陶瓷电容器基础知识

陶瓷电容器概述

  1900年意大利L.隆巴迪发明陶瓷介质电容器。30年代末人们发现在陶瓷中添加钛酸盐可使介电常数成倍增长,因而制造出较便宜的瓷介质电容器。

  1940年前后人们发现了现在的陶瓷电容器的主要原材料BaTiO3(钛酸钡)具有绝缘性后,开始将陶瓷电容器使用于对既小型、精度要求又极高的军事用电子设备当中。而陶瓷叠片电容器于1960年左右作为商品开始开发。到了1970年,随着混合IC、计算机、以及便携电子设备的进步也随之迅速的发展起来,成为电子设备中不可缺少的零部件。现在的陶瓷介质电容器的全部数量约占电容器市场的70%左右。

  陶瓷介质电容器的绝缘体材料主要使用陶瓷,其基本构造是将陶瓷和内部电极交相重叠。陶瓷材料有几个种类。自从考虑电子产品无害化特别是无铅化后,高介电系数的PB(铅)退出陶瓷电容器领域,现在主要使用TiO2(二氧化钛)、 BaTiO3, CaZrO3(锆酸钙)等。和其它的电容器相比具有体积小、容量大、耐热性好、适合批量生产、价格低等优点。

  由于原材料丰富,结构简单,价格低廉,而且电容量范围较宽(一般有几个PF到上百μF),损耗较小,电容量温度系数可根据要求在很大范围内调整。

  陶瓷电容器品种繁多,外形尺寸相差甚大从0402(约1×0.5mm)封装的贴片电容器到大型的功率陶瓷电容器。按使用的介质材料特性可分为Ⅰ型、Ⅱ型和半导体陶瓷电容器;按无功功率大小可分为低功率、高功率陶瓷电容器;按工作电压可分为低压和高压陶瓷电容器;按结构形状可分为圆片形、管型、鼓形、瓶形、筒形、板形、叠片、独石、块状、支柱式、穿心式等。

陶瓷电容器的分类

  陶瓷电容器从介质类型主要可以分为两类,即Ⅰ类陶瓷电容器和Ⅱ类陶瓷电容器。

  Ⅰ类陶瓷电容器(ClassⅠ ceramic capacitor),过去称高频陶瓷电容器(High-freqency ceramic capacitor),是指用介质损耗小、绝缘电阻高、介电常数随温度呈线性变化的陶瓷介质制造的电容器。它特别适用于谐振回路,以及其它要求损耗小和电容量稳定的电路,或用于温度补偿。

  Ⅱ类陶瓷电容器(Class Ⅱ  ceramic capacitor)过去称为为低频陶瓷电容器(Low frequency cermic capacitor),指用铁电陶瓷作介质的电容器,因此也称铁电陶瓷电容器。这类电容器的比电容大,电容量随温度呈非线性变化,损耗较大,常在电子设备中用于旁路、耦合或用于其它对损耗和电容量稳定性要求不高的电路中。

Ⅰ类陶瓷电容器

  按美国电工协会(EIA)标准为C0G(是数字0,不是字母O,有些文献笔误为COG)或NP0(是数字0,不是字母O,有些文献笔误为NPO)以及我国标准的CC系列等型号的陶瓷介质(温度系数为0±30PPM/℃),这种介质极其稳定,温度系数极低,而且不会出现老化现象,损耗因数不受电压、频率、温度和时间的影响,介电系数可以达到400,介电强度相对高。这种介质非常适用于高频(特别是工业高频感应加热的高频功率振荡、高频无线发射等应用的高频功率电容器)、超高频和对电容量、稳定性有严格要求定时、振荡电路的工作环境,这种介质电容器唯一的缺点是电容量不能做得很大(由于介电系数相对小),通常1206 表面贴装C0G介质电容器的电容量从0.5PF~0.01μF。

Ⅱ类陶瓷电容器

  Ⅱ类的稳定级陶瓷介质材料如美国电工协会(EIA)标准的X7R、X5R以及我国标准的CT系列等型号的陶瓷介质(温度系数为±15.0%),这种介质的介电系数随温度变化较大,不适用于定时、振荡等对温度系数要求高的场合,但由于其介电系数可以做得很大(可以达到1200),因而电容量可以做得比较大,适用于对工作环境温度要求较高(X7R:-55~+125℃)的耦合、旁路和滤波。通常1206的SMD封装的电容量可以达到10μF或在再高一些;

  II类的可用级陶瓷介质材料如美国电工协会(EIA)标准的Z5U、Y5V以及我国标准的CT系列的低档产品型号等陶瓷介质(温度系数为Z5U的+22%,-56%和Y5V的+22%,-82%),这种介质的介电系数随温度变化较大,不适用于定时、振荡等对温度系数要求高的场合,但由于其介电系数可以做得很大(可以达到1000~12000),因而电容量可以做得比更大,适用于一般工作环境温度要求(-25~+85℃)的耦合、旁路和滤波。通常1206表面贴装Z5U、Y5V介质电容器量甚至可以达到100μF,在某种意义上是取代钽电解电容器的有力竞争对手。

陶瓷电容器的温度特性

  应用陶瓷电容器首先要注意的就是其温度特性;

  不同材料的陶瓷介质,其温度特性有极大的差异。

第一类陶瓷介质电容器的温度性质

  根据美国标准EIA-198-D,在用字母或数字表示陶瓷电容器的温度性质有三部分:第一部分为(例如字母C)温度系数α的有效数字;第二位部分有效数字的倍乘(如0即为100);第三部分为随温度变化的容差(以ppm/℃表示)。这三部分的字母与数字所表达的意义如表。

  例如,C0G(有时也称为NP0)表示为:第一位字母C为温度系数的有效数字为0,第二位数字0为有效温度系数的倍乘为100=1,第三位字母G为随温度变化的容差为±30ppm/℃,即0±30ppm/℃;C0H分别表示为:第一位字母C为温度系数的有效数字为0,第二位数字0为有效温度系数的倍乘为100=1,第三位字母H为随温度变化的容差为±60ppm/℃,即0±60ppm/℃;S2H则分别表示为:第一位字母S为温度系数的有效数字为3.3,第二位数字2为有效温度系数的倍乘为102=100,第三位字母H为随温度变化的容差为±60ppm/℃,即-330±60ppm/℃

  第一类陶瓷电容器的电容量几乎不随温度变化,下面以C0G介质为例。C0G介质的变化量仅0±30ppm/℃,实际上C0G的电容量随温度变化小于0±30ppm/℃,大约为0±30ppm/℃的一半

第二类陶瓷介质电容器的温度性质

根据美国标准EIA-198-D,在用字母或数字表示陶瓷电容器的温度性质有三部分:第一部分为(例如字母X)最低工作温度;第二位部分有效数字为最高工作温度;第三部分为随温度变化的容差(以ppm/℃表示)。这三部分的字母与数字所表达的意义如表 。

常见的Ⅱ类陶瓷电容器有: X7R、 X5R 、 Y5V、Z5U

其中:X7R表示为:第一位X为最低工作温度-55℃,第二位的数字7位最高工作温度+125℃,第三位字母R为随温度变化的容值偏差±15%;

X5R表示为:第一位X为最低工作温度-55℃,第二位的数字5位最高工作温度+85℃,第三位字母R为随温度变化的容值偏差±15%;

Y5V表示为:第一位Y为最低工作温度-30℃,第二位的数字5位最高工作温度+85℃,第三位字母V为随温度变化的容值偏差+22%,-82%±15%。

Z5U表示为:第一位Z为最低工作温度+10℃,第二位的数字5位最高工作温度+85℃,第三位字母U为随温度变化的容值偏差+22%,-56%,

陶瓷电容器的阻抗频率特性

第一类介质的陶瓷电容器的ESR随频率而上升,如图

陶瓷电容器的ESR频率特性

第一类介质的陶瓷电容器阻抗频率特性

第二类陶瓷电容器的阻抗频率特性

陶瓷电容器的损耗因数与频率的关系

陶瓷电容器的阻抗频率特性

陶瓷电容器的绝缘电阻与温度的关系

损耗因数与温度的关系

电容量与直流偏置电压的关系

第一类介质电容器的电容量与直流偏置电压无关。

第二类介质电容器的电容量随直流偏置电压变化,如图 。

  Y5V介质电容器的电容量随直流偏置电压变化非常大,从无偏置时的100%电容量下降到额定电压下的直流偏置电压时得不到额定电容量的25%,也就是说10μF的电容量在额定电压时仅为不到2.5μF!在高温时由于电容量已经下降到很低,所以这时的电容量随直流偏置电压的变化不大。

  X7R介质电容器的电容量随直流偏置电压变化虽比较大,但是比Y5V好得多。

陶瓷电容器所允许加载的交流电压与电流同频率的关系

主要受电容器的ESR影响;

相对而言,C0G的ESR比较低,故可以承受比较大的电流,相应的所允许施加的交流电压相对比较大;

X7R、X5R、Y5V、Z5U则ESR相对比较大,可承受比C0G要小,与此同时,由于电容量远大于C0G,故所施加的电压将远小于C0G。

第一类介质电容器的允许电压、电流与频率的关系

第一类介质电容器的允许电压、电流与频率的解读

当加载频率相对较低时,即使加载交流电压为额定交流电压时,流过电容器的电流低于额定电流时,电容器允许加载额定交流电压 ,即左图的平直部分;

当加载频率升高到即使加载电压没有达到交流额定电压时的电容器中流过的交流电流已达到额定电流值,这是需要降低电容器的加载交流电压,以保证流过电容器的电流不超过额定电流值,即左图的曲线开始下降部分  ;

而加载频率继续上升,电容器的损耗因数而导致的发热则成为电容器的加载电压的主要限制因素,这是加载电压将随频率的上升而急剧下降 ,即中左图的曲线急剧下降部分

与加载交流电压正相反,电容器加载的交流电流在频率较低时即使电流没有达到额定电流,但电容器上的交流电压已达到其额定值,这是加载的交流电流受电容器的额定电压限制,特行为加载交流电流随频率的增加而上升,如图右图中的电流随频率增加而上升的那部分曲线。

当加载频率上升到即使电容器上的交流电压没达到额定电压时加载的交流电流已经达到额定电流值这时加载交流电流须保持在不高于额定电流值。入伙电容器的损耗因素造成的发热开始起比较明显的作用,则加载电流必须降额,如图的右图中电流随频率上升而下降的那部分曲线。

第二类介质陶瓷电容器由于电容量相对第一类介质电容器大得多,对于用于滤波的μF级的陶瓷电容器通常的加载交流电压在1V以下,不可能加载到额定交流电压值。因此第二类介质电容器大多讨论所允许加载的纹波电流电流

贴片陶瓷电容器的尺寸与耗散功率

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