Dlaczego wartość pojemności zmienia się wraz z przyłożonym napięciem?

Przeszukałem wiele forów i artykułów w google i nic nie wymyśliłem. Zapytałem nawet moich nauczycieli, a oni nie wiedzieli. Jedna powiedziała coś o efekcie piezo, ale nie była tego pewna. Oto więc wykres sprzedawcy, zmiana wartości pojemności w stosunku do przyłożonego napięcia na kondensatorze ceramicznym:

Pytanie jest proste: dlaczego pojemność kondensatorów zmienia się wraz ze zmianą różnicy napięcia między biegunami?

Ten krótki artykuł z Vishay sugeruje, że jest to spowodowane faktyczną stałą dielektryczną kondensatora ceramicznego znacznie zmieniającą się pod wpływem przyłożonych zmian natężenia pola elektrycznego (czytaj: napięcie).

Szczerze mówiąc, ta szczególna uwaga prawdopodobnie ma na celu nakłonienie ludzi do zakupu części tantalu Vishaya, ale istnieją również inne dokumenty na ten temat, które wydają się prowadzić do tych samych zjawisk fizycznych - stała dielektryczna jest dobra, a nie stała pod przyłożone napięcie prądu stałego.

Dalsza edycja: większość kondensatorów ceramicznych wykorzystywanych do oddzielania sprzężeń w naturalny sposób koncentruje się na wydajności wolumetrycznej w stosunku do stabilności - są one zwykle oceniane z Y5V, X5R, X7R itp. Są to tak zwane dielektryki typu II i są zwykle zbudowane z tytanianu baru jako materiał dielektryczny.

Szukając efektów dielektrycznych tytanu baru vs. napięcie, znalazłem następującą ciekawostkę z kursu inżynierii materiałowej:

(Źródło: http://www.eng.buffalo.edu/Classes/mae538/MAE4389.ppt )

Dla tych dielektryków jest to dobrze znane zachowanie pojemności względem temperatury i uważam, że można to wyjaśnić naukowo:

Powyżej temperatury Curie spontaniczna polaryzacja jest tracona z powodu zmiany struktury krystalicznej, a tytanian baru znajduje się w stanie paraelektrycznym.

I wierzę, że może to wyjaśniać, dlaczego napięcie ma taki efekt, jak on:

Zależność wielkości ziarna pokazuje, że podobnie jak granica plastyczności stała dielektryczna jest właściwością wrażliwą na mikrostrukturę.

Dobrą ogólną zasadą jest stosowanie kondensatorów o wartości znamionowej co najmniej dwukrotności oczekiwanego napięcia roboczego. Zwróciłbym bardzo dużą uwagę na ceramiczne kondensatory stosowane w przełączających obwodach zasilających, które mogą widzieć bardzo duże prądy tętnienia podczas ich żywotności. Wiele przetworników uległo niestabilności lub nie zostało wykonanych, ponieważ założony kondensator wyjściowy 47uF naprawdę spadł do około 20uF przy przyłożonym napięciu - zawsze należy sprawdzić kartę danych producenta pod kątem krzywej polaryzacji DC lub podobnej.

Ostatnia edycja - efekt piezoelektryczny, o którym wspomniał twój nauczyciel, jest nieco unikalną cechą kondensatorów ceramicznych, w których naprężenie / odkształcenie / wibracje faktycznie indukują napięcie. Wynika to z obciążenia fizycznego faktycznie deformującego strukturę sieci dielektrycznej (tytanian baru). Stuknięcie ołówkiem w kondensator ceramiczny i monitorowanie jego wyjścia za pomocą sondy pomiarowej powinno pokazywać szum:

Na tej stronie znajduje się opis mechanizmu, który zacytowałem poniżej - jeśli chcesz więcej, musisz przyjrzeć się zachowaniu ceramiki ferroelektrycznej. Zauważ, że tak naprawdę nie jest to problem z kondensatorami elektrolitycznymi i błonowymi.

Gdy ceramika typu BaTiO3 jest podgrzewana powyżej punktu Curie, struktura krystaliczna przechodzi przez fazę od tetragonalnej do sześciennej. Wraz z tym przejściem zanika spontaniczna polaryzacja w domenach. Po schłodzeniu poniżej punktu Curie przejście zmienia się z sześciennej na czworokątną, a ziarna jednocześnie otrzymują naprężenia z powodu zniekształcenia otoczenia. W tym momencie generowanych jest kilka małych domen w ziarnach, a spontaniczną polaryzację każdej domeny można łatwo odwrócić za pomocą niskiego pola elektrycznego. Ponieważ względna stała dielektryczna odpowiada odwróceniu spontanicznej polaryzacji na jednostkę objętości, jest mierzona jako wyższa pojemność.

Charakterystyka pojemnościowa i napięcia stałego. Charakterystyka odchylenia DC Wyzwanie nie polega na spontanicznej polaryzacji, ale na odwróceniu jej. Gdy spontaniczna polaryzacja jest odwracana bez naprężenia napięciowego (bez polaryzacji prądu stałego), MLCC osiągają wysoką pojemność. Jeśli jednak do spontanicznego procesu polaryzacji zostanie zastosowane odchylenie zewnętrzne, swobodne odwrócenie spontanicznej polaryzacji jest znacznie trudniejsze. W rezultacie uzyskana pojemność jest niższa w porównaniu do pojemności przed zastosowaniem obciążenia. Dlatego pojemność zmniejsza się, gdy zastosowane jest odchylenie prądu stałego - stąd termin charakterystyka napięcia stałego.

Z praktycznego punktu widzenia na wykresie widać, że użycie części o najniższym i najniższym napięciu prowadzi do najgorszej wydajności. Istnieją również zmiany pojemności z temperaturą - zwykle niższe zarówno dla temperatur podwyższonych, jak i niskich. I efekty starzenia - znowu w dół.

Prawdopodobnie ważne jest, aby wspomnieć, że zmniejszenie pojemności wraz ze wzrostem napięcia nie jest właściwością wszystkich kondensatorów. Dotyczy to tylko dielektryków ferroelektrycznych, takich jak tytanian baru, stosowanych w typach X5R i X7R. Są to najczęstsze kondensatory montowane powierzchniowo, ze względu na ich mały rozmiar pojemności.

Inne popularne dielektryki nie cierpią z powodu tego efektu. Folie poliestrowe, polipropylenowe, mika i NP0 mają prawie stałą pojemność niezależnie od przyłożonego napięcia. Również spolaryzowane typy elektrolityczne również nie zmieniają się wraz z napięciem.

W rzeczywistości inne dielektryki mają mały współczynnik napięcia. Jest jednak tak mały, że nie ma istotnego wpływu, nawet na wrażliwe rzeczywiste aplikacje, jeśli pracujesz przy niskim ułamku napięcia przebicia kondensatora.