Panoramica

I condensatori ceramici multistrato (MLCC) sono generalmente il condensatore preferito per le applicazioni in cui sono necessarie capacità di valore ridotto. Sono usati come condensatori di bypass, nei circuiti op-amp, filtri e altro.

I vantaggi di MLCC includono:

La piccola induttanza parassita offre migliori prestazioni ad alta frequenza rispetto ai condensatori elettrolitici in alluminio.

Migliore stabilità rispetto alla temperatura, a seconda del coefficiente di temperatura.

Svantaggi

Piccola capacità per volume, specialmente per materiali dielettrici di classe 1 (NO/COG).

Instabilità di polarizzazione DC.

Costruzione

Gli MLCC sono costituiti da strati alternati di elettrodi metallici e ceramica dielettrica, come mostrato nella figura 1 di seguito.

Figura 1: Costruzione di un condensatore a chip ceramico multistrato (MLCC), 1 = elettrodi metallici, 2 = ceramica dielettrica, 3 = terminali di collegamento

Fonte immagine: http://en.wikipedia.org/wiki/Ceramic_capacitor#/media/File:MLCC-Principle.svg

Parametri importanti del foglio dati

Due parametri molto importanti della scheda tecnica sono il coefficiente di temperatura e la tensione nominale.

Coefficiente di temperatura

I materiali ceramici di classe 1 (ad es. NPO, COG) hanno coefficienti di temperatura molto bassi, il che significa che la loro capacità varia molto poco in funzione della temperatura. Hanno anche costanti dielettriche basse, il che significa che i condensatori costruiti con materiali di classe 1 hanno una capacità per volume molto piccola. NPO e COG sono coefficienti di temperatura di classe 1 molto comuni e hanno un coefficiente temperato pari a 0 e una tolleranza di +/-30 ppm.

I materiali ceramici di classe 2 (X, Y, Z) sono meno stabili alla temperatura, ma hanno una costante dielettrica più elevata, il che significa che i condensatori con più capacità sono disponibili nello stesso volume. X7R è un coefficiente di temperatura di classe 2 molto comune e i condensatori X7R hanno in genere una tolleranza del 5%, 10% e 20%.

La tabella 1 aiuta a decodificare i coefficienti di temperatura per gli MLCC di classe 2. Gli esempi sono inclusi di seguito.

Tabella 1: Sistema di codifica per IEC/EN 60384-9/22 per intervalli di temperatura e variazioni di capacità in funzione della temperatura

Fonte immagine: http://en.wikipedia.org/wiki/Ceramic_capacitor#Class_2_ceramic_capacitors

Esempi inclusi:

X7R è valutato per funzionare da -55 C a +125 C, con variazione di capacità del +/-15% nell'intervallo di temperatura.

X5R è valutato per funzionare da -55 C a +85 C, con una variazione di capacità di +/-15% nell'intervallo di temperatura.

Y5V è valutato per funzionare da -30 C a +85 C, con una variazione della capacità di +22/-82% nell'intervallo di temperatura.

I condensatori con intervalli di temperatura più ampi e caratteristiche di temperatura più stabili tendono a costare di più.

Valutazione di tensione

La tensione nominale indica la massima tensione di sicurezza che può essere applicata attraverso il condensatore. In pratica, per motivi di affidabilità, i progettisti dovrebbero utilizzare un condensatore con una tensione nominale superiore alla tensione effettiva prevista. A differenza dei condensatori elettrolitici in alluminio, gli MLCC non sono polarizzati, quindi possono essere inseriti in un circuito in entrambe le direzioni senza esplosioni.

Risposta in frequenza

La Figura 3 è un modello di circuito per un MLCC. Gli MLCC hanno ESL parassita (induttanza in serie equivalente) ed ESR (resistenza in serie equivalente). Questi formano un circuito risonante, dove l'impedenza minima è pari all'ESR, alla frequenza di risonanza f=1/(2π√LC), dove L è l'ESL e C è la capacità. I parassiti sono legati alle dimensioni dei pacchetti. I pacchetti SMT hanno un ESL inferiore rispetto ai pacchetti through-hole.

Figura 3: Modello di circuito di un vero condensatore

L'impedenza di un condensatore decresce secondo la formula Z=1/jωC, fino alla frequenza di risonanza. A quel punto, l'impedenza del condensatore è l'ESR. All'aumentare della frequenza, l'impedenza è dominata dalla resistenza in serie equivalente e sembra induttiva, causando un aumento dell'impedenza. La Figura 4 è un grafico dell'impedenza di un condensatore rispetto alla frequenza che mostra questo comportamento.

Figura 4: grafico SpiCap di un'impedenza MLCC rispetto alla frequenza

Fonte immagine: cattura dello schermo dello strumento AVX SpiCap 3.0. SpiCap è disponibile per il download qui: http://www.avx.com/spiapps/#spicap

Diversi condensatori con valori e pacchetti diversi possono essere utilizzati in parallelo per fornire una bassa impedenza su un'ampia frequenza.

Deriva di polarizzazione CC

Una polarizzazione CC attraverso un condensatore X7R fa sì che la capacità cambi leggermente. La Figura 5 è un grafico di due condensatori 0805 X7R da 0,010 uF. Un condensatore ha 50 V ai suoi capi. Possiamo vedere che la frequenza di risonanza si sposta di 10-20 MHz.

Figura 5: la polarizzazione CC provoca uno spostamento della capacità

Considerazioni pratiche

Condensatori con temperatura stabile e tolleranza stretta dovrebbero essere usati nei circuiti di retroazione.

I condensatori di bypass hanno requisiti meno rigorosi.

Scegli un condensatore con una tensione nominale elevata per fornire margine.

Prestare attenzione alla tolleranza di capacità.

Prestare attenzione al coefficiente di temperatura.

Prestare attenzione all'ESL per le applicazioni ad alta frequenza.

Prestare attenzione all'ESR per le applicazioni con corrente di ondulazione elevata.

Mettere in parallelo diversi valori per fornire un'ampia copertura di frequenza.

Conclusione

Questo documento offre una panoramica dei condensatori ceramici multistrato (MLCC), della loro costruzione e di importanti parametri della scheda tecnica con particolare attenzione al coefficiente di temperatura, alla risposta in frequenza e ai problemi di polarizzazione CC.

Fonte: RKER.IO