Elektronika (nie tylko) dla informatyków (37) Kondensatory ceramiczne – współczynnik cieplny

W poprzednim odcinku omówiliśmy elementarne informacje o materiałach ceramicznych, które służą za dielektryk w kondensatorach. W tym odcinku przyjrzymy się dokładniej współczynnikowi cieplnemu różnego rodzaju dielektryków stosowanych w kondensatorach ceramicznych.

Obecnie przy wytwarzaniu kondensatorów ceramicznych stosuje się rozmaite materiały, dodatki oraz skomplikowane procesy produkcji, które zresztą w dużej części są tajemnicami producentów. Z grubsza biorąc, klasyczny sposób wytwarzania polega na dokładnym zmieleniu substancji czynnych, zmieszaniu z lepiszczem i ukształtowaniu na mokro cienkich warstw – tzw. arkuszy, zwykle na ruchomej taśmie produkcyjnej. Grubość arkusza dielektryka decyduje o maksymalnym napięciu pracy. Takie arkusze pokrywane są warstewką metalu, tworzącą elektrody. Następnie z wielu arkuszy tworzona jest „kanapka”, która po sprasowaniu jest cięta na małe kawałeczki – na pojedyncze kondensatory. Tak powstałe kondensatory są wypalane, co tworzy dielektryk ceramiczny o pożądanych właściwościach. Kondensator ceramiczny przedstawiony na rysunku 1 może mieć setki takich cienkich warstw. Na koniec z dwóch stron nakładane są warstwy metalu, tworzące wyprowadzenia umożliwiające lutowanie.

O skali trudności może świadczyć fakt, że w niektórych kondensatorach o dużej pojemności i małym napięciu nominalnym warstwy ceramiki pokryte jeszcze cieńszą warstewką metalu mają grubość rzędu 1 mikrometra. Poszczególni producenci korzystają z różnie zmodyfikowanych, zaawansowanych metod produkcji. W rezultacie kondensatory o podobnych właściwościach elektrycznych różnych producentów mogą być produkowane w odmienny sposób i mieć bardzo różny skład chemiczny. Z tych względów nie klasyfikuje się kondensatorów ceramicznych ze względu na skład chemiczny dielektryka, tylko ze względu na finalne właściwości.

Podział na typy 1, 2 i 3 jest zgrubny, przydatny głównie do celów edukacyjnych. Warto wiedzieć, że przed laty pojawiły się też doniesienia o kondensatorach typu 4, gdzie dielektryk miał jeszcze większą przenikalność, ale jeszcze mniejszą stabilność. Takich kondensatorów nie ma dziś w ofertach producentów. Dziś producenci często nie rozróżniają kondensatorów typu 2 i 3, a wszystkie kondensatory ferroelektryczne z dielektrykiem o dużej przenikalności bywają zaliczane do typu 2, przy czym często mówi się o klasie 2 (class 2).

Stabilne kondensatory typu 1 miały i mają dość dokładnie określony współczynnik cieplny. Oznaczenie NP0 wskazuje na zerowy współczynnik cieplny. Popularne były też kondensatory typu 1 o innych, dość dokładnie określonych współczynnikach cieplnych. Kondensatory o dodatnim współczynniku były i są oznaczane literą P i liczbą, określającą ten współczynnik w jednostkach 1 ppm/K, na przykład P100. Skrót ppm to parts per million, czyli jeden na milion (1/1000000=0,000001). Dlatego 1 ppm/K = 0,0001%/K = 0,0001%/°C.

Bardziej popularne były kondensatory o ujemnym współczynniku cieplnym, oznaczane literą N, np. N100, N470, N1500 czy N3300. Duży współczynnik N3300 oznacza, że przy zmianie temperatury o 1 stopień pojemność kondensatora zmieni się o 3300 ppm, czyli o 0,33%. Przy zmianie temperatury o 100 stopni, pojemność zmieniłaby się aż o 33%. Rysunek 2 (wg materiałów Vishay) pokazuje graficznie te zależności przy różnych wartościach współczynnika termicznego.

Spotyka się też ceramikę o oznaczeniu SL0, z która może być pewien kłopot, bo w katalogach podaje się współczynnik cieplny –1000/+350 ppm/K, a przebieg zmian jest nieliniowy, jak ilustruje rysunek 3.

W związku ze zmianami w elektronice, do dziś masowo produkowane są tylko kondensatory NP0 (obecnie częściej oznaczane C0G), które mają zerowy współczynnik termiczny, w praktyce t0 ±30 ppm/K. Nietrudno obliczyć, że przy dopuszczalnej odchyłce o 30 ppm/K, zmiana temperatury aż o 100 stopni spowoduje zmianę pojemności tylko o 3000 ppm, czyli o 0,3%.

Dawniej kupując kondensator ceramiczny o niewielkiej pojemności, trzeba było też zwracać uwagę na współczynnik cieplny, oznaczany zazwyczaj kolorową kropką. Kondensatory NP0 miały kropkę czarną – patrz fotografia 4. Miało to duże znaczenie w układach radiowych, bowiem zastosowanie kondensatorów o odpowiednim współczynniku cieplnym pozwalało skompensować zmiany termiczne cewek, które często są rzędu +100 ppm/K. Dziś wykorzystuje się inne rozwiązania.

Warto wiedzieć, że podstawowe właściwości kondensatorów ceramicznych często określa się za pomocą trzyznakowego kodu EIA, zwierającego literę, cyfrę i literę. Dla stabilnych kondensatorów typu 1 stosuje się oznaczenia według tabeli zaprezentowanej na rysunku 5.

Pierwsze dwa znaki kodują wartość współczynnika cieplnego wyrażonego w ppm/K. Trzecia znak – litera, koduje tolerancję, ale nie tolerancję pojemności kondensatora, tylko tolerancję wartości współczynnika cieplnego, też wyrażoną w ppm/K. Dwie pierwsze litery są odpowiednikami wcześniejszych popularnych oznaczeń z literami N, P. Przykładowo współczynnik cieplny P100 (+100±30 ppm/K) zostanie zakodowany jako M7G. Współczynnik NP0 (0±30 ppm/K) według EIA ma oznaczenie C0G (mógłby mieć także oznaczenie C4G, ale nie jest ono stosowane). A oto inne przykłady: N30 = B2G, P150 = P7G, N150 = P2G, N470 = T2H lub T2J, N2200 = R3L.

W praktyce na rynku dostępne są powszechnie kondensatory C0G, natomiast z uwagi na postęp techniczny, kondensatory o innych współczynnikach cieplnych są wykorzystywane coraz rzadziej.

W przypadku kondensatorów ferroelektrycznych typu 2 (ale także 3) oznaczenie jest inne, choć też zawiera literę, cyfrę i literę. Pierwszy znak (litera) określa dopuszczalną dolną temperaturę pracy, znak drugi (cyfra) określa maksymalną temperaturę pracy, a znak trzeci (litera) wskazuje na dopuszczalną zmianę pojemności w tym zakresie temperatur, jak pokazuje tabela zaprezentowana na rysunku 6.

Zazwyczaj na obudowie kondensatora nie podaje się typu ceramiki, tylko na nielicznych kondensatorach można znaleźć taką informację – przykład na fotografii 7.

Popularne przykłady to kondensatory oznaczone X7R, Y5V i Z5U. Jak widać w tabeli, znaczy to:
X7R: –55…+125 °C, zmiana pojemności ±15%
Y5V: –30…+85 °C, zmiana pojemności +22%/–82%
Z5U: +10…+85 °C, zmiana pojemności +22%/–56%.

Trzeba podkreślić, że w tych oznaczeniach, określana przez ostatnią literę zmiana pojemności pod wpływem temperatury to nie jest tolerancja. Tolerancję rozumiemy jako odchyłkę od wartości nominalnej „w spoczynku”, czyli rzeczywistą pojemności danego egzemplarza względem wartości nominalnej, ale mierzoną w jakichś standardowych warunkach „początkowych”. Dopiero do tak rozumianej tolerancji dojdą zmiany pod wpływem temperatury czy innych czynników. W przypadku wielu elementów te dodatkowe zmiany są mniejsze niż „początkowa tolerancja”. Jednak w przypadku kondensatorów ferroelektrycznych często bywa inaczej – zmiany pod wpływem temperatury i przyłożonego napięcia są większe niż tolerancja. Zajmiemy się tym w następnym odcinku.

Piotr Górecki