Az elektronikus áramkörökben váratlanul fellépő zajokért sokszor az alkalmazott többrétegű kerámia szűrő kondenzátorok (MLCC) felelnek. Ennek a negatív jelenségnek a leggyakoribb oka a tényleges kapacitásérték erős függősége a rákapcsolt egyenfeszültségtől (DC Bias). Minél jobban megközelíti a DC feszültség a névleges feszültséget, annál jobban csökken a hatásos kapacitásérték. Ez a jelenség az eszköz ún. feszültségkarakterisztikája, minél kisebb a kapacitásváltozás, annál jobb feszültségkarakterisztikával rendelkezik az alkatrész. Cikkünk a jelenség okait részletezi.
Kondenzátortípusok áttekintése
Amikor a tervezőmérnök adott szűrési feladatra kondenzátort választ, egy sor tulajdonsággal kell tisztában lennie a megfelelő döntéshez. A maximális névleges feszültség, az alacsony ESR érték, az élettartam, a hőmérséklet-tartomány mind meghatározó faktorok. Azonban sokszor a leglényegesebb a méret és a költség.
A kerámiakondenzátorok a legolcsóbbak, elsősorban leválasztó és bypass kondenzátorként használatosak. Nem polarizált eszközök, és a legalacsonyabb ESR és ESL értékekkel rendelkeznek, emiatt igen népszerűek a tervezők körében. Van azonban olyan negatív tulajdonságuk is, amelyet észben kell tartanunk, ilyen a DC Bias problematikája.
DC Bias karakterisztika
A DC Bias karakterisztika a kapacitás névleges értéktől való eltérését írja le, amikor a DC feszültség a névleges feszültséghez közelít. Sokféle kerámia alapú dielektrikummal rendelkező kondenzátor (MLCC, monolit, diszk) erősen veszít a hatásos kapacitásából a névleges feszültségen, míg a vezető polimer dielektrikumú alumínium és tantál elektrolit kondenzátorok esetén alig figyelhető meg ez a jelenség.
Az okok a dielektrikum kristály sruktúrájában keresendőek. A nagy permittivitású dielektrikumú monolit kerámia kondenzátorok esetén a kristályszerkezet a hőmérsékletváltozás hatására átalakul, különösen a Curie hőmérséklet (125ºC) alatt spontán polarizáció jön létre még külső elektromos tér rákapcsolása nélkül is. Azokat az anyagokat, amelyek spontán elektromos polarizációval rendelkeznek, irányuk külső elektromos mező hatására megváltoztatható, ferroelektromos anyagoknak nevezzük.
A ferroelektromos anyagok a Curie-hőmérsékletük felett elveszítik elektromos polarizációjuk rendezettségét, paraelektromossá válnak. A spontán polarizáció közben a dipólusok többsége az AC feszültséget követve változtatja irányultságát. Amennyiben külső elektromos tér kapcsolódik a dielektrikumra (DC feszültség), a dipólusok egy része ennek irányába áll. Minél nagyobb a feszültség, annál több dipólus záródik le és áll be a mező irányába, így kevesebb szabadon változó dipólus marad.
Mivel a kapacitás ezen szabadon polarizálódó dipólusok számával arányos, a feszültség növelésével a hatásos kapacitásérték csökken. Ez a DC Bias jelenséget leíró mechanizmus. Ez a negatív jelenség elsősorban a Class2 / 3 ferroelektromos, non-lineáris dielektrikumokat jellemzi, mint például az X7R, X5R, X6S, X7S, X7T, Y5v stb.
Az ábrán megfigyelhető, hogy az X7 dielektrikummal rendelkező MLCC esetén a névleges feszültség közelében a hatásos kapacitás kb. 70%-al esik. Ez a jelenség nem figyelhető meg a szilárd vezető polimer elektrolit kondenzátorok (tantál-polimer PosCap/SP-Cap), a szerves félvezető polimer (Os-Con) és az MnO2-tantál kondenzátorok (szilárd dielektrikumok) esetén sem. Az ábrán látható, hogy az 50V/6.8 μF Panasonic Os-Con a teljes feszültségtartományon tartja a névleges kapacitását.
Ha a fent említett típusba tartozó többrétegű kerámiakondenzátort használunk, a méretezésnél figyelembe kell vennünk ezt a negatív tulajdonságot és az üzemi feszültség fölötti névleges feszültségű eszközt kell beépíteni. Amennyiben ezt a dizájn nem teszi lehetővé, érdemes polimer vagy hibrid kondenzátort választani, ezeket nem kell felülméretezni. Mivel a maximális feszültséggel arányos a fizikai méret, ha polimer alapú megoldást választunk jelentős helymegtakarítás is lehetséges. A Panasonic PosCap, SP-Cap és OS-Con sorozatai, valamint a SUNCON EP-Cap hibrid kondenzátorai mentesek a DC Bias problematikájától.
