Dependência de frequência de capacitores eletrolíticos

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Dizem que os capacitores eletrolíticos se comportam como indutores em altas frequências, e é por isso que colocamos pequenas tampas de cerâmica em paralelo com eles:

Capacitores eletrolíticos, de papel ou de filme plástico são uma má escolha para desacoplar em altas frequências; eles basicamente consistem em duas folhas de papel alumínio separadas por folhas de plástico ou papel dielétrico e formadas em um rolo. Esse tipo de estrutura possui considerável auto-indutância e atua mais como um indutor do que como um capacitor em frequências que excedem apenas alguns MHz.

Impedância vs curvas de frequência para capacitores de 100 pF, 1000 pF, 0,01 μF, 0,1 μF, 2,2 μF

Impedância do capacitor vs. frequência.

No entanto, também vejo algumas coisas assim:

O "problema de indutância" associado aos eletros é outro mito idiota - eles não têm mais indutância do que um comprimento de fio igual ao comprimento da tampa.

ou

Um mito popular é que os eletro possuem uma indutância considerável devido à maneira como a folha é enrolada dentro da lata. Isso não faz sentido - as folhas geralmente são unidas nas extremidades da mesma maneira que nas capas de filme. O desempenho de alta frequência geralmente se estende a vários MHz, mesmo com eletro padrão e tampas bipolares (eletrolíticas não polarizadas).

Qual é a natureza exata desse efeito e em quais aplicações e frequências precisamos nos preocupar com isso? Quais são as implicações práticas?

endólito
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Eu me pergunto o que faz com que as curvas mergulhem mais acentuadamente antes do aumento? Especialmente a curva verde logo acima de 10MHz.
darenw
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Ressonância, eu diria.
endolith 15/10/10
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Você está citando o gráfico do artigo da ADI, onde eles mencionam as tampas líticas sendo tântalo. Não há rolo dentro da tampa do tântalo.
@Rocket cirurgião: Não há nenhuma água no interior tampão tântalo quer :)
endolith
Você não precisa de mobilidade completa para que grupos polarizados de moléculas da parte condutora da placa tenham atraso de fase em GHz. Eles colocam grafite coloidal, prata e alguns compostos orgânicos no tântalo seco, que não é um "gás de elétron" puro como no metal normal. Mas essa discussão sobre química sólida nos afastará do tópico.

Respostas:

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Este efeito é devido aos efeitos das características parasitárias do dispositivo. Um capacitor possui quatro parasitas básicos:

Resistência equivalente em série - VHS:

Um capacitor é realmente um capacitor em série com as resistências de seus condutores, a folha no dielétrico e outras pequenas resistências. Isso significa que o capacitor não pode realmente descarregar instantaneamente e também aquece quando carregado e descarregado repetidamente. Este é um parâmetro importante ao projetar sistemas de energia.

Corrente de fuga:

O dielétrico não é o ideal, então você pode adicionar uma resistência paralela ao seu capacitor. Isso é importante em sistemas de backup, e a corrente de fuga de um eletrolítico pode ser muito maior que a corrente necessária para manter a RAM em um microcontrolador.

Absorção dielétrica - CDA:

Isso geralmente é de menos interesse do que os outros parâmetros, especialmente para eletrolíticos, para os quais a corrente de fuga supera o efeito. Para cerâmicas grandes, você pode imaginar que existe um circuito RC em paralelo com o capacitor. Quando o capacitor é carregado por um longo período de tempo, o capacitor imaginado adquire uma carga. Se o capacitor for descarregado rapidamente por um breve período e subsequentemente retornar a um circuito aberto, o capacitor parasita começará a recarregar o capacitor principal.

Indutância de Série Equivalente - ESL:

Até agora, você não deve se surpreender ao saber que, se tudo tem capacitância, além de resistência diferente de zero e não infinita, tudo também tem indutância parasitária. Se estes são significativos é uma função da frequência, o que nos leva ao tópico da impedância.

Representamos impedância pela letra Z. Impedância pode ser pensada como resistência, apenas no domínio da frequência. Da mesma maneira que uma resistência resiste ao fluxo de corrente CC, a impedância também impede o fluxo de corrente CA. Assim como a resistência é V / R, se integrarmos no domínio do tempo, a impedância é V (t) / I (t).

Você precisará fazer alguns cálculos ou comprar as seguintes afirmações sobre a impedância de um componente com uma tensão senoidal aplicada com uma frequência de w:

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

Sim, é o mesmo que i (o número imaginário, ji ), mas em eletrônica,eugeralmente representa corrente, então usamosj. Além disso,ωé tradicionalmente a letra grega ômega (que se parece com w.) A letra 's' refere-se a uma frequência complexa (não sinusoidal). 1ijω

Eca, certo? Mas você entendeu: um resistor não altera sua impedância quando você aplica um sinal CA. Um capacitor reduziu a impedância com maior frequência e é quase infinito na CC, o que esperamos. Um indutor aumentou a impedância com maior frequência - pense em um bloqueador de RF projetado para remover picos.

Podemos calcular a impedância de dois componentes em série adicionando as impedâncias. Se temos um capacitor em série com um indutor, temos:

Z=ZC+ZL=1jωC+jωL

CL

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

ωLC

(smallsmalllarge1)×jsmalllarge

smallsmalllarge<1ZC=jωC

ωLC

(largesmalllarge1)×jsmalllarge

largesmalllarge>1ZL=jωL

ω2LC=1

Kevin Vermeer
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"Impedância pode ser pensada como resistência, apenas no domínio da frequência." Mais precisamente, a resistência é um subconjunto de impedância. Impedância é a combinação da resistência e reatância de um componente ou subcircuito. Talvez devêssemos ter uma pergunta "O que é impedância". : D
endólito 5/08/10
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resposta épica ...
vicatcu 6/08/10
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os números imaginários são apenas uma ferramenta para evitar equações diferenciais e integrais; que tipo de make cálculo em álgebra :)
vicatcu
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... transformar cálculo em álgebra complexa . Fora da frigideira e no fogo.
Kevin Vermeer
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ZC+ZL1/(jωC+jωL)1jωC+jωL
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Qualquer pessoa com acesso a um medidor de impedância (HP / Venable) pode dizer com facilidade que os capacitores eletrolíticos certamente se tornam indutivos em altas frequências.

Isso é parte da razão pela qual você vê muitos capacitores de cerâmica usados ​​em conversores DC-DC de alta frequência - os eletrolíticos simplesmente não são tão bons assim nas centenas de quilohertz / megahertz.

É também por isso que capacitores de cerâmica de 100nF a 1uF são comumente usados ​​como desacopladores de CI - um eletrolítico não pode bater em uma pequena lata de cerâmica por causa de sua impedância de alta frequência.

Adam Lawrence
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A questão não era "se os líticos são indutivos", mas por quê? Isso é um enigma, mas a comparação com gráficos de tampas de cerâmica para a química de estado sólido pode dar uma pista de que algo é especial apenas para as tampas líticas. Portanto, a questão pertence à química, não à eletrônica.

O aumento da impedância após atingir o mínimo em altas frequências é causado pela energia acumulada na forma de massa carregada rotativa (ou esticada / deslocada) de íons grandes ou moléculas polarizadas. Cada molécula em solução está agindo como um grupo de ressonadores (não apenas indutância), com um gráfico de fase agudo próximo a várias frequências ressonantes.

Existe um estudo interessante sobre a medição de impedância para água pura e íons metálicos na faixa de poucos 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 Tem certeza de que não é apenas da geometria das tampas? As placas enroladas em espiral, etc.
endolith
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Sim eu tenho certeza. Considere placas, sendo duas espirais, tendo correntes exatamente opostas e concêntricas, de modo que ambas as bobinas de placa compartilhem o mesmo campo magnético. Eu o faço um autotransformador 1: 1 com indutância de vazamento muito baixa (melhor que o autotransformador comum mesmo). Eu atribuiria 10% de efeito à indutância, repouso à inércia do íon.
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A chave é que estes têm a forma de um rolo, que é semelhante a uma bobina, ou seja, a corrente flui em círculos. Isso causa uma indutância relativamente alta.

Outros capacitores têm a forma de folhas (cerâmicas) ou de duas superfícies em um material poroso (tântalo, supercaps), para que não mostrem esse efeito.

starblue
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Eu acho que isso tem muito pouco a ver com o problema. Este é um problema mesmo para electrolytics que tenham dobrado camadas (ver vishay.com/docs/28356/intro.pdf )
Kevin Vermeer
Tudo tem indutância, mas as bobinas têm mais indutância do que as camadas dobradas, de modo que a indutância parasitária será maior e a indutância de um capacitor em espiral assumirá o controle em frequências mais baixas do que uma com camadas dobradas?
endolith 5/08/10
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@reemrevnivek Documento interessante, embora não haja números concretos na ESL. Eles parecem usar vários truques para reduzir ESR e ESL, como conectar a todas as camadas simultaneamente ao lado do rolo ou ao meio do rolo, para que os campos magnéticos sejam cancelados.
starblue
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pergunta legal - de um modo geral, um capacitor com capacitância C tem uma impedância complexa com magnitude 1 / (2 * pi * f * C), fwiw. Portanto, em altas frequências, um capacitor deve parecer um curto-circuito (ou seja, 0 ohms). Não estou familiarizado com o argumento de que eles começam a agir como um indutor (o que implica que, em algum momento, o aumento da impedância começa a aumentar com a frequência, uma vez que um indutor de tamanho L tem uma impedância complexa com magnitude 2 * pi * f * L ... Acho que realmente não compro, mas não tenho base para isso.

vicatcu
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Bem, todos os componentes se comportam de maneira diferente das versões idealizadas em determinadas condições. Indutores reais têm resistência DC, enquanto indutores idealizados, por exemplo.
endolith 5/08/10
+1 em "Eu realmente não compro". Pensei nisso nos primeiros três meses da minha aula de design de circuitos analógicos. Ainda faço às vezes. "Números imaginários? Seja real!" Devo salientar que usei a frequência em radianos, enquanto você usava 2pi * f para o mesmo propósito.
Kevin Vermeer
@reemrevnivek, com certeza e para quem não conhece ômega = 2 * pi * f é uma boa conversão para saber; onde ômega é a "frequência angular" especificada em radianos ef é a frequência medida em Hz.
vicatcu
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Nos eletrolíticos de alumínio, as lâminas não são unidas como as tampas dos filmes. Isso tem que aumentar a indução. No entanto, sempre existem promoções, então quem sabe?

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Robert Endl
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