Wenn die Temperatur keine Rolle spielt, was kann man über die verschiedenen keramischen Dielektrika sagen?

Nehmen wir an , wir eine Schaltung , deren Betrieb haben Umgebungstemperaturbereich ist gut geregelt zu 25 + -5 ° C. Was wären neben den Kosten die Anwendungsfälle für die verschiedenen dielektrischen Keramiktypen? Mit anderen Worten, welche Anwendungen würde ein bestimmtes Keramikdielektrikum besser oder schlechter als andere ausführen? Können wir irgendwelche Verallgemeinerungen machen?

Ich weiß, dass Buchstabencodes für Keramikkondensatoren die Temperaturabhängigkeit der Dielektrika anzeigen sollen , aber kann darüber noch etwas gesagt werden, wie all diese Fragen nahelegen?

Ich weiß auch, dass die Packungsgröße die Parasiten und damit die Resonanzfrequenz und den Verlust der Kappen beeinflusst. Dass einige Dielektrika nicht in kleineren Gehäusen und höheren Spannungen erhältlich sind und dass viele Keramiken piezoelektrische / mikrophonische Effekte aufweisen (welche?). Können all diese Faktoren in wenigen Faustregeln zusammengefasst werden?

Mir ist auch aufgefallen, dass die Datenblätter der Hersteller eine bestimmte Anwendung für die Kondensatoren anzunehmen scheinen, beispielsweise indem in einigen von ihnen keine Leckagen, Resonanzen oder Verluste angegeben werden.

Wenn jedoch die Umgebungstemperatur keine Rolle spielt, welcher Kondensator für einen bestimmten Auftrag am besten geeignet ist. Ist die Selbsterwärmung ein Problem für die Anwendung / den spezifischen Typ?

Alle meine kommerziellen Schaltkreise waren bisher nicht kostensensitiv, daher spezifiziere ich nur X7R, X5R oder NP0 für alle Keramikkappen, wie ich in den IC-Datenblättern vorgeschlagen sehe. Aber steckt hinter diesen Vorschlägen mehr als nur eine Temperaturabhängigkeit?

Sollte ich dem Zweck der Obergrenze mehr Aufmerksamkeit schenken? Verwenden Sie beispielsweise X5R / X7R nur für die Leistungsumgehung und -regelung, aber NPx für alles, was sich im Signalpfad befindet? Kann eine Verallgemeinerung vorgenommen werden oder ist dies ein Problem, das ein detailliertes Lesen der (sehr unvollständigen) Datenblätter der Hersteller erfordert?

Zusamenfassend. Gibt es allgemeine Prinzipien, die angewendet werden können, um die Suche nach Teilen während eines Entwurfs zu vereinfachen?

— Edgar Brown
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Der ESR variiert mit der Frequenz (ich spreche nicht von 1 / (w * C) -Effekten, ich meine, der ESR variiert mit der Frequenz um Größenordnungen). Die Gleichstromvorspannung verringert die Kapazität, so dass das Großsignalmodell einer Keramikkappe eigentlich kein Kondensator ist. Mikrophonik kann auftreten (jeder mechanische Schlag auf einen Keramikkondensator erzeugt einen Spannungsimpuls über der Kappe). Trotzdem sind sie sehr nützlich und weit verbreitet. So sehr, dass sie im Moment ziemlich schwer zu finden sind, da viele Hersteller die zukünftige Produktion 6 Monate oder länger verkauft haben.

— Mkeith

@mkeith, dass Kondensatormangel real ist. Eine neue Sache, mit der ich mich befassen musste: Keine 100V-, 1uF-, 1206-, X7R / X7S-Kondensatoren mehr mit einer Vorlaufzeit von 52 Wochen auf der Welt. OTH 1uF 1210 100V ist reichlich vorhanden. Passiver Komponentenmarkt ist seltsam.

— krasische

Antworten:

Selbst wenn die Umgebungstemperatur gut geregelt ist, können Luftströme Rauschen verursachen, wenn am Kondensator eine erhebliche Spannung anliegt.

Die Kapazitätsverschlechterung mit der Zeit ist für verschiedene Dielektrika unterschiedlich. Und der große, der Spannungskoeffizient der Kapazität.

Wenn Sie sie verwenden können, leiden NP0-Kappen unter solchen Effekten viel weniger als X5R X7R usw. Teile, aber sie sind einfach nicht verfügbar oder sind in höheren Werten sehr groß und teuer. Es gibt viele Fälle, in denen eine X7R-Kappe im Signalpfad einwandfrei funktioniert. Andererseits habe ich NP0-Teile in speziellen Anwendungen als Bypass-Kappen verwendet.

Ein weiteres Merkmal ist, dass kleinere Teile, insbesondere wenn Sie sich den Grenzen des Möglichen innerhalb eines bestimmten Footprints nähern, tendenziell einen hohen Spannungskoeffizienten aufweisen, sodass der größte Teil der Kapazität (bis zu 80%) bei normaler Vorspannung einfach verschwinden kann Betriebsspannung. Daher ist es möglicherweise besser, einen 0805 oder 0603 anstelle eines 0402 oder 0201 zu verwenden, selbst wenn diese größer und möglicherweise teurer sind.

Die Datenblätter sind normalerweise unvollständig, aber einige Hersteller bieten viel vollständigere Daten in Form von online oder lokal generierten Daten an, die für jedes Teil individuell sind. Auf dieser Murata-Site (für die Flash erforderlich ist) können Sie beispielsweise CSV-Daten für verschiedene Merkmale extrahieren.

— Spehro Pefhany
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Ja, aber gibt es allgemeine Faustregeln, die angewendet werden können? Verwenden Sie beispielsweise immer Nx die Nennspannung, um bei X7R unter einer bestimmten Toleranz zu bleiben, aber 1,1x ist bei NP0 ausreichend?

— Edgar Brown

@EdgarBrown Ich habe dir einmal NP0 gegeben, wenn du im Signalpfad kannst oder wenn Stabilität wichtig ist. Ich werde oben einen weiteren bezüglich des Spannungskoeffizienten hinzufügen. Allgemein bedeutet vermutlich, dass Sie ein tiefes Verständnis der Anwendung und der Teileigenschaften umgehen können, und ich bin mir nicht sicher, ob dies möglich ist.

— Spehro Pefhany

Ich finde es toll, dass Sie zuerst Lärm erwähnen. Mein Unternehmen (Nanopositionierungssysteme und Messtechnik) stellte im vergangenen Jahr fest, dass das Messrauschen beim Aufsetzen des Deckels auf die Box gestiegen ist, anstatt das erwartete Verhalten eines geringeren Rauschens aufgrund einer besseren Abschirmung. Es stellte sich heraus, dass einige Keramikkappen im Signalpfad ein signifikantes piezoelektrisches Verhalten aufwiesen, sodass Mikrofonkappen Geräusche von den Lüftern aufnahmen. Keine lustige Erfahrung, wenn Sie hoffen, dass Ihr Board bereit ist, den Kunden zu treffen.

— Graham

+1 für @Graham - Ich hatte eine X7R-Kappe als Bypass am REF-Pin eines LDO. Der Ausgang des LDO würde mit dem Board-Flex wackeln.

— Peufeu

@peufeu Ja, das wird dir den Tag verderben. : /

— Graham

Die Marktrealität bestimmt oft Ihre Wahl. Es wird äußerst schwierig, dielektrische Teile der Klasse 1 in gängigen Gehäusen mit Hochspannungs- (> 10 V) oder Hochleistungsanwendungen (> 1 uF) zu finden. Sie werden wahrscheinlich nicht in der Lage sein, einfach ein besseres Dielektrikum zu "spezifizieren" und erwarten Sie, dass Ihre Stückliste realisierbar ist.

Der Markt hat im Allgemeinen entschieden, dass NP0 und andere Dielektrika der Klasse 1 "Signalkappen" sind, und die Teilekataloge spiegeln dies wider. Als weiteres Beispiel sind X7R / X7S-Teile in kleineren Gehäusen (<0805) und hoher Kapazität schwerer zu finden.

Um zur Designdiskussion beizutragen, ist ein weiterer wichtiger Faktor, wenn die Temperatur als Faktor ausgeschlossen wird:

Dielektrika der Klasse 1 leiden nicht unter piezoelektrischen Effekten. Dieser Effekt ist bidirektional. Durch die Welligkeitsspannung schrumpft und dehnt sich das Teil aus und erzeugt physikalisches Rauschen und Wärme. Durch physikalische Vibration wird Spannung am Teil erzeugt.

Bei Randanwendungen mit Kondensatoren mit sehr hoher Dichte und großer Welligkeitsspannung kann dies zu einer erheblichen Belastung der Kondensatoranschlüsse und sogar zu Rissen führen.

Beachten Sie, dass gerissene Keramikkondensatoren mit hoher Dichte als harter Kurzschluss mit hoher Leistung versagen und in Entkopplungs- oder Versorgungsbypass-Situationen schwere Schäden und sogar Brände verursachen können. Wenn dies ein Problem darstellt und der Platz für die Verwendung anderer Schemata knapp ist, bietet Ihnen ein NP0- oder ein anderes Dielektrikum der Klasse 1 möglicherweise genügend Puffer für Komfort.

Um die Antwort von @SpheroPefhany zu ergänzen, ist die Temperaturspezifikation eines bestimmten Dielektrikums auch untrennbar mit der Kapazitätsänderung mit der Temperatur verbunden. Selbst wenn Sie die Umgebungstemperatur steuern und diese erhöhen, müssen Sie möglicherweise die effektive Kapazität des Teils für Ihre Anwendung verringern. Lokale Temperaturschwankungen werden als Rauschen in Ihrem Stromkreis angezeigt.

Keramikkondensatoren haben auch eine signifikant geringere effektive Kapazität mit höherer Gleichstromvorspannung, was in Entkopplungs- oder Bypass-Situationen ein Problem darstellt. Wenn eine höhere Nennspannung nicht möglich ist, leiden Dielektrika der Klasse 1 als grobe Faustregel in geringerem Maße darunter.

ENDE Hinweis

Ich habe allgemein beobachtet, dass äquivalente Teile aus seriösen MFG-Sätzen für das gleiche Dielektrikum und die gleiche Gehäusegröße normalerweise nahe genug sind, um für alle Anwendungen austauschbar zu sein. Eine unvollständige Liste: Murata, TDK, Samsung, Kemet, Yageo

Wenn Sie zu zweitrangigen MFG- und generischen chinesischen Massenmarktteilen gehen, ist alles aus dem Fenster.

— krasisch
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Sie sagen, dass Markteffekte es schwierig machen, NP0-Kappen mit hoher Kapazität oder hoher Spannung in den üblichen Gehäusen zu finden, was nicht stimmt. Der Grund dafür ist, dass es aufgrund der Eigenschaften des Dielektrikums unmöglich ist, einen 1uF 0805 NP0-Kondensator herzustellen, da die Dielektrizitätskonstante der Keramik zu niedrig ist.

— Abgesehen

@C_elegans Sie lesen in zwei Dinge zusammen. Die Paketgröße ist Teil davon, aber Klasse 1 ist für höhere Paketgrößen häufig nicht in höheren Werten verfügbar. Sicherlich ist die Herstellbarkeit eine Einschränkung für das kleine Ende, aber wenn es eine Nachfrage nach einem Wert gäbe, würden Sie gestapelte Teile und Spezialverpackungen sehen, wie Sie sie in anderen Werten haben

— krasisch

Auf welche Pakete beziehen Sie sich? Mouser hat NP0-Kappen von 0201-5550 (was auch immer das ist). Meinst du durch Lochteile?

— C_Elegans

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

Warum ist das ein Problem?
Wie vielleicht fast alles auf dieser Welt kann ein Kondensator jedoch ein Objekt mit einer genau definierten Übertragungsfunktion sein:

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

$H_c(j\omega)$

\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}$

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

$p(\omega)$

— Daniele Tampieri
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Was wäre der beste Kondensatortyp für Audioanwendungen?

— Edgar Brown

Einige Experimentatoren verwenden, wie sie auf diyAudio.com diskutieren, nur Teflonkondensatoren aus russischer / sowjetischer Zeit in ihren RIAA-Kompensationsschaltungen für Vinyl-Audio mit beweglicher Spule. Plus NJFETs mit lownoise Shunt-VDD-Reglern.

— Analogsystemsrf

@EdgarBrown - Im Allgemeinen sind Filme die Kappen der Wahl für Audio-Apps innerhalb des Signalpfads. Keramik kann zur Umgehung / Entkopplung der Versorgung verwendet werden, unabhängig davon, an welcher Art von Schaltung Sie arbeiten.

— ThreePhaseEel

@EdgarBrown: Wie ThreePhaseEel in seinem Kommentar schrieb, ist der beste Kondensator, der für Audioanwendungen auf dem Signalpfad platziert werden kann, wahrscheinlich ein Filmkondensator, selbst wenn es Puristen gibt, die sagen würden, dass der beste Kondensator kein Kondensator ist , dh eine direkte Kopplung. In Ventilschaltungen, in denen es schwieriger ist, eine direkt gekoppelte Schaltung zu entwerfen, habe ich jedoch auch metallisierte Glimmerkondensatoren gesehen.

— Daniele Tampieri