Effetti negativi sui condensatori ceramici

I condensatori ceramici realizzati con dielettrici X7R e X5R in classe 2 vengono ampiamente utilizzati in applicazioni quali filtri e circuiti di accoppiamento grazie a caratteristiche quali piccole dimensioni, bassi valori di Esr (Equivalent Serie Resistance) e di Esl (Equivalent Series Inductance) e costo contenuto. Fenomeni quali fluttuazioni della temperatura e variazioni della polarizzazione in continua (Dc bias) provocano una deviazione del valore della capacità da quello nominale. Alcuni tipi di circuiti sono particolarmente sensibili alle variazioni di capacità. Per garantire il corretto funzionamento del circuito in tutte le condizioni operative, i progettisti devono comprendere gli effetti delle variazioni della temperatura e della polarizzazione in continua sulla capacità in modo da scegliere il dispositivo più idoneo per la particolare applicazione considerata.

Variazioni di temperatura e di polarizzazione in continua
I datasheet dei condensatori specificano un valore di capacità nominale di un componente. In pratica, la capacità può subire variazioni di rilievo al mutare delle condizioni esterne. Le fluttuazioni della temperatura operativa o della polarizzazione in continua hanno una notevole influenza sulla capacità in quanto modificano la struttura cristallina dei materiali dielettrici in classe 2, provocando un cambiamento delle proprietà dielettriche. Di conseguenza il valore di capacità tende a diminuire all'aumentare della temperatura o della polarizzazione in continua. Altri fattori, come ad esempio la presenza di ampie tensioni c.a., possono produrre cambiamenti del valore di capacità. Nelle Figg. 1 e 2 vengono riportate le caratteristiche relative alla temperatura e alla polarizzazione in continua per un condensatore ceramico. I valori effettivi e il gradiente della pendenza varieranno in funzione di fattori quali composizione e dimensioni del tipo di dielettrico.  Poiché i dispositivi da utilizzare in applicazioni dove sono previste tensioni più elevate sono caratterizzati da uno strato dielettrico più spesso, le caratteristiche di temperatura e di polarizzazione in continua variano con la tensione nominale. I progettisti devono quindi disporre di informazioni accurate circa le caratteristiche di ogni singolo dispositivo nel momento in cui effettuano la selezione dei componenti per una specifica applicazione.

Valutazione dei parametri
Per soddisfare la crescente richiesta di dispositivi elettronici sempre più piccoli,i produttori di condensatori come TDK Electronics hanno migliorato le caratteristiche dei materiali dielettrici X5R e X7R che ora possono garantire valori di capacità più elevati a fronte di una riduzione del volume rispetto ad altri materiali di largo uso. In ogni caso il materiali caratterizzati da un elevato valore del rapporto C-V (capacità volume) devono essere valutati nei confronti della variazione della capacità al mutare della temperatura e della polarizzazione in continua. In base a questi elementi, i progettisti possono determinare l'approccio più idoneo in grado di garantire un bilanciamento ottimale tra differenti vincoli: footprint del componente, altezza e costo. Una volta calcolato il valore di capacità minimo richiesto per un dato circuito, le limitazioni relative alle dimensioni della scheda Pcb o all'altezza del contenitore potrebbero obbligare il progettista a scegliere il dispositivo più piccolo possibile in termini di footprint o di altezza. Questo potrebbe a sua volta portare alla scelta di un dispositivo con dielettrico X5R o X7R con un valore nominale relativamente elevato in modo da garantire il valore di capacità minimo richiesto nel caso peggiore. Qualora vi sia invece spazio sufficiente sulla scheda o l'altezza di montaggio lo consenta, potrebbe essere utilizzato un dispositivo di dimensioni fisiche maggiori con valore nominale inferiore.

Tool online: un valido ausilio per la scelta
In passato era necessario analizzare i singoli datasheet dei costruttori al fine di individuare i componenti più adatti capaci di garantire il valore di capacità minimo necessario nelle condizioni operative più critiche. I tool on-line attualmente disponibile semplificano notevolmente questo processo e consentono ai progettisti di confrontare un gran numero di condensatori che differiscono tra loro in termini di capacità nominale, dimensioni del contenitore e tensione nominale. Components Characteristic Viewer di Tdk è un esempio di tool grazie al quale gli utilizzatori possono effettuare direttamente sullo schermo del computer una confronto tra differenti dispositivi, selezionandoli da una lista di componenti proposti. I condensatori disponibili, in formati Eia standard, possono essere scelti a partire da una visualizzazione in forma gerarchica in modo da permettere all'utente di confrontare numerose alternative mediante semplici operazioni di point&click. Le caratteristiche di temperatura e di polarizzazione in continua, proposte sotto forma i grafici che possono essere ingranditi a piacere, consentono un confronto con un semplice sguardo al fine di verificare la stabilità o la capacità minima nelle condizioni di funzionamento peggiori previste. I progettisti possono anche utilizzare il tool di simulazione Seat (SElection Assistance for Tdk Components) che può essere scaricato dalla pagina dedicata ai tool di progetto del sito www.tdkcomponents.de. Questo tool permette ai progettisti di simulare le caratteristiche di temperatura e di polarizzazione in continua del condensatore in condizioni operative prestabilite.

Linee guida generali
In definitiva, una volta che ci si è resi conto del fatto che il valore di capacità nominale di un condensatore ceramico varierà in funzione di un certo numero di fattori, è possibile definire un insieme di linee guida che forniscono un valido ausilio nelle fasi di scelta del componente e di progetto del circuito:
• La capacità nominale è riportato per una polarizzazione di 0 V e a temperatura ambiente; il valore di capacità effettivo muterà al variare delle condizioni operative;
• Identificare la polarizzazione in continua e la temperatura nelle condizioni operative peggiori che il condensatore si troverà ad affrontare;
• Accertarsi se il corretto funzionamento del circuito dipende da un valore di capacità minimo o da un valore di capacità stabile;
• Scegliere il dispositivo più idoneo utilizzando i tool on-line disponibili che semplificano il confronto, tenendo conto dei seguenti elementi:
- i condensatori con valori di tensione nominale più elevati sono caratterizzati da una capacità più stabile a parità di tensione operativa
- valori più elevati in package di dimensioni più ridotte evidenziano una variazione più marcata con la temperatura o la polarizzazione in continua
- la variazione può essere abbastanza considerevole - sull'intero range di condizioni operative può andare perduto oltre il 50% del valore della capacità nominale.

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