Frequenzabhängigkeit von Elektrolytkondensatoren

Dieser Effekt ist auf die Auswirkungen von parasitären Eigenschaften des Geräts zurückzuführen. Ein Kondensator hat vier grundlegende Parasiten:

Äquivalenter Serienwiderstand - ESR:

Ein Kondensator ist wirklich ein Kondensator in Reihe mit den Widerständen seiner Leitungen, der Folie im Dielektrikum und anderen kleinen Widerständen. Dies bedeutet, dass sich der Kondensator nicht sofort wirklich entladen kann und dass er sich beim wiederholten Laden und Entladen erwärmt. Dies ist ein wichtiger Parameter beim Entwurf von Energiesystemen.

Leckstrom:

Das Dielektrikum ist nicht ideal, daher können Sie parallel zu Ihrem Kondensator einen Widerstand hinzufügen. Dies ist in Backup-Systemen wichtig, und der Leckstrom eines Elektrolyten kann viel größer sein als der Strom, der erforderlich ist, um RAM auf einem Mikrocontroller aufrechtzuerhalten.

Dielektrische Absorption - CDA:

Dies ist normalerweise weniger interessant als die anderen Parameter, insbesondere für die Elektrolyse, bei der der Leckstrom den Effekt überwältigt. Bei großen Keramiken kann man sich vorstellen, dass parallel zum Kondensator ein RC-Kreis liegt. Wenn der Kondensator über einen längeren Zeitraum aufgeladen wird, nimmt der gedachte Kondensator eine Ladung auf. Wenn der Kondensator kurzzeitig schnell entladen und anschließend in einen offenen Stromkreis zurückgeführt wird, beginnt der parasitäre Kondensator, den Hauptkondensator wieder aufzuladen.

Äquivalente Serieninduktivität - ESL:

Inzwischen sollten Sie nicht allzu überrascht sein, dass alles auch eine parasitäre Induktivität hat, wenn alles eine Kapazität sowie einen Widerstand ungleich Null und nicht unendlich hat. Ob diese signifikant sind, hängt von der Frequenz ab, was uns zum Thema Impedanz führt.

Wir stellen die Impedanz durch den Buchstaben Z dar. Die Impedanz kann man sich wie einen Widerstand vorstellen, nur im Frequenzbereich. Genauso wie ein Widerstand dem Fluss von Gleichstrom widersteht, behindert eine Impedanz den Fluss von Wechselstrom. So wie der Widerstand V/R ist, wenn wir in den Zeitbereich integrieren, ist die Impedanz V(t)/I(t).

Sie müssen entweder rechnen oder die folgenden Behauptungen über die Impedanz einer Komponente mit einer angelegten sinusförmigen Spannung mit einer Frequenz von w kaufen:

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

Ja,$j$ist das gleiche wie$i$(die imaginäre Zahl,$\sqrt{-1}$), aber in der Elektronik,$i$stellt normalerweise Strom dar, also verwenden wir$j$. Ebenfalls,$\omega$ist traditionell der griechische Buchstabe Omega (der wie w aussieht). Der Buchstabe „s“ bezieht sich auf eine komplexe Frequenz (nicht sinusförmig).

Yuck, oder? Aber Sie haben die Idee - Ein Widerstand ändert seine Impedanz nicht, wenn Sie ein Wechselstromsignal anlegen. Ein Kondensator hat bei höherer Frequenz eine verringerte Impedanz und ist bei Gleichstrom nahezu unendlich, was wir erwarten. Ein Induktor hat bei höherer Frequenz eine erhöhte Impedanz - denken Sie an eine HF-Drossel, die zum Entfernen von Spitzen ausgelegt ist.

Wir können die Impedanz zweier in Reihe geschalteter Komponenten berechnen, indem wir die Impedanzen addieren. Wenn wir einen Kondensator in Reihe mit einer Induktivität haben, haben wir:

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

Was passiert, wenn wir die Frequenz erhöhen? Vor langer Zeit war unser Bauteil ein Elektrolytkondensator, also nehmen wir das an$C$ist sehr viel größer als$L$. Auf den ersten Blick würden wir uns vorstellen, dass sich die Verhältnisse nicht ändern würden. Aber einige triviale (Anmerkung: Dies ist ein relativer Begriff) komplexe Algebra zeigt ein anderes Ergebnis:

$\begin{align*} Z &= \frac{1}{j \omega C} + j \omega L\\ &= \frac{1}{j \omega C} + \frac{j \omega L \times j \omega C}{j \omega C}\\ &= \frac{1 + j \omega L \times j \omega C)}{j \omega C}\\ &= \frac{1 - \omega^2 LC}{j \omega C}\\ &= \frac{-j \times (1 - \omega^2 LC)}{j \omega C}\\ &= \frac{(\omega^2 LC - 1) * j)}{\omega C} \end{align*}$

Na, das hat Spaß gemacht, oder? So etwas macht man einmal, erinnert sich an die Antwort und macht sich dann keine Sorgen. Was wissen wir aus der letzten Gleichung? Betrachten Sie zuerst den Fall, wo$\omega$ist klein,$L$ist klein und$C$ist groß. Wir haben ungefähr

$\begin{align*} \frac{(small * small * large - 1) \times j}{small * large} \end{align*}$

was eine negative Zahl ist (angenommen$small * small * large < 1$, was es für praktische Komponenten ist). Dies ist bekannt als$Z_C = \frac{-j}{\omega C}$- Es ist ein Kondensator!

Wie wäre es zweitens mit Deinem Fall (Hochfrequenz-Elektrolyt) wo$\omega$ist groß,$L$ist klein und$C$ist groß. Wir haben ungefähr

$\begin{align*} \frac{(large * small * large - 1) \times j}{small * large} \end{align*}$

was eine positive Zahl ist (vorausgesetzt$large * small * large > 1$). Dies ist bekannt als$Z_L = j \omega L$- Es ist ein Induktor!

Was passiert wenn$\omega^2 LC = 1$? Dann ist die Impedanz Null!?!? Ja! Dies wird als Resonanzfrequenz bezeichnet. Dies ist der Punkt am unteren Rand der Kurve, die Sie in Ihrer Frage gezeigt haben. Warum ist es eigentlich nicht null? Wegen ESR.

TL, DR: Seltsame Dinge passieren, wenn Sie die Frequenz stark erhöhen. Befolgen Sie immer die Datenblätter der Hersteller zum Entkoppeln Ihrer ICs und besorgen Sie sich ein gutes Lehrbuch oder nehmen Sie an einem Kurs teil, wenn Sie Hochgeschwindigkeitsaufgaben erledigen müssen.

Jeder, der Zugang zu einem Impedanzmessgerät (HP / Venable) hat, kann Ihnen leicht sagen, dass Elektrolytkondensatoren bei hohen Frequenzen durchaus induktiv werden.

Dies ist einer der Gründe, warum in Hochfrequenz-DC/DC-Wandlern viele Keramikkondensatoren verwendet werden - Elektrolyte sind im Bereich von Hunderten von Kilohertz / Megahertz einfach nicht so gut.

Aus diesem Grund werden auch häufig Keramikkondensatoren von 100 nF - 1 uF als IC-Entkoppler verwendet - ein Elektrolyt kann aufgrund seiner Hochfrequenzimpedanz eine kleine Keramikdose nicht schlagen.

Die Frage war nicht "ob Lytik induktiv ist", aber warum? Dies ist ein ziemliches Rätsel, aber ein Vergleich mit Diagrammen von Keramikkappen für die Festkörperchemie kann einen Hinweis darauf geben, dass etwas Besonderes nur für lytische Kappen gilt. Die Frage gehört also in die Chemie, nicht in die Elektronik.

Die Erhöhung der Impedanz nach Erreichen des Minimums bei hohen Frequenzen wird durch Energie verursacht, die in Form einer rotierenden (oder gestreckten/verschobenen) geladenen Masse großer Ionen oder polarisierter Moleküle akkumuliert wird. Jedes Molekül in Lösung wirkt wie eine Gruppe von Resonatoren (nicht nur eine Induktivität) mit einem scharfen Phasendiagramm in der Nähe mehrerer Resonanzfrequenzen.

Es gibt eine interessante Studie zur Impedanzmessung für reines Wasser und Metallionen im Bereich von wenigen MHz.

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

Entscheidend ist, dass diese die Form einer Rolle haben, die einer Spule ähnelt, dh der Strom fließt im Kreis. Dies verursacht eine relativ hohe Induktivität.

Andere Kondensatoren haben die Form von Platten (Keramik) oder von zwei Oberflächen auf einem porösen Material (Tantal, Supercaps), sodass sie diesen Effekt nicht zeigen.

coole Frage - im Allgemeinen hat ein Kondensator mit der Kapazität C eine komplexe Impedanz mit der Größe 1 / (2 * pi * f * C), fwiw. Bei hohen Frequenzen soll ein Kondensator also wie ein Kurzschluss aussehen (dh 0 Ohm). Ich bin mit dem Argument nicht vertraut, dass sie anfangen, sich wie ein Induktor zu verhalten (was impliziert, dass die Impedanz irgendwann mit der Frequenz zunimmt, da ein Induktor der Größe L eine komplexe Impedanz mit der Größe 2 * pi * f * L hat ... Ich denke, ich kaufe es nicht wirklich, aber ich habe keine Grundlage dafür.

In der Aluminiumelektrolyse werden die Folien nicht wie bei Folienkappen gefügt. Dies muss die Induktion hoch machen. Es gibt jedoch immer Specials, also wer weiß?