Was verursacht wirklich die Serieninduktivität von Kondensatoren?

Bei der Auswahl von Kondensatoren für Hochfrequenzanwendungen wird das Konzept der äquivalenten Serieninduktivität häufig untersucht. Anscheinend haben alle Kondensatoren diese parasitäre Induktivität, die in Reihe mit der Kapazität des Bauelements auftritt. Wenn der ESL hoch ist, kann diese induktive Reaktanz bei hohen Frequenzen sogar die kapazitive Reaktanz aufheben, und die Kappe wirkt im Wesentlichen als Widerstand, der Gleichstrom sperrt.

Aber warum ist die ESL so bedeutend? Sicher, Kappen haben Drähte, aber ich würde mir vorstellen, dass der Rest der Schaltung viel mehr Drähte und daher viel höhere parasitäre Induktivitäten hat, was ein viel größeres Problem darstellt als die kurzen Zuleitungen. Ansonsten sind Kappen nur Platten mit einem dazwischen liegenden Dielektrikum. Worum kümmern wir uns also so sehr um die ESL?

In Bezug auf Elektrolytkondensatoren habe ich eine Erklärung gefunden: Es wurde erklärt, dass die Kappe im Grunde genommen ein langes Stück gerollte Folie ist und daher auf jeden Fall eine große Induktivität aufweist, da sich die Folienrolle wie eine Spule verhält. Aber ich denke, das macht überhaupt keinen Sinn: Es ist nicht so, als würde der Strom durch die Folie wandern! Der Strom baut in einer Folie ein elektrisches Feld auf, das wiederum in der anderen Folie einen Strom erzeugt. Aber dieses Feld wird über die Folien, nicht entlang es, so dass diese Erklärung für mich keinen Sinn macht.

Könnte mir jemand dieses Phänomen erklären, vorzugsweise im Zusammenhang mit Keramik- und Elektrolytkondensatoren?

Haftungsausschluss: Obwohl ich es zu schätzen weiß, dass OP meine Antwort akzeptiert hat, sollten Sie anstelle der (derzeit) am häufigsten gewählten Antwort von Peter Smith auch seine lesen, da diese sehr klar und hilfreich ist. Klicke hier!

Keramikkappen und Elektrolytkappen haben sehr unterschiedliche Eigenschaften und werden für sehr unterschiedliche Zwecke verwendet.

Keramikkappen haben einen sehr niedrigen ESL-Wert, in der Regel einige 100 pH für eine recht kleine, moderne Verpackung. Eine elektrolytische Kappe ESL ist viel größer als das.

In ähnlicher Weise ist die Kapazität einer Keramikkappe viel geringer als die einer Elektrolytkappe.

Diese beiden Tatsachen zusammen führen zu einem sehr großen Unterschied in der Resonanzfrequenz der Kappe. Eine elektrolytische Kappe schwingt bei einigen 100 Hz mit, während eine gute Keramik bei einigen MHz mitschwingt.

Die Elektrolytkappen werden normalerweise verwendet, wenn Sie mit niedrigen Frequenzen arbeiten, z. B. beim Glätten der Stromversorgung oder bei Audioanwendungen.

Die Keramik wird dort eingesetzt, wo Sie beim Frequenzgang keine Kompromisse eingehen können, z. B. bei Hochfrequenzfiltern oder zum Herausfiltern der Versorgung eines digitalen Hochfrequenzgeräts wie z. B. eines Mikrocontrollers.

Wie Sie sagen, besteht der Stromkreis aus Drähten, die in der Regel länger sind als die Kappenzuleitungen. Dies ist richtig, und deshalb wird eine Keramikkappe normalerweise einige mm von dem Punkt entfernt angebracht, an dem sie filtern / zuführen muss. Ein paar mm auf einer Leiterplatte entsprechen in Abhängigkeit von der Spurbreite leicht ein paar 100 pH-Werten der Induktivität. Sie verdoppeln also die Leistung der Kappe.

Bei hohen Frequenzen wirkt die Kappe nicht als Widerstand, sondern als Induktor, und ihre Impedanz wächst mit der Frequenz.

Über die Herkunft der Induktivität bin ich nicht sicher, ob es möglich ist, eine intuitiv befriedigende Antwort zu erhalten. Sie sagen, der Strom fließt nicht über die Folien, aber das stimmt nicht. Sie haben das gleiche Potenzial und werden nicht nur von Gleichstrom durchflossen. Was passiert bei 1 MHz? Und 1 GHz? Ein gewisser Strom fließt auch durch die Folien.

Keramik ist viel besser, sie ist wie ein Doppelkamm aufgebaut:

Link zur Quelle

Auf diese Weise ist der "längste Weg" viel kürzer, wodurch die parasitäre Induktivität viel geringer ist. Wenn Sie sich die ESL für Keramik ansehen, werden Sie feststellen, dass die Zahl fast nur von der Packungsgröße abhängt. Je kleiner die Packung ist, desto niedriger ist die ESL.

Wenn Strom fließt, gibt es per Definition ein Magnetfeld um ihn herum. Dies führt zu einer Selbstinduktivität für jeden Leiter mit variierendem Strom.

Da ein Kondensator bei Wechselstrom eine niedrige Impedanz hat (der genaue Betrag hängt natürlich von der Frequenz ab), sieht ein echter Kondensator folgendermaßen aus:

C1 ist der Nennkondensator, R1 ist der äquivalente Serienwiderstand , L1 ist die äquivalente Serieninduktivität und R2 ist der Ableitwiderstand.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Sie werden feststellen, dass wir jetzt einen gedämpften Serienresonanzkreis haben. Unterhalb der Eigenresonanz ist sie kapazitiv, bei Resonanz ist sie ohmsch und darüber induktiv.

Der Wert von ESL hängt sowohl von den Materialien als auch von der Größe des Geräts ab. für ein Gerät mit umgekehrter Geometrie in einem 0204-Gehäuse zur Oberflächenmontage kann es so niedrig wie 300 pH sein; Eine typische oberflächenmontierte 0402-Keramik weist etwa 680 pH auf.

Für das Entkoppeln und Kuppeln von Geräten ist dies in einer Hochgeschwindigkeitswelt von Bedeutung.

Lassen Sie uns eine schnelle Berechnung durchführen. Wenn ich ein Gerät entkopple, das interne Schaltraten von 200 Pikosekunden aufweist (nicht ungewöhnlich und Frequenzartefakte bei 2,5 GHz aufweist) und ein 0402 0,1 uF-Gerät verwende, beträgt die tatsächliche Impedanz ungefähr 4,3 Ohm und ist induktiv .

Sie haben das richtig gelesen; Der Kondensator wirkt jetzt als Induktor.

Typische oberflächenmontierte ESLs:

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

Eine 1-Zoll-Spur bei 4 Thou (ziemlich häufig) weist als Referenz eine Induktivität von etwa 5 nH auf. Dies ist der Grund, warum Entkopplungsvorrichtungen so nahe an dem tatsächlichen zu entkoppelnden Leistungsstift sein müssen. Ein Gerät, das bei diesen Frequenzen nur einen halben Zoll entfernt ist, existiert möglicherweise ebenfalls nicht.

Die Induktivität für eine Leiterplatte geht davon aus, dass sie sich über einer Ebene befindet. Der genaue Wert hängt von der Entfernung zum Flugzeug ab (da er sich auf den gesamten Rückweg und die Umlaufzeit auswirkt). Ich habe festgestellt, dass der obige Wert ein guter (konservativer) Ausgangspunkt für PCB-Designs ist. Die tatsächliche Induktivität hängt speziell von der Gesamtstromwegstrecke für die Schleife ab.

Also der Grund für ESL? Physik.