aspettati che la tua DBA sia realizzabile.

Il mercato ha deciso, in generale, che NP0 e altri dielettrici di classe 1 sono "calotte di segnale" e i cataloghi delle parti lo riflettono. Come altro esempio, le parti X7R / X7S diventano più difficili da trovare in pacchetti più piccoli (<0805) e ad alta capacità.

Per contribuire alla discussione di progettazione un altro grande fattore, quando si esclude la temperatura come fattore:

I dielettrici di classe 1 non soffrono di effetti piezoelettrici. Questo effetto è bidirezionale. La tensione di ondulazione farà restringere ed espandere la parte e generare rumore e calore fisici, le vibrazioni fisiche genereranno tensione sulla parte.

In applicazioni marginali con condensatori ad altissima densità e grande tensione di ondulazione, ciò può comportare stress significativi sui terminali del condensatore e persino crepe.

Si noti che i condensatori ceramici ad alta densità incrinati si guastano come un corto circuito ad alta potenza e possono causare gravi danni e persino incendi in caso di disaccoppiamento o alimentazione in situazioni di bypass. Se questo è un problema e lo spazio è limitato per utilizzare altri schemi, allora un NP0 o un altro dielettrico di classe 1 può darti abbastanza buffer per il massimo comfort.

Per aggiungere a ciò che ha risposto @SpheroPefhany, anche le specifiche di temperatura di un dato dielettrico sono intrinsecamente legate al cambiamento di capacità con la temperatura. Anche se si controlla la temperatura ambiente, se è elevata, potrebbe essere necessario ridurre la capacità effettiva della parte per l'applicazione, eventuali fluttuazioni di temperatura locali verranno visualizzate come rumore nel circuito.

I condensatori ceramici hanno anche una capacità effettiva significativamente più bassa con un bias CC più elevato, il che è un problema nel disaccoppiamento o nelle situazioni di bypass, se non è possibile un livello di tensione più elevato, i dielettrici di classe 1, poiché una regola empirica generale ne risente in misura minore.

Nota END

Ho generalmente osservato che parti equivalenti da un insieme stimabile di MFG per lo stesso dielettrico e dimensioni del pacchetto sono generalmente abbastanza vicine da essere intercambiabili per tutte le applicazioni. Un elenco incompleto: Murata, TDK, Samsung, Kemet, Yageo

Quando vai a MFG di secondo livello e parti generiche del mercato di massa cinese, tutto è fuori dalla finestra.

— crasic
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Dici che gli effetti del mercato rendono difficile trovare cappucci NP0 con alta capacità o alta tensione nei soliti pacchetti, il che non è vero. Il motivo è che a causa delle proprietà del dielettrico, è impossibile realizzare un condensatore 1uF 0805 NP0, perché la costante dielettrica della ceramica è troppo bassa. A meno di una svolta nel dielettrico ceramico, nulla cambierà questo

— C_Elegans,

@C_elegans stai leggendo due cose insieme. la dimensione del pacchetto ne fa parte, ma la classe 1 non è spesso disponibile in valori più alti per qualsiasi dimensione del pacchetto. Sicuramente la producibilità è una limitazione sull'estremità piccola, ma se ci fosse una domanda per un valore

— vedresti

A quali pacchetti ti riferisci? Mouser ha tappi NP0 da 0201-5550 (qualunque cosa sia). Intendi parti del foro passanti?

— C_Elegans,

$1\mathrm{Hz}$ $\mathrm{kHz}$
$1\mathrm{MHz}$

Perché questo è un problema?
Come forse quasi tutto in questo mondo, un condensatore può essere considerato come un oggetto con una funzione di trasferimento ben definita:

schematico

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

$H_c(j\omega)$

\arg [H_{c} (j ω)] = {\begin{cases} j k ω & f > few k H z \\ j p (ω) \neq j k ω & f is below the above limit \end{cases}

$\arg \big[H_c(j\omega)\big]= \begin{cases} jk\omega & f>\text{few $\mathrm{kHz}$}\\ jp(\omega)\neq jk\omega & f\text{ is below the above limit} \end{cases}$

$\omega=2\pi f$ $f$
$k$
$p(\omega)$ $\omega$ $k\omega$ $\omega\to\infty$

$p(\omega)$

— Daniele Tampieri
fonte

Quale sarebbe il miglior tipo di condensatore per le applicazioni audio?

— Edgar Brown,

Alcuni sperimentatori, mentre discutono su diyAudio.com, usano solo condensatori di teflon di epoca russa / sovietica nei loro circuiti di compensazione audio RIAA in vinile a bobina mobile. Inoltre NJFET, con regolatori shunt-VDD a basso rumore.

— analogsystemsrf

@EdgarBrown - in generale, i film sono i limiti per le app audio all'interno del percorso del segnale. Tuttavia, la ceramica può essere utilizzata per bypassare / disaccoppiare l'alimentazione, indipendentemente dal tipo di circuito su cui si sta lavorando.

— ThreePhaseEel

@EdgarBrown: come ha scritto ThreePhaseEel nel suo commento, i migliori condensatori da posizionare sul percorso del segnale per le applicazioni audio sono probabilmente un condensatore a film, anche se ci sono puristi che direbbero che il miglior condensatore non è un condensatore , cioè un accoppiamento diretto. Tuttavia, nei circuiti delle valvole in cui è più difficile progettare un circuito accoppiato diretto, ho visto anche condensatori di mica metallizzati.

— Daniele Tampieri,