大家好。本專欄是電容器基礎(chǔ)的技術(shù)專欄。
本期將對"靜電容量的電壓特性"進行說明。
電壓特性 電容器的實際靜電容量值隨著直流(DC)與交流(AC)電壓而變化的現(xiàn)象叫做電壓特性。
該變化幅度越小，說明電壓特性越好，幅度越大，說明電壓特性越差。以消除電源線紋波等為目的在電子設(shè)備上使用電容器時，必須設(shè)想使用電壓條件進行設(shè)計。
1. 直流偏置特性 直流偏置特性是指，對電容器施加直流電壓時實際靜電容量發(fā)生變化(減少)的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是使用了鈦酸鋇系鐵電體的高介電常數(shù)類片狀多層陶瓷電容器特有的現(xiàn)象，導(dǎo)電性高分子的鋁電解電容器(高分子AI)和導(dǎo)電性高分子鉭電解電容器(高分子Ta)、薄膜電容器(Film)、氧化鈦和使用了鋯酸鈣系順電體的溫度補償用片狀多層陶瓷電容器(MLCC<C0G>)上幾乎不會發(fā)生這種現(xiàn)象(參照圖1)。
下面舉例說明實際上是如何發(fā)生的。假設(shè)額定電壓為6.3V，靜電容量為100uF的高介電常數(shù)片狀多層陶瓷電容器上施加了1.8V的直流電壓。此時，溫度特性為X5R的產(chǎn)品，靜電容量減少約10%，實際靜電容量值變成90uF。而Y5V的產(chǎn)品，靜電容量減少約40%，實際靜電容量變成60uF。
(圖1)各種電容器的靜電容量變化率-直流偏置特性(示例) 向鈦酸鋇系鐵電體施加直流電壓時，電場小時，電位移(D)與電場(E)成正比，但隨著電場增大，原本方向混亂的自發(fā)極化(Ps)開始沿電場的方向整齊排列，顯示非常大的介電常數(shù)，實際靜電容量值增大。隨電場進一步增強，不久自發(fā)極化整齊排列完畢，分極飽和后，介電常數(shù)變小，實際靜電容量值變小(參照圖2)。
因此，在選擇多層陶瓷電容器時，請不要完全按照產(chǎn)品目錄上記載的靜電容量進行選擇。必須先向適用的電源(信號)線施加直流電壓成分，測定靜電容量，掌握實際靜電容量值的情況。但是，這種直流偏置特性施加的直流電壓成分越低，靜電容量減少幅度越小。最近市面上出現(xiàn)了以突破1V的電源電壓(直流電壓)工作的FPGA和ASIC等半導(dǎo)體芯片。如把多層陶瓷電容器使用在這種芯片的電源線上時，不會出現(xiàn)很明顯的直流偏置特性問題。
(圖2)向鐵電體陶瓷施加電壓時的狀態(tài)2. 交流電壓特性
交流電壓特性是指，對電容器施加交流電壓時實際靜電容量發(fā)生變化(增減)的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象與直流偏置現(xiàn)象相同，是使用鈦酸鋇系鐵電體的高介電常數(shù)類片狀多層陶瓷電容器特有的現(xiàn)象，導(dǎo)電性高分子的鋁電解電容器(高分子AI)和導(dǎo)電性高分子鉭電解電容器(高分子Ta)、薄膜電容器(Film)、氧化鈦和使用鋯酸鈣系的順電體的溫度補償用片狀多層陶瓷電容器(MLCC<C0G>)上幾乎不會發(fā)生這種現(xiàn)象(參照圖3)。
假設(shè)對額定電壓為6.3V，靜電容量為22uF的高介電常數(shù)片狀多層陶瓷電容器施加0.2Vrms的交流電壓(頻率：120Hz)。此時，溫度特性為X5R產(chǎn)品的情況，靜電容量減少約10%，實際靜電容量值變成20uF。而Y5V產(chǎn)品更甚，靜電容量減少約20%，實際靜電容量變成18uF。
(圖3)各種電容器的靜電容量變化率-交流電壓特性(示例) 如上所述，鐵電體陶瓷的結(jié)晶粒(Grain)有分域(Domain)，各個自發(fā)極化(Ps)的方向是隨機的，整體上相當(dāng)于無極化的狀態(tài)。在此之上施加電場(E)時，電場方向上產(chǎn)生極化，達(dá)到飽和值。在這種狀態(tài)下即使去除電場，極化方向也不會回到原來無序隨機的狀態(tài)，多少會停留在極化時的狀態(tài)上，形成殘留極化，在外部顯現(xiàn)。為了讓這種殘留極化歸零，需要反方向的電場。逆電場進一步增強時會發(fā)生極化反轉(zhuǎn)，向相反方向進行極化。類似這樣的因外部電場而引起的鐵電體的極化動作如圖4的D-E歷史曲線(磁滯曲線)。
在交流高電壓下，流經(jīng)電容器的電流在鐵電體的情況下會產(chǎn)生較大的波形失真，因此不能直接適用于線性材料的定義(*1)。但是，從實際靜電容量值求得的相對介電常數(shù)(εr)也可以說成是磁滯曲線的平均傾斜度(圖4虛線)。
(圖4)鐵電體的D-E磁滯曲線 *1 線性材料???應(yīng)力應(yīng)變特性為線性，即應(yīng)力σ與形變ε成正比的材料特性。
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