Co tak naprawdę powoduje indukcyjność szeregową kondensatorów?

Przeprowadzając badania w zakresie wyboru kondensatorów do zastosowań wysokiej częstotliwości, często pojawia się koncepcja równoważnej szeregowej indukcyjności. Najwyraźniej wszystkie kondensatory mają tę pasożytniczą indukcyjność, która pojawia się szeregowo z pojemnością elementu. Jeśli ESL jest wysoki, w wysokich częstotliwościach reaktancja indukcyjna może nawet anulować reaktancję pojemnościową, a nasadka zasadniczo działa jak opornik blokujący napięcie stałe.

Ale dlaczego ESL jest tak znaczący? Jasne, czapki mają druty, ale wyobrażam sobie, że reszta obwodu ma znacznie więcej drutu, a zatem znacznie wyższą indukcyjność pasożytniczą, co byłoby znacznie większym problemem niż krótkie przewody składowe. W przeciwnym razie czapki są tylko płytkami z dielektrykiem pomiędzy nimi, więc co z nich sprawia, że ​​tak bardzo martwimy się o ESL?

Jeśli chodzi o kondensatory elektrolityczne, znalazłem jedno wytłumaczenie: wyjaśniono, że ponieważ nasadka jest zasadniczo długim zwiniętym kawałkiem folii, istnieje zdecydowanie duża indukcyjność, ponieważ rolka folii działa jak cewka. Ale nie sądzę, żeby to miało sens: to nie jest tak, że prąd płynie wzdłuż folii! Prąd wytwarza pole elektryczne w jednej folii, która ponownie wytwarza prąd w drugiej folii. Ale to pole pojawia się w poprzek folii, a nie wzdłuż niej, więc to wyjaśnienie nie ma dla mnie sensu.

Czy ktoś mógłby mi wyjaśnić to zjawisko, najlepiej w kontekście kondensatorów ceramicznych i elektrolitycznych?

zrzeczenie się odpowiedzialności: choć doceniam, że OP zaakceptował moją odpowiedź, zamiast (obecnie) najczęściej głosowanej odpowiedzi Petera Smitha, proszę ją również przeczytać, ponieważ jest ona bardzo jasna i pomocna. Kliknij tutaj!

Czapki ceramiczne i elektrolityczne mają bardzo różne właściwości i są używane do bardzo różnych rzeczy.

Ceramiczne kapsle mają bardzo niski ESL, zwykle kilka 100 pH, co jest dość małym, nowoczesnym opakowaniem. Czapka elektrolityczna ESL jest znacznie większa.

W podobny sposób pojemność ceramicznej nasadki jest znacznie niższa niż nasadka elektrolityczna.

Te dwa zestawione fakty prowadzą do bardzo dużej różnicy w częstotliwości rezonansowej pułapki. Czapka elektrolityczna rezonuje przy kilku 100 Hz, a dobry ceramiczny rezonuje przy kilku MHz.

Czapki elektrolityczne są zwykle używane, gdy mamy do czynienia z niskimi częstotliwościami, takimi jak wygładzanie zasilacza lub zastosowanie audio.

Ceramika jest stosowana tam, gdzie nie można iść na kompromis w zakresie odpowiedzi częstotliwościowej, np. W przypadku filtrów wysokiej częstotliwości lub w celu odfiltrowania zasilania cyfrowego urządzenia o wysokiej częstotliwości, takiego jak mikrokontroler.

Jak mówisz, obwód składa się z drutów, zwykle dłuższych niż przewody nasadki. To prawda i dlatego ceramiczna nasadka jest zwykle umieszczana kilka mm od punktu, w którym musi filtrować / zasilać. Kilka mm na płytce drukowanej, w zależności od szerokości ścieżki, daje z łatwością kilka 100 pH indukcyjności, więc podwajasz to, co zapewnia nasadka.

Przy wysokich częstotliwościach nasadka nie działa jak rezystancja, ale raczej jako cewka indukcyjna, a jej impedancja rośnie wraz z częstotliwością.

O tym, skąd pochodzi indukcyjność, nie jestem pewien, czy można uzyskać intuicyjnie satysfakcjonującą odpowiedź. Mówisz, że prąd nie płynie przez folie, ale to nieprawda. Mają ten sam potencjał i prąd nie płynie wzdłuż nich tylko w DC. Co dzieje się przy 1 MHz? I 1 GHz? Część prądu z pewnością przepływa również przez folie.

Ceramika jest znacznie lepsza, są zbudowane jak podwójny grzebień:

link do źródła

W ten sposób „najdłuższa ścieżka” jest znacznie krótsza, a zatem indukcyjność pasożytnicza jest znacznie niższa. Jeśli spojrzysz na ESL dla ceramiki, przekonasz się, że liczba zależy prawie tylko od wielkości opakowania, im mniejsze opakowanie, tym niższy ESL.

Kiedy prąd płynie, z definicji wokół niego znajduje się pole magnetyczne. Prowadzi to do indukcyjności dla każdego przewodnika o zmiennym prądzie.

Ponieważ kondensator ma niską impedancję przy AC (dokładna ilość zależy oczywiście od częstotliwości), prawdziwy kondensator wygląda następująco:

C1 to kondensator nominalny, R1 to rezystancja szeregowa równoważna , L1 to indukcyjność szeregowa równoważna, a R2 to oporność upływowa.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Zauważysz, że mamy teraz tłumiony szeregowy obwód rezonansowy; poniżej samo rezonansu jest pojemnościowy, w rezonansie jest rezystancyjny, a powyżej indukcyjny.

Wartość ESL zależy zarówno od materiałów, jak i wielkości urządzenia; w przypadku urządzenia o odwróconej geometrii w pakiecie do montażu powierzchniowego 0204 może wynosić zaledwie 300pH; typowy materiał ceramiczny do montażu powierzchniowego 0402 ma około 680pH.

W przypadku urządzeń odsprzęgających i sprzęgających ma to znaczenie w świecie dużych prędkości.

Zróbmy szybkie obliczenia. Jeśli odsprzęgam urządzenie, które ma wewnętrzne szybkości przełączania wynoszące 200 pikosekund (wcale nie jest rzadkie i ma artefakty częstotliwości przy 2,5 GHz) i używam urządzenia 0402 0,1 uF, wówczas rzeczywista impedancja wynosi około 4,3 oma i jest indukcyjna .

Przeczytałeś to poprawnie; kondensator działa teraz jako cewka indukcyjna.

Typowe ESL do montażu powierzchniowego:

0402 680 pH: 0603 około 900 pH: 0805 około 1,2 nH

1 calowa ścieżka przy 4 tys. (Dość powszechna) ma około 5nH indukcyjności, dla porównania. To jest powód, dla którego urządzenia odsprzęgające muszą być tak blisko rzeczywistego rozłączonego bolca zasilającego. Urządzenie, które znajduje się w odległości nawet 1/2 cala od tych częstotliwości, może również nie istnieć.

Indukcyjność śladu PCB zakłada, że ​​jest on nad płaszczyzną; dokładna wartość będzie się różnić w zależności od odległości do samolotu (ponieważ wpływa na całkowitą drogę powrotną i czas podróży w obie strony). Przekonałem się, że powyższa wartość jest dobrym (konserwatywnym) punktem wyjścia do projektowania obwodów drukowanych. Rzeczywista indukcyjność zależy w szczególności od całkowitej odległości ścieżki prądu dla pętli.

Więc powód ESL? Fizyka.