Dependencia de frecuencia de condensadores electrolíticos.

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

Resistencia Serie Equivalente - ESR:

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

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 memoria RAM en un microcontrolador.

Absorción Dieléctrica - CDA:

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

Inductancia en serie equivalente - ESL:

A estas alturas, no debería sorprenderse demasiado de que, si todo tiene capacitancia y resistencia distinta de cero y no infinita, todo también tiene inductancia parásita. Si estos son significativos es una función de la frecuencia, lo que nos lleva al tema de la impedancia.

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

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

Qué asco, ¿verdad? Pero 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 capacitor en serie con un inductor, tenemos:

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

¿Qué sucede cuando aumentamos la frecuencia? Hace mucho tiempo, nuestro componente era un capacitor electrolítico, por lo que supondremos que$C$es mucho mayor que$L$. A primera vista, nos imaginamos que las proporciones no cambiarían. Pero, algo de álgebra compleja trivial (Nota: este es un término relativo) muestra un resultado diferente:

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

Bueno, eso fue divertido, ¿verdad? Este es el tipo de cosas que haces una vez, recuerdas la respuesta y luego no te preocupas por eso. ¿Qué sabemos de la última ecuación? Considere primero el caso donde$\omega$es pequeño,$L$es pequeño, y$C$es largo. Tenemos, aproximadamente,

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

que es un número negativo (asumiendo$small * small * large < 1$, que es para componentes prácticos). Esto es familiar como$Z_C = \frac{-j}{\omega C}$- ¡Es un condensador!

¿Qué tal, en segundo lugar, su caso (electrolítico de alta frecuencia) donde$\omega$es largo,$L$es pequeño, y$C$es largo. Tenemos, aproximadamente,

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

que es un número positivo (asumiendo$large * small * large > 1$). Esto es familiar como$Z_L = j \omega L$- ¡Es un inductor!

Qué pasa si$\omega^2 LC = 1$? Entonces la impedancia es cero!?!? ¡Sí! Esto se llama frecuencia de resonancia: es el punto en la parte inferior de la curva que mostró en su pregunta. ¿Por qué en realidad no es cero? Debido a la ESR.

TL,DR: Suceden cosas raras cuando aumentas mucho la frecuencia. Siga siempre las hojas de datos de los fabricantes para desacoplar sus circuitos integrados y obtenga un buen libro de texto o tome una clase si necesita hacer cosas de alta velocidad.

Cualquiera que tenga acceso a un medidor de impedancia (HP / Venable) puede decirle fácilmente que los capacitores electrolíticos ciertamente se vuelven inductivos a altas frecuencias.

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

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

La pregunta no era "si los líticos son inductivos", sino ¿por qué? Esto es todo un rompecabezas, pero la comparación con los diagramas de tapas cerámicas para la química del estado sólido puede dar una pista de 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 actúa como un grupo de resonadores (no solo de inductancia) con un diagrama de fase nítido cerca de varias frecuencias de resonancia.

Hay un estudio interesante sobre la medición de 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 forma de rollo, que es similar a una bobina, es decir, la corriente fluye en círculos. Esto provoca una inductancia relativamente alta.

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

buena pregunta: en términos generales, un capacitor con capacitancia C tiene una impedancia compleja con magnitud 1/(2*pi*f*C), fwiw. Entonces, a altas frecuencias, se supone que un capacitor 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 los aumentos de impedancia comienzan a aumentar con la frecuencia, ya que un inductor de tamaño L tiene una impedancia compleja con magnitud 2*pi*f*L ... Supongo que realmente no lo compro, pero no tengo ninguna base para eso.

En los 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?