大家好。本專欄是電容器基礎的技術專欄。
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備上使用電容器時，必須設想使用電壓條件進行設計。
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生變化(減少)的現象。這種現象是使用了鈦酸鋇系鐵電體的高介電常數類片狀多層陶瓷電容器特有的現象，導電性高分子的鋁電解電容器(高分子AI)和導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>)上幾乎不會發生這種現象(參照圖1)。
下面舉例說明實際上是如何發生的。假設額定電壓為6.3V，靜電容量為100uF的高介電常數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的產品，靜電容量減少約10%，實際靜電容量值變成90uF。而Y5V的產品，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，實際靜電容量值增大。隨電場進一步增強，不久自發極化整齊排列完畢，分極飽和后，介電常數變小，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。最近市面上出現了以突破1V的電源電壓(直流電壓)工作的FPGA和ASIC等半導體芯片。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生變化(增減)的現象。這一現象與直流偏置現象相同，是使用鈦酸鋇系鐵電體的高介電常數類片狀多層陶瓷電容器特有的現象，導電性高分子的鋁電解電容器(高分子AI)和導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>)上幾乎不會發生這種現象(參照圖3)。
假設對額定電壓為6.3V，靜電容量為22uF的高介電常數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，鐵電體陶瓷的結晶粒(Grain)有分域(Domain)，各個自發極化(Ps)的方向是隨機的，整體上相當于無極化的狀態。在此之上施加電場(E)時，電場方向上產生極化，達到飽和值。在這種狀態下即使去除電場，極化方向也不會回到原來無序隨機的狀態，多少會停留在極化時的狀態上，形成殘留極化，在外部顯現。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生極化反轉，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，流經電容器的電流在鐵電體的情況下會產生較大的波形失真，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(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???應力應變特性為線性，即應力σ與形變ε成正比的材料特性。
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