Dépendance en fréquence des condensateurs électrolytiques

On dit que les condensateurs électrolytiques se comportent comme des inducteurs à haute fréquence, c'est pourquoi nous mettons en parallèle de petits bouchons en céramique:

Les condensateurs électrolytiques, en papier ou en film plastique sont un mauvais choix pour le découplage à hautes fréquences; ils se composent essentiellement de deux feuilles de feuille métallique séparées par des feuilles de plastique ou de papier diélectrique et formées en rouleau. Ce type de structure possède une auto-inductance considérable et agit plus comme une inductance que comme un condensateur à des fréquences dépassant à peine quelques MHz.

Impédance du condensateur en fonction de la fréquence.

Pourtant, je vois aussi quelques choses comme ça:

Le "problème d'inductance" associé aux électros est un autre mythe idiot - ils n'ont pas plus d'inductance qu'une longueur de fil identique à la longueur du capuchon.

ou

Un mythe populaire est que les électros ont une inductance considérable en raison de la façon dont la feuille est enroulée à l'intérieur de la boîte. C'est un non-sens - les feuilles sont généralement jointes aux extrémités de la même manière qu'avec les bouchons de film. Les performances à haute fréquence s'étendent généralement à plusieurs MHz, même avec des électros standard et des bouchons bipolaires (électrolytiques non polarisés).

Quelle est la nature exacte de cet effet et dans quelles applications et fréquences devons-nous nous en préoccuper? Quelles sont les implications pratiques?

Cet effet est dû aux effets des caractéristiques parasites de l'appareil. Un condensateur a quatre parasites de base:

Résistance série équivalente - ESR:

Un condensateur est vraiment un condensateur en série avec les résistances de ses fils, la feuille dans le diélectrique et d'autres petites résistances. Cela signifie que le condensateur ne peut pas vraiment se décharger instantanément et qu'il chauffera lorsqu'il est chargé et déchargé à plusieurs reprises. Il s'agit d'un paramètre important lors de la conception de systèmes d'alimentation.

Courant de fuite:

Le diélectrique n'est pas idéal, vous pouvez donc ajouter une résistance en parallèle avec votre condensateur. Ceci est important dans les systèmes de sauvegarde, et le courant de fuite d'un électrolytique peut être beaucoup plus élevé que le courant requis pour maintenir la RAM sur un microcontrôleur.

Absorption diélectrique - CDA:

Cela présente généralement moins d'intérêt que les autres paramètres, en particulier pour l'électrolyse, pour laquelle le courant de fuite dépasse l'effet. Pour les grandes céramiques, vous pouvez imaginer qu'il existe un circuit RC en parallèle avec le condensateur. Lorsque le condensateur est chargé pendant une longue période de temps, le condensateur imaginé acquiert une charge. Si le condensateur est rapidement déchargé pendant une brève période et est ensuite retourné à un circuit ouvert, le condensateur parasite commence à recharger le condensateur principal.

Inductance série équivalente - ESL:

À ce stade, vous ne devriez pas être trop surpris que, si tout a une capacité ainsi qu'une résistance non nulle et non infinie, tout ait également une inductance parasite. Leur importance est fonction de la fréquence, ce qui nous amène au sujet de l'impédance.

Nous représentons l'impédance par la lettre Z. L'impédance peut être considérée comme une résistance, juste dans le domaine fréquentiel. De la même manière qu'une résistance résiste au flux de courant continu, une impédance empêche également le flux de courant alternatif. Tout comme la résistance est V / R, si nous intégrons dans le domaine temporel, l'impédance est V (t) / I (t).

Vous devrez soit faire un calcul, soit acheter les affirmations suivantes concernant l'impédance d'un composant avec une tension sinusoïdale appliquée avec une fréquence de w:

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

Oui, est le même que i (le nombre imaginaire, $j$$i$ ), mais en électronique,ireprésente généralement le courant, nous utilisons doncj. De plus,ωest traditionnellement la lettre grecque oméga (qui ressemble à w.) La lettre 's' fait référence à une fréquence complexe (non sinusoïdale). $\sqrt{-1}$$i$$j$$\omega$

Beurk, non? Mais vous avez l'idée - Une résistance ne change pas son impédance lorsque vous appliquez un signal AC. Un condensateur a réduit l'impédance avec une fréquence plus élevée, et il est presque infini à DC, ce que nous attendons. Une inductance a augmenté l'impédance à une fréquence plus élevée - pensez à une inductance RF conçue pour éliminer les pointes.

Nous pouvons calculer l'impédance de deux composants en série en ajoutant les impédances. Si nous avons un condensateur en série avec une inductance, nous avons:

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

Que se passe-t-il lorsque nous augmentons la fréquence? Il y a longtemps, notre composant est un condensateur électrolytique, donc nous supposons que est très supérieure à L . À première vue, nous imaginerions que les ratios ne changeraient pas. Mais, certaines algèbres complexes triviales (Remarque: il s'agit d'un terme relatif) montrent un résultat différent:$C$$L$

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

Eh bien, c'était amusant, non? C'est le genre de chose que vous faites une fois, souvenez-vous de la réponse et ne vous en faites pas. Que savons-nous de la dernière équation? Considérons d'abord le cas où est petit, L est petit et C est grand. Nous avons, approximativement,$\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$

$\omega^2 LC = 1$

Quiconque a accès à un impédancemètre (HP / Venable) peut facilement vous dire que les condensateurs électrolytiques deviennent inductifs à haute fréquence.

C'est en partie la raison pour laquelle vous voyez beaucoup de condensateurs céramiques utilisés dans les convertisseurs DC-DC haute fréquence - l'électrolyse n'est tout simplement pas aussi bonne dans les centaines de kilohertz / mégahertz.

C'est aussi pourquoi les condensateurs en céramique de 100nF - 1uF sont couramment utilisés comme découpleurs IC - un électrolytique ne peut pas battre une petite boîte en céramique en raison de son impédance haute fréquence.

La question n'était pas "si les paroles sont inductives", mais pourquoi? C'est tout un casse-tête, mais la comparaison avec les tracés de bouchons en céramique pour la chimie du solide peut donner un indice, que quelque chose est spécial pour les bouchons lytiques uniquement. La question appartient donc à la chimie, pas à l'électronique.

L'augmentation de l'impédance après avoir atteint le minimum aux hautes fréquences est causée par l'énergie accumulée sous forme de masse chargée en rotation (ou étirée / déplacée) de gros ions ou de molécules polarisées. Chaque molécule en solution agit comme un groupe de résonateurs (pas seulement une inductance) avec un tracé de phase net près de plusieurs fréquences de résonance.

Il existe une étude intéressante sur la mesure d'impédance pour l'eau pure et les ions métalliques dans une plage de quelques MHz.

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

La clé est que ceux-ci ont la forme d'un rouleau, qui est similaire à une bobine, c'est-à-dire que le courant circule en cercles. Cela provoque une inductance relativement élevée.

D'autres condensateurs ont la forme de feuilles (céramique) ou de deux surfaces sur un matériau poreux (tantale, supercaps), donc ils ne montrent pas cet effet.

question cool - en général, un condensateur de capacité C a une impédance complexe de magnitude 1 / (2 * pi * f * C), fwiw. Ainsi, aux hautes fréquences, un condensateur est censé ressembler à un court-circuit (c'est-à-dire 0 ohms). Je ne connais pas l'argument selon lequel ils commencent à agir comme un inducteur (ce qui implique qu'à un certain point, l'impédance augmente commence à augmenter avec la fréquence, car un inducteur de taille L a une impédance complexe de magnitude 2 * pi * f * L ... Je suppose que je ne l'achète pas vraiment, mais je n'ai aucune base pour cela.

Dans les électrolytes en aluminium, les feuilles ne sont pas jointes comme le sont les bouchons de film. Cela doit rendre l'induction élevée. Cependant, il y a toujours des spéciaux, alors qui sait?