Qu'est-ce qui cause vraiment l'inductance en série des condensateurs?

En faisant quelques recherches dans la sélection des condensateurs pour les applications haute fréquence, le concept d'inductance série équivalente revient beaucoup. Apparemment, tous les condensateurs ont cette inductance parasite qui apparaît en série avec la capacité du composant. Si l'ESL est élevé, dans les hautes fréquences, cette réactance inductive peut même annuler la réactance capacitive, et le capuchon agit essentiellement comme une résistance qui bloque le courant continu.

Mais pourquoi l'ESL est-il si important? Bien sûr, les bouchons ont des fils, mais j'imagine que le reste du circuit a beaucoup plus de fils et donc une inductance parasite beaucoup plus élevée, ce qui serait un problème beaucoup plus important que les fils de composants courts. Sinon, les bouchons ne sont que des plaques avec un diélectrique entre les deux, alors qu'est-ce qui nous fait tellement nous soucier des ESL?

En ce qui concerne les condensateurs électrolytiques, j'ai trouvé une explication: il a été expliqué que, comme le capuchon est essentiellement un long morceau de papier laminé, il y a certainement beaucoup d'inductance puisque le rouleau de papier se comporte un peu comme une bobine. Mais je ne pense pas que cela ait du sens: ce n'est pas comme si le courant se déplaçait le long du fleuret! Le courant crée un champ électrique dans une feuille, ce qui produit à nouveau un courant dans l'autre feuille. Mais ce champ apparaît à travers les feuilles, pas le long , donc cette explication n'a aucun sens pour moi.

Quelqu'un pourrait-il donc m'expliquer ce phénomène, de préférence dans le contexte des condensateurs céramiques et électrolytiques?

avertissement: bien que j'apprécie qu'OP ait accepté ma réponse, au lieu de la réponse (actuellement) la plus votée de Peter Smith, veuillez également lire la sienne, car elle est très claire et utile. cliquez ici!

Les bouchons en céramique et les bouchons électrolytiques ont des caractéristiques très différentes et sont utilisés pour des choses très différentes.

Les bouchons en céramique ont un ESL très bas, généralement un pH de quelques 100 pour un emballage relativement petit et moderne. Un bouchon électrolytique ESL est beaucoup plus gros que cela.

De manière similaire, une capacité de capuchon en céramique est beaucoup plus faible qu'un capuchon électrolytique.

Ces deux faits réunis conduisent à une très grande différence dans la fréquence de résonance du plafond. Un capuchon électrolytique résonne à quelques 100 Hz, tandis qu'une bonne céramique résonne à quelques MHz.

Les bouchons électrolytiques sont généralement utilisés lorsque vous traitez avec des fréquences faibles, telles que le lissage de l'alimentation ou l'application audio.

Les céramiques sont utilisées là où vous ne pouvez pas faire de compromis sur la réponse en fréquence, donc pour les filtres haute fréquence, ou pour filtrer l'alimentation d'un appareil numérique haute fréquence tel qu'un microcontrôleur.

Comme vous le dites, le circuit est composé de fils, généralement plus longs que les fils du capuchon. C'est vrai, et c'est pourquoi un capuchon en céramique est généralement placé à quelques mm du point qu'il doit filtrer / alimenter. Quelques mm sur un PCB, selon la largeur de la piste, c'est facilement quelques 100 pH d'inductance, donc vous doublez ce que le capuchon fournit.

Aux hautes fréquences, le capuchon n'agit pas comme une résistance, mais plutôt comme une inductance, et son impédance croît avec la fréquence.

D'où vient l'inductance, je ne sais pas s'il est possible d'obtenir une réponse intuitivement satisfaisante. Vous dites que le courant ne traverse pas les foils, mais ce n'est pas vrai. Ils sont au même potentiel et le courant ne les parcourt pas uniquement à DC. Que se passe-t-il à 1 MHz? Et 1 GHz? Du courant circule sûrement également à travers les feuilles.

Les céramiques sont bien meilleures, elles sont construites comme un double peigne:

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De cette façon, le "chemin le plus long" est beaucoup plus court, donc l'inductance parasite est beaucoup plus faible. Si vous regardez l'ESL pour la céramique, vous constaterez que le chiffre dépend presque uniquement de la taille de l'emballage, plus l'emballage est petit, plus l'ESL est bas.

Lorsque le courant circule, il y a par définition un champ magnétique autour de lui. Cela conduit à l' auto-inductance pour tout conducteur avec un courant variable.

Comme un condensateur est une faible impédance à CA (la quantité précise dépend bien sûr de la fréquence), alors un vrai condensateur ressemble à ceci:

C1 est le condensateur nominal, R1 est la résistance série équivalente , L1 est l' inductance série équivalente et R2 est la résistance aux fuites.

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Vous remarquerez que nous avons maintenant un circuit résonnant en série amorti; au-dessous de l'auto-résonance, il est capacitif, à la résonance, il est résistif et au-dessus, il est inductif.

La valeur de l'ESL dépend à la fois des matériaux et de la taille de l'appareil; pour un dispositif à géométrie inverse dans un boîtier de montage en surface 0204, il peut être aussi bas que 300 pH; une céramique de montage en surface 0402 typique est d'environ 680pH.

Pour les dispositifs de découplage et de couplage, cela est important dans un monde à grande vitesse.

Faisons un calcul rapide. Si je découpler un appareil qui a des taux de commutation interne de 200 picosecondes (pas du tout rare et a des artefacts de fréquence à 2,5 GHz) et j'utilise un appareil 0402 0,1 uF, alors l'impédance réelle est d'environ 4,3 ohms et elle est inductive .

Vous avez bien lu cela; le condensateur agit maintenant comme une inductance.

ESL à montage en surface typiques:

0402 680pH: 0603 environ 900pH: 0805 environ 1,2nH

Une piste de 1 pouce à 4 mille (assez commun) a environ 5nH d'inductance, pour référence. C'est la raison pour laquelle les dispositifs de découplage doivent être si proches de la broche d'alimentation réelle qui est découplée. Un appareil qui n'est même qu'à 1/2 pouce de distance à ces fréquences pourrait tout aussi bien ne pas exister.

L'inductance pour une trace de PCB suppose qu'elle est au-dessus d'un plan; la valeur précise variera en fonction de la distance à l'avion (car elle a un impact sur le trajet de retour total et le temps d'aller-retour). J'ai trouvé que la valeur ci-dessus était un bon point de départ (conservateur) pour les conceptions de PCB. L'inductance réelle dépend spécifiquement de la distance totale du trajet de courant pour la boucle.

Alors, pourquoi ESL? La physique.