Que sont les condensateurs céramiques ?
Introduction
Définition : Un condensateur céramique est un condensateur qui a un diélectrique céramique comme matériau diélectrique. Les condensateurs céramiques multicouches et les condensateurs à disque céramique sont les deux types les plus courants.
Le diélectrique d'un condensateur céramique est la céramique. La céramique, isolant bien connu, est l’un des premiers matériaux utilisés dans la fabrication des condensateurs. Les condensateurs céramiques se présentent sous diverses formes géométriques, dont certaines ont été progressivement supprimées en raison de leur taille, d'effets parasites ou de caractéristiques électriques, comme les condensateurs tubulaires en céramique et les condensateurs à couche barrière. Le condensateur céramique multicouche , également connu sous le nom de condensateur à puce multicouche en céramique (MLCC), et le condensateur à disque céramique sont les deux types de condensateurs céramiques les plus largement utilisés dans l'électronique moderne.
Condensateur céramique multicouche typique
Avec un volume de production d’environ 1 000 milliards d’appareils par an, les MLCC sont les condensateurs les plus utilisés. En raison de leur petite taille, ils sont couramment utilisés et fabriqués à l'aide de la technologie SMD (montage en surface). Les condensateurs céramiques sont généralement fabriqués avec de très petits niveaux de capacité, allant de 1 nF à 1 F, avec une capacité maximale de 100 F. Les condensateurs céramiques sont fins et leur tension nominale maximale est faible. Puisqu’ils manquent de polarité, ils peuvent être reliés en toute sécurité à l’électricité CA.
En raison de leurs faibles effets parasites, notamment la résistance et l'inductance, les condensateurs céramiques ont une excellente réponse en fréquence. Les condensateurs céramiques présentent les avantages suivants par rapport aux autres condensateurs : petite taille, grande capacité, bonne résistance à la chaleur, aptitude à la production de masse et prix bas.
Ⅰ L'origine des condensateurs céramiques
L'Italien Lombardi a inventé les condensateurs diélectriques en céramique en 1900. On a découvert à la fin des années 1930 qu'en ajoutant du titanate à la céramique, la constante diélectrique pouvait être doublée, ce qui permettait d'obtenir des condensateurs diélectriques en céramique moins chers.
Les condensateurs céramiques ont été utilisés pour la première fois dans les équipements électroniques militaires vers 1940, suite à la découverte des propriétés isolantes du BaTiO3 (titanate de baryum), la principale matière première des condensateurs céramiques actuels. Vers 1960, les condensateurs stratifiés en céramique sont devenus disponibles dans le commerce. Il était devenu un élément essentiel des appareils électroniques dans les années 1970, grâce à la croissance rapide des circuits intégrés hybrides, des ordinateurs et des appareils électroniques portables. Les condensateurs diélectriques céramiques représentent actuellement environ 70 % du marché global des condensateurs.
Ⅱ Classification des condensateurs céramiques
2.1 Condensateurs céramiques semi-conducteurs
(1) Condensateur céramique à couche superficielle
La miniaturisation des condensateurs, c'est-à-dire que le condensateur obtient la plus grande capacité possible dans le plus petit volume possible, ce qui est l'une des tendances de développement des condensateurs. Pour la séparation des composants du condensateur, il existe deux approches fondamentales de miniaturisation :
①Rendre la constante diélectrique du matériau diélectrique aussi élevée que possible ;
②Rendez l'épaisseur de la couche diélectrique aussi fine que possible. Parmi les matériaux céramiques, la constante diélectrique des céramiques ferroélectriques est très élevée, mais lorsque des céramiques ferroélectriques sont utilisées pour fabriquer des condensateurs céramiques ferroélectriques ordinaires, il est difficile de rendre le diélectrique céramique très fin. Premièrement, en raison de la faible résistance des céramiques ferroélectriques, il est difficile de réaliser des opérations de production proprement dites car elles se fracturent facilement lorsqu'elles sont minces. Deuxièmement, lorsque le support céramique est fragile, il est facile de provoquer divers défauts structurels et le processus de production sera difficile.
(2)Condensateur céramique à couche limite de grain
La surface des céramiques semi-conductrices BaTiO3 présentant des grains suffisamment développés est recouverte d'oxydes métalliques appropriés (tels que CuO ou Cu2O, MnO2, Bi2O3, Tl2O3, etc.), et un traitement thermique est effectué dans des conditions oxydantes à des températures appropriées. Ensuite, la substance formera une phase de solution à faible eutectique avec BaTiO3, diffusera rapidement et pénétrera dans la céramique avec les pores ouverts et les joints de grains, formant une fine couche isolante de solution solide sur les joints de grains.
La résistivité de cette fine couche isolante en solution solide est très élevée (jusqu'à 1 012 ~ 1 013 Ω·cm). Bien que l'intérieur du grain céramique reste semi-conducteur, l'ensemble du corps céramique est représenté par la constante diélectrique d'un milieu diélectrique de 2 × 104 à 8 × 104. Les condensateurs fabriqués avec ce type de porcelaine sont appelés condensateurs céramiques à couche limite, ou condensateurs BL en abrégé.
2.2 Condensateurs céramiques haute tension
Les matériaux céramiques des condensateurs céramiques haute tension sont à base de titanate de baryum et de titanate de strontium. Les matériaux céramiques à base de titanate de baryum présentent les avantages d'un coefficient diélectrique élevé et de bonnes caractéristiques de tension de tenue CA, mais présentent également les inconvénients du taux de changement de capacité avec l'augmentation de la température moyenne et la diminution de la résistance d'isolation. La température de Curie du cristal de titanate de strontium est de -250 ℃ et il s'agit d'une structure cubique de pérovskite à température ambiante.
C'est un corps para-électrique et il n'y a pas de phénomène de polarisation spontanée. Sous haute tension, le coefficient diélectrique du matériau céramique au titanate de strontium change peu. La valeur tangente de perte diélectrique (tgδ) et le taux de changement de capacité sont faibles, ce qui en fait un diélectrique de condensateur haute tension.
2.3 Condensateurs céramiques multicouches
Les condensateurs céramiques multicouches sont le type de composant électronique le plus largement utilisé. Ils sont empilés alternativement en parallèle avec le matériau de l'électrode interne et le corps en céramique et cuits pour former un tout, également connu sous le nom de condensateurs monolithiques à puce. Il présente les caractéristiques d'une petite taille, d'un volume spécifique élevé et d'une haute précision. Il peut être monté sur des substrats de carte de circuit imprimé (PCB) et de circuit intégré hybride (HIC). Il peut réduire efficacement le volume et le poids des terminaux d'information électroniques (en particulier les produits portables) et également améliorer la fiabilité des produits.
Les condensateurs céramiques multicouches sont conformes à l'orientation de développement de l'industrie informatique en matière de miniaturisation, de légèreté, de hautes performances et de multifonction. Les grandes lignes de l'objectif de la vision nationale pour 2010 mettent clairement en avant que les nouveaux composants tels que les composants montés en surface devraient être le centre de développement de l'industrie électronique. Il ne s'agit pas seulement d'un emballage simple, d'une bonne étanchéité et peut isoler efficacement l'électrode opposée. MLCC peut stocker la charge, bloquer le courant continu, filtrer la fusion, distinguer différentes fréquences et régler le circuit dans le circuit électronique.
Il peut remplacer partiellement les condensateurs à film organique et les condensateurs électrolytiques dans les alimentations à découpage haute fréquence, les alimentations de réseaux informatiques et les équipements de communication mobile. De plus, il peut considérablement améliorer les performances de filtrage et les performances anti-interférences des alimentations à découpage haute fréquence.
Ⅲ Caractéristiques
3.1 Précision et tolérance
Les condensateurs céramiques sont actuellement disponibles en deux classes : classe 1 et classe 2. Lorsqu'une stabilité élevée et de faibles pertes sont nécessaires, des condensateurs céramiques de classe 1 sont utilisés. Ils sont extrêmement précis et la valeur de capacité reste constante quelles que soient la tension, la température ou la fréquence appliquée. Dans une plage de température totale de -55 à +125 °C, la stabilité thermique de la capacité de la série de condensateurs NP0 est de 0,54 %. Les tolérances de la valeur nominale de la capacité peuvent atteindre 1 %.
Les condensateurs de classe 2 ont une grande capacité par volume et sont utilisés dans des applications moins sensibles. Leur stabilité thermique dans la plage de température de fonctionnement est généralement de 15 % et les tolérances des valeurs nominales sont d'environ 20 %.
3.2 Avantages de taille
Les dispositifs MLCC surclassent les autres condensateurs lorsque des densités d'emballage de composants élevées sont nécessaires, comme c'est le cas dans la plupart des cartes de circuits imprimés (PCB) modernes. Le « boîtier de condensateur céramique multicouche 0402 » ne mesure que 0,4 mm x 0,2 mm pour démontrer ce point. Il y a 500 couches de céramique et de métal ou plus dans une telle boîte. Depuis 2010, l’épaisseur minimale de la céramique était de l’ordre de 0,5 micron.
3.3 Haute tension et haute puissance
Les condensateurs céramiques qui sont physiquement plus gros et peuvent supporter des tensions encore plus élevées sont appelés condensateurs céramiques de puissance. Ceux-ci sont beaucoup plus grands que ceux utilisés sur les PCB et disposent de bornes spécialisées pour se connecter en toute sécurité à une alimentation haute tension. Les condensateurs céramiques avec une spécification de puissance bien supérieure à 200 volts-ampères peuvent supporter des tensions allant de 2 kV à 100 kV.
Les cartes de circuits imprimés utilisent des MLCC plus petits, conçus pour des tensions allant de quelques volts à plusieurs centaines de volts, selon l'application.
Ⅳ Types diélectriques en céramique
Contrairement à d'autres types de condensateurs tels que les condensateurs au tantale et les condensateurs électrolytiques, les condensateurs céramiques peuvent utiliser une variété de diélectriques. Ces différents diélectriques confèrent aux condensateurs des propriétés très différentes. Ainsi, en plus du choix d'un condensateur céramique, une deuxième décision concernant le type de diélectrique peut être nécessaire.
Les diélectriques de condensateurs céramiques populaires, tels que C0G, NP0, X7R, Y5V, Z5U et bien d'autres, sont fréquemment répertoriés dans les listes de distributeurs. Cependant, déterminer quelle forme est la meilleure nécessite un peu plus d’étude.
Classes diélectriques des condensateurs céramiques
Certaines organisations industrielles ont identifié une gamme de classes d'applications diélectriques céramiques pour faciliter la sélection de condensateurs dotés du diélectrique approprié. Ces groupes d'applications divisent les différents diélectriques de condensateurs céramiques en classes distinctes en fonction de l'application prévue.
| CERAMIC CAPACTOR DIELECTRIC APPLICATION CLASSES | ||
| CLASS | DESCRIPTION | COMMON TYPES |
| Class 1 | These ceramic capacitors offer a high level of stabiliy and exhibit low loss levels and they are ideal for use in resonant circuits. | NP0, P100, N33, N75, etc. |
| Class 2 | Class 2 ceramic capacitors offer high volumetric efficiency, le. large capacitance for a given volume for smoothing bypass, coupling and decoupling aplications. | X7R, X5R, Y5V, Z5U,etc. |
| Class 3 | Class 3 ceramic capacitors offer higher volumetric efficiency than the dass 2 ceramic capacitors, but their temperature stability is not nearly so good.A typical performance for the change of capacitance with temperature is -22% to +56% over a range of 10°C to 55°C. | Only available as leaded components. No longer standardised. |
Des organismes internationaux tels que la CEI (Commission Electrotechnique Internationale) et l'EIA (Electronic Industries Alliance) ont standardisé ces classes de condensateurs céramiques.
Ⅴ Construction et propriétés des condensateurs céramiques
5.1 Condensateurs à disque céramique
Les condensateurs à disque en céramique sont fabriqués en recouvrant un disque en céramique des deux côtés de contacts en argent. Ces dispositifs peuvent être construits à partir de plusieurs couches pour obtenir des capacités plus élevées. Les condensateurs à disque céramique sont généralement des composants traversants qui ont perdu en popularité en raison de leur grande taille. Si les valeurs de capacité le permettent, des MLCC sont utilisés à la place. Les condensateurs à disque céramique ont des valeurs de capacité allant de 10pF à 100pF et des tensions nominales allant de 16 volts à 15 kV et au-delà.
5.2 Condensateur céramique multicouche (MLCC)
Les MLCC sont fabriqués en combinant des granules finement broyés de matériaux paraélectriques et ferroélectriques et en superposant alternativement le mélange avec des contacts métalliques. Après la stratification, le dispositif est chauffé à haute température et le mélange fritté, ce qui donne une substance céramique présentant les propriétés souhaitées. La capacité du condensateur résultant est augmentée en connectant plusieurs condensateurs plus petits en parallèle. Les MLCC sont constitués de 500 couches ou plus, avec une épaisseur minimale de 0,5 microns. À mesure que la technologie progresse, l’épaisseur des couches diminue, permettant ainsi des capacités plus élevées dans le même volume.
Ⅵ Avantages et inconvénients
6.1 Avantages
Voici quelques-uns des avantages de l’utilisation d’un condensateur céramique :
La structure physique de ce condensateur est très compacte.
Il est bien adapté à l'application de signaux CA en raison de sa nature non polarisée.
La suppression des interférences de signaux, telles que la suppression des radiofréquences et la suppression des interférences électromagnétiques, est améliorée grâce à ces condensateurs.
Ce condensateur est d'un prix raisonnable et peut supporter des tensions allant jusqu'à 100 volts.
6.2 Inconvénients
Voici les inconvénients de l’utilisation de ces condensateurs :
La valeur de capacité de ces condensateurs est inférieure à un microfarad.
Ces composants sont également responsables de l'effet microphonique dans les circuits.
Il est incapable de supporter des tensions élevées. Puisqu’il peut facilement avoir un impact sur le diélectrique présent. En conséquence, il y a une panne.
Ⅶ Applications des condensateurs céramiques
Étant donné que les MLCC sont les condensateurs les plus couramment fabriqués dans l’industrie électronique, il n’est pas surprenant qu’ils aient un large éventail d’applications. Un circuit résonant dans les stations émettrices constitue une application intéressante de haute précision et de grande puissance. Les alimentations laser haute tension, les disjoncteurs de puissance et les fours à induction utilisent tous des condensateurs haute puissance de classe 2. Les condensateurs CMS (montage en surface) de petite forme sont couramment utilisés dans les cartes de circuits imprimés, et les condensateurs de la taille d'un grain de sable sont utilisés dans les applications haute densité.
Ils sont également utilisés dans les convertisseurs DC-DC, où les hautes fréquences et les niveaux élevés de bruit électrique exercent de fortes contraintes sur les composants. Étant donné que les condensateurs céramiques ne sont pas polarisés et sont disponibles dans une large gamme de capacités, de tensions nominales et de tailles, ils peuvent être utilisés comme condensateur à usage général. Les condensateurs à disque en céramique, utilisés dans les moteurs à courant continu à balais pour réduire le bruit RF, sont familiers à de nombreux amateurs, en particulier dans le domaine de la robotique.
Ⅷ Comment lire la valeur du condensateur céramique ?
Les condensateurs céramiques ont normalement trois chiffres pour leurs valeurs, tels que 102, 103 et 101, et les valeurs sont en Pico farads. Le schéma de numérotation est simple à comprendre si vous notez que des picofarads et non des microfarads sont utilisés.
La valeur d'un condensateur céramique à trois chiffres – ABC est AB*10^C Pico Farad. Le chiffre 104 signifie 10*104pF = 100000pF = 100nF = 0,1uF si ABC vaut 104. Les deux premiers chiffres du code imprimé correspondent aux deux premiers chiffres de la valeur du condensateur, tandis que le troisième chiffre indique le nombre de zéros qui doivent être appliqué pour convertir la valeur du condensateur en Pico Farad.
Si nous calculons en Nano Farad pour les valeurs se terminant par 4, alors la lecture devient facile car 104 équivaut à 100 nF.
Si nous calculons en Nano Farad pour les valeurs se terminant par 3, alors la lecture devient facile car 103 équivaut à 10nF.
Certains condensateurs céramiques sont polarisés, ce qui signifie qu'ils ont des bornes positives et négatives. Le condensateur peut être identifié par sa tolérance en plus de sa valeur de capacité. De nombreux systèmes de marquage de tolérance sont utilisés, les plus courants étant un ou deux alphabets. Vous n'avez pas besoin de les rappeler sauf si vous avez affaire à un circuit précis.
Nous avons uniquement examiné les condensateurs céramiques dans les circuits à courant continu (CC) avec des tensions allant de 12 V à près de zéro dans ce court article. Les amateurs connaissent cette collection. Il est également utile de se familiariser avec le système de marquage des tolérances à des fins professionnelles.
Ⅸ Comment tester un condensateur à disque en céramique
Les condensateurs à disque céramique sont des unités utilisées dans l'industrie informatique pour contrôler la tension pour diverses fonctions diélectriques. Les couches de céramique visent à dissiper la chaleur générée par la haute tension tout en protégeant l'environnement, tant interne qu'externe, des dommages. L'efficacité volumétrique est inversement proportionnelle à la stabilité et à la précision de ces condensateurs, ce qui rend les tests difficiles.
Étape 1
Les condensateurs céramiques doivent être testés car ils se court-circuiteront s'ils sont exposés à une haute tension. Votre moniteur peut clignoter ou devenir vide si cela se produit. Ce problème peut être résolu en retirant tous les condensateurs céramiques. Les condensateurs céramiques, en revanche, peuvent être testés si vous disposez des bons outils.
Étape 2
Pour mesurer un condensateur céramique, utilisez un multimètre sans fil. Le condensateur fonctionne correctement lorsque la tension est constante. Cependant, vous ne pourrez pas le calculer avec précision si la sortie de l'ohmmètre et la capacité numérique ne correspondent pas à la tension du condensateur, la deuxième option est donc préférable.
Étape 3
Pour localiser le court-circuit ou évaluer les cas dans lesquels les capacimètres optiques ne parviennent pas à produire des lectures raccourcies, utilisez un testeur d'isolation analogique. Afin d'obtenir une sortie de 12 volts, réglez le compteur analogique sur 10 Kohm. Cette phase est nécessaire pour tester le condensateur céramique. Vous pouvez également utiliser les deux méthodes pour améliorer la précision des mesures si vous souhaitez arrêter de retirer le condensateur et le tester à bord.
Ⅹ FAQ
1. Qu'est-ce qu'un condensateur céramique ?
Le condensateur céramique est un type de condensateur à valeur fixe dans lequel le matériau céramique à l'intérieur du condensateur agit comme un diélectrique. Ce condensateur est constitué de plusieurs couches alternées de céramique et également d'une couche métallique qui fait office d'électrode. La composition de ce matériau céramique dans ce condensateur renseigne sur le comportement électrique ainsi que sur ses applications. Nous pouvons définir un condensateur céramique comme un condensateur à valeur fixe dans lequel le matériau céramique agit comme diélectrique.
2. Quels sont les avantages des condensateurs céramiques ?
Voici les avantages des condensateurs céramiques :
Le coût de fabrication est moindre
Les performances haute fréquence sont exposées
La stabilité du condensateur dépend du diélectrique céramique
3. Quelle est la plage de capacités d’un condensateur céramique ?
La plage de capacité typique d'un condensateur céramique est comprise entre 10 pF et 0,1 μF.
4. Puis-je remplacer tous les condensateurs électrolytiques par des condensateurs en céramique ?
Si vous pouvez trouver des condensateurs céramiques de valeur correcte, vous pouvez certainement le faire. Les condensateurs céramiques sont plus stables, ont une durée de vie utile plus longue, ont des tensions nominales plus élevées et ne sont pas polarisés. Soyez prêt à constater qu’il y aura une différence de taille substantielle.
5. Quelles sont les différences entre les condensateurs électrolytiques, au tantale et en céramique ?
Les condensateurs céramiques n'ont pas de polarité, leurs bornes peuvent être interchangées. Ils conviennent aussi bien au courant alternatif qu'au courant continu. Aucune réaction chimique n’est impliquée dans leur travail. Ils ont une capacité moindre pour une même taille donnée.
Les condensateurs électrolytiques ont une polarité (c'est-à-dire qu'ils ont des bornes positive et négative fixes), adaptés uniquement au courant continu. Une réaction chimique implique la formation d'oxyde d'aluminium sur l'électrode. (Se compose d'électrodes d'aluminium dans une solution de borate d'ammonium). Capacité supérieure.
Un condensateur électrolytique au tantale, membre de la famille des condensateurs électrolytiques, est un condensateur polarisé dont l'électrode anode (+) est en tantale sur laquelle est formée une très fine couche d'oxyde isolante, qui fait office de diélectrique du condensateur. Un électrolyte solide ou liquide qui recouvre la surface de la couche d'oxyde sert de deuxième électrode (cathode) (-) du condensateur.
6. Quelle est la constante de temps de décharge des condensateurs (figure 1) ?
Figure 1
La résistance équivalente :
R= 2*1× 10∧3 = 2000 je©
=> la constante de temps : T= R*C = 2000*1× 10∧-6 = 2×10∧-3s = 2ms
7. Comment lire la valeur d'un condensateur céramique ?
Les deux premiers chiffres, dans ce cas le 10, nous donnent la première partie de la valeur. Le troisième chiffre indique le nombre de zéros supplémentaires, dans ce cas, 3 zéros supplémentaires. La valeur est donc 10 avec 3 zéros supplémentaires, soit 10 000. Les codes des condensateurs à disque céramique sont toujours mesurés en pico Farads ou pF.
8. Comment savoir si un condensateur céramique est défectueux ?
Utilisez le multimètre et lisez la tension sur les fils du condensateur. La tension doit être proche de 9 volts. La tension se déchargera rapidement jusqu'à 0 V car le condensateur se décharge via le multimètre. Si le condensateur ne conserve pas cette tension, il est défectueux et doit être remplacé.
9. Les condensateurs céramiques se dégradent-ils avec le temps ?
Parmi les condensateurs céramiques, la capacité, en particulier celle des condensateurs classés comme ayant une constante diélectrique élevée (caractéristiques B/X5R, R/X7R), diminue avec le temps. Lorsque le condensateur refroidit en dessous du point de Curie, le vieillissement recommence.
10. Comment distinguer le positif et le négatif d’un condensateur céramique ?
En général, le condensateur céramique n'a pas de pôles positifs et négatifs et sa capacité est généralement faible. Il est souvent utilisé pour le filtrage des sources de signaux et la polarité n'est qu'un comportement temporaire. Il s’agit d’une sorte de condensateur électrolytique apolaire, il n’est donc pas polaire.
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