Keramikkondensatoren Maximale Spannung und Derating

Der Betrieb eines Kondensators unterhalb seiner maximalen Nennspannung gewährleistet eine längere Betriebsdauer. Die Leistung eines Kondensators wird sich verschlechtern, wenn Spannungen in der Nähe ihres Nennlimits angelegt werden und sie hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Indem man sich dafür entscheidet, die angelegte Spannung zu begrenzen, können diese Degradationseffekte reduziert werden.

Keramikkondensatoren gehören zu den am häufigsten verwendeten Kondensatortypen, die heute dank ihrer kompakten Verpackung und der Verfügbarkeit von Oberflächenmontagekomponenten im Einsatz sind. Sie erhalten ihren Namen aufgrund der Baumaterialien; sie werden in abwechselnden Schichten aus Metallpaste und Keramikpulver aufgebaut, die dann gebacken werden, um das Keramikmaterial zu verfestigen. Da sie nicht polarisierte Komponenten sind, können sie in AC- und DC-Schaltkreisen verwendet werden und kommen mit einer Reihe von Kapazitätswerten, die sie ideal für den Einsatz in Kopplungs-, Entkopplungs- und Filterkreisen machen.

Die maximale Spannungsbewertung des Kondensators ist nominell hoch, was ein großer Vorteil ist. Wenn ihre Nennspannung um einen kleinen Betrag überschritten wird, sinkt ihre Kapazität, ohne dass es zu einem größeren Ausfall kommt. Wird sie jedoch einer Spannung ausgesetzt, die weit außerhalb der maximalen Nennspannung liegt, neigt das keramische Material dazu, zusammenzubrechen, was zu einem Kurzschluss zwischen den Metallplatten führt. Unter der Annahme, dass ein Überstromschutz vorhanden ist, wird dieser Ausfallmodus relativ harmlos sein. Ein Designer muss jedoch eine angemessene keramische Kondensatorspannungsderating auswählen, um sicherzustellen, dass dieser Ausfall während des Betriebs nicht auftritt, damit die Lebensdauer eines neuen Designs erhalten bleibt.

Bedeutung des Spannungsderatings bei keramischen Kondensatoren

Ein wichtiger Aspekt, der berücksichtigt werden muss, ist, dass sich der Kapazitätswert eines Keramikkondensators verringert, wenn die Spannung über dem Bauteil sich der maximalen Spannungsbewertung des Keramikkondensators nähert. Bei einigen Komponenten kann diese Reduktion die Funktion des Schaltkreises erheblich beeinflussen. Dieser Effekt wird stark von der physischen Größe der Komponente beeinflusst. Ein 1206 SMD-Keramikkondensator wird seine Nennkapazität viel langsamer verlieren als ein 0603 SMD-Keramikkondensator mit denselben Nennwerten. Dieser Effekt ist auch bei Komponenten mit einer hohen Dielektrizitätskonstante ausgeprägter, wie bei Geräten mit Dielektrikumseigenschaften der Klasse II (zum Beispiel B/X5R und R/X7R). Dieser Effekt kann problematisch sein, wenn eine Gleichspannungsvorspannung über Keramikkondensatoren in Signalverarbeitungsschaltungen besteht.

Die Vorspannung kann die Gesamtkapazität, die die Betriebseigenschaften des Basisschaltkreises beeinflusst, erheblich reduzieren. Die auf die Vorspannung überlagerte Signalspannung kann diese Änderung je nach ihrer Polarität verschärfen oder mildern, was eine Änderung der Kapazität proportional zur Signalspannung verursacht. Der konsolidierte Effekt ist eine nichtlineare Leistung aufgrund der Änderungen in der Kapazität. Dieses Problem kann gelöst werden, indem sichergestellt wird, dass die maximale Spannung des Kondensators, die aus der Spitzen-Signalspannung und der Gleichspannungsvorspannung berechnet wird, innerhalb des Bereichs der Kapazitätseigenschaften des Bauteils bleibt, wo die Änderung der Kapazität minimal ist. Dies kann eine sorgfältige Auswahl einer Komponente mit dielektrischen Eigenschaften erfordern, die den Anforderungen des Designers entsprechen.

Ein weiterer Einfluss auf die Derating von Keramikkondensatoren ist die Exposition gegenüber schnellen Transienten innerhalb des Nennspannungslimits. Auch wenn die Spannungen innerhalb der Grenzen bleiben, kann die Änderungsrate der Spannung die keramischen Materialien über die Zeit abbauen, die Lebensdauer der Komponente reduzieren und die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls erhöhen.

Welches Derating sollten Sie bei Keramikkondensatoren verwenden?

Es gibt eine allgemeine Faustregel, dass die Spannungsbewertungsregel für Keramikkondensatoren standardmäßig um mindestens 25% herabgesetzt werden sollte, aber in Umgebungen, in denen sie Spannungsschwankungen ausgesetzt sein werden, sollte dies auf mindestens 50% erhöht werden. Die maximale Nennspannung für das Bauteil sollte mindestens doppelt so hoch sein wie die maximale Spannung, die im normalen Betrieb an das Bauteil angelegt werden kann.

Eine genauere Berechnung kann durch Betrachtung der Beziehung zwischen der Durchbruchspannung und der maximalen Nennspannung erfolgen. Typischerweise berechnen Hersteller die maximale Nennspannung, indem sie einen auf Erfahrung und Urteil basierenden Aufschlag zur Durchbruchspannung hinzufügen. Die Durchbruchspannung wird durch die Eigenschaften der in der Konstruktion von Keramikkondensatoren verwendeten Materialien und das Vorhandensein von Defekten in den Materialien bestimmt. Je höher die Qualität des Herstellungsprozesses, desto höher die Durchbruchspannung – begrenzt durch die verwendeten Materialien. Interessanterweise hat der höhere Wert der Kapazität einen geringeren Effekt auf die Durchbruchspannung, je geringer die Auswirkungen etwaiger Herstellungsfehler sind.

Die Eigenschaften des keramikbasierten Isoliermaterials dominieren die Berechnungen; Studien haben gezeigt, dass die Metallelemente wenig Einfluss auf die Ergebnisse haben. Die Durchbruchspannung wird im Allgemeinen durch die Polarisationsprozesse innerhalb des Dielektrikums bestimmt, eher als durch einen elektrischen Durchbruch. Hersteller bestimmen die Durchbruchspannung, indem sie den Bereich innerhalb der Betriebscharakteristika der Komponenten identifizieren. Die spannungsabhängigen Eigenschaften bleiben innerhalb der erforderlichen Grenzen des Geräts, und seine vorhergesagte Zuverlässigkeit fällt in den spezifizierten Bereich. Jede vom Designer angewandte Derating wird dann zusätzlich zum Derating-Faktor des Herstellers sein, der verwendet wird, um die maximale Spannungsbewertung des Keramikkondensators aus der Durchbruchspannung zu berechnen.

Ein Aspekt, den man im Kopf behalten sollte, ist, dass ein Über-Derating einer Komponente auf den ersten Blick als die sicherste Politik erscheinen mag, aber dies wird zur Auswahl von physisch größeren oder viel teureren Komponenten führen. Der zusätzliche benötigte Platz auf der Platine ist möglicherweise nicht machbar oder könnte andere Herausforderungen mit dem Layout und der Verdrahtung der Platine verursachen. Größere Komponenten tragen auch ein erhöhtes Risiko von Brüchen innerhalb der Komponente in einer Umgebung, in der mechanische Vibrationen vorhanden sein können. Wie bei allen Designentscheidungen müssen einige Konsequenzen sorgfältig bedacht werden.

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