【1kv103m陶瓷片电容的作用】为什么你的4.7F陶瓷片电容变成了0.33F电容?

作者:木子      发布时间:2021-04-13      浏览量:0
几年前,经过25年多的陶瓷电容器工

几年前,经过25年多的陶瓷电容器工作,我对它们有了新的认识。当时我正忙着做LED灯泡驱动。当时我的项目中一个RC电路的时间常数显然是有问题的。

我的第一个假设是电路板上一个元件的值不正确,所以我测量了两个用作分压器的电阻,但都没问题。我把电路板上的电容拆下来测量了一下,没有问题。为了进一步确认,我测量并安装了新的电阻和电容,给电路上电,检查并发现它基本上正常工作,然后查看更换组件是否解决了RC电路时间常数的问题。但答案是否定的。

我在自然环境中测试了电路:在外壳内部,电路在外壳中,模拟屋顶照明灯的“罐”。有时组件温度会上升到100摄氏度以上。虽然我复试RC电路的时间很短,但是一切还是很热。

显然,我接下来的结论是,问题出在电容的温度变化上。但是我自己也怀疑这个结论,因为我用的是X7R电容。根据我的记忆,这个电容可以工作到125C,变化只有15%。我相信我的记忆,但为了安全起见,我重新检查了所用电容器的数据表。

1.背景报告

表1给出了用于不同种类陶瓷电容器的字母和数字,以及它们各自的含义。表中描述了二级和三级电容器。这里就不多说细节了。一类电容器包括普通COG(NPO)型;这个电容的容积效率不如表中两个电容,但是在多变的环境条件下稳定得多,不会有压电效应。相反,表格中的电容器具有广泛而多样的特性,可以扩展并承受施加的电压,但有时会产生可听的压电效应(蜂鸣器或铃声)。

根据我的经验,X5R、X7R和Y5V是最常用的电容器类型。我从来没有用过Y5V,因为它们在整个环境条件范围内都会表现出很大的电容变化。

电容器公司在开发产品时,会选择材料的特性,使电容器在规定的温度范围内(第一、二个字母)(第三个字母;表1)。我用的是X7R电容,在-55C到125C之间变化不超过15%。所以要么是我用了一批劣质电容,要么是我电路其他部分有问题。

2.并非所有X7R电容都相同

由于我的RC电路时间常数问题不能用具体的温度变量来解释,所以必须深入研究。看着我电容器的容量和施加电压的数据,我惊讶地发现电容随设置条件变化如此之大。我选择了一个12V偏置工作的16V电容。根据数据手册,在这些条件下,我的4.7F电容通常提供1.5F的电容。现在,我们可以完全解释RC电路的问题了。

根据数据手册,如果我将电容封装尺寸从0805增加到1206,在指定条件下,典型电容将为3.4F,这表明需要进一步研究。

我发现村田制造有限公司(www.murata.com)和TDK有限公司(www.tdk.com)在他们的网站上提供了很好的工具,可以绘制不同环境条件下的电容变化。我做过一些不同尺寸和额定电压的4.7F电容的研究。图1中的数据取自村田的工具,针对几个不同的4.7F陶瓷芯片电容。我观察了X5R和X7R型号,封装尺寸从0603到1812,额定电压从6.3到25V直流。首先,我注意到随着封装尺寸的增加,电容随着施加的DC电压的变化而大大减小。

图1描述了所选4.7F电容上DC电压和温度变化之间的关系。如图所示,随着封装尺寸的增加,电容随着施加的电压而大大减小。

第二个有趣的点是,对于给定的封装尺寸和陶瓷芯片电容类型,电容的额定电压通常似乎没有影响。所以我估计12V电压如果用额定25V的电容,其电容变化会比同等条件下额定16V的电容小。看1206封装的X5R曲线,很明显额定6.3V元器件的性能确实比额定电压更高的同类产品要好。

如果我们检查更大范围的电容器,我们会发现这种情况非常普遍。对于我研究的那些电容器样品组,它们并没有表现出普通陶瓷电容器应有的性能。

观察到的第三个问题是,对于相同的封装,X7R电容器的温度灵敏度高于X5R电容器。我不知道这是否普遍适用,但在我的实验中似乎是这样。

从图中可以看出,表2显示了X7R电容在12V偏置下的购买价格,以及电容降低的量。请注意,随着电容封装尺寸逐渐增加到1210,电容稳步增加,但超过该尺寸后没有太大变化。

3.选择正确的电容器

在我的例子中,我选择了4.7F的X7R电容的最小可用封装,因为尺寸是我的项目的一个考虑因素。因为我的无知,我假设任何一款X7R和其他X7R效果一样。显然,事实并非如此。为了让我的应用程序获得正确的性能,我必须采用一些更大的包。

我真的不想用1210套餐。幸运的是,我可以将电阻值增加5倍,从而将电容降至1 f。

图2是几个16V、1F X7R电容器和16V、4.7F X7R电容器的电压特性图。0603的1F电容和0805的4.7F电容一样。0805和1206的1F电容性能略好于1210的4.7F电容。所以用0805的1F电容,我可以保持电容体积不变,在偏压下电容只会降到额定值的85%左右,不会降到30%。

但是我还是很迷茫。我以前觉得所有的X7R电容都要有相位

同的电压系数,因为所用的电介质是相同的,都是X7R。 所以我向一位同事,日本TDK公司的现场应用工程师克里斯?伯克特请教,他也是瓷片电容方面的专家。 他解释说很多材料都能满足“X7R”资格。 事实上,任何一种材料,只要能使器件满足或超过X7R温度特性(即在-55°C到+125°C范围内,变化在±15%),都可以叫做X7R。 伯克特也解释说,并没有专门针对X7R电容或任何其他类型瓷片电容的电压系数规范。

这是一个关键的要点,因此我要再重复一遍。 只要一个电容满足了温度系数规范,不管其电压系数多么糟糕,厂商都可以把这个电容叫做X7R电容(或者X5R,或其他任何类型)。 这个事实印证了任何一位有经验电器工程师都知道的那句准则(双关语): 去读数据表!

由于厂商越来越倾向于小型元件,所以他们不得不对使用的材料作出妥协。 为了用更小的尺寸获得所需要的体积效率,他们被迫接受了更糟糕的电压系数。 当然,有信誉的制造商会尽量减少这种折中的副作用。

结论是,在使用小封装瓷片电容的时候(实际在使用任何元件的时候),阅读数据表都极为重要。 但很遗憾,通常我们见到的数据表都很简短,几乎无法为你做决定提供任何需要的信息,所以你必须坚持让制造商给出更多的信息。

那么被我否定的Y5V电容怎么样呢? 纯为好玩,我们来研究一个普通的Y5V电容。 我选择的是一个4.7μF、0603封装的额定6.3V电容)我不会提制造厂商,因为它的Y5V电容并不劣于任何其他厂商的Y5V电容),并查看它在5V电压和+ 85° C下的规格。 在5V电压下,典型的电容量比额定值低92.9%,或为0.33 μF。

这就对了。 如果给这个6.3V的电容加5V偏压,则其电容量要比额定值小14倍。

在0V偏压+85°C时,电容量会减少68.14%,从4.7μF降至1.5μF。 现在,你可能觉得,在5V偏压下,电容量会从0.33降至0.11μF。 幸运的是,两个效应并没有以这种方式结合到一起。 在这个特例中,室温条件下加5V偏压的电容变化要差于+85°C。

明确地说,这个电容在0V偏压下,电容量会从室温的4.7μF降到+85°C的1.5μF; 而在5V偏压下,电容量会从室温的0.33μF增加到+85°C的0.39μF。 这个结果应该让你信服了,真的有必要仔细查看元件规格。

4、着手处理细节

这次教训之后,我再也不会向同事或消费者推荐某个X7R或X5R电容了。 我会向他们推荐某家供应商的某种元件,而我已经检查过该元件的数据。 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,不要遭遇我的这种问题。

你可能已经察觉到了更大的教训,那就每次都要阅读数据表,无一例外。 如果数据表上没有足够的信息,要向厂商要具体的数据。 也要记住,瓷片电容的命名X7R、Y5V等跟电压系数毫无关系。 工程师们必须检查了数据才能知道(真正地知道)某种电容在该电压下的性能如何。

最后请记住: 当我们持续疯狂的追求更小尺寸时,它也成为了每天都会遇到的问题。