1 نظرة عامة حول الفئة 1 والفئة 2 MLCCs؟

في الأساس ، يمكن التمييز بين نوعين من MLCCS: المكثفات ، التي يتم تصنيعها من السيراميك من الفئة 1 أو الفئة 2. تختلف هذه في عدة جوانب كما هو موضح في الجدول 1.

الجدول 1: نظرة عامة على الوضع الفني الحالي لسيراميك Würth Elektronik eiSos

يتم تحديد خصائص وتفاوتات فئات السيراميك المختلفة بواسطة ترميز IEC أو EIA. اعتمادًا على التطبيق ، يجب توفير قدر معين من السعة لتحقيق الأداء المطلوب في تطبيقات مثل المرشحات. لذلك من المهم مقارنة خصائص المكونات الفردية لضمان السلوك المطلوب عند استخدامها في التطبيق. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أنه مع MLCCs ذات السعة العالية ، لا تتوفر السعة العالية إلا مع عيب زيادة الشيخوخة وبالتالي فقدان أكبر للسعة بسبب درجة الحرارة والجهد.

2 تعريف الشيخوخة

الشيخوخة هي عملية تتغير فيها خصائص معينة بمرور الوقت. المواد الفيروكهربائية مثل تيتانات الباريوم تخضع أيضًا لهذه العملية. يتغير التركيب البلوري للعزل الكهربائي (في هذه الحالة تيتانات الباريوم) مع تغير درجة الحرارة وكذلك بمرور الوقت. يعتبر هذا شيخوخة ، لأن السعة تتغير أو ، بشكل أكثر دقة ، يتم تقليلها بواسطة هذا الحدث. النتيجة الأخرى للشيخوخة هي الزيادة في عامل الخسارة ، الذي يصبح أكبر بشكل مطرد. عادة ما يتم وصف الشيخوخة بفقدان نسبة مئوية من السعة لكل عقد من الزمن. إنه في نطاق ~ 6٪ بعد 1000 ساعة للسيراميك X5R و ~ 2.5٪ بعد 1000 ساعة للسيراميك X7R لكل عقد من الساعات (1-10 ، 10-100 ، 100-1000 ، ...). بعد إعادة محاذاة الشبكة البلورية (على سبيل المثال عن طريق عملية درجة الحرارة التي يمكن تكرارها كلما رغبت في ذلك) ، يؤدي التقادم إلى فقدان السعة كما هو موضح في الشكل 1. عملية الشيخوخة لوغاريتمية وتتناقص بمرور الوقت. على الرغم من أنه يبدو خطيًا على الرسوم البيانية عند استخدام المقاييس اللوغاريتمية.

الشكل 1: فقدان السعة مقابل وقت التشغيل

3 لماذا شيخوخة تيتانات الباريوم موجودة؟

يتم تحديد سماحية تيتانات الباريوم من خلال استقطاب المادة. يتم تشكيل المزيد من المجالات الفيروكهربائية عن طريق الشيخوخة. يتغير اتجاه الاستقطاب العفوي بحيث لا يمكن استقطاب كل ثنائيات الأقطاب "جيدًا". لم تعد ثنائيات أقطاب المجالين المتجاورين تشير إلى نفس الاتجاه. والنتيجة هي تقليل السعة. الحل: إعادة صياغة المادة. يتأثر تأثير الشيخوخة بالوقت ودرجة الحرارة والجهد. نظرًا لأن تيتانات الباريوم عبارة عن مادة حديدية كهربائية ولها مجالات كهربائية ، مثل الفريت ، فإن هذه المجالات تنقسم مع عامل الوقت وبالتالي تقلل السعة ، انظر الشكل 2.

الشكل 2: تغيير الهيكل الداخلي

عن طريق التقسية ، ما يسمى بعملية التسخين المسبق (تسخين المادة فوق درجة حرارة كوري) ، تتحلل المجالات الموجودة. تحت درجة حرارة كوري ، تشكل المادة نطاقات كبيرة جديدة مرة أخرى ، مما يؤدي بدوره إلى سعة عالية. تمنع الحركة الحرارية في الشبكة البلورية الناتجة عن عملية التلدين ثنائيات الأقطاب من المحاذاة تمامًا عند تطبيق مجال كهربائي ، وبالتالي الوصول إلى نوع من التشبع.

4 كيف يمكن وقف الشيخوخة؟

يحتوي العازل الكهربائي المستخدم في الفئة 2 من MLCCs على خصائص فيرو كهربية. تتغير خصائص المواد هذه عندما يتم تجاوز درجة حرارة كوري (كما هو الحال مع المواد المغناطيسية الحديدية). فوق درجة الحرارة هذه ، يكون للعازل هيكل بلوري مكعب متماثل للغاية ، بينما يكون أقل من درجة حرارة كوري ؛ التركيب البلوري له هيكل أقل تماثلًا (رباعي الزوايا). دائمًا ما ينتج عن الانتقال من المراحل المختلفة (مكعب إلى رباعي الزوايا وما إلى ذلك) قيمة قصوى للسماحية على نطاق درجة الحرارة هذا. لتحقيق حالة مستقرة ، تتحرك الذرات في الشبكة البلورية تحت تأثير الاهتزاز الحراري لفترة طويلة ، حتى بعد أن يبرد العازل تحت درجة حرارة كوري (يتم تشكيل المزيد والمزيد من المجالات). ومع ذلك ، عندما يتم تسخين المكثف إلى درجة حرارة أعلى من درجة حرارة كوري ، يحدث الشيخوخة ، أي يتم استعادة السعة المفقودة بسبب الشيخوخة وتبدأ الشيخوخة مرة أخرى من النقطة التي يبرد فيها المكثف مرة أخرى. درجة الحرارة هذه ~ 125 درجة مئوية لتيانات الباريوم. اعتمادًا على المدة التي يتم فيها تجاوز درجة حرارة كوري ، ينتج عن هذا قيمة السعة التي يتم تعيينها. وفقًا لورقة البيانات ، فإن التوصية بالتسخين المسبق عند 150 درجة مئوية هي ساعة واحدة. من خلال هذه المعالجة الحرارية ، يمكن استعادة السعة القصوى للمكون بنسبة 100٪.

5 آثار الشيخوخة للتطبيق

في التطبيق الحقيقي ، الذي يحتوي على جهد ويتم تشغيله عند درجة حرارة محيطة معينة ، يجب عمومًا توقع انخفاض في السعة بمرور الوقت عند استخدام MLCCs. هذا أمر لا مفر منه وينتج عن المادة الأساسية المستخدمة في السيراميك من الفئة 2. يعود الأمر الآن إلى تصميم المكثف للتعويض عن فقد السعة. يتم إجراء اختبار بنسبة 100٪ بعد التصنيع للتأكد من تلبية جميع التفاوتات. اعتمادًا على وقت التخزين وظروف التخزين ، قد تتغير هذه القيم بمرور الوقت. نظرًا للتأثير الحراري لعملية اللحام ، تتم إعادة ضبط عملية التقادم (انظر الملحق ، مثال على عملية القياس وعملية اللحام بإعادة التدفق لـ MLCC باستخدام DateCode 2014). في التطبيقات التي تتطلب قيم سعة ثابتة ، يجب مراعاة التقادم أو استخدام الفئة 1 MLCC. إذا تم استخدام المكثفات كمكثفات خرج (على سبيل المثال في تبديل المنظمين) ، يمكن تعويض تأثير الشيخوخة بشكل أفضل ، لأنه في هذه الحالة تكون تقلبات السعة في نطاق منخفض من رقم واحد وبالتالي ليس لها تأثير سلبي على وظيفة الدائرة. السعة الناتجة على سبيل المثال 22 µF X7R MLCC مع جميع التبعيات موضحة في الشكل 3.

الشكل 3: القدرة الحقيقية بالنظر إلى جميع التبعيات

6 الخلاصة

يتم تسجيل التقادم في درجة حرارة الغرفة (حوالي 20 درجة مئوية) و ~ 0 فولت كجهد مطبق. في درجة حرارة الغرفة و ~ 0 V من المكثفات الخزفية ليس لها أي درجة حرارة تقريبًا ، وتأثيرات تحيز التيار المستمر والتردد التي يمكن أن تؤثر على الشيخوخة. تحت درجة حرارة كوري وبعد تطبيق الجهد ، تعمل الخصائص الفيروكهربائية الحالية على استقطاب الجزيئات بطريقة محددة. يصبح الهيكل المكعب عبارة عن هيكل رباعي الزوايا ، مما يؤدي إلى انخفاض في السماحية وبالتالي في السعة. ما الذي يؤدي الآن إلى الشيخوخة؟ إذا تركت البنية البلورية للسيراميك في درجة حرارة الغرفة دون تحميل ، يتم تشكيل مجالات عشوائية موجهة ، والتي بدورها تتشكل ثنائيات أقطاب غير اتجاهية ، والتي لها تأثير سلبي على السماحية. هذه المجالات الموجهة بشكل عشوائي "تنمو" بشكل أسرع في البداية ثم تتطور بشكل أبطأ. لذلك، يظهر فقدان السعة لوغاريتميًا. عندما يتم تطبيق الجهد وزيادة درجة الحرارة ، يتباطأ تشكيل المجالات الموجهة بشكل عشوائي ، حيث يتم محاذاة ثنائيات الأقطاب بطريقة محددة بواسطة المجال الكهربائي. في الممارسة العملية ، هذا يعني أن الشيخوخة كما هو موضح في الشكل 1 هي "أسوأ حالة" الرقم. نظرًا لأن الانخفاض في السعة عبر انحياز التيار المباشر ودرجة الحرارة أعلى بكثير من التقادم المتوقع ، فمن المفترض أن يكون هذا قيمة ثابتة.

المصدر: element