Частотная зависимость электролитических конденсаторов

25

Говорят, что электролитические конденсаторы ведут себя как индукторы на высоких частотах, поэтому параллельно с ними мы помещаем маленькие керамические колпачки:

Электролитические, бумажные или пленочные конденсаторы - плохой выбор для развязки на высоких частотах; они в основном состоят из двух листов металлической фольги, разделенных листами пластикового или бумажного диэлектрика и сформированных в рулон. Такая структура обладает значительной собственной индуктивностью и действует больше как индуктор, чем конденсатор на частотах, превышающих всего несколько МГц.

Кривые зависимости импеданса от частоты для конденсаторов емкостью 100 пФ, 1000 пФ, 0,01 мкФ, 0,1 мкФ, 2,2 мкФ

Сопротивление конденсатора в зависимости от частоты.

Тем не менее, я также вижу несколько таких вещей:

«Проблема индуктивности», связанная с электроснабжением, является еще одним идиотским мифом - у них индуктивность не больше, чем длина провода, равная длине колпачка.

или

Популярный миф заключается в том, что у электроинструментов значительная индуктивность из-за того, как фольга наматывается внутри банки. Это нонсенс - фольга обычно соединяется на концах так же, как с пленочными крышками. Высокочастотные характеристики обычно простираются до нескольких МГц, даже при использовании стандартных готовых электроприборов и биполярных (неполяризованных электролитических) колпачков.

Какова точная природа этого эффекта и в каких приложениях и частотах нам нужно беспокоиться об этом? Каковы практические последствия?

эндолиты
источник
2
Интересно, что заставляет кривые падать круче прямо перед подъемом? Особенно зеленая кривая прямо над 10 МГц.
ДаренВ
2
Резонанс, я бы предположил.
эндолит
2
Вы цитируете диаграмму из статьи ADI, где они обозначают литические заглушки как тантал. Внутри колпачка из тантала нет рулона.
@Rocket Surgeon: В колпачке из тантала тоже нет воды :)
эндолит
Вам не нужна полная мобильность для поляризованных групп молекул проводящей части пластины, чтобы иметь фазовый лаг в ГГц. Они помещают коллоидный графит, серебро и некоторые органические вещества в сухие танталы, которые не являются чистым «электронным газом», как в обычном металле. Но эта дискуссия о твердой химии уведет нас от темы.

Ответы:

28

Этот эффект обусловлен влиянием паразитных характеристик устройства. Конденсатор имеет четыре основных паразитных элемента:

Эквивалентное последовательное сопротивление - ESR:

Конденсатор - это, по сути, конденсатор, соединенный последовательно с сопротивлениями проводов, фольгой в диэлектрике и другими небольшими сопротивлениями. Это означает, что конденсатор не может по-настоящему разрядиться мгновенно, а также что он будет нагреваться при многократной зарядке и разрядке. Это важный параметр при проектировании энергосистем.

Ток утечки:

Диэлектрик не идеален, поэтому вы можете добавить сопротивление параллельно вашему конденсатору. Это важно в системах резервного копирования, и ток утечки электролита может быть намного больше, чем ток, необходимый для поддержания оперативной памяти на микроконтроллере.

Диэлектрическое поглощение - CDA:

Это обычно представляет меньший интерес, чем другие параметры, особенно для электролитических систем, для которых ток утечки подавляет эффект. Для большой керамики вы можете представить, что параллельно конденсатору имеется RC-цепь. Когда конденсатор заряжается в течение длительного периода времени, воображаемый конденсатор приобретает заряд. Если конденсатор быстро разряжается в течение короткого периода времени и впоследствии возвращается в разомкнутую цепь, паразитный конденсатор начинает заряжать основной конденсатор.

Эквивалентная индуктивность серии - ESL:

К настоящему времени вы не должны быть слишком удивлены тем, что, если все имеет емкость, а также ненулевое и бесконечное сопротивление, все также имеет паразитную индуктивность. Важны ли они, зависит от частоты, что приводит нас к теме импеданса.

Мы обозначаем импеданс буквой Z. Импеданс можно рассматривать как сопротивление, как раз в частотной области. Точно так же, как сопротивление сопротивляется потоку постоянного тока, так и сопротивление препятствует течению переменного тока. Так же, как сопротивление V / R, если мы интегрируем во временную область, импеданс V (t) / I (t).

Вам нужно будет либо сделать несколько исчислений, либо купить следующие утверждения об импедансе компонента с приложенным синусоидальным напряжением с частотой w:

ZреsяsTорзнак равнорZсaпaсяTорзнак равно1JωСзнак равно1sСZяNdUсTорзнак равноJωLзнак равноsL

Jя1ijω

Тьфу, верно? Но вы поняли - резистор не меняет своего сопротивления, когда вы подаете сигнал переменного тока. Конденсатор уменьшил импеданс с более высокой частотой, и он почти бесконечен при постоянном токе, что мы и ожидаем. Индуктор имеет повышенный импеданс с более высокой частотой - подумайте о радиочастотном дросселе, который предназначен для устранения пиков.

Мы можем рассчитать полное сопротивление двух компонентов последовательно, добавив полное сопротивление. Если у нас есть конденсатор последовательно с индуктором, мы имеем:

Z=ZС+ZLзнак равно1JωС+JωL

СL

Zзнак равно1JωС+JωLзнак равно1JωС+JωL×JωСJωСзнак равно1+JωL×JωС)JωСзнак равно1-ω2LСJωСзнак равно-J×(1-ω2LС)JωСзнак равно(ω2LС-1)*J)ωС

ωLС

(smallsmalllarge1)×jsmalllarge

smallsmalllarge<1ZCзнак равно-JωС

ωLС

(Laрге*sмaLL*Laрге-1)×JsмaLL*Laрге

который является положительным числом (при условии Laрге*sмaLL*Laрге>1ZLзнак равноJωL

ω2LСзнак равно1

Кевин Вермеер
источник
2
«Импеданс можно рассматривать как сопротивление, только в частотной области». Точнее говоря, сопротивление является подмножеством импеданса. Импеданс - это комбинация сопротивления и реактивного сопротивления компонента или подсхемы. Может быть, у нас должен быть вопрос «Что такое импеданс»? : D
эндолит
2
Эпический ответ ...
Викацу
1
мнимые числа - всего лишь инструмент, позволяющий избежать дифференциальных уравнений и интегралов; они как бы превращают исчисление в алгебру :)
vicatcu
1
... превратить исчисление в сложную алгебру. Из сковороды и в огонь.
Кевин Вермеер
1
ZС+ZL1/(JωС+JωL)1JωС+JωL
2

Любой, кто имеет доступ к измерителю импеданса (HP / Venable), может легко сказать вам, что электролитические конденсаторы действительно становятся индуктивными на высоких частотах.

Это одна из причин, почему вы видите много керамических конденсаторов, используемых в высокочастотных преобразователях постоянного тока в постоянный ток - электролитика просто не так хороша в сотнях килогерц / мегагерц.

Именно поэтому керамические конденсаторы от 100 нФ до 1 мкФ обычно используются в качестве развязки ИС - электролитический электролит не может разбить небольшую керамическую банку из-за ее высокочастотного сопротивления.

Адам Лоуренс
источник
2

Вопрос был не «если литика является индуктивной», но почему? Это довольно загадка, но сравнение с графиками керамических колпачков для химии твердого тела может дать понять, что что-то особенное только для литических колпачков. Так что вопрос принадлежит химии, а не электронике.

Увеличение импеданса после достижения минимума на высоких частотах вызвано энергией, накопленной в виде вращающейся (или растянутой / смещенной) заряженной массы крупных ионов или поляризованных молекул. Каждая молекула в растворе действует как группа резонаторов (а не только индуктивность) с резким фазовым графиком вблизи нескольких резонирующих частот.

Существует интересное исследование об измерении полного сопротивления для чистой воды и ионов металлов в диапазоне нескольких МГц.

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


источник
о_О Вы уверены, что дело не только в геометрии колпачков? Пластины свернуты в спираль и т. Д.
эндолит
1
Да, я уверен. Рассмотрим пластины, представляющие собой две спирали, имеющие совершенно противоположные токи и концентрические, поэтому обе катушки пластины имеют одно и то же магнитное поле. Я делаю это автотрансформатором 1: 1 с очень низкой индуктивностью рассеяния (даже лучше, чем обычный автотрансформатор). Я бы приписал 10% эффекта индуктивности, остальное - ионной инерции.
1

Ключ в том, что они имеют форму рулона, который похож на катушку, то есть ток течет по кругу. Это вызывает относительно высокую индуктивность.

Другие конденсаторы имеют форму листов (керамика) или двух поверхностей на пористом материале (тантал, суперкапс), поэтому они не показывают этого эффекта.

starblue
источник
Я думаю, что это очень мало связано с этой проблемой. Это проблема даже для электролитических систем , у которых есть свернутые слои (см. Vishay.com/docs/28356/intro.pdf )
Кевин Вермеер,
У всех есть индуктивность, но у катушек больше индуктивности, чем у свернутых слоев, поэтому паразитная индуктивность будет больше, и индуктивность спирального конденсатора займет более низкие частоты, чем у свернутых слоев?
эндолит
1
@reemrevnivek Интересный документ, хотя на ESL нет жёстких цифр. Кажется, что они используют несколько приемов для уменьшения ESR и ESL, например, подключаются ко всем слоям одновременно на стороне рулона или соединяются с серединой рулона, так что магнитные поля исчезают.
звездно-голубой
0

Интересный вопрос - вообще говоря, конденсатор с емкостью C имеет сложное сопротивление с величиной 1 / (2 * pi * f * C), fwiw. Таким образом, на высоких частотах конденсатор должен выглядеть как короткое замыкание (т. Е. 0 Ом). Я не знаком с аргументом, что они начинают действовать как индуктор (это означает, что в какой-то момент увеличение сопротивления начинает увеличиваться с частотой, поскольку индуктор размера L имеет сложное сопротивление с величиной 2 * pi * f * L ... Думаю, я не куплюсь на это, но у меня нет оснований для этого.

vicatcu
источник
Ну, все компоненты ведут себя иначе, чем их идеализированные версии в определенных условиях. Реальные индукторы имеют сопротивление постоянному току, а идеализированные - например, нет.
эндолит
+1 за "Я действительно не покупаю это." Я думал об этом в течение первых трех месяцев в классе аналоговых схем. Еще иногда делаю. "Мнимые числа? Получите реальные!" Я должен отметить, что я использовал частоту в радианах, а вы использовали 2pi * f для той же цели.
Кевин Вермеер
@reemrevnivek, конечно, и для тех, кто не знает, omega = 2 * pi * f - хорошее преобразование, чтобы знать; где омега - «угловая частота», указанная в радианах, а f - частота, измеренная в Гц.
Викацу
0

В алюминиевых электролитах фольга не соединяется так, как пленочные колпачки. Это должно сделать индукцию высокой. Тем не менее, всегда есть специальные предложения, так что, кто знает?

введите описание изображения здесь

Роберт Эндл
источник