¿Por qué cambia el valor de la capacitancia con el voltaje aplicado?

Question

He buscado en muchos foros y documentos en Google y no he encontrado nada. Incluso pregunté a mis profesores y ellos no lo sabían. Una dijo algo sobre el efecto piezoeléctrico pero no estaba segura de ello. Así que aquí está un gráfico de un vendedor, cambio del valor de la capacitancia sobre el voltaje aplicado en el condensador de cerámica:

La pregunta es simple: ¿Por qué un condensador capacita con el cambio de su diferencia de voltaje entre sus polos?

Answer 1

Este documento rápido de Vishay sugiere que se debe a que la constante dieléctrica real del condensador cerámico cambia significativamente bajo las variaciones de intensidad del campo eléctrico aplicado (léase: voltaje).

Para ser justos, esa nota en particular probablemente tiene la intención de llevar a la gente a comprar las piezas de tantalio de Vishay, pero hay otras documentos sobre el tema también que parecen llevar a los mismos fenómenos físicos -- la constante dieléctrica es bien, no constante bajo un voltaje DC aplicado.

Editar más: La mayoría de los condensadores cerámicos utilizados con fines de desacoplamiento se centran, naturalmente, en la eficiencia volumétrica por encima de la estabilidad: suelen estar clasificados con Y5V, X5R, X7R, etc. Son lo que se conoce como dieléctricos de tipo II, y generalmente se construyen con titanato de bario como material dieléctrico.

Buscando los efectos del dieléctrico del titanato de bario frente al voltaje, encontré la siguiente información de un curso de ciencia de los materiales:

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

Es un comportamiento bien conocido de la capacitancia frente a la temperatura para estos dieléctricos, y creo que se puede explicar científicamente con:

Por encima de la temperatura de Curie, la polarización espontánea se pierde debido a un cambio en la estructura cristalina y el titanato de bario se encuentra en el estado paraeléctrico.

Y creo que esto puede explicar por qué la tensión tiene el efecto que tiene:

La dependencia del tamaño de grano muestra que, al igual que la resistencia al rendimiento, la constante dieléctrica es una propiedad sensible a la microestructura.

Una buena regla general es utilizar condensadores con una capacidad nominal de al menos el doble de la tensión de trabajo prevista. Yo prestaría mucha atención a los condensadores cerámicos utilizados en los circuitos de fuentes de alimentación conmutadas que pueden ver corrientes de ondulación muy grandes durante su vida útil. Muchos convertidores se han vuelto inestables o no han funcionado porque el supuesto condensador de salida de 47uF realmente cayó a 20uF o algo así con la tensión aplicada -- compruebe siempre la hoja de datos del fabricante para ver el Sesgo de CC curva o similar.

Última edición -- el efecto piezoeléctrico su profesor se refirió a la característica algo única de los condensadores cerámicos, en los que la tensión física / el esfuerzo / las vibraciones inducirán realmente una tensión. Esto se debe a que la tensión física deforma la estructura de la red del dieléctrico (titanato de bario). Si se golpea un condensador cerámico con un lápiz y se monitoriza su salida con una sonda de alcance, se verá el ruido:

Answer 2

Desde este es una descripción del mecanismo, que he citado a continuación - si quieres más, tendrás que buscar en el comportamiento de la cerámica ferroeléctrica. Tenga en cuenta que esto no es realmente un problema con los condensadores electrolíticos y de película.

Cuando las cerámicas del tipo BaTiO3 se calientan por encima del punto de Curie, la estructura cristalina pasa por una transición de la fase tetragonal a la cúbica. Junto con esta transición, desaparece la polarización espontánea en los dominios. Cuando se enfría por debajo del punto de Curie, la transición se invierte de la fase cúbica a la tetragonal, y los granos reciben simultáneamente la tensión de la distorsión del entorno. En este punto, se generan varios dominios pequeños en los granos, y la polarización espontánea de cada dominio puede invertirse fácilmente con un campo eléctrico bajo. Dado que la constante dieléctrica relativa se corresponde con la inversión de la polarización espontánea por unidad de volumen, se mide como una mayor capacitancia.

Características de capacitancia y tensión continua. Característica de polarización de CC El reto no está en la polarización espontánea, sino en invertirla. Cuando la polarización espontánea se invierte sin tensión (sin polarización de CC), los MLCC alcanzan una alta capacidad. Sin embargo, si se aplica una polarización externa al proceso de polarización espontánea, la inversión libre de la polarización espontánea es mucho más difícil. Como resultado, la capacitancia obtenida es menor comparada con la capacitancia antes de la aplicación del sesgo. Por ello, la capacitancia disminuye cuando se aplica la polarización de CC; de ahí el término característica de polarización de CC.

Desde un punto de vista práctico, se puede ver en el gráfico que el uso de la parte más pequeña y de menor voltaje nominal conduce al peor rendimiento. Además, hay cambios en la capacitancia con la temperatura, que suelen ser menores tanto para las temperaturas elevadas como para las bajas. Y los efectos del envejecimiento, también a la baja.

Answer 3

Probablemente sea importante mencionar que la reducción de la capacitancia con el aumento de la tensión no es una propiedad de todos los condensadores. Sólo se aplica realmente a los dieléctricos ferroeléctricos como el titanato de bario, utilizado en los tipos X5R y X7R. Estos son los condensadores de montaje superficial más comunes, debido a su pequeño tamaño para la capacitancia.

Otros dieléctricos comunes no sufren este efecto. La película de poliéster, la película de polipropileno, la mica y los tipos NP0 tienen una capacitancia casi constante independientemente de la tensión aplicada. Además, los tipos electrolíticos polarizados tampoco cambian con la tensión.

Answer 4

En realidad, otros dieléctricos tienen un pequeño coeficiente de tensión. Sin embargo, es tan pequeño que no tiene un impacto importante, incluso en aplicaciones sensibles del mundo real, si se trabaja con una fracción baja de la tensión de ruptura del condensador.