Dépendance en fréquence des condensateurs électrolytiques

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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.

Impedance vs frequency curves for 100 pF, 1000 pF, 0.01 μF, 0.1 μF, 2.2 μF capacitors

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?

endolith
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2
Je me demande ce qui fait que les courbes plongent plus raides juste avant la remontée? Surtout la courbe verte juste au-dessus de 10 MHz.
DarenW
2
Résonance, je suppose.
endolith
2
Vous citez le tableau de l'article de l'ADI, où ils mentionnent que les casquettes lytiques sont en tantale. Il n'y a pas de rouleau à l'intérieur du capuchon en tantale.
@Rocket Surgeon: Il n'y a pas d'eau non plus à l'intérieur du capuchon en tantale :)
endolith
Vous n'avez pas besoin d'une mobilité complète pour que les groupes polarisés de molécules de la partie conductrice de la plaque aient un décalage de phase en GHz. Ils ont mis du graphite colloïdal, de l'argent et certains produits organiques dans des tantales secs, qui ne sont pas du "gaz d'électrons" pur comme dans le métal normal. Mais cette discussion sur la chimie solide nous éloignera du sujet.

Réponses:

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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:

Zresistor=RZcapacitor=1jωC=1sCZinductor=jωL=sL

Oui, est le même que i (le nombre imaginaire, ji ), 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). 1ijω

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:

Z=ZC+ZL=1jωC+jωL

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:CL

Z=1jωC+jωL=1jωC+jωL×jωCjωC=1+jωL×jωC)jωC=1ω2LCjωC=j×(1ω2LC)jωC=(ω2LC1)j)ωC

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,ωLC

(smallsmalllarge1)×jsmalllarge

smallsmalllarge<1ZC=jωC

ωLC

(largesmalllarge1)×jsmalllarge

largesmalllarge>1ZL=jωL

ω2LC=1

Kevin Vermeer
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2
"L'impédance peut être considérée comme une résistance, juste dans le domaine fréquentiel." Plus précisément, la résistance est un sous-ensemble d'impédance. L'impédance est la combinaison de la résistance et de la réactance d'un composant ou d'un sous-circuit. Peut-être que nous devrions avoir une question "Qu'est-ce que l'impédance". : D
endolith
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réponse épique ...
vicatcu
1
les nombres imaginaires ne sont qu'un outil pour éviter les équations différentielles et les intégrales; ils transforment le calcul en algèbre :)
vicatcu
1
... transformez le calcul en algèbre complexe . Hors de la poêle et dans le feu.
Kevin Vermeer
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ZC+ZL1/(jωC+jωL)1jωC+jωL
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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.

Adam Lawrence
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2

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


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o_O Êtes-vous sûr que cela ne vient pas uniquement de la géométrie des bouchons? Les plaques enroulées en spirale, etc.
endolith
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Oui je suis sûr. Considérez les plaques, étant deux spirales, ayant des courants exactement opposés et concentriques, les deux bobines de plaque partagent donc le même champ magnétique. J'en fais un autotransformateur 1: 1 avec une très faible inductance de fuite (mieux qu'un autotransformateur ordinaire même). J'attribuerais peut-être 10% d'effet à l'inductance, le reste à l'inertie ionique.
1

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.

starblue
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Je pense que cela a très peu à voir avec la question. C'est un problème même pour les électrolytes qui ont des couches pliées (Voir vishay.com/docs/28356/intro.pdf )
Kevin Vermeer
Tout a une inductance, mais les bobines ont plus d'inductance que les couches pliées, donc l'inductance parasite sera plus grande, et l'inductance d'un condensateur bobiné prendra le relais à des fréquences plus basses que celle avec des couches pliées?
endolith
1
@reemrevnivek Document intéressant, bien qu'il n'y ait pas de chiffres sur ESL. Ils semblent utiliser plusieurs astuces pour réduire les ESR et ESL, comme se connecter à toutes les couches simultanément sur le côté du rouleau, ou se connecter au milieu du rouleau, de sorte que les champs magnétiques s'annulent.
starblue
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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.

vicatcu
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Eh bien, tous les composants se comportent différemment de leurs versions idéalisées dans certaines conditions. Les inductances réelles ont une résistance CC, contrairement aux inductances idéalisées.
endolith
+1 pour "Je ne l'achète pas vraiment." J'ai pensé cela pendant environ les trois premiers mois de ma classe de conception de circuits analogiques. Je le fais encore parfois. "Des nombres imaginaires? Soyez réel!" Je dois souligner que j'ai utilisé la fréquence en radians, alors que vous avez utilisé 2pi * f dans le même but.
Kevin Vermeer
@reemrevnivek, bien sûr et pour ceux qui ne connaissent pas les oméga = 2 * pi * f est une bonne conversion à savoir; où oméga est la "fréquence angulaire" spécifiée en radians, et f est la fréquence mesurée en Hz.
vicatcu
0

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?

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Robert Endl
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