Tension maximale et déclassement des condensateurs céramiques

Faire fonctionner presque n'importe quel condensateur en dessous de sa tension nominale maximale assure une durée de vie opérationnelle plus longue. La performance d'un condensateur se dégradera en réponse à l'application de tensions approchant leur limite nominale et à l'exposition à des températures élevées. En choisissant de limiter la tension appliquée, ces effets de dégradation peuvent être réduits.

Les condensateurs céramiques sont l'un des types de condensateurs les plus courants utilisés aujourd'hui grâce à leur emballage compact et à la disponibilité de composants montés en surface. Ils tirent leur nom des matériaux de construction ; ils sont construits en couches alternées de pâte métallique et de poudre céramique, qui sont ensuite cuites pour solidifier le matériau céramique. Comme ils sont des composants non polarisés, ils peuvent être utilisés dans les circuits AC et DC et viennent avec une gamme de valeurs de capacité qui les rendent idéaux pour une utilisation dans les circuits de couplage, découplage et filtrage.

La tension maximale nominale du condensateur est élevée, ce qui est un grand avantage. Lorsque leur tension nominale est dépassée de peu, leur capacité diminue sans aucune défaillance majeure. Si exposés à une tension bien supérieure à la tension maximale nominale, la tendance est que le matériau céramique se dégrade, conduisant à un court-circuit entre les plaques métalliques. En supposant qu'une protection contre les surintensités est en place, ce mode de défaillance sera relativement bénin. Cependant, un concepteur doit sélectionner une dérating de tension de condensateur céramique appropriée pour s'assurer que cette défaillance ne se produise pas pendant le fonctionnement afin que la durée de vie d'une nouvelle conception soit maintenue.

Importance de la Dérating de Tension des Condensateurs Céramiques

Un aspect important à prendre en compte est que la valeur de capacité d'un condensateur céramique sera réduite à mesure que la tension à travers le composant se rapproche de la note maximale de tension du condensateur céramique. Dans certains composants, cette réduction peut affecter de manière significative le fonctionnement du circuit. Cet effet est fortement influencé par la taille physique du composant. Un condensateur céramique SMD 1206 perdra sa capacité nominale beaucoup plus lentement qu'un condensateur céramique SMD 0603 de mêmes valeurs nominales. Cet effet est également plus prononcé dans les composants ayant une constante diélectrique élevée, tels que les dispositifs avec des caractéristiques diélectriques de type Classe II (par exemple, B/X5R et R/X7R). Cet effet peut poser problème lorsqu'une tension de polarisation continue existe à travers les condensateurs céramiques dans les circuits de traitement de signal.

La tension de polarisation peut réduire considérablement la capacité globale affectant les caractéristiques de fonctionnement du circuit de base. La tension de signal superposée au-dessus de la tension de polarisation peut exacerber ou atténuer ce changement, selon sa polarité, provoquant un changement de capacité proportionnel à la tension de signal. L'effet consolidé est une performance non linéaire due aux changements de capacité. Ce problème peut être résolu en s'assurant que la tension maximale du condensateur calculée à partir de la tension de signal de crête et de la tension de polarisation continue reste dans la région des caractéristiques de capacité du composant, où le changement de capacité est minimal. Cela peut nécessiter une sélection minutieuse d'un composant avec des caractéristiques diélectriques qui répondent aux exigences du concepteur.

Une autre influence sur la dévalorisation des condensateurs céramiques est l'exposition à des transitoires rapides dans la limite de tension nominale. Bien que les tensions restent dans les limites, le taux de changement de la tension peut dégrader les matériaux céramiques au fil du temps, réduisant la durée de vie du composant et augmentant la probabilité de défaillance.

Quelle dévalorisation des condensateurs céramiques devriez-vous utiliser ?

Il existe une règle générale selon laquelle la règle de notation de tension des condensateurs céramiques devrait être déclassée d'au moins 25 % en standard, mais dans les environnements où ils seront exposés aux effets de l'ondulation de tension, cela devrait être augmenté à au moins 50 %. La tension nominale maximale pour le composant devrait être au moins le double de la tension maximale du condensateur qui peut être appliquée au composant en fonctionnement normal.

Un calcul plus précis peut provenir de l'examen de la relation entre la tension de claquage et la tension nominale maximale. Typiquement, les fabricants calculent la tension nominale maximale en ajoutant une marge basée sur l'expérience et le jugement à la tension de claquage. La tension de claquage est déterminée par les caractéristiques des matériaux utilisés dans la construction des condensateurs céramiques et la présence de défauts dans les matériaux. Plus la qualité du processus de fabrication est élevée, plus la tension de claquage est élevée – limitée par les matériaux utilisés. Fait intéressant, plus la valeur de la capacité est élevée, moins les défauts de fabrication auront d'effet sur la tension de claquage.

Les propriétés du matériau isolant à base de céramique dominent les calculs ; les études ont montré que les éléments métalliques ont peu d'influence sur les résultats. La tension de claquage est généralement déterminée par les processus de polarisation au sein du diélectrique plutôt que par un quelconque claquage électrique. Les fabricants déterminent la tension de claquage en identifiant la région au sein des caractéristiques de fonctionnement des composants. Les qualités dépendantes de la tension restent dans les limites requises par l'appareil, et sa fiabilité prévue se situe dans la plage spécifiée. Tout déclassement appliqué par le concepteur sera alors en plus du facteur de déclassement du fabricant, utilisé pour calculer la note de tension maximale du condensateur en céramique à partir de la tension de claquage.

Une chose à garder à l'esprit est que sur-déclasser un composant peut, à première vue, sembler être la politique la plus sûre, mais cela résultera dans la sélection de composants physiquement plus grands ou beaucoup plus coûteux. L'espace supplémentaire sur le circuit imprimé requis peut ne pas être réalisable ou pourrait causer d'autres défis avec l'agencement et le routage du circuit. Les composants plus grands comportent également un risque accru de fracture au sein du composant dans un environnement où des vibrations mécaniques peuvent être présentes. Comme pour toutes les décisions de conception, certaines conséquences doivent être soigneusement réfléchies.

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