Zależność częstotliwości kondensatorów elektrolitycznych

Mówi się, że kondensatory elektrolityczne zachowują się jak cewki indukcyjne przy wysokich częstotliwościach, dlatego równolegle do nich nakładamy małe ceramiczne nasadki:

Kondensatory elektrolityczne, papierowe lub z tworzywa sztucznego są złym wyborem do oddzielania przy wysokich częstotliwościach; składają się one zasadniczo z dwóch arkuszy folii metalowej oddzielonych arkuszami z tworzywa sztucznego lub papieru dielektrycznego i uformowanych w rolkę. Ten rodzaj struktury ma znaczną indukcyjność i działa bardziej jak cewka indukcyjna niż kondensator przy częstotliwościach przekraczających zaledwie kilka MHz.

Impedancja kondensatora a częstotliwość.

Jednak widzę też kilka takich rzeczy:

„Problem indukcyjności” związany z elektrodami to kolejny idiotyczny mit - nie mają one większej indukcyjności niż długość drutu równa długości nasadki.

lub

Popularnym mitem jest to, że elektrody mają znaczną indukcyjność ze względu na sposób nawijania folii w puszce. To nonsens - folie są zwykle łączone na końcach w taki sam sposób, jak w przypadku nakrętek foliowych. Wysoka częstotliwość zwykle rozciąga się na kilka MHz, nawet w przypadku standardowych gotowych elektrod i dwubiegunowych (niepolaryzowanych elektrolitycznych) nasadek.

Jaka jest dokładnie natura tego efektu oraz w jakich zastosowaniach i częstotliwościach musimy się tym martwić? Jakie są praktyczne konsekwencje?

Efekt ten wynika z efektów pasożytniczych właściwości urządzenia. Kondensator ma cztery podstawowe pasożyty:

Równoważna rezystancja szeregowa - ESR:

Kondensator to tak naprawdę kondensator szeregowy z rezystancjami jego przewodów, folią w dielektryku i innymi małymi rezystancjami. Oznacza to, że kondensator nie może naprawdę natychmiast się rozładować, a także nagrzewa się przy wielokrotnym ładowaniu i rozładowywaniu. Jest to ważny parametr przy projektowaniu systemów elektroenergetycznych.

Prąd upływu:

Dielektryk nie jest idealny, więc możesz dodać rezystancję równolegle z kondensatorem. Jest to ważne w systemach zapasowych, a prąd upływowy elektrolitu może być znacznie większy niż prąd wymagany do utrzymania pamięci RAM na mikrokontrolerze.

Absorpcja dielektryczna - CDA:

Jest to zwykle mniej interesujące niż inne parametry, szczególnie w przypadku elektrolityki, dla których prąd upływowy przytłacza efekt. W przypadku dużej ceramiki można sobie wyobrazić, że obwód RC jest równoległy z kondensatorem. Gdy kondensator jest ładowany przez długi czas, wyobrażony kondensator uzyskuje ładunek. Jeśli kondensator zostanie szybko rozładowany na krótki okres, a następnie powróci do obwodu otwartego, pasożytniczy kondensator zaczyna ładować główny kondensator.

Indukcyjność szeregów równoważnych - ESL:

Do tej pory nie należy się zbytnio dziwić, że jeśli wszystko ma pojemność, a także niezerową i nieskończoną oporność, wszystko ma również indukcyjność pasożytniczą. To, czy są one znaczące, jest funkcją częstotliwości, która prowadzi nas do tematu impedancji.

Impedancję reprezentujemy literą Z. Impedancję można traktować jak oporność, tylko w dziedzinie częstotliwości. W ten sam sposób, w jaki rezystancja opiera się przepływowi prądu stałego, tak impedancja utrudnia przepływ prądu przemiennego. Tak jak rezystancja wynosi V / R, jeśli zintegrujemy się w dziedzinie czasu, impedancja to V (t) / I (t).

Musisz albo wykonać rachunek różniczkowy, albo kupić następujące twierdzenia dotyczące impedancji elementu o przyłożonym napięciu sinusoidalnym o częstotliwości w:

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

Tak, jest taki sam jak i (liczba urojona, $j$$i$ ), ale w elektronice,izwykle reprezentuje prąd, więc używamyj. Ponadtoωjest tradycyjnie grecką literą omega (która wygląda jak w.) Litera „s” odnosi się do złożonej częstotliwości (nie sinusoidalnej). $\sqrt{-1}$$i$$j$$\omega$

Fuj, prawda? Ale masz pomysł - rezystor nie zmienia swojej impedancji po podaniu sygnału prądu przemiennego. Kondensator ma zmniejszoną impedancję przy wyższej częstotliwości i jest prawie nieskończony w DC, czego się spodziewamy. Cewka indukcyjna ma wyższą impedancję przy wyższej częstotliwości - pomyśl o dławiku RF zaprojektowanym do usuwania skoków.

Możemy obliczyć impedancję dwóch składników w szeregu poprzez dodanie impedancji. Jeśli mamy kondensator połączony szeregowo z cewką, mamy:

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

$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$

$\omega^2 LC = 1$

Każdy, kto ma dostęp do miernika impedancji (HP / Venable), może łatwo powiedzieć, że kondensatory elektrolityczne z pewnością stają się indukcyjne przy wysokich częstotliwościach.

Jest to jeden z powodów, dla których widzisz wiele ceramicznych kondensatorów stosowanych w przetwornicach DC-DC o wysokiej częstotliwości - elektrolity po prostu nie są tak dobre w setkach kiloherców / megaherców.

Dlatego też ceramiczne kondensatory od 100nF - 1uF są powszechnie stosowane jako odsprzęgacze układów scalonych - elektrolit nie może przebić małej ceramicznej puszki z powodu impedancji wysokiej częstotliwości.

Pytanie nie brzmiało „jeśli lity są indukcyjne”, ale dlaczego? To dość łamigłówka, ale porównanie z wykresami ceramicznych kapsli dla chemii ciała stałego może dać wskazówkę, że coś jest specjalnego tylko dla kapsli litycznych. Pytanie należy więc do chemii, a nie do elektroniki.

Wzrost impedancji po osiągnięciu minimum przy wysokich częstotliwościach jest spowodowany energią zgromadzoną w postaci obracającej się (lub rozciągniętej / przemieszczonej) masy naładowanych dużych jonów lub spolaryzowanych cząsteczek. Każda cząsteczka w roztworze działa jak grupa rezonatorów (nie tylko indukcyjność) z ostrym wykresem fazowym w pobliżu kilku częstotliwości rezonansowych.

Interesujące jest badanie impedancji dla czystej wody i jonów metali w zakresie kilku MHz.

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

Kluczem jest to, że mają one postać rolki, która jest podobna do cewki, tzn. Prąd płynie w kółko. Powoduje to stosunkowo wysoką indukcyjność.

Inne kondensatory mają postać arkuszy (ceramicznych) lub dwóch powierzchni na porowatym materiale (tantal, superkapsy), więc nie wykazują tego efektu.

fajne pytanie - ogólnie mówiąc kondensator o pojemności C ma złożoną impedancję o wielkości 1 / (2 * pi * f * C), fwiw. Tak więc przy wysokich częstotliwościach kondensator powinien wyglądać jak zwarcie (tj. 0 omów). Nie jestem zaznajomiony z argumentem, że zaczynają działać jak induktor (co oznacza, że ​​w pewnym momencie impedancja zaczyna wzrastać wraz z częstotliwością, ponieważ induktor wielkości L ma złożoną impedancję o wielkości 2 * pi * f * L ... Chyba nie kupuję tego, ale nie mam na to podstaw.

W elektrolityce aluminiowej folie nie są łączone tak, jak folie. To musi sprawić, że indukcja będzie wysoka. Jednak zawsze są oferty specjalne, więc kto wie?