Al construir condensadores cerámicos multicapa (MLCC), los ingenieros eléctricos suelen elegir dos tipos de dieléctricos según la aplicación: Clase 1, dieléctricos de materiales no ferroeléctricos, como C0G/NP0, y Clase 2, dieléctricos de materiales ferroeléctricos, como X5R y X7R.La diferencia clave entre ellos es si el condensador, al aumentar el voltaje y la temperatura, todavía tiene una buena estabilidad.Para los dieléctricos de Clase 1, la capacitancia permanece estable cuando se aplica un voltaje de CC y aumenta la temperatura de funcionamiento;Los dieléctricos de clase 2 tienen una constante dieléctrica alta (K), pero la capacitancia es menos estable ante cambios de temperatura, voltaje, frecuencia y con el tiempo.
Aunque la capacitancia se puede aumentar mediante varios cambios de diseño, como cambiar el área de superficie de las capas de los electrodos, el número de capas, el valor K o la distancia entre las dos capas de los electrodos, la capacitancia de los dieléctricos de Clase 2 eventualmente caerá bruscamente cuando se aplica un voltaje CC.Esto se debe a la presencia de un fenómeno llamado polarización de CC, que hace que las formulaciones ferroeléctricas de Clase 2 eventualmente experimenten una caída en la constante dieléctrica cuando se aplica un voltaje de CC.
Para valores de K más altos de materiales dieléctricos, el efecto de la polarización de CC puede ser aún más grave, y los condensadores pueden perder hasta el 90 % o más de su capacitancia, como se muestra en el diagrama.
La rigidez dieléctrica de un material, es decir, el voltaje que un determinado espesor de material puede soportar, también puede cambiar el efecto de la polarización de CC en un capacitor.En los EE. UU., la rigidez dieléctrica generalmente se mide en voltios/mil (1 mil equivale a 0,001 pulgada), en otros lugares se mide en voltios/micra y está determinada por el espesor de la capa dieléctrica.Como resultado, diferentes capacitores con la misma capacitancia y tensión nominal pueden funcionar de manera significativamente diferente debido a sus diferentes estructuras internas.
Vale la pena señalar que cuando el voltaje aplicado es mayor que la rigidez dieléctrica del material, las chispas atravesarán el material, lo que provocará un posible riesgo de ignición o explosión a pequeña escala.
Ejemplos prácticos de cómo se genera el sesgo DC
Si consideramos el cambio en la capacitancia debido al voltaje de operación junto con el cambio en la temperatura, entonces encontramos que la pérdida de capacitancia del capacitor será mayor a la temperatura de aplicación específica y al voltaje de CC.Tomemos, por ejemplo, un MLCC hecho de X7R con una capacitancia de 0,1 µF, un voltaje nominal de 200 VCC, un recuento de capas internas de 35 y un espesor de 1,8 mils (0,0018 pulgadas o 45,72 micrones), esto significa que cuando se opera a 200 VCC el dieléctrico La capa solo experimenta 111 voltios/mil o 4,4 voltios/micra.Como cálculo aproximado, el VC sería del -15%.Si el coeficiente de temperatura del dieléctrico es ±15%ΔC y el VC es -15%ΔC, entonces el TVC máximo es +15% – 30%ΔC.
La razón de esta variación radica en la estructura cristalina del material de Clase 2 utilizado, en este caso titanato de bario (BaTiO3).Este material tiene una estructura cristalina cúbica cuando se alcanza o supera la temperatura de Curie.Sin embargo, cuando la temperatura vuelve a la temperatura ambiente, se produce la polarización ya que la disminución de la temperatura hace que el material cambie su estructura.La polarización ocurre sin ningún campo eléctrico o presión externa y esto se conoce como polarización espontánea o ferroelectricidad.Cuando se aplica un voltaje de CC al material a temperatura ambiente, la polarización espontánea está vinculada a la dirección del campo eléctrico del voltaje de CC y se produce una inversión de la polarización espontánea, lo que resulta en una reducción de la capacitancia.
Hoy en día, incluso con las diversas herramientas de diseño disponibles para aumentar la capacitancia, la capacitancia de los dieléctricos de Clase 2 aún disminuye significativamente cuando se aplica un voltaje de CC debido a la presencia del fenómeno de polarización de CC.Por lo tanto, para garantizar la confiabilidad a largo plazo de su aplicación, debe tener en cuenta el efecto de la polarización de CC en el componente además de la capacitancia nominal del MLCC al seleccionar un MLCC.
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Hora de publicación: 05-mayo-2023