Ketergantungan frekuensi kapasitor elektrolitik


25

Dikatakan bahwa kapasitor elektrolitik berperilaku sebagai induktor pada frekuensi tinggi, itulah sebabnya kami menempatkan tutup keramik kecil secara paralel dengan mereka:

Kapasitor elektrolit, kertas, atau film plastik adalah pilihan yang buruk untuk decoupling pada frekuensi tinggi; mereka pada dasarnya terdiri dari dua lembar kertas logam yang dipisahkan oleh lembaran plastik atau kertas dielektrik dan dibentuk menjadi gulungan. Struktur semacam ini memiliki induktansi diri yang cukup besar dan bertindak lebih seperti induktor daripada kapasitor pada frekuensi yang hanya beberapa MHz.

Impedansi vs kurva frekuensi untuk 100 pF, 1000 pF, 0,01 μF, 0,1 μF, 2,2 μF kapasitor

Impedansi kapasitor vs frekuensi.

Namun saya juga melihat beberapa hal seperti ini:

"Masalah induktansi" yang terkait dengan elektro adalah mitos idiot lainnya - mereka tidak memiliki induktansi lebih dari panjang kawat sama dengan panjang tutupnya.

atau

Sebuah mitos populer adalah bahwa elektro memiliki induktansi yang cukup besar karena cara foil dililitkan di dalam kaleng. Ini tidak masuk akal - foil biasanya digabungkan pada ujungnya dengan cara yang sama seperti pada penutup film. Kinerja frekuensi tinggi biasanya meluas hingga beberapa MHz, bahkan dengan standar elektrik dan penutup bipolar (elektrolitik non-terpolarisasi).

Apa sifat tepat dari efek ini dan dalam aplikasi dan frekuensi apa yang perlu kita khawatirkan? Apa implikasi praktisnya?


2
Saya bertanya-tanya apa yang menyebabkan kurva untuk terjun lebih curam sebelum naik? Terutama kurva hijau tepat di atas 10MHz.
DarenW

2
Resonansi, saya akan berasumsi.
endolith

2
Anda mengutip grafik dari artikel ADI, di mana mereka menggunakan topi litik sebagai tantalum. Tidak ada gulungan di dalam topi tantalum.

@Rocket Surgeon: Tidak ada air di dalam tantalum cap :) :)
endolith

Anda tidak perlu mobilitas lengkap untuk kelompok terpolarisasi molekul bagian konduktor dari pelat untuk memiliki fase fase dalam GHz. Mereka memasukkan grafit koloid, perak dan beberapa organik ke dalam tantalum kering, yang bukan "gas elektron" murni seperti pada logam normal. Tetapi diskusi tentang kimia padat ini akan membuat kita jauh dari topik.

Jawaban:


28

Efek ini disebabkan oleh efek karakteristik parasit perangkat. Kapasitor memiliki empat parasit dasar:

Resistansi Seri Setara - ESR:

Kapasitor benar-benar kapasitor secara seri dengan resistansi timahnya, foil dielektriknya, dan resistansi kecil lainnya. Ini berarti bahwa kapasitor tidak dapat benar-benar mengeluarkan daya secara instan, dan juga akan memanas ketika berulang kali diisi dan dikosongkan. Ini adalah parameter penting ketika merancang sistem tenaga.

Kebocoran arus:

Dielektriknya tidak ideal, sehingga Anda dapat menambahkan hambatan secara paralel dengan kapasitor Anda. Ini penting dalam sistem cadangan, dan arus bocor dari elektrolit bisa jauh lebih besar dari arus yang dibutuhkan untuk memelihara RAM pada mikrokontroler.

Penyerapan Dielektrik - CDA:

Ini biasanya kurang menarik daripada parameter lain, terutama untuk elektrolitik, yang mana arus bocor melebihi efeknya. Untuk keramik besar, bisa dibayangkan ada sirkuit RC yang paralel dengan kapasitor. Ketika kapasitor diisi untuk jangka waktu yang lama, kapasitor yang dibayangkan mendapatkan muatan. Jika kapasitor dilepaskan dengan cepat untuk periode yang singkat dan kemudian dikembalikan ke sirkuit terbuka, kapasitor parasit mulai mengisi ulang kapasitor utama.

Induktansi Seri Setara - ESL:

Sekarang, Anda seharusnya tidak terlalu terkejut bahwa, jika semuanya memiliki kapasitansi serta resistansi yang tidak nol dan tidak terbatas, semuanya juga memiliki induktansi parasit. Apakah ini signifikan adalah fungsi frekuensi, yang membawa kita ke topik impedansi.

Kami mewakili impedansi dengan huruf Z. Impedansi dapat dianggap sebagai perlawanan, hanya di domain frekuensi. Dengan cara yang sama bahwa hambatan menolak aliran arus DC, demikian juga impedansi menghambat aliran arus AC. Sama seperti resistensi adalah V / R, jika kita mengintegrasikan ke dalam domain waktu, impedansi adalah V (t) / I (t).

Anda harus melakukan beberapa kalkulus, atau membeli pernyataan berikut tentang impedansi komponen dengan tegangan sinusoidal yang diterapkan dengan frekuensi w:

ZressayastHair=RZcSebuahhalSebuahcsayatHair=1jωC=1sCZsayandkamuctHair=jωL.=sL.

Ya, sama dengan i (angka imajiner, jsaya ), tetapi dalam elektronik,sayabiasanya mewakili arus, jadi kami menggunakanj. Juga,ωsecara tradisional adalah huruf Yunani omega (yang terlihat seperti w.) Huruf 's' mengacu pada frekuensi yang kompleks (bukan sinusoidal). -1sayajω

Yuck, benar? Tetapi Anda mendapat ide - Sebuah resistor tidak mengubah impedansinya ketika Anda menerapkan sinyal AC. Kapasitor telah mengurangi impedansi dengan frekuensi yang lebih tinggi, dan hampir tak terbatas di DC, yang kami harapkan. Sebuah induktor telah meningkatkan impedansi dengan frekuensi yang lebih tinggi - pikirkan sebuah RF tercekik yang dirancang untuk menghilangkan paku.

Kita dapat menghitung impedansi dua komponen secara seri dengan menambahkan impedansi. Jika kami memiliki kapasitor secara seri dengan induktor, kami memiliki:

Z=ZC+ZL.=1jωC+jωL.

CL.

Z=1jωC+jωL.=1jωC+jωL.×jωCjωC=1+jωL.×jωC)jωC=1-ω2L.CjωC=-j×(1-ω2L.C)jωC=(ω2L.C-1)j)ωC

ωL.C

(smSebuahllsmSebuahlllSebuahrge-1)×jsmSebuahlllSebuahrge

smSebuahllsmSebuahlllSebuahrge<1ZC=-jωC

ωL.C

(lSebuahrgesmSebuahlllSebuahrge-1)×jsmSebuahlllSebuahrge

lSebuahrgesmSebuahlllSebuahrge>1ZL.=jωL.

ω2L.C=1


2
"Impedansi dapat dianggap sebagai perlawanan, hanya di domain frekuensi." Lebih tepatnya, resistensi adalah bagian dari impedansi. Impedansi adalah kombinasi dari resistansi dan reaktansi dari suatu komponen atau subcircuit. Mungkin kita harus memiliki pertanyaan "Apa itu impedansi". : D
endolith

2
tanggapan epik ...
vicatcu

1
angka imajiner hanyalah alat untuk menghindari persamaan diferensial dan integral; mereka semacam membuat kalkulus menjadi aljabar :)
vicatcu

1
... buat kalkulus menjadi aljabar kompleks . Keluar dari penggorengan dan masuk ke api.
Kevin Vermeer

1
ZC+ZL.1/(jωC+jωL.)1jωC+jωL.

2

Siapa pun yang memiliki akses ke meteran impedansi (HP / Venable) dapat dengan mudah memberi tahu Anda bahwa kapasitor elektrolitik memang menjadi induktif pada frekuensi tinggi.

Ini adalah bagian dari alasan mengapa Anda melihat banyak kapasitor keramik yang digunakan dalam konverter DC-DC frekuensi tinggi - elektrolitik tidak begitu bagus dalam ratusan kilohertz / megahertz.

Ini juga mengapa kapasitor keramik dari 100nF - 1uF umumnya digunakan sebagai decoupler IC - elektrolitik tidak dapat mengalahkan kaleng keramik kecil karena impedans frekuensi tinggi.


2

Pertanyaannya bukan "jika litik adalah induktif", tetapi mengapa? Ini cukup teka-teki, tetapi perbandingan dengan plot topi keramik untuk kimia keadaan padat dapat memberikan petunjuk, bahwa ada sesuatu yang khusus untuk topi litik saja. Jadi pertanyaannya adalah soal kimia, bukan elektronik.

Peningkatan impedansi setelah mencapai minimum pada frekuensi tinggi disebabkan oleh energi yang terakumulasi dalam bentuk massa bermuatan ion besar atau molekul terpolarisasi. Setiap molekul dalam larutan bertindak seperti kelompok resonator (bukan hanya induktansi) dengan plot fase tajam dekat beberapa frekuensi beresonansi.

Ada studi menarik tentang pengukuran impedansi untuk air murni dan ion logam dalam kisaran beberapa MHz.

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


o_O Apakah Anda yakin itu bukan hanya dari geometri tutupnya? Pelat digulung dalam spiral, dll.
endolith

1
Ya saya yakin. Pertimbangkan pelat, sebagai dua spiral, memiliki arus dan konsentris yang persis berlawanan, sehingga kedua koil pelat berbagi medan magnet yang sama. Saya menjadikannya autotransformer 1: 1 dengan induktansi kebocoran yang sangat rendah (bahkan lebih baik daripada autotransformer biasa). Saya akan atribut mungkin 10% dari efek ke induktansi, sisanya ke inersia ion.

1

Kuncinya adalah bahwa ini memiliki bentuk gulungan, yang mirip dengan kumparan, yaitu arus mengalir dalam lingkaran. Ini menyebabkan induktansi yang relatif tinggi.

Kapasitor lain memiliki bentuk lembaran (keramik) atau dua permukaan pada bahan berpori (tantal, supercaps), sehingga tidak menunjukkan efek ini.


Saya pikir itu tidak ada hubungannya dengan masalah ini. Ini adalah masalah bahkan untuk elektrolitik yang memiliki lapisan terlipat (Lihat vishay.com/docs/28356/intro.pdf )
Kevin Vermeer

Semuanya memiliki induktansi, tetapi kumparan memiliki lebih banyak induktansi daripada lapisan terlipat, sehingga induktansi parasit akan lebih besar, dan induktansi dari kapasitor melingkar akan mengambil alih pada frekuensi yang lebih rendah daripada yang memiliki lapisan terlipat?
endolith

1
@reemrevnivek Dokumen yang menarik, meskipun tidak ada nomor keras di ESL. Mereka tampaknya menggunakan beberapa trik untuk mengurangi ESR dan ESL, seperti menghubungkan ke semua lapisan secara bersamaan di sisi gulungan, atau menghubungkan ke tengah gulungan, sehingga medan magnet dibatalkan.
starblue

0

pertanyaan keren - umumnya kapasitor dengan kapasitansi C memiliki impedansi yang kompleks dengan besarnya 1 / (2 * pi * f * C), fwiw. Jadi pada frekuensi tinggi kapasitor seharusnya terlihat seperti korsleting (yaitu 0 ohm). Saya tidak terbiasa dengan argumen bahwa mereka mulai bertindak seperti induktor (yang menyiratkan bahwa pada titik tertentu peningkatan impedansi mulai meningkat dengan frekuensi, karena induktor ukuran L memiliki impedansi kompleks dengan besarnya 2 * pi * f * L ... kurasa aku tidak benar-benar membelinya, tapi aku tidak punya dasar untuk itu.


Nah, semua komponen berperilaku berbeda dari versi ideal mereka dalam kondisi tertentu. Induktor nyata memiliki hambatan DC sedangkan induktor ideal tidak, misalnya.
endolith

+1 untuk "Saya tidak benar-benar membelinya." Saya memikirkan ini selama sekitar tiga bulan pertama kelas desain sirkuit analog saya. Masih terkadang. "Nomor imajiner? Dapatkan yang asli!" Saya harus menunjukkan bahwa saya menggunakan frekuensi dalam radian, sementara Anda menggunakan 2pi * f untuk tujuan yang sama.
Kevin Vermeer

@reemrevnivek, pasti dan bagi mereka yang tidak tahu omega = 2 * pi * f adalah konversi yang baik untuk diketahui; di mana omega adalah "frekuensi sudut" yang ditentukan dalam radian, dan f adalah frekuensi yang diukur dalam Hz.
vicatcu

0

Dalam aluminium elektrolitik foil tidak bergabung dengan cara tutup film. Ini harus membuat induksi tinggi. Namun, selalu ada yang spesial, jadi siapa yang tahu?

masukkan deskripsi gambar di sini

Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.