Bij het bouwen van meerlaagse keramische condensatoren (MLCC's) kiezen elektrotechnici vaak twee soorten diëlektrica, afhankelijk van de toepassing: klasse 1, diëlektrica van niet-ferro-elektrische materialen zoals C0G/NP0, en klasse 2, diëlektrica van ferro-elektrische materialen zoals X5R en X7R.Het belangrijkste verschil tussen beide is of de condensator bij toenemende spanning en temperatuur nog steeds een goede stabiliteit heeft.Voor diëlektrica van klasse 1 blijft de capaciteit stabiel wanneer een gelijkspanning wordt aangelegd en de bedrijfstemperatuur stijgt;Klasse 2-diëlektrica hebben een hoge diëlektrische constante (K), maar de capaciteit is minder stabiel onder veranderingen in temperatuur, spanning, frequentie en in de loop van de tijd.
Hoewel de capaciteit kan worden vergroot door verschillende ontwerpwijzigingen, zoals het veranderen van het oppervlak van de elektrodelagen, het aantal lagen, de K-waarde of de afstand tussen de twee elektrodelagen, zal de capaciteit van Klasse 2-diëlektrica uiteindelijk scherp dalen wanneer er wordt een gelijkspanning aangelegd.Dit komt door de aanwezigheid van een fenomeen genaamd DC bias, dat ervoor zorgt dat de ferro-elektrische formuleringen van klasse 2 uiteindelijk een daling van de diëlektrische constante ervaren wanneer een gelijkspanning wordt aangelegd.
Voor hogere K-waarden van diëlektrische materialen kan het effect van DC-voorspanning zelfs nog ernstiger zijn, waarbij condensatoren mogelijk tot 90% of meer van hun capaciteit verliezen, zoals weergegeven in het diagram.
De diëlektrische sterkte van een materiaal, dat wil zeggen de spanning die een gegeven materiaaldikte kan weerstaan, kan ook het effect van DC-voorspanning op een condensator veranderen.In de VS wordt de diëlektrische sterkte gewoonlijk gemeten in volt/mil (1 mil is gelijk aan 0,001 inch), elders wordt deze gemeten in volt/micron, en wordt deze bepaald door de dikte van de diëlektrische laag.Als gevolg hiervan kunnen verschillende condensatoren met dezelfde capaciteit en spanning aanzienlijk verschillend presteren vanwege hun verschillende interne structuren.
Het is vermeldenswaard dat wanneer de aangelegde spanning groter is dan de diëlektrische sterkte van het materiaal, er vonken door het materiaal zullen gaan, wat kan leiden tot een potentieel risico op ontbranding of een kleinschalige explosie.
Praktische voorbeelden van hoe DC-bias wordt gegenereerd
Als we de verandering in capaciteit als gevolg van de bedrijfsspanning beschouwen in combinatie met de verandering in temperatuur, dan ontdekken we dat het capaciteitsverlies van de condensator groter zal zijn bij de specifieke toepassingstemperatuur en gelijkspanning.Neem bijvoorbeeld een MLCC gemaakt van X7R met een capaciteit van 0,1 µF, een nominale spanning van 200 VDC, een aantal interne lagen van 35 en een dikte van 1,8 mils (0,0018 inch of 45,72 micron). Dit betekent dat bij werking op 200 VDC het diëlektrische vermogen laag ervaart slechts 111 volt/mil of 4,4 volt/micron.Als ruwe berekening zou de VC -15% zijn.Als de temperatuurcoëfficiënt van het diëlektricum ±15%ΔC is en de VC -15%ΔC is, dan is de maximale TVC +15% – 30%ΔC.
De reden voor deze variatie ligt in de kristalstructuur van het gebruikte klasse 2-materiaal – in dit geval bariumtitanaat (BaTiO3).Dit materiaal heeft een kubieke kristalstructuur wanneer de Curietemperatuur of hoger wordt bereikt.Wanneer de temperatuur echter terugkeert naar de omgevingstemperatuur, treedt polarisatie op omdat de verlaging van de temperatuur ervoor zorgt dat het materiaal van structuur verandert.Polarisatie vindt plaats zonder enig extern elektrisch veld of druk en dit staat bekend als spontane polarisatie of ferro-elektriciteit.Wanneer er bij omgevingstemperatuur een gelijkspanning op het materiaal wordt aangelegd, is de spontane polarisatie gekoppeld aan de richting van het elektrische veld van de gelijkspanning en vindt er een omkering van de spontane polarisatie plaats, wat resulteert in een vermindering van de capaciteit.
Tegenwoordig neemt de capaciteit van Klasse 2-diëlektrica, zelfs met de verschillende ontwerptools die beschikbaar zijn om de capaciteit te vergroten, nog steeds aanzienlijk af wanneer een gelijkspanning wordt aangelegd vanwege de aanwezigheid van het DC-voorspanningsfenomeen.Om de betrouwbaarheid van uw toepassing op lange termijn te garanderen, moet u daarom bij het selecteren van een MLCC rekening houden met het effect van DC-voorspanning op de component, naast de nominale capaciteit van de MLCC.
Zhejiang NeoDen Technology Co., LTD., opgericht in 2010, is een professionele fabrikant gespecialiseerd in SMT pick-and-place-machine, reflow-oven, stencildrukmachine, SMT-productielijn en andere SMT-producten.We hebben ons eigen R & D-team en een eigen fabriek, profiteren van onze eigen rijke, ervaren R & D, goed opgeleide productie en hebben een geweldige reputatie verworven bij klanten over de hele wereld.
Wij geloven dat geweldige mensen en partners NeoDen tot een geweldig bedrijf maken en dat onze toewijding aan innovatie, diversiteit en duurzaamheid ervoor zorgt dat SMT-automatisering overal toegankelijk is voor elke hobbyist.
Posttijd: 05 mei 2023