Почему мой кондёр не кондёрит?

Здесь мой перевод нашумевшей недавно статьи Марка Фортунато про керамические конденсаторы:

Mark Fortunato: «Temperature and Voltage Variation of Ceramic Capacitors, or Why Your 4.7µF Capacitor Becomes a 0.33µF Capacitor», Dec 04, 2012
http://www.maximintegrated.com/app-notes/index.mvp/id/5527

Изменения параметров конденсатора от температуры и напряжения, или почему ваш конденсатор на 4.7 мкФ становится конденсатором на 0.33 мкФ

Практическое использование современных, маленьких  керамических конденсаторов — это хорошее напоминание всегда читать даташиты.

Эта обучающая статья объясняет, почему в обозначениях типов керамических конденсаторов таких как (X7R и Y5V) ничего не говориться о вольтаических (voltage) коэффициентах. (Прим. перевод.: то есть изменения параметров конденсаторов от приложенного к ним постоянного напряжения.). Инженеры должны знать — не-е, реально — должны знать, как их конкретные конденсаторы работают под напряжением.

Аналогичная версия статьи опубликована 26 Ноября 2012 года на портале инженеров-электроников EDN:
http://www.edn.com/design/analog/4402049/Temperature-and-voltage-variation-of-ceramic-capacitors—or-why-your-4-7—F-capacitor-becomes-a-0-33—F-capacitor

Введение: Я был удивлен

Несколько лет назад, после более чем 25 лет работы с керамическими конденсаторами, я узнал об этих бестиях нечто новое. Я работал над драйвером для светодиодной лампы, и столкнулся с интересной проблемой — временнЫе параметры в RC-цепях упорно не хотели быть правильными.

Сначала я предположил, что на плату были установлены компоненты не с теми номиналами, и я измерил сопротивление двух резисторов, использовавшихся в драйвере напряжения (voltage-driver). Они были почти идеальными. Затем я выпаял конденсатор и замерил его. Он тоже оказался «правильным». Но чтобы гарантированно не наступить на эти грабли я взял пару новых резисторов и конденсатор, замерил их, а затем установил их на плату. Я запустил схему, проверил, что основная (базовая) функция была правильная, и я уже ожидал увидеть, что проблема моей RC-константы ушла. Но это оказалось не так.

Я тестировал схему в ее обычном (natural) окружении: в ее корпусе, который сам находился внутри плафона потолочного светильника. Температура компонентов в некоторых случаях даже превышала 100°С. Даже за то короткое время, которое мне требовалось чтобы провести повторное тестирование поведения RC-генератора, детали становилось довольно-таки горячими. Моим следующим предположением, конечно, стало что то, что проблема была вызвана изменением конденсатора из-за температуры.

Но я скептически отнесся к этому заключению, так как использовал конденсаторы X7R, которые я знаю уже много лет, — они имеют отклонения ±15% при температуре до +125°С.  Чтобы удостовериться в этом и подтвердить свои знания, я перелистал даташит на этот конденсатор. Вот, с этого и началось мое пере-изучение керамических конденсаторов.

Начальные знания по нескольким базовым типам керамических конденсаторов

Для тех, кто не помнит все эти характеристики (по сути — практически никто не помнит!), в таблице ниже показаны расшифровка буквенных и цифровых кодов, используемых для обозначений керамических конденсаторов.

Эта таблица описывает керамику II-го и III-го класса. Без глубокого погружения в детальные подробности можно сказать, что в состав конденсаторов I-го класса входят конденсаторы COG-типа (NPO). Они не такие энергоемкие (накопленная энергия/объем конденсатора), как те, что в таблице, но зато они более стабильные по отношению к условиям окружающей среды и не проявляют пьезо-эффекта. Однако, те, что перечислены в таблице ниже, могут иметь широкое изменения своих характеристик, они могут сжиматься и расширяться под действием приложенного к ним электрического напряжения, иногда приводящему к слышим зудящим и/или звенящим пьезо-эффектам.

1-й символ: нижняя температура		2-й символ: верхняя температура		3-й символ: максимальное изменение от температуры
буква	температура (°C)	число	температура (°C)	буква	изменение (%)
Z	+10	2	+45	A	±1.0
Y	-30	4	+65	B	±1.5
X	-55	5	+85	C	±2.2
–	–	6	+105	D	±3.3
–	–	7	+125	E	±4.7
–	–	8	+150	F	±7.5
–	–	9	+200	P	±10
–	–	–	–	R	±15
–	–	–	–	S	±22
–	–	–	–	T	+22, -33
–	–	–	–	U	+22, -56
–	–	–	–	V	+22, -82

Я работал с разными конденсаторами, в основном типов  X5R, X7R, но не Y5V. Я никогда не использовал конденсаторы типа Y5V из-за чрезвычайно широкого изменения их характеристик от условий окружающей среды.

Когда компании занимаются разработкой конденсаторов, они выбирают материалы с характеристиками, которые позволят конденсаторам работать в заданном температурном диапазоне (см. таблицу — первые две колонки) и при этом находится в заданном диапазоне отклонений от нормы (см. третью колонку). Так, например, конденсаторы типа X7R, которые я использовал, не должны отклоняться более чем на ±15% на всем протяжении температурного диапазона от -55°С до +125°С.

Таким образом, либо я имел партию плохих конденсаторов, либо что-то не то происходило в моей схеме.

Не все йогурты одинаково полезны
(Не все X7R созДаны одинаковыми)

Поскольку моя проблема со времязадающим RC-цепями была значительно сложнее, чем просто изменение ее характеристик от температуры, то я начал копать глубже. Разглядывая данные по изменению емкости конденсатора от приложенного к нему напряжения, я вдруг с удивлением обнаружил, как много емкости конденсатора я теряю при условиях, в которых работает моя схема. Я взял 16-вольтовый конденсатор для работы под напряжением 12В. Даташит говорит, что мой кондер на 4.7 мкФ в этих условиях будет обеспечивать только 1.5 мкФ! Итак, сейчас это как-то объясняет проблему, которую имела моя схема.

Далее даташит показывает, что если я увеличу размер конденсатора с 0805 до 1206, то типовая емкость для этих условий будет составлять уже 3.4 мкФ. Это требует дальнейших изучения.

Я обнаружил, что вэб-сайты Murata и TDK имеют изящные средства, которые позволят каждому желающему увидеть изменения емкости при различных условиях. Я исследовал конденсаторы 4.7 мкФ разных габаритных размеров и на разное напряжение. График, приведенный ниже, я утянул с Murata-овского сайта, на нем показаны характеристики для разных конденсаторов с начальной (номинальной) емкостью 4.7 мкФ. Я рассматривал оба типа X5R и X7R, упакованных в корпуса от 0603 до 1812, и с напряжением от 6.3 В до 25 В.

Во первых, заметьте, что с увеличением габаритных размеров конденсатора уменьшается их чувствительность к величине приложенного к ним постоянного напряжения.

Второй интересный момент состоит в том, что относительные изменения емкости конденсаторов для одного и того же типа керамики и одних и тех же габаритных размеров, не зависят от напряжения, на которое конденсаторы рассчитаны — конденсаторы ведут себя примерно одинаково. Можно было бы ожидать, что использование в 12-Вольтовых цепях 25-Вольтового конденсаторов даст меньшие отклонения, чем 16-Вольтового. Рассматривая кривые для X5R в корпусе 1206 мы видим, что партия конденсаторов на 6.3В работает даже лучше, чем их «братья», рассчитанные на большие напряжения. Если бы мы посмотрели в более широком диапазоне конденсаторов, то мы бы заметили, что это поведение должно быть общим для всех. Та горстка конденсаторов, которую я рассматривал, не столь сильно выявляет эти зависимости, как вся популяция керамических конденсаторов в целом.

Третье замечание касается того, что при одинаковых корпусах (габаритах) X7R всегда имеют лучшую температурную чувствительность, чем X5R. Я не знаю, на сколько это правило универсально вообще, но в моих исследованиях это так.

На основе данных из графиков, следующая таблица показывает, как сильно уменьшается емкость конденсатора при подаче на него постоянного напряжения 12В.

Таблица 2. Конденсаторы X7R при напряжении 12В
кузов	емкость	% от номинала
0805	1.53	32.6
1206	3.43	73.0
1210	4.16	88.5
1812	4.18	88.9
Номинал	4.7	100

Увеличивая размер корпуса, мы видим неизменное улучшение показателей, но до тех пор, пока не достигнем размера 1210. Дальнейшие увеличения габаритов уже не приносят ощутимого эффекта. Для разработки светодиодного драйвера, я взял конденсатор X7R 4.7 мкФ в самом маленьком корпус, потому что в проекте были жесткие требования к габаритам. Я предполагал, что все конденсаторы X7R имеют одинаковую эффективность вне зависимости от размера корпуса — на самом деле это оказалось не так. Для того чтобы получить от устройства задуманные параметры, я должен был взять конденсатор в более габаритном корпусе.

Выбор правильного конденсатора

Я реально не хотел использовать кузов 1210. К счастью, у меня была возможность увеличить значения резисторов примерно в 5 раз, уменьшив тем самым емкость конденсатора до 1.0 мкФ. На следующем графике показаны зависимости потери емкости от приложенного постоянного напряжения для некоторых 16-Вольтовых конденсаторов типа X7R на 1.0 мкФ и на 4.7 мкФ.

Сразу бросается в глаза то, что конденсатор на 1.0 мкФ в кузове 0603 ведет себя примерно так же как конденсатор 4.7 мкФ в кузове 0805. Далее, конденсаторы на 1.0 мкФ в кузове 0805 и 1206 работают несколько лучше, чем конденсатор 4.7 мкФ в кузове 1210. Таким образом, уменьшая емкость конденсатора до 1.0 мкФ и оставляя его прежний размер (0805), я мог снизить потерю емкости с 85% до 30%.

Но там еще было чему поучиться. Я все еще был в недоумении. Я все еще был уверен, что все X7R кондёры (в оригинале — «caps», прим. пер.) имеют подобные вольтаические коэффициенты, поскольку в них используется тот же самый диелектрик, который называется X7R. Я связался с коллегой, который был экспертом по керамическим конденсаторам. Он объяснил, что в мире имеется много материалов, которые квалифицируются как «X7R». В действительности, многие материалы, которые отвечают или превосходят температурные коэффициенты X7R (±15% во всем температурном диапазоне от -55°C до +125°C), могут называться X7R. Он так же сказал, что ни для X7R, ни для других типов не имеется никаких вольтаических показателей.

Это очень важный момент, поэтому его следует повторить. Производитель может присваивать конденсаторам тип X7R (X5R и другие) до тех пор, пока они отвечают заданным температурным требованиям, не смотря на то, что у них может быть очень плохие дела с вольтаическими характеристиками.

Что касается практикующего инженера, этот случай просто заставляет следовать старой доброй истине, которую знает каждый прокачанный гик —» RTFM!» (Read the Fucking Manual) или «Читайте Даташит!»

Поскольку производители делают свои конденсаторы все мельче и мельче, они вынуждены идти на компромисс с применяемыми материалами. Чтобы получить реально хорошие массо-габаритные показатели (емкость х напряжение / габарит) для своих конденсаторов, они должны принять ухудшение вольтаических параметров как должное. Конечно, производители, которые заботятся о своей репутации, стараются минимизироовать последствия этого компромисса. Конечно, когда вы используете конденсатор (а по большому счету — любой электронный элемент) в крошечном корпусе, это очень важно — читать даташит на него. Часто бывает так, что даташиты, выставленные в общий доступ, очень кратко написаны и имеют очень скудный объем информации такого рода, но вы всегда имеете возможность запросить у производителя более подробную информацию.

А как на счет конденсаторов Y5V, которые я чохом откинул все сразу. Для пущей важности, давайте проверим и Y5V. Я не буду оглашать имя производителя этих тварей, так как у других производителей они получаются не на много лучше. Я выбрал конденсатор 4.7 мкФ на 6.3 В в кузове 0603 и посмотрел на его характеристики при +85°С и постоянном приложенном напряжении 5 В. При напряжении 5 В емкость конденсатора упала аж на 92.9% от номинала и составила 0.33 мкФ. Это правда! Приложение к 6.3-Вольтовому конденсатору напряжения 5.0 В снижает его емкость в 14 раз. При температуре +85°С и нулевом напряжении тоже проблемы — емкость конденсатора уменьшается на 68.14% — с 4.7 мкФ до 1.5 мкФ. Возможно вы думаете, что если конденсатор, который находится под напряжением 5В, сейчас нагреть до +85°С, то его емкость упадет с 0.33 мкФ до 0.11 мкФ. К счастью эти два эффекта (изменения от напряжение и от температуры) не комбинируются друг с другом. В этом конкретном случае, зависимость от напряжения при комнатной температуре выражена сильнее, чем при температуре +85°С. В то время как  изменение приложенного к конденсатору напряжения с 0.0 В до 5.0 приводит к потере емкости конденсатора с 4.7 мкФ до 1.5 мкФ, то же изменение напряжения при температуре +85°С наоборот — увеличивает емкость конденсатора с 0.33 мкФ до 0.39 мкФ. Поди разберись — как поведет себя конденсатор на практике! Такое положение дел должно убедить вас в реальной необходимости тщательно проверять спецификации на выбранный электронный компонент.

Заключение

В результате этого урока я больше не указываю для коллег и потребителей тип конденсаторов — X7R или X5R. Вместо этого я указываю конкретные поставки (партии) конкретных производителей, которые я проверил. Я так же призываю потребителей проверять параметры, чтобы не наступить на эти грабли, когда рассматривается вопрос о смене производителя продукции.

Как вы предположили, самый большой урок в том, чтобы RTFM каждый раз без исключения. Когда в даташитах приводится не достаточно данных, делайте запросы на подробное изложение информации. Помните так же, что в обозначения типов X7R, X5R и Y5V у керамических конденсаторов нет ничего относительно их вольтаических характеристик. Инженеры должны проверять данные чтобы знать — реально знать! — как конкретный конденсатор будет работать под напряжением.

И последнее. Имейте в виду,что мы продолжаем безумную гонку в уменьшении размеров электронных компонентов. Это добавляет каждый день новые проблемы в совершенно неожиданных областях.

Автор публикации (Mark Fortunato) благодарит Криса Баркет , который занимается аналитикой отказов в компании TDK, за разъяснения по вопросу «Какого хрена эта хрень не работает?»

The author wishes to thank Chris Burkett, FAE at TDK, for his explanations of «what the heck was going on here?»

А я, как переводчик этой статьи, благодарю вас за то, что вынесли пытку прочитать мой перевод. Всем удачи и отсутствия дыма из платы!

Как всегда, критика приветствуется. Пожалуйста, помогите мне вЫчитать из текста ошибки и сделать его лучше.

22.12.2012

UPDATE 21.03.2016

А вот, что намерил ksiman у только-что купленных конденсаторов X5R 1206 10 мкф/50 В:

Напряжение — Ёмкость
0В — 8,3мкФ
1В — 8,0мкФ
2В — 7,5мкФ
3В — 7,0мкФ
5В — 5,6мкФ
7В — 4,5мкФ
9В — 3,5мкФ
12В — 2,7мкФ
15В — 1,9мкФ
20В — 1,45мкФ
25В — 1,16мкФ
30В — 0,97мкФ
35В — 0,83мкФ
40В — 0,72мкФ
45В — 0,63мкФ
50В — 0,56мкФ

А вот график зависимости ёмкости конденсатора от постоянного напряжения на нём:

Об остальных чудесах конденсаторов читайте тут:

http://mysku.ru/blog/aliexpress/38499.html