Cosa causa realmente l'induttanza in serie dei condensatori?

Facendo alcune ricerche sulla selezione di condensatori per applicazioni ad alta frequenza, il concetto di induttanza in serie equivalente emerge molto. Apparentemente tutti i condensatori hanno questa induttanza parassita che appare in serie con la capacità del componente. Se l'ESL è alto, ad alte frequenze questa reattanza induttiva può persino annullare la reattanza capacitiva e il cappuccio agisce essenzialmente come un resistore che blocca la corrente continua.

Ma perché l'ESL è così significativo? Certo, i tappi hanno dei fili, ma immagino che il resto del circuito abbia molti più fili e quindi un'induttanza parassitaria molto più alta che sarebbe un problema molto più grande dei cavi corti. Altrimenti i tappi sono solo piastre con un dielettrico in mezzo, quindi cosa ci fa preoccupare così tanto dell'ESL?

Quando si tratta di condensatori elettrolitici, ho trovato una spiegazione: è stato spiegato che, dato che il cappuccio è fondamentalmente un lungo pezzo di pellicola arrotolata, c'è sicuramente molta induttanza poiché il rotolo di pellicola si comporta in un certo modo come una bobina. Ma non credo che abbia senso: non è come se la corrente viaggiasse lungo il foglio! La corrente crea un campo elettrico in una lamina, che produce di nuovo una corrente nell'altra lamina. Ma questo campo appare attraverso i fogli, non lungo , quindi questa spiegazione non ha senso per me.

Qualcuno potrebbe spiegarmi questo fenomeno, preferibilmente nel contesto di condensatori ceramici ed elettrolitici?

disclaimer: mentre apprezzo che OP abbia accettato la mia risposta, al posto della risposta (attualmente) più votata di Peter Smith, assicurati di leggere anche la sua, poiché è molto chiara e utile. clicca qui!

I cappucci in ceramica e quelli elettrolitici hanno caratteristiche molto diverse e sono usati per cose molto diverse.

I tappi in ceramica hanno un ESL molto basso, di solito pochi 100 pH per un pacchetto ragionevolmente piccolo e moderno. Un cappuccio elettrolitico ESL è molto più grande di quello.

Allo stesso modo, una capacità del cappuccio in ceramica è molto più bassa di un cappuccio elettrolitico.

Questi due fatti messi insieme portano a una grande differenza nella frequenza di risonanza del limite. Un cappuccio elettrolitico risuona a pochi 100 Hz, mentre una buona ceramica risuona a pochi MHz.

Le protezioni elettrolitiche vengono generalmente utilizzate quando si hanno a che fare con frequenze a basso ish, come il livellamento dell'alimentazione o l'applicazione audio.

Le ceramiche vengono utilizzate dove non è possibile scendere a compromessi sulla risposta in frequenza, quindi per i filtri ad alta frequenza o per filtrare la fornitura di un dispositivo digitale ad alta frequenza come un microcontrollore.

Come dici tu, il circuito è fatto di fili, di solito più lunghi dei conduttori del cappuccio. Questo è vero, ed è per questo che un tappo di ceramica viene solitamente posizionato a pochi mm di distanza dal punto in cui deve essere filtrato / erogato. A pochi mm su un PCB, a seconda della larghezza del binario, si ottengono facilmente pochi 100 pH di induttanza, quindi si raddoppia ciò che fornisce il cappuccio.

Alle alte frequenze, il cappuccio non agisce come una resistenza, ma piuttosto come un induttore e la sua impedenza cresce con la frequenza.

Per quanto riguarda l'origine dell'induttanza, non sono sicuro che sia possibile ottenere una risposta intuitivamente soddisfacente. Dici che la corrente non sta viaggiando attraverso le lamine, ma questo non è vero. Sono allo stesso potenziale e la corrente non li percorre solo a DC. Cosa succede a 1 MHz? E 1 GHz? Parte della corrente scorre sicuramente anche attraverso le lamine.

La ceramica è molto meglio, sono costruite come un doppio pettine:

collegamento alla fonte

In questo modo, il "percorso più lungo" è molto più breve, quindi l'induttanza parassitaria è molto più bassa. Se guardi ESL per la ceramica, scoprirai che la cifra dipende quasi solo dalle dimensioni della confezione, più piccola è la confezione, più bassa è la ESL.

Quando la corrente scorre, c'è per definizione un campo magnetico attorno ad esso. Ciò porta all'autoinduttanza per qualsiasi conduttore con una corrente variabile.

Poiché un condensatore ha una bassa impedenza in CA (la quantità precisa dipende ovviamente dalla frequenza), allora un condensatore reale si presenta così:

C1 è il condensatore nominale, R1 è la resistenza di serie equivalente , L1 è l' induttanza di serie equivalente e R2 è la resistenza di dispersione.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Noterai che ora abbiamo un circuito risonante serie smorzato; al di sotto dell'auto risonanza è capacitivo, alla risonanza è resistivo e sopra è induttivo.

Il valore di ESL dipende sia dai materiali che dalle dimensioni del dispositivo; per un dispositivo a geometria inversa in un pacchetto a montaggio superficiale 0204 potrebbe essere basso quanto 300pH; una tipica ceramica 0402 a montaggio superficiale è di circa 680pH.

Per i dispositivi di disaccoppiamento e accoppiamento ciò conta in un mondo ad alta velocità.

Facciamo un rapido calcolo. Se sto disaccoppiando un dispositivo con velocità di commutazione interne di 200 picosecondi (per nulla insolito e con artefatti di frequenza a 2,5 GHz) e utilizzo un dispositivo 0402 0,1 uF, l'impedenza effettiva è di circa 4,3 ohm ed è induttiva .

L'hai letto correttamente; il condensatore ora agisce come un induttore.

ESL tipici per montaggio superficiale:

0402 680pH: 0603 circa 900pH: 0805 circa 1.2nH

Una traccia da 1 pollice a 4 tu (abbastanza comune) ha circa 5nH di induttanza, per riferimento. Questo è il motivo per cui i dispositivi di disaccoppiamento devono essere così vicini al pin di alimentazione reale da disaccoppiare. Un dispositivo che è anche a meno di 1/2 pollice di distanza a queste frequenze potrebbe anche non esistere.

L'induttanza per una traccia PCB presuppone che sia su un piano; il valore preciso varierà in base alla distanza dal piano (poiché influisce sul percorso di ritorno totale e sul tempo di andata e ritorno). Ho trovato che il valore sopra è un buon punto di partenza (conservativo) per i progetti di PCB. L'induttanza effettiva dipende specificamente dalla distanza totale del percorso di corrente per il circuito.

Quindi il motivo di ESL? Fisica.