Kondensator
Kondensator-Leitfaden
Die Spannungseigenschaften der elektrostatischen Kapazität
Ich grüße Sie alle.
Diese technische Kolumne beschreibt die grundlegenden Fakten über Kondensatoren.
In dieser Lektion werden die Spannungseigenschaften der elektrostatischen Kapazität beschrieben.
Spannungscharakteristik
Das Phänomen, dass sich der effektive Kapazitätswert eines Kondensators in Abhängigkeit von der Gleich- oder Wechselspannung ändert, wird als Spannungseigenschaften bezeichnet. Man sagt, dass Kondensatoren gute Spannungscharakteristiken haben, wenn diese Varianzbreite klein ist, oder schlechte Temperaturcharakteristiken, wenn die Varianzbreite groß ist. Bei der Verwendung von Kondensatoren in elektronischen Geräten, die z. B. zur Unterdrückung der Restwelligkeit von Stromleitungen eingesetzt werden, müssen die Betriebsspannungsbedingungen beim Entwurf berücksichtigt werden.
1. DC-Vorspannungskennlinie
DC-Bias-Charakteristik bezieht sich auf das Phänomen, dass sich die effektive elektrostatische Kapazität ändert (abnimmt), wenn eine Gleichspannung an einen Kondensator angelegt wird. Dieses Phänomen ist eine Besonderheit von keramischen Vielschichtkondensatoren mit hoher Dielektrizitätskonstante, die Ferroelektrika auf Bariumtitanat-Basis verwenden, und tritt bei leitfähigen Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren (Polymer Al), leitfähigen Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren (Polymer Ta), Folienkondensatoren (Film) und temperaturkompensierenden keramischen Vielschichtkondensatoren, die Paraelektrika auf Titanoxid- oder Calciumzirkonat-Basis verwenden (MLCC<C0G>), kaum auf (siehe Abbildung 1).
Anhand eines Beispiels möchte ich erklären, was tatsächlich geschieht. Stellen Sie sich den Fall vor, dass eine Gleichspannung von 1,8 V an einen keramischen Vielschichtkondensator mit hoher Dielektrizitätskonstante mit einer Nennspannung von 6,3 V und einer elektrostatischen Kapazität von 100 uF angelegt wird. In diesem Fall verringert sich die elektrostatische Kapazität eines Produkts mit X5R-Temperatureigenschaften um etwa 10 %, so dass der effektive Kapazitätswert 90 uF beträgt. Darüber hinaus sinkt die elektrostatische Kapazität eines Produkts mit Y5V-Charakteristik um ca. 40 %, so dass der effektive Kapazitätswert 60 uF beträgt.
Wenn eine Gleichspannung an ein Ferroelektrikum auf Bariumtitanatbasis angelegt wird, sind die elektrische Flussdichte (D) und das elektrische Feld (E) proportional, wenn das elektrische Feld klein ist. Wenn das elektrische Feld jedoch zunimmt, beginnt die spontane Polarisation (Ps), die in verschiedene Richtungen ausgerichtet war, sich in Richtung des elektrischen Feldes umzuordnen, das Material weist eine extrem große Dielektrizitätskonstante auf und der effektive Kapazitätswert steigt. Wenn das elektrische Feld weiter ansteigt, bis zu dem Punkt, an dem die spontane Polarisationsumlagerung endet und die Polarisation gesättigt wird, wird die Dielektrizitätskonstante kleiner und der effektive Kapazitätswert sinkt (siehe Abbildung 2).
Aus diesem Grund sollte bei der Auswahl von keramischen Vielschichtkondensatoren die im Katalog angegebene elektrostatische Kapazität nicht ohne Weiteres akzeptiert werden. Stattdessen muss die elektrostatische Kapazität gemessen werden, während die Gleichspannungskomponente der Stromversorgungs-(Signal-)Leitung angelegt wird, in der der Kondensator verwendet werden soll, um den effektiven Kapazitätswert zu ermitteln. Diese Gleichstromvorspannung ist jedoch so beschaffen, dass die elektrostatische Kapazität mit abnehmender Gleichspannungskomponente immer geringer wird. In jüngster Zeit sind Halbleiterchips wie FPGA und ASIC aufgetaucht, die mit einer Versorgungsspannung (Gleichspannung) von weniger als 1 V arbeiten, und die Probleme im Zusammenhang mit der Gleichstromvorspannung sind bei keramischen Vielschichtkondensatoren, die in den Stromversorgungsleitungen dieser Halbleiterchips verwendet werden, nicht so auffällig.
2. Wechselspannungskennlinie
Die Wechselspannungscharakteristik bezieht sich auf das Phänomen, dass sich die effektive elektrostatische Kapazität ändert (zunimmt oder abnimmt), wenn eine Wechselspannung an einen Kondensator angelegt wird. Wie die Gleichspannungskennlinie ist dieses Phänomen typisch für keramische Vielschichtkondensatoren mit hoher Dielektrizitätskonstante, die Ferroelektrika auf Bariumtitanatbasis verwenden, und tritt bei leitfähigen Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren (Polymer Al), leitfähigen Polymer-Tantal-Elektrolytkondensatoren (Polymer Ta), Folienkondensatoren (Film) und temperaturkompensierenden keramischen Vielschichtkondensatoren, die Paraelektrika auf Titanoxid- oder Calciumzirkonatbasis verwenden (MLCC<C0G>) (siehe Abbildung 3).
Stellen Sie sich beispielsweise vor, dass an einen keramischen Vielschichtkondensator mit hoher Dielektrizitätskonstante mit einer Nennspannung von 6,3 V und einer elektrostatischen Kapazität von 22 uF eine Wechselspannung (Frequenz: 120 Hz) von 0,2 Vrms angelegt wird. In diesem Fall verringert sich die elektrostatische Kapazität eines Produkts mit X5R-Temperatureigenschaften um etwa 10 %, so dass der effektive Kapazitätswert 20 uF beträgt. Darüber hinaus sinkt die elektrostatische Kapazität eines Produkts mit Y5V-Charakteristik um ca. 20 %, so dass der effektive Kapazitätswert 18 uF beträgt.
Wie oben beschrieben, haben die Körner ferroelektrischer Keramiken Domänen, und die spontane Polarisation (Ps) jeder Domäne ist zufällig ausgerichtet, was dem Zustand ohne Gesamtpolarisation entspricht. Wenn ein elektrisches Feld (E) an eine ferroelektrische Keramik in diesem Zustand angelegt wird, richtet sich die Polarisation in Richtung des elektrischen Feldes aus und erreicht den Sättigungswert. Selbst wenn das elektrische Feld aus diesem Zustand entfernt wird, kehrt die Polarisationsrichtung nicht in den ursprünglichen Zufallszustand zurück, sondern verbleibt teilweise im polarisierten Zustand, was nach außen hin als Restpolarisation erscheint. Um diese Restpolarisation wieder auf 0 (Null) zu bringen, ist ein elektrisches Feld mit entgegengesetzter Richtung erforderlich. Wenn das umgekehrte elektrische Feld weiter verstärkt wird, kommt es zu einer Polarisationsumkehr und das Material wird in die entgegengesetzte Richtung polarisiert. Auf diese Weise zeichnet das Polarisationsverhalten von Ferroelektrika aufgrund eines äußeren elektrischen Feldes eine D-E-Hysteresekurve, wie in Abbildung 4 dargestellt.
Der Strom, der unter hohen Wechselspannungen in einen ferroelektrischen Kondensator fließt, ist stark verzerrt, so dass die Definition von linearen Materialien (*1) nicht ohne weiteres angewendet werden kann. Man kann jedoch mit Sicherheit sagen, dass die Dielektrizitätskonstante (εr), die sich aus dem effektiven Kapazitätswert ergibt, ungefähr der durchschnittlichen Steigung der Hysteresekurve entspricht (die gestrichelten Geraden in Abbildung 4).
*1Lineares Material: Ein Material, das eine lineare Spannungs-Dehnungs-Charakteristik aufweist, d. h. eine Materialcharakteristik, bei der die Spannung σ proportional zur Dehnung ε ist.
In der nächsten Lektion werden die Frequenzmerkmale der elektrostatischen Kapazität beschrieben.
Auf Wiedersehen!
Verantwortlicher：Zakipedia, Component Business Unit, Murata Manufacturing Co., Ltd.
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