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Por décadas, os capacitores de cerâmica multicamada (MLCCs) têm sido a escolha ideal para capacitores montados na superfície devido a suas muitas vantagens, como ampla faixa de capacitância disponível, não polaridade, baixo ESR e baixo custo. A maioria dos projetistas sabe que a capacitância efetiva dos MLCCs de Classe II pode ser reduzida significativamente quando o viés dc é aplicado no capacitor.

No entanto, além do efeito de polarização dc, outros fatores importantes podem afetar a capacitância efetiva dos MLCCs de Classe II. Esses fatores incluem viés ac, frequência do sinal, temperatura e envelhecimento. Este artigo tem como objetivo fornecer uma visão holística desses efeitos e servir como uma introdução a um fenômeno menos conhecido, conhecido como “envelhecimento sob viés dc”.

Vamos começar examinando o efeito de polarização dc, talvez o redutor mais eficiente da capacitância efetiva. Por exemplo, a capacitância efetiva de um MLCC X5R com classificação de 1 µF e 6,3 V pode ser reduzida para 0,36 µF aplicando 3 V dc (47% da tensão nominal). Observe que a condição de sinal padrão para medição de polarização CC é de 500 mVRMS a 1 kHz. Isso mostra uma redução de 64% da capacitância nominal de 1 µF (Figura 1).

1. Neste gráfico, vemos como a capacitância efetiva cai à medida que a tensão de polarização dc aplicada aumenta.

Quando a tensão CC é aplicada, parte do titanato de bário (BaTiO3; o material dielétrico usado pelos dipolos da Classe II MLCC) está bloqueado. Esses dipolos bloqueados não são mais capazes de se mover quando a tensão CA muda, resultando na diminuição da capacitância. O efeito de polarização dc foi bem observado por todos os engenheiros elétricos.

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Agora, se o nível de corrente alternada na condição de medição padrão for reduzido de 500 mVRMS a 10 mVRMS mantendo a mesma frequência de 1 kHz e polarização de 3 Vcc, a capacitância efetiva cairá ainda mais para 0,32 µF, uma redução adicional de 4%. Porém, aumentar a amplitude do sinal CA aumenta a capacitância efetiva (Figura 2), mesmo que apenas em um grau insignificante. Mas observe que isso não é universalmente correto.

2. São mostradas capacitâncias efetivas em diferentes níveis de tensão CA com aplicação de uma tensão de polarização de 3 Vcc.2. São mostradas capacitâncias efetivas em diferentes níveis de tensão CA com aplicação de uma tensão de polarização de 3 Vcc.

Dependência de tensão CA e efeito de polarização DC

O mecanismo da dependência da tensão CA para capacitância efetiva é muito mais complicado do que o efeito de polarização dc. Isto é devido à permissividade não linear do dielétrico (efeito de histerese) entre o campo elétrico aplicado e a densidade do fluxo elétrico. No Figuras 2 e 3, observamos que a capacitância medida aumenta à medida que o sinal CA aumenta, mas observe que a capacitância começa a diminuir à medida que a amplitude do sinal CA atinge um determinado nível.

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3. O nível de tensão CA influencia a capacitância efetiva sem a polarização dc aplicada, como mostrado neste gráfico.3. O nível de tensão CA influencia a capacitância efetiva sem a polarização dc aplicada, como mostrado neste gráfico.

Outro ponto importante é que o nível de polarização CC também afeta o efeito da dependência da tensão CA na capacitância efetiva. Quando a tensão CC aplicada é pequena, o efeito de dependência de tensão CA se torna muito mais proeminente e a capacitância efetiva pode cair até 30% se a amplitude da tensão CA também estiver próxima de nula (Fig. 3, novamente).

Por outro lado, se a queda de capacitância já for superior a 50% devido ao efeito de polarização dc (Fig. 2, novamente), a perda de capacitância devido ao sinal ca se torna muito menor. Consequentemente, dependendo das condições reais do sinal, deve-se ter cuidado ao estimar a capacitância efetiva, levando em consideração os efeitos de polarização dc e dependência de tensão CA.

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TCC e dependência de frequência

Dois outros gráficos que podem ser encontrados em uma folha de dados típica da MLCC são características de temperatura de capacitância (TCC) e características de dependência de frequência. Comparado aos efeitos de polarização dc e dependência de tensão CA, o TCC e os efeitos de dependência de frequência são muito menos pronunciados, contribuindo com menos de 20% da mudança de capacitância na maioria dos casos.

O TCC é regulado pelo tipo dielétrico do MLCC, como X5R, X6S, X7R e assim por diante. Assim, não surpreende que a mudança de capacitância esteja dentro da definição de cada tipo dielétrico; por exemplo, uma alteração de 15% para X5R ou X7R. Observe, no entanto, que a faixa de mudança de capacitância, conforme definida pelo TCC, é independente da tolerância da capacitância. Portanto, para um MLCC X7R de 22 µF, 20%, a capacitância inicial pode ser tão baixa quanto 15 µF no pior cenário [22 µF × 80% (low end of the tolerance) × 85% (assuming it retains 85% of capacitance at 125°C) = 14.96 µF], e isso ocorre mesmo antes de qualquer voltagem ser aplicada.

Figura 4 mostra como o valor da capacitância diminui à medida que a frequência do sinal CA aumenta para o mesmo MLCC de 10 V, 1 µF. As mudanças na capacitância se tornam ainda menores quando o viés dc é aplicado.

4. Diferentes níveis de frequência também afetam a capacitância efetiva em função de: sem polarização dc (superior); com viés de 3 Vcc aplicado (parte inferior).4. Diferentes níveis de frequência também afetam a capacitância efetiva em função de: sem polarização dc (superior); com viés de 3 Vcc aplicado (parte inferior).

O efeito de envelhecimento da MLCC afirma que a capacitância de uma MLCC diminui logaritmicamente com o tempo, de acordo com a seguinte equação:

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