Kiss Zoltán - kelet-Európai értékesítési vezető Endrich GmbH.
Kondenzátorok feszültségkarakterisztikája
2014 december 8.
Összefoglalás :
Az elektronikus áramkörökben váratlanul fellépő zajokért gyakorta a többrétegű kerámia kondenzátorok (MLCC) felelnek. Ennek a negatív jelenségnek a leggyakoribb oka a tényleges kapacitásérték függősége a rákapcsolt egyenfeszültségtől (DC Bias). Minél jobban megközelíti a DC feszültség a névleges feszültséget, annál jobban csökken a hatásos kapacitásérték. Ez a jelenség az eszköz ún. feszültség-karakterisztikája, minél kisebb a kapacitásváltozás, annál jobb feszültségkarakterisztikával rendelkezik az alkatrész. Ez a cikk a jelenség okait részletezi.
Kondenzátorok típusok áttekintése
Amikor a tervezőmérnök adott feladatra kondenzátort választ, egy sor tulajdonsággal kell tisztában lennie a megfelelő döntéshez. A maximális névleges feszültség, az alacsony ESR érték, az élettartam, a hőmérséklettartomány mind meghatározó faktorok. Azonban sokszor a leglényegesebb a méret és a költség. A kerámiakondenzátorok a legolcsóbbak, elsősorban leválasztó és bypass kondenzátorként használatosak. Nem polarizált eszközök, és a legalacsonyabb ESR és ESL értékekkel rendelkeznek, emiatt igen népszerűek a tervezők körében. Van azonban olyan negatív tulajdonságuk is, amelyet észben kell tartanunk, ilyen a DC BIAS problematikája.
DC BIAS karakterisztika
A DC bias karakterisztika a kapacitás névleges értéktől való eltérését írja le, amikor a DC feszültség a névleges feszültséghez közelít. Sokféle kerámia alapú dielektrikummal rendelkező kondenzátor (MLCC, monolit, diszk) erősen veszít a hatásos kapacitásából a névleges feszültségen, míg a vezető polimer dielektrikumú alumínium és tantál elektrolit kondenzátorok esetén alig figyelhető meg ez a jelenség.
Az okok a dielektrikum kristály sruktúrájában keresendőek. A nagy permittivítású dielektrikumú monolit kerámia kondenzátorok esetén a kristályszerkezet a hőmérsékletváltozás hatására átalakul, különösen a Curie hőmérséklet (125°C) alatt spontán polarizáció jön létre még külső elektromos tér rákapcsolása nélkül is. Azokat az anyagokat, amelyek spontán elektromos polarizációval rendelkeznek, melynek iránya külső elektromos mező hatására megváltoztatható ferroelektromos anyagoknak nevezzük. A ferroelektromos anyagok a Curie-hőmérsékletük felett elveszítik elektromos polarizációjuk rendezettségét, paraelektromossá válnak. A spontán polarizáció közben a dipólusok többsége az AC feszültséget követve változtatja irányultságát. Amennyiben külső elektromos tér kapcsolódik a dielektrikumra (DC feszültség), a dipólusok egy része ennek irányába áll. Minél nagyobb a feszültség, annál több dipólus záródik le és áll be a mező irányába, így kevesebb szabadon változó dipólus marad. Mivel a kapacitás ezen szabadon polarizálódó dipólusok számával arányos, a feszültség növelésével a hatásos kapacitásérték csökken. Ez a DC BIAS jelenséget leíró mechanizmus.
Ez a negatív jelenség elsősorban a Class2 / 3 ferroelektromos, non lineáris dielektrikumokat jellemzi, mint például az X7R, X5R, X6S, X7S, X7T, Y5v stb.
Az ábrán megfigyelhető, hogy az X7 dielektrikummal rendelkező MLCC esetén a névleges feszültség közelében a hatásos kapacitás kb. 70%-kal esik.
Ez a jelenség nem figyelhető meg a szilárd vezető polimer elektrolit kondenzátorok (PosCap/SP-Cap), a szerves félvezető polimer (Os-Con) és a tantál dielektrikumok esetén sem. Az ábrán látható, hogy az 50V/6.8 uF Panasonic Os-Con a teljes feszültségtartományon tartja a névleges kapacitását.
Ha a fent említett típusba tartozó többrétegű kerámiakondenzátort használunk, a méretezésnél figyelembe kell vennünk ezt a negatív tulajdonságot és az üzemi feszültség fölötti névleges feszültségű eszközt kell beépíteni. Amennyiben ezt a dizájn nem teszi lehetővé, érdemes polimer kondenzátort választani, ezeket nem kell felülméretezni. Mivel a maximális feszültséggel arányos a fizikai méret, ha polimer alapú megoldást választunk jelentős helymegtakarítás is lehetséges.
A Panasonic PosCap, SP-Cap és OS-Con sorozatai, valamint a SUNCON EP-Cap hibrid kondenzátorai mentesek a DC-BIAS problematikájától.
| Megosztás a Facebookon | Megosztás a LinkedIn-en |
Hivatkozások
A cikk megjelent az alábbi helyeken:
| # | Média | Link |
|---|---|---|
| 1 | Elektronet 2014/8 | Elektronet : elektronikai informatikai szakfolyóirat, 2014. (23. évf.) 8. sz. 17. old. |
| 2 | Elektronet online | Kondenzátorok feszültség-karakterisztikája |
| 3 | English version | Voltage characteristic of capacitors |
| 4 | TechStory M2M | Kondenzátorok feszültségkarakterisztikája |