Warum ändert sich der Kapazitätswert mit der angelegten Spannung?

Ich habe viele Foren und Artikel auf Google durchsucht und mir nichts ausgedacht. Sogar meine Lehrer gefragt und sie wussten es nicht. Einer sagte etwas über den Piezo-Effekt, aber sie war sich nicht sicher. Hier ist eine Grafik eines Herstellers, die die Änderung des Kapazitätswerts über der an den Keramikkondensator angelegten Spannung darstellt:

Die Frage ist einfach: Warum kapazitiert ein Kondensator mit der Änderung seiner Spannungsdifferenz zwischen seinen Polen?

In diesem kurzen Artikel von Vishay wird vermutet, dass sich die tatsächliche Dielektrizitätskonstante des Keramikkondensators aufgrund von Schwankungen der angelegten elektrischen Feldstärke (Spannung) erheblich ändert.

Um fair zu sein, diese besondere Notiz soll wahrscheinlich die Leute dazu bringen, Vishays Tantalteile zu kaufen, aber es gibt auch andere Artikel zu diesem Thema , die zu den gleichen physikalischen Phänomenen führen - die Dielektrizitätskonstante ist gut, nicht konstant unter einem angelegte Gleichspannung.

Weitere Bearbeitung: Die meisten Keramikkondensatoren, die zu Entkopplungszwecken verwendet werden, konzentrieren sich natürlich auf den volumetrischen Wirkungsgrad gegenüber der Stabilität - diese werden üblicherweise mit Y5V, X5R, X7R usw. bewertet. Dies sind sogenannte Typ-II-Dielektrika und werden im Allgemeinen mit Bariumtitanat wie hergestellt das dielektrische Material.

Auf der Suche nach Bariumtitanat-Dielektrikum vs. Spannungseffekten fand ich den folgenden Leckerbissen aus einem materialwissenschaftlichen Kurs:

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

Es ist ein bekanntes Verhalten der Kapazität gegenüber der Temperatur für diese Dielektrika, und ich glaube, dass dies wissenschaftlich erklärt werden kann mit:

Oberhalb der Curie-Temperatur geht die spontane Polarisation aufgrund einer Änderung der Kristallstruktur verloren und Bariumtitanat befindet sich im paraelektrischen Zustand.

Und ich glaube, dass dies erklären kann, warum die Spannung den Effekt hat, den sie hat:

Die Korngrößenabhängigkeit zeigt, dass ähnlich wie bei der Streckgrenze die Dielektrizitätskonstante eine mikrostrukturempfindliche Eigenschaft ist.

Eine gute Faustregel ist im Allgemeinen, Kondensatoren zu verwenden, die für mindestens das Doppelte der erwarteten Arbeitsspannung ausgelegt sind. Ich würde sehr genau auf Keramikkondensatoren achten, die zum Schalten von Stromversorgungskreisen verwendet werden, bei denen während ihrer Lebensdauer sehr große Welligkeitsströme auftreten können. Viele Konverter wurden instabil oder nicht ausgeführt, weil der angenommene 47-µF-Ausgangskondensator bei angelegter Spannung auf etwa 20 µF abfiel. Überprüfen Sie immer das Datenblatt des Herstellers auf die DC-Vorspannungskurve oder ähnliches.

Letzte Änderung - Der piezoelektrische Effekt, auf den sich Ihr Lehrer bezieht, ist eine einzigartige Eigenschaft von Keramikkondensatoren, bei denen physische Belastungen / Dehnungen / Vibrationen tatsächlich eine Spannung induzieren. Dies ist auf die physikalische Beanspruchung zurückzuführen, die die Gitterstruktur des Dielektrikums (Bariumtitanat) tatsächlich verformt. Wenn Sie mit einem Bleistift auf einen Keramikkondensator tippen und dessen Ausgang mit einer Oszilloskop-Sonde überwachen, sollte das Rauschen angezeigt werden:

Auf dieser Seite finden Sie eine Beschreibung des Mechanismus, den ich unten zitiert habe. Wenn Sie mehr wollen, müssen Sie sich mit dem Verhalten ferroelektrischer Keramik befassen. Beachten Sie, dass dies bei Elektrolyt- und Filmkondensatoren kein wirkliches Problem darstellt.

Wenn BaTiO3-Keramik über den Curie-Punkt erhitzt wird, durchläuft die Kristallstruktur einen Übergang von der tetragonalen zur kubischen Phase. Mit diesem Übergang verschwindet die spontane Polarisation in den Domänen. Bei Abkühlung unter den Curie-Punkt kehrt sich der Übergang von kubisch zu tetragonal um, und die Körner werden gleichzeitig durch die Verzerrung der Umgebung belastet. Zu diesem Zeitpunkt werden mehrere kleine Domänen in den Körnern erzeugt, und die spontane Polarisation jeder Domäne kann leicht mit einem geringen elektrischen Feld umgekehrt werden. Da die relative Dielektrizitätskonstante der Umkehrung der spontanen Polarisation pro Volumeneinheit entspricht, wird sie als höhere Kapazität gemessen.

Kapazitäts- und Gleichspannungscharakteristik. DC Bias Charakteristik Die Herausforderung liegt nicht in der spontanen Polarisation, sondern in der Umkehrung. Wenn die spontane Polarisation ohne Spannungsbeanspruchung (keine Gleichstromvorspannung) umgekehrt wird, erreichen MLCCs eine hohe Kapazität. Wenn jedoch eine externe Vorspannung an den spontanen Polarisationsprozess angelegt wird, ist die freie Umkehrung der spontanen Polarisation viel schwieriger. Infolgedessen ist die gewonnene Kapazität geringer als die Kapazität vor dem Anlegen der Vorspannung. Dies ist der Grund, warum die Kapazität abnimmt, wenn eine Gleichstromvorspannung angelegt wird - daher der Begriff Gleichstromvorspannungskennlinie.

Aus praktischer Sicht können Sie aus der Grafik ersehen, dass die Verwendung des kleinsten und niedrigsten Nennspannungsteils zu der schlechtesten Leistung führt. Außerdem ändert sich die Kapazität mit abnehmender Temperatur, normalerweise sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Temperaturen. Und Alterungseffekte - wieder runter.

Es ist wahrscheinlich wichtig zu erwähnen, dass die Verringerung der Kapazität mit zunehmender Spannung nicht eine Eigenschaft aller Kondensatoren ist. Dies gilt eigentlich nur für ferroelektrische Dielektrika wie Bariumtitanat, die in den Typen X5R und X7R verwendet werden. Dies sind die am häufigsten verwendeten oberflächenmontierbaren Kondensatoren, da sie für die Kapazität nur eine geringe Größe haben.

Andere gebräuchliche Dielektrika leiden nicht unter diesem Effekt. Polyesterfolien, Polypropylenfolien, Glimmer- und NP0-Typen haben unabhängig von der angelegten Spannung eine nahezu konstante Kapazität. Polarisierte elektrolytische Typen ändern sich auch nicht mit der Spannung.

Tatsächlich haben andere Dielektrika einen kleinen Spannungskoeffizienten. Es ist jedoch so klein, dass es selbst bei sensiblen realen Anwendungen keine wesentlichen Auswirkungen hat, wenn Sie mit einem geringen Bruchteil der Durchschlagspannung des Kondensators arbeiten.