Condensateur
Guide des condensateurs
Les caractéristiques de tension de la capacité électrostatique
Bonjour à tous.
Cette rubrique technique décrit les faits de base concernant les condensateurs.
Cette leçon décrit les caractéristiques de tension de la capacité électrostatique.
Caractéristiques de tension
Le phénomène par lequel la valeur effective de la capacité d'un condensateur change en fonction de la tension du courant continu (CC) ou du courant alternatif (CA) est appelé caractéristiques de tension. On dit que les condensateurs ont de bonnes caractéristiques de tension lorsque cette largeur de variance est faible, ou de mauvaises caractéristiques de température lorsque la largeur de variance est importante. Lors de l'utilisation de condensateurs dans des équipements électroniques destinés à des applications telles que l'élimination des ondulations dans les lignes électriques, la conception doit tenir compte des conditions de tension de fonctionnement.
1. Caractéristique de polarisation en courant continu
La caractéristique de polarisation du courant continu fait référence au phénomène par lequel la capacité électrostatique effective change (diminue) lorsqu'une tension continue est appliquée à un condensateur. Ce phénomène est propre aux condensateurs céramiques multicouches à constante diélectrique élevée qui utilisent des ferroélectriques à base de titanate de baryum, et ne se produit pas du tout dans les condensateurs électrolytiques à polymère conducteur d'aluminium (polymère Al), les condensateurs électrolytiques à polymère conducteur de tantale (polymère Ta), les condensateurs à film (film) et les condensateurs céramiques multicouches à compensation de température qui utilisent des paraélectriques à base d'oxyde de titane ou de zirconate de calcium (MLCC<C0G>) (voir la figure 1).
Je vais utiliser un exemple pour expliquer ce qui se passe réellement. Imaginons qu'une tension continue de 1,8 V soit appliquée à un condensateur céramique multicouche à constante diélectrique élevée, d'une tension nominale de 6,3 V et d'une capacité électrostatique de 100 uF. Dans ce cas, la capacité électrostatique d'un produit ayant des caractéristiques de température X5R diminue d'environ 10 %, de sorte que la valeur effective de la capacité devient 90 uF. En outre, la capacité électrostatique d'un produit aux caractéristiques Y5V diminue d'environ 40 %, de sorte que la valeur de la capacité effective devient 60 uF.
Lorsqu'une tension continue est appliquée à un ferroélectrique à base de titanate de baryum, la densité du flux électrique (D) et le champ électrique (E) sont proportionnels lorsque le champ électrique est faible. Cependant, lorsque le champ électrique augmente, la polarisation spontanée (Ps) qui était orientée dans différentes directions commence à se réorganiser dans la direction du champ électrique, le matériau présente une constante diélectrique extrêmement élevée et la valeur de la capacité effective augmente. Lorsque le champ électrique augmente encore jusqu'au point où le réarrangement spontané de la polarisation prend fin et où la polarisation devient saturée, la constante diélectrique devient plus petite et la valeur de la capacité effective diminue (voir figure 2).
C'est pourquoi, lors de la sélection de condensateurs céramiques multicouches, la capacité électrostatique indiquée dans le catalogue ne doit pas être acceptée sans discussion. Il faut plutôt mesurer la capacité électrostatique tout en appliquant la composante de tension continue de la ligne d'alimentation (signal) où le condensateur doit être utilisé, et comprendre la valeur de la capacité effective. Toutefois, cette caractéristique de polarisation du courant continu est telle que la diminution de la capacité électrostatique devient plus faible à mesure que la composante de tension continue appliquée diminue. Récemment, des puces à semi-conducteurs telles que les FPGA et les ASIC qui fonctionnent avec une tension d'alimentation (tension continue) inférieure à 1 V ont fait leur apparition, et les problèmes liés aux caractéristiques de polarisation en courant continu ne sont pas si importants pour les condensateurs céramiques multicouches utilisés dans les lignes d'alimentation de ces puces à semi-conducteurs.
2. Caractéristique de la tension alternative
La caractéristique de tension alternative fait référence au phénomène par lequel la capacité électrostatique effective change (augmente ou diminue) lorsqu'une tension alternative est appliquée à un condensateur. Comme la caractéristique de polarisation en courant continu, ce phénomène est propre aux condensateurs céramiques multicouches à constante diélectrique élevée qui utilisent des ferroélectriques à base de titanate de baryum, et ne se produit pas du tout dans les condensateurs électrolytiques à polymère conducteur d'aluminium (polymère Al), les condensateurs électrolytiques à polymère conducteur de tantale (polymère Ta), les condensateurs à film (film) et les condensateurs céramiques multicouches à compensation de température qui utilisent des paraélectriques à base d'oxyde de titane ou de zirconate de calcium (MLCC<C0G>) (voir figure 3).
Par exemple, imaginons le cas où une tension alternative (fréquence : 120 Hz) de 0,2 Vrms est appliquée à un condensateur céramique multicouche à constante diélectrique élevée avec une tension nominale de 6,3 V et une capacité électrostatique de 22 uF. Dans ce cas, la capacité électrostatique d'un produit ayant des caractéristiques de température X5R diminue d'environ 10 %, de sorte que la valeur effective de la capacité devient 20 uF. En outre, la capacité électrostatique d'un produit aux caractéristiques Y5V diminue d'environ 20 %, de sorte que la valeur de la capacité effective devient 18 uF.
Comme décrit ci-dessus, les grains des céramiques ferroélectriques ont des domaines, et la polarisation spontanée (Ps) de chaque domaine est orientée de manière aléatoire, ce qui équivaut à l'état sans polarisation globale. Lorsqu'un champ électrique (E) est appliqué à une céramique ferroélectrique dans cet état, la polarisation s'aligne dans la direction du champ électrique et atteint la valeur de saturation. Même lorsque le champ électrique est supprimé, la direction de la polarisation ne revient pas à l'état aléatoire d'origine, mais reste partiellement dans l'état polarisé, ce qui apparaît extérieurement comme une polarisation résiduelle. Pour ramener cette polarisation résiduelle à 0 (zéro), il faut un champ électrique de direction opposée. En outre, lorsque le champ électrique inverse est encore renforcé, la polarisation s'inverse et le matériau est polarisé dans la direction opposée. De cette manière, le comportement de polarisation des ferroélectriques sous l'effet d'un champ électrique externe dessine une courbe d'hystérésis D-E, comme le montre la figure 4.
Une grande distorsion de la forme d'onde se produit dans le courant circulant dans un condensateur ferroélectrique dans des conditions de tension alternative élevée, de sorte que la définition des matériaux linéaires (*1) ne peut pas être appliquée telle quelle. Toutefois, on peut affirmer sans risque que la constante diélectrique (εr) obtenue à partir de la valeur de la capacité effective est à peu près équivalente à la pente moyenne de la courbe d'hystérésis (les lignes droites indiquées par des pointillés dans la figure 4).
*1Matériau linéaire: Un matériau qui présente des caractéristiques linéaires de contrainte-déformation, c'est-à-dire des caractéristiques de matériau où la contrainte σ est proportionnelle à la déformation ε.
La prochaine leçon décrira les caractéristiques de fréquence de la capacité électrostatique.
Au plaisir de vous revoir !
Responsable：Zakipedia, Component Business Unit, Murata Manufacturing Co, Ltd.
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