186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198

Раздел 16 Импульсные источники питания

Выбор пассивных компонентов

Многослойные керамические конденсаторы

Многослойные керамические конденсаторы были усовершенствованы до такой степени, что могут обладать ёмкостью в десятки микрофарад при рабочих напряжениях до 16 В. Конденсаторы ёмкостью около 1 мкФ могут иметь номинальное рабочее напряжение до 50 В. Такие конденсаторы обладают очень низким ЭПС. Казалось бы, вот он, идеал. Однако существует множество паразитных эффектов, которые ограничивают их применение.

Многослойные керамические конденсаторы являются классическими конденсаторами с параллельными пластинами, присоединёнными к соответствующим выводам. Диэлектрик состоит из керамики, как правило содержащей титанат бария. На Рис. 6.3 показано, как пластины подключаются к выводам.

Подключение пластин к выводам в многослойном керамическом конденсатореРис. 6.3. Подключение пластин к выводам в многослойном керамическом конденсаторе

Низкое ЭПС обусловливается множеством включённых параллельно пластин и низким сопротивлением материала, из которого они состоят. Влияние ЭПИ в керамических конденсаторах довольно значительно, и ЭПС уже не вносит преобладающий вклад в величину полного сопротивления на высоких частотах. Индуктивность конденсатора определяется шириной и длиной пластин. Чем длиннее пластина, тем больше индуктивность. По этой причине контактные площадки на некоторых конденсаторах, предназначенных для поверхностного монтажа, выводятся на длинные стороны корпуса, а не на короткие, как обычно. При этом тип корпуса меняется с 1206 на 0612. ЭПИ для большинства корпусов под поверхностный монтаж составляет порядка 500 пГн…1 нГн. Казалось бы, такое значение очень невелико, но контур, состоящий из индуктивности 500 пГн и ёмкости 10 мкФ, имеет резонансную частоту 5 МГц.

На Рис. 6.4 изображён в логарифмическом масштабе график зависимости полного сопротивления многослойного конденсатора от частоты в сравнении с танталовым конденсатором.

Зависимости полного сопротивления от частоты для многослойного конденсатора и типового танталового конденсатораРис. 6.4. Зависимости полного сопротивления от частоты для многослойного конденсатора и типового танталового конденсатора

Оба конденсатора имеют ёмкость 10 мкФ и ЭПИ около 1.4 нГн. Резонансная цепь, образуемая ёмкостью и ЭПИ керамического конденсатора, имеет высокую добротность, что отражает резкий провал кривой на частоте резонанса. Свыше резонансной частоты импеданс становится индуктивным. По графику для танталового конденсатора видно, что на частотах выше 30 кГц преобладающее влияние на полное сопротивление оказывает ЭПС. Влияние ЭПИ на высоких частотах незаметно.

Существует пять типов широко применяемых керамических конденсаторов: C0G (раньше назывался NPO), X7R, X5R, Z5U и Y5V. В Табл. 6.1 приведены температурные характеристики диэлектриков класса I и соответствующие обозначения.

Температурный коэффициент Множитель температурного коэффициента Допустимое отклонение
температурного коэффициента
% на °С Буква Множитель Цифра % на °С Буква
0,00 C -1 0 ±3 G
0,03 B -10 1 ±6 H
0,09 A -100 2 ±12 J
0,10 M -1000 3 ±25 K
0,15 P -10000 4 ±50 L

Таблица 6.1. Кодировка температурных параметров для диэлектриков класса I

В Табл. 6.2 приведены температурные характеристики диэлектриков классов II и III и соответствующие обозначения. Обратите внимание, что для обозначения диэлектриков как класса I, так и классов II, III используются две буквы и цифра, но значения у них разные.

Нижняя граница
номинального диапазона температур
Верхняя граница
номинального диапазона температур
Температурный коэффициент емкости
Температура Буква Температура Цифра Проценты Буква
-55°С X +45°С 2 ±10 P
-30°С Y +65°С 4 ±15 R
+10°С Z +85°С 5 +22 / -33 U


+125°С 7 +22 / -82 V

Таблица 6.2. Кодировка температурных параметров для диэлектриков классов II, III

Конденсаторы C0G менее всего подвержены влиянию окружающей среды. Температурный коэффициент равен нулю, приложенное напряжение не влияет на ёмкость, а диэлектрик не является пьезоэлектриком. Диэлектрическая проницаемость у керамических конденсаторов класса I относительно низкая. Ёмкость конденсаторов C0G обычно не превышает 1 нФ.

Диэлектрики классов II и III имеют значительно более высокую диэлектрическую проницаемость и, следовательно, ёмкость. Конденсаторы Y5V могут обладать ёмкостью в десятки микрофарад при низких номинальных напряжениях. Но диэлектрики классов II и III имеют множество недостатков. Температурный коэффициент довольно велик. На Рис. 6.5 изображена кривая, отображающая типичное для конденсаторов Z5U и X7R изменение ёмкости в зависимости от температуры.

График зависимости ёмкости от температуры для конденсаторов Z5U и X7RРис. 6.5. График зависимости ёмкости от температуры для конденсаторов Z5U и X7R

Ёмкость снижается по мере приближения к обеим границам температурного диапазона. Ёмкость керамических конденсаторов подвержена также значительному влиянию приложенного постоянного напряжения. У конденсаторов Z5U она может снижаться на 80%. Ёмкость конденсаторов X7R не так сильно зависит от напряжения. С повышением переменного напряжения ёмкость возрастает. При проектировании важно использовать справочные данные на конденсаторы, с тем чтобы рассчитать, как изменения температуры и приложенного напряжения скажутся на проектируемой схеме. Керамические конденсаторы подвержены старению, если они не используются в течение значительного периода времени. Ёмкость этих конденсаторов постепенно снижается. При нагреве, например при пайке, ёмкость вновь возрастает. Эффект «старения» сказывается на конденсаторах X7R в меньшей степени, чем на Z5U.

Диэлектрики классов II и III являются пьезоэлектриками, поэтому механическое воздействие на них производит напряжение, то есть они подвержены микрофонному эффекту. На работе большинства источников питания этот эффект не сказывается. Ещё одним следствием пьезоэлектрического эффекта является то, что конденсатор вибрирует при приложении к нему переменного напряжения. В источниках питания с этим не возникает проблем, за исключением случаев, когда рабочая частота находится в звуковом диапазоне. Влияние пьезоэффекта на керамику класса II меньше, чем на керамику класса III.

Керамические конденсаторы обладают хорошим предельно допустимым током пульсаций для заданного объёма. Они рассеивают меньшую мощность по сравнению с полярными конденсаторами благодаря низкому ЭПС.

186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198