Dependencia de frecuencia de condensadores electrolíticos.

Se dice que los condensadores electrolíticos se comportan como inductores a altas frecuencias, por eso ponemos pequeñas tapas de cerámica en paralelo con ellos:

Los condensadores electrolíticos, de papel o de película plástica son una mala elección para desacoplar a altas frecuencias; Básicamente consisten en dos láminas de papel metálico separadas por láminas de plástico o papel dieléctrico y formadas en un rollo. Este tipo de estructura tiene una auto inductancia considerable y actúa más como un inductor que como un condensador a frecuencias que exceden solo unos pocos MHz.

Impedancia del capacitor vs. frecuencia.

Sin embargo, también veo algunas cosas como esta:

El "problema de inductancia" asociado con los electros es otro mito idiota: no tienen más inductancia que una longitud de cable igual a la longitud de la tapa.

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Un mito popular es que los electros tienen una inductancia considerable debido a la forma en que la lámina se enrolla dentro de la lata. Esto no tiene sentido: las láminas generalmente se unen en los extremos de la misma manera que con las tapas de película. El rendimiento de alta frecuencia generalmente se extiende a varios MHz, incluso con electros estándar y tapas bipolares (electrolíticas no polarizadas).

¿Cuál es la naturaleza exacta de este efecto y en qué aplicaciones y frecuencias debemos preocuparnos? ¿Cuáles son las implicaciones prácticas?

Este efecto se debe a los efectos de las características parásitas del dispositivo. Un condensador tiene cuatro parásitos básicos:

Resistencia en serie equivalente - ESR:

Un condensador es realmente un condensador en serie con las resistencias de sus cables, la lámina en el dieléctrico y otras pequeñas resistencias. Esto significa que el condensador no puede realmente descargarse instantáneamente, y también que se calentará cuando se cargue y descargue repetidamente. Este es un parámetro importante al diseñar sistemas de energía.

Corriente de fuga:

El dieléctrico no es ideal, por lo que puede agregar una resistencia en paralelo con su condensador. Esto es importante en los sistemas de respaldo, y la corriente de fuga de un electrolítico puede ser mucho mayor que la corriente requerida para mantener la RAM en un microcontrolador.

Absorción dieléctrica - CDA:

Esto suele ser menos interesante que los otros parámetros, especialmente para electrolíticos, para los cuales la corriente de fuga abruma el efecto. Para cerámicas grandes, puede imaginar que hay un circuito RC en paralelo con el condensador. Cuando el condensador se carga durante un largo período de tiempo, el condensador imaginado adquiere una carga. Si el condensador se descarga rápidamente durante un breve período y luego se devuelve a un circuito abierto, el condensador parásito comienza a recargar el condensador principal.

Inductancia de serie equivalente - ESL:

Por ahora, no debería sorprenderse demasiado que, si todo tiene capacitancia, así como resistencia no nula e infinita, todo también tiene inductancia parásita. Si estos son significativos es una función de frecuencia, lo que nos lleva al tema de la impedancia.

Representamos la impedancia con la letra Z. La impedancia puede considerarse como resistencia, solo en el dominio de la frecuencia. De la misma manera que una resistencia resiste el flujo de corriente continua, también lo hace una impedancia que impide el flujo de corriente alterna. Así como la resistencia es V / R, si nos integramos en el dominio del tiempo, la impedancia es V (t) / I (t).

Tendrás que hacer algunos cálculos o comprar las siguientes afirmaciones sobre la impedancia de un componente con un voltaje sinusoidal aplicado con una frecuencia de w:

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

Sí, es lo mismo que i (el número imaginario, $j$$i$ ), pero en la electrónica,quepor lo general representa la corriente, por lo que utilizarj. Además,ωes tradicionalmente la letra griega omega (que parece w). La letra 's' se refiere a una frecuencia compleja (no sinusoidal). $\sqrt{-1}$$i$$j$$\omega$

Yuck, ¿verdad? Pero se entiende la idea: una resistencia no cambia su impedancia cuando aplica una señal de CA. Un condensador tiene una impedancia reducida con una frecuencia más alta, y es casi infinito en CC, lo que esperamos. Un inductor ha aumentado la impedancia con una frecuencia más alta: piense en un estrangulador de RF diseñado para eliminar picos.

Podemos calcular la impedancia de dos componentes en serie sumando las impedancias. Si tenemos un condensador en serie con un inductor, tenemos:

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

$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$

$\omega^2 LC = 1$

Cualquier persona con acceso a un medidor de impedancia (HP / Venable) puede decirle fácilmente que los condensadores electrolíticos ciertamente se vuelven inductivos a altas frecuencias.

Esta es parte de la razón por la que se ven muchos condensadores cerámicos utilizados en convertidores CC-CC de alta frecuencia: los electrolíticos simplemente no son tan buenos en cientos de kilohercios / megahercios.

Esta es también la razón por la cual los condensadores cerámicos de 100nF - 1uF se usan comúnmente como desacopladores IC: un electrolítico no puede vencer a una lata de cerámica pequeña debido a su impedancia de alta frecuencia.

La pregunta no era "si los líticos son inductivos", pero ¿por qué? Esto es todo un enigma, pero la comparación con las gráficas de tapas de cerámica para la química de estado sólido puede dar una pista, que algo es especial solo para las tapas líticas. Entonces la pregunta pertenece a la química, no a la electrónica.

El aumento de la impedancia después de alcanzar el mínimo a altas frecuencias es causado por la energía acumulada en forma de masa cargada giratoria (o estirada / desplazada) de iones grandes o moléculas polarizadas. Cada molécula en solución está actuando como un grupo de resonadores (no solo inductancia) con una trama de fase aguda cerca de varias frecuencias de resonancia.

Existe un estudio interesante sobre la medición de la impedancia para agua pura e iones metálicos en un rango de pocos MHz.

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

La clave es que estos tienen la forma de un rollo, que es similar a una bobina, es decir, la corriente fluye en círculos. Esto provoca una inductancia relativamente alta.

Otros condensadores tienen la forma de láminas (cerámica) o de dos superficies en un material poroso (tantal, supercaps), por lo que no muestran este efecto.

Buena pregunta: en general, un condensador con capacitancia C tiene una impedancia compleja con magnitud 1 / (2 * pi * f * C), fwiw. Entonces, a altas frecuencias, se supone que un condensador parece un cortocircuito (es decir, 0 ohmios). No estoy familiarizado con el argumento de que comienzan a actuar como un inductor (lo que implica que en algún momento el aumento de la impedancia comienza a aumentar con la frecuencia, ya que un inductor de tamaño L tiene una impedancia compleja con magnitud 2 * pi * f * L ... Creo que realmente no lo compro, pero no tengo base para eso.

En electrolíticos de aluminio, las láminas no se unen como las tapas de película. Esto tiene que hacer que la inducción sea alta. Sin embargo, siempre hay ofertas especiales, ¿quién sabe?