[电容104103]为什么你的4.7μF瓷电容器变成了0.33μF电容器?

作者:梦兮      发布时间:2021-04-24      浏览量:0
几年前,在使用瓷电容器的25年以上工作后

几年前,在使用瓷电容器的25年以上工作后,我对它们有了新的理解。那时,我忙于制作LED灯泡驱动器。当时,我项目中RC电路的时间常数显然有问题。

我的第一个假设是电路板的某个部件值不正确,所以我测量了作为分压器使用的两个电阻,但没有问题。我把电容器从电路板上取下来测量,也没问题。为了进一步确认,我测量并安装了新的电阻和新的电容器,给电路供电,检查发现基本运行正常,看更换部件是否解决了RC电路的时间常数问题。但是,答案是否定的。

我在自然环境下测试电路。我在外壳内,电路在外壳内,模拟了屋顶照明灯的罐子。部件的温度有时会上升到100度以上。虽然我重新测试RC电路的时间很短,但一切都很热。

显然,我的下一个结论是,问题是容量的温度变化。但是,我自己怀疑这个结论。我使用的是X7R电容器,根据我的记忆,这个电容器最高可以工作到125°C,变化也只有±15%。我相信我的记忆力,但是为了保险,我重新看了使用的电容器的数据表。

1、背景报告

表1给出了各种瓷器电容器的字母和数字,以及各自的意思。表格描述了ClassII和ClassIII两种瓷器电容器。这里不太详细。ClassI级电容器包括常见的COG(NPO)型,该电容器的体积效率低于表中的两种电容器,但在变化环境条件下稳定得多,不产生压力效果。相反,表格中的电容器具有广泛变化的特性,可以扩大并承受施加的电压,但有时会产生可听的电压效果(蜂鸣或铃响)。

在给出的多种容量类型中,根据我的经验,最常用的是X5R、X7R、Y5V。我从未使用过Y5V。因为在整个环境条件区间,容量的变化很大。

电容器公司开发产品时,通过选择材料的特性,电容器可以在规定的温度区间(第一个和第二个字母)工作在确定的变化范围内(第三个字母)。我使用的是X7R电容器,从-55°C到-125°C之间的变化不超过±15%。所以,使用劣质电容器,或者我的电路的其他部分有问题。

2、并非所有的X7R电容器都一样

既然我的RC电路时间常数问题不能用特定的温度变量来说明,就要深入研究。看了我电容器的容量和施加电压的数据,我惊讶地发现电容器随着设定条件的变化而变化。我选择的是12V偏压下的16V电容器。根据数据表,我的4.7-μF电容器在这些条件下通常提供1.5μF的容量。现在可以完全说明RC回路的问题了。

数据表显示,如果我将电容器封装尺寸从0805增加到1206,在规定条件下的典型电容器将是3.4μF。这表明需要进一步研究。

村田制作所(www.murata.com)和TDK公司(www.tdk.com)在网站上提供了良好的工具,可以描绘不同环境条件下的电容变化。我研究了不同尺寸和额定电压的4.7μF电容器。图1数据是取自村田的工具,对于一些不同的4.7μF瓷器电容器。我同时观察了X5R和X7R两种型号,封装尺寸从0603到1812,额定电压从6.3到25VVDC。首先注意到,随着封装尺寸的增加,直流电压的电容量发生了变化,幅度很大。

图一图描述了所选4.7-μF电容器上直流电压与温度变化量的关系,如图所示,随着封装尺寸的增加,电容器随着施加电压而大幅度降低。

第二个有趣的地方是,对于某个给定的封装尺寸和瓷片电容器类型,电容器的额定电压似乎一般没有影响。因此,如果将额定25V的电容器用于12V电压,其电容器的变化量将小于同样条件下的额定16V电容器。看1206封装X5R的曲线,显然额定6.3V元件的性能确实优于额定电压高的同类品种。

如果我们检查更广泛的电容器,我们会发现这种情况很常见。我研究的电容器样品集没有展示普通瓷器电容器所需的表现。

观察到的第三个问题是,对于同样的包装,X7R电容器的温度敏感度比X5R电容器高。不知道道这是否普遍适用,但在我的实验中似乎是这样。

从图中可以看出,表2显示X7R电容在12V偏压货款,电容的减量。请注意,随着容量封装尺寸的增加到1210,容量稳步增加,但超过这个尺寸没有什么变化。

3、选择正确的容量

在我的例子中,我为4.7μF的X7R容量选择了最小的可用封装。因为尺寸是我项目的考虑因素。由于我的无知,假设任何X7R都与其他X7R有相同的效果。显然,情况并非如此。为了使我的应用得到正确的性能,我必须采用更大的包装。

我真的不想用1210封装。幸运的是,我可以把使用的电阻值增加到5x,电容量减少到1μF。

图2是一些16V、1μFX7R电容器和16V、4.7μFX7R电容器的电压特性图。0603的1μF容量和0805的4.7μF容量表现相同。0805和1206的1μF容量性能比1210的4.7μF容量容量。因此,使用0805的1μF电容器,可以保持电容器的体积不变,但是在偏压下电容器只下降到额定量的约85%,不下降到30%。

但我仍然很困惑。我认为所有的X7R电容器都应该有相同的电压系数。因为使用的电介质相同,所以是X7R。所以我向同事,日本TDK公司的现场应用技术人员克里斯伯克特也是瓷器电容器的专家。他解释说,许多材料可以满足X7R的资格。事实上,任何材料只要能使设备满足或超过X7R的温度特性(在-55℃到125℃之间,变化为15%),就可以称为X7R。伯克特还解释说,X7R电容器和其他类型的瓷器电容器没有特别的电压系数规范。

这是一个关键点,所以我要重复。只要一个电容器符合温度系数的规范,无论其电压系数多么差,制造商都可以称之为X7R电容器(或X5R或其他类型)。这个事实证明了有经验的电气工程师知道的标准(双关语):去读数据表!

由于制造商越来越倾向于小型零件,他们必须妥协使用的材料。为了用更小的尺寸获得所需的体积效率,他们被迫接受更差的电压系数。当然,有信誉的厂家会尽量减少这种折中的副作用。

结论是,在使用小封装瓷电容器时(实际使用任何部件时),阅读数据表非常重要。但遗憾的是,通常我们看到的数据表很短,几乎不能为你提供必要的信息,所以必须让制造商提供更多的信息。

被否定的Y5V电容器怎么样?为了快乐,我们来研究一下普通的Y5V电容器。我选择的是4.7μF、0603封装的额定6.3V电容器)制造商。Y5V电容器不低于其他制造商的Y5V电容器),请检查5V电压和85°C下的规格。在5V电压下,典型的电容比额定值低92.9%或0.33μF。

这是正确的。在这个6.3V的容量中加入5V偏压的话,容量比额定值小14倍。

0V偏压8°C时,电容量减少68.14%,从4.7μF减少到1.5μF。现在,在5V偏压下,电容量可能会从0.33下降到0.11μF。幸运的是,两种效果并没有这样结合。在这个特例中,在室温条件下加入5V偏压的电容器的变化比85°C差。

明确表示,该容量在0V偏压下,容量从室温的4.7μF下降到85°C的1.5μF,在5V偏压下,容量从室温的0.33μF增加到8°C的0.39μF。这个结果应该让你信服,真的需要仔细看零件的规格。

4、开始处理细节

本次教训后,不再向同事或消费者推荐X7R或X5R电容器。我向他们推荐某供应商的某个部件,我检查过这个部件的数据。我也提醒消费者,在考虑制造的替代供应商时,一定要检查数据,不要遇到我这样的问题。

你可能已经意识到了更大的教训,所以你必须每次阅读数据表,没有例外。如果数据表没有足够的信息,我们应该向制造商要求具体的数据。请记住,瓷器电容器的命名X7R、Y5V等与电压系数无关。工程师们必须检查数据才能知道某个电容器在这个电压下的性能。

最后,请记住,当我们继续追求更小的尺寸时,它也成为每天都会遇到的问题。