Quando costruiscono condensatori ceramici multistrato (MLCC), gli ingegneri elettrici spesso scelgono due tipi di dielettrici a seconda dell'applicazione: Classe 1, dielettrici in materiali non ferroelettrici come C0G/NP0, e Classe 2, dielettrici in materiali ferroelettrici come X5R e X7R.La differenza fondamentale tra loro è se il condensatore, con l'aumento della tensione e della temperatura, mantiene ancora una buona stabilità.Per i dielettrici di Classe 1, la capacità rimane stabile quando viene applicata una tensione continua e la temperatura operativa aumenta;I dielettrici di classe 2 hanno un'elevata costante dielettrica (K), ma la capacità è meno stabile alle variazioni di temperatura, tensione, frequenza e nel tempo.
Sebbene la capacità possa essere aumentata mediante varie modifiche progettuali, come la modifica dell'area superficiale degli strati dell'elettrodo, del numero di strati, del valore K o della distanza tra i due strati dell'elettrodo, la capacità dei dielettrici di Classe 2 alla fine diminuirà drasticamente quando viene applicata una tensione continua.Ciò è dovuto alla presenza di un fenomeno chiamato polarizzazione CC, che fa sì che le formulazioni ferroelettriche di Classe 2 subiscano un calo della costante dielettrica quando viene applicata una tensione CC.
Per valori K più elevati dei materiali dielettrici, l'effetto della polarizzazione CC può essere ancora più grave, con i condensatori che perdono potenzialmente fino al 90% o più della loro capacità, come mostrato nel diagramma.
Anche la rigidità dielettrica di un materiale, ovvero la tensione che un dato spessore di materiale può sopportare, può modificare l'effetto della polarizzazione CC su un condensatore.Negli Stati Uniti, la rigidità dielettrica viene solitamente misurata in volt/mil (1 mil equivale a 0,001 pollici), altrove viene misurata in volt/micron ed è determinata dallo spessore dello strato dielettrico.Di conseguenza, condensatori diversi con la stessa capacità e tensione nominale possono funzionare in modo significativamente diverso a causa delle loro diverse strutture interne.
Vale la pena notare che quando la tensione applicata è maggiore della rigidità dielettrica del materiale, le scintille passeranno attraverso il materiale, provocando un potenziale rischio di accensione o esplosione su piccola scala.
Esempi pratici di come viene generata la polarizzazione DC
Se consideriamo la variazione di capacità dovuta alla tensione operativa insieme alla variazione di temperatura, scopriamo che la perdita di capacità del condensatore sarà maggiore alla temperatura di applicazione specifica e alla tensione CC.Prendiamo ad esempio un MLCC realizzato in X7R con una capacità di 0,1 µF, una tensione nominale di 200 V CC, un numero di strati interni di 35 e uno spessore di 1,8 mils (0,0018 pollici o 45,72 micron), ciò significa che quando si opera a 200 V CC il dielettrico lo strato sperimenta solo 111 volt/mil o 4,4 volt/micron.Facendo un calcolo approssimativo, il VC sarebbe -15%.Se il coefficiente di temperatura del dielettrico è ±15%ΔC e il VC è -15%ΔC, il TVC massimo è +15% – 30%ΔC.
Il motivo di questa variazione risiede nella struttura cristallina del materiale di classe 2 utilizzato, in questo caso titanato di bario (BaTiO3).Questo materiale ha una struttura cristallina cubica quando la temperatura di Curie viene raggiunta o superiore.Tuttavia, quando la temperatura ritorna alla temperatura ambiente, si verifica la polarizzazione poiché l'abbassamento della temperatura fa sì che il materiale cambi la sua struttura.La polarizzazione avviene senza alcun campo elettrico o pressione esterna e questa è nota come polarizzazione spontanea o ferroelettricità.Quando una tensione continua viene applicata al materiale a temperatura ambiente, la polarizzazione spontanea è legata alla direzione del campo elettrico della tensione continua e si verifica un'inversione della polarizzazione spontanea, con conseguente riduzione della capacità.
Al giorno d'oggi, anche con i vari strumenti di progettazione disponibili per aumentare la capacità, la capacità dei dielettrici di Classe 2 diminuisce ancora in modo significativo quando viene applicata una tensione CC a causa della presenza del fenomeno della polarizzazione CC.Pertanto, per garantire l'affidabilità a lungo termine della propria applicazione, è necessario tenere conto dell'effetto della polarizzazione CC sul componente oltre alla capacità nominale dell'MLCC quando si seleziona un MLCC.
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Orario di pubblicazione: 05-maggio-2023