Keramikkondensatoren vs. DC-Bias – Derating-Faustregel irreführend?

Prämisse

Keramikkondensatoren mit Dielektrika der Klasse 2 (wie X5R und X7R) zeigen normalerweise eine Verringerung ihres Kapazitätswerts, wenn die angelegte Vorspannung zunimmt. Dieses Verhalten ist bei Kondensatoren mit höherer Dichte ausgeprägter, die hohe Werte in kleinen Gehäusen aufweisen.

Wie man mit diesem Verhalten umgeht, wurde übrigens in einigen Fragen zur Auswahl der Nennspannung des Teils diskutiert. Natürlich ist es die ultimative Lösung, das Datenblatt zu lesen und den Hersteller zu fragen. Ich denke jedoch, dass die allgemeine Faustregel "Keramikkondensatoren um 50% herabsetzen" irreführend ist und bei diesem Verhalten nicht hilft .

Analyse

Folgendes habe ich beim Spielen mit den Tools der Hersteller Murata und KEMET und in einigen Anwendungshinweisen / Posts gefunden:

  • Das häufigste Verhalten ist, dass die Nennspannung die Kapazitätsänderungskurve überhaupt nicht beeinflusst. Mit anderen Worten, ein keramischer 100nF 0603 verliert bei 10V den gleichen Prozentsatz seines Wertes (z. B. 30%), unabhängig davon, ob er für 25V, 50V oder 100V ausgelegt ist. Siehe diese Anwendungsnotiz von Maxim .Kapazitätsänderung wird nicht von der Nennspannung beeinflusst
  • In anderen Fällen reduziert eine Erhöhung der Nennspannung den prozentualen Verlust (siehe diese Frage ).Voltage Rating reduziert den relativen Kapazitätsverlust
  • In einigen seltenen Fällen habe ich festgestellt, dass 100-V-Kondensatoren mehr verlieren als Äquivalente mit niedrigeren Nennwerten.

Diskussion und Fragen

Zurück zur "Derating-Faustregel": Die Wahl einer "Nennspannung (DC)" von etwa dem doppelten Wert der maximal erwarteten Betriebsspannung ist eine gute Richtlinie, um den Ausfall von Teilen zu reduzieren, scheint aber im Allgemeinen nicht zu helfen, wenn der Kondensator nicht hält auf seinen Nennwert.

Wenn der Kapazitätswert kritisch ist, ist natürlich eine sorgfältige Analyse des Datenblatts der richtige Weg.

  • Wie gehen Sie an eine solche Designentscheidung heran? Erfahrene Designer haben aufgrund ihrer Erfahrung ihre eigene Faustregel: Das interessiert mich!

Was ist mit weniger kritischen Komponenten wie den sehr verbreiteten 100nF (Entkopplung) und 10uF (Bulk) Kondensatoren? Wenn das Paket klein ist, können sie weit unter ihrem Nennwert liegen.

  • Kümmert es dich?
  • Wählen Sie einen höherwertigen Kondensator (mit dem gleichen Gehäuse und möglicherweise einer niedrigeren Nennspannung), der prozentual mehr verliert, aber am Ende einen höheren Kapazitätswert hat?

Antworten (2)

Es gibt viele Gründe, den Wert, die Spannung, die Größe und die Technologie eines Kondensators auszuwählen. Ein Design beginnt mit dem Verständnis der Anforderungen, die Spannung, Leistung, Frequenz, Größenbeschränkungen, Temperaturbereich, Kosten usw. umfassen. Was sind dann die Einschränkungen des Kondensators (oder einer beliebigen Komponente), die in der Spezifikation zu finden sind? Warum nimmt die Kapazität ab? Es ist ein Effekt, der als Spannungskoeffizient der Kapazität bezeichnet wird, und die effektive Kapazität nimmt ab, wenn die Spannung über dem Kondensator zunimmt. MLCCs werden unter Verwendung abwechselnder Schichten aus keramischem Dielektrikum und Metallelektroden aufgebaut. MLCCs der Klasse II werden aus BaTiO3 hergestellt, einem ferroelektrischen Material, das eine kristalline Struktur hat, die Barium-, Titan- und Sauerstoffatome enthält. Bei niedriger Spannung können sich die Ti-Ionen entsprechend dem elektrischen Feld frei bewegen. Wenn die Spannung ansteigt, beginnen sich die Ionen auszurichten und werden weniger frei beweglich, was die effektive Kapazität reduziert. (Filmkappen übrigens zeigen dieses Verhalten nicht.)
Sie müssen also Ihre höchste Arbeitsspannung, sowohl DC als auch AC, berücksichtigen. Berücksichtigen Sie zweitens den oberen Temperaturbereich und die Auswirkung auf die Leckage und wie viel Leckage Ihr Kreislauf aushalten kann. Nachdem ich die erforderliche Spannung ermittelt habe, kann ich weitere 20 % Marge hinzufügen. Kürzlich wurde in meinem Unternehmen eine umfassende Untersuchung über das Reißen von Keramikkondensatoren durchgeführt. Wir haben festgestellt, dass kleinere Kondensatoren weniger wahrscheinlich brechen, aber wie Sie gezeigt haben, haben kleinere Kondensatoren eine höhere Spannungsschwankung. Also musst du dich entscheiden. Für diejenigen, die ein Heimprojekt entwerfen, funktionieren 50 %. Für alle anderen lesen Sie das Datenblatt.

Wenn die Marge billig ist, setzen Sie viel ein. Wenn es eine Sache gab, die ich immer versucht habe, jungen Ingenieuren beizubringen, dann dies. Spannungsreserve auf Keramik kostet normalerweise nicht viel. Ich habe es nie getan, um Kapazitätsschwankungen aufgrund der Vorspannung zu reduzieren.

Jetzt, wo ich in der Luft- und Raumfahrt gearbeitet habe, hat billig auf dem Verbrauchermarkt eine ganz andere Bedeutung.

Keramikkondensatoren vs. DC-Bias – Derating-Faustregel irreführend?
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