Frequenzabhängigkeit von Elektrolytkondensatoren

Es heißt, Elektrolytkondensatoren verhalten sich bei hohen Frequenzen wie Induktivitäten, weshalb wir kleine Keramikkappen parallel dazu platzieren:

Elektrolyt-, Papier- oder Kunststofffolienkondensatoren sind eine schlechte Wahl für die Entkopplung bei hohen Frequenzen. Sie bestehen im Wesentlichen aus zwei Metallfolien, die durch Folien aus Kunststoff oder Papier als Dielektrikum voneinander getrennt und zu einer Rolle geformt sind. Diese Art von Struktur weist eine beträchtliche Eigeninduktivität auf und wirkt bei Frequenzen von mehr als nur einigen MHz eher wie eine Induktivität als ein Kondensator.

Kondensatorimpedanz gegen Frequenz.

Dennoch sehe ich auch ein paar Dinge wie diese:

Das mit Elektros verbundene "Induktivitätsproblem" ist ein weiterer idiotischer Mythos - sie haben nicht mehr Induktivität als eine Drahtlänge, die der Länge der Kappe entspricht.

oder

Ein beliebter Mythos besagt, dass Elektros aufgrund der Art und Weise, wie die Folie in die Dose gewickelt wird, eine erhebliche Induktivität haben. Das ist Unsinn - die Folien werden in der Regel an den Enden ähnlich wie bei Filmkappen zusammengefügt. Die Hochfrequenzleistung reicht normalerweise bis zu mehreren MHz, selbst mit handelsüblichen Elektros und bipolaren (nicht polarisierten elektrolytischen) Kappen.

Was ist die genaue Natur dieses Effekts und in welchen Anwendungen und Frequenzen müssen wir uns darum kümmern? Was sind die praktischen Auswirkungen?

Dieser Effekt ist auf die Auswirkungen der parasitären Eigenschaften des Geräts zurückzuführen. Ein Kondensator hat vier Grundstörungen:

Äquivalenter Serienwiderstand - ESR:

Ein Kondensator ist eigentlich ein Kondensator in Reihe mit den Widerständen seiner Zuleitungen, der Folie im Dielektrikum und anderen kleinen Widerständen. Dies bedeutet, dass sich der Kondensator nicht sofort wirklich entladen kann und sich bei wiederholtem Laden und Entladen erwärmt. Dies ist ein wichtiger Parameter beim Entwurf von Stromversorgungssystemen.

Leckstrom:

Das Dielektrikum ist nicht ideal, daher können Sie parallel zu Ihrem Kondensator einen Widerstand hinzufügen. Dies ist in Backup-Systemen wichtig und der Leckstrom eines Elektrolyten kann viel größer sein als der Strom, der zur Aufrechterhaltung des RAM in einem Mikrocontroller erforderlich ist.

Dielektrische Absorption - CDA:

Dies ist in der Regel von geringerem Interesse als die anderen Parameter, insbesondere für die Elektrolyse, bei der der Leckstrom den Effekt überwältigt. Bei großen Keramiken kann man sich vorstellen, dass parallel zum Kondensator eine RC-Schaltung vorhanden ist. Wenn der Kondensator für eine lange Zeitdauer geladen wird, erhält der vorgestellte Kondensator eine Ladung. Wenn der Kondensator kurzzeitig schnell entladen und anschließend in einen offenen Stromkreis zurückgeführt wird, beginnt der parasitäre Kondensator, den Hauptkondensator wieder aufzuladen.

Äquivalente Serieninduktivität - ESL:

Inzwischen sollten Sie sich nicht allzu wundern, dass, wenn alles eine Kapazität sowie einen Widerstand ungleich Null und unendlich hat, auch alles eine parasitäre Induktivität hat. Ob diese signifikant sind, ist eine Funktion der Frequenz, die uns zum Thema Impedanz führt.

Wir stellen die Impedanz durch den Buchstaben Z dar. Die Impedanz kann als Widerstand betrachtet werden, nur im Frequenzbereich. In der gleichen Weise, wie ein Widerstand dem Fluss von Gleichstrom widersteht, behindert eine Impedanz den Fluss von Wechselstrom. Genau wie der Widerstand V / R ist, ist die Impedanz V (t) / I (t), wenn wir sie in den Zeitbereich integrieren.

Sie müssen entweder Berechnungen anstellen oder die folgenden Aussagen über die Impedanz einer Komponente mit einer angelegten sinusförmigen Spannung und einer Frequenz von w treffen:

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

Ja, ist dasselbe wie i (die imaginäre Zahl, $j$$i$ ), aber in der Elektronik stehtinormalerweise für Strom, also verwenden wirj. Außerdem istωtraditionell der griechische Buchstabe Omega (der wie w aussieht). Der Buchstabe 's' bezieht sich auf eine komplexe Frequenz (nicht sinusförmig). $\sqrt{-1}$$i$$j$$\omega$

Yuck, richtig? Aber Sie haben die Idee: Ein Widerstand ändert seine Impedanz nicht, wenn Sie ein Wechselstromsignal anlegen. Ein Kondensator hat bei höheren Frequenzen eine verringerte Impedanz und ist bei Gleichstrom nahezu unendlich, was wir erwarten. Ein Induktor hat mit höherer Frequenz eine höhere Impedanz - denken Sie an eine HF-Drossel, die zum Entfernen von Spitzen entwickelt wurde.

Wir können die Impedanz von zwei Komponenten in Reihe berechnen, indem wir die Impedanzen addieren. Wenn wir einen Kondensator in Reihe mit einer Induktivität haben, haben wir:

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

$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$

$\omega^2 LC = 1$

Jeder, der Zugang zu einem Impedanzmessgerät (HP / Venable) hat, kann leicht feststellen, dass Elektrolytkondensatoren bei hohen Frequenzen tatsächlich induktiv werden.

Dies ist einer der Gründe, warum in Hochfrequenz-DC / DC-Wandlern viele Keramikkondensatoren verwendet werden - die Elektrolyse ist im Bereich von Hunderten von Kilohertz / Megahertz einfach nicht so gut.

Dies ist auch der Grund, warum Keramikkondensatoren von 100 nF - 1 uF üblicherweise als IC-Entkoppler verwendet werden - ein Elektrolyt kann wegen seiner Hochfrequenzimpedanz keine kleine Keramikdose schlagen.

Die Frage war nicht "ob Lytics induktiv sind", sondern warum? Dies ist ein ziemliches Rätsel, aber ein Vergleich mit Keramikkappenplots für die Festkörperchemie kann einen Hinweis darauf geben, dass etwas Besonderes nur für lytische Kappen gilt. Die Frage betrifft also die Chemie, nicht die Elektronik.

Eine Erhöhung der Impedanz nach Erreichen des Minimums bei hohen Frequenzen wird durch Energie verursacht, die sich in Form einer rotierenden (oder gedehnten / verschobenen) geladenen Masse großer Ionen oder polarisierter Moleküle ansammelt. Jedes Molekül in Lösung wirkt wie eine Gruppe von Resonatoren (nicht nur Induktivität) mit einem scharfen Phasendiagramm in der Nähe mehrerer Resonanzfrequenzen.

Es gibt eine interessante Studie zur Impedanzmessung für reines Wasser und Metallionen im Bereich von wenigen MHz.

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

Der Schlüssel ist, dass diese die Form einer Rolle haben, die einer Spule ähnlich ist, dh der Strom fließt in Kreisen. Dies verursacht eine relativ hohe Induktivität.

Andere Kondensatoren haben die Form von Platten (Keramik) oder von zwei Oberflächen auf einem porösen Material (Tantal, Supercaps), sodass sie diesen Effekt nicht zeigen.

coole Frage - im Allgemeinen hat ein Kondensator mit der Kapazität C eine komplexe Impedanz mit der Größe 1 / (2 * pi * f * C), fwiw. Bei hohen Frequenzen sieht ein Kondensator also wie ein Kurzschluss aus (dh 0 Ohm). Ich kenne das Argument nicht, dass sie sich wie eine Induktivität verhalten (was impliziert, dass die Impedanz mit der Frequenz ansteigt, da eine Induktivität der Größe L eine komplexe Impedanz mit der Größe 2 * pi * f * L hat) ... Ich glaube, ich kaufe es nicht wirklich, aber ich habe keine Grundlage dafür.

Bei der Aluminiumelektrolyse werden die Folien nicht so zusammengefügt wie Filmkappen. Dies muss die Induktion hoch machen. Es gibt jedoch immer Sonderangebote, also wer weiß?