Jeśli temperatura nie stanowi problemu, to co można powiedzieć o różnych ceramicznych dielektrykach

Załóżmy, że mamy obwód, którego operacyjny zakres temperatur otoczenia jest dobrze regulowany do 25 + -5 ° C. Oprócz kosztów, jakie byłyby przypadki zastosowania dla różnych ceramicznych rodzajów dielektryków? Innymi słowy, jakie byłyby zastosowania, które konkretny ceramiczny dielektryk działałby lepiej lub gorzej niż inne? Czy możemy dokonać uogólnień?

Wiem, że kody literowe kondensatorów ceramicznych powinny wskazywać zależność dielektryków od temperatury, ale czy można o tym powiedzieć coś więcej, jak sugerują wszystkie te pytania?

Wiem również, że rozmiar opakowania wpływa na pasożyty, a tym samym na częstotliwość rezonansową i utratę czapek. Że niektóre dielektryki nie są dostępne w mniejszych opakowaniach i wyższych napięciach oraz że wiele materiałów ceramicznych wykazuje efekty piezoelektryczne / mikrofonowe (które?). Czy wszystkie te czynniki można skondensować w kilku praktycznych zasadach?

Zauważyłem również, że karty danych producentów wydają się zakładać określone zastosowanie kondensatorów, na przykład nie określając wycieków, rezonansów lub strat w niektórych z nich.

Ale jeśli temperatura otoczenia nie jest czynnikiem, jaki kondensator byłby najlepszy do konkretnego zadania. Czy samonagrzewanie jest problemem dla aplikacji / określonego typu?

Jak dotąd wszystkie moje obwody komercyjne nie były wrażliwe na koszty, więc podam tylko X7R, X5R lub NP0 dla wszystkich ceramicznych czapek, jak widzę te sugerowane w arkuszach danych IC. Ale czy za tymi sugestiami kryje się coś więcej niż zależność od temperatury?

Czy powinienem zwracać większą uwagę na cel ograniczenia? Np. Użyj X5R / X7R tylko do obejścia zasilania i regulacji, ale NPx do czegokolwiek, co znajduje się na ścieżce sygnału? Czy można dokonać dowolnego uogólnienia lub jest to problem wymagający szczegółowego zapoznania się z (bardzo niekompletnymi) arkuszami danych producentów?

W skrócie. Czy istnieją jakieś ogólne zasady, które można zastosować, aby uprościć wyszukiwanie części podczas projektowania?

— Edgar Brown
źródło

ESR zmienia się w zależności od częstotliwości (nie mówię o efektach 1 / (w * C), mam na myśli, że ESR zmienia się w zależności od częstotliwości o rzędy magntitude). Odchylenie prądu stałego zmniejsza pojemność, więc model dużego sygnału ceramicznej nasadki nie jest tak naprawdę kondensatorem. Mogą wystąpić mikrofoniki (jakikolwiek udar mechaniczny kondensatora ceramicznego wytworzy impuls napięciowy na pokrywie). Niemniej jednak są one bardzo przydatne i bardzo szeroko stosowane. Do tego stopnia, że obecnie trudno je znaleźć, ponieważ wielu producentów sprzedało przyszłą produkcję za 6 miesięcy lub dłużej.

— mkeith

@mkeith, że niedobór kondensatora jest prawdziwy. Niedawno miałem do czynienia: brak na świecie kondensatorów 100V, 1uF, 1206, X7R / X7S z 52-tygodniowym czasem realizacji. OTH 1uF 1210 100 V jest obfity. Rynek komponentów pasywnych jest dziwny.

— krytyczny

Odpowiedzi:

Nawet jeśli temperatura otoczenia jest dobrze kontrolowana, prądy powietrza mogą powodować hałas, jeśli na kondensatorze występuje znaczne napięcie.

Degradacja pojemności w czasie jest różna dla różnych dielektryków. I duży współczynnik napięcia pojemności.

Jeśli możesz ich użyć, czapki NP0 cierpią na takie efekty znacznie mniej niż części X5R X7R itp., Ale są one po prostu niedostępne lub są bardzo duże i drogie w wyższych wartościach. Istnieje wiele przypadków, w których ograniczenie X7R na ścieżce sygnału działa dobrze. Z drugiej strony zastosowałem części NP0 jako obejścia w specjalnych zastosowaniach.

Inną cechą jest to, że mniejsze części, szczególnie gdy zbliżasz się do granic tego, co jest możliwe w danym obszarze postojowym, mają zwykle wysoki współczynnik napięcia, więc większość pojemności (aż 80%) może po prostu zniknąć, gdy jest odchylona przy normalnym napięcie robocze. Dlatego może być lepiej użyć 0805 lub 0603 zamiast 0402 lub 0201, nawet jeśli są one większe i być może droższe.

Arkusze danych są zwykle niekompletne, ale niektórzy producenci oferują znacznie bardziej kompletne dane w postaci danych online lub generowanych lokalnie dla każdej części. Na przykład ta witryna Murata (wymaga Flasha) pozwala wyodrębnić dane CSV dla różnych cech.

— Spehro Pefhany
źródło

Tak, ale czy istnieje jakiś ogólny zestaw praktycznych zasad, które można zastosować? Np. Zawsze używaj Nx, aby napięcie znamionowe pozostawało poniżej określonej tolerancji dla X7R, ale 1,1x wystarczy dla NP0?

— Edgar Brown,

@EdgarBrown Dałem ci jednorazowe użycie NP0, jeśli możesz na ścieżce sygnału lub jeśli stabilność jest ważna. Dodam jeszcze jedną powyżej dotyczącą współczynnika napięcia. Generalnie przypuszczalnie oznacza to, że można ominąć uzyskanie dogłębnego zrozumienia zastosowania i cech części, i nie jestem pewien, czy to możliwe.

— Spehro Pefhany,

Podoba mi się, że najpierw wspominasz o hałasie. Moja firma (systemy nanopozycjonowania i metrologia) stwierdziła w zeszłym roku, że hałas pomiarowy wzrósł, kiedy położyliśmy pokrywkę na pudełku, zamiast oczekiwanego zachowania niższego hałasu z powodu lepszego ekranowania. Okazuje się, że niektóre ceramiczne nasadki na ścieżce sygnałowej miały znaczące zachowanie piezoelektryczne, więc nasadki mikrofonowe wychwytywały hałas z wentylatorów chłodzących. Niezbyt przyjemna zabawa, gdy masz nadzieję, że Twoja tablica jest gotowa na spotkanie z klientem.

— Graham

+1 dla @Graham - miałem czapkę X7R jako bypass na pinie REF LDO. Wyjście LDO będzie się wahać przy zgięciu płyty.

— peufeu

@peufeu Tak, to zepsuje ci dzień. : /

— Graham

Rzeczywistość rynkowa często decyduje o twoich wyborach. Niezwykle trudno jest znaleźć części dielektryczne klasy 1 we wspólnych pakietach z aplikacjami o wysokim napięciu (> 10 V) lub dużej pojemności (> 1 uF), prawdopodobnie nie będziesz w stanie po prostu „sprecyzować” lepszego dielektryka i oczekuj, że Twój BOM będzie możliwy do zrealizowania.

Rynek ogólnie zdecydował, że NP0 i inne dielektryki klasy 1 są „pułapami sygnałowymi”, a katalogi części odzwierciedlają to. Jako kolejny przykład, części X7R / X7S stają się trudniejsze do znalezienia w mniejszych pakietach (<0805) i dużej pojemności.

Aby wnieść wkład w dyskusję projektową, kolejny duży czynnik, z wyłączeniem temperatury jako czynnika:

Dielektryki klasy 1 nie podlegają efektom piezoelektrycznym. Ten efekt jest dwukierunkowy. Napięcie tętnienia spowoduje, że część skurczy się i rozszerzy, wytwarzając fizyczny hałas i ciepło, wibracje fizyczne wytworzą napięcie na części.

W zastosowaniach marginalnych z kondensatorami o bardzo wysokiej gęstości i dużym tętnieniu napięcia może to powodować znaczne obciążenie zacisków kondensatora, a nawet pękanie.

Należy pamiętać, że pęknięte kondensatory ceramiczne o wysokiej gęstości zawodzą jako krótkie moce o dużej mocy i mogą powodować poważne uszkodzenia, a nawet pożar w przypadku odłączenia lub obejścia zasilania. Jeśli jest to problem, a przestrzeń ma pierwszeństwo w użyciu innych schematów, wówczas dielektryk NP0 lub inny klasa 1 może zapewnić wystarczającą ilość bufora dla wygody.

Aby dodać do odpowiedzi @SpheroPefhany, specyfikacja temperatury dla danego dielektryka jest również nieodłącznie związana ze zmianą pojemności z temperaturą. Nawet jeśli kontrolujesz temperaturę otoczenia, jeśli jest ona podwyższona, być może będziesz musiał obniżyć efektywną pojemność części dla twojego zastosowania, wszelkie lokalne wahania temperatury pojawią się jako szum w twoim obwodzie.

Kondensatory ceramiczne mają również znacznie niższą efektywną pojemność z wyższym napięciem stałym, co stanowi problem w przypadku odsprzęgania lub obejścia, jeśli wyższe napięcie znamionowe nie jest możliwe, dielektryki klasy 1, ponieważ z grubsza obowiązuje zasada w mniejszym stopniu.

KONIEC Uwaga

Ogólnie zauważyłem, że równoważne części renomowanego zestawu MFG dla tego samego dielektryka i wielkości opakowania są zwykle wystarczająco blisko, aby można je było zamieniać we wszystkich aplikacjach. Niekompletna lista: Murata, TDK, Samsung, Kemet, Yageo

Kiedy przejdziesz do drugiego poziomu MFG i ogólnych chińskich części rynku masowego, wtedy wszystko jest za oknem.

— poważny
źródło

Mówi się, że efekty rynkowe utrudniają znalezienie nasadek NP0 o wysokiej pojemności lub wysokim napięciu w zwykłych opakowaniach, co nie jest prawdą. Powodem jest to, że ze względu na właściwości dielektryka niemożliwe jest wykonanie kondensatora 1uF 0805 NP0, ponieważ stała dielektryczna ceramiki jest zbyt niska.

— Bez

@ C_elegans czytasz razem dwie rzeczy. rozmiar paczki jest jego częścią, ale klasa 1 nie jest często dostępna w wyższych wartościach dla dowolnego rozmiaru paczki. Z pewnością produktywność jest ograniczeniem na małym końcu, ale gdyby istniało zapotrzebowanie na wartość, zobaczylibyście ułożone w stos części i specjalne paczki, tak jak w innych wartościach

— katastroficzne

Do jakich paczek chodzi? Mouser ma czapki NP0 od 0201-5550 (cokolwiek to jest). Masz na myśli części z otworami?

— C_Elegans

Jest to bardziej uwaga uzupełniająca niż pełna odpowiedź, ponieważ Spehro Pefhany i Crasic opisały już główne cechy głównych rodzajów kondensatorów ceramicznych. Pominęli jednak temat znany w kręgu Inżynierów Audio Electronics jeszcze kilka lat temu: ceramika jest dielektrykami dyspersyjnymi (jak praktycznie wszystkie istniejące dielektryki oprócz próżni, ale), których przenikalność zmienia się konsekwentnie między a kilka $1\mathrm{Hz}$ $\mathrm{kHz}$ .
Nawet jeśli uda Ci się znaleźć rozsądnie niezależne od temperatury i zastosowane kondensatory ceramiczne, możesz napotkać ten subtelny problem: pojemność tych urządzeń, a jednocześnie stały i stabilny dla częstotliwości powyżej $1\mathrm{MHz}$ , może znacznie zmienić szerokość pasma audio.

Dlaczego to jest problem?
Jak być może prawie wszystko na tym świecie, kondensator może być jednak przedmiotem o dobrze zdefiniowanej funkcji przenoszenia:

schematyczny

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Funkcja przenoszenia kondensatora ceramicznego ma następującą charakterystykę fazową gdzie $H_c(j\omega)$

\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}$

jak zwykle , gdzie jest częstotliwością sygnału wejściowego, $\omega=2\pi f$ $f$
$k$ jest stałą, zwaną czasem opóźnieniem fazowym
$p(\omega)$ jest nieliniową (zwykle nieparzystą) funkcją asymptotycznie zmierzającą do funkcji liniowej jako $\omega$ $k\omega$ $\omega\to\infty$

Oznacza to, że w zakresie częstotliwości, w którym charakterystyka fazowa funkcji przenoszenia jest nieliniowa (tj. Przenikalność dielektryczna nie jest stała, w naszym konkretnym przypadku), różne składowe widmowe sygnału wejściowego są opóźniane w różny sposób, w zależności na wartość $p(\omega)$ .
Oznacza to zatem, że takich kondensatorów nie należy stosować w zakresie częstotliwości, w którym bardziej uwypuklone jest zachowanie ich dielektryka: w związku z tym lepiej unikać stosowania kondensatorów ceramicznych na ścieżce sygnału obwodów sygnałowych niskiej częstotliwości

— Daniele Tampieri
źródło

Jaki byłby najlepszy typ kondensatora do zastosowań audio?

— Edgar Brown,

Niektórzy eksperymentatorzy, jak dyskutują na diyAudio.com, używają tylko kondensatorów teflonowych z czasów rosyjskich / radzieckich w swoich obwodach kompensacyjnych RIAA z ruchomą cewką winylową audio. Plus NJFET, z regulatorami bocznikowymi VDD typu lownoise.

— analogsystemsrf

@EdgarBrown - ogólnie rzecz biorąc, filmy są najchętniej wybierane przez aplikacje audio wewnątrz ścieżki sygnałowej. Ceramiki można jednak używać do omijania / oddzielania zasilania bez względu na rodzaj obwodu, nad którym pracujesz.

— ThreePhaseEel

@EdgarBrown: jak napisał ThreePhaseEel w swoim komentarzu, najlepsze kondensatory do umieszczenia na ścieżce sygnału dla aplikacji audio to prawdopodobnie kondensator filmowy, nawet jeśli istnieją puriści, którzy twierdzą, że najlepszym kondensatorem nie jest kondensator , tj. Bezpośrednie połączenie. Jednak w obwodach zaworów, w których trudniej jest zaprojektować obwód bezpośrednio sprzężony, widziałem również metalizowane kondensatory mikowe.

— Daniele Tampieri