ทำไมค่าความจุถึงเปลี่ยนไปพร้อมกับแรงดันไฟฟ้าที่นำไปใช้?

ฉันค้นหาฟอรัมและเอกสารมากมายใน google และยังไม่ได้เกิดอะไรขึ้น แม้กระทั่งถามคำสอนของฉันและพวกเขาก็ไม่รู้ ใครพูดอะไรบางอย่างเกี่ยวกับลักษณะพิเศษของ piezo แต่เธอไม่แน่ใจเกี่ยวกับเรื่องนี้ ดังนั้นนี่คือกราฟโดยผู้ขายการเปลี่ยนแปลงของค่าความจุมากกว่าแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับตัวเก็บประจุเซรามิก:

คำถามง่าย ๆ : ทำไมความจุของตัวเก็บประจุกับการเปลี่ยนแปลงความต่างศักย์ระหว่างขั้วของมัน?

กระดาษฉบับย่อจาก Vishay นี้แสดงให้เห็นว่าเป็นเพราะค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่แท้จริงของตัวเก็บประจุเซรามิกมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญภายใต้การเปลี่ยนแปลงความแข็งแรงของสนามไฟฟ้าที่ใช้ (อ่าน: แรงดันไฟฟ้า)

เพื่อความเป็นธรรมบันทึกย่อนั้นน่าจะมีจุดมุ่งหมายเพื่อผลักดันให้คนซื้อชิ้นส่วนแทนทาลัมของ Vishay แต่มีเอกสารอื่น ๆเกี่ยวกับเรื่องนี้เช่นกันซึ่งดูเหมือนจะนำไปสู่ปรากฏการณ์ทางกายภาพเดียวกัน - ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกนั้นคงที่ ใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง

การแก้ไขเพิ่มเติม: ตัวเก็บประจุเซรามิกส่วนใหญ่ที่ใช้สำหรับจุดประสงค์ในการแยกส่วนตามธรรมชาติมุ่งเน้นไปที่ประสิทธิภาพเชิงปริมาตรมากกว่าความเสถียร - โดยทั่วไปจะถูกจัดอันดับด้วย Y5V, X5R, X7R ฯลฯ สิ่งเหล่านี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อ dielectrics Type II วัสดุอิเล็กทริก

ค้นหาแบเรียมไททาเนตไดอิเล็กทริกกับผลกระทบของแรงดันไฟฟ้าฉันพบชิ้นอาหารอันโอชะต่อไปนี้จากหลักสูตรวัสดุศาสตร์:

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

มันเป็นพฤติกรรมที่รู้จักกันดีของความจุเทียบกับอุณหภูมิสำหรับไดอิเล็กทริกเหล่านี้และฉันเชื่อว่าสามารถอธิบายทางวิทยาศาสตร์ได้ด้วย:

เหนืออุณหภูมิคูรีโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองจะหายไปเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างผลึกและแบเรียมไททาเนตอยู่ในสถานะพิทักษ์รักษา

และฉันเชื่อว่านี่อาจอธิบายได้ว่าทำไมแรงดันไฟฟ้าถึงมีผลกระทบ:

การพึ่งพาขนาดเกรนแสดงให้เห็นว่าคล้ายกับค่าคงที่ไดอิเล็กทริกความแข็งแรงของผลผลิตเป็นคุณสมบัติที่ไวต่อโครงสร้างจุลภาค

กฎทั่วไปที่ดีคือการใช้ประโยชน์ของตัวเก็บประจุที่ได้รับการจัดอันดับอย่างน้อยสองเท่าของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งาน ฉันจะให้ความสนใจอย่างใกล้ชิดกับตัวเก็บประจุเซรามิกที่ใช้ในวงจรสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายซึ่งอาจเห็นกระแสระลอกคลื่นขนาดใหญ่มากในช่วงชีวิตของพวกเขา ตัวแปลงหลายตัวไม่เสถียรหรือไม่ทำงานเนื่องจากตัวเก็บประจุเอาท์พุท 47uF ที่สันนิษฐานว่าลดลงถึง 20uF จริง ๆ หรือด้วยแรงดันไฟฟ้าที่นำไปใช้ - ตรวจสอบแผ่นข้อมูลของผู้ผลิตสำหรับเส้นโค้งDC biasหรือที่คล้ายกัน

การแก้ไขครั้งล่าสุด - ผลกระทบ piezoelectric ที่ครูของคุณอ้างถึงเป็นลักษณะเฉพาะของตัวเก็บประจุเซรามิกซึ่งความเครียดทางกายภาพ / ความเครียด / การสั่นสะเทือนจะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าจริง ๆ นี่เป็นเพราะความเครียดทางกายภาพที่จริงแล้วเปลี่ยนรูปโครงสร้างของไดอิเล็กทริก (แบเรียมติตาเนต) การแตะตัวเก็บประจุแบบเซรามิกด้วยดินสอและตรวจสอบผลลัพธ์ด้วยโพรบขอบเขตควรแสดงสัญญาณรบกวน:

จากนี้หน้าเป็นรายละเอียดของกลไกซึ่งผมได้ยกมา below- ถ้าคุณต้องการมากขึ้นคุณจะต้องมองในเรื่องของพฤติกรรมเซรามิก ferroelectric โปรดทราบว่านี่ไม่ใช่ปัญหาของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าและฟิล์ม

เมื่อเซรามิกประเภท BaTiO3 ได้รับความร้อนสูงกว่าจุด Curie โครงสร้างผลึกจะต้องผ่านการเปลี่ยนจาก tetragonal เป็นลูกบาศก์เฟส พร้อมกับการเปลี่ยนแปลงนี้โพลาไรซ์ที่เกิดขึ้นเองในโดเมนจะหายไป เมื่อระบายความร้อนต่ำกว่าจุด Curie การเปลี่ยนแปลงจะเปลี่ยนจากลูกบาศก์เป็น tetragonal และธัญพืชจะได้รับความเครียดจากการบิดเบี้ยวของสภาพแวดล้อมพร้อมกัน ณ จุดนี้มีการสร้างโดเมนขนาดเล็กจำนวนมากในธัญพืชและโพลาไรเซชันแบบธรรมชาติของแต่ละโดเมนสามารถย้อนกลับได้อย่างง่ายดายด้วยสนามไฟฟ้าต่ำ เนื่องจากค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสัมพัทธ์สอดคล้องกับการกลับขั้วโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองต่อปริมาตรหน่วยจึงมีการวัดเป็นความจุที่สูงขึ้น

คุณสมบัติความจุและแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง DC Bias Characteristic ความท้าทายไม่ใช่การโพลาไรซ์ที่เกิดขึ้นเอง แต่เป็นการย้อนกลับ เมื่อโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองจะถูกย้อนกลับโดยไม่มีแรงดันไฟฟ้า (ไม่มีอคติ DC) MLCCs จะมีความจุสูง อย่างไรก็ตามหากมีอคติภายนอกถูกนำไปใช้กับกระบวนการโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองการกลับโพลาไรเซชันแบบอิสระโดยอิสระนั้นยากกว่ามาก เป็นผลให้ความจุที่ได้รับนั้นต่ำกว่าเมื่อเทียบกับความจุก่อนที่จะประยุกต์ใช้อคติ นี่คือเหตุผลที่ความจุลดลงเมื่อมีการใช้อคติ DC ดังนั้นจึงเป็นลักษณะของ DC bias

จากมุมมองของภาคปฏิบัติคุณสามารถดูได้จากกราฟที่ใช้ชิ้นส่วนที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำสุดและต่ำสุดซึ่งนำไปสู่ประสิทธิภาพที่แย่ที่สุด นอกจากนี้ยังมีการเปลี่ยนแปลงของความจุที่มีอุณหภูมิ - มักจะลดลงสำหรับทั้งสูงและต่ำ และผลกระทบของริ้วรอย - ลดลงอีกครั้ง

อาจเป็นเรื่องสำคัญที่จะกล่าวถึงว่าการลดความจุด้วยการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าไม่ใช่ทรัพย์สินของตัวเก็บประจุทั้งหมด มันใช้กับเฟอร์โรอิเล็กทริกอิเล็กทริกเช่นแบเรียมติตาเนตที่ใช้ในประเภท X5R และ X7R เท่านั้น นี่คือตัวเก็บประจุแบบยึดพื้นผิวที่พบบ่อยที่สุดเนื่องจากมีขนาดเล็กสำหรับตัวเก็บประจุ

dielectrics ทั่วไปอื่น ๆ ไม่ได้รับผลกระทบนี้ ฟิล์มโพลีเอสเตอร์ฟิล์มโพลีโพรพีลีนไมกาและ NP0 มีความจุเกือบคงที่โดยไม่คำนึงถึงแรงดันไฟฟ้า นอกจากนี้ชนิดอิเล็กโทรไลต์โพลาไรซ์ก็ไม่ได้เปลี่ยนไปตามแรงดันไฟฟ้า

ที่จริงแล้ว dielectrics อื่น ๆ มีค่าสัมประสิทธิ์แรงดันไฟฟ้าขนาดเล็ก มันมีขนาดเล็กมาก แต่ก็ไม่ได้มีผลกระทบที่สำคัญแม้ในการใช้งานจริงที่มีความละเอียดอ่อนหากคุณทำงานด้วยแรงดันพังทลายของตัวเก็บประจุในระดับต่ำ