Condensatori ceramici Tensione massima e Derating

Far funzionare qualsiasi condensatore al di sotto della sua tensione massima nominale garantisce una vita operativa più lunga. Le prestazioni di un condensatore si degraderanno in risposta all'applicazione di tensioni che si avvicinano al loro limite nominale e all'esposizione ad alte temperature. Scegliendo di limitare la tensione applicata, è possibile ridurre questi effetti di degradazione.

I condensatori ceramici sono uno dei tipi di condensatori più comuni in uso oggi grazie al loro imballaggio compatto e alla disponibilità di componenti per montaggio superficiale. Ricevono il loro nome dai materiali di costruzione; sono costruiti in strati alternati di pasta metallica e polvere ceramica, che vengono poi cotti per solidificare il materiale ceramico. Essendo componenti non polarizzati, possono essere utilizzati in circuiti AC e DC e vengono forniti con una gamma di valori di capacità che li rende ideali per l'uso in circuiti di accoppiamento, decoupling e filtraggio.

La tensione massima nominale del condensatore è notevolmente alta, il che rappresenta un grande vantaggio. Quando la loro tensione nominale viene superata di un piccolo margine, la loro capacità diminuisce senza alcun guasto importante. Se esposti a una tensione ben oltre il massimo nominale, la tendenza è che il materiale ceramico si deteriori, portando a un cortocircuito tra le piastre metalliche. Assumendo che sia in atto una protezione da sovracorrente, questa modalità di guasto sarà relativamente benigna. Tuttavia, un progettista deve selezionare una derating appropriata della tensione del condensatore ceramico per assicurarsi che questo guasto non si verifichi durante il funzionamento, in modo che la durata di una nuova progettazione sia mantenuta.

Importanza della Derating della Tensione dei Condensatori Ceramici

Un'importante considerazione da tenere in mente è che il valore di capacità di un condensatore ceramico si ridurrà man mano che la tensione attraverso il componente si avvicina al massimo rating di tensione del condensatore ceramico. In alcuni componenti, questa riduzione può influenzare significativamente il funzionamento del circuito. Questo effetto è fortemente influenzato dalle dimensioni fisiche del componente. Un condensatore ceramico SMD 1206 perderà la capacità nominale molto più lentamente rispetto a un condensatore ceramico SMD 0603 con gli stessi valori nominali. Questo effetto è anche più evidente in componenti con un'alta costante dielettrica, come i dispositivi con caratteristiche dielettriche di tipo Classe II (per esempio, B/X5R e R/X7R). Questo effetto può essere problematico quando esiste una tensione di polarizzazione DC attraverso i condensatori ceramici nei circuiti di elaborazione del segnale.

La tensione di polarizzazione può ridurre significativamente la capacità complessiva influenzando le caratteristiche operative del circuito di base. La tensione del segnale sovrapposta alla tensione di polarizzazione può esacerbare o alleviare questo cambiamento, a seconda della sua polarità, causando una variazione della capacità proporzionale alla tensione del segnale. L'effetto consolidato è una prestazione non lineare a causa dei cambiamenti nella capacità. Questo problema può essere risolto assicurando che la tensione massima del condensatore calcolata dalla tensione di picco del segnale e dalla tensione di polarizzazione continua rimanga all'interno della regione delle caratteristiche di capacità del componente, dove il cambiamento nella capacità è minimo. Questo può richiedere una selezione attenta di un componente con caratteristiche dielettriche che soddisfino i requisiti del progettista.

Un altro fattore che influisce sul derating dei condensatori ceramici è l'esposizione a transitori rapidi entro il limite di tensione nominale. Anche se le tensioni rimangono entro i limiti, il tasso di variazione della tensione può degradare i materiali ceramici nel tempo, riducendo la vita del componente e aumentando la probabilità di guasto.

Quale Derating per Condensatori Ceramici Dovresti Usare?

Esiste una regola generale secondo cui la valutazione della tensione dei condensatori ceramici dovrebbe essere ridotta di almeno il 25% come standard, ma in ambienti in cui saranno esposti agli effetti dell'ondulazione della tensione, questa dovrebbe essere aumentata ad almeno il 50%. La tensione massima nominale per il componente dovrebbe essere almeno il doppio della massima tensione del condensatore che può essere applicata al componente in condizioni normali di funzionamento.

Un calcolo più accurato può derivare dall'osservare la relazione tra la tensione di rottura e la tensione nominale massima. Tipicamente, i produttori calcolano la tensione nominale massima aggiungendo un margine basato sull'esperienza e sul giudizio alla tensione di rottura. La tensione di rottura è determinata dalle caratteristiche dei materiali usati nella costruzione dei condensatori ceramici e dalla presenza di difetti nei materiali. Più alta è la qualità del processo di fabbricazione, più alta sarà la tensione di rottura – limitata dai materiali usati. È interessante notare che, più alto è il valore della capacità, minore sarà l'effetto che eventuali difetti di fabbricazione avranno sulla tensione di rottura.

Le proprietà del materiale isolante a base ceramica dominano i calcoli; gli studi hanno dimostrato che gli elementi metallici hanno poca influenza sui risultati. La tensione di rottura è generalmente determinata dai processi di polarizzazione all'interno del dielettrico piuttosto che da un qualsiasi cedimento elettrico. I produttori determinano la tensione di rottura identificando la regione all'interno delle caratteristiche operative dei componenti. Le qualità dipendenti dalla tensione rimangono entro i limiti richiesti dal dispositivo, e l'affidabilità prevista rientra nell'intervallo specificato. Qualsiasi derating applicato dal progettista sarà quindi in aggiunta al fattore di derating del produttore, utilizzato per calcolare la valutazione massima della tensione del condensatore ceramico dalla tensione di rottura.

Una cosa da tenere a mente è che il sovra-derating di un componente può, a prima vista, sembrare la politica più sicura, ma ciò comporterà la selezione di componenti fisicamente più grandi o molto più costosi. Lo spazio aggiuntivo sulla scheda richiesto potrebbe non essere fattibile o potrebbe causare altre sfide con la disposizione e il routing della scheda. Componenti più grandi comportano anche un rischio maggiore di frattura all'interno del componente in un ambiente in cui possono essere presenti vibrazioni meccaniche. Come per tutte le decisioni di progettazione, alcune conseguenze devono essere ponderate attentamente.

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