Cambiar la capacitancia de los condensadores cerámicos de temperatura y voltaje, o cómo su condensador de 4.7μF se convierte en 0.33μF

Introducción: estaba perplejo.

Hace unos años, después de más de 25 años de trabajar con estas cosas, aprendí algo nuevo sobre los condensadores de cerámica. Mientras trabajaba en el controlador de la lámpara LED, descubrí que la constante de tiempo de la cadena RC en mi circuito no se parece mucho a la calculada.

Suponiendo que se soldaron los componentes incorrectos a la placa, medí la resistencia de las dos resistencias que componen el divisor de voltaje: fueron muy precisos. Luego se soldaba el condensador, también era magnífico. Solo para asegurarme, tomé nuevas resistencias y un condensador, los medí y solde de nuevo. Después de eso, encendí el circuito, verifiqué los indicadores principales y esperé ver que mi problema con la cadena RC estaba resuelto ... Si solo.

Probé el circuito en su entorno natural: en la carcasa, que a su vez estaba envainada para simular la carcasa de una lámpara de techo. La temperatura de los componentes en algunos lugares alcanzó más de 100ºC. Para estar seguro, y para refrescar mi memoria, releí la hoja de datos de los condensadores utilizados. Así comenzó mi replanteamiento de los condensadores de cerámica.

Información de referencia sobre los principales tipos de condensadores cerámicos.

Para aquellos que no recuerdan esto (como casi todos), la tabla 1 muestra el etiquetado de los principales tipos de condensadores y su significado. Esta tabla describe los condensadores de la segunda y tercera clase . Sin profundizar en los detalles, los condensadores de primera clase generalmente se fabrican en un dieléctrico como C0G (NP0).

Tabla 1.

Baja temperatura de funcionamiento				(.)
	(ºC)		(ºC)		(%)
Z	+10	2	+45	A	±1.0
Y	-30	4	+65	B	±1.5
X	-55	5	+85	C	±2.2
–	–	6	+105	D	±3.3
–	–	7	+125	E	±4.7
–	–	8	+150	F	±7.5
–	–	9	+200	P	±10
–	–	–	–	R	±15
–	–	–	–	S	±22
–	–	–	–	T	+22, -33
–	–	–	–	U	+22, -56
–	–	–	–	V	+22, -82

De lo anterior en mi camino de vida, con mayor frecuencia me encontré con condensadores como X5R, X7R e Y5V. Nunca usé condensadores como Y5V debido a su sensibilidad extremadamente alta a las influencias externas.

Cuando un fabricante de condensadores desarrolla un nuevo producto, selecciona el dieléctrico para que la capacitancia del condensador no cambie más que ciertos límites en un cierto rango de temperatura. Los condensadores X7R que uso no deberían cambiar su capacidad en más de ± 15% (tercer carácter) cuando la temperatura cambia de -55ºC (primer carácter) a + 125ºC (segundo carácter). Entonces, o obtuve un mal juego, o algo más sucede en mi esquema.

No todos los X7R se crean de la misma manera.

Como el cambio en la constante de tiempo de mi cadena RC fue mucho mayor de lo que podría explicarse por el coeficiente de capacidad de temperatura, tuve que cavar más profundo. Al observar cuánto se alejó la capacitancia de mi capacitor del voltaje aplicado, me sorprendió mucho. El resultado estuvo muy lejos del valor nominal que fue soldado. Tomé un condensador de 16V para trabajar en un circuito de 12V. Datashit dijo que mis 4.7 microfaradios se convierten en 1.5 microfaradios en tales condiciones. Esto explica mi problema.

Datashit también dijo que si solo aumenta el tamaño de 0805 a 1206, ¡entonces la capacitancia resultante en las mismas condiciones ya será 3.4 microfaradios! Este momento requirió una mirada más cercana.

Descubrí que los sitios Murata® y TDK® tienen herramientas geniales para trazar la capacitancia del capacitor frente a varias condiciones. Corrí 4.7 condensadores de cerámica de microfaradios a través de ellos para diferentes tamaños y tensiones nominales. En la Figura 1 se muestran gráficos construidos de Murata. Los condensadores X5R y X7R se tomaron en tamaños de 0603 a 1812 para un voltaje de 6,3 a 25V.

Figura 1. El cambio en la capacitancia dependiendo del voltaje aplicado para los condensadores seleccionados.


Tenga en cuenta que, en primer lugar, con un aumento de tamaño, el cambio de capacidad disminuye según el voltaje aplicado, y viceversa.

El segundo punto interesante es que, a diferencia del tipo de dieléctrico y tamaño, el voltaje nominal no parece afectar nada. Esperaría que un condensador de 25 V a un voltaje de 12 V cambie su capacidad menos que un condensador de 16 V al mismo voltaje. Mirando el gráfico para el X5R de tamaño de marco 1206, vemos que el capacitor de 6.3V en realidad se comporta mejor que sus parientes a un voltaje nominal más alto.

Si tomamos una gama más amplia de condensadores, veremos que este comportamiento es característico de todos los condensadores cerámicos en su conjunto.

La tercera observación es que el X7R con el mismo tamaño tiene menos sensibilidad a los cambios de voltaje que el X5R. No sé cuán universal es esta regla, pero en mi caso lo es.

Usando los datos de los gráficos, hacemostabla 2 , que muestra cuánto disminuye la capacitancia de los condensadores X7R a 12V.

Tabla 2. Reducción de la capacitancia de condensadores X7R de diferentes tamaños a un voltaje de 12V.

Talla	Capacitancia, microfaradios	% del valor nominal
0805	1,53	32,6
1206	3,43	73,0
1210	4.16	88,5
1812	4.18	88,9
Valor nominal	4.7	100

Vemos una mejora constante en la situación a medida que aumenta el tamaño del caso hasta que alcancemos el tamaño 1210. Un aumento adicional en el caso ya no tiene sentido.

En mi caso, elegí el tamaño de componente más pequeño posible, ya que este parámetro era crítico para mi proyecto. En mi ignorancia, creía que cualquier condensador X7R funcionaría tan bien como otro con el mismo dieléctrico, y estaba equivocado. Para que la cadena RC funcione correctamente, tuve que tomar un condensador de la misma clasificación, pero en un caso más grande.

Elegir el condensador correcto

Realmente no quería usar un condensador de tamaño 1210. Afortunadamente, tuve la oportunidad de aumentar la resistencia de las resistencias en cinco veces, mientras reducía la capacitancia a 1uF. Los gráficos en la Figura 2 muestran el comportamiento de varios condensadores X7R de 1 μF a 16V en comparación con sus contrapartes X7R 4.7 μF a 16V.

Figura 2. El comportamiento de varios condensadores a 1uF y 4.7uF.


El condensador 0603 1uF se comporta igual que 0805 4.7uF. En conjunto, 0805 y 1206 por 1 microfaradio se sienten mejor que 4,7 microfaradios de tamaño de marco 1210. Usando un condensador de 1 microfaradio en el paquete 0805, pude mantener los requisitos para el tamaño de los componentes, mientras que al mismo tiempo recibí el 85% de la capacidad inicial, y no el 30%, como Fue antes.

Pero eso no es todo. Estaba bastante perplejo, porque pensé que todos los condensadores X7Rdeben tener coeficientes similares para cambiar la capacitancia del voltaje, ya que todos se hacen en el mismo dieléctrico, es decir, X7R. Me puse en contacto con un colega, un especialista en condensadores de cerámica ¹ . Explicó que hay muchos materiales que califican como "X7R". De hecho, cualquier material que permita que el componente funcione en el rango de temperatura de -55ºC a + 125ºC con un cambio en las características de no más de ± 15% puede llamarse "X7R". También dijo que no hay especificaciones para el coeficiente de cambio de capacitancia del voltaje para el X7R o cualquier otro tipo.

Este es un punto muy importante, y lo repetiré. El fabricante puede llamar al condensador X7R (o X5R, u otra cosa) siempre que cumpla con las tolerancias para el coeficiente de capacidad de temperatura. Independientemente de cuán malo sea su coeficiente de voltaje.

Para un ingeniero de desarrollo, este hecho solo actualiza el viejo chiste: "cualquier ingeniero experimentado lo sabe: ¡lea la hoja de datos!"

Los fabricantes lanzan componentes cada vez más pequeños y se ven obligados a buscar materiales de compromiso. Para proporcionar los indicadores capacitivos dimensionales necesarios, tienen que degradar los coeficientes de voltaje. Por supuesto, los fabricantes más acreditados están haciendo todo lo posible para minimizar los efectos adversos de este compromiso.

¿Qué pasa con el tipo Y5V que dejé caer inmediatamente? Para una verificación en la cabeza, echemos un vistazo a un condensador convencional Y5V. No destacaré a ningún fabricante específico de estos condensadores, todos son casi iguales. Seleccionamos 4.7 microfaradios por 6.3V en el paquete 0603, y observamos sus parámetros a una temperatura de + 85ºC y un voltaje de 5V. La capacidad típica es 92.3% menor que la nominal, o 0.33uF. Esto es verdad. Al conectar 5V a este condensador, obtenemos una caída de capacitancia de 14 veces en comparación con el nominal.

A una temperatura de + 85ºC y un voltaje de 0V, la capacitancia disminuye en un 68.14%, de 4.7 μF a 1.5 μF. Se puede suponer que al aplicar 5V obtenemos una disminución adicional en la capacitancia, de 0.33 μF a 0.11 μF. Afortunadamente, estos efectos no se combinan. Una disminución en la capacitancia a 5V a temperatura ambiente es mucho peor que a + 85ºC.

Para mayor claridad, en este caso, a un voltaje de 0 V, la capacitancia cae de 4.7 μF a 1.5 μF a + 85ºC, mientras que a un voltaje de 5 V, la capacitancia aumenta de 0.33 μF a temperatura ambiente, a 0.39 μF a + 85 ° C. Esto debería convencerlo de que realmente revise cuidadosamente todas las especificaciones de los componentes que utiliza.

Conclusión

Como resultado de esta lección, ya no indico simplemente los tipos X7R o X5R a colegas o proveedores. En cambio, indico lotes específicos de proveedores específicos que yo mismo he probado. También advierto a los clientes que verifiquen las especificaciones cuando consideren proveedores alternativos para la producción para asegurarse de que no se encuentren con estos problemas.

La conclusión principal de toda esta historia, como probablemente haya adivinado, es: "¡lea las hojas de datos!". Es siempre. Sin excepciones Solicite más datos si la hoja de datos no contiene suficiente información. Recuerde que las designaciones de los condensadores de cerámica son X7V, Y5V, etc. no dice absolutamente nada acerca de sus coeficientes de voltaje. Los ingenieros deben volver a verificar los datos para saber realmente cómo se comportarán los condensadores utilizados en condiciones reales. En general, tenga en cuenta que, en nuestra carrera loca por dimensiones cada vez más pequeñas, este se está convirtiendo en un momento cada vez más importante cada día.

Sobre el Autor

Mark Fortunato pasó la mayor parte de su vida tratando de que estos electrones desagradables estuvieran en el lugar correcto en el momento correcto. Trabajó en varias cosas, desde sistemas de reconocimiento de voz y equipos de microondas, hasta lámparas LED (¡las que están reguladas correctamente, eso sí!). Pasó los últimos 16 años ayudando a los clientes a domesticar sus circuitos analógicos. El Sr. Fortunato es ahora un especialista líder en Maxim Integrated Communications and Automotive Solutions. Cuando no pasta los electrones, a Mark le encanta entrenar a los jóvenes, leer periodismo, ver a su hijo menor tocar lacrosse, y el hijo mayor toca música. En general, busca vivir en armonía. Mark lamenta mucho que ya no se reunirá con Jim Williams o Bob Pease.

Notas al pie

¹ El autor desea agradecer a Chris Burkett, ingeniero de aplicaciones de TDK, por su explicación de "qué demonios está pasando aquí".

Murata es una marca registrada de Murata Manufacturing Co., Ltd.

TDK es una marca de servicio registrada y una marca registrada de TDK Corporation.

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PD A pedido de los trabajadores: una foto comparativa de condensadores de varios tamaños. Paso de malla de 5 mm.

Source: https://habr.com/ru/post/es384833/