O que realmente causa indutância em série de capacitores?

Fazendo algumas pesquisas na seleção de capacitores para aplicações de alta frequência, o conceito de indutância em série equivalente surge muito. Aparentemente, todos os capacitores têm essa indutância parasitária que aparece em série com a capacitância do componente. Se o ESL é alto, em altas frequências, essa reatância indutiva pode até cancelar a reatância capacitiva, e a tampa age essencialmente como um resistor que bloqueia a CC.

Mas por que o ESL é tão significativo? Claro, as tampas têm fios, mas eu imagino que o resto do circuito tenha muito mais fios e, portanto, uma indutância parasitária muito maior, o que seria um problema muito maior do que os cabos de componentes curtos. Caso contrário, as tampas são apenas placas com um dielétrico no meio, então o que há nelas que nos preocupam tanto com a ESL?

Quando se trata de capacitores eletrolíticos, encontrei uma explicação: foi explicado que, como a tampa é basicamente um longo pedaço de papel laminado, há definitivamente muita indutância, já que o rolo de papel age como uma bobina. Mas não acho que isso faça sentido: não é como se a corrente viajasse ao longo da folha! A corrente cria um campo elétrico em uma folha, que novamente produz uma corrente na outra folha. Mas esse campo aparece através das folhas, não ao longo dele, então essa explicação não faz sentido para mim.

Então, alguém poderia me explicar esse fenômeno, de preferência no contexto de capacitores cerâmicos e eletrolíticos?

isenção de responsabilidade: embora eu aprecie o OP, tenha aceitado minha resposta, em vez da resposta (atualmente) mais votada por Peter Smith, leia também a dele, pois é muito clara e útil. Clique aqui!

As tampas de cerâmica e as eletrolíticas têm características muito diferentes e são usadas para coisas muito diferentes.

As tampas de cerâmica têm ESL muito baixo, geralmente com um pH de 100 para uma embalagem moderna razoavelmente pequena. Uma tampa eletrolítica ESL é muito maior que isso.

De maneira semelhante, uma capacitância de tampa de cerâmica é muito menor do que uma tampa eletrolítica.

Esses dois fatos juntos levam a uma diferença muito grande na frequência ressonante do limite. Uma tampa eletrolítica ressoa em alguns 100 Hz, enquanto uma boa cerâmica ressoa em alguns MHz.

As tampas eletrolíticas geralmente são usadas quando você lida com frequências baixas, como suavização da fonte de alimentação ou aplicação de áudio.

As cerâmicas são usadas onde você não pode comprometer a resposta de frequência, por isso, para filtros de alta frequência, ou para filtrar o fornecimento de um dispositivo digital de alta frequência, como um microcontrolador.

Como você diz, o circuito é feito de fios, geralmente mais longos que os cabos da tampa. Isso é verdade, e é por isso que uma tampa de cerâmica geralmente é colocada a alguns mm de distância do ponto em que deve ser filtrada / fornecida. Alguns milímetros em uma placa de circuito impresso, dependendo da largura da esteira, são facilmente alguns indutâncias de 100 pH, portanto você está dobrando o que a tampa está fornecendo.

Em altas frequências, a tampa não atua como resistência, mas como indutor, e sua impedância cresce com a frequência.

Sobre de onde vem a indutância, não tenho certeza se é possível obter uma resposta intuitivamente satisfatória. Você diz que a corrente não está viajando pelas folhas, mas isso não é verdade. Eles têm o mesmo potencial e a corrente não viaja ao longo deles apenas em DC. O que acontece em 1 MHz? E 1 GHz? Alguma corrente está certamente fluindo também através das folhas.

As cerâmicas são muito melhores, são construídas como um pente duplo:

link para fonte

Dessa maneira, o "caminho mais longo" é muito mais curto, portanto a indutância parasitária é muito menor. Se você observar cerâmica na ESL, verá que a figura depende quase apenas do tamanho da embalagem, quanto menor a embalagem, menor a ESL.

Quando a corrente flui, existe por definição um campo magnético ao seu redor. Isso leva à auto-indutância para qualquer condutor com uma corrente variável.

Como um capacitor é uma baixa impedância na CA (a quantidade exata depende da frequência, é claro), um capacitor real se parece com isso:

C1 é o capacitor nominal, R1 é a resistência em série equivalente , L1 é a indutância em série equivalente e R2 é a resistência a vazamentos.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Você notará que agora temos um circuito ressonante em série amortecida; abaixo da auto-ressonância é capacitivo, na ressonância é resistivo e acima é indutivo.

O valor da ESL depende dos materiais e do tamanho do dispositivo; para um dispositivo de geometria reversa em um pacote de montagem em superfície 0204, pode ser tão baixo quanto 300pH; uma cerâmica de montagem em superfície 0402 típica é de cerca de 680pH.

Para dispositivos de desacoplamento e acoplamento, isso é importante em um mundo de alta velocidade.

Vamos fazer um cálculo rápido. Se eu estiver desacoplando um dispositivo com taxas de comutação interna de 200 picossegundos (nada incomum e com artefatos de frequência em 2,5 GHz) e eu uso um dispositivo 0402 0,1uF, a impedância real é de cerca de 4,3 ohms e é indutiva .

Você leu isso corretamente; o capacitor está agora atuando como um indutor.

ESLs típicos de montagem em superfície:

0402 680pH: 0603 sobre 900pH: 0805 sobre 1.2nH

Uma faixa de 1 polegada a 4 mil (bastante comum) tem cerca de 5nH de indutância, para referência. Essa é a razão pela qual os dispositivos de desacoplamento precisam estar tão próximos do pino de energia real que está sendo desacoplado. Um dispositivo que esteja a menos de meia polegada de distância nessas frequências também pode não existir.

A indutância para um rastreio de PCB assume que está sobre um plano; o valor exato variará com base na distância do avião (porque afeta o caminho total de retorno e o tempo de ida e volta). Eu achei o valor acima um bom ponto de partida (conservador) para projetos de PCB. A indutância real depende especificamente da distância total do caminho da corrente para o loop.

Então, o motivo da ESL? Física.