Частотна залежність електролітичних конденсаторів

Кажуть, що електролітичні конденсатори поводяться як індуктори на високих частотах, тому ми ставимо паралельно їм невеликі керамічні ковпачки:

Електролітичні, паперові або пластикові плівкові конденсатори є поганим вибором для роз'єднання на високих частотах; вони в основному складаються з двох листів металевої фольги, розділених листами пластику або паперу діелектриком і сформованими в рулон. Така структура має значну самоіндуктивність і діє швидше як індуктор, ніж конденсатор на частотах, що перевищують лише кілька МГц.

Імпеданс конденсатора порівняно з частотою.

Але я також бачу кілька таких речей:

"Проблема індуктивності", пов'язана з електронами, є ще одним ідіотичним міфом - вони не мають більшої індуктивності, ніж довжина дроту, така ж, як довжина ковпачка.

або

Популярний міф полягає в тому, що електроси мають значну індуктивність через те, як фольга намотується всередину банки. Це нісенітниця - фольгу зазвичай з'єднують на кінцях так само, як і плівкові ковпачки. Продуктивність на високій частоті зазвичай поширюється на кілька МГц, навіть із стандартними позаштатними електронами та біполярними (неполяризованими електролітичними) кришками.

Яка точна природа цього ефекту і в яких додатках та частотах нам потрібно турбуватися про це? Які практичні наслідки?

Цей ефект обумовлений впливом паразитарних характеристик пристрою. Конденсатор містить чотири основні паразитичні речовини:

Еквівалентний опір серії - ШОЕ:

Конденсатор - це дійсно конденсатор послідовно із опорами його відводів, фольгою в діелектрику та іншими малими опорами. Це означає, що конденсатор не може по-справжньому розрядитися миттєво, а також, що він буде нагріватися при багаторазовому заряді та розрядженні. Це важливий параметр при проектуванні енергосистем.

Струм витоку:

Діелектрик не є ідеальним, тому ви можете додати опір паралельно вашому конденсатору. Це важливо в резервних системах, і струм витоку електролітика може бути набагато більшим, ніж струм, необхідний для підтримки оперативної пам'яті на мікроконтролері.

Діелектричне поглинання - CDA:

Зазвичай це викликає менший інтерес, ніж інші параметри, особливо для електролітиків, для яких струм витоку переважає ефект. Для великої кераміки можна уявити, що паралельно конденсатору є ланцюг RC. Коли конденсатор заряджається протягом тривалого періоду часу, уявлений конденсатор набуває заряд. Якщо конденсатор швидко розряджається на короткий період і згодом повертається у відкритий контур, паразитарний конденсатор починає підзаряджати основний конденсатор.

Еквівалентна індуктивність серії - ESL:

На сьогоднішній день ви не повинні надто дивуватися тому, що якщо все має ємність, а також ненульовий і нескінченний опір, все також має паразитарну індуктивність. Чи є вони значущими, це функція частоти, яка призводить нас до теми імпедансу.

Імпеданс ми представляємо буквою Z. Імпеданс можна вважати опором саме в частотній області. Так само, як опір чинить опір потоку постійного струму, так і імпеданс перешкоджає потоку змінного струму. Так само, як опір V / R, якщо ми інтегруємось у часову область, імпеданс - V (t) / I (t).

Вам або доведеться зробити числення, або придбати наступні твердження про опір компонента з прикладеною синусоїдальною напругою з частотою w:

$\begin{align} Z_{resistor} &= R\\ Z_{capacitor} &= \frac{1}{j \omega C} = \frac{1}{sC}\\ Z_{inductor} &= j\omega L = sL \end{align}$

Так, те саме, що i (уявне число, $j$$i$ ), але в електроніціязазвичай представляє струм, тому ми використовуємоj. Такожωтрадиційно є грецькою буквою омега (яка виглядає як ш.). Буква 's' відноситься до складної частоти (не синусоїдальної). $\sqrt{-1}$$i$$j$$\omega$

Юк, правда? Але ви розумієте - резистор не змінює імпеданс, коли ви застосовуєте сигнал змінного струму. Конденсатор зменшив імпеданс з більш високою частотою, і це майже нескінченний при постійному струмі, чого ми очікуємо. Індуктор збільшив опір з більшою частотою - подумайте про радіочастотний дросель, призначений для видалення шипів.

Ми можемо обчислити імпеданс двох компонентів послідовно, додавши імпеданси. Якщо у нас є конденсатор послідовно з індуктором, ми маємо:

$\begin{align} Z &= Z_C + Z_L\\ &= \frac{1}{j\omega C + j\omega L} \end{align}$

$C$$L$

$\begin{align*} Z &= \frac{1}{j \omega C} + j \omega L\\ &= \frac{1}{j \omega C} + \frac{j \omega L \times j \omega C}{j \omega C}\\ &= \frac{1 + j \omega L \times j \omega C)}{j \omega C}\\ &= \frac{1 - \omega^2 LC}{j \omega C}\\ &= \frac{-j \times (1 - \omega^2 LC)}{j \omega C}\\ &= \frac{(\omega^2 LC - 1) * j)}{\omega C} \end{align*}$

$\omega$$L$$C$

$\begin{align*} \frac{(small * small * large - 1) \times j}{small * large} \end{align*}$

$small * small * large < 1$$Z_C = \frac{-j}{\omega C}$

$\omega$$L$$C$

$\begin{align*} \frac{(large * small * large - 1) \times j}{small * large} \end{align*}$

$large * small * large > 1$$Z_L = j \omega L$

$\omega^2 LC = 1$

Кожен, хто має доступ до вимірювального опору (HP / Venable), може легко сказати вам, що електролітичні конденсатори, безумовно, стають індуктивними на високих частотах.

Це є причиною того, що ви бачите багато керамічних конденсаторів, які використовуються у високочастотних DC-DC перетворювачах - електролітика просто не настільки хороша в сотнях кілогерц / мегагерц.

Ось чому керамічні конденсатори потужністю 100nF - 1uF зазвичай використовуються як ІК-роз'єднувачі - електролітик не може перемогти невелику керамічну банку з-за свого високочастотного опору.

Питання було не "якщо літика індуктивна", а чому? Це цілком загадка, але порівняння сюжетів із керамічних ковпачків для хімії твердого тіла може дати зрозуміти, що щось особливе лише для літичних ковпаків. Тож питання належить до хімії, а не до електроніки.

Збільшення імпедансу після досягнення мінімуму на високих частотах викликається накопиченою енергією у вигляді обертової (або розтягнутої / зміщеної) зарядженої маси великих іонів або поляризованих молекул. Кожна молекула в розчині діє як група резонаторів (а не просто індуктивність) з різкою фазовою ділянкою поблизу декількох резонансних частот.

Існує цікаве дослідження щодо вимірювання опору для чистої води та іонів металів у діапазоні кількох МГц.

http://commons.emich.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1200&context=theses&sei-redir=1#search=%22ion%20solution%20impedance%20MHz%22

Ключовим є те, що вони мають форму рулону, яка схожа на котушку, тобто струм тече по колах. Це викликає відносно високу індуктивність.

Інші конденсатори мають форму листів (керамічних) або двох поверхонь на пористому матеріалі (тантал, суперзаглушки), тому вони не демонструють цього ефекту.

класне питання - загалом кажучи, конденсатор з ємністю C має складний опір магнітудою 1 / (2 * pi * f * C), fwiw. Отже, на високих частотах конденсатор повинен виглядати як коротке замикання (тобто 0 Ом). Мені незнайомий аргумент, що вони починають діяти як індуктор (з чого випливає, що в якийсь момент імпеданс збільшується починає зростати з частотою, оскільки індуктор розміром L має складний опір величиною 2 * pi * f * L ... Я думаю, я насправді цього не купую, але в мене немає підстав для цього.

В електролітиці з алюмінію фольги не з'єднані так, як є кришки плівки. Це повинно зробити індукцію високою. Однак завжди є спец, тому хто знає?