Condensateurs céramiques multicouches – Présentation

Au niveau fondamental, un condensateur céramique multicouche est identique à d'autres types de condensateurs. C'est un composant électronique passif, qui comprend deux fils et un diélectrique. Les matériaux des condensateurs céramiques multicouches et leur mode de fonctionnement leur confèrent des propriétés très utiles, particulièrement lorsque des valeurs de capacitance élevées sont nécessaires dans de petits composants.

Les condensateurs céramiques multicouches sont extensivement utilisés par les fabricants de téléphone. En fait, leur demande en condensateurs efficaces et économiques a largement contribué à promouvoir leur utilisation intensive.

Ils sont le résultat d'un processus de fabrication très complexe. La très haute efficacité de ce composant résout un grand nombre de problèmes, incluant des besoins aussi divergents que la précision et le coût global, auxquels les fabricants sont confrontés.

 

Caractéristiques électriques

Les caractéristiques électriques des condensateurs céramiques multicouches varient en fonction des matériaux utilisés pour leur fabrication. La fabrication de certains de ces dispositifs utilise des substances paraélectriques. Lorsque ces substances sont utilisées, le condensateur obtenu offre d'excellentes caractéristiques de stabilité. Dans la gamme thermique spécifiée pour le dispositif, la valeur de capacitance a un comportement linéaire. L'inconvénient de ce matériau est qu'il se limite principalement aux condensateurs ayant une faible valeur de capacitance.

Les matériaux ferroélectriques et les oxydes peuvent être combinés pour créer des condensateurs céramiques multicouches ayant des valeurs de capacitance plus élevées. Mais ces matériaux n'ont pas le comportement linéaire que les matériaux paraélectriques peuvent offrir, dans une gamme thermique spécifiée.

Différentes définitions appliquées aux condensateurs prescrivent leur classe d'application. L'International Electrotechnical Commission (IEC) et l'Electronic Industries Alliance (EIA) utilisent des définitions différentes. Les deux sont largement utilisées, bien que celles de l'EIA ne soient plus opérationnelles. Les définitions de l'IEC sont présentées ici.

Les condensateurs de Classe 1 sont utilisés dans des circuits résonnants. Ils ont un haut niveau de stabilité et des pertes faibles.

Les condensateurs céramiques de Classe 2 sont utilisés pour accoupler, découpler, contourner et lisser les applications. Leur haute efficacité volumétrique est notable.

Les condensateurs céramiques de Classe 3 ne sont pas actuellement une classe standardisée, mais la classe précédente incluait des condensateurs à couche barrière.

Pour bénéficier de tensions et de fréquences stables, les condensateurs de Classe 1 sont des choix excellents. Ils sont réputés pour leurs taux de pertes faibles et sont généralement utilisés dans des circuits résonants, des oscillateurs et filtres Q élevés. Les caractéristiques électriques de ces condensateurs dépendant directement des matériaux utilisés pour leur fabrication. Comme le coefficient thermique est une caractéristique importante de ces condensateurs, un code à deux chiffres l'indique sur le dispositif. Sur l'étiquetage, le mot céramique indique le type du condensateur.

Bien que les condensateurs de Classe 2 ne sont pas aussi précis ou stables que les condensateurs de Classe 1, ils ont une excellente efficacité volumétrique. Cet avantage résulte de leurs matériaux, qui ont une permittivité élevée.

Les condensateurs de Classe 2 ont une valeur de capacitance non linéaire, qui peut varier selon la température du dispositif et le niveau de la tension appliquée au dispositif. L'étiquetage des condensateurs indique le niveau de variation de leur capacitance dans leur gamme thermique opérationnelle. Cet étiquetage inclut un code alpha-numérique. Des lettres indiquent une température basse et un nombre une température haute. Le troisième signe indique la variation des niveaux de capacitance du composant dans une gamme thermique spécifiée.

Les condensateurs céramiques multicouches sont disponibles dans différents designs, leur permettant de répondre aux besoins de différentes applications.

 

Designs des condensateurs céramiques multicouches

Les condensateurs céramiques multicouches sont disponibles dans différentes configurations. L'une des plus répandues est le bloc rectangulaire, parfaitement adapté aux applications compactes. Elles sont disponibles chez les grands fabricants, incluant des marques comme Murata, RS et bien d'autres.

Il existe de nombreux autres designs, incluant les conceptions en disque très connues avec deux fils sortant du corps. Sur les condensateurs de traversée, des fils sortent à chaque extrémité et offrent une option de configuration différente.

 

Méthode de fabrication

La fabrication des condensateurs céramiques multicouches est un processus complexe intégrant des méthodes d'ingénierie de haute précision et de contrôle de la qualité. Les matériaux ferroélectriques ou paraélectriques qui constituent le condensateur sont mélangés dans une pâte. Ils sont modifiés par un apport d'additifs spécifiques.

Le matériau obtenu est transformé en film puis en rouleaux, chacun d'eux étant marqués pour des raisons de contrôle de qualité. Ces rouleaux passent ensuite par un processus d'impression et transformés en feuilles. Ces feuilles deviendront les électrodes des condensateurs.

Les feuilles sont empilées pour obtenir la capacitance voulue. Elles sont ensuite compactées et solidifiées par un processus de pressage. Les électrodes sont incorporées puis la feuille entière est découpée en condensateurs individuels.

Comme ce sont des composants céramiques, ils doivent passer au four. Différents processus de cuisson sont utilisés, incluant ceux qui ajoutent des bornes au composant.

Lorsque le condensateur est terminé, il subit des tests rigoureux pour garantir qu'il a la valeur de capacitance voulue. Chaque lot de condensateurs est étiqueté pour assurer la traçabilité jusqu'au lot original et à l'usine de fabrication.

 

Applications des condensateurs céramiques multicouches

Les condensateurs céramiques multicouches font partie des composants électriques les plus courants au monde. Ils sont indispensables pour la fabrication d'autres dispositifs. Ils sont produits par centaines de milliards chaque année.

Grâce à leur très petite taille, ces condensateurs sont la solution idéale pour des applications électroniques compactes. Ils offrent aussi des avantages sur d'autres types de condensateurs (voir ci-dessous) qui les rendent mieux adaptés à une multitude d'applications. Mais leur précision est une des propriétés qui les rendent très utiles dans de nombreuses applications.

Bien que leur compacité justifie leur forte demande, ils sont néanmoins disponibles dans des designs beaucoup plus grands. Grâce à ces grandes dimensions, ils peuvent gérer des tensions très élevées, jusque dans la gamme des 100kV. Ils peuvent aussi gérer des courants très élevés, ce qui les rend parfaits pour des applications très exigeantes.

Dans les plus petites tailles, la gestion de la tension et de l'ampérage n'est pas aussi large, mais les dispositifs peuvent être montés en grand nombre sur des circuits imprimés. Le processus multicouche permet de créer des dispositifs extrêmement compacts. Ces condensateurs sont disponibles dans des dimensions miniatures, à partir de 0,6 x 0,3 x 0,33mm et plus petits, apportant d'excellentes solutions pour placer un grand nombre de composants dans des espaces très réduits. Certains de ces dispositifs ne sont guère plus grands qu'un grain de sable.

En outre, la miniaturisation de ces dispositifs continue. Pour miniaturiser ces composants, les fabricants augmentent le nombre de couches dans les composants, ce qui nécessite que les couches soient de plus en plus minces.

Les valeurs de capacitance peuvent être augmentées en utilisant des matériaux diélectriques plus minces, ou en augmentant la taille des électrodes.

Les classes de condensateurs (décrites précédemment) dictent largement leurs utilisations. Par exemple, les condensateurs Classe 2 sont utilisés dans des applications présentant des tensions élevées. Ils sont également utilisés dans des applications aussi simple que des disjoncteurs ou aussi complexes que des unités d'alimentation pour des équipements scientifiques de haute précision.

Les condensateurs Classe 2 ont tendance à présenter un phénomène appelé "microphone". Dans ce phénomène, la céramique du dispositif commence à provoquer des grincements dans les applications audio. Les condensateurs céramiques multicouches Classe 1 ne posent pas ce problème et sont donc fréquemment employés dans des applications audio sensibles.

Les condensateurs sont des composants électroniques tellement basiques qu'ils sont utilisés dans des applications trop nombreuses à lister. Ils sont présents dans presque tous les dispositifs électroniques utilisés dans une multitude de secteurs. Grâce à certains avantages, les condensateurs céramiques multicouches offrent des niveaux de sécurité et de fiabilité supérieurs à ceux d'autres designs.

 

Avantages des condensateurs céramiques multicouches

À voir d'autres types de condensateurs disponibles sur le marché, il est assez facile de comprendre pourquoi les condensateurs céramiques multicouches répondent parfaitement aux besoins d'applications spécifiques.

Les condensateurs polycarbonates ont un grand nombre de propriétés identiques à celles des condensateurs céramiques multicouches et sont utilisés dans des applications très spécifiques. Mais ils sont très chers, ce qui réduit leur éligibilité.

Les condensateurs Mylar sont très fréquemment utilisés dans les applications audio, mais ils ont des limitations de tension que ne connaissent pas les condensateurs céramiques multicouches.

Les condensateurs céramiques ne sont pas polarisés. Cette propriété est importante, puisqu'elle signifie qu'il n'y a pas de risque d'erreur de polarité pendant leur installation.

C'est un avantage essentiel. Dans de nombreuses applications, les condensateurs céramiques multicouches ont largement remplacé les condensateurs en tantale qui sont beaucoup plus chers. Ces condensateurs en tantale peuvent exploser s'ils sont installés sur une polarité erronée, pouvant causer des blessures dans certaines circonstances improbables, mais qui ne manqueront pas d'endommager d'autres composants dans tous les cas.

Les condensateurs céramiques multicouches ne contiennent pas d'électrolyte liquide, et ne présentent donc aucun risque de fuite.

La performance constante de ces condensateurs à différentes températures joue un rôle essentiel dans certaines applications. Ils résistent mieux aux chocs et aux vibrations que les condensateurs électrolytiques. Ils n'ont pas besoin d'être fixés pour éviter des détériorations, comme cela est nécessaire avec les condensateurs électrolytiques. Mais ils peuvent être endommagés par des contraintes mécaniques lorsqu'ils sont montés sur des circuits imprimés exposés à des vibrations ou des chocs intensifs. Cet aspect ne doit pas être ignoré. Le circuit imprimé transmet cette force (choc ou vibration) directement aux composants installés. Par conséquent, un condensateur céramique multicouche peut craquer ou être endommagé si la protection contre les stress mécaniques est insuffisante.

Les fabricants ont créé des modèles conçus pour réduire les risques de détérioration des condensateurs exposés à des contraintes mécaniques. Ces modèles réduisent les risques de court-circuit ou d'autres problèmes ou risques de détérioration, en cas d'exposition à des contraintes inacceptables pour leur conception.

 

Avantages de sécurité

Les condensateurs céramiques multicouches ne sont pas inflammables, ce qui constitue un avantage essentiel pour certaines applications. Par conséquent, ils sont utilisés dans des dispositifs assurant la suppression des interférences radio et les filtres d'interférences électromagnétiques sur des lignes CA.

La résistance de ces dispositifs augmente avec la fréquence qui leur est appliquée, ce qui leur donne les propriétés requises pour assurer la suppression des interférences.

 

Variations

Les condensateurs céramiques utilisés dans des applications à haute tension sont fabriqués par un processus très similaire à leurs petits cousins, mais ils sont habituellement considérés comme appartenant à une classe différente. Leurs utilisations sont davantage orientées vers la protection physique des équipements et des personnes. Ces condensateurs peuvent être fabriqués dans de nombreux designs différents, puisque la céramique peut être très aisément moulée et offre donc une grande flexibilité.

Les condensateurs céramiques les plus puissants sont très grands, par rapport à ceux qui sont installés sur des circuits imprimés. Mais ils n'offrent pas certains des avantages d'autres types de grands condensateurs, tels que les condensateurs électrolytiques, comme expliqué ci-dessus.

Les condensateurs céramiques multicouches sont disponibles dans des tailles standardisés, permettant de les intégrer facilement dans des produits. Pour de nombreux composants, la hauteur n'est pas indiquée. La hauteur d'un composant dépend du nombre de couches qui le compose, et qui détermine sa valeur de capacitance.

 

Choisir des condensateurs pour des applications industrielles

Les condensateurs céramiques multicouches font partie des composants électroniques les plus économiques. Ils font aussi partie des plus largement utilisés. De grands fournisseurs fabriquent de très nombreuses variations. La standardisation facilite considérablement la sélection des condensateurs pour des utilisations spécifiques.

Le très faible coût des condensateurs céramiques multicouches est leur caractéristique la plus impressionnante, compte tenu de leur extrême fiabilité. De ce fait, les condensateurs en tantale sont de moins en moins utilisés. Le tantale est un matériau difficile à obtenir, ce qui augmente considérablement son prix. Alors que la céramique est un matériau très économique. De plus, avec les traitements et les processus de fabrication appropriés, ces condensateurs peuvent être utilisés dans des applications très exigeantes et fournir d'excellentes performances.

Ces condensateurs sont tellement économiques qu'ils sont généralement vendus en grandes quantités. Ils peuvent donc être achetés et stockés, constamment disponibles pour des projets électroniques.

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