Capacitores de cerámica: Voltaje máximo y desclasificación

Operar prácticamente cualquier capacitor por debajo de su voltaje máximo nominal asegura una vida útil más larga. El rendimiento de un capacitor se degradará en respuesta a la aplicación de voltajes que se acerquen a su límite nominal y a la exposición a altas temperaturas. Al elegir limitar el voltaje aplicado, se pueden reducir esos efectos de degradación.

Los capacitores cerámicos son uno de los tipos de capacitores más comunes que se utilizan hoy en día gracias a su empaquetado compacto y la disponibilidad de componentes para montaje superficial. Reciben su nombre de los materiales de construcción; están construidos en capas alternas de pasta metálica y polvo cerámico, que luego se hornean para solidificar el material cerámico. Como son componentes no polarizados, pueden usarse en circuitos de AC y DC y vienen con una gama de valores de capacitancia que los hace ideales para su uso en circuitos de acoplamiento, desacoplamiento y filtrado.

La clasificación máxima de voltaje del capacitor es nominalmente alta, lo cual es una gran ventaja. Cuando su voltaje nominal es superado por un pequeño margen, su capacitancia disminuye sin ninguna falla mayor. Si se expone a un voltaje muy por fuera del máximo nominal, la tendencia es que el material cerámico se degrade, llevando a un cortocircuito entre las placas metálicas. Asumiendo que la protección contra sobrecorriente está en su lugar, este modo de falla será relativamente benigno. Sin embargo, un diseñador necesita seleccionar una adecuada desclasificación de voltaje del capacitor cerámico para asegurar que esta falla no ocurra durante la operación, de modo que se mantenga la vida útil de un nuevo diseño.

Importancia de la Desclasificación de Voltaje de los Capacitores Cerámicos

Una consideración importante que debe tenerse en cuenta es que el valor de la capacitancia de un capacitor cerámico se reducirá a medida que el voltaje a través del componente se acerque al máximo valor de voltaje nominal del capacitor cerámico. En algunos componentes, esta reducción puede afectar significativamente el funcionamiento del circuito. Este efecto está fuertemente influenciado por el tamaño físico del componente. Un capacitor cerámico SMD 1206 perderá la capacitancia nominal mucho más lentamente que un capacitor cerámico SMD 0603 de los mismos valores nominales. Este efecto también es más prominente en componentes con una alta constante dieléctrica, como dispositivos con características dieléctricas de tipo Clase II (por ejemplo, B/X5R y R/X7R). Este efecto puede ser problemático cuando existe un voltaje de polarización continua a través de capacitores cerámicos en circuitos de procesamiento de señales.

La tensión de polarización puede reducir significativamente la capacitancia total que afecta las características operativas del circuito base. La tensión de señal superpuesta sobre la tensión de polarización puede exacerbar o aliviar este cambio, dependiendo de su polaridad, causando un cambio en la capacitancia proporcional a la tensión de señal. El efecto consolidado es un rendimiento no lineal debido a los cambios en la capacitancia. Este problema puede resolverse asegurando que la tensión máxima del capacitor calculada a partir de la tensión pico de la señal y la tensión de polarización continua permanezca dentro de la región de las características de capacitancia del componente, donde el cambio en capacitancia es mínimo. Esto puede requerir la selección cuidadosa de un componente con características dieléctricas que cumplan con los requisitos del diseñador.

Otra influencia en la desclasificación de capacitores cerámicos es la exposición a transitorios rápidos dentro del límite de tensión nominal. Aunque las tensiones permanezcan dentro de los límites, la tasa de cambio de la tensión puede degradar los materiales cerámicos con el tiempo, reduciendo la vida útil del componente y aumentando la probabilidad de fallo.

¿Qué Desclasificación de Capacitores Cerámicos Debería Usar?

Existe una regla general que indica que la regla de calificación de voltaje de los capacitores cerámicos debe ser desclasificada al menos en un 25% como estándar, pero en entornos donde estarán expuestos a efectos de ondulación de voltaje, esto debería aumentarse al menos al 50%. El voltaje máximo calificado para el componente debe ser al menos el doble del voltaje máximo del capacitor que se puede aplicar al componente en operaciones normales.

Un cálculo más preciso puede provenir de observar la relación entre el voltaje de ruptura y el voltaje máximo calificado. Típicamente, los fabricantes calculan el voltaje máximo calificado agregando un margen basado en la experiencia y el juicio al voltaje de ruptura. El voltaje de ruptura se determina por las características de los materiales utilizados en la construcción de los capacitores cerámicos y la presencia de defectos en los materiales. Cuanto mayor sea la calidad del proceso de fabricación, mayor será el voltaje de ruptura, limitado por los materiales utilizados. Curiosamente, cuanto mayor sea el valor de la capacitancia, menor será el efecto que cualquier defecto de fabricación tendrá sobre el voltaje de ruptura.

Las propiedades del material aislante basado en cerámica dominan los cálculos; los estudios han demostrado que los elementos metálicos tienen poca influencia en los resultados. El voltaje de ruptura generalmente está determinado por los procesos de polarización dentro del dieléctrico más que por cualquier ruptura eléctrica. Los fabricantes determinan el voltaje de ruptura identificando la región dentro de las características operativas de los componentes. Las cualidades dependientes del voltaje permanecen dentro de los límites requeridos por el dispositivo, y su fiabilidad predicha cae dentro del rango especificado. Cualquier desclasificación aplicada por el diseñador será entonces adicional al factor de desclasificación del fabricante, utilizado para calcular la calificación máxima de voltaje del capacitor de cerámica a partir del voltaje de ruptura.

Una cosa a tener en cuenta es que la sobredesclasificación de un componente puede, a primera vista, parecer la política más segura, pero esto resultará en la selección de componentes físicamente más grandes o mucho más costosos. El espacio adicional en la placa requerido puede no ser factible o podría causar otros desafíos con el diseño y el enrutamiento de la placa. Los componentes más grandes también llevan un riesgo aumentado de fractura dentro del componente en un ambiente donde puedan estar presentes vibraciones mecánicas. Como con todas las decisiones de diseño, algunas consecuencias necesitan ser pensadas cuidadosamente.

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