Konstruując wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC), inżynierowie elektrycy często wybierają dwa typy dielektryka w zależności od zastosowania – klasa 1, dielektryki z materiałów nieferroelektrycznych, takie jak C0G/NP0, i klasy 2, dielektryki z materiałów ferroelektrycznych, takie jak X5R i X7R.Kluczową różnicą między nimi jest to, czy kondensator przy rosnącym napięciu i temperaturze nadal ma dobrą stabilność.W przypadku dielektryków klasy 1 pojemność pozostaje stabilna po przyłożeniu napięcia stałego i wzroście temperatury roboczej;Dielektryki klasy 2 mają wysoką stałą dielektryczną (K), ale pojemność jest mniej stabilna pod wpływem zmian temperatury, napięcia, częstotliwości i czasu.
Chociaż pojemność można zwiększyć poprzez różne zmiany konstrukcyjne, takie jak zmiana pola powierzchni warstw elektrody, liczby warstw, wartości K lub odległości między dwiema warstwami elektrod, pojemność dielektryków klasy 2 ostatecznie gwałtownie spadnie, gdy przykładane jest napięcie stałe.Wynika to z obecności zjawiska zwanego polaryzacją prądu stałego, które powoduje, że w ferroelektrykach klasy 2 ostatecznie następuje spadek stałej dielektrycznej po przyłożeniu napięcia stałego.
W przypadku wyższych wartości K materiałów dielektrycznych wpływ polaryzacji prądu stałego może być jeszcze poważniejszy, a kondensatory mogą potencjalnie stracić do 90% lub więcej swojej pojemności, jak pokazano na schemacie.
Wytrzymałość dielektryczna materiału, tj. napięcie, jakie może wytrzymać materiał o danej grubości, może również zmienić wpływ polaryzacji prądu stałego na kondensator.W USA wytrzymałość dielektryczną mierzy się zwykle w woltach/mil (1 milical to 0,001 cala), gdzie indziej mierzy się ją w woltach/mikron i określa się ją na podstawie grubości warstwy dielektryka.W rezultacie różne kondensatory o tej samej pojemności i napięciu znamionowym mogą działać znacząco odmiennie ze względu na różne struktury wewnętrzne.
Warto zauważyć, że gdy przyłożone napięcie jest większe niż wytrzymałość dielektryczna materiału, przez materiał przechodzą iskry, co prowadzi do potencjalnego ryzyka zapłonu lub eksplozji na małą skalę.
Praktyczne przykłady generowania polaryzacji DC
Jeśli weźmiemy pod uwagę zmianę pojemności spowodowaną napięciem roboczym w połączeniu ze zmianą temperatury, wówczas stwierdzimy, że utrata pojemności kondensatora będzie większa przy określonej temperaturze zastosowania i napięciu prądu stałego.Weźmy na przykład MLCC wykonany z X7R o pojemności 0,1 µF, napięciu znamionowym 200 V prądu stałego, liczbie warstw wewnętrznych 35 i grubości 1,8 milicala (0,0018 cala lub 45,72 mikrona), co oznacza, że podczas pracy przy napięciu 200 V prądu stałego dielektryk warstwa doświadcza jedynie 111 woltów/mil lub 4,4 woltów/mikron.Z przybliżonych obliczeń VC wyniesie -15%.Jeżeli współczynnik temperaturowy dielektryka wynosi ±15%ΔC, a VC wynosi -15%ΔC, wówczas maksymalna wartość TVC wynosi +15% – 30%ΔC.
Przyczyną tej różnicy jest struktura krystaliczna użytego materiału klasy 2 – w tym przypadku tytanianu baru (BaTiO3).Materiał ten ma sześcienną strukturę kryształu po osiągnięciu temperatury Curie lub wyższej.Jednak gdy temperatura powróci do temperatury otoczenia, następuje polaryzacja, gdyż obniżenie temperatury powoduje zmianę struktury materiału.Polaryzacja zachodzi bez zewnętrznego pola elektrycznego ani ciśnienia i jest nazywana polaryzacją spontaniczną lub ferroelektrycznością.Kiedy do materiału w temperaturze otoczenia przyłożone jest napięcie prądu stałego, polaryzacja spontaniczna jest powiązana z kierunkiem pola elektrycznego napięcia prądu stałego i następuje odwrócenie polaryzacji spontanicznej, co powoduje zmniejszenie pojemności.
Obecnie, nawet przy użyciu różnych dostępnych narzędzi projektowych umożliwiających zwiększenie pojemności, pojemność dielektryków klasy 2 w dalszym ciągu znacznie spada po przyłożeniu napięcia stałego ze względu na występowanie zjawiska polaryzacji prądu stałego.Dlatego też, aby zapewnić długoterminową niezawodność aplikacji, przy wyborze MLCC należy wziąć pod uwagę wpływ polaryzacji prądu stałego na komponent, oprócz nominalnej pojemności MLCC.
Zhejiang NeoDen Technology Co., LTD., założona w 2010 roku, jest profesjonalnym producentem specjalizującym się w maszynach typu pick and place SMT, piecach rozpływowych, maszynach do drukowania szablonów, linii produkcyjnej SMT i innych produktach SMT.Posiadamy własny zespół badawczo-rozwojowy i własną fabrykę, korzystając z własnego, bogatego, doświadczonego działu badań i rozwoju, dobrze wyszkolonej produkcji, zdobyliśmy doskonałą reputację wśród klientów na całym świecie.
Wierzymy, że wspaniali ludzie i partnerzy czynią NeoDen wspaniałą firmą, a nasze zaangażowanie w innowacje, różnorodność i zrównoważony rozwój gwarantuje, że automatyzacja SMT będzie dostępna dla każdego hobbysty na całym świecie.
Czas publikacji: 5 maja 2023 r