какие конденсаторы лучше танталовые или керамические

Преимущества танталовых и керамических конденсаторов

Танталовые (Ta) конденсаторы и многослойные керамические конденсаторы (МКК) – два типа широко распространенных конденсаторов, которые применяются в широком ряде электронных устройств. Хотя обе эти технологии выполняют одинаковую функцию, конденсаторы очень различаются по конструкции, использованным материалам и эффективности при разных условиях. Следовательно, разработчик должен понимать их относительные преимущества друг перед другом, чтобы сделать правильный выбор.

Базовые сведения

Понимание рабочих характеристик танталовых и многослойных керамических конденсаторов, в т. ч. надежности использования и реакции на изменение температуры и напряжения, типовых параметров испытаний и того, как были усовершенствованы конденсаторы каждого из этих типов, позволяет создавать дееспособные электронные устройства.

Начнем с базовых понятий. Для расчета емкости конденсатора используется формула:

где C – емкость, Ф; S – площадь перекрытия двух пластин, м 2 ; ε_R – относительная диэлектрическая проницаемость среды; ε₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума; d – расстояние между пластинами (или толщина диэлектрика), м.

Танталовые конденсаторы

Высокая емкость танталовых конденсаторов достигается за счет сочетания нескольких факторов, включая использование пятиокиси тантала (Ta₂O₅, ε_R = 27) в качестве диэлектрика, большой площади поверхности пластин и очень тонкому слою ди­электрика. Положительно заряженная пластина танталового конденсатора состоит из прессованного и спекшегося в виде гранул танталового порошка. Эти гранулы обладают хорошей пористой структурой, суммарно обеспечивая большую поверхностную площадь пластины (см. рис. 1). Коэффициент осаждения диэлектрического слоя Ta₂O₅ составляет 17 Å/В. Поскольку толщина диэлектрика пропорциональна приложенному напряжению, создается очень тонкий диэлектрические слой, что обеспечивает большое значение емкости.

Рис. 1. Поверхностная площадь диэлектрика анода танталового конденсатора в сравнении с его исходным размером

Виды танталовых конденсаторов

Для приложений с поверхностным монтажом на плату компания AVX выпускает танталовые конденсаторы двух видов с катодами на основе двуокиси марганца MnO₂, благодаря чему обеспечивается функция самовосстановления (см. рис. 2). В прессованном конденсаторе, имеющем более традиционную конфигурацию, танталовый провод впрессован в обкладки, благодаря чему создается положительное соединение со схемой. Более новая и компактная конфигурация в виде микросхемы (см. рис. 2б) появилась на рынке позже. Конденсаторы с этой конфигурацией применяются в системах с высокой плотностью компонентов. В этой конфигурации, в которой используется подложка с танталовым прессованным и запеченным на ее поверхности порошком, положение отдельных анодов задается с помощью высокоточной резки.

Рис. 2.
а) формованный конденсатор;
б) танталовый конденсатор в виде микросхемы

У конденсаторов обоих рассматриваемых типов – одинаковые базовые элементы. Эти конденсаторы, предназначенные для высокоточных систем, обеспечивают максимальную надежность.

Керамические конденсаторы

В отличие от танталовых, у керамических конденсаторов меньше суммарная площадь пластин и значительно толще слои (см. рис. 3). Однако эти недостатки компенсируются диэлектрическими материалами с намного большей ди­электрической проницаемостью. Диоксид титана (ε_R

86–173) и титанат бария (ε_R

1250–10000) – два наиболее распространенных диэлектрика, используемых в МКК.

Рис. 3. Конструкция многослойного керамического конденсатора

Керамические конденсаторы Class 1 и Class 2

Керамические конденсаторы Class 1 имеют наибольшую стабильную емкость относительно приложенного напряжения, температуры и до некоторой степени – частоты. Базовыми элементами этих конденсаторов являются параэлектрики, например диоксид титана, модифицированные такими добавками как цинк, цирконий и ниобий, которые обеспечивают требуемую характеристику емкости, свойственную танталу. Удельная емкость керамических конденсаторов Class 1 – наименьшая среди других керамических конденсаторов за счет относительно низкой диэлектрической проницаемости (6–200) параэлектрика. У этих компонентов также сравнительно малая емкость.

Керамические конденсаторы Class 2, в которых применяются ферроэлектрики, например титанат бария (BaTiO), модифицируются с помощью силиката алюминия, силиката магния и оксида алюминия. У этих материалов – более высокая диэлектрическая проницаемость, чем у конденсаторов Class 1 (

200–14000 в зависимости от напряженности поля), и более высокая удельная емкость. Однако у конденсаторов Class 2 больше отклонения емкости от номинальных значений и хуже стабильность. Емкость этих конденсаторов имеет нелинейный характер, который зависит от рабочей температуры, приложенного напряжения и изменяется с течением времени, что может отражаться на характеристиках изделия.

Коды диэлектриков у керамических конденсаторов

Диэлектрики керамических конденсаторов определяются трехсимвольным кодом EIA, в котором указывается стабильность емкости материала в установленном температурном диапазоне. Например, керамические конденсаторы, в которых используются ди­электрики X5R, работают в диапазоне температуры –55…85°C при допустимых вариациях емкости ±15% в указанном диапазоне и имеют небольшую нелинейность.

Конденсатор с материалом, использование которого обеспечивает устройству ту же, что и у X7R, или лучшую температурную характеристику, изменение емкости в пределах ±15% в диапазоне –55…125°C, можно считать конденсатором X7R. У X7R, как и у конденсатора с диэлектриком любого другого типа, отсутствует спецификация на коэффициент напряжения. Производитель может называть конденсаторы в соответствии с диэлектрическими кодами X7R, X5R и т. д. и их температурным коэффициентом независимо от того, насколько плох коэффициент напряжения. В таблице 1 приведены коды EIA диэлектриков для керамических конденсаторов. Например, требуется выбрать конденсатор, у которого емкость, указанная при 25°C, повышается или уменьшается не более чем на 7,5% в диапазоне температуры –30…85°C. Этому требованию соответствует конденсатор с кодом Y5F.

Таблица 1. Коды EIA диэлектриков для керамических конденсаторов – процентное изменение емкости в указанном диапазоне температур

RS198	Диапазон температуры
Х7	–55…125°С
Х6	–55…105°С
Х5	–55…85°С
Y5	–30…85°С
Z5	10…85°С
Код	Изменение емкости, %
D	±3,3
E	±4,7
F	±7,5
P	±10
R	±15
S	±22
T	22, –33
U	22, –56
V	22, –82

Температурные характеристики танталовых и керамических конденсаторов

На рисунке 4 показана типовая температурная характеристика танталового конденсатора, а также керамического конденсатора Class 2 (X7R) и керамического конденсатора Class 1 (NP0 или C0G). У танталового конденсатора емкость изменяется линейно в зависимости от температуры: с –5% при –55°C до более чем 8% при 125°C. У керамических конденсаторов Class 2 – самая нелинейная зависимость от температуры, однако ее можно сделать линейной в приложениях, работающих в узком температурном диапазоне, учтя эту характеристику при проектировании схемы.

Рис. 4. Изменение емкости диэлектрических материалов танталовых и керамических конденсаторов Class 1 и Class 2 в зависимости от температуры

Зависимость от напряжения

У танталовых конденсаторов не только линейная температурная характеристика, но и отсутствует нестабильность емкости в зависимости от приложенного напряжения. В отличие от танталовых конденсаторов, емкость керамических конденсаторов Class 2 меняется с приложенным напряжением, т. к. диэлектрическая проницаемость их материала падает с ростом напряжения (см. рис. 5). Поскольку эти изменения относительно линейные, их легко учесть при проектировании, однако в некоторых случаях из-за применения материалов с более высокой диэлектрической проницаемостью емкость может меняться более чем на 70% от исходной величины при работе вблизи номинального напряжения.

Рис. 5. Зависимость емкости керамических конденсаторов Class 2 (X5R) от приложенного напряжения

Износ танталовых и керамических конденсаторов

Емкость керамических конденсаторов Class 2 с течением времени уменьшается по логарифмическому закону, что обусловлено их износом (см. рис. 6). Из-за деградации поляризованных участков ферроэлектриков со временем уменьшается диэлектрическая проницаемость, в результате чего уменьшается емкость керамических конденсаторов Class 2. У танталовых конденсаторов старение не происходит – на текущий момент нет известного нам механизма износа, аналогичного тому, который наблюдается у керамических конденсаторов.

Рис. 6. Изменение со временем емкости конденсаторов Class 2 с диэлектриками X5R и X7R

Сопротивлением изоляции (IR) является сопротивление, измеренное на диэлектрике конденсатора. По мере увеличения емкости (и, следовательно, площади диэлектрического материала), IR увеличивается. Этот показатель (IR∙C, или RC) часто указывается в единицах Ом∙Ф, а чаще как МОм. Ток утечки определяется путем деления номинального напряжения на сопротивление изоляции. В таблице 2 сравниваются значения сопротивления изоляции керамических конденсаторов.

Таблица 2. Сравнение сопротивления изоляции (IR) керамических конденсаторов с утечкой постоянного тока (DCL) танталовых конденсаторов

Производитель	Изделие	Диэлектрик	Сопротивление изоляции	Эквивалент DCL/C∙V*
AVX	–	X7R	1000 МОм∙мкФ	0,001C∙V
AVX	–	X5R		0,002C∙V
B	коммерческое (COTS)	X7R		0,002C∙V
B	коммерческое	X7R		0,002C∙V
B	коммерческое	X5R		0,002C∙V
C	высоконадежное	X7R		0,001C∙V
C	высоконадежное	X5R		0,001C∙V
C	коммерческое	X7R		0,002C∙V
C	коммерческое	X5R		0,002C∙V
Тип. танталовый	коммерческое	Ta2O5	–	0,01C∙V
Высоконадежный танталовый AVX	HRC5000/HRC6000	Ta2O5	–	0,0025C∙V

* DCL – утечка постоянного тока; C∙V – произведение номинальной емкости на номинальное напряжение.

Для керамических конденсаторов, как правило, указывается сопротивление изоляции, а для танталовых компонентов – утечка постоянного тока (DCL). Эти единицы измерения являются эквивалентными, а соответствующее преобразование осуществляется с помощью закона Ома.

Испытания на износ

В таблице 3 описаны условия проведения испытаний на износ керамических и танталовых конденсаторов разных типов, выполненные несколькими производителями, а также представлены допустимые изменения сопротивления изоляции и величины DCL/C∙V. Видно, что условия проведения этих испытаний не стандартизованы, и потому напрямую трудно сравнивать с высокой точностью параметры керамических конденсаторов разных производителей, а прямые сравнения между керамическими и танталовыми конденсаторами фактически невозможны за исключением нескольких компонентов с очень высокой номинальной емкостью.

Таблица 3. Различия между результатами испытаний на износ керамических и танталовых конденсаторов

0,0025C∙V в течение 1000 ч;
0,005C∙V в течение 2000 ч

* 1,5 ∙ ном. В для 0603 ≥ 1 мкФ; 0805 ≥ 4,7 мкФ; 1206 ≥ 2,2 мкФ.
** 1,5 ∙ ном. В для 0603 ≥ 1 мкФ, 10 и 16 В; 0805 ≥ 4,7 мкФ, 10 В.
*** 1,5 ∙ ном. В для 0603 ≥ 4,7 мкФ, 6,3 и 10 В; 0805 ≥ 22 мкФ, 6,3 В; 1206 ≥ 47 мкФ 6,3 В.

В таблице 4 сравниваются основные параметры танталовых и керамических конденсаторов.

AVX	X7R	125°С, 2 ∙ ном. В, 1000 ч	0,3 ∙ исходное предельное значение	0,003C∙V
AVX	X5R	85°С, 2 ∙ ном. В, 1000 ч	0,3 ∙ исходное предельное значение	0,006C∙V
B	X7R	125°С, 2 ∙ ном. В, 1000 ч	0,1 ∙ исходное предельное значение	0,020C∙V
B	X5R	85°С, 2 ∙ ном. В*, 1000 ч	0,1 ∙ исходное предельное значение	0,020C∙V
C	X7R	125°С, 2 ∙ ном. В**, 1000 ч	100 Ом∙Ф	0,1C∙V
C	X5R	85°С, 2 ∙ ном. В***, 1000 ч	100 Ом∙Ф	0,1C∙V
Тип. танталовый	Ta2O5	–	0,01C∙V в течение 2000 ч	–
Высоконадежный танталовый AVX	Ta2O5	–

Таблица 4. Сравнение параметров танталовых и керамических конденсаторов

Параметр	Танталовый конденсатор	Керамический конденсатор
ESR	–	×
Удельная эффективность	×	–
Диапазон температуры	×	–
Малая индуктивность	×
Зависимость от смещения по постоянному току	×	–
Микрофонный (пьезоэлектрический) эффект	×	–
Фильтрация высокой частоты	–	×
Характеристика износа	×	–

Из-за того, что между большинством методов испытаний танталовых и керамических конденсаторов имеются существенные различия, прямое сравнение их характеристик трудно провести на основе данных, полученных из специальной литературы и технических описаний. Компания AVX выполнила следующее тестирование, обеспечивающее более непосредственное сравнение характеристик этих компонентов.

Сравнительное тестирование танталовых и керамических конденсаторов

Инженеры компании AVX отобрали образцы танталовых и керамических конденсаторов с наиболее типовыми и часто используемыми параметрами. Эти компоненты применяются в медицинской технике и высоконадежных приложениях:

Благодаря тому, что план тестирования был единым для всех компонентов, параметры испытаний (значения тестовой частоты и смещения по прямому току, время выдержки после испытаний на воздействие внешних факторов и т. д.) тщательно соблюдались, фиксировались и сравнивались для конденсаторов обоих типов:

Выводы

Керамические и танталовые конденсаторы обладают теми несколькими преимуществами, которые востребованы в эффективных и высоконадежных электронных системах в разных областях применения. Поскольку конденсаторы обоих типов значительно различаются по своему составу, материалам и функциональным характеристикам, выбор той или иной технологии зависит от нужд конкретных приложений и требований. Таким образом, инженеры должны принимать в расчет возможные последствия своего выбора уже на ранних этапах проектирования.

Источник

Как выбрать конденсатор?

Во время работы над разделом о конденсаторах я подумал, что было бы полезно объяснить, почему один тип конденсаторов может быть заменен другим. Это важный вопрос, так как существует множество факторов (температурные характеристики, тип корпуса и так далее), которые делают тот или иной тип конденсаторов (электролитический, керамический и пр.) наиболее предпочтительным для вашего проекта.

В статье будут рассмотрены популярные типы конденсаторов, их достоинства и особенности, а также области применения. В каждом разделе помещены ссылки на результаты поисковых запросов для некоторых серий наиболее популярных конденсаторов из каталога компании Терраэлектроника.

Например, результат поиска для DIP конденсаторов c рабочим напряжением 450 В серии HP3 производства компании Hitachi с емкостью 56…680 мкФ приведен на Рис.1.

Рис. 1. Результат поискового запроса для имеющихся на складе конденсаторов серии HP3 с рабочим напряжением 450 В от Hitachi с емкостью в диапазоне 56…560 мкФ

Конденсаторы (Рис. 2) представляют собой двухвыводные компоненты, используемые для фильтрации, хранения энергии, подавления импульсов напряжения и других задач. В самом простом случае они состоят из двух параллельных пластин, разделенных изоляционным материалом, называемым диэлектриком.

Рис. 2. Конденсаторы различных типов

Конденсаторы хранят электрический заряд. Единицей емкости является Фарад (Ф). Это название было дано в честь Майкла Фарадея, который в свое время стал пионером в области практического использования конденсаторов.

Конденсаторы могут быть полярными и неполярными. К полярным относятся почти все электролитические и танталовые конденсаторы. Они должны подключаться с учетом полярности напряжения. Если перепутать выводы «-» и «+», то это приведет к короткому замыканию. К неполярным относятся керамические, слюдяные и пленочные конденсаторы. Они могут работать при любой полярности приложенного напряжения, что делает их подходящими для применения в цепях переменного тока.

Несмотря на широкое распространение конденсаторов, выбор конкретной модели бывает достаточно сложным. Вы можете знать емкость и рабочее напряжение, которые требуются в вашем проекте, но у конденсаторов есть и множество других характеристик, таких как полярность, температурный коэффициент, стабильность, последовательное эквивалентное сопротивление (ESR) и так далее. Это делает каждый конкретный тип конденсаторов пригодным для конкретного приложения. Ниже перечислены наиболее популярные типы конденсаторов с кратким описанием их достоинств и особенностей.

Типы конденсаторов

Существует несколько типов конденсаторов, которые отличаются электрическими характеристиками и стоимостью. Ниже приведено описание наиболее популярных типов конденсаторов: алюминиевых электролитических, керамических, танталовых, пленочных, слюдяных и полимерных (твердотельных). Кроме того, для каждого типа представлены наиболее подходящие приложения, а также информация о корпусных исполнениях и примеры конкретных серий.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Рис. 3. Алюминиевый электролитический конденсатор

Описание: алюминиевые электролитические конденсаторы (Рис. 3) являются полярными, поэтому их нельзя использовать в цепях переменного напряжения. Они могут иметь высокую номинальную емкость, но отклонение от номинала обычно составляет до 20%.

Приложения: алюминиевые электролитические конденсаторы оптимальны для приложений, которые не требуют высокой точности и работы с переменными напряжениями. Чаще всего они применяются в качестве развязывающих конденсаторов в источниках питания, то есть для уменьшения пульсаций напряжения. Они также широко используются в импульсных DC/DC-преобразователях напряжения.

Корпусное исполнение: как для монтажа в отверстия, так и для поверхностного монтажа.

Примеры:

Для монтажа в отверстия:

Для поверхностного монтажа:

Керамические конденсаторы

Рис.4. Керамические конденсаторы

Описание: существует два основных типа керамических конденсаторов (Рис. 4): многослойные чип-конденсаторы (MLCC) и керамические дисковые. MLCC пользуются большой популярностью и широко применяются в электронных устройствах, поскольку обладают высокой стабильностью и малым уровнем потерь. Они отличаются низким последовательным сопротивлением (ESR) и минимальной погрешностью номинала по сравнению с электролитическими или танталовыми конденсаторами. Вместе с тем их максимальная емкость невелика и достигает всего нескольких десятков мкФ. Из-за высокой удельной емкости MLCC имеют очень малые габариты и отлично подходят для размещения на печатных платах.

Приложения: поскольку керамические конденсаторы являются неполярными, то их можно применять в цепях переменного тока. Они широко используются в качестве «универсальных» конденсаторов, например, для высокочастотной развязки, фильтрации, подстройки резонаторов и подавления электромагнитных помех. Как MLCC, так и керамические дисковые конденсаторы подразделяются на два класса:

Керамические конденсаторы I класса – точные (+/- 5%) и стабильные конденсаторы с минимальной зависимостью емкости от температуры. Конденсаторы NP0/C0G отличаются минимальным температурным коэффициентом 30 ppm/K. К сожалению, их максимальная емкость ограничена несколькими нанофарадами (нФ). Поскольку они очень стабильны и точны, то их чаще всего используют в системах с частотным регулированием, например, в резонансных схемах для радиочастотных приложений.

Примеры:

Тип NP0/C0G:

Тип X7R:

Для монтажа в отверстия:

Танталовые конденсаторы

Рис. 5. Танталовые конденсаторы

Описание: танталовые конденсаторы (Рис. 5) – это подтип электролитических конденсаторов с высоким уровнем поляризации. При их использовании необходимо проявлять осторожность, поскольку они имеют склонность к катастрофическим отказам даже при воздействии импульсов напряжения с амплитудой, лишь немного превышающей номинальное рабочее напряжение. Танталовые конденсаторы могут иметь высокую номинальную емкость и отличаются высокой временной стабильностью. Они меньше по размеру, чем алюминиевые электролитические конденсаторы той же емкости. Но алюминиевые электролиты могут выдерживать более высокие максимальные напряжения.

Приложения: из-за малого тока утечки, стабильности и высокой емкости танталовые конденсаторы часто используются в схемах выборки-хранения, в которых требуется обеспечивать минимальный ток утечки для продолжительного хранения заряда. Также, благодаря малым размерам и долговременной стабильности, они применяются для фильтрации по цепям питания.

Примеры:

Пленочные конденсаторы

Рис. 6. Пленочные конденсаторы

Описание: пленочные конденсаторы (Рис. 6) являются неполярными, что позволяет использовать их в цепях переменного напряжения. Они отличаются малыми значениями эквивалентного сопротивления (ESR) и последовательной индуктивности (ESL).

Приложения: пленочные конденсаторы часто применяются в схемах с аналого-цифровыми преобразователями. Кроме того, они способны работать с высоким пиковым током и, таким образом, могут применяться в снабберных цепочках для фильтрации индуктивных выбросов напряжения в DC/DC-преобразователях.

Примеры:

Слюдяные конденсаторы

Рис. 7. Слюдяной конденсатор

Описание: слюдяные конденсаторы (Рис. 7) являются неполярными, отличаются малой величиной потерь, высокой стабильностью и обладают отличными характеристиками на высоких частотах.

Приложения: эффективны при работе в составе радиочастотных схем. Они могут стоить несколько долларов за штуку, поэтому в маломощных приложениях чаще используют керамические конденсаторы. Однако слюдяные конденсаторы благодаря высокому напряжению пробоя остаются практически незаменимыми для таких приложений, как радиопередатчики высокой мощности.

Примеры:

Полимерные (твердотельные) конденсаторы

Рис. 8. Полимерные (твердотельные) конденсаторы

Описание: твердотельные конденсаторы являются полярными, так же как и другие электролитические конденсаторы, но имеют ряд преимуществ, например, меньшие потери благодаря низкому последовательному сопротивлению ESR и длительный срок службы. Для обычных алюминиевых электролитов существует риск высыхания электролита при низких температурах, но твердотельные конденсаторы благодаря применению твердого полимерного диэлектрика обладают высокой надежностью даже при очень низких температурах.

Приложения: используются вместо электролитов в высококачественных материнских платах и DC/DC-преобразователях.

Примеры:

Конденсаторные сборки

Приложения: конденсаторные сборки широко применяются в мобильной и носимой аппаратуре, в материнских платах компьютеров и цифровых приставках, в радиочастотных модемах и усилителях, в автомобильных и медицинских приложениях и т.д.

Корпусные исполнения: конденсаторные сборки выпускаются как в DIP корпусах, так и в SMD исполнении. Наиболее популярные типоразмеры сборок для поверхностного монтажа 0508, 0612, 0805 представлены в нашем каталоге.

Примеры:

Подобрать необходимый конденсатор в каталоге Терраэлектроники можно двумя способами:

Рис. 9. Фрагмент скриншота сервиса поиска конденсатора

Заключение

В данном руководстве были рассмотрены некоторые наиболее популярные типы конденсаторов. Кроме них существуют суперконденсаторы, кремниевые конденсаторы, оксид-ниобиевые и подстрочные конденсаторы, которые обладают уникальными преимуществами по величине емкости, уровню надежности или возможности подстройки. Однако в большинстве электронных схем вы чаще всего увидите один из шести рассмотренных выше типов конденсаторов.

Источник