Maksymalne napięcie i derating kondensatorów ceramicznych

Praca dowolnego kondensatora poniżej jego maksymalnego napięcia znamionowego zapewnia dłuższą żywotność. Wydajność kondensatora będzie się pogarszać w odpowiedzi na stosowanie napięć zbliżających się do ich limitu znamionowego oraz ekspozycję na wysokie temperatury. Decydując się na ograniczenie stosowanego napięcia, można zmniejszyć te efekty degradacji.

Kondensatory ceramiczne należą do najczęściej używanych obecnie typów kondensatorów dzięki ich kompaktowemu opakowaniu i dostępności komponentów montażu powierzchniowego. Nazwa pochodzi od materiałów konstrukcyjnych; są one budowane z naprzemiennych warstw pasty metalowej i proszku ceramicznego, które następnie są wypalane, aby utwardzić materiał ceramiczny. Jako komponenty niepolaryzacyjne, mogą być używane w obwodach AC i DC oraz przychodzą z gamą wartości pojemności, co czyni je idealnymi do stosowania w obwodach sprzęgających, odsprzęgających i filtrujących.

Maksymalna dopuszczalna napięcie kondensatora jest nominalnie wysokie, co stanowi dużą zaletę. Gdy przekroczone zostanie ich nominalne napięcie, ale tylko nieznacznie, ich pojemność spada bez większych awarii. Jeśli jednak zostaną wystawione na napięcie znacznie przekraczające maksymalne dopuszczalne, ceramiczny materiał ma tendencję do uszkodzenia, co prowadzi do zwarcia między metalowymi płytami. Zakładając, że zabezpieczenie przed przeciążeniem prądowym jest na miejscu, ten tryb awarii będzie stosunkowo łagodny. Jednak projektant musi wybrać odpowiednie napięciowe derating kondensatorów ceramicznych, aby zapewnić, że ta awaria nie wystąpi podczas eksploatacji, co pozwoli na utrzymanie żywotności nowego projektu.

Znaczenie deratingu napięciowego kondensatorów ceramicznych

Ważnym aspektem, który należy wziąć pod uwagę, jest to, że wartość pojemności kondensatora ceramicznego będzie się zmniejszać, gdy napięcie na komponencie zbliża się do maksymalnej dopuszczalnej wartości napięcia dla kondensatorów ceramicznych. W niektórych komponentach, to zmniejszenie może znacząco wpłynąć na działanie obwodu. Efekt ten jest silnie zależny od fizycznego rozmiaru komponentu. Kondensator ceramiczny SMD o rozmiarze 1206 będzie tracił nominalną pojemność znacznie wolniej niż kondensator ceramiczny SMD o rozmiarze 0603 o tych samych nominalnych wartościach. Efekt ten jest również bardziej widoczny w komponentach o wysokiej stałej dielektrycznej, takich jak urządzenia z dielektrykiem typu II klasy (na przykład B/X5R i R/X7R). Efekt ten może być problematyczny, gdy w obwodach przetwarzania sygnałów występuje stałe napięcie polaryzujące na kondensatorach ceramicznych.

Napięcie polaryzujące może znacząco zmniejszyć całkowitą pojemność wpływającą na charakterystyki pracy podstawowego obwodu. Napięcie sygnału nałożone na napięcie polaryzujące może nasilać lub łagodzić tę zmianę, w zależności od jego polarności, powodując zmianę pojemności proporcjonalną do napięcia sygnału. Skonsolidowany efekt to nieliniowa wydajność ze względu na zmiany w pojemności. Ten problem można rozwiązać, upewniając się, że maksymalne napięcie kondensatora obliczone z szczytowego napięcia sygnału i napięcia polaryzacji DC pozostaje w obszarze charakterystyk pojemności komponentu, gdzie zmiana pojemności jest minimalna. Może to wymagać starannego wyboru komponentu o charakterystykach dielektrycznych, które spełniają wymagania projektanta.

Kolejnym czynnikiem wpływającym na derating kondensatorów ceramicznych jest ekspozycja na szybkie przejścia w obrębie dopuszczalnego limitu napięcia. Chociaż napięcia pozostają w granicach limitów, szybkość zmiany napięcia może z czasem degradować materiały ceramiczne, skracając żywotność komponentu i zwiększając prawdopodobieństwo awarii.

Jakiego deratingu kondensatorów ceramicznych należy użyć?

Istnieje powszechna zasada, że zasadę oceny napięcia kondensatorów ceramicznych należy obniżyć o co najmniej 25% jako standard, ale w środowiskach, gdzie będą one wystawione na efekty tętnień napięcia, należy to zwiększyć do co najmniej 50%. Maksymalne dopuszczalne napięcie dla komponentu powinno być co najmniej podwójne w stosunku do maksymalnego napięcia kondensatora, które może być przyłożone do komponentu podczas normalnej pracy.

Dokładniejsze obliczenie można uzyskać, analizując związek między napięciem przebicia a maksymalnym dopuszczalnym napięciem. Zazwyczaj producenci obliczają maksymalne dopuszczalne napięcie, dodając margines oparty na doświadczeniu i osądzie do napięcia przebicia. Napięcie przebicia jest określone przez charakterystykę materiałów użytych do budowy kondensatorów ceramicznych oraz obecność defektów w materiałach. Im wyższa jakość procesu produkcyjnego, tym wyższe napięcie przebicia – ograniczone przez użyte materiały. Co ciekawe, im wyższa wartość pojemności, tym mniejszy wpływ ewentualnych defektów produkcyjnych na napięcie przebicia.

Właściwości materiału izolacyjnego na bazie ceramiki dominują w obliczeniach; badania wykazały, że elementy metalowe mają niewielki wpływ na wyniki. Napięcie przebicia jest zazwyczaj określane przez procesy polaryzacji w dielektryku, a nie przez jakiekolwiek elektryczne przebicie. Producenci określają napięcie przebicia, identyfikując obszar w charakterystykach operacyjnych komponentów. Jakości zależne od napięcia pozostają w wymaganych limitach urządzenia, a jego przewidywana niezawodność mieści się w określonym zakresie. Jakiekolwiek obniżenie wartości stosowane przez projektanta będzie dodatkowe w stosunku do czynnika obniżającego wartość stosowanego przez producenta, używanego do obliczenia maksymalnej oceny napięcia kondensatora ceramicznego na podstawie napięcia przebicia.

Jedną rzeczą, którą należy mieć na uwadze, jest to, że nadmierne obniżanie wartości komponentu może na pierwszy rzut oka wydawać się najbezpieczniejszą polityką, ale skutkuje to wyborem fizycznie większych lub znacznie droższych komponentów. Dodatkowa przestrzeń na płycie może być niepraktyczna lub może powodować inne wyzwania związane z układem i trasowaniem płyty. Większe komponenty niosą również zwiększone ryzyko pęknięć w komponencie w środowisku, gdzie mogą występować wibracje mechaniczne. Jak we wszystkich decyzjach projektowych, niektóre konsekwencje należy dokładnie przemyśleć.

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej, dlaczego nie przejrzeć naszej strony produktu po to, aby uzyskać bardziej szczegółowy opis funkcji, lub zadzwonić do eksperta w Altium? Zacznij swoją darmową wersję próbną Altium Designer + Altium 365 już dziś.