Сравнение танталовых и многослойных керамических конденсаторов

Введение

Танталовые (Ta) конденсаторы и многослойные керамические конденсаторы (MLCC) - это два широко используемых конденсатора в электронных приложениях. Хотя технологии изготовления и материалы для танталовых и MLCC-конденсаторов совершенно разные, их основные функции остаются одинаковыми. Действуя как временная батарея, конденсаторы поддерживают постоянное постоянное напряжение, обеспечивая заряд. Конденсаторы также могут использоваться в схемах шунтирующих каналов в качестве однополюсных фильтров. Они даже могут соединяться с резисторами и индукторами для создания схем фильтров высокого порядка.

Хотя танталовые конденсаторы и MLCC работают как конденсаторы, они имеют много различий, начиная от производства и заканчивая их параметрами во время использования. Прежде чем рассказать об их различиях, давайте сначала получим некоторую базовую информацию о конденсаторах. Для конденсатора с параллельными пластинами значение емкости рассчитывается по следующему уравнению.

C = εr*ε0*A/d

C = емкость (F)

A = площадь перекрытия двух пластин (м2)

εr = относительная проницаемость/диэлектрическая проницаемость (εr определяется материалом между пластинами)

ε0 = электрическая постоянная (8,854 * 10-12 Ф*м-1)

d = расстояние между двумя пластинами (м)

Емкость - один из важных параметров при выборе конденсатора. Из-за небольшого расстояния, большой площади пластин и высокой диэлектрической проницаемости Ta2O5, танталовые конденсаторы обычно имеют большие значения емкости/объем.

В этой статье мы сравним танталовые конденсаторы и MLCC в следующих аспектах: кривая импеданса, паразитная индуктивность (ESL), эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), эффекты темперирования и микрофонные эффекты. Все сравнения ограничиваются конденсаторами с аналогичной емкостью и размерами.

Основная информация о танталовых и MLCC-конденсаторах

Что такое танталовый конденсатор?

Танталовые конденсаторы используют танталовый порошок и проволоку в качестве исходного сырья. Путем прессования танталового порошка вокруг танталовой проволоки формируется танталовая гранула. Этот танталовый гранулят является анодом конденсатора. Поскольку гранула очень пористая, она позволяет собирать много зарядов. Это одна из причин высокой емкости/объема танталовых конденсаторов. При формировании Ta2O5 за пределами анода образуется диэлектрик. Последний шаг - формирование катода за пределами диэлектрика с помощью Mn(NO3)2 для создания катодного слоя MnO2.

Рисунок 1a - традиционный танталовый конденсатор с танталовым проводом для подключения анода к цепи. На рисунке 1b - новый, небольшой танталовый конденсатор, появившийся на рынке в последние годы. Он часто используется в условиях высокой плотности компонентов и ограниченного пространства на плате. Его анод изготавливается путем прессования танталовой пластины с танталовым порошком [2].

Рисунок 1a и b: танталовый конденсатор формованного типа (вверху) и танталовый конденсатор в стиле микрочипа (внизу) [2].

Что такое многослойный керамический конденсатор?

В отличие от танталовых конденсаторов, керамические конденсаторы имеют более толстый слой и меньшую площадь перекрытия пластин, что означает меньшую емкость/объем. TiO2 и BaTiO3 - два наиболее популярных материала, используемых в MLCC. На рисунке 2 показаны компоненты MLCC.

Рисунок 2: Многослойный керамический конденсатор [2]

Среди MLCC существуют две различные группы: класс 1 и класс 2. В керамических конденсаторах класса 1 используются керамические материалы, которые не чувствительны к изменениям температуры. Поэтому их емкость не будет значительно изменяться от низкой температуры к высокой, например, от -25℃ до 80℃. Конденсаторы класса 1 обычно изготавливаются из TiO2 и имеют относительно низкий εr.

В отличие от них, конденсаторы класса 2 чувствительны к температуре. Они изготавливаются из ферроэлектрических материалов, таких как BaTiO3, Al2SiO5 и MgO:XSiO2. Конденсаторы класса 2 имеют относительно высокий εr, но низкую точность и стабильность.

Керамические конденсаторы используют код EIA, чтобы показать стабильность конденсаторов в диапазоне температур. На рисунке 3 показано значение каждого кода. Например, X7R означает, что емкость изменяется на ±15% при температуре от -55℃ до 125℃.

Рисунок 3: Таблица кодов EIA [2]

В чем разница между танталовыми конденсаторами и MLCC?

Импеданс и эквивалентное последовательное сопротивление

Импеданс, паразитная индуктивность (ESL) и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) могут дать много информации о том, насколько хорошо работает конденсатор. ESL и ESR можно рассчитать с помощью анализаторов импеданса. Меньшие ESL и ESR означают лучшие конденсаторы. На рисунке 4 показаны импеданс и ESR для 4,7 мкФ, Y5 В, 16 В MLCC и танталового конденсатора 4,7 мкФ, 16 В [1].

Рисунок 4. Кривые импеданса и ESR для танталового и керамического конденсаторов емкостью 4,7 мкФ [1].

На низких частотах их импедансы одинаковы, а значит, одинаковы и значения их емкостей. При увеличении частоты ESR керамического конденсатора намного ниже, чем у танталового. Что касается кривых импеданса, то обе они имеют форму буквы "V", которая сначала уменьшается, а затем увеличивается. На первую уменьшающуюся часть влияет увеличение емкости. Затем происходит индуктивное уплотнение (ESL), которое перемещает кривую импеданса прямо вверх. Возвращаясь к рисунку 4, отметим, что ESL керамического конденсатора намного меньше, чем у танталового, если смотреть на конец кривых импеданса. В основном это связано с использованием свинцовых рамок в танталовом корпусе [1].

Температурные эффекты

Как уже упоминалось, керамические конденсаторы класса 1 нечувствительны к температуре, в то время как керамические конденсаторы класса 2 чувствительны к температуре. На рисунке 5 показано, что емкость танталовых конденсаторов имеет линейную зависимость от температуры, в то время как емкость керамических конденсаторов класса 2 имеет неравномерную зависимость от температуры.

Рисунок 5: Изменение емкости в зависимости от температуры для танталовых, керамических конденсаторов класса 1 и керамических конденсаторов класса 2 [2].

Микрофонные эффекты

Когда конденсаторы используются в аудиосистемах, микрофонный или пьезоэлектрический эффект становится одной из важных характеристик при выборе конденсаторов [1]. BaTiO3, который широко используется в MLCC, демонстрирует микрофонный эффект. Однако танталовые конденсаторы не имеют микрофонных эффектов. Протестировав конденсаторы емкостью 1 мкФ, мы получили рисунок 6, который еще раз подтверждает, что керамические конденсаторы класса 2 дают микрофонный эффект.

Рисунок 6: Микрофонный эффект танталовых и керамических конденсаторов [1]

Заключение

Не существует простого ответа на вопрос, какой конденсатор лучше, поскольку оба варианта хороши. Танталовые конденсаторы имеют больший срок службы, большую емкость/объем и более высокую стабильность; MLCC имеют меньшую индуктивность и ESR. Вы можете сделать выбор в зависимости от конкретного применения. В таблице ниже перечислены различия между танталовыми конденсаторами и многослойными керамическими конденсаторами.

Stanford Advanced Materials (SAM) предлагает танталовые конденсаторы и многослойные керамические конденсаторы. Если вы все еще затрудняетесь с выбором конденсатора, вы можете предоставить информацию о вашем применении нашим техническим специалистам для получения консультации.

Ссылка:

Кейн, Дж. (n.d.). Сравнение многослойных керамических и танталовых конденсаторов.

Зедничек, Т. (2022, 1 июня). Основы и преимущества танталовых и керамических конденсаторов. Блог о пассивных компонентах. Retrieved January 11, 2023, from https://passive-components.eu/the-basics-benefits-of-tantalum-ceramic-capacitors/.