独石陶瓷电容器FAQ

Q. 村田制作所的陶瓷电容器所能承受的允许纹波电流是多少?

Q. 能在交流电路中使用村田制作所的电容器吗?

Q. 什么是绝缘电阻?

Q. 什么是直流偏压特性?

Q. 什么是电容老化?

Q. 汽车系列 (GCM) 电容器和标准系列 (GRM) 电容器之间有什么应用差异?

Q. 应该在什么条件下保管电容器?

村田制作所的陶瓷电容器所能承受的允许纹波电流是多少?

对于独石陶瓷电容器，并没有所规定的允许电流 (纹波) 规格，然而，请严格遵守以下各点要求，并在使用前在实际电路中对其予以确认。

• 因纹波电流而产生的温升 (ΔT) 不得超过电容器接通电源前温度的20°C以上。
• 所施加电压的Vp-p值和Vo-p值 (包括直流偏压) 必须在额定电压 (直流) 的范围之内。
• 不得超过最高动作温度 (包括电容器的自生热)。

关于电容器的自生热，请参考技术数据表中的正弦波纹波电流作为参考数据。还请使用设计辅助工具 (村田片状电容器特性数据库) 来获得仿真设计电路的参考数值。

技术数据

设计辅助工具

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能在交流电路中使用村田制作所的电容器吗?

对于独石陶瓷电容器 (最大额定电压DC100V)，当在交流电压电路或纹波电流电路中使用直流规格产品时，请确保所施加电压的Vp-p值和Vo-p值 (括直流偏压) 应保持在额定电压范围内。

当施加或取消电压时，可能会发生瞬时反常电压 (比如谐振或浪涌)。当这种不正常的电压发生时，不应超过额定电压。

同时，当在高频电压、脉冲电压等电压下使用电容器时，介电损耗可能会导致电容器产生自生热。负载应符合以下要求: 当在周围温度为25°C的情况下测量时，产品产生的自生热应低于20°C，电容器在实际电路中表面温度应在最高额定温度范围之内。

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什么是绝缘电阻?

独石陶瓷电容器的绝缘电阻表示当在电容器端子之间施加直流电压 (无纹波) 时，在设定时间 (比如60秒) 之后施加电压和漏电流之间的比率。当一个电容器绝缘电阻的理论值无穷大时，因为实际电容器的绝缘电极之间的电流流量很小，实际电阻值是有限的。上述电阻值称为“绝缘电阻”，并用兆欧[MΩ]和欧法拉[ΩF]等单位表示。

绝缘电阻值的性能

当直流电压直接施加在电容器后，突入电流 (也称充电电流) 的流量如下图1所示。随着电容器逐渐被充电，电流呈指数降低。

图1

电流I (t) 随时间的增加而分为三类 (如方程 (1) 所示)，即充电电流Ic (t)、吸收电流Ia (t) 和漏电电流Ir。

I (t)=Ic (t)+Ia (t)+Ir 方程 (1)

充电电流表明电流通过一个理想的电容器。与充电电流相比，吸收电流有一个延迟过程，并且在低频范围内伴随有介电损耗、造成高介电常数电容器 (铁电性电容器) 极性相反并在陶瓷与金属电极界面上发生肖特基障垒。

漏电电流是在吸收电流的影响降低后，在一定阶段出现的常数电流。

因此，下述电流值随施加在电容器上的时间电压量而变化。这意味着，只有在指定电压用途下的定时测量才能确定电容器的绝缘电阻值。

绝缘电阻值

绝缘电阻值以兆欧[MΩ]或欧姆法拉[ΩF]等单位表示。
其规定值随电容值而改变。该值用标称电容值和绝缘电阻的乘积 (CR的乘积) 来表示。例如: 当绝缘电阻在10,000MΩ以上时，电容为0.047μF或更小，当绝缘电阻为500ΩF时，其值大于0.047μF。

绝缘电阻保证值 (举例说明)

如上表所示，电容值越高，其绝缘电阻值越低。
其原因解释如下: 考虑到独石陶瓷电容器可以看作是一个导体，根据施加在其上的电压和电流，利用欧姆定律可以计算出绝缘电阻。

绝缘电阻值R可以用方程 (2) 表示，导体的长度为L，导体的横截面面积为S，电阻率为ρ。
R=ρ ? L/S 方程 (2)

同样，电容量C可以用方程 (3) 表示，独石陶瓷电容器两个电极之间的距离 (电介质厚度) 用L表示，内部电极的面积用S表示，介电常数为ε。
C ∝ ε ? S/L 方程 (3)
方程 (4) 由方程 (2) 和方程 (3) 得出，由方程 (4) 可知R与C成反比。
R ∝ ρ ? ε/C 方程 (4)

绝缘电阻越大表明直流电压下的漏电电流越小。一般情况下，绝缘电阻值越大，电路的精确性越高。

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什么是直流偏压特性?

当直流偏压施加在高介电常数的陶瓷电容器时 (标准电容器的主要材料为BaTiO3，其温度特性为X5R，X7R，Y5V)，电容值随偏压而改变。这称之为直流偏压特性。直流偏压特性是铁电陶瓷自发产生极化时的一种特有现象。不仅在村田的产品中，而且在所有高介电常数 (BaTiO3) 的一般性陶瓷电容器都可以观察到。

BaTiO3质陶瓷的自发极化与铁电现象

如图1所示，BaTiO3质陶瓷具有钙钛矿晶体结构。在居里点 (约130°C) 温度以上呈立方体，且钡 (Ba) 的位于最高点，氧 (O) 位于晶面的中心，钛 (Ti) 位于晶体的中心。

图1: BaTiO3质陶瓷的晶体结构

当在低于居里点的正常温度范围内，一条晶轴 (C轴) 伸长而其他晶轴缩短，晶体变成四方晶格 (如图2所示)。在这种情况下，由于发生极化，Ti⁴+离子将沿着晶体单元的晶轴方向分布。换句话说，由于晶体结构的不对称而造成极化现象，在不施加外电场或压力的情况下，这种极化现象从一开始就存在。这种类型的极化称为自发性极化现象。

图2: 温度变化时的晶体结构和相关介电常数的变化 (纯BaTiO3)

BaTiO3质陶瓷自发极化的方向 (Ti⁴+离子的位置) 在施加外部电场的情况下可以轻易逆转。这种具有自发极化现象且在外电场作用下逆转方向的能力专门称之为铁电现象。BaTiO3是一种典型的铁电现象的陶瓷。

BaTiO3质陶瓷宏观晶体的聚合体 (复晶型)，直径比μm小一个数量级， (如图3所示)。上述微观晶体称为晶粒。其晶体结构排列整齐 (见图1和2)。上述晶粒在温度低于居里点时可分成很多磁场，在每个磁场内有一个共用方向，因此，自发性极化的方向也相同。

图3: BaTiO3质陶瓷的微观结构

当BaTiO3质陶瓷加热到居里点以上时，晶体结构经历了一个从四方晶系向立方晶体相变过程。

随着自发性极化的进行，上述磁场也逐渐消失。当晶体冷却到居里点以下时，在居里点附近发生从立方晶系向四方晶系的相变过程。C轴沿轴线方向伸长。其他轴稍微收缩，形成自发性极化和磁场，同时，晶粒受到其环境扭曲而产生的应力。

在该点，晶粒中产生若干小磁场，利用一个低压电场，可很容易将每个磁场的自发性极化进行逆转。因为相对介电常数与每单位何种的自发性极化的逆转是对应的，其测量到的结果即为高电容量。

直流偏压特性

当电介质体内的自发性极化可以轻易被逆转时，可获得较高的电容量。自发性极化不受约束，没有偏压出现。施加一个外部偏压时，在电介质体内就形成一个沿电场方向的自发性极化。使自发性极化的自由逆转变得更加困难。结果，与施加外部偏压前相比，电容量更小。

这就是为什么当施加直流偏压时，电容降低的原因。

图4表示独石陶瓷电容器在常温下直流偏压特性的温度特性类型。温度补偿型电容器 (C0G、U2J特性等) 的主要元件是顺电性陶瓷材料，且电容量不会随直流偏压而变化。相反地，高介电常数型电容器 (X5R，X7R，Z5U，Y5V特性等) 的电容量会由于直流偏压而降低，尤其是Y5V特性值。

什么是电容老化?

高介电常数型陶瓷电容器 (标准的主要材料为BaTiO3，温度特性为X5R，X7R，Y5V等) 的电容量随时间而减小。这一特性称之为电容老化。电容老化是具有自发性极化现象的铁电陶瓷独有的现象。当陶瓷电容器加热到居里点以上的温度时 (在该温度晶体结构发生改变，自发性极化消失 (大约为150°C) )，并使之处于无载荷状态，直到它冷却到居里点以下，随着时间的流逝，逆转自发性极化变得越来越困难，结果，所测的电容值会随着时间而减小。

上述现象不仅在村田的产品中，而且在所有高介电常数 (BaTiO3) 的一般性陶瓷电容器都可以观察到。附录中是一些有关电容老化的公用标准 (独石陶瓷电容器: IEC384-10附录B等)。当电容值由于老化而不断减小的电容器重新加热到居里点以上温度并让其冷却时，电容值会得到恢复。这述现象称之为抗老化现象，发生抗老化后，正常的老化过程重新开始。

BaTiO3质陶瓷的自发极化与铁电现象

如图1所示，BaTiO3质陶瓷具有钙钛矿晶体结构。在居里点 (约130°C) 温度以上呈立方体，且钡 (Ba) 的位于最高点，氧 (O)位于晶面的中心，钛 (Ti) 位于晶体的中心。

图1: BaTiO3质陶瓷的晶体结构

当在居里点以下正常温度范围内，一条晶轴 (C轴) 伸长约1%而其他晶轴缩短，晶体变成四方晶格 (如下页图2所示)。在这种情况下，Ti⁴+离子将占据附近O²-的位置而后者从晶体中心沿晶轴伸展的方向偏移0.12?。这种偏移导致正、负电荷的生点发生偏差，造成极化现象。

极化现象是由于晶体结构的不对称造成的，在不施加外电场或压力的情况下，这种极化现象从一开始就存在。这种类型的极化称为自发性极化现象。

图2: 温度变化时的晶体结构和相关介电常数的变化 (纯BaTiO3)

BaTiO3质陶瓷自发极化的方向 (Ti⁴+离子的位置) 在施加外部电场的情况下可以轻易逆转。这种具有自发极化现象且在外电场作用下逆转方向的能力专门称之为铁电现象。

老化的机理

BaTiO3质陶瓷宏观晶体的聚合体 (复晶型)，直径比μm小一个数量级， (如图3所示)。上述微观晶体称为晶粒。其晶体结构排列整齐 (见图1和2)。上述晶粒在温度低于居里点时可分成很多磁场，在每个磁场内有一个共用方向，因此，自发性极化的方向也相同。

图3: BaTiO3质陶瓷的微观结构

当BaTiO3质陶瓷加到到居里点以上时，晶体结构经历了一个从四方晶系向立方晶体相变过程。随着自发性极化的进行，上述磁场也逐渐消失。

当晶体冷却到居里点以下时，在居里点附近发生从立方晶系向四方晶系的相变过程。C轴沿轴线方向伸长1%。其他轴稍微收缩，形成自发性极化和磁场，同时，晶粒受到其环境扭曲而产生的应力。

在该点，晶粒中产生若干小磁场，利用一个低压电场，可很容易将每个磁场的自发性极化进行逆转。因为相对介电常数与每单位何种的自发性极化的逆转是对应的，其测量到的结果即为高电容量。

在电容器在居里点以下温度不带任何负载时，在任何随机方向的磁场随时间的推移逐渐自我对正，成为一个更大、能量更稳定的晶体 (图3: 90°磁场)，并释放晶体扭曲产生的应力。

另外，边界层的空间电荷 (缓慢运动的离子和晶格空位) 向外迁移。导致空间电荷发生极化。空间电荷的极化防止自发性极化发生逆转。

换句话说，自发性极化发生后，随着时间的推移晶格重新对排列成一个更稳定的状态，而空间电荷极化发一在边界层，防止自发性极化发生逆转。在这种情况下，我们需要利用高压电场使磁场的自发性极化发生逆转。这意味着，电场电压越低，发生逆转的磁场越少，且电容值越低。

这被认为是老化的机理。

当加热到居里点以上温度时，晶体的微观结构也回到初始状态。当晶体冷却时，老化过程重新开始。

村田产品的老化特性

一般情况下，在时间对数图像中，高介电常数型独石陶瓷电容器在经过125°C以上的标准热处理后，在24小时内，其电容值实际上呈线性下降。请参考附录中提供的村田产品电容老化特性的典型案例。

由于产品老化而产生的电容量下降，在焊接等过程中，由于产品被加热，电容量还能恢复。

当陶瓷电容器接入电路中时，其电容值有望保持在规格范围内的某一个值。我们依据上述原因来确定电容量的范围。

温度补偿型电容器不会产生老化现象。

使用时

老化现象是高介电常数型陶瓷电容器 (BaTiO3) 的一个基本特性。电容的容值因老化而变化的程度取决于所使用的陶瓷材料。同时，当在实际电路中施加直流偏压时，电容老化的程度取决于直流偏压电压的水平。

因此，当使用高介电常数型陶瓷电容器时，应考虑电容容值因老化现象而发生的变化情况，特别是，在电容容量的稳定性非常重要的情况下，需要在实际电路中加以验证。

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汽车系列 (GCM) 电容器和标准系列 (GRM) 电容器之间有什么应用差异?

GCM系列产品具有比标准GRM产品更高的可靠性，推荐用与人身安全密切相关的应用领域，比如汽车 (驾驶、转弯、停止、安全设备) 及医药设备和单独推荐的和生命安全息息相关的设备。对于信息系统 (比如车截导航设备、娱乐设备 (比如车截DVD或DVD播放设备)，车身控制 (像雨刷、电动车窗) 推荐使用GRM系列产品。

PDF产品目录

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应该在什么条件下保管电容器?

保存条件: 当在使用前进行保存时

维护条件: 当安装在电路板上以后保存时

请将电容器保存在以下“可用温度范围”内，该温度范围是电容器能够继续使用的规定保存温度范围。

可用温度范围