Si la temperatura no es un problema, ¿qué se puede decir sobre los diferentes dieléctricos de cerámica?

Supongamos que tenemos un circuito cuyo rango de temperatura ambiente de funcionamiento está bien regulado a 25 + -5C. Además del costo, ¿cuáles serían los casos de uso para los diferentes tipos dieléctricos de cerámica? En otras palabras, ¿cuáles serían las aplicaciones en las que un dieléctrico cerámico específico funcionaría mejor o peor que otros? ¿Podemos hacer generalizaciones?

Sé que se supone que los códigos de letras del condensador de cerámica indican dependencia de la temperatura de los dieléctricos, pero ¿hay algo más que se pueda decir al respecto como sugieren todas estas preguntas?

También sé que el tamaño del paquete afecta a los parásitos y, por lo tanto, a la frecuencia resonante y la pérdida de las tapas. Que algunos dieléctricos no están disponibles en paquetes más pequeños y voltajes más altos, y que muchas cerámicas exhiben efectos piezoeléctricos / microfónicos (¿cuáles?). ¿Se pueden condensar todos estos factores en unas pocas reglas generales?

También he notado que las hojas de datos de los fabricantes parecen asumir una aplicación específica para los condensadores, por ejemplo al no especificar fugas, resonancias o pérdidas en algunos de ellos.

Pero, si la temperatura ambiente no es un factor, qué condensador sería mejor para un trabajo específico. ¿El autocalentamiento es un problema para la aplicación / tipo específico?

Todos mis circuitos comerciales hasta ahora no han sido sensibles al costo, por lo que solo especifico X7R, X5R o NP0 para todas las tapas de cerámica, como veo las sugeridas en las hojas de datos de IC. Pero, ¿hay algo más que dependencia de la temperatura detrás de esas sugerencias?

¿Debería prestar más atención al propósito del límite? Por ejemplo, use X5R / X7R solo para derivación y regulación de potencia, pero ¿NPx para cualquier cosa que esté en la ruta de la señal? ¿Se puede hacer una generalización o es un problema que requiere una lectura detallada de las hojas de datos (muy incompletas) de los fabricantes?

En breve. ¿Hay algún principio general que pueda aplicarse para simplificar la búsqueda de piezas durante un diseño?

capacitor circuit-design signal-integrity ceramic Edgar Brown
fuente

La ESR varía con la frecuencia (no estoy hablando de efectos 1 / (w * C), quiero decir que la ESR varía con la frecuencia por orden de magnitud). La polarización de CC reduce la capacitancia, por lo que el modelo de señal grande de una tapa de cerámica no es, en realidad, un condensador. Puede ocurrir microfonía (cualquier choque mecánico a un condensador de cerámica creará un impulso de voltaje a través de la tapa). Sin embargo, son muy útiles y muy utilizados. Tanto es así que, por el momento, son bastante difíciles de encontrar, ya que muchos fabricantes han vendido producción futura en 6 meses o más.

mkeith

@mkeith que la escasez de condensadores es real. Algo reciente con lo que tuve que lidiar: no quedaban en el mundo condensadores de 100V, 1uF, 1206, X7R / X7S con plazos de entrega de 52 semanas. OTH 1uF 1210 100V es abundante. El mercado de componentes pasivos es extraño.

crasic

Respuestas:

Incluso si la temperatura ambiente está bien controlada, las corrientes de aire pueden causar ruido si hay un voltaje significativo a través del condensador.

La degradación de la capacidad con el tiempo es diferente para diferentes dieléctricos. Y el grande, coeficiente de voltaje de capacitancia.

Si puede usarlos, las tapas NP0 sufren tales efectos mucho menos que las piezas X5R X7R, etc., pero simplemente no están disponibles o son muy grandes y costosas en valores más altos. Hay muchos casos en los que un límite X7R en la ruta de la señal funciona bien. Por otro lado, he usado piezas NP0 como tapas de derivación en aplicaciones especiales.

Otra característica es que las partes más pequeñas, especialmente cuando se acercan a los límites de lo que es posible dentro de una huella dada, tienden a tener un coeficiente de alto voltaje, por lo que la mayor parte de la capacitancia (hasta el 80%) simplemente puede desaparecer cuando se polariza a un nivel normal. tensión de funcionamiento. Por lo tanto, puede ser mejor usar un 0805 o 0603 en lugar de un 0402 o 0201, incluso si son más grandes y posiblemente más caros.

Las hojas de datos generalmente están incompletas, pero algunos fabricantes ofrecen datos mucho más completos en forma de datos individuales en línea o generados localmente para cada parte. Por ejemplo, este sitio de Murata (requiere Flash) le permite extraer datos CSV para diversas características.

Spehro Pefhany
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Sí, pero ¿hay algún conjunto general de reglas generales que pueda aplicarse? Por ejemplo, ¿siempre usa Nx la clasificación de voltaje para permanecer bajo una tolerancia específica con X7R pero 1.1x es suficiente con NP0?

Edgar Brown el

@EdgarBrown Te di NP0 de un solo uso si puedes en la ruta de la señal o si la estabilidad es importante. Agregaré otro arriba con respecto al coeficiente de voltaje. Presumiblemente, la generalidad significa que puede evitar obtener una comprensión profunda de la aplicación y las características de la pieza, y no estoy seguro de que sea posible.

Spehro Pefhany

Me encanta que mencionen el ruido primero. Mi empresa (sistemas de nanoposicionamiento y metrología) descubrió el año pasado que el ruido de medición aumentó cuando colocamos la tapa en la caja, en lugar del comportamiento esperado de menor ruido debido a un mejor blindaje. Resulta que algunas tapas de cerámica en el camino de la señal tenían un comportamiento piezoeléctrico significativo, por lo que las tapas microfónicas captaban el ruido de los ventiladores de enfriamiento. No es una experiencia divertida y feliz cuando esperas que tu tabla esté lista para conocer al cliente.

Graham

+1 para @Graham: tenía una gorra X7R como bypass en el pin REF de un LDO. La salida del LDO se tambalearía con la placa flexible.

peufeu

@peufeu Sí, eso arruinará tu día. : /

Graham

La realidad del mercado a menudo dictará sus elecciones, se vuelve extremadamente difícil encontrar piezas dieléctricas de clase 1 en paquetes comunes con aplicaciones de alta tensión (> 10V) o de alta capacidad (> 1uF), es probable que no pueda simplemente "especificar" un dieléctrico mejor y espera que tu BOM sea realizable.

El mercado ha decidido, en general, que NP0 y otros dieléctricos de clase 1 son "límites de señal" y los catálogos de piezas reflejan eso. Como otro ejemplo, las piezas X7R / X7S se vuelven más difíciles de encontrar en paquetes más pequeños (<0805) y de alta capacidad.

Para contribuir a la discusión del diseño, otro factor importante, al excluir la temperatura como factor:

Los dieléctricos de clase 1 no sufren efectos piezoeléctricos. Este efecto es bidireccional. El voltaje de ondulación hará que la parte se contraiga y se expanda y genere ruido físico y calor, la vibración física generará voltaje en la parte.

En aplicaciones marginales con condensadores de muy alta densidad y gran voltaje de ondulación, esto puede provocar una tensión significativa en los terminales del condensador e incluso grietas.

Tenga en cuenta que los condensadores cerámicos de alta densidad agrietados fallan como cortocircuito de alto vataje y pueden causar daños graves e incluso incendios en situaciones de desacoplamiento o derivación de suministro. Si esto es una preocupación, y el espacio es escaso para usar otros esquemas, entonces un NP0 u otro dieléctrico de clase 1 puede darle suficiente amortiguación para su comodidad.

Para agregar a lo que respondió @SpheroPefhany, la especificación de temperatura de un dieléctrico dado también está intrínsecamente vinculada al cambio de capacitancia con la temperatura. Incluso si controla la temperatura ambiente, si es elevada, entonces es posible que deba reducir la capacidad efectiva de la pieza para su aplicación, cualquier fluctuación de temperatura local aparecerá como ruido en su circuito.

Los condensadores de cerámica también tienen una capacitancia efectiva significativamente menor con mayor polarización de CC, lo cual es una preocupación en situaciones de desacoplamiento o derivación, si no es posible una clasificación de voltaje más alta, los dieléctricos de clase 1, como regla general, sufren esto en menor grado.

Nota final

En general, he observado que las partes equivalentes de un conjunto de MFG de buena reputación para el mismo tamaño dieléctrico y de paquete suelen ser lo suficientemente cercanas como para ser intercambiables para todas las aplicaciones. Una lista incompleta: Murata, TDK, Samsung, Kemet, Yageo

Cuando vas a MFG de segundo nivel y partes genéricas del mercado masivo chino, entonces todo está fuera de la ventana.

crasico
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Usted dice que los efectos del mercado hacen que sea difícil encontrar tapas NP0 con alta capacitancia o alto voltaje en los paquetes habituales, lo cual no es cierto. La razón de esto es que debido a las propiedades del dieléctrico, es imposible hacer un condensador 1uF 0805 NP0, porque la constante dieléctrica de la cerámica es demasiado baja. A falta de un gran avance en dieléctricos de cerámica, nada va a cambiar esto

C_Elegans

@C_elegans están leyendo dos cosas juntas. el tamaño del paquete es parte de él, pero la clase 1 a menudo no está disponible en valores más altos para cualquier tamaño de paquete. Ciertamente, la capacidad de fabricación es una limitación en el extremo pequeño, pero si hubiera demanda de un valor, vería piezas apiladas y paquetes especiales como los que tiene en otros valores

crasic el

¿A qué paquetes te refieres? Mouser tiene tapas NP0 de 0201-5550 (sea lo que sea). ¿Quieres decir a través de las partes del agujero?

C_Elegans

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

¿Por qué es esto un problema?
Como tal vez casi cualquier cosa en este mundo, un condensador puede ser un objeto con una función de transferencia bien definida:

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

$H_c(j\omega)$

\arg [H_{C} (j ω)] = {\begin{cases} j k ω & F > pocos k H z \\ j pags (ω) \neq j k ω & F está por debajo del límite anterior \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}$

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

Esto implica que, en el rango de frecuencia donde la característica de fase de la función de transferencia no es lineal (es decir, la permitividad dieléctrica no es constante, en nuestro caso específico), los diferentes componentes espectrales de la señal de entrada se retrasan de una manera diferente, dependiendo sobre el valor de $p(\omega)$ .
Esto implica que tales condensadores no deben usarse en el rango de frecuencia donde se enfatiza más el comportamiento dispersivo de su dieléctrico: como consecuencia, es mejor evitar el uso de condensadores cerámicos en la ruta de señal de los circuitos de señal de audio de baja frecuencia

Daniele Tampieri
fuente

¿Cuál sería el mejor tipo de condensador para aplicaciones de audio?

Edgar Brown el

Algunos experimentadores, como comentan en diyAudio.com, usan solo condensadores de teflón de la era rusa / soviética en sus circuitos de compensación de audio de vinilo de bobina móvil RIAA. Además de NJFETs, con reguladores de bajo ruido shunt-VDD.

analogsystemsrf

@EdgarBrown: en general, las películas son las tapas preferidas para las aplicaciones de audio dentro de la ruta de señal. Sin embargo, la cerámica se puede usar para desviar / desacoplar el suministro, sin importar en qué tipo de circuito esté trabajando.

ThreePhaseEel

@EdgarBrown: como ThreePhaseEel escribió en su comentario, los mejores condensadores para colocar en la ruta de la señal para aplicaciones de audio es probablemente un condensador de película, incluso si hay puristas que dirían que el mejor condensador no es condensador , es decir, acoplamiento directo. Sin embargo, en los circuitos de válvula donde es más difícil diseñar un circuito de acoplamiento directo, también he visto condensadores de mica metalizados.

Daniele Tampieri