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Pérdida de capacidad por la DC bias en condensadores MLCC

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Pérdida de capacidad por la DC bias en condensadores MLCC

Artículo sobre la pérdida de capacidad por la DC bias en condensadores MLCC chip, escrito por Jürgen Geier, Field Application Engineer Capacitors, Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH.

Gracias a su continua evolución, los MLCC están siendo empleados en un creciente número de aplicaciones. Sin embargo, hay una cosa que se suele olvidar en los diseños: el comportamiento DC bias (variación en continua) que influye en la capacidad de los condensadores cerámicos de clase 2. Esto se puede traducir en una capacidad que supera el rango de tolerancia de la aplicación por razones aparentemente inexplicables y, posiblemente, causa problemas técnicos. No obstante, hay medios para contrarrestar este fenómeno.

Los condensadores chip cerámicos multicapa (MLCC) son unos de los tipos de condensadores cerámicos más usados en la actualidad. Y no sin razón, han sido optimizados significativamente en lo que se refiere a sus máximos valores C nominales y a los valores de resistencia serie equivalente (ESR) cada vez menores. Pero esto va acompañado por mayores variaciones, especialmente en tensión DC, temperatura y tiempo (Fig. 1).

Así, estos condensadores cerámicos de clase 2 ahora han alcanzado capacidades tan altas que reiteradamente llevan a errores de cálculo de su actual capacidad durante la operación. No se suele conocer cómo se comportan los componentes en la aplicación real y por qué varían tanto en cuanto se les aplica la tensión. Un parámetro eléctrico importante y responsable de esto es el DC bias.

Debido al titanato de bario del material base ferromagnético de los condensadores cerámicos de tipo 2, el valor C varía en función de la temperatura y la tensión DC y AC, así como del envejecimiento de los componentes. (Fuente: Murata)
Debido al titanato de bario del material base ferromagnético de los condensadores cerámicos de tipo 2, el valor C varía en función de la temperatura y la tensión DC y AC, así como del envejecimiento de los componentes. (Fuente: Murata)

Efecto DC bias

El efecto DC bias se puede demostrar de la mejor forma posible en el laboratorio. TDK usó un condensador 3216 X7R de 1 µF con una tensión nominal de 25 V para las pruebas y lo conectó a un medidor LCR, exhibiendo 1 µF a 0 V. Si se aplicaba 25 V, se podía detectar una pérdida de capacidad de más del 40% en comparación con los valores de capacidad nominal.

La razón de esto reside en la estructura actual de los condensadores cerámicos: su material dieléctrico se obtiene del titanato de bario, un material ferromagnético cuyas moléculas se adhieren a la estructura bario2+, oxígeno2-, titanio4+. En este caso, el titanio se encuentra en medio de los otros compuestos. La estructura molecular tiene una estructura cristalina cúbica por encima de la temperatura de Curie (aproximadamente +125 °C) y se convierte en una estructura cristalina tetragonal por debajo de esa temperatura de Curie. Esto genera una polaridad conocida como dipolo, donde un lado del eje es más positivo y el otro es más negativo.

Sin la aplicación de una tensión DC, no hay campo eléctrico y los dipolos se ordenan de forma aleatoria en toda la estructura cristalina (polarización espontánea). Mientras tanto, la constante dieléctrica es alta, lo que también se traduce en elevada capacidad.

El valor C cambia a consecuencia de la tensión DC (Fuente: Murata)
El valor C cambia a consecuencia de la tensión DC (Fuente: Murata)

Si ahora se aplica una tensión DC baja, el campo eléctrico tiene influencia en alguno de los dipolos como consecuencia de la polarización. Los dipolos comienzan a alinearse en paralelo al campo eléctrico, lo que reduce la capacidad.

Si se aplica una tensión DC superior, varios dipolos se alinean paralelos al campo magnético y la capacidad disminuye sin cesar.

Y cuando se aplica la tensión nominal al condensador, el nivel de capacidad puede caer hasta un 50 por ciento o más desde el nivel de capacidad nominal (Fig. 2).

El efecto de DC bias en la pérdida de capacidad de los condensadores cerámicos de clase 2 no se puede evitar. Sin embargo, hay formas de hacerle frente.

Mejorando los diseños de circuitos para evitar la pérdida de capacidad

La comparación de varias curvas de DC bias de condensadores de clase 2 muestra que existen alternativas a la hora de reducir el efecto en la aplicación:

Con un condensador que se caracteriza por 1 nF y una tensión nominal de 16 V, la capacidad disminuye casi un 9 por ciento a 10 V y un 2 por ciento a 16 V. Esto podría ser inasumible en algunos diseños. Con el mismo condensador con una tensión nominal de 25 V, la capacidad a 10 V sólo baja un 2 por ciento.

Esto se debe a que las capas dieléctricas en los condensadores cerámicos son más gruesas con tensiones nominales superiores. Un dieléctrico con mayor espesor implica un campo eléctrico más débil que afecta menos a los dipolos.

El cambio de capacidad para un condensador de 470 pF con el mismo tamaño de encapsulado a 10 V sólo es del 0,6 por ciento. Si el diseño permite la conexión en paralelo de dos de estos condensadores, supondría una posible solución para el efecto de DC bias, porque los valores de capacidad inferiores permiten capas dieléctricas más gruesas.

En ocasiones, los condensadores con el mismo valor de capacidad también se encuentran disponibles en un encapsulado de mayor tamaño. Suelen tener capas dieléctricas más gruesas y, por lo tanto, ofrecen un mejor comportamiento de DC bias.

Ejemplo práctico: DC bias no calculado

Datos de las características del 0805 con 4,7 µF (Fuente: Samwha)
Datos de las características del 0805 con 4,7 µF (Fuente: Samwha)

Lo que puede ocurrir si no se tiene en cuenta el DC bias en una aplicación se muestra en un ejemplo práctico: un cliente utilizaba un condensador cerámico multicapa X5R de 4.7 µF con formato 0805, 25 V y una tolerancia nominal del 10 por ciento, así como parámetros de medición de 1 kHz a 1 Veff.

Este cliente se quejaba de que el componente era defectuoso, ya que su valor C a 14,5 V estaba alrededor de 1 µF y no se aproximaba a los 1,5 µF de su muestra ‘deseada’. Esto se traducía en una señal de rizado (ripple) a 15 V que, a su vez, provocaba una caída de tensión en el driver IPM de la fuente de alimentación y una conmutación pobre del MOSFET, y finalmente, una sobre corriente en las bobinas del motor.

Se determinó que el fabricante del condensador había utilizado dos mezclas de material diferentes para mantener garantizar el suministro. A 14,5 V, una determinada mezcla daba valores de 1 µF aproximadamente, y la otra, de unos 1,5 µF; en otras palabras, ambas cumplían los datos de las características (Fig. 3 y 4).

Varios materiales base en los MLCC muestran un comportamiento DC bias diferente. (Fuente: Samwha)
Varios materiales base en los MLCC muestran un comportamiento DC bias diferente. (Fuente: Samwha)

El argumento del cliente se basaba en haber tomado la muestra del componente con los valores superiores, sin buscar el motivo de la diferencia o tener en cuenta el diagrama general correspondiente.

El valor límite en la aplicación era de unos 1,25 µF. Al principio, por casualidad, el cliente recibió el componente con menor DC bias. Y cuando recibió aquellas versiones con un DC bias más pronunciado, expresó su malestar con el comportamiento del circuito.

Conclusión sobre la pérdida de capacidad

El ejemplo muestra la importancia, en situaciones de escasez de componentes, de conocer y tener en cuenta los requisitos reales de las funciones individuales en una aplicación y del comportamiento de los MLCC. Resulta esencial tomar nota de lo siguiente: qué tensión se necesita ahora, qué temperatura hay tener en cuenta en la práctica o dónde están los valores límites del valor de capacidad efectiva.

En caso de duda, los desarrolladores deben buscar el asesoramiento del fabricante o del distribuidor del condensador, especialmente si hay desviaciones relativamente claras de los datos de las características y los diagramas, ya que estos no quedan garantizados, a diferencia de los datos de especificación.

En este caso, en particular, se recomienda realizar una revisión por anticipado, usando la curva DC bias del condensador, incluso si la capacidad es aceptable para la actual tensión operativa. Si este no es el caso, la pérdida de capacidad se puede minimizar de tres maneras:

  1. Mediante la conexión en paralelo de dos o más condensadores con un valor de capacidad menor
  2. A través de la selección de un condensador con una tensión nominal superior
  3. Mediante un condensador con un encapsulado de mayor tamaño.

Los tres métodos suelen contar con capas dieléctricas más gruesas que ayudan a reducir drásticamente la pérdida de capacidad por el efecto DC bias. Esto evita problemas técnicos, pérdidas de capacidad y ofrece a los desarrolladores más alternativas en el proceso de selección.

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