为什么电容值会随着施加的电压而变化?
Vishay 的这篇快速论文表明,这是由于陶瓷电容器的实际介电常数在施加的电场强度变化(读取:电压)下发生显着变化。
公平地说,该特别说明可能是为了促使人们购买 Vishay 的钽零件,但也有其他关于该主题的论文似乎导致了相同的物理现象——介电常数很好,在施加的直流电压。
进一步编辑:大多数用于去耦目的的陶瓷电容器自然关注体积效率而不是稳定性——这些通常额定为 Y5V、X5R、X7R 等。这些是所谓的 II 型电介质,通常用钛酸钡作为介电材料。
在搜索钛酸钡电介质与电压效应时,我从材料科学课程中发现了以下花絮:
(来源:http ://www.eng.buffalo.edu/Classes/mae538/MAE4389.ppt )
这是这些电介质的电容与温度的众所周知的行为,我相信可以用以下方法进行科学解释:
在居里温度以上,由于晶体结构的变化,自发极化消失,钛酸钡处于顺电状态。
我相信这可以解释为什么电压会产生影响:
晶粒尺寸依赖性表明,类似于屈服强度介电常数是一种微观结构敏感特性。
一般来说,一个好的经验法则是使用额定工作电压至少为预期工作电压两倍的电容器。我会密切关注开关电源电路中使用的陶瓷电容器,这些电容器在其使用寿命期间可能会出现非常大的纹波电流。许多转换器变得不稳定或无法执行,因为假设的 47uF 输出电容器在施加电压时确实下降到 20uF 左右——请务必查看制造商的数据表中的直流偏置曲线或类似曲线。
最后一次编辑——你的老师提到的压电效应是陶瓷电容器有些独特的特性,其中物理应力/应变/振动实际上会产生电压。这是由于物理应力实际上使电介质(钛酸钡)的晶格结构变形。用铅笔轻敲陶瓷电容器并用示波器探头监测其输出应该会显示噪声:
从这个页面是对机制的描述,我在下面引用了它——如果你想要更多,你必须研究铁电陶瓷的行为。请注意,对于电解电容器和薄膜电容器,这并不是真正的问题。
当 BaTiO3 型陶瓷加热到居里点以上时,晶体结构经历从四方相到立方相的转变。随着这种转变,域中的自发极化消失。当冷却到居里点以下时,从立方转变为四方,晶粒同时受到来自周围变形的应力。此时,晶粒中产生了几个小畴,每个畴的自发极化可以很容易地在低电场下逆转。由于相对介电常数对应于每单位体积自发极化的反转,因此它被测量为更高的电容。
电容和直流电压特性。直流偏置特性 挑战不在于自发极化,而在于逆转它。当自发极化在无电压应力(无直流偏压)下反转时,MLCC 实现了高电容。然而,如果对自发极化过程施加外部偏压,则自发极化的自由反转要困难得多。结果,获得的电容与施加偏置之前的电容相比较低。这就是为什么当施加直流偏压时电容会减小——因此称为直流偏压特性。
从实际的角度来看,您可以从图表中看到,使用最小和最低额定电压的部件会导致最差的性能。此外,电容随温度而变化——通常在高温和低温下都会下降。和老化效应 - 再次下降。
值得一提的是,随着电压的增加,电容的减小并不是所有电容器的特性。它仅适用于钛酸钡等铁电介质,用于 X5R 和 X7R 类型。这些是最常见的表面贴装电容器,因为它们的电容尺寸很小。
其他常见的电介质不会受到这种影响。无论施加何种电压,聚酯薄膜、聚丙烯薄膜、云母和 NP0 类型都具有几乎恒定的电容。此外,极化电解类型也不随电压变化。
实际上,其他电介质确实具有较小的电压系数。然而,它是如此之小,以至于即使在敏感的实际应用中,如果您在电容器击穿电压的一小部分下工作,它也不会产生重要影响。