¿Por qué el valor de capacitancia cambia con el voltaje aplicado?

Busqué en muchos foros y documentos en Google y no se me ocurrió nada. Incluso preguntó mis enseñanzas y no lo sabían. Una dijo algo sobre el efecto piezo pero no estaba segura. Entonces, aquí hay un gráfico de un proveedor, el cambio del valor de capacitancia sobre el voltaje aplicado en el capacitor de cerámica:

La pregunta es simple: ¿por qué la capacitancia de un condensador con el cambio de su diferencia de voltaje entre sus polares?

Este documento rápido de Vishay sugiere que esto se debe a que la constante dieléctrica real del capacitor cerámico cambia significativamente bajo las variaciones de intensidad del campo eléctrico aplicado (léase: voltaje).

Para ser justos, esa nota en particular probablemente tenga la intención de llevar a la gente a comprar partes de tántalo de Vishay, pero también hay otros documentos sobre el tema que parecen conducir a los mismos fenómenos físicos: la constante dieléctrica es buena, no constante bajo un voltaje DC aplicado.

Edición adicional: la mayoría de los condensadores de cerámica utilizados para fines de desacoplamiento se centran naturalmente en la eficiencia volumétrica sobre la estabilidad; estos se clasifican comúnmente con Y5V, X5R, X7R, etc. Estos son lo que se conoce como dieléctricos de Tipo II, y generalmente están construidos con titanato de bario como El material dieléctrico.

Buscando los efectos dieléctricos de titanio de bario versus voltaje, encontré el siguiente dato de un curso de ciencia de materiales:

(Fuente: http://www.eng.buffalo.edu/Classes/mae538/MAE4389.ppt )

Es un comportamiento bien conocido de capacitancia versus temperatura para estos dieléctricos, y creo que eso se puede explicar científicamente con:

Por encima de la temperatura de Curie, la polarización espontánea se pierde debido a un cambio en la estructura cristalina y el titanato de bario está en el estado paraeléctrico.

Y creo que esto puede explicar por qué el voltaje tiene el efecto que tiene:

La dependencia del tamaño de grano muestra que una constante dieléctrica de límite elástico es una propiedad sensible a la microestructura.

Una buena regla general en general es utilizar condensadores con una capacidad nominal de al menos el doble del voltaje de trabajo esperado. Prestaría mucha atención a los condensadores cerámicos utilizados en la conmutación de circuitos de suministro de energía que pueden ver corrientes de ondulación muy grandes durante sus vidas. Muchos convertidores se han vuelto inestables o no se han realizado debido a que el condensador de salida de 47uF realmente cayó a 20uF más o menos con el voltaje aplicado; siempre consulte la hoja de datos del fabricante para la curva de polarización de CC o similar.

Última edición: el efecto piezoeléctrico al que hizo referencia su maestro es la característica algo única de los condensadores de cerámica donde el estrés físico / tensión / vibraciones inducirán un voltaje. Esto se debe al estrés físico que realmente deforma la estructura reticular del dieléctrico (titanato de bario). Golpear un condensador de cerámica con un lápiz y monitorear su salida con una sonda de alcance debería mostrar el ruido:

En esta página hay una descripción del mecanismo, que he citado a continuación; si desea más, deberá analizar el comportamiento de la cerámica ferroeléctrica. Tenga en cuenta que esto no es realmente un problema con los condensadores electrolíticos y de película.

Cuando las cerámicas de tipo BaTiO3 se calientan por encima del punto de Curie, la estructura cristalina pasa por una transición de la fase tetragonal a la cúbica. Junto con esta transición, la polarización espontánea en los dominios desaparece. Cuando se enfría por debajo del punto de Curie, la transición se invierte de cúbico a tetragonal, y los granos simultáneamente reciben estrés por la distorsión de los alrededores. En este punto, se generan varios dominios pequeños en los granos, y la polarización espontánea de cada dominio se puede revertir fácilmente con un campo eléctrico bajo. Dado que la constante dieléctrica relativa corresponde con la inversión de la polarización espontánea por unidad de volumen, se mide como una capacitancia más alta.

Características de capacitancia y voltaje de CC. Característica de polarización DC El desafío no radica en la polarización espontánea, sino en revertirla. Cuando la polarización espontánea se invierte sin tensión de tensión (sin polarización de CC), los MLCC alcanzan una alta capacitancia. Sin embargo, si se aplica un sesgo externo al proceso de polarización espontánea, la reversión libre de la polarización espontánea es mucho más difícil. Como resultado, la capacitancia ganada es menor en comparación con la capacitancia antes de la aplicación del sesgo. Esta es la razón por la cual la capacitancia disminuye cuando se aplica polarización DC, de ahí el término característica de polarización DC.

Desde un punto de vista práctico, puede ver en el gráfico que el uso de la parte con el voltaje más bajo y el más pequeño conduce al peor rendimiento. Además, hay cambios en la capacitancia con la temperatura, generalmente baja tanto para temperaturas elevadas como bajas. Y los efectos del envejecimiento, de nuevo hacia abajo.

Probablemente sea importante mencionar que la reducción de la capacitancia al aumentar el voltaje no es una propiedad de todos los capacitores. Solo se aplica realmente a dieléctricos ferroeléctricos como el titanato de bario, utilizado en los tipos X5R y X7R. Estos son los condensadores de montaje en superficie más comunes, debido a su pequeño tamaño para la capacitancia.

Otros dieléctricos comunes no sufren este efecto. Los tipos de película de poliéster, película de polipropileno, mica y NP0 tienen una capacidad casi constante, independientemente del voltaje aplicado. Además, los tipos electrolíticos polarizados tampoco cambian con el voltaje.

En realidad, otros dieléctricos tienen un coeficiente de voltaje pequeño. Sin embargo, es tan pequeño que no tiene un impacto importante, incluso en aplicaciones sensibles del mundo real si trabaja con una fracción baja del voltaje de ruptura del condensador.