Dependência de frequência de capacitores eletrolíticos

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 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?

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:

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

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

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:

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

$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$

$\omega^2 LC = 1$

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.

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

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.

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.

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?