Перейти к содержанию

DC bias — потеря ёмкости под напряжением

Керамический конденсатор 4,7 мкФ, поставленный на шину 12 В, работает как конденсатор примерно на 1 мкФ. Это не брак, а свойство керамики с высокой проницаемостью, и его надо учитывать при выборе номинала.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

DC bias (DC bias characteristic) — уменьшение ёмкости керамического конденсатора при приложенном к нему постоянном напряжении. Эффект свойствен керамике с высокой диэлектрической проницаемостью — X5R, X6S, X7R и родственным классам диэлектрика; у термокомпенсирующей керамики C0G его нет. Murata подчёркивает, что это общее свойство материала, а не особенность одного производителя.

Откуда берётся

Основа керамики класса II — титанат бария BaTiO3. Ниже точки Кюри (около 125 °C) его кристаллическая решётка вытянута по одной оси, и в ней возникает спонтанная поляризация — материал становится сегнетоэлектриком. Переменное поле легко переворачивает эту поляризацию, что и даёт высокую проницаемость. Постоянное поле закрепляет поляризацию в своём направлении, переворачиваться ей становится труднее, и ёмкость падает (Murata, FAQ char/0005).

Насколько сильно

По графику TDK для C1608X5R1E475K080AC (4,7 мкФ, 25 В, X5R, корпус 0603) при 5 В остаётся около 2,6 мкФ, а при номинальных 25 В — около 0,4 мкФ (значения сняты с графика, остаток — наш пересчёт); таблица по всему графику — в разделе о DC bias статьи «Конденсаторы». Номинальное напряжение здесь — предел надёжности, а не точка, где конденсатор сохраняет ёмкость: при 25 В от неё остаётся меньше десятой части.

Как учитывать

  • Выбирать по графику конкретной детали. Murata советует проверять пригодность конденсатора в реальных условиях и в реальном устройстве; кривые DC bias даёт её программа SimSurfing, у TDK — листы характеристик. Это справочные кривые, а не гарантированные значения.
  • Предпочитать X7R керамике Z5U и Y5V. ADI в MT-101 рекомендует X7R именно потому, что он меньше теряет ёмкость под напряжением.
  • Для точных цепей брать C0G. В фильтрах, генераторах и времязадающих цепях DC bias сдвигает частоту, поэтому там нужна керамика класса I или плёнка.

Особенно важен эффект для блокировочных конденсаторов и выходных конденсаторов стабилизаторов: проверяйте, что ёмкость под рабочим напряжением, а не надпись на ленте, не ниже той, что требует даташит стабилизатора. Подробнее о керамике — в статье «Конденсаторы».

Не путать с температурной характеристикой X7R (±15 %): её измеряют без постоянного напряжения, и потеря от DC bias к ней добавляется. И не путать со старением — медленным уменьшением ёмкости со временем, которое идёт и без напряжения.

Частые вопросы

Почему керамический конденсатор теряет ёмкость под напряжением?

Керамика X5R и X7R сделана на титанате бария — сегнетоэлектрике. Высокую ёмкость ей даёт спонтанная поляризация, которая свободно переворачивается переменным полем. Постоянное поле закрепляет её в одном направлении, и проницаемость, а вместе с ней ёмкость, падает (Murata, FAQ char/0005).

Сколько ёмкости остаётся при рабочем напряжении?

Зависит от конкретной детали, поэтому смотрят её график. У TDK C1608X5R1E475K080AC (4,7 мкФ, 25 В, 0603) по графику при 5 В остаётся около 55 % — примерно 2,6 мкФ, при 12,5 В около 0,9 мкФ, при номинальных 25 В — около 0,4 мкФ (пересчёт наш).

Есть ли DC bias у C0G?

Нет. C0G — термокомпенсирующая керамика на параэлектрическом материале, её ёмкость от постоянного напряжения не зависит (Murata, char/0005; KEMET C1026). Цена — низкая проницаемость: большие номиналы в маленьком корпусе на C0G не делают.

Источники

  1. Murata. FAQ char/0005: Does the capacitance change when a DC voltage is applied to ceramic capacitors? — эффект свойствен керамике высокой проницаемости (X5R, X6S, X7R), у термокомпенсирующей (C0G) его нет; чем больше постоянное напряжение, тем меньше эффективная ёмкость; механизм — сегнетоэлектрик BaTiO3, точка Кюри около 125 °C, внешнее поле закрепляет спонтанную поляризацию; пригодность проверять в реальных условиях и в реальном устройстве, кривые — в SimSurfing; явление общее для керамики высокой проницаемости любых производителей
  2. TDK. Characterization Sheet C1608X5R1E475K080AC — 4,7 мкФ ±10 %, 25 В, X5R, 1,6 × 0,8 мм (EIA 0603); график DC Bias Characteristic: около −45 % при 5 В, около −81 % при 12,5 В, около −91 % при 25 В (значения сняты с графика)
  3. Murata. FAQ char/0058: differences between X7R, X7S and X7T — сравнение температурных характеристик при 0 В и под рабочим напряжением 1,0 и 3,3 В: под напряжением ход кривых может отличаться от кодов EIA; данные справочные, без гарантии
  4. Analog Devices. MT-101 Tutorial: Decoupling Techniques (Rev. 0, 03/09) — с. 5: X7R предпочтительнее Z5U и Y5V, потому что меньше теряет ёмкость под постоянным напряжением; NP0 (C0G) — малая зависимость от напряжения

Нашли ошибку?

Смотрите также