Všeobecným trendom dnešnej doby je neustál zmenšovanie elektroniky a zvyšovanie jej funkčnosti, čo v praxi znamená, že konštruktér je často tlačený do toho, aby používal čoraz menšie a menšie komponenty. A tak to, čo bolo na papieri niekedy štandardom napríklad kondenzátor o kapacite 0,1 µF vo veľkosti 1206, sa dnes dá kúpiť vo veľkosti 0402. Je to však skutočne ekvivalentný kondenzátor? Na niektoré otázky sa preto pozrieme v tomto článku.

Ako konštruktéri sa najlepšie poučíme z chýb asi tak, keď vyrobíme niečo, čo nefunguje správne, alebo vôbec a potom objavíme hlavnú príčinu tohoto zlyhania a dúfame, že sa tak stane dlho predtým, ako sa výrobok uvedie do výroby. Mnohé z toho, o čom sa tu hovorí, je dlhý smutný príbeh inžinierskeho "výcviku na pracovisku", dúfajme, že ak si nie ste vedomí všetkých týchto problémov, budete varovaní a budete vedieť, na čo si dať pozor.

Špecifikácie keramického kondenzátora

Mnohí z nás si mysleli, že bežná nomenklatúra keramických kondenzátorov C0G, X7R, B5X, Z5U atď. je fyzikálna špecifikácia dielektrika. K pochopeniu častokrát nepomohlo ani to, že niektorí výrobcovia uvádzali tento parameter ako "dielektrikum X7R". Tieto trojpísmenové označenia však nie sú fyzikálnym dielektrikom, ale sú systémom hodnotenia výkonu pretože výrobca môže použiť akékoľvek zloženie dielektrika, ktoré si vyberie, pokiaľ spĺňa trojpísmenovú špecifikáciu výkonu. Keramické kondenzátory s typovým označením C0G alebo NP0 (v označení je "nula", nie "o") sú triedy 1. Sú to vo svojej podstate veľmi stabilné kondenzátory, ktoré majú veľmi nízky teplotný drift, menej ako 30 ppm na stupeň Celzia. Typy C0G majú tiež najnižšiu objemovú účinnosť.

Do hry tak vstupujú kondenzátory triedy II a ich trojpísmenový systém číslovania je podrobne uvedený v tabuľke 1:

Tabuľka 1: Trojpísmenový systém označovania kondenzátorov triedy II pre najčastejšie používané typy v elektronike sú X7R a B5X. Toto označenie avšak neoznačuje konkrétne dielektrikum, pretože výrobca môže použiť akúkoľvek konštrukciu, ktorú chce, pokiaľ spĺňa danú špecifikáciu. Napríklad "X7R" má tieto vlastnosti: -55 ºC až +125 ºC a maximálnu zmenu kapacity +/-15 %.

Život (a aj naše zapojenia) by bol oveľa lepší, keby sme všade používali kondenzátory s označením C0G. Problém však je, že sú príliš veľké na to, aby sa dali použiť kdekoľvek vo väčšine moderných aplikácií. Čokoľvek iné ako typ C0G je miestom, kde sa "kondenzátory kazia", ako uvidíme ďalej.

Príčina poškodenia kondenzátora - DC bias

Moja "zlá skúsenosť" s keramickým kondenzátorom bola, keď som sa prvýkrát rozhodol použiť v jedmom rádiu rozvodnú zbernicu zloženú s prevažne keramických kondenzátorov. Rádio fungovalo pomerne dobre, ale napájacia zbernica, ktorej napätie bolo 5,5 V a bola zdrojom napájajúcim pomerne veľkú sieť 5 V nízkoúbytkových regulátorov (LDO), ale oscilovala. Použité kondenzátory o veľkosti 0402 s kapacitou 0,22 µF, ktoré boli v zapojení použité, jednoducho stratili značnú časť svojej kapacity a zbernica nemala dostatočnú objemovú kapacitu na vyrovnanie nízkofrekvenčnej interakcie, ktorá vznikla kvôli LDO. Príčina v tomto prípade bola jasná - oscilácie.

Našťastie sa to dalo ľahko opraviť. Na existujúce kondenzátory sa jednoducho pridali dodatočné kondenzátory 2,2 µF a mohlo sa pokračovať v testovaní. Tu avšak nastáva otázka - čo je hlavnou príčinou a čo udávajú katalógové listy použitých kondenzátorov?

Ako podrobne opísali Mark Fortunato [1] a István Novák [2], mnohí z nás majú podobné skúsenosti. To, čo roky fungovalo pri zmenšení veľkosti komponentu zrazu nefungovalo. Ako ukazuje obrázok 1, známe zmenšenie kapacity v závislosti od predpätia pre niekoľko kondenzátorov.

Obrázok 1. Typické krivky zobrazujúce zníženie kapacity dvoch kondenzátorov X7R s kapacitou 0,01 µF, 50 V v porovnaní s kondenzátorom C0G v závislosti od jednosmerného predpätia (A) a dvoch kondenzátorov X7R v závislosti od úrovne striedavého budenia (B). Medzi zdanlivo podobnými výrobcami kondenzátorov X7R môžu byť veľké rozdiely.

Novak vo svojom článku uviedol: "Aby sa pomohlo používateľom, všetci veľkí výrobcovia dnes dodávajú so svojimi komponentami MLCC (Multi-layer ceramic capacitor) aspoň informácie o jednosmernom predpätí," [2] ale v poslednom čase zisťujem, že to už nie je vždy pravda. Za posledných niekoľko rokov táto informácia z veľkého množstva dátových listov jednoducho zmizla a teraz ju musíte komplikovane hľadať, ak ju vôbec nájdete.

AVX, Murata a KEMET majú webové stránky, na ktorých sú uvedené všetky druhy parametrov a výkonnostných kriviek pre takmer všetky ich kondenzátory [3], ale bohužiaľ tieto informácie nie sú všeobecne prenosné na komponent iného výrobcu. Napríklad 0,1 µF, 10 V, X7R od jedného výrobcu stratí -4 % svojej kapacity pri predpätí 5 V DC a iný môže mať aý o -35 % nižšiu kapacitu pri rovnakých podmienkach. Z toho vyplýva, že jednoducho nemôžete predpokladať, že výkon kondenzátora jedného výrobcu je rovnocenný s kondenzátorom iného výrobcu.

Okrem toho si možno spomínate, že v roku 2017 bol celosvetový nedostatok keramických kondenzátorov všetkých typov. V tom čase sa výrobcovia predháňali, aby získali dostatok komponentov na predaj. Vtedy som narazil som na niekoľko problémov súvisiacich s výrobou, keď nielen koncoví používatelia robili neotestované zmeny komponentov, ale aj výrobcovia robili zmeny na svojich komponentoch, ktoré mali za následok to, že mali odlišné krivky charakteristiky jednosmerného skreslenia.

Pri hľadaní súčasných kapacitných kriviek v porovnaní s krivkami jednosmerného skreslenia nájdete informácie výrobcu, ktoré sú staré niekoľko desaťročí, a začínam sa pýtať, či už vôbec zodpovedajú realite. Jednoducho sa neaktualizujú a iba sa penášajú z jedného katalógového listu na druhý bez toho aby sa overila akákoľvek ich pravdivosť a v poslednom čase sa zdá, že sa namiesto akéjkoľvek snahy o aktualizáciu jednoducho odstránia z katalógového listu.

Príčina poškodenia kondenzátora - skreslenie

Ďalším problémom, ktorý vidím, je skreslenie. Táto zmena kapacity pri jednosmernom skreslení môže spôsobiť problém pri akomkoľvek použití kondenzátorov v analógovej signálovej ceste. Videl som, že príliš veľa konštruktérov, ktorí majú vo svojej konštrukcii nedostatok miesta, si jednoducho vyberajú kondenzátory iba na základe veľkosti a teplotných parametrov. To ich núti navrhovať najrôznejšie druhy kombinácií kondenzátorov, ktoré sa rovnajú "iba digitálnym" kondenzátorom, čo má katastrofálne výsledky pre spracovanie analógového signálu.

Aby som ukázal a zmeral tento efekt skreslenia, použil som časť svojho projektu BlasterAmp [4], konkrétne zvukový výstup Sound Blaster a softvér na vytváranie zvukových tónov s veľmi nízkym skreslením, vlastný 18-bitový FFT analyzátor na meranie skreslenia [5] spolu s obvodom na obrázku 2.

Obrázok 2. Obvod op-amp NE5534 na testovanie skreslenia. Testovací kondenzátor je miesto, kde som spájkoval rôzne kondenzátory na testovanie. Tento obvod po pripojení k zariadeniu Sound Blaster USB Dongle a nejakému vlastnému softvéru vytvára signál bez skreslenia na 16-bitovej úrovni (skreslenie > 95 dBc).

Zapojenie na obrázku 2 je obmedzené na 16-bitové skreslenie prevodníka DAC v zariadení Sound Blaster. Podľa očakávania som nameral všetky druhy 0,01 µF, keramických kondenzátorov C0G a skladaných filmových kondenzátorov, ktoré na  výstup zariadenia nepridali žiadne merateľné skreslenie.

Zábavná časť prišla, keď som meral kondenzátory X7R. Obvykle používam kondenzátory X7R len v obvodoch bypassu, ale pre istotu som jeden alebo dva nechal prekĺznuť do cesty spracovania signálu. Našťastie pre mňa nespôsobili žiadne problémy, pretože boli takmer vždy dimenzované na 50 V a to bolo hlboko pod používanými výkyvmi signálu.

Merania dvoch zdanlivo rovnakých typov 0,01 µF, 50 V, 0603, X7R s výkyvom signálu od špičky k špičke 20 V sú znázornené na obrázku 3. Ako je vidieť, tieto kondenzátory majú na grafe FFT veľmi odlišné znaky skreslenia. V tabuľke 2 je lepšie porovnanie produktov skreslenia. Jeden zo "zdanlivo rovnakých" kondenzátorov má pomer skreslenia 2:1 čo je lepšie skreslenie ako má druhý kondenzátor.

Obrázok 3. Signatúra skreslenia FFT pre dva zdanlivo rovnaké kondenzátory s napätím 50 V, X7R a veľkosťou 0603. Ako je vidieť, jeden z nich má výrazne horšie charakteristiky skreslenia.

Tabuľka 2 Tabuľkové údaje pre rôzne kondenzátory namerané na obrázku 3. Jeden z kondenzátorov má dvakrát vyššie percento celkového harmonického skreslenia ako druhý. Ani jeden nemá výkon ani na 8-bitovej úrovni (-49 dBc) pre tretiu harmonickú!

Zmeral som aj kondenzátory X7R, 0805, 50 V a dokonca aj kondenzátor 0402 s menovitým napätím 10 V s podobným skreslením ako vyššie uvedené. Kondenzátor 0402 by mal byť oveľa horší kvôli väčšiemu výkyvu vzhľadom na jeho menovité maximálne pracovné napätie, ale nebol. Práve to ma núti myslieť si, že krivky v datasheetoch mnohých týchto súčiastok sú veľmi staré a už nezodpovedajú realite. Kondenzátor 0402 som tiež skreslil na 50 V bez merateľného zvýšenia zvodového prúdu, takže možno je predsa len postavený na 50 V procese? Neviem, ale na základe klasickej krivky poklesu kapacity v závislosti od pracovného napätia by to malo byť oveľa horšie, ako to bolo.

Keď som sa hrabal v komponentoch a hľadal som kondenzátory pre na meranie, narazil som aj na jeden 45 rokov starý diskový kondenzátor Z5U. Myslel som si, že bude vykazovať veľmi vysoké skreslenie, ale ukázalo sa, že vôbec nie je taký zlý, ako približne rovnaký ako moderný X7R kondenzátor. (Pozri obrázok 4).

Obrázok 4. 45 rokov starý kondenzátor Z5U meraný len tak pre zábavu. Jeho skreslenie nebolo také zlé, ako sa očakávalo.

Vzal som jeden z kondenzátorov z obrázka 3 a spustil som na ňom napätie od špičky k špičke, až kým sa produkty skreslenia nedostali na úroveň šumu, a potom som tieto údaje zobrazil na obrázku 5.

Obrázok 5. Tretie harmonické skreslenie v závislosti od napätia špička-špička (peak-to-peak) aplikovaného na kapacitu 0,1 µF, 50 V, X7R, 0603 z obrázka 3. Namerané skreslenie podľa očakávania sledovalo prispôsobenú logaritmickú trendovú čiaru.

Trendová čiara vykreslená na údajoch na obrázku 5 ukazuje dobrú zhodu s logaritmickou krivkou, čo naznačuje, že aj keď musíte použiť kondenzátor X7R v signálovej ceste, ak je úroveň signálu dostatočne nízka, nemusíte zaznamenať žiadne problémy so skreslením.

Žiadny výrobca neuvádza skreslenie ako špecifikáciu a ako je uvedené vyššie, zmena kapacity v závislosti od údajov o jednosmernom skreslení na zdanlivo podobných kondenzátoroch sa veľmi líši.

Jediné, čo môžete urobiť, je vyhnúť sa čomukoľvek inému ako typu C0G alebo použiť filmový kondenzátor, kde môže byť skreslenie problémom. Ani starostlivé testovanie nemusí zabezpečiť úspech, pretože nikdy neviete, kedy sa môže zmeniť dizajn alebo konštrukcia súčiastky, čo spôsobí výrobné problémy. Áno, to znamená, že veľkosť sa môže stať problémom, ale niekedy je potrebné urobiť kompromis v konštrukcii.

Príčina poškodenia kondenzátora - Piezoelektrický efekt

Dozvedel som sa o tom, keď som spolupracoval s niektorými skúsenými konštruktérmi fázovej slučky (PLL); povedali mi, že čokoľvek iné ako kondenzátory C0G alebo X7R by bol problém. Tento "problém" spočíva v tom, že akékoľvek iné dielektrikum ako to, ktoré sa používa na výrobu kondenzátorov C0G, používa materiál, ktorý je prirodzene piezoelektrický a pri deformácii spôsobí vznik napätia na súčiastke. Myslím, že konštruktéri PLL prvýkrát zistili tento problém, keď sa pri návrhu objavili RF pásma pri frekvencii otáčania chladiaceho ventilátora. Ventilátor rozvibroval dosku plošných spojov a tieto vibrácie spôsobili, že príslušné kondenzátory generovali dostatočné piezoelektrické napätie, ktoré modulovalo ladiacu linku oscilátora PLL, čo spôsobilo bočné pásma. Výmena kondenzátora za typ C0G spôsobila, že problém zmizol.

Pri čítaní recenzií mnohých prenosných počítačov sa niekedy opisuje počuteľné kvílenie, ktoré je pri určitých podmienkach zaťaženia na niektorých prenosných počítačoch počuť. Zvyčajne to opisujú ako "kvílenie cievky", ale v skutočnosti ide pravdepodobne o "spievajúci kondenzátor".

Niekoľko výrobcov upravilo konštrukciu svojich kondenzátorov, aby zmiernili tento problém a znížili možný akustický hluk [6]. V minulosti už bolo vykonaných niekoľko dobrých prác na demonštráciu a meranie týchto problémov a nemá zmysel, aby som ich tu opakoval, pozri odkaz [7].

Ako som spomenul, na základe skúseností týchto iných konštruktérov som sa vo svojich analógových návrhoch vyhýbal čomukoľvek inému ako kondenzátorom C0G a X7R, kondenzátory s vyššou hustotou som používal len tam, kde to bolo nevyhnutné, napríklad medzi napájacími podložkami FPGA atď. alebo v striktne digitálnych návrhoch. Hoci, ak použijete jeden z týchto veľmi piezoelektrických kondenzátorov v hodinovej linke, kto môže povedať, že nejaký piezoelektrický potenciál nemôže spôsobiť chvenie spínacieho prahu, čím spôsobí neželané chvenie hodín ďalej v linke? Buďte opatrní!

Vždy som predpokladal, že kondenzátory X7R sú bezpečné pred piezoelektrickým problémom, čo jednoducho nie je pravda, pretože kondenzátory X7R používajú dielektrické materiály, ktoré sú vo svojej podstate tiež piezoelektrické. Lenže doteraz bola úroveň piezoelektrického náboja príliš nízka na to, aby mi spôsobila nejaké problémy, ale ako sa hovorí, vaše skúsenosti sa môžu líšiť. Táto situácia sa môže kedykoľvek zmeniť, ako ukázali moje skúsenosti s veľkým nedostatkom kondenzátorov v roku 2017, preto je najlepšie byť veľmi opatrný. Prípadne použite niektorý zo špeciálne navrhnutých kondenzátorov s nízkou akustickou hlučnosťou.

Príčina poškodenia kondenzátora - Problémy s praskaním

Keramické kondenzátory sú veľmi krehké. Komu sa ešte nestalo, že mu kondenzátor praskol alebo mu odpadli koncové kontaktné krytky? Táto krehkosť sa môže ešte viac zhoršiť použitím rozmerovo veľkých keramických kondenzátorov na tenkej doske plošného spoja, kde môže jej ohýbanie spôsobiť prasknutie mnohých kondenzátorov (obrázok 6). Mnohé veľké keramické kondenzátorové polia sú dokonca montované v rámčekoch na zníženie ich pnutia, aby sa znížilo ich možné praskanie.

Obrázok 6. Ak na PCB pôsobí sila, ktorá spôsobuje ohýbanie (červené čiary), potom všetky komponenty namontované pozdĺž tohoto ohybu pocítia silu vo svojich montážnych bodoch (čierne čiary). Keramické kondenzátory, ktoré sú veľmi krehké, zvyčajne najprv trpia ohybovou silou (silami) a praskajú v montážnych bodoch.

Do určitej miery záleží na konštrukcii kondenzátora, ale všetky keramické kondenzátory môžu prasknúť v dôsledku namáhania ohybom. Je dobré mať to na pamäti a použiť primeranú hrúbku dosky plošných spojov vzhľadom na veľkosť komponentov, aby sa znížilo možné ohýbanie. DPS s hrúbkou 0,090 alebo 0,120 palca je oveľa tuhšia ako štandardný materiál s hrúbkou 0,032 alebo 0,062 palca a môže stačiť na vyriešenie prípadných problémov.

Nezabudnite, že k namáhaniu pri ohýbaní nedochádza len vtedy, keď dosku fyzicky deformujete. Teplotné cykly na hotovej zostave môžu tiež spôsobiť dostatočné napätie na prasknutie keramických kondenzátorov.

Niektorí výrobcovia vyrábajú kondenzátory so špeciálnymi pružnými alebo mäkkými koncovkami, ktoré umožňujú, aby sa spájkovaný spoj skutočne trochu ohol, čo môže výrazne pomôcť zmierniť tento problém.

Ďalší skutočný problém s akýmkoľvek komponentom menším ako 0603 nastáva pri manipulácii s doskou alebo pri pokuse umiestniť hotovú osadenú dosku do tuhého ESD tieneného metalizovaného antistatického vrecka. Tieto typy metalizovaných vrecúšok sú pomerne tuhé a môžu veľmi ľahko oddeliť malé súčiastky od dosky. Umiestnenie osadenej dosky do vyhovujúcejšieho alebo polstrovaného (bublinkovaného) antistatického vrecka pred vložením zostavy do tuhého Faradayovho tieneného vrecka môže zabrániť mnohým problémom s poškodením.

Všetky tieto problémy s kondenzátormi sú dobre známe a zdokumentované, ale stále nie sú bohužiaľ všeobecne uznávané radovými konštruktérmi. Ešte aj dnes vidím návrhy, ktoré sa snažia použiť čo najmenší kondenzátor v analógovej signálovej ceste. Títo konštruktéri sa bohužiaľ o poklese kapacity, skreslení a piezoelektrických problémoch sa dozvedia z prvej ruky - od seba až budú hľadať príčinu problému, pretože zariadenie nerobí to, čo má. To je škoda, pretože je oveľa menej bolestivé nechať sa poučiť z chýb cudzích, než zo svojich.

Nedávno, po veľkom nedostatku kondenzátorov, som prehodnotil, nakoľko môžem extrapolovať piezoelektrické pravidlo, ktoré som predpokladal, a to, že kondenzátory X7R sú voči tomuto problému nejako imúnne. Už to nepredpokladám slepo a som oveľa opatrnejší. Ako sa uvádza v aplikačnej poznámke TDK [7]:

Inžinier nemôže vyvodiť všeobecné predpoklady len na základe meraní.

Dôkladne preto otestujte komponent, ktorý chcete použiť v obvode, ale nesnažte sa ju extrapolovať na iné podobné komponenty, pretože môžu byť úplne iné, a čo je ešte horšie, môžu sa zmeniť budúci týždeň, keď príde ďalší nedostatok komponentov.

Bonus: Kondenzátory nie sú jediným možným problémom

Keď spoločnosť Linear Technology začala pred časom vyrábať 18 a 20-bitové ADC, zistila, že aj menšie SMT rezistory môžu spôsobovať skreslenie [8]. Ukázalo sa, že 12 a 14-bitové rozlíšenie bolo celkom jednoduché a všetko, čo je dnes väčšie ako 16 bitov, si vyžaduje veľa starostlivosti okolo samotného návrhu, pri ktorom je potrebné dôkladne preskúmať každý jeden komponent z hľadiska nelinearít. Vrátane "poklepávania" na hotovú dosku, aby sa hľadali piezoelektrické efekty!

Referencie

[1] Mark Fortunato, Maxim Semiconductor, 2012

[2] Istvan Novak, et.al., Oracle-America Inc.

[3] AVX, Murata and Kemit Online Selector / Simulation Tools,

• https://spicat.kyocera-avx.com/mlcc
• https://ds.murata.co.jp/simsurfing/mlcc.html?lcid=en-us
• https://ksim3.kemet.com/

[4] Hageman, Steve, “Simplify testing of embedded analog-to-digital converters”, EDN, Jún 23, 2022

[5] DMT9000, 18 Bit, FFT Analyzer will be detailed in a future article.

[6] TDK Corporation, “Singing Capacitors (Piezoelectric Effect)”, December 2006.

[7] Cadwell, John, Texas Instruments, “Stress-induced outbursts: Microphonics in ceramic capacitors” December 2014, Parts 1 and 2,

• https://web.archive.org/web/20141230215628/https://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2014/12/19/stress-induced-outbursts-microphonics-in-ceramic-capacitors-part-1
• https://web.archive.org/web/20160317011358/https://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2014/12/23/stress-induced-outbursts-microphonics-in-ceramic-capacitors-part-2

[8] Hutchison, Tyler, “Matched Resistor Networks for Precision Amplifier Applications”, Linear Technology Design Note 502

Autor článku Steve Hageman je potvrdeným "analógovým bláznom" približne od piatej triedy. Mal to potešenie navrhovať optické zosilňovače, spínané napájacie zdroje, osciloskopy s gigahertzovým vzorkovaním, zosilňovače lock-in, rádiové prijímače, VF obvody do 50 GHz a testovacie zariadenia pre digitálne bezdrôtové produkty. Vie, že všetky moderné návrhy sa nedajú robiť pomocou R, Ls a C, takže sa venuje programovaniu počítačov a vstavaných systémov len natoľko, aby mohol robiť svoju prácu.