Dipendenza dalla frequenza dei condensatori elettrolitici

Si dice che i condensatori elettrolitici si comportino come induttori ad alte frequenze, motivo per cui mettiamo in parallelo piccoli cappucci ceramici:

I condensatori elettrolitici, di carta o di film plastico sono una scelta inadeguata per il disaccoppiamento ad alte frequenze; sono sostanzialmente costituiti da due fogli di lamina metallica separati da fogli di plastica o dielettrici di carta e formati in un rotolo. Questo tipo di struttura ha una notevole autoinduttanza e agisce più come un induttore che come un condensatore a frequenze superiori a pochi MHz.

Impedenza del condensatore rispetto alla frequenza.

Eppure vedo anche alcune cose come questa:

Il "problema dell'induttanza" associato all'elettros è un altro mito idiota: non hanno più induttanza di una lunghezza del filo uguale alla lunghezza del cappuccio.

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Un mito popolare è che l'elettros ha una notevole induttanza a causa del modo in cui il foglio viene avvolto all'interno della lattina. Questa è una sciocchezza: le pellicole di solito sono unite alle estremità allo stesso modo dei cappucci di pellicola. Le prestazioni ad alta frequenza di solito si estendono a diversi MHz, anche con elettros standardizzati e cappucci bipolari (elettrolitici non polarizzati).

Qual è la natura esatta di questo effetto e in quali applicazioni e frequenze dobbiamo preoccuparci? Quali sono le implicazioni pratiche?

Questo effetto è dovuto agli effetti delle caratteristiche parassitarie del dispositivo. Un condensatore ha quattro parassiti di base:

Resistenza equivalente in serie - ESR:

Un condensatore è in realtà un condensatore in serie con le resistenze dei suoi conduttori, la lamina nel dielettrico e altre piccole resistenze. Ciò significa che il condensatore non può davvero scaricarsi all'istante e anche che si surriscalda quando viene caricato e scaricato ripetutamente. Questo è un parametro importante nella progettazione di sistemi di alimentazione.

Corrente di dispersione:

Il dielettrico non è l'ideale, quindi puoi aggiungere una resistenza in parallelo con il tuo condensatore. Ciò è importante nei sistemi di backup e la corrente di dispersione di un elettrolitico può essere molto maggiore della corrente richiesta per mantenere la RAM su un microcontrollore.

Assorbimento dielettrico - CDA:

Questo di solito è meno interessante rispetto agli altri parametri, specialmente per gli elettrolitici, per i quali la corrente di dispersione travolge l'effetto. Per grandi ceramiche, puoi immaginare che ci sia un circuito RC in parallelo con il condensatore. Quando il condensatore viene caricato per un lungo periodo di tempo, il condensatore immaginario acquisisce una carica. Se il condensatore viene rapidamente scaricato per un breve periodo e successivamente riportato in un circuito aperto, il condensatore parassita inizia a ricaricare il condensatore principale.

Induttanza serie equivalente - ESL:

Ormai, non dovresti essere troppo sorpreso dal fatto che, se tutto ha capacità oltre a resistenza zero e non infinita, tutto ha anche induttanza parassitaria. Se questi sono significativi è una funzione della frequenza, che ci porta al tema dell'impedenza.

Rappresentiamo l'impedenza con la lettera Z. L'impedenza può essere pensata come una resistenza, solo nel dominio della frequenza. Allo stesso modo in cui una resistenza resiste al flusso di corrente continua, così un'impedenza impedisce il flusso di corrente continua. Proprio come la resistenza è V / R, se ci integriamo nel dominio del tempo, l'impedenza è V (t) / I (t).

Dovrai fare qualche calcolo o acquistare le seguenti affermazioni sull'impedenza di un componente con una tensione sinusoidale applicata con una frequenza di w:

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

Sì, è uguale a i (il numero immaginario, $j$$i$ ), ma in elettronica,hodi solito rappresenta la corrente, quindi usiamoj. Inoltre,ωè tradizionalmente la lettera greca omega (che assomiglia a w.) La lettera 's' si riferisce a una frequenza complessa (non sinusoidale). $\sqrt{-1}$$i$$j$$\omega$

Che schifo, vero? Ma hai l'idea: un resistore non cambia la sua impedenza quando applichi un segnale CA. Un condensatore ha un'impedenza ridotta con una frequenza più elevata ed è quasi infinito a CC, cosa che ci aspettiamo. Un induttore ha un'impedenza maggiore con una frequenza più elevata: pensa a un induttanza RF progettata per rimuovere i picchi.

Possiamo calcolare l'impedenza di due componenti in serie aggiungendo le impedenze. Se abbiamo un condensatore in serie con un induttore, abbiamo:

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

$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$

$\omega^2 LC = 1$

Chiunque abbia accesso a un misuratore di impedenza (HP / Venable) può facilmente dirti che i condensatori elettrolitici diventano induttivi alle alte frequenze.

Questo è uno dei motivi per cui si vedono molti condensatori ceramici utilizzati nei convertitori CC-CC ad alta frequenza - gli elettrolitici semplicemente non sono così buoni nelle centinaia di kilohertz / megahertz.

Questo è anche il motivo per cui i condensatori ceramici da 100nF - 1uF sono comunemente usati come disaccoppiatori IC - un elettrolitico non può battere una piccola lattina di ceramica a causa della sua impedenza ad alta frequenza.

La domanda non era "se i litici sono induttivi", ma perché? Questo è piuttosto un enigma, ma il confronto con i grafici dei tappi in ceramica per la chimica dello stato solido può dare un'idea, che qualcosa è speciale solo per i cappucci litici. Quindi la domanda appartiene alla chimica, non all'elettronica.

L'aumento dell'impedenza dopo aver raggiunto il minimo alle alte frequenze è causato dall'energia accumulata sotto forma di massa carica rotante (o allungata / spostata) di grandi ioni o molecole polarizzate. Ogni molecola in soluzione si comporta come un gruppo di risonatori (non solo induttanza) con un diagramma di fase acuto vicino a diverse frequenze di risonanza.

Esistono studi interessanti sulla misurazione dell'impedenza per ioni di acqua e metallo puri nell'intervallo di pochi MHz.

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

La chiave è che questi hanno la forma di un rotolo, che è simile a una bobina, cioè la corrente scorre in cerchio. Ciò provoca un'induttanza relativamente elevata.

Altri condensatori hanno la forma di fogli (ceramica) o di due superfici su un materiale poroso (tantal, supercaps), quindi non mostrano questo effetto.

bella domanda - in generale un condensatore con capacità C ha un'impedenza complessa con magnitudine 1 / (2 * pi * f * C), prima di tutto. Quindi alle alte frequenze si suppone che un condensatore assomigli ad un corto circuito (cioè 0 ohm). Non ho familiarità con l'argomento che iniziano a comportarsi come un induttore (il che implica che ad un certo punto gli aumenti di impedenza iniziano ad aumentare con la frequenza, poiché un induttore di dimensione L ha un'impedenza complessa con magnitudine 2 * pi * f * L ... Immagino di non comprarlo davvero, ma non ho basi per quello.

Nell'elettrolitica di alluminio le lamine non sono unite come le protezioni del film. Questo deve rendere alta l'induzione. Tuttavia, ci sono sempre speciali, quindi chi lo sa?