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電容基礎知識(貼片電容及其應用)

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片式電容具有容量大,體積小,容易片式化等特點,是當今移動通信設備、計算機板卡以及家電遙控器中使用最多的元件之一。為了滿足電子設備的整機向小型化、大容量化、高可靠性和低成本方向發展的需要,片式電容本身也在迅速地發展:種類不斷增加,體積不斷縮小,性能不斷提高,技術不斷進步,材料不斷更新,輕薄短小系列產品已趨向于標準化和通用化。其應用正逐步由消費類設備向投資類設備滲透和發展。

此外,片式電容還在朝著多元化的方向發展:①為了適應便攜式通信工具的需求,片式電容器正向低電壓、大容量、超小和超薄的方向發展。②為了適應某些電子整機(如軍用通信設備)的發展,高耐壓、大電流、大功率、超高Q值、低ESR型的中高壓片式電容器也是目前的一個重要的發展方向。③為了適應線路高度集成化的要求,多功能復合片式電容器正成為技術研究熱點。

1 片式疊層陶瓷介質電容器

在片式電容器里用得最多的是片式疊層陶瓷介質電容器。

片式疊層陶瓷電容器(MLCC),簡稱片式疊層電容器(或進一步簡稱為片式電容器),是由印好電極(內電極)的陶瓷介質膜片以錯位的方式疊合起來,經過一次性高溫燒結形成陶瓷芯片,再在芯片的兩端封上金屬層(外電極),從而形成一個類似獨石的結構體,故也叫獨石電容器,如圖1所示。

圖1表明,片式疊層陶瓷電容器是一個多層疊合的結構,其實質是由多個簡單平行板電容器的并聯體。因此,該電容器的電容量計算公式為

C=NKA/t

式中,C為電容量;N為電極層數;K為介電常數(俗稱K值);A為相對電極覆蓋面積;t為電極間距(介質厚度)。

由此式可見,為了實現片式疊層陶瓷電容器大容量和小體積的要求。只要增大N(增加層數)便可增大電容量。當然采用高K值材料(降低穩定性能)、增加A(增大體積)和減小t(降低電壓耐受能力)也是可以采取的辦法。

這里特別說一說介電常數K值,它取決于電容器中填充介質的陶瓷材料。電容器使用的環境溫度、工作電壓和頻率、以及工作的時間(長期工作的穩定性)等對不同的介質會有不同的影響。通常介電常數(K值)越大,穩定性、可靠性和耐用性能越差。

常用的陶瓷介質的主要成分是MgTiO3、CaTiO3、SrTiO3和TiO2再加入適量的稀土類氧化物等配制而成。其特點是介質系數較大、介質損耗低、溫度系數小、環境溫度適用范圍廣和高頻特性好,用在要求較高的場合(I類瓷介電容器)中。

另一類是低頻高介材料稱為強介鐵電陶瓷,常用作Ⅱ類瓷介電容器的介質,一般以BaTiO3為主體的鐵電陶瓷,其特點是介電系數特別高,達到數千,甚至上萬;但是介電系數隨溫度呈非線性變化,介電常數隨施加的外電場也有非線性關系。

目前最常用的多層陶瓷電容器介質有三個類型:COG或NPO是超穩定材料,K值為10~100;X7R是較穩定的材料,K值為2 000~4 000;Y5V或Z5U為一般用途的材料,K值為5 000~25 000。在我國的標準里則分為I類陶瓷(C C 4和CC41)及Ⅱ類陶瓷(CT4和CT41)兩種。上述材料中,COG和NPO為超穩定材料,在-55℃~+125℃范圍內電容器的容量變化不超過± 30ppm/℃。

其余材料是按其工作溫度的范圍和電容量的變化率來命名的。詳見表1。

幾種常用的片式電容器的介質材料中:

X7R代表使用溫度范圍為-50℃至+125℃;在此范圍內的電容量變化可達到±15%。

Z5U代表使用溫度范圍為+10℃至+85℃;在此范圍內的電容量變化從-56%至+22%。

Y5V代表使用溫度范圍為-30℃至+85℃;在此范圍內的電容量變化從-82%至+22%。

這些關系表明,在實際使用時,對片式電容器選擇不能一味只考慮體積和價格,如果有使用的環境溫度問題,還應當注意電容器的介質帶來的電容量變化問題。圖2畫出了不同材質電容器電容量以及介質損耗隨溫度變化的曲線。

 

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