Se a temperatura não é um problema, o que pode ser dito sobre os diferentes dielétricos cerâmicos

Vamos assumir que temos um circuito cuja faixa de temperatura ambiente operacional está bem regulada para 25 + -5C. Além do custo, quais seriam os casos de uso para os diferentes tipos dielétricos de cerâmica? Em outras palavras, quais seriam as aplicações é que um dielétrico cerâmico específico teria desempenho melhor ou pior que outros? Podemos fazer generalizações?

Eu sei que os códigos de letras de capacitores de cerâmica devem indicar dependência de temperatura dos dielétricos, mas há algo mais a ser dito sobre isso, como todas essas perguntas sugerem?

Eu também sei que o tamanho da embalagem afeta os parasitas e, portanto, a frequência ressonante e a perda das tampas. Que alguns dielétricos não estão disponíveis em pacotes menores e tensões mais altas e que muitas cerâmicas exibem efeitos piezoelétricos / microfônicos (quais?). Todos esses fatores podem ser condensados em algumas regras práticas?

Também notei que as folhas de dados dos fabricantes parecem assumir uma aplicação específica para os capacitores, por exemplo, não especificando vazamentos, ressonâncias ou perdas em alguns deles.

Mas, se a temperatura ambiente não é um fator, qual capacitor seria melhor para um trabalho específico. O autoaquecimento é um problema para o aplicativo / tipo específico?

Até agora, todos os meus circuitos comerciais não eram sensíveis ao custo, então apenas especifico X7R, X5R ou NP0 para todas as tampas de cerâmica, como vejo os sugeridos nas folhas de dados do IC. Mas há algo mais do que dependência de temperatura por trás dessas sugestões?

Devo prestar mais atenção ao objetivo do limite? Por exemplo, use X5R / X7R apenas para desvio e regulação de potência, mas NPx para qualquer coisa que esteja no caminho do sinal? Qualquer generalização pode ser feita ou é um problema que requer leitura detalhada das folhas de dados (muito incompletas) dos fabricantes?

Em resumo. Existem princípios gerais que podem ser aplicados para simplificar a pesquisa de peças durante um projeto?

capacitor circuit-design signal-integrity ceramic Edgar Brown
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A VHS varia com a frequência (não estou falando de efeitos 1 / (w * C), quero dizer que a VHS varia com a frequência por ordens de magnitude). A polarização DC reduz a capacitância, portanto o modelo de sinal grande de uma tampa de cerâmica não é, na verdade, um capacitor. Pode ocorrer microfonia (qualquer choque mecânico em um capacitor de cerâmica criará um impulso de tensão na tampa). No entanto, eles são muito úteis e muito usados. Tanto é que, no momento, eles são muito difíceis de encontrar, pois muitos fabricantes venderam a produção futura em 6 meses ou mais.

Mkeith 23/12/19

@ mkeith que a escassez de capacitores é real. Uma coisa recente com a qual tive que lidar: nenhum capacitor de 100V, 1uF, 1206, X7R / X7S deixado no mundo com 52 semanas de tempo de entrega. OTH 1uF 1210 100V é abundante. O mercado de componentes passivos é estranho.

crasic

Respostas:

Mesmo que a temperatura ambiente seja bem controlada, as correntes de ar podem causar ruído se houver tensão significativa no capacitor.

A degradação da capacitância com o tempo é diferente para diferentes dielétricos. E o grande, coeficiente de tensão de capacitância.

Se você pode usá-los, as tampas NP0 sofrem com esses efeitos muito menos que as peças X5R X7R etc., mas elas simplesmente não estão disponíveis ou são muito grandes e caras em valores mais altos. Existem muitos casos em que um limite X7R no caminho do sinal funciona bem. Por outro lado, usei peças NP0 como tampas de derivação em aplicações especiais.

Outra característica é que peças menores, especialmente quando você se aproxima dos limites do que é possível dentro de uma determinada área ocupada, tendem a ter um coeficiente de alta tensão, de modo que a maior parte da capacitância (até 80%) pode simplesmente desaparecer quando polarizada normalmente. tensão operacional. Portanto, pode ser melhor usar um 0805 ou 0603 em vez de um 0402 ou 0201, mesmo que sejam maiores e possivelmente mais caros.

As folhas de dados geralmente estão incompletas, mas alguns fabricantes oferecem dados muito mais completos na forma de dados individuais gerados on-line ou localmente para cada parte. Por exemplo, este site Murata (requer Flash) permite extrair dados CSV para várias características.

Spehro Pefhany
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Sim, mas existe algum conjunto geral de regras práticas que podem ser aplicadas? Por exemplo, sempre use Nx a tensão nominal para permanecer sob uma tolerância específica com X7R, mas 1,1x é suficiente com NP0?

Edgar Brown

@ EdgarBrown Eu dei NP0 de uso único se você puder no caminho do sinal ou se a estabilidade for importante. Vou adicionar outro acima em relação ao coeficiente de tensão. A generalidade presumivelmente significa que você pode ignorar a compreensão profunda do aplicativo e das características da peça, e não tenho certeza de que isso seja possível.

Spehro Pefhany

Eu amo que você mencione o barulho primeiro. Minha empresa (sistemas de nanoposicionamento e metrologia) descobriu no ano passado que o ruído de medição aumentou quando colocamos a tampa na caixa, em vez do comportamento esperado de menor ruído devido a uma melhor blindagem. Acontece que algumas tampas de cerâmica no caminho do sinal tinham um comportamento piezoelétrico significativo, de modo que as tampas microfonicas estavam captando o ruído dos ventiladores de refrigeração. Não é uma experiência divertida e feliz quando você espera que sua diretoria esteja pronta para atender o cliente.

Graham

+1 para @Graham - eu tinha uma tampa X7R como desvio no pino REF de um LDO. A saída do LDO oscilaria com a placa flexível.

peufeu

@ Chapéufeu Sim, isso vai estragar o seu dia. : /

Graham

A realidade do mercado geralmente dita suas escolhas. Torna-se extremamente difícil encontrar peças dielétricas de classe 1 em pacotes comuns com aplicações de alta tensão (> 10V) ou alta capacidade (> 1uF); provavelmente você não poderá simplesmente "especificar" um dielétrico melhor e espere que sua lista técnica seja realizável.

O mercado decidiu, em geral, que NP0 e outros dielétricos de classe 1 são "limites de sinalização" e os catálogos de peças refletem isso. Como outro exemplo, as peças X7R / X7S se tornam mais difíceis de encontrar em pacotes menores (<0805) e alta capacidade.

Contribuir para a discussão do projeto outro grande fator, ao excluir a temperatura como fator:

Os dielétricos de classe 1 não sofrem efeitos piezoelétricos. Este efeito é bidirecional. A tensão da ondinha fará com que a peça encolha, expanda e gere ruído e calor físicos, a vibração física gerará tensão na peça.

Em aplicações marginais com capacitores de densidade muito alta e alta tensão de ondulação, isso pode resultar em estresse significativo nos terminais do capacitor e até em rachaduras.

Observe que os capacitores de cerâmica de alta densidade rachados falham com uma potência alta e curta e podem causar danos graves e até incêndio em situações de desacoplamento ou desvio de alimentação. Se isso for uma preocupação e o espaço for muito alto para usar outros esquemas, um dielétrico NP0 ou outro da classe 1 poderá fornecer buffer suficiente para o conforto.

Para adicionar o que o @SpheroPefhany respondeu, a especificação de temperatura de um dado dielétrico também está intrinsecamente ligada à mudança de capacitância com a temperatura. Mesmo se você controlar a temperatura ambiente, se for elevada, poderá ser necessário reduzir a capacitância efetiva da peça para sua aplicação, quaisquer flutuações de temperatura local aparecerão como ruído em seu circuito.

Os capacitores de cerâmica também têm capacitância efetiva significativamente menor com polarização DC mais alta, o que é uma preocupação em situações de desacoplamento ou desvio, se não for possível uma classificação de tensão mais alta, dielétricos de classe 1, como regra geral, em geral, sofrem com isso em menor grau.

FIM Nota

Em geral, observei que peças equivalentes de um conjunto respeitável de MFGs para o mesmo tamanho dielétrico e de embalagem geralmente são próximas o suficiente para serem intercambiáveis para todas as aplicações. Uma lista incompleta: Murata, TDK, Samsung, Kemet, Yageo

Quando você vai para o MFG de segundo nível e peças genéricas do mercado de massa chinês, tudo fica fora da janela.

crasic
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Você diz que os efeitos do mercado dificultam a localização de tampas NP0 com alta capacitância ou alta tensão nos pacotes usuais, o que não é verdade. A razão disso é que, devido às propriedades do dielétrico, é impossível produzir um capacitor 1uF 0805 NP0, porque a constante dielétrica da cerâmica é muito baixa. Com exceção de um avanço em dielétricos cerâmicos, nada vai mudar isso #

C_Elegans

@C_elegans você está lendo duas coisas juntos. o tamanho do pacote faz parte, mas a classe 1 nem sempre está disponível em valores mais altos para qualquer tamanho de pacote. Certamente fabricação é uma limitação na extremidade pequena, mas se houvesse demanda para um valor que você iria ver peças e pacotes especiais como você tem em outros valores empilhados

crasic

A que pacotes você está se referindo? A Mouser possui tampas NP0 de 0201-5550 (o que for isso). Você quer dizer através das peças do furo?

Elegans

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

Por que isso é um problema?
Como talvez quase tudo neste mundo, um capacitor pode ser um objeto com uma função de transferência bem definida:

esquemático

^{simular este circuito - esquemático criado usando o 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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Qual seria o melhor tipo de capacitor para aplicações de áudio?

Edgar Brown

Alguns experimentadores, como discutem no diyAudio.com, usam apenas capacitores de Teflon da era russa / soviética em seus circuitos de compensação RIAA de áudio em vinil com bobina móvel. Além dos NJFETs, com reguladores Lownoise shunt-VDD.

Analogsystemsrf

@ EdgarBrown - em geral, os filmes são os limites de escolha para aplicativos de áudio no caminho do sinal. A cerâmica pode ser usada para contornar / desacoplar a fonte, independentemente do tipo de circuito em que você está trabalhando.

ThreePhaseEel

@ EdgarBrown: como a ThreePhaseEel escreveu em seu comentário, os melhores capacitores para colocar no caminho do sinal para aplicações de áudio provavelmente são capacitores de filme, mesmo se houver puristas que diriam que o melhor capacitor não é capacitor , ou seja, acoplamento direto. No entanto, em circuitos de válvulas onde é mais difícil projetar um circuito de acoplamento direto, também vi capacitores de mica metalizados.

Daniele Tampieri