Capacitores Cerâmicos de Tensão Máxima e Desclassificação

Operar praticamente qualquer capacitor abaixo de sua tensão máxima nominal garante uma vida útil mais longa. O desempenho de um capacitor se degradará em resposta à aplicação de tensões próximas ao seu limite nominal e à exposição a altas temperaturas. Ao optar por limitar a tensão aplicada, esses efeitos de degradação podem ser reduzidos.

Os capacitores cerâmicos são um dos tipos mais comuns de capacitores em uso hoje em dia, graças à sua embalagem compacta e à disponibilidade de componentes para montagem em superfície. Eles recebem esse nome devido aos materiais de construção; são construídos em camadas alternadas de pasta de metal e pó cerâmico, que são então assados para solidificar o material cerâmico. Como são componentes não polarizados, podem ser usados em circuitos AC e DC e vêm com uma gama de valores de capacitância que os tornam ideais para uso em circuitos de acoplamento, desacoplamento e filtragem.

A classificação máxima de tensão do capacitor é nominalmente alta, o que é uma grande vantagem. Quando sua tensão nominal é excedida por uma pequena margem, sua capacitância diminui sem qualquer falha importante. Se exposto a uma tensão muito além do máximo nominal, a tendência é que o material cerâmico se degrade, levando a um curto-circuito entre as placas metálicas. Supondo que a proteção contra sobrecorrente esteja em vigor, esse modo de falha será relativamente benigno. No entanto, um projetista precisa selecionar uma derivação de tensão apropriada para o capacitor cerâmico para garantir que essa falha não ocorra durante a operação, de modo que a vida útil de um novo design seja mantida.

Importância da Derivação de Tensão em Capacitores Cerâmicos

Uma consideração importante que precisa ser levada em conta é que o valor da capacitância de um capacitor cerâmico será reduzido à medida que a tensão através do componente se aproxima da classificação máxima de tensão do capacitor cerâmico. Em alguns componentes, essa redução pode afetar significativamente a operação do circuito. Esse efeito é fortemente influenciado pelo tamanho físico do componente. Um capacitor cerâmico SMD 1206 perderá a capacitância nominal muito mais lentamente do que um capacitor cerâmico SMD 0603 dos mesmos valores nominais. Esse efeito também é mais proeminente em componentes com uma alta constante dielétrica, como dispositivos com características dielétricas do tipo Classe II (por exemplo, B/X5R e R/X7R). Esse efeito pode ser problemático quando existe uma tensão de polarização DC através de capacitores cerâmicos em circuitos de processamento de sinal.

A tensão de polarização pode reduzir significativamente a capacitância total, afetando as características operacionais do circuito base. A tensão de sinal superposta em cima da tensão de polarização pode exacerbar ou aliviar essa mudança, dependendo de sua polaridade, causando uma mudança na capacitância proporcional à tensão de sinal. O efeito consolidado é um desempenho não linear devido às mudanças na capacitância. Este problema pode ser resolvido garantindo que a tensão máxima do capacitor, calculada a partir da tensão de pico do sinal e da tensão de polarização DC, permaneça dentro da região das características de capacitância do componente, onde a mudança na capacitância é mínima. Isso pode exigir a seleção cuidadosa de um componente com características dielétricas que atendam aos requisitos do projetista.

Outra influência na derivação de capacitores cerâmicos é a exposição a transientes rápidos dentro do limite de tensão nominal. Embora as tensões permaneçam dentro dos limites, a taxa de mudança da tensão pode degradar os materiais cerâmicos ao longo do tempo, reduzindo a vida útil do componente e aumentando a probabilidade de falha.

Qual Derivação de Capacitor Cerâmico Você Deve Usar?

Existe uma regra geral de que a regra de classificação de tensão de capacitores cerâmicos deve ser subestimada em pelo menos 25% como padrão, mas em ambientes onde eles serão expostos a efeitos de ondulação de tensão, isso deve ser aumentado para pelo menos 50%. A tensão máxima classificada para o componente deve ser pelo menos o dobro da tensão máxima do capacitor que pode ser aplicada ao componente em operações normais.

Um cálculo mais preciso pode vir ao observar a relação entre a tensão de ruptura e a tensão classificada máxima. Tipicamente, os fabricantes calculam a tensão classificada máxima adicionando uma margem baseada na experiência e no julgamento à tensão de ruptura. A tensão de ruptura é determinada pelas características dos materiais usados na construção dos capacitores cerâmicos e pela presença de defeitos nos materiais. Quanto maior a qualidade do processo de fabricação, maior será a tensão de ruptura – limitada pelos materiais utilizados. Curiosamente, quanto maior o valor da capacitância, menor o efeito que qualquer defeito de fabricação terá sobre a tensão de ruptura.

As propriedades do material isolante à base de cerâmica dominam os cálculos; estudos mostraram que os elementos metálicos têm pouca influência nos resultados. A tensão de ruptura é geralmente determinada pelos processos de polarização dentro do dielétrico, em vez de qualquer ruptura elétrica. Os fabricantes determinam a tensão de ruptura identificando a região dentro das características operacionais dos componentes. As qualidades dependentes da tensão permanecem dentro dos limites necessários do dispositivo, e sua confiabilidade prevista cai dentro do intervalo especificado. Qualquer desclassificação aplicada pelo projetista será então adicional ao fator de desclassificação do fabricante, usado para calcular a classificação máxima de tensão do capacitor de cerâmica a partir da tensão de ruptura.

Uma coisa a ter em mente é que a superdesclassificação de um componente pode, à primeira vista, parecer ser a política mais segura, mas isso resultará na seleção de componentes fisicamente maiores ou muito mais caros. O espaço extra na placa necessário pode não ser viável ou pode causar outros desafios com o layout e o roteamento da placa. Componentes maiores também carregam um risco aumentado de fratura dentro do componente em um ambiente onde possam estar presentes vibrações mecânicas. Como em todas as decisões de design, algumas consequências precisam ser pensadas cuidadosamente.

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