Seramik Kondansatörler

Instagram: @lentark

Seramik kondansatörlerin SMD ve THT montaj özelliklerine sahip tüm çeşitleri elektronik endüstrisinde oldukça yüksek miktarlarda kullanılırlar. İsminden de anlaşılacağı gibi, bu tür kondansatörler ismini, yapısında bulunan seramik dielektrik malzemesinden alır.

Şekil 1: (A) Bir dizi THT seramik kondansatörün gösterilmesi. (B) Bir dizi SMT seramik kondansatörün gösterilmesi.

Bu dielektrik malzemesi kondansatörlere düşük ESR değeri, yüksek kararlılık gibi birçok özellik kazandırır ancak bu özellikler kullanılan seramik malzemenin türüne göre önemli ölçüde değişir. Seramik dielektrik malzemeleri diğer dielektrik malzemelerine göre hacim başına çok daha az kapasite değeri sunar. Bunun sonucu olarak seramik kondansatörlerin kapasite değerleri tipik olarak 1pF ile 100µF aralığındadır. Ancak 0.01pF ile 470µF aralığında da bulunabilirler. Düşük Frekans seviyelerinden RF seviyelerine kadar olan tüm frekans seviyelerindeki performansı, geniş bir kapasite aralığındaki bulunabilirliği, düşük tolerans yeterliliği ve küçük boyutları ile en çok tercih edilen kondansatör türlerinden biridir ve kondansatör pazarında 1µF kapasite değerlerinin altında baskınlığını korumaktadır.

Seramik kondansatör ailesinde birçok dielektrik seramik malzemesi türü bulunmaktadır. Bunlardan yaygın olarak kullanılanları: C0G, NP0, X7R, X5R, Y5V, Z5U. Bu seramik malzemeler, kondansatörün elektriksel ve mekanik bir bileşeni haline getirilene kadar yüksek sıcaklıklarda işlemlerden geçirilirler. Bu dielektrik malzemelerin katmanlarının kalınlığı malzemenin türüne ve çalışma voltajına göre değişebilmek ile birlikte 1µm kalınlığa kadar inceltilebilmektedirler.

Sıklıkla kullanılan seramik kondansatör türleri;

• MLCC Kondansatörler: Tüm seramik kondansatörler içerinde en yaygın olarak kullanılan türüdür. İşlenmiş birçok seramik dielektrik katmanın bir araya getirilmesi ve ince bir koruyucu kılıf içerisinde hapsedilmesiyle oluşturulur.
• Feed-Through Kondansatörler: RF uygulamalarında sıklıkla kullanılan bu kondansatör türü, yüksek frekanslı sinyallerin referans voltajına dönüşü için düşük empedanslı bir yol sağlar. Bu sayede, esas sinyale ilim hattı boyunca nüfuz eden daha yüksek frekanslı gürültü sinyalleri, sinyalin varış yapacağı bileşene gelmeden önce referans voltajına iletilmiş olur. Referans voltajı çoğu uygulama için GND seviyesi olarak seçilir.
• Disk Seramik Kondansatörler: Pin montajlı olan seramik kondansatörler içerisinde en yaygın olarak kullanılan türüdür. İsmini şeklinden almıştır ve tek bir seramik diskin iki terminal bağlantısı ile birlikte reçine kaplanmasından oluşur.

Şekil 2: (A) MLCC, (B) Feed-Through, (C) Seramik Disk kondansatörlerinin gösterilmesi.

Seramik kondansatörlerin çok katmanlı, disk gibi farklı fiziksel ölçülerde seramik kullanımının yanında kullanılan seramik malzemesinin de türleri bulunmaktadır. Dielektrik malzemesinin türü, kondansatörün özelliklerini ve devre içerindeki performansını doğrudan etkilemektedir. Kullanılan dielektrik(seramik) malzemesinin performanstaki etkilerine göre seramik kondansatörler üç farklı sınıfa ayrılırlar. (C0G, X7R, Y5V vb.)

Seramik Kondansatör Sınıfları

Seramik kondansatörler, uygun olan kondansatör seçimini basitleştirebilmek için performans ve özellik bakımından birbirine yakın olan türler sınıflara ayrılmıştır. Bu sayede devre tasarımının ihtiyaçları, çalışma koşulları ve tasarımdan beklenen performans bilindiği taktirde hangi seramik kondansatör sınıfından seçim yapılacağı belirlenebilmektedir.

Class 1 ve Class 2 kondansatör sınıfları, IEC (International Electrotechnical Commission) ve EIA (Energy Information Administration) gibi uluslararası kuruluşlar tarafından standartlaştırılmıştır.

Class 1 seramik kondansatörler diğer sınıflara göre en yüksek kararlılığı ve en düşük kayıpları sunan kondansatör türleridir. Sıcaklığa ve uygulanan voltaja karşı yüksek kararlılığının yanında düşük kapasite toleransı ile de diğer sınıflara göre öne çıkmaktadırlar. Ayrıca, kayıplarının da düşük olmasının neticesinde osilatör, filtre, zamanlayıcı ve kullanılan kondansatörün performansının önemli olduğu diğer hassas uygulamalar için en ideal seramik kondansatör sınıfıdır.

Kondansatörlerin performansını belirtebilmek için Class 1 seramik kondansatörlerine özel olmak üzere 3 karakterli bir EIA kodu kullanılır. 

• 1. Karakter: Sıcaklık katsayısını ifade eder. [ppm/°C]
• 2. Karakter: Birinci karakter için olan üstel çarpanı ifade eder. [10x]
• 3. Karakter: Birinci ve ikinci karakterlerin belirttiği sayıların çarpımı sonucu ortaya çıkan sayının hata toleransını ifade eder. [ppm]

Bu sınıf içinde en yaygın olarak tercih edilen C0G, -55°C ile +125°C sıcaklık değerleri arasında 0 ppm/°C (± 30 ppm/°C tolerans) hatasızlığa sahiptir ve kullanılan seramiği ismi olan NP0 olarak da ifade edilir.

Class 2 seramik kondansatörler Class 1 seramik kondansatörlere göre aynı fiziksel boyutlarda daha yüksek kapasite değerine sahiptirler. Bu Class 2 seramik kondansatörlerin daha yüksek dielektrik geçirgenliği olmasından ileri gelmektedir. Ancak bu durum, daha yüksek tolerans aralıklarını ve daha düşük kararlılık özelliklerini de beraberinde getirir. Örnek olarak Class 2 kondansatörlerin, uygulanan voltaja göre kapasite değerinin değişmesi ve doğrusal olmayan sıcaklık katsayı değerleri verilebilir.

Hacimsel verimliliklerinin yüksek olması, bir başka değiş ile aynı fiziksel boyutlardaki Class 1 seramik kondansatörlere göre çok daha yüksek kapasite değerlerine sahip olması, devre tasarımlarında Class 1 seramik kondansatörlerin yerine seçilmelerinin ana tercih sebebidir. Devre tasarımlarında kapasite değerinin (tolerans aralıklarında) değişken olmasının önemli olmadığı ve/veya bileşenlerin küçük boyutlarda olmasının önemli olduğu durumlarda Class 2 kondansatörler Class 1 kondansatörler yerine tercih edilir.

Class 2 seramik kondansatörlerin performansını belirtebilmek için Class 2 seramik kondansatörlere özel olmak üzere 3 karakterli bir EIA kodu kullanılır. 

• 1. Karakter: En düşük çalışma sıcaklığı sınırını belirtir. [°C]
• 2. Karakter: En yüksek çalışma sıcaklığı sınırını belirtir. [°C]
• 3. Karakter: Birinci ve ikinci karakterlerin belirttiği sıcaklık sınırları arasında kapasite değerinin sıcaklığa bağlı olarak değişimini (∆C/C0) ifade eder. [%]

Bu sınıf içinde en yaygın olarak tercih edilen X7R, Y5V ve Z5U seramik kondansatörleridir. Bunlar;

• X7R: -55°C ile +125°C arasında, sıcaklığa bağlı maksimum ∆C/C0 oranı ±%15’dir.
• Y5V: -30°C ile +85°C arasında, sıcaklığa bağlı maksimum ∆C/C0 oranı +%22/-%82’dir.
• Z5U: +10°C ile +85°C arasında, sıcaklığa bağlı maksimum ∆C/C0 oranı +%22/-%56’dır.

Class 3 seramik kondansatörler Class 2 ve Class 1 seramik kondansatörlere göre aynı fiziksel boyutlarda daha yüksek kapasite değerine sahiptirler. Bu Class 3 seramik kondansatörlerin daha yüksek dielektrik geçirgenliği olmasından ileri gelmektedir. Ancak bu durum, birçok kondansatör karakteristik özelliklerinde daha kötü değerlere sahip olmasına sebep olmaktadır. Bunlar; geniş tolerans aralıkları, doğrusal olmayan sıcaklık karakteristikleri, yüksek kayıpları, uygulanan voltaja karşı kararsızlıkları, daha kısa yaşlanma süreleridir.

Class 3 seramik kondansatörler yüksek voltaj DC engellemelerinde kuplaj görevinde ve güç anahtarlamalarında dekuplaj görevinde kullanılırlar. Ancak bu kullanım görevlerinde bile yaşlanma süreleri, sıcaklık katsayısı ve voltaja karşı kararsızlıkları dikkate alınmalıdır.