Ketergantungan frekuensi kapasitor elektrolitik

Dikatakan bahwa kapasitor elektrolitik berperilaku sebagai induktor pada frekuensi tinggi, itulah sebabnya kami menempatkan tutup keramik kecil secara paralel dengan mereka:

Kapasitor elektrolit, kertas, atau film plastik adalah pilihan yang buruk untuk decoupling pada frekuensi tinggi; mereka pada dasarnya terdiri dari dua lembar kertas logam yang dipisahkan oleh lembaran plastik atau kertas dielektrik dan dibentuk menjadi gulungan. Struktur semacam ini memiliki induktansi diri yang cukup besar dan bertindak lebih seperti induktor daripada kapasitor pada frekuensi yang hanya beberapa MHz.

Impedansi kapasitor vs frekuensi.

Namun saya juga melihat beberapa hal seperti ini:

"Masalah induktansi" yang terkait dengan elektro adalah mitos idiot lainnya - mereka tidak memiliki induktansi lebih dari panjang kawat sama dengan panjang tutupnya.

atau

Sebuah mitos populer adalah bahwa elektro memiliki induktansi yang cukup besar karena cara foil dililitkan di dalam kaleng. Ini tidak masuk akal - foil biasanya digabungkan pada ujungnya dengan cara yang sama seperti pada penutup film. Kinerja frekuensi tinggi biasanya meluas hingga beberapa MHz, bahkan dengan standar elektrik dan penutup bipolar (elektrolitik non-terpolarisasi).

Apa sifat tepat dari efek ini dan dalam aplikasi dan frekuensi apa yang perlu kita khawatirkan? Apa implikasi praktisnya?

Efek ini disebabkan oleh efek karakteristik parasit perangkat. Kapasitor memiliki empat parasit dasar:

Resistansi Seri Setara - ESR:

Kapasitor benar-benar kapasitor secara seri dengan resistansi timahnya, foil dielektriknya, dan resistansi kecil lainnya. Ini berarti bahwa kapasitor tidak dapat benar-benar mengeluarkan daya secara instan, dan juga akan memanas ketika berulang kali diisi dan dikosongkan. Ini adalah parameter penting ketika merancang sistem tenaga.

Kebocoran arus:

Dielektriknya tidak ideal, sehingga Anda dapat menambahkan hambatan secara paralel dengan kapasitor Anda. Ini penting dalam sistem cadangan, dan arus bocor dari elektrolit bisa jauh lebih besar dari arus yang dibutuhkan untuk memelihara RAM pada mikrokontroler.

Penyerapan Dielektrik - CDA:

Ini biasanya kurang menarik daripada parameter lain, terutama untuk elektrolitik, yang mana arus bocor melebihi efeknya. Untuk keramik besar, bisa dibayangkan ada sirkuit RC yang paralel dengan kapasitor. Ketika kapasitor diisi untuk jangka waktu yang lama, kapasitor yang dibayangkan mendapatkan muatan. Jika kapasitor dilepaskan dengan cepat untuk periode yang singkat dan kemudian dikembalikan ke sirkuit terbuka, kapasitor parasit mulai mengisi ulang kapasitor utama.

Induktansi Seri Setara - ESL:

Sekarang, Anda seharusnya tidak terlalu terkejut bahwa, jika semuanya memiliki kapasitansi serta resistansi yang tidak nol dan tidak terbatas, semuanya juga memiliki induktansi parasit. Apakah ini signifikan adalah fungsi frekuensi, yang membawa kita ke topik impedansi.

Kami mewakili impedansi dengan huruf Z. Impedansi dapat dianggap sebagai perlawanan, hanya di domain frekuensi. Dengan cara yang sama bahwa hambatan menolak aliran arus DC, demikian juga impedansi menghambat aliran arus AC. Sama seperti resistensi adalah V / R, jika kita mengintegrasikan ke dalam domain waktu, impedansi adalah V (t) / I (t).

Anda harus melakukan beberapa kalkulus, atau membeli pernyataan berikut tentang impedansi komponen dengan tegangan sinusoidal yang diterapkan dengan frekuensi w:

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

Ya, sama dengan i (angka imajiner, $j$$i$ ), tetapi dalam elektronik,sayabiasanya mewakili arus, jadi kami menggunakanj. Juga,ωsecara tradisional adalah huruf Yunani omega (yang terlihat seperti w.) Huruf 's' mengacu pada frekuensi yang kompleks (bukan sinusoidal). $\sqrt{-1}$$i$$j$$\omega$

Yuck, benar? Tetapi Anda mendapat ide - Sebuah resistor tidak mengubah impedansinya ketika Anda menerapkan sinyal AC. Kapasitor telah mengurangi impedansi dengan frekuensi yang lebih tinggi, dan hampir tak terbatas di DC, yang kami harapkan. Sebuah induktor telah meningkatkan impedansi dengan frekuensi yang lebih tinggi - pikirkan sebuah RF tercekik yang dirancang untuk menghilangkan paku.

Kita dapat menghitung impedansi dua komponen secara seri dengan menambahkan impedansi. Jika kami memiliki kapasitor secara seri dengan induktor, kami memiliki:

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

$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$

$\omega^2 LC = 1$

Siapa pun yang memiliki akses ke meteran impedansi (HP / Venable) dapat dengan mudah memberi tahu Anda bahwa kapasitor elektrolitik memang menjadi induktif pada frekuensi tinggi.

Ini adalah bagian dari alasan mengapa Anda melihat banyak kapasitor keramik yang digunakan dalam konverter DC-DC frekuensi tinggi - elektrolitik tidak begitu bagus dalam ratusan kilohertz / megahertz.

Ini juga mengapa kapasitor keramik dari 100nF - 1uF umumnya digunakan sebagai decoupler IC - elektrolitik tidak dapat mengalahkan kaleng keramik kecil karena impedans frekuensi tinggi.

Pertanyaannya bukan "jika litik adalah induktif", tetapi mengapa? Ini cukup teka-teki, tetapi perbandingan dengan plot topi keramik untuk kimia keadaan padat dapat memberikan petunjuk, bahwa ada sesuatu yang khusus untuk topi litik saja. Jadi pertanyaannya adalah soal kimia, bukan elektronik.

Peningkatan impedansi setelah mencapai minimum pada frekuensi tinggi disebabkan oleh energi yang terakumulasi dalam bentuk massa bermuatan ion besar atau molekul terpolarisasi. Setiap molekul dalam larutan bertindak seperti kelompok resonator (bukan hanya induktansi) dengan plot fase tajam dekat beberapa frekuensi beresonansi.

Ada studi menarik tentang pengukuran impedansi untuk air murni dan ion logam dalam kisaran beberapa MHz.

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

Kuncinya adalah bahwa ini memiliki bentuk gulungan, yang mirip dengan kumparan, yaitu arus mengalir dalam lingkaran. Ini menyebabkan induktansi yang relatif tinggi.

Kapasitor lain memiliki bentuk lembaran (keramik) atau dua permukaan pada bahan berpori (tantal, supercaps), sehingga tidak menunjukkan efek ini.

pertanyaan keren - umumnya kapasitor dengan kapasitansi C memiliki impedansi yang kompleks dengan besarnya 1 / (2 * pi * f * C), fwiw. Jadi pada frekuensi tinggi kapasitor seharusnya terlihat seperti korsleting (yaitu 0 ohm). Saya tidak terbiasa dengan argumen bahwa mereka mulai bertindak seperti induktor (yang menyiratkan bahwa pada titik tertentu peningkatan impedansi mulai meningkat dengan frekuensi, karena induktor ukuran L memiliki impedansi kompleks dengan besarnya 2 * pi * f * L ... kurasa aku tidak benar-benar membelinya, tapi aku tidak punya dasar untuk itu.

Dalam aluminium elektrolitik foil tidak bergabung dengan cara tutup film. Ini harus membuat induksi tinggi. Namun, selalu ada yang spesial, jadi siapa yang tahu?