Обозначение на конденсаторах. Маркировка конденсаторов: расшифровка цифровых и цветовых обозначений

Спецификации керамических конденсаторов

Многие из нас думали, что общая номенклатура керамических конденсаторов C0G, X7R, B5X и Z5U и др. является физической диэлектрической спецификацией. Не помогло и то, что некоторые производители говорили что-то вроде «X7R диэлектрик». Но эти трехбуквенные обозначения не являются физическим диэлектриком, они представляют собой систему оценки характеристик, и производитель может использовать любой диэлектрический состав по своему выбору, если он соответствует трехбуквенной спецификации характеристик. Керамические конденсаторы с обозначением типа C0G или NP0 (это «ноль», а не «О» в обозначении) относятся к типу Class 1, есть очень стабильные конденсаторы с очень низким температурным дрейфом менее 30 ppm на градус Цельсия. Типы C0G также имеют самый низкий объемный КПД.

Конденсаторы класса II вступают в игру с размером. Трехбуквенная система нумерации подробно описана в

Таблица 1  Трехбуквенная система маркировки конденсаторов класса II. Наиболее часто используемые типы в электронике — X7R и B5X. Это обозначение не указывает на конкретный диэлектрик, а скорее является спецификацией. Производитель может использовать любую конструкцию по своему желанию, если она соответствует спецификации. Например, «X7R» имеет характеристики: A -55 9Диапазон рабочих температур от 0216  o C до +125 ^o C и максимальное изменение емкости +/-10%.

Жизнь (и наши схемы) была бы намного лучше, если бы мы везде использовали конденсаторы, указанные C0G. Проблема в том, что они слишком велики для повсеместного использования в большинстве современных приложений. Во всем, кроме типа C0G, «конденсаторы выходят из строя», как мы увидим ниже.

Когда керамические конденсаторы выходят из строя — смещение постоянного тока

Мой «неудачный опыт» с керамическим конденсатором был, когда я впервые решил использовать керамическую шину распределения питания в новом программно-определяемом радио. Радио работало просто отлично, но шина питания, которая представляла собой источник питания 5,5 В, питающий большую сеть 5-вольтовых регуляторов с малым падением напряжения (LDO), колебалась. Конденсаторы 0,22 мкФ, 0402, которые я использовал, при смещении до 5,4 В просто теряли большую часть своей емкости, а у шины не было достаточной объемной емкости для буферизации низкочастотного взаимодействия, возникающего из-за LDO. Произошло колебание!

К счастью, это было легко исправить. Я просто добавил конденсаторы емкостью 2,2 мкФ к существующим конденсаторам и продолжил тестирование первой итерации платы. Это заставило меня изучить первопричину и внимательно изучить паспорта конденсаторов.

До того, как этот продукт потребовал значительного уменьшения размера, я всегда использовал конденсаторы типоразмеров 0603 и 0805, обычно рассчитанные на 50 В, по крайней мере с одним танталовым конденсатором для шин питания. Так как мои шины питания были 5 В или ниже 80% времени, конденсаторы не проявляли заметного плохого поведения.

Как мастерски описали Марк Фортунато [1] и Иштван Новак [2], у многих из нас был подобный опыт. То, что работало годами, вдруг перестало работать с уменьшением размера.

Как показано на Рис. 1 , известное уменьшение емкости в зависимости от смещения для нескольких конденсаторов.

Рис. 1  Типичные кривые, показывающие уменьшение емкости двух конденсаторов X7R 0,01 мкФ, 50 В по сравнению с конденсатором C0G в зависимости от смещения постоянного тока (A) и двух конденсаторов X7R в зависимости от уровня возбуждения переменного тока (B). Между внешне похожими производителями конденсаторов X7R могут быть большие различия.

Несмотря на то, что я использовал конденсаторы спецификации X7R для своего шунтирования, я увидел огромное снижение значения емкости, потому что одновременно уменьшил номинальное напряжение конденсаторов, получив «двойной удар», который я называю «ударом». в квадрате».

Новак заявил в своей статье: «Чтобы помочь пользователям, все основные поставщики сегодня предоставляют по крайней мере информацию о смещении постоянного тока со своими частями MLCC» [2], но в последнее время я обнаружил, что это уже не так. За последние несколько лет эта информация пропала из большого количества таблиц данных, и теперь вам придется специально искать ее, если вы вообще можете ее найти.

AVX, Murata и KEMET, например, имеют веб-сайты, на которых показаны всевозможные параметры и кривые производительности почти для всех их конденсаторов [3], но, к сожалению, эта информация обычно не может быть передана другому производителю. Например, 0,1 мкФ, 10 В, X7R от одного производителя потеряет -4% своей емкости при смещении 5 В постоянного тока, а другой может иметь -35% меньшую емкость при тех же условиях. Это показывает, что вы просто не можете предположить, что производительность конденсатора одного производителя эквивалентна конденсатору любого другого производителя.

Кроме того, вы, возможно, помните, что в 2017 году во всем мире ощущалась нехватка керамических конденсаторов всех типов. В то время производители изо всех сил пытались получить достаточное количество деталей для продажи. Я столкнулся с несколькими проблемами, связанными с производством, когда не только конечные пользователи вносили непроверенные изменения деталей, но и производители также вносили изменения в свои детали, которые приводили к тому, что они имели разные характеристические кривые смещения постоянного тока.

Оглядываясь на современные кривые зависимости емкости от смещения постоянного тока, вы найдете информацию о производителе, которой уже несколько десятков лет, и я начинаю задаваться вопросом, соответствует ли она действительности. Он просто не обновляется, а в последнее время кажется, что его удаляют, а не обновляют.

Когда керамические конденсаторы выходят из строя — искажения

Еще одна проблема, которую я вижу, это искажения. Это изменение емкости при смещении постоянного тока может вызвать проблему при любом использовании конденсаторов в тракте аналогового сигнала. Я видел слишком много инженеров, которым не хватало места, и они просто подбирали конденсаторы по размеру и температурному диапазону. Это заставляет их проектировать всевозможные «только цифровые» конденсаторы, что приводит к катастрофическим последствиям для их обработки аналогового сигнала.

Чтобы показать и измерить этот эффект искажения, я использовал часть своего проекта BlasterAmp [4], а именно аудиовыход USB-ключа Sound Blaster и программное обеспечение для создания звуковых тонов с очень низким уровнем искажений, специально созданный 18-битный БПФ. анализатор для измерения искажений [5], вместе со схемой Рисунок 2 .

Рис. 2. Схема операционного усилителя NE5534 для тестирования искажений. Тестовый конденсатор — это то место, куда я припаиваю различные конденсаторы для тестирования. Эта схема при подключении к USB-ключу Sound Blaster и некоторому специальному программному обеспечению выдает 16-битный сигнал без искажений (> 95 дБн искажения).

Настройка на рис. 2 ограничена 16-битным искажением ЦАП в Sound Blaster. Как и ожидалось, я измерил все виды 0,01 мкФ, керамических C0G и многослойных пленочных конденсаторов. Они не добавили измеримых искажений на выходе.

Самое интересное началось, когда я измерил конденсаторы X7R. Обычно я использую конденсаторы X7R только в шунтирующих цепях, но я позволил одному или двум проникнуть в тракт обработки сигнала во время моей несущей наверняка. К счастью для меня, они не вызывали проблем, потому что они почти всегда были рассчитаны на 50 В, а это было значительно ниже используемых колебаний сигнала.

Измерения двух кажущихся идентичными типов 0,01 мкФ, 50 В, 0603, X7R с размахом сигнала 20 В показаны на Рис. 3 . Как видно, эти конденсаторы имеют очень разные сигнатуры искажений на графике БПФ. Таблица 2  представляет собой лучшее сравнение продуктов искажения. Один из «кажущихся идентичными» конденсаторов имеет искажения 2:1 лучше, чем другой!

Рис. 3 Характеристика искажения БПФ для двух, казалось бы, идентичных конденсаторов размера 0603, 50 В, X7R. Как видно, у одного значительно хуже характеристики искажения.

Таблица 2  Табличные данные для различных конденсаторов, измеренные на Рисунке 3. Один из конденсаторов имеет в два раза больший процент общих гармонических искажений, чем другой. Ни один из них не имеет производительности даже на 8-битном уровне (-49 дБн) для третьей гармоники!

Я также измерил некоторые конденсаторы X7R, 0805, 50 В, и даже конденсатор 0402, номинальное напряжение 10 В, с искажениями, аналогичными приведенным выше. 0402 должен был быть намного хуже из-за большего размаха относительно его номинального максимального рабочего напряжения, но это не так. Это то, что заставляет меня думать, что кривые технических данных на многие из этих деталей очень старые и больше не соответствуют действительности. Я также сместил конденсатор 0402 до 50 В без заметного увеличения тока утечки, так что, возможно, он все-таки построен на конденсаторе 50 В? Не знаю, но исходя из классической кривой падения емкости в зависимости от рабочего напряжения, должно было быть намного хуже, чем было.

Когда я рылся в своих деталях в поисках конденсаторов для измерения, я также наткнулся на дисковый конденсатор Z5U 45-летней давности. Думал, будут очень плохие искажения, а оказалось совсем не так уж и плохо, примерно как у современного X7R! (См. Рисунок 4 ).

Рис. 4 Конденсатор Z5U 50-летней давности, измеренный просто для развлечения. Его искажение было не таким плохим, как ожидалось.

Я взял один из конденсаторов с рис. 3 и уменьшил размах напряжения на нем до тех пор, пока продукты искажения не оказались в минимальном уровне шума, а затем нанес эти данные на график 9.0204 Рисунок 5 .

Рис. 5. Искажение третьей гармоники в зависимости от размаха напряжения, приложенного к 0,1 мкФ, 50 В, X7R, 0603 (см. рис. 3). Измеренные искажения следовали аппроксимированной логарифмической линии тренда, как и ожидалось.

Линия тренда, построенная по данным на рис. 5, показывает хорошее соответствие логарифмической кривой, это говорит о том, что даже если вы должны использовать конденсатор X7R в тракте сигнала, при достаточно низком уровне сигнала вы можете не заметить никаких искажений. проблемы.

Ни один производитель не указывает искажения в качестве спецификации, и, как показано выше, изменение емкости в зависимости от данных смещения по постоянному току для внешне похожих конденсаторов сильно различается.

Все, что вы можете сделать, это держаться подальше от всего, кроме конденсатора типа C0G, или использовать пленочный конденсатор, где могут возникать искажения. Даже тщательное тестирование может не гарантировать успеха, так как вы никогда не знаете, когда дизайн или конструкция детали могут измениться, что вызовет производственные проблемы. Да, это означает, что размер может стать проблемой, но иногда приходится идти на компромиссы в дизайне.

Когда керамические конденсаторы выходят из строя — пьезоэлектрические эффекты

Я узнал об этом, когда работал со знающими разработчиками контуров фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ); они сказали мне, что любые конденсаторы, кроме конденсаторов C0G или X7R, будут проблемой. Эта «проблема» заключается в том, что любой диэлектрик, отличный от того, который используется для изготовления конденсаторов C0G, использует материал, который по своей природе является пьезоэлектрическим и при деформации вызывает появление напряжения на детали. Я думаю, что разработчики PLL впервые обнаружили эту проблему, когда в проекте были показаны боковые полосы RF на частоте вращения охлаждающего вентилятора. Вентилятор вызывал вибрацию печатной платы, и эта вибрация заставляла рассматриваемые конденсаторы генерировать достаточное пьезоэлектрическое напряжение для модуляции линии настройки генератора PLL, вызывая появление боковых полос. Замена конденсатора на тип C0G устранила проблему.

Конденсаторная промышленность знает об этом, и они называют это «поющими конденсаторами», поскольку большинство людей узнают об этом пьезоэлектрическом явлении как бы в обратном направлении от моего опыта. Если на один из этих конденсаторов подается переменное напряжение, то они изгибаются, и, если частота, напряжение и монтаж подходят, печатная плата превращается в динамик, производящий слышимый шум.

Читая обзоры многих портативных компьютеров, иногда описывают слышимый вой, который можно услышать при определенных условиях нагрузки на определенных ноутбуках. Обычно это описывают как «завывание катушки», но, вероятно, на самом деле это «поющий конденсатор».

Несколько производителей изменили конструкцию своих конденсаторов, чтобы смягчить проблему и снизить возможный акустический шум [6].

В прошлом была проведена хорошая работа по демонстрации и измерению этих проблем, и мне нет смысла повторять их здесь, см. ссылку [7].

Как я уже упоминал, основываясь на опыте других разработчиков, я избегал всего, кроме конденсаторов C0G и X7R, в своих аналоговых конструкциях, используя конденсаторы более высокой плотности только там, где это необходимо, например, между контактными площадками питания ПЛИС. и т. д., или в строго цифровых проектах. Хотя, если вы используете один из этих самых пьезоэлектрических конденсаторов в тактовой линии, кто должен сказать, что какой-то пьезоэлектрический потенциал не может вызвать джиттер порога переключения, тем самым вызывая нежелательный тактовый джиттер дальше по линии? Будь осторожен!

Предположение, которое у меня всегда было, состоит в том, что конденсаторы X7R защищены от пьезоэлектрических проблем, что просто неверно, поскольку в конденсаторах X7R используются диэлектрические материалы, которые по своей природе также являются пьезоэлектрическими. Просто на сегодняшний день уровень пьезоэлектрического заряда был слишком низким, чтобы вызвать у меня какие-либо проблемы, ваш пробег может варьироваться, как они говорят. Эта ситуация может измениться в любой момент, как показал мой опыт с большой нехваткой конденсаторов в 2017 году, поэтому лучше быть очень осторожным. Или используйте один из специально разработанных конденсаторов с низким акустическим шумом, где это необходимо.

Когда керамические конденсаторы выходят из строя — возникают проблемы с растрескиванием

Керамические конденсаторы очень хрупкие. Кто не треснул один или у него не отвалились торцевые заглушки? Эта хрупкость может усугубляться использованием больших керамических конденсаторов на тонкой печатной плате, где изгибание может привести к растрескиванию многих конденсаторов (, рис. 6, ). По моему опыту, я боюсь использовать что-то большее, чем 1206, на стандартной печатной плате толщиной 0,032 или 0,062 дюйма. Я даже зашел так далеко, что установил конденсаторы вертикально в виде двутавровой балки, чтобы уменьшить возможные напряжения. Многие большие массивы керамических конденсаторов даже монтируются в каркасы для снятия напряжения, чтобы уменьшить возможное напряжение растрескивания.

Рисунок 6  Если к любой готовой сборке печатной платы приложено усилие, вызывающее изгиб (красные линии). Тогда любые детали, установленные вдоль изгиба, будут испытывать силу в точках их крепления (черные линии). Керамические конденсаторы, будучи очень хрупкими, обычно сначала страдают от изгибающих усилий и трескаются в точках крепления.

В какой-то степени имеет значение конструкция конденсатора, но все керамические конденсаторы подвержены растрескиванию при изгибе. Полезно помнить об этом и использовать печатную плату соответствующей толщины для размера компонентов, чтобы уменьшить возможное изгибание. А 0,09Печатная плата толщиной 0 или 0,120 дюйма намного жестче, чем стандартный материал толщиной 0,032 или 0,062 дюйма, и ее может быть достаточно для решения любых потенциальных проблем.

Помните, что напряжение изгиба возникает не только при физической деформации доски. Температурные циклы готовой сборки также могут вызвать достаточное напряжение, чтобы расколоть керамические конденсаторы.

Некоторые производители выпускают конденсаторы со специальными гибкими или мягкими выводами, которые позволяют местам пайки фактически изгибаться, что может значительно помочь смягчить проблему.

Другая реальная проблема с любым компонентом меньше 0603 возникает, когда вы берете плату в руки или пытаетесь поместить собранную плату в жесткий металлизированный антистатический пакет с защитой от Фарадея. Эти типы металлизированных мешков довольно жесткие и могут очень легко срезать мелкие детали с доски. Помещение сборки в более податливый или мягкий антистатический пакет перед помещением сборки в жесткий экранированный пакет Фарадея может предотвратить множество проблем с повреждением.

Вы не знаете, чего вы не знаете

Все эти проблемы с конденсаторами хорошо известны и задокументированы, но до сих пор не получили широкого признания в рядовом инженерном сообществе. Я до сих пор вижу конструкции, в которых пытаются использовать наименьший возможный конденсатор в тракте аналогового сигнала. Эти разработчики, к сожалению, скоро узнают о падении емкости, искажениях и проблемах с пьезоэлектрическими свойствами. Это прискорбно, так как гораздо менее болезненно ориентироваться в ловушках, как это было со мной, поэтому я не страдал так сильно, как если бы мне пришлось столкнуться со всеми этими проблемами лично.

Недавно, после большой нехватки конденсаторов, я переоценил, насколько я могу экстраполировать эмпирическое правило пьезоэлектриков, которое я предположил, а именно то, что конденсаторы X7R каким-то образом невосприимчивы к этой проблеме. Я больше не предполагаю это вслепую и гораздо более осторожен. Как указано в примечаниях по применению TDK [7]:

«Инженер не может делать общие предположения на основе… {вне схемы}… одних только измерений».

Тщательно проверьте деталь, которую вы хотите использовать в схеме, но не пытайтесь экстраполировать ее на другие аналогичные детали. Они могут быть совершенно другими, и, что еще хуже, они могут измениться на следующей неделе, когда появится следующая нехватка деталей.

Бонус: конденсаторы — не единственная возможная проблема

Когда Linear Technology некоторое время назад начала производить 18- и 20-битные АЦП, они обнаружили, что даже меньшие резисторы SMT могут вызывать искажения [8]. Оказывается, 12- и 14-битное разрешение было довольно простым, а все, что больше 16 бит, сегодня требует тщательного проектирования, когда каждая отдельная часть должна быть тщательно изучена на предмет нелинейности. Включая «постукивание» по готовой плате для поиска пьезоэлектрических эффектов!

Ссылки:

[1] Марк Фортунато, Maxim Semiconductor, 2012 г. America Inc. http://electrical-integrity.com/Paper_download_files/DCE11_200.pdf

[3] AVX, Murata и Kemit Online Selector/Инструменты моделирования,

• https://spicat.kyocera-avx.com/mlcc
• https://ds. murata.co.jp/simsurfing/mlcc.html?lcid=en-us
• https://ksim3.kemet.com/

[4] Хагеман, Стив, «Упрощение тестирования встроенных аналого-цифровых преобразователей», EDN, 23 июня 2022 г. https://www.edn.com/simplify-testing-of-embedded-analog-to- digital-converters/

[5] DMT9000, 18 бит, анализатор БПФ будет подробно описан в следующей статье.

[6] Корпорация TDK, «Поющие конденсаторы (пьезоэлектрический эффект)», декабрь 2006 г.

[7] Кэдвелл, Джон, Texas Instruments, «Вспышки, вызванные стрессом: микрофоны в керамических конденсаторах», декабрь 2014 г., части 1 и 2. ,

• https://web.archive.org/web/20141230215628/https://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2014/12/19/stress-induced-outbursts-microphonics-in -керамические-конденсаторы-деталь-1
• https://web.archive.org/web/20160317011358/https://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2014/12/23/stress-induced-outbursts-microphonics-in-ceramic -конденсаторы-деталь-2

[8] Хатчисон, Тайлер, «Сети согласованных резисторов для прецизионных усилителей», Замечания по проектированию линейных технологий 502 https://www.