Condensadores cerámicos frente a polarización de CC: ¿la regla general de reducción es engañosa?

Premisa

Los capacitores cerámicos con dieléctricos de Clase 2 (como X5R y X7R) generalmente muestran una reducción de su valor de capacitancia a medida que aumenta el voltaje de polarización aplicado. Este comportamiento es más prominente en capacitores de mayor densidad que presentan valores altos en paquetes pequeños.

La forma de lidiar con este comportamiento se ha discutido incidentalmente en algunas preguntas sobre cómo elegir la clasificación de voltaje de la pieza. Por supuesto, leer la ficha técnica y preguntar al fabricante es la solución definitiva. Sin embargo, creo que la regla general común "reducir los condensadores cerámicos en un 50%" es engañosa y no ayuda con este comportamiento .

Análisis

Esto es lo que encontré jugando con las herramientas de los fabricantes de Murata y KEMET y en algunas notas/publicaciones de aplicaciones:

  • El comportamiento más común es que la clasificación de voltaje no afecta en absoluto la curva de cambio de capacitancia. En otras palabras, un 100nF 0603 de cerámica pierde el mismo porcentaje de su valor a 10 V (por ejemplo, 30 %) independientemente de que esté clasificado para 25 V, 50 V o 100 V. Consulte esta nota de aplicación de Maxim .El cambio de capacitancia no se ve afectado por la clasificación de voltaje
  • En otros casos, aumentar la clasificación de voltaje reduce el porcentaje de pérdida (consulte esta pregunta ).La clasificación de voltaje reduce la pérdida de capacitancia relativa
  • En algunos casos raros, he encontrado condensadores de 100 V que pierden más que los equivalentes nominales más bajos.

Discusión y preguntas

Volviendo a la "regla empírica de reducción de potencia", elegir una "Valor nominal de voltaje (CC)" aproximadamente el doble del valor del voltaje operativo máximo esperado es una buena guía para reducir la falla de la pieza, pero generalmente no parece ayudar cuando el capacitor no se sostiene. a su valor nominal.

Por supuesto, cuando el valor de la capacitancia es crítico, el análisis cuidadoso de la hoja de datos es el camino a seguir.

  • ¿Cómo abordas este tipo de elección de diseño? Los diseñadores sénior tendrán su propia regla general en función de su experiencia: ¡esos me interesan!

¿Qué pasa con los componentes menos críticos, como los capacitores muy comunes de 100nF (desacoplamiento) y 10uF (a granel)? Si el paquete es pequeño, podrían estar muy por debajo de su valor nominal.

  • ¿Te importa?
  • ¿Selecciona un capacitor de valor más alto (con el mismo paquete y posiblemente con una clasificación de voltaje más baja) que perderá más en porcentaje pero terminará con un valor de capacitancia más alto?

Respuestas (2)

Hay muchas razones para seleccionar el valor, el voltaje, el tamaño y la tecnología de un capacitor. Un diseño comienza con la comprensión de los requisitos que incluyen voltaje, potencia, frecuencia, limitaciones de tamaño, rango de temperatura, costo, etc. Luego, cuáles son las limitaciones del capacitor (o cualquier componente) que se encuentran en la especificación. ¿Por qué disminuye la capacitancia? Es un efecto llamado coeficiente de voltaje de capacitancia y la capacitancia efectiva disminuye a medida que aumenta el voltaje en el capacitor. Los MLCC se construyen utilizando capas alternas de electrodos metálicos y dieléctricos cerámicos. Los MLCC Clase II están hechos de BaTiO3, un material ferroeléctrico, que tiene una estructura cristalina que contiene átomos de Bario, Titanio y Oxígeno. A baja tensión, los iones de Ti pueden moverse libremente según el campo eléctrico. A medida que aumenta el voltaje, los iones comienzan a alinearse y se vuelven menos libres para moverse, lo que reduce la capacitancia efectiva. (Las tapas de película, por cierto, no muestran este comportamiento).
Por lo tanto, debe considerar su voltaje de trabajo más alto, tanto de CC como de CA. En segundo lugar, considere el rango de temperatura superior y el efecto sobre las fugas y cuánta fuga puede soportar su circuito. Después de determinar el voltaje requerido, puedo agregar otro 20% de margen. Recientemente, mi empresa se ha sometido a una importante investigación sobre el agrietamiento de los condensadores cerámicos. Descubrimos que los capacitores más pequeños tienen menos probabilidades de romperse, pero como mostró, los capacitores más pequeños tienen una mayor variación con el voltaje. Así que tienes que decidir. Para aquellos que diseñan un proyecto de vivienda, el 50% funciona. Para todos los demás, lea la hoja de datos.

Cuando el margen de diseño es barato, ponga mucho. Si había algo que siempre intentaba enseñar a los ingenieros jóvenes, era esto. El margen de voltaje en la cerámica generalmente no cuesta mucho. Nunca lo hice para reducir las variaciones de capacitancia debido al voltaje de polarización.

Ahora, trabajé en la industria aeroespacial, barato tiene un significado muy diferente en el mercado de consumo.

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