Confronto tra condensatori al tantalio e condensatori ceramici multistrato

Introduzione

I condensatori al tantalio (Ta) e i condensatori ceramici multistrato (MLCC) sono due condensatori ampiamente utilizzati nelle applicazioni elettroniche. Sebbene le tecnologie e i materiali di costruzione dei condensatori al tantalio e degli MLCC siano piuttosto diversi, le loro funzioni di base sono sempre le stesse. Agendo come una batteria temporanea, i condensatori mantengono costante la tensione continua fornendo cariche. I condensatori possono anche essere utilizzati nei circuiti a canale di bypass come filtri unipolari. Possono anche essere collegati a resistenze e induttori per realizzare circuiti di filtraggio di ordine elevato.

Sebbene i condensatori al tantalio e gli MLCC funzionino entrambi come condensatori, presentano molte differenze a partire dalla produzione fino ai loro parametri durante l'uso. Prima di introdurre le loro differenze, forniamo alcune informazioni di base sui condensatori. Per un condensatore a piastre parallele, il valore della sua capacità deve essere calcolato con la seguente equazione.

C = εr*ε0*A/d

C = capacità (F)

A = area di sovrapposizione delle due piastre (m2)

εr = permittività relativa/costante dielettrica (εr è determinata dal materiale tra le piastre)

ε0 = la costante elettrica (8,854 * 10-12 F*m-1)

d = la distanza tra due piastre (m)

La capacità è uno dei parametri più importanti nella scelta di un condensatore. Grazie alla distanza ridotta, alle ampie superfici delle piastre e all'elevata costante dielettrica Ta2O5, i condensatori al tantalio presentano solitamente valori di capacità/volume elevati.

Questo articolo mette a confronto i condensatori al tantalio e gli MLCC sotto questi aspetti: la curva di impedenza, l'induttanza parassita (ESL), la resistenza in serie equivalente (ESR), gli effetti di temperanza e gli effetti microfonici. Tutti i confronti sono limitati a condensatori con capacità e dimensioni simili.

Informazioni di base sui condensatori al tantalio e MLCC

Che cos'è il condensatore al tantalio?

I condensatori al tantalio utilizzano polvere e fili di tantalio come materia prima. Premendo la polvere di tantalio attorno a un filo di tantalio, si forma una pallina di tantalio. Questa pallina di tantalio è l'anodo del condensatore. Poiché il pellet è molto poroso, permette di raccogliere molte cariche. Questo è uno dei motivi dell'elevata capacità/volume dei condensatori al tantalio. Formando Ta2O5 all'esterno dell'anodo, si forma un dielettrico. L'ultimo passo consiste nel formare un catodo all'esterno del dielettrico utilizzando Mn(NO3)2 per creare lo strato catodico MnO2.

La figura 1a rappresenta un condensatore al tantalio tradizionale che utilizza un filo di tantalio per collegare l'anodo al circuito. La figura 1b rappresenta un nuovo condensatore al tantalio di piccole dimensioni introdotto sul mercato negli ultimi anni. Viene spesso utilizzato in ambienti ad alta densità di componenti e con spazio limitato sulla scheda. L'anodo è realizzato pressando un wafer di tantalio con polvere di tantalio [2].

Figura 1a e b: un condensatore al tantalio di tipo stampato (in alto) e un condensatore al tantalio di tipo microchip (in basso) [2].

Che cos'è un condensatore ceramico multistrato?

A differenza dei condensatori al tantalio, i condensatori ceramici hanno uno strato più spesso e una minore area di sovrapposizione delle piastre, il che significa una minore capacità/volume. TiO2 e BaTiO3 sono i due materiali più utilizzati negli MLCC. La Figura 2 mostra i componenti di un MLCC.

Figura 2: Condensatore ceramico multistrato [2]

Tra gli MLCC, esistono due gruppi diversi: classe 1 e classe 2. I condensatori ceramici di classe 1 utilizzano materiali ceramici non sensibili alle variazioni di temperatura. Pertanto, la loro capacità non cambia in modo significativo da una temperatura bassa a una temperatura alta, ad esempio da -25℃ a 80℃. I condensatori di classe 1 sono solitamente realizzati in TiO2 e hanno un εr relativamente basso.

I condensatori di classe 2, invece, sono sensibili alla temperatura. Sono realizzati con materiali ferroelettrici come BaTiO3, Al2SiO5 e MgO:XSiO2. I condensatori di classe 2 hanno un εr relativamente alto ma una bassa precisione e stabilità.

I condensatori ceramici utilizzano il codice EIA per indicare la stabilità dei condensatori in un intervallo di temperatura. La Figura 3 mostra il significato di ciascun codice. Ad esempio, X7R significa che la capacità varia del ±15% da -55℃ a 125℃.

Figura 3: Tabella dei codici EIA [2]

Qual è la differenza tra i condensatori al tantalio e gli MLCC?

Impedenza e resistenza serie equivalente

L'impedenza, l'induttanza parassita (ESL) e la resistenza in serie equivalente (ESR) possono fornire molte informazioni sul funzionamento del condensatore. ESL e ESR possono essere calcolate dagli analizzatori di impedenza. ESL e ESR più piccole significano condensatori migliori. La Figura 4 mostra l'impedenza e la ESR di un MLCC da 4,7µF, Y5V, 16V e di un condensatore al tantalio da 4,7µF, 16V [1].

Figura 4: Curva di impedenza e ESR per condensatori al tantalio e ceramici da 4,7uf [1].

A basse frequenze, le loro impedenze sono uguali, il che significa che i valori di capacità sono gli stessi. All'aumentare della frequenza, la VES del condensatore ceramico è molto più bassa di quella del condensatore al tantalio. Per quanto riguarda le curve di impedenza, entrambe mostrano una forma a "V" che prima diminuisce e poi aumenta. La prima parte decrescente è influenzata dall'aumento del valore capacitivo. Poi avviene la costituzione induttiva (ESL) che sposta la curva di impedenza verso l'alto. Tornando alla Figura 4, l'ESL del condensatore ceramico è molto più piccolo di quello del condensatore al tantalio se si osservano le estremità delle curve di impedenza. Ciò è dovuto principalmente alle cornici di piombo utilizzate nel contenitore al tantalio [1].

Effetti della temperatura

Come già detto, i condensatori ceramici di Classe 1 sono insensibili alla temperatura, mentre quelli di Classe 2 sono sensibili alla temperatura. La Figura 5 mostra che la capacità dei condensatori al tantalio ha una relazione lineare con la temperatura, mentre la capacità dei condensatori ceramici di Classe 2 ha una relazione irregolare con la temperatura.

Figura 5: Variazione della capacità rispetto alla temperatura per condensatori al tantalio, ceramici di Classe 1 e ceramici di Classe 2 [2].

Effetti microfonici

Quando i condensatori vengono utilizzati in applicazioni audio, l'effetto microfonico o piezoelettrico diventa una delle caratteristiche più importanti nella scelta dei condensatori [1]. Il BaTiO3, ampiamente utilizzato negli MLCC, presenta effetti microfonici. Tuttavia, i condensatori al tantalio non presentano effetti microfonici. Testando condensatori da 1µF, si ottiene la Figura 6, che conferma ulteriormente che i condensatori ceramici di Classe 2 producono effetti microfonici.

Figura 6: Effetto microfonico dei condensatori al tantalio e in ceramica [1].

Conclusioni

Non esiste una risposta semplice per stabilire quale condensatore sia migliore, poiché entrambi sono validi. I condensatori al tantalio hanno una durata maggiore, una capacità/volume più elevata e una maggiore stabilità; gli MLCC hanno un'induttanza e una VES inferiori. È possibile scegliere in base all'applicazione specifica. La tabella seguente elenca le differenze tra i condensatori al tantalio e i condensatori ceramici multistrato.

Stanford Advanced Materials (SAM) fornisce sia condensatori al tantalio che condensatori ceramici multistrato. Se avete ancora difficoltà nella scelta del condensatore, potete fornire le informazioni sulla vostra applicazione al nostro personale tecnico per una consulenza.

Riferimento:

Cain, J. (n.d.). Confronto tra condensatori ceramici multistrato e condensatori al tantalio.

Zedníček, T. (2022, 1 giugno). Nozioni di base e vantaggi dei condensatori al tantalio e ceramici. Blog sui componenti passivi. Recuperato l'11 gennaio 2023 da https://passive-components.eu/the-basics-benefits-of-tantalum-ceramic-capacitors/.