Pourquoi la valeur de la capacité change-t-elle avec la tension appliquée?

J'ai cherché dans de nombreux forums et articles sur Google et je n'ai rien trouvé. Même demandé mon enseigne et ils ne savaient pas. L'une a dit quelque chose sur l'effet piézo mais elle n'en était pas sûre. Voici donc un graphique d'un fournisseur, changement de la valeur de la capacité sur la tension appliquée sur le condensateur en céramique:

La question est simple: pourquoi une capacité des condensateurs avec le changement de sa différence de tension entre ses polaires?

Ce bref article de Vishay suggère que cela est dû à la constante diélectrique réelle du condensateur céramique qui change considérablement sous les variations d'intensité du champ électrique appliqué (lire: tension).

Pour être honnête, cette note particulière est probablement destinée à inciter les gens à acheter des pièces de tantale de Vishay, mais il existe également d'autres articles sur le sujet qui semblent conduire aux mêmes phénomènes physiques - la constante diélectrique est bien, pas constante sous un tension continue appliquée.

Édition supplémentaire: La plupart des condensateurs en céramique utilisés à des fins de découplage se concentrent naturellement sur l'efficacité volumétrique plutôt que sur la stabilité - ceux-ci sont généralement classés avec Y5V, X5R, X7R, etc. le matériau diélectrique.

En recherchant les effets diélectriques du titanate de baryum par rapport aux effets de tension, j'ai trouvé la friandise suivante d'un cours de science des matériaux:

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

C'est un comportement bien connu de la capacité en fonction de la température pour ces diélectriques, et je crois que cela peut être expliqué scientifiquement avec:

Au-dessus de la température de Curie, la polarisation spontanée est perdue en raison d'un changement de structure cristalline et le titanate de baryum est à l'état paraélectrique.

Et je crois que cela peut expliquer pourquoi la tension a l'effet qu'elle a:

La dépendance de la taille des grains montre que, semblable à la constante diélectrique de la limite d'élasticité, est une propriété sensible à la microstructure.

Une bonne règle générale consiste à utiliser des condensateurs qui sont évalués à au moins deux fois la tension de fonctionnement attendue. Je porterais une attention particulière aux condensateurs céramiques utilisés dans les circuits d'alimentation à découpage qui peuvent voir des courants d'ondulation très importants pendant leur durée de vie. Beaucoup de convertisseurs sont devenus instables ou n'ont pas fonctionné parce que le condensateur de sortie supposé de 47uF a vraiment chuté à 20uF ou plus avec la tension appliquée - vérifiez toujours la fiche technique du fabricant pour la courbe de polarisation CC ou similaire.

Dernière modification - l' effet piézoélectrique auquel votre professeur a fait référence est la caractéristique quelque peu unique des condensateurs en céramique où les contraintes / déformations / vibrations physiques induiront en fait une tension. Cela est dû à la contrainte physique qui déforme réellement la structure du réseau du diélectrique (titanate de baryum). Tapoter un condensateur en céramique avec un crayon et surveiller sa sortie avec une sonde de portée devrait montrer le bruit:

Sur cette page est une description du mécanisme, que j'ai cité ci-dessous - si vous en voulez plus, vous devrez vous pencher sur le comportement de la céramique ferroélectrique. Notez que ce n'est pas vraiment un problème avec les condensateurs électrolytiques et à film.

Lorsque les céramiques de type BaTiO3 sont chauffées au-dessus du point Curie, la structure cristalline passe par une transition de la phase tétragonale à la phase cubique. Parallèlement à cette transition, la polarisation spontanée dans les domaines disparaît. Lorsqu'elle est refroidie en dessous du point de Curie, la transition passe du cubique au tétragonal, et les grains reçoivent simultanément une contrainte de la distorsion de l'environnement. À ce stade, plusieurs petits domaines dans les grains sont générés et la polarisation spontanée de chaque domaine peut être facilement inversée avec un faible champ électrique. Étant donné que la constante diélectrique relative correspond à l'inversion de la polarisation spontanée par unité de volume, elle est mesurée comme une capacité plus élevée.

Caractéristiques de capacité et de tension continue. Caractéristiques du biais DC Le défi ne réside pas dans la polarisation spontanée, mais dans son inversion. Lorsque la polarisation spontanée est inversée sous aucune contrainte de tension (pas de polarisation CC), les MLCC atteignent une capacité élevée. Cependant, si un biais externe est appliqué au processus de polarisation spontanée, l'inversion libre de la polarisation spontanée est beaucoup plus difficile. Par conséquent, la capacité acquise est inférieure à la capacité avant l'application de la polarisation. C'est pourquoi la capacité diminue lorsque la polarisation CC est appliquée - d'où le terme caractéristique de polarisation CC.

D'un point de vue pratique, vous pouvez voir sur le graphique que l'utilisation de la partie la plus petite et la plus basse tension nominale conduit à la pire performance. En outre, il y a des changements de capacité avec la température - généralement à la baisse pour les températures élevées et basses. Et les effets du vieillissement - encore une fois en baisse.

Il est probablement important de mentionner que la réduction de la capacité avec l'augmentation de la tension n'est pas une propriété de tous les condensateurs. Cela ne s'applique vraiment qu'aux diélectriques ferroélectriques comme le titanate de baryum, utilisé dans les types X5R et X7R. Ce sont les condensateurs à montage en surface les plus courants, en raison de leur petite taille pour la capacité.

D'autres diélectriques courants ne souffrent pas de cet effet. Les types de film polyester, polypropylène, mica et NP0 ont une capacité presque constante quelle que soit la tension appliquée. De plus, les types électrolytiques polarisés ne changent pas non plus avec la tension.

En fait, d'autres diélectriques ont un petit coefficient de tension. Cependant, il est si petit qu'il n'a aucun impact important, même sur les applications sensibles du monde réel si vous travaillez à une faible fraction de la tension de claquage du condensateur.