Alterando a capacitância de capacitores de cerâmica de temperatura e tensão, ou como o seu capacitor de 4,7 μF se transforma em 0,33 μF

Introdução: Fiquei intrigado.

Alguns anos atrás, depois de mais de 25 anos trabalhando com essas coisas, aprendi algo novo sobre capacitores de cerâmica. Enquanto trabalhava no driver da lâmpada LED, descobri que a constante de tempo da corrente RC no meu circuito não se parece muito com a calculada.

Supondo que os componentes errados foram soldados à placa, medi a resistência dos dois resistores que compõem o divisor de tensão - eles eram muito precisos. Então o capacitor foi soldado - também foi magnífico. Só para ter certeza, peguei novos resistores e um capacitor, os medi e os soldei de volta. Depois disso, liguei o circuito, verifiquei os principais indicadores e esperava ver que meu problema com a corrente RC estava resolvido ... Se apenas.

Testei o circuito em seu ambiente natural: no invólucro, que por sua vez era revestido por si só para simular o invólucro de uma lâmpada do teto. A temperatura dos componentes em alguns locais atingiu mais de 100ºC. Para ter certeza, e para refrescar minha memória, reli a folha de dados dos capacitores usados. Assim começou a repensar os capacitores de cerâmica.

Informações de referência sobre os principais tipos de capacitores de cerâmica.

Para aqueles que não se lembram disso (como quase todo mundo), a tabela 1 mostra a rotulagem dos principais tipos de capacitores e seu significado. Esta tabela descreve os capacitores da segunda e terceira classe . Sem entrar em detalhes, os capacitores de primeira classe geralmente são fabricados em um dielétrico como C0G (NP0).

Tabela 1.

Temperatura operacional mais baixa				(.)
	(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

Do exposto acima, na maioria das vezes, encontrei capacitores como X5R, X7R e Y5V. Eu nunca usei capacitores como o Y5V devido à sua sensibilidade extremamente alta a influências externas.

Quando um fabricante de capacitores desenvolve um novo produto, ele seleciona o dielétrico para que a capacitância do capacitor não mude mais do que certos limites em uma determinada faixa de temperatura. Os capacitores X7R que eu uso não devem alterar sua capacidade em mais de ± 15% (terceiro caractere) quando a temperatura mudar de -55ºC (primeiro caractere) para + 125ºC (segundo caractere). Então, ou eu tenho um jogo ruim, ou algo mais acontece no meu esquema.

Nem todos os X7Rs são criados da mesma forma.

Como a mudança na constante de tempo da minha cadeia RC foi muito maior do que poderia ser explicada pelo coeficiente de temperatura da capacidade, tive que me aprofundar mais. Observando o quanto a capacitância do meu capacitor se afastava da tensão aplicada a ele, fiquei muito surpreso. O resultado foi muito longe do valor nominal que foi soldado. Peguei um capacitor de 16V para trabalhar em um circuito de 12V. Datashit disse que meus microfarads 4.7 se convertem em 1,5 microfarads nessas condições. Isso explicou o meu problema.

Datashit também disse que, se você aumentar apenas o tamanho de 0805 para 1206, a capacitância resultante nas mesmas condições já será de 3,4 microfarads! Este momento exigiu um olhar mais atento.

Eu descobri que os sites Murata® e TDK® têm ferramentas legais para plotar a capacitância do capacitor versus várias condições. Passei capacitores de cerâmica de 4.7 micro-radares por eles para diferentes tamanhos e tensões nominais. Na Figura 1 mostra gráficos construídos Murata. Os capacitores X5R e X7R foram medidos em tamanhos de 0603 a 1812 para tensão de 6,3 a 25V.

Figura 1. A alteração na capacitância, dependendo da tensão aplicada para os capacitores selecionados.


Observe que, em primeiro lugar, com um aumento no tamanho, a alteração na capacidade diminui dependendo da tensão aplicada e vice-versa.

O segundo ponto interessante é que, diferentemente do tipo de dielétrico e tamanho, a tensão nominal parece não afetar nada. Eu esperaria que um capacitor de 25V a uma tensão de 12V alterasse sua capacidade inferior a um capacitor de 16V na mesma tensão. Observando o gráfico do X5R do tamanho de quadro 1206, vemos que o capacitor de 6,3V se comporta melhor do que seus parentes em uma tensão nominal mais alta.

Se usarmos uma gama maior de capacitores, veremos que esse comportamento é característico de todos os capacitores de cerâmica como um todo.

A terceira observação é que o X7R com o mesmo tamanho tem menos sensibilidade às mudanças de tensão que o X5R. Não sei quão universal é essa regra, mas no meu caso é.

Usando os dados dos gráficos, fazemostabela 2 , mostrando quanto a capacitância dos capacitores X7R diminui em 12V.

Tabela 2. Reduzindo a capacitância de capacitores X7R de tamanhos diferentes a uma tensão de 12V.

Tamanho	Capacitância, microfarad	% do valor nominal
0805	1,53	32,6
1206	3,43	73,0
1210	4.16	88,5
1812	4,18	88,9
Valor de face	4.7	100

Vemos uma melhoria constante na situação, à medida que o tamanho do case aumenta até atingirmos o tamanho 1210. Um aumento adicional no case não faz mais sentido.

No meu caso, escolhi o menor tamanho possível de componente, pois esse parâmetro era crítico para o meu projeto. Na minha ignorância, eu acreditava que qualquer capacitor X7R funcionaria tão bem quanto outro com o mesmo dielétrico - e estava errado. Para que a corrente RC funcionasse corretamente, tive que usar um capacitor da mesma classificação, mas em um caso maior.

Escolhendo o capacitor certo

Eu realmente não queria usar um capacitor do tamanho 1210. Felizmente, tive a oportunidade de aumentar a resistência dos resistores em cinco vezes, enquanto reduzia a capacitância para 1 μF. Os gráficos da Figura 2 mostram o comportamento de vários capacitores X7R de 1 μF a 16V, em comparação com seus equivalentes X7R 4,7 μF a 16V.

Figura 2. O comportamento de vários capacitores em 1uF e 4.7uF.


O capacitor 0603 1uF se comporta da mesma forma que 0805 4.7uF. Em conjunto, 0805 e 1206 por 1 microfarad se sentem melhor do que 4,7 microfarads do tamanho de quadro 1210. Usando um capacitor de 1 microfarad no pacote 0805, eu pude manter os requisitos para o tamanho dos componentes, ao mesmo tempo em que recebi 85% da capacitância inicial e não 30%, como foi mais cedo.

Mas isso não é tudo. Fiquei bastante confuso, pois pensei que todos os capacitores X7Rdeve ter coeficientes semelhantes para alterar a capacitância da tensão, uma vez que todos são feitos no mesmo dielétrico - ou seja, X7R. Entrei em contato com um colega - especialista em capacitores de cerâmica ¹ . Ele explicou que existem muitos materiais que se qualificam como "X7R". De fato, qualquer material que permita que o componente funcione na faixa de temperatura de -55ºC a + 125ºC com uma alteração nas características de não mais que ± 15% pode ser chamado de "X7R". Ele também disse que não há especificações para o coeficiente de mudança de capacitância da tensão para o X7R ou qualquer outro tipo.

Este é um ponto muito importante, e vou repetir. O fabricante pode chamar o capacitor X7R (ou X5R, ou qualquer outra coisa), desde que atenda às tolerâncias para o coeficiente de temperatura da capacidade. Independentemente de quão ruim é o seu coeficiente de tensão.

Para um engenheiro de desenvolvimento, esse fato apenas atualiza a velha piada - "qualquer engenheiro experiente sabe: leia a ficha de dados!"

Os fabricantes estão lançando componentes cada vez menores e são forçados a buscar materiais comprometidos. Para fornecer os indicadores dimensionais capacitivos necessários, eles precisam degradar os coeficientes de tensão. Obviamente, fabricantes mais respeitáveis ​​estão fazendo todo o possível para minimizar os efeitos adversos desse compromisso.

E o tipo Y5V que eu deixei cair imediatamente? Para uma verificação na cabeça, vejamos um capacitor Y5V convencional. Não destacarei nenhum fabricante específico desses capacitores - todos são iguais. Selecionamos 4,7 microfarads por 6,3V no pacote 0603 e analisamos seus parâmetros a uma temperatura de + 85ºC e uma voltagem de 5V. A capacidade típica é 92,3% menor que a nominal, ou 0,33uF. Isso é verdade. Ao conectar 5V a esse capacitor, obtemos uma queda na capacitância de 14 vezes em relação à nominal.

A uma temperatura de + 85ºC e uma tensão de 0V, a capacitância diminui em 68,14%, de 4,7 μF para 1,5 μF. Pode-se supor que, aplicando 5V, obtemos uma diminuição adicional na capacitância - de 0,33 μF para 0,11 μF. Felizmente, esses efeitos não são combinados. Uma diminuição na capacitância em 5V à temperatura ambiente é muito pior do que em + 85ºC.

Para maior clareza, neste caso, a uma tensão de 0 V, a capacitância cai de 4,7 μF para 1,5 μF a + 85ºC, enquanto a uma tensão de 5 V, a capacitância aumenta de 0,33 μF em temperatura ambiente, para 0,39 μF a + 85 ° C. Isso deve convencê-lo a verificar cuidadosamente todas as especificações dos componentes que você usa.

Conclusão

Como resultado desta lição, deixei de indicar simplesmente os tipos X7R ou X5R para colegas ou fornecedores. Em vez disso, indico lotes específicos de fornecedores específicos que eu mesmo testei. Também aconselho os clientes a verificarem as especificações ao considerar fornecedores alternativos de produção para garantir que eles não tenham esses problemas.

A principal conclusão de toda essa história, como você provavelmente adivinhou, é: “leia as folhas de dados!”. É sempre. Sem exceções. Solicite mais dados se a folha de dados não contiver informações suficientes. Lembre-se de que as designações de capacitores de cerâmica são X7V, Y5V, etc. não dizem absolutamente nada sobre seus coeficientes de tensão. Os engenheiros devem verificar novamente os dados para saber, para realmente saber como os capacitores usados ​​se comportarão em condições reais. Em geral, lembre-se, em nossa corrida louca por dimensões cada vez menores, isso está se tornando um momento cada vez mais importante todos os dias.

Sobre o autor

Mark Fortunato passou a maior parte de sua vida tentando fazer com que esses elétrons desagradáveis ​​estivessem no lugar certo, na hora certa. Ele trabalhou em várias coisas - desde sistemas de reconhecimento de fala e equipamentos de microondas até lâmpadas LED (aquelas que são reguladas corretamente, lembre-se!). Ele passou os últimos 16 anos ajudando os clientes a domar seus circuitos analógicos. O Sr. Fortunato é agora um especialista líder na Maxim Integrated Communications and Automotive Solutions. Quando ele não pasta elétrons, Mark adora treinar jovens, ler jornalismo, assistir seu filho mais novo tocar lacrosse e o filho mais velho tocar música. Em geral, ele procura viver em harmonia. Mark lamenta muito que ele não se encontre mais com Jim Williams ou Bob Pease.

Notas de rodapé

¹ O autor gostaria de agradecer a Chris Burkett, engenheiro de aplicação da TDK por sua explicação sobre "o que diabos está acontecendo aqui".

Murata é uma marca registrada da Murata Manufacturing Co., Ltd.

TDK é uma marca de serviço e marca registrada da TDK Corporation.

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PS A pedido dos trabalhadores - uma foto comparativa de capacitores de vários tamanhos. Passo de malha de 5 mm.

Source: https://habr.com/ru/post/pt384833/