Mengapa nilai kapasitansi berubah dengan voltase yang diberikan?

Saya mencari banyak forum dan makalah di google dan belum menemukan apa pun. Bahkan bertanya kepada saya mengajar dan mereka tidak tahu. Seseorang mengatakan sesuatu tentang efek piezo tetapi dia tidak yakin tentang itu. Jadi di sini adalah grafik oleh vendor, perubahan nilai kapasitansi atas tegangan yang diterapkan pada kapasitor keramik:

Pertanyaannya sederhana: Mengapa kapasitansi kapasitor dengan perubahan perbedaan tegangan antara kutubnya?

Makalah singkat ini dari Vishay menunjukkan bahwa ini disebabkan oleh konstanta dielektrik aktual kapasitor keramik yang berubah secara signifikan di bawah variasi kekuatan medan listrik yang diterapkan (baca: tegangan).

Agar adil, catatan khusus itu mungkin dimaksudkan untuk mendorong orang untuk membeli bagian tantalum Vishay, tetapi ada makalah lain pada subjek yang tampaknya mengarah ke fenomena fisik yang sama - konstanta dielektrik baik, tidak konstan di bawah suatu diterapkan tegangan DC.

Sunting lebih lanjut: Sebagian besar kapasitor keramik yang digunakan untuk tujuan decoupling secara alami berfokus pada efisiensi volumetrik di atas stabilitas - ini biasanya dinilai dengan Y5V, X5R, X7R, dll. Ini adalah apa yang dikenal sebagai dielektrik tipe II, dan umumnya dibangun dengan barium titanate sebagai bahan dielektrik.

Mencari efek dielektrik barium titanate vs tegangan, saya menemukan berita gembira berikut dari kursus ilmu material:

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

Ini adalah perilaku kapasitansi vs suhu yang terkenal untuk dielektrik ini, dan saya percaya itu dapat dijelaskan secara ilmiah dengan:

Di atas suhu Curie, polarisasi spontan hilang karena perubahan struktur kristal dan barium titanate dalam keadaan paraelektrik.

Dan saya percaya ini dapat menjelaskan mengapa voltase memiliki efek:

Ketergantungan ukuran butir menunjukkan bahwa mirip dengan konstanta dielektrik kekuatan luluh adalah sifat sensitif struktur mikro.

Aturan praktis yang baik secara umum adalah untuk menggunakan kapasitor yang diberi peringkat setidaknya dua kali dari tegangan kerja yang diharapkan. Saya akan sangat memperhatikan kapasitor keramik yang digunakan dalam switching sirkuit catu daya yang mungkin melihat arus riak sangat besar selama masa hidup mereka. Banyak konverter tidak stabil atau tidak bekerja karena kapasitor keluaran 47uF yang diasumsikan benar-benar turun hingga 20uF atau lebih dengan voltase yang diberikan - selalu periksa lembar data pabrikan untuk mengetahui kurva bias DC atau sejenisnya.

Sunting terakhir - efek piezoelektrik yang dirujuk oleh guru Anda adalah karakteristik kapasitor keramik yang agak unik di mana tegangan fisik / regangan / getaran benar-benar akan menyebabkan tegangan. Ini disebabkan oleh tekanan fisik yang sebenarnya merusak struktur kisi dielektrik (barium titanate). Mengetuk kapasitor keramik dengan pensil dan memantau hasilnya dengan probe lingkup akan menunjukkan kebisingan:

Dari halaman ini adalah deskripsi mekanisme, yang saya kutip di bawah ini - jika Anda menginginkan lebih, Anda harus melihat pada perilaku keramik feroelektrik. Perhatikan bahwa ini bukan masalah dengan kapasitor elektrolitik dan film.

Ketika keramik tipe BaTiO3 dipanaskan di atas titik Curie, struktur kristal melewati transisi dari fase tetragonal ke fase kubik. Seiring dengan transisi ini, polarisasi spontan di domain menghilang. Ketika didinginkan di bawah titik Curie, transisi berbalik dari kubik ke tetragonal, dan butiran secara simultan menerima tekanan dari distorsi lingkungan. Pada titik ini, beberapa domain kecil dalam butiran dihasilkan, dan polarisasi spontan dari setiap domain dapat dengan mudah dibalik dengan medan listrik rendah. Karena konstanta dielektrik relatif sesuai dengan pembalikan polarisasi spontan per satuan volume, ia diukur sebagai kapasitansi yang lebih tinggi.

Karakteristik kapasitansi dan tegangan DC. Karakteristik DC Bias Tantangannya bukan terletak pada polarisasi spontan, tetapi dalam membalikkannya. Ketika polarisasi spontan dibalik tanpa tegangan tegangan (tanpa bias DC), MLCC mencapai kapasitansi tinggi. Namun, jika bias eksternal diterapkan pada proses polarisasi spontan, pembalikan bebas dari polarisasi spontan jauh lebih sulit. Akibatnya, kapasitansi yang diperoleh lebih rendah dibandingkan dengan kapasitansi sebelum penerapan bias. Inilah sebabnya mengapa kapasitansi berkurang ketika bias DC diterapkan-maka istilah karakteristik bias DC.

Dari sudut pandang praktis, Anda dapat melihat dari grafik bahwa menggunakan bagian pengenal tegangan sangat kecil dan terendah menghasilkan kinerja terburuk. Juga, ada perubahan kapasitansi dengan suhu - biasanya turun untuk suhu tinggi dan rendah. Dan efek penuaan - lagi turun.

Mungkin penting untuk menyebutkan bahwa pengurangan kapasitansi dengan meningkatnya tegangan bukan properti semua kapasitor. Ini hanya benar-benar berlaku untuk dielektrik feroelektrik seperti barium titanate, yang digunakan pada tipe X5R dan X7R. Ini adalah kapasitor pemasangan permukaan yang paling umum, karena ukurannya yang kecil untuk kapasitansi.

Dielektrik umum lainnya tidak menderita dari efek ini. Film poliester, film polipropilen, mika, dan tipe NP0 memiliki kapasitansi yang hampir konstan terlepas dari tegangan yang diberikan. Juga, tipe elektrolit terpolarisasi juga tidak berubah dengan voltase.

Sebenarnya, dielektrik lain memang memiliki koefisien tegangan kecil. Namun begitu kecil, sehingga tidak memiliki dampak penting, bahkan pada aplikasi dunia nyata yang sensitif jika Anda bekerja pada sebagian kecil dari tegangan kerusakan kapasitor.