Elektrolitik kondansatörlerin frekansa bağımlılığı

Elektrolitik kapasitörlerin yüksek frekanslarda indüktör olarak davrandığı söylenir, bu yüzden küçük seramik kapakları bunlara paralel yerleştirdik:

Elektrolitik, kağıt veya plastik film kapasitörler, yüksek frekanslarda dekuplaj için kötü bir seçimdir; bunlar temel olarak plastik veya kağıt dielektrik levhalarla ayrılmış ve bir rulo halinde oluşturulmuş iki metal folyo tabakasından oluşur. Bu tür bir yapı kendiliğinden endüktansa sahiptir ve sadece birkaç MHz'yi aşan frekanslarda bir kondansatörden çok bir indüktör gibi davranır.

Kondansatör empedansı ve frekans.

Yine de bunun gibi birkaç şey görüyorum:

Elektroslarla ilişkilendirilen "endüktans problemi" başka bir aptal efsanedir - bunlar, kapağın uzunluğuyla aynı kablo uzunluğundan daha fazla endüktansa sahip değildir.

veya

Popüler bir efsane, elektroların folyonun teneke kutu içinde sarılmasından dolayı hatırı sayılır bir endüktansa sahip olmasıdır. Bu saçmalık - folyolar genellikle uçlarında film kapaklarıyla aynı şekilde birleştirilir. Yüksek frekans performansı, standart kullanıma hazır elektrolar ve bipolar (polarize olmayan elektrolitik) kapaklarla bile genellikle birkaç MHz'ye kadar uzanır.

Bu etkinin tam niteliği nedir ve hangi uygulama ve frekanslarda endişelenmemiz gerekir? Pratik uygulamalar nelerdir?

Bu etki, cihazın parazit özelliklerinin etkilerinden kaynaklanmaktadır. Bir kondansatörün dört temel paraziti vardır:

Eşdeğer Seri Direnç - ESR:

Bir kondansatör gerçekten kurşunlarının dirençleri, dielektrikteki folyo ve diğer küçük dirençlerin seri olduğu bir kondansatördür. Bu, kapasitörün anında gerçekten deşarj olamayacağı ve ayrıca sürekli olarak yüklenip boşaltıldığında ısınacağı anlamına gelir. Bu, güç sistemlerini tasarlarken önemli bir parametredir.

Kaçak akım:

Dielektrik ideal değildir, bu nedenle kapasitörünüze paralel bir direnç ekleyebilirsiniz. Bu, yedekleme sistemlerinde önemlidir ve elektrolitik kaçak akım, RAM'i bir mikroişlemci üzerinde tutmak için gereken akımdan çok daha büyük olabilir.

Dielektrik Emilim - CDA:

Bu, özellikle kaçak akımın etkisi bastırdığı elektrolitik için diğer parametrelerden daha az ilgi çekmektedir. Büyük seramikler için, kapasitöre paralel bir RC devresi olduğunu hayal edebilirsiniz. Kapasitör uzun süre şarj edildiğinde, hayal edilen kapasitör bir şarj edin. Kondansatör kısa bir süre boyunca hızlı bir şekilde boşaltılırsa ve ardından bir açık devreye geri dönerse, parazitik kapasitör ana kondansatörü şarj etmeye başlar.

Eşdeğer Seri Endüktans - ESL:

Şimdiye kadar, her şey sıfıra ve sonsuz olmayan bir dirence ek olarak kapasitansa sahipse, her şeyin parazitik endüktansa sahip olması konusunda çok şaşırmamalısınız. Bunların önemli olup olmadığı, bizi empedans konusuna götüren bir frekans işlevidir.

Empedansı Z harfi ile temsil ediyoruz. Empedans, sadece frekans bölgesinde, benzer bir direnç düşünülebilir. Aynı şekilde bir direnç DC akımının akışına dayanır, empedans da AC akımının akışını engeller. Direnç V / R olduğu gibi, eğer zaman alanına entegre edilirsek, empedans V (t) / I (t) olur.

Bazı hesaplamalar yapmanız ya da w sıklığı uygulanmış bir sinüzoidal voltajı olan bir bileşenin empedansı hakkında aşağıdaki iddiaları satın almanız gerekir:

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

Evet aynıdır (sanal sayı, ), ancak elektronik, kullandığımız yani genellikle, mevcut temsil . Ayrıca, , geleneksel olarak Yunanca omega harfidir (w. Gibi görünür). $j$$i$$\sqrt{-1}$$i$$j$$\omega$

Evet, doğru mu? Fakat siz bir fikir edinirsiniz - Bir direnç, bir AC sinyali uyguladığınızda empedansını değiştirmez. Bir kondansatör daha yüksek frekanslı empedansı düşürmüştür ve neredeyse beklediğimiz DC'de sonsuzdur. Bir indüktör, daha yüksek frekansla empedansı arttırmıştır - ani uçları gidermek için tasarlanmış bir RF şoku düşünün.

İki bileşenin empedansını seri olarak empedansları ekleyerek hesaplayabiliriz. Eğer indüktörlü seri kapasitörümüz varsa:

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

Frekansı arttırdığımızda ne olur? Uzun zaman önce, bileşenimiz elektrolitik bir kapasitördü, bu nedenle den çok daha büyük olduğunu varsayacağız . İlk bakışta, oranların değişmeyeceğini hayal ettik. Fakat bazı önemsiz şeyler (Not: Bu göreceli bir terimdir) karmaşık cebir farklı bir sonuç gösterir:$C$$L$

$\begin{align*} Z &= \frac{1}{j \omega C} + j \omega L\\ &= \frac{1}{j \omega C} + \frac{j \omega L \times j \omega C}{j \omega C}\\ &= \frac{1 + j \omega L \times j \omega C)}{j \omega C}\\ &= \frac{1 - \omega^2 LC}{j \omega C}\\ &= \frac{-j \times (1 - \omega^2 LC)}{j \omega C}\\ &= \frac{(\omega^2 LC - 1) * j)}{\omega C} \end{align*}$

Çok eğlenceliydi, değil mi? Bu bir kez yaptığınız şeydir, cevabı hatırlayın ve sonra endişelenmeyin. Son denklemden ne biliyoruz? İlk önce küçük, nin küçük ve büyük olduğu durumu düşünün . Yaklaşık olarak,$\omega$$L$$C$

$\begin{align*} \frac{(small * small * large - 1) \times j}{small * large} \end{align*}$

bu negatif bir sayıdır ( pratik bileşenler için olan olduğu varsayılmaktadır ). Bu, olarak - Bu bir kapasitör!$small * small * large < 1$$Z_C = \frac{-j}{\omega C}$

İkinci olarak, büyük, nin küçük ve büyük olduğu (Yüksek frekanslı elektrolitik) durumunuz hakkında . Yaklaşık olarak,$\omega$$L$$C$

$\begin{align*} \frac{(large * small * large - 1) \times j}{small * large} \end{align*}$

bu pozitif bir sayıdır ( varsayılmaktadır ). Bu, olarak - Bir indüktör!$large * small * large > 1$$Z_L = j \omega L$

olursa ne olur ? Öyleyse empedans sıfırdır. Evet! Buna rezonans frekansı denir - Sorunuzda gösterdiğiniz eğrinin altındaki nokta. Neden aslında sıfır değil ? ESR yüzünden. TL, DR: Frekansı çok artırdığınızda tuhaf şeyler oluyor. IC'lerinizi ayırmak için daima üreticinin veri sayfalarını takip edin ve yüksek hızlı şeyler yapmanız gerektiğinde iyi bir ders kitabı alın veya bir ders alın.$\omega^2 LC = 1$

Empedans ölçere erişimi olan herkes (HP / Venable) size kolayca elektrolitik kondansatörlerin kesinlikle yüksek frekanslarda endüktif hale geldiğini söyleyebilir.

Bu, yüksek frekanslı DC-DC dönüştürücülerinde çok sayıda seramik kondansatör görmenin nedeninin bir parçasıdır - elektrolitikler yüzlerce kilohertz / megahertz'de bu kadar iyi değildir.

Aynı zamanda 100nF - 1uF seramik kapasitörlerinin yaygın olarak IC dekuplörleri olarak kullanılmasının nedeni budur - bir elektrolitik, yüksek frekanslı empedansı nedeniyle küçük bir seramik kutuyu geçemez.

Soru "eğer sözler endüktif ise" değil, neden? Bu oldukça bir bilmecedir, ancak katı hal kimyası için seramik başlıkların karşılaştırılması, bir şeylerin yalnızca litik kapaklar için özel olduğu konusunda ipucu verebilir. Öyleyse soru elektronik değil, kimyaya aittir.

Yüksek frekanslarda minimum seviyeye ulaştıktan sonra empedansın artması, büyük iyonların veya polarize moleküllerin dönen (veya gerilmiş / yer değiştirmiş) yüklü kütleleri şeklinde biriken enerjiden kaynaklanır. Çözeltideki her molekül, birkaç rezonans frekansının yakınında keskin faz grafiği bulunan rezonatör grubu (sadece indüktans değil) gibi davranır.

Saf su ve metal iyonları için empedans ölçümü konusunda birkaç MHz aralığında ilginç bir çalışma var.

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

Anahtar, bunların bir bobine benzer bir rulo formuna sahip olmasıdır, yani akım daire şeklinde akar. Bu nispeten yüksek bir endüktansa neden olur.

Diğer kapasitörler, gözenekli bir malzeme üzerinde (tantal, üst kapaklar) tabakalar (seramik) veya iki yüzey şeklindedir, bu nedenle bu etkiyi göstermezler.

güzel soru - genel olarak C kapasitanslı bir kapasitör konuşmak, 1 / (2 * pi * f * C), fwiw büyüklüğünde karmaşık bir engellidir. Bu nedenle, yüksek frekanslarda bir kapasitörün kısa devre gibi görünmesi gerekiyor (yani 0 ohm). Bir indüktör gibi hareket etmeye başladıkları iddiasını bilmiyorum (bir noktada L boyutunda bir indüktör, 2 * pi * f * L büyüklüğünde karmaşık bir engelli olduğu için, bir noktada empedans artışlarının frekansla artmaya başladığı anlamına gelir. ... sanırım gerçekten almadım, ama bunun için bir temeli yok.

Alüminyum elektrolitikte folyolar, film kapaklarının olduğu gibi birleştirilmemiştir. Bu indüksiyon yüksek yapmak zorundadır. Ancak, her zaman özel vardır, kim bilir?