Керамические конденсаторы большой емкости.

Керамические конденсаторы являются естественным элементом практически любой электронной схемы. Они применяются там, где необходимы способность работать с сигналами меняющейся полярности, хорошие частотные характеристики, малые потери, незначительные токи утечки, небольшие габаритные размеры и низкая стоимость. Там же, где подобные требования пересекаются, керамические конденсаторы практически незаменимы. Но проблемы, связанные с технологией их производства, отводили этому типу конденсаторов, в основном, нишу устройств малой емкости. Действительно, керамический конденсатор на 10 мкФ еще недавно воспринимался как удивительная экзотика, и стоило такое чудо как горсть алюминиевых электролитических тех же емкости и напряжения, либо как несколько аналогичных танталовых.

Однако, развитие технологий позволило сразу нескольким фирмам к настоящему времени сразу нескольким фирмам заявить о достижении их керамическими конденсаторами емкости в 100 мкФ и анонсировать начало производства еще больших значений еще до конца этого года. А сопровождающее этот процесс непрерывное падение цен на все изделия данной группы заставляет внимательнее присмотреться ко вчерашней экзотике, чтоб не отстать от технического прогресса и сохранить конкурентоспособность.

Несколько слов о технологиях. Говоря о керамических конденсаторах, мы будем рассматривать многослойные керамические конденсаторы. На рис.1 представлена структура такого конденсатора, а на рис.2 фотография сильно увеличенного среза изделия одного из мировых лидеров их производства - японской фирмы Murata

Их емкость определяется формулой:
,         (1)
где
ε₀ - константа диэлектрической проницаемости вакуума,
ε - константа диэлектрической проницаемости используемой в качестве диэлектрика керамики,
S₀ – активная площадь одного электрода,
n – число слоев диэлектрика,
d – толщина слоя диэлектрика.

Таким образом, увеличения емкости конденсатора можно добиться уменьшением толщины слоев диэлектрика, увеличением числа электродов, их активной площади, увеличением диэлектрической проницаемости диэлектрика.
Уменьшение толщины диэлектрика и связанная с этим возможность увеличения количества электродов – основной способ увеличения емкости керамических конденсаторов. Но снижение толщины диэлектрика приводит с снижению напряжения пробоя. Потому конденсаторы большой емкости трудно найти на высокое рабочее напряжение.
Увеличение числа слоев – процесс технологически связанный с уменьшением толщины единичного слоя. Рис.3 отображает технологические тенденции последних лет в этой области, представленные фирмой Murata.

Увеличение активной площади одного электрода – это увеличение габаритных размеров конденсатора - крайне неприятное явление, приводящее к резкому росту стоимости изделия.
Увеличение диэлектрической проницаемости при заметном увеличении емкости приводит к существенному ухудшению температурной стабильности и сильной зависимости емкости от приложенного напряжения.
Теперь рассмотрим возможности и особенности применения керамических конденсаторов большой емкости. Перед началом обсуждения стоит обратить внимание на уже имеющиеся предложения и ближайшие планы лидеров отрасли фирм Murata и Samsung Electro-Mechanics, представленные ниже.

Естественной областью применения подобного спектра керамических конденсаторов большой емкости может быть замена ими танталовых и алюминиевых конденсаторов для поверхностного монтажа в схемах подавления пульсаций, разделения постоянной и переменной составляющих электрического сигнала, интегрирующих цепочках. Однако, при этом необходимо учитывать принципиальные различия между этими группами деталей, делающие, в большинстве случаев, бессмысленными замены типа: электролитический конденсатор номиналxнапряжения на аналогичные номиналxнапряжение керамического конденсатора. Рассмотрим коротко основные причины этого.

Частотные свойства конденсаторов определяет зависимость их импеданса и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR)от частоты. Типичные зависимости такого рода для керамических, танталовых и алюминиевых конденсаторов приведены на рис.4 и рис.5.

Существенная разница в импедансе на частотах выше 1кГц с алюминиевыми электролитическими и свыше 10 кГц с танталовыми конденсаторами позволяет в некоторых случаях использовать для сглаживания пульсаций напряжения номиналы меньшей емкости для получения аналогичного эффекта. Разница в величине сглаживания паразитных синусоидальных пульсаций различных частот конденсаторами разного типа, но одинаковой емкости - 10 мкФ, дана в следующей таблице:

Частота пульсации	Входная амплитуда пульсации	Выходная амплитуда пульсации, мВ
		Алюминиевые эл-кие конденсаторы	Танталовые эл-кие конденсаторы	Керамические конденсаторы
10 кГц	2 В	534	204	196
100 кГц		336	64	16
500 кГц		346	38	12
1 МГЦ		332	30	3

 
Таким образом, для обеспечения одинакового с танталовым конденсатором в 10 мкФ уровня подавления пульсаций частотой 1 МГц можно использовать керамический конденсатор емкостью 1,0-2,2 мкФ. Экономия места на плате и денег очевидна.

Низкое эквивалентное последовательное сопротивление и связанные с ним малые потери позволяют значительно сильнее нагружать керамические конденсаторы, нежели электролитические, несмотря на их значительно более скромные габаритные размеры, не вызывая при этом критического для детали разогрева. Сравнительные кривые разогрева конденсаторов токами пульсации различной частоты приведены на рис.6.

Еще одним и немалым плюсом керамических конденсаторов является их способность кратковременно держать высокие напряжения перегрузки, многократно превышающие номинальные. Тот, кто выбирал сглаживающие конденсаторы для импульсных источников питания, знает как это важно! Ибо там в моменты запуска и выключения могут генерироваться импульсы до нескольких значений выходного напряжения, заставляя использовать электролитические конденсаторы с большим запасом по напряжению.

Сравнительную характеристику напряжения пробоя для различных типов конденсаторов по результатам тестов, проведенных фирмой Murata, приведены на рис.7

Теперь несколько слов о грустном. При всех своих достоинствах, керамические конденсаторы большой емкости производятся с использованием диэлектриков типа X7R/X5R и Y5V. Их отличительной особенностью является сильная зависимость диэлектрической проницаемости, а с ней, согласно (1), и емкости от температуры и приложенного напряжения. Типичные зависимости такого рода для конденсаторов разных типов показаны на рисунках 8 и 9.

Из них видим, что при достаточно жестких требованиях к стабильности номинала, например во времязадающих цепях, или при развязке постоянной и переменной составляющих, на замену электролитическим конденсаторам можно рекомендовать только керамические с диэлектриками X5R/X7R, последний из которых может оказаться еще более интересным, если принять во внимание его допустимый диапазон рабочих температур: -55°С +125°С, позволяющий ему найти применение как в аппаратуре, рассчитанной на работу на улице в условиях севера, так и в автомобильной технике, с ее жесткими требованиями к сохранению работоспособности при высоких температурах.

Однако, для сглаживающего конденсатора стабильность номинала не является критическим параметром. Потому можно рассчитывать на высокую востребованность и емкостей на основе менее стабильной керамики Y5V, из которой можно получить детали меньшего габарита и стоимости.