電壓特性
電容器的實(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì)。
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(shí)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(bǔ)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(shí)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(shí)際靜電容量值變成90uF。而Y5V的產(chǎn)品,靜電容量減少約40%,實(shí)際靜電容量變成60uF。
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(shí)際靜電容量值增大。隨電場進(jìn)一步增強(qiáng),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(shí)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(jìn)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(shí)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。
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(shí)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(bǔ)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(shí)際靜電容量值變成20uF。而Y5V產(chǎn)品更甚,靜電容量減少約70%,實(shí) 際靜電容量變成18uF。
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(jī)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(jī)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(jìn)一步增強(qiáng)時會發(fā)生極化反轉(zhuǎn),向相反方向進(jìn)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(shí)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)。