Perché il valore di capacità cambia con la tensione applicata?

Ho cercato molti forum e documenti su Google e non ho trovato nulla. Ho persino chiesto i miei insegnamenti e loro non lo sapevano. Uno ha detto qualcosa sull'effetto piezo ma non ne era sicura. Quindi, ecco un grafico di un fornitore, la variazione del valore di capacità rispetto alla tensione applicata sul condensatore ceramico:

La domanda è semplice: perché un condensatore ha una capacità di variare la sua tensione tra le sue polari?

Questo rapido documento di Vishay suggerisce che ciò è dovuto all'effettiva costante dielettrica del condensatore ceramico che cambia significativamente in base alle variazioni di intensità del campo elettrico applicate (leggi: tensione).

Ad essere onesti, quella particolare nota è probabilmente destinata a spingere la gente ad acquistare parti di tantalio di Vishay, ma ci sono anche altri articoli sull'argomento che sembrano portare agli stessi fenomeni fisici - la costante dielettrica è bene, non costante sotto un tensione continua applicata.

Ulteriore modifica: la maggior parte dei condensatori ceramici utilizzati per scopi di disaccoppiamento si concentrano naturalmente sull'efficienza volumetrica rispetto alla stabilità: questi sono comunemente classificati con Y5V, X5R, X7R, ecc. Questi sono quelli che sono noti come dielettrici di tipo II e sono generalmente costruiti con titanato di bario come il materiale dielettrico.

Alla ricerca di effetti dielettrici di titanato di bario e di tensione, ho trovato la seguente notizia da un corso di scienza dei materiali:

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

È un comportamento ben noto di capacità rispetto alla temperatura per questi dielettrici e credo che possa essere spiegato scientificamente con:

Al di sopra della temperatura di Curie, la polarizzazione spontanea viene persa a causa di un cambiamento nella struttura del cristallo e il titanato di bario è nello stato paraelettrico.

E credo che questo possa spiegare perché la tensione ha l'effetto che fa:

La dipendenza dalla dimensione del grano mostra che simile alla costante dielettrica a snervamento è una proprietà sensibile alla microstruttura.

Una buona regola empirica in generale è quella di utilizzare condensatori classificati per almeno il doppio della tensione di lavoro prevista. Presterei molta attenzione ai condensatori ceramici utilizzati nella commutazione dei circuiti di alimentazione che potrebbero vedere correnti di ondulazione molto grandi durante la loro vita. Molti convertitori sono diventati instabili o non funzionanti perché il presunto condensatore di uscita 47uF è sceso a 20uF o giù di lì con la tensione applicata - controlla sempre il foglio dati del produttore per la curva di polarizzazione CC o simile.

Ultima modifica: l' effetto piezoelettrico a cui fa riferimento il tuo insegnante è la caratteristica alquanto singolare dei condensatori ceramici in cui stress fisico / deformazione / vibrazioni inducono effettivamente una tensione. Ciò è dovuto allo stress fisico che deforma effettivamente la struttura reticolare del dielettrico (titanato di bario). Toccando un condensatore ceramico con una matita e monitorando il suo output con una sonda oscilloscopio dovrebbe mostrare il rumore:

Da questa pagina è una descrizione del meccanismo, che ho citato di seguito: se vuoi di più, dovrai esaminare il comportamento della ceramica ferroelettrica. Si noti che questo non è davvero un problema con i condensatori elettrolitici e a film.

Quando le ceramiche di tipo BaTiO3 vengono riscaldate sopra il punto Curie, la struttura cristallina passa attraverso una fase tetragonale a cubica. Insieme a questa transizione, la polarizzazione spontanea nei domini scompare. Quando viene raffreddato al di sotto del punto Curie, la transizione si inverte da cubica a tetragonale e i grani ricevono contemporaneamente stress dalla distorsione dell'ambiente circostante. A questo punto, vengono generati diversi piccoli domini nei grani e la polarizzazione spontanea di ciascun dominio può essere facilmente invertita con un campo elettrico basso. Poiché la costante dielettrica relativa corrisponde all'inversione della polarizzazione spontanea per unità di volume, viene misurata come capacità più elevata.

Capacità e caratteristiche della tensione CC. Caratteristica di polarizzazione DC La sfida non sta nella polarizzazione spontanea, ma nel invertirla. Quando la polarizzazione spontanea viene invertita senza stress di tensione (nessuna polarizzazione DC), gli MLCC raggiungono un'alta capacità. Tuttavia, se si applica una distorsione esterna al processo di polarizzazione spontanea, l'inversione libera della polarizzazione spontanea è molto più difficile. Di conseguenza, la capacità acquisita è inferiore rispetto alla capacità prima dell'applicazione del bias. Questo è il motivo per cui la capacità diminuisce quando viene applicata la polarizzazione CC, da cui il termine caratteristica della polarizzazione CC.

Da un punto di vista pratico, si può vedere dal grafico che l'uso della parte più bassa e più bassa tensione nominale porta alle prestazioni peggiori. Inoltre, ci sono cambiamenti nella capacità con la temperatura, di solito verso il basso sia per temperature elevate che basse. E gli effetti dell'invecchiamento - di nuovo in calo.

È probabilmente importante menzionare che la riduzione della capacità con l'aumento della tensione non è una proprietà di tutti i condensatori. Si applica davvero solo ai dielettrici ferroelettrici come il titanato di bario, utilizzati nei tipi X5R e X7R. Questi sono i condensatori a montaggio superficiale più comuni, a causa delle loro dimensioni ridotte per la capacità.

Altri dielettrici comuni non soffrono di questo effetto. I tipi di film in poliestere, film in polipropilene, mica e NP0 hanno una capacità quasi costante indipendentemente dalla tensione applicata. Inoltre, anche i tipi elettrolitici polarizzati non cambiano con la tensione.

In realtà, altri dielettrici hanno un piccolo coefficiente di tensione. È così piccolo, tuttavia, che non ha alcun impatto importante, anche su applicazioni sensibili del mondo reale se lavori a una bassa frazione della tensione di rottura del condensatore.