电解电容器的频率依赖性

电器工程 电容器 阻抗
2022-01-10 17:11:37

据说电解电容在高频下表现为电感,这就是为什么我们将小陶瓷电容与它们并联:

电解电容、纸电容或塑料薄膜电容是高频去耦的不良选择;它们基本上由两片金属箔组成,由塑料或纸介电介质隔开并形成卷。这种结构具有相当大的自感,并且在频率超过几MHz时更像是电感器而不是电容器。

100 pF、1000 pF、0.01 μF、0.1 μF、2.2 μF 电容器的阻抗与频率曲线

电容器阻抗与频率。

然而,我也看到了一些这样的事情:

与电相关的“电感问题”是另一个愚蠢的神话——它们的电感不超过与盖子长度相同的导线长度。

要么

一个流行的神话是,由于箔片缠绕在罐内的方式,电子具有相当大的电感。这是胡说八道-箔通常在末端以与薄膜盖相同的方式连接。高频性能通常延伸到几兆赫兹,即使使用标准的现成电子器件和双极(非极化电解)电容也是如此。

这种效应的确切性质是什么?在哪些应用和频率上我们需要担心它?有哪些实际意义?

4个回答

这种影响是由于器件的寄生特性的影响。电容器有四种基本寄生特性:

等效串联电阻 - ESR:

电容器实际上是与其引线电阻、电介质中的箔片和其他小电阻串联的电容器。这意味着电容不能真正瞬间放电,而且反复充放电会发热。这是设计电力系统时的一个重要参数。

漏电流:

电介质并不理想,因此您可以添加一个与电容器并联的电阻。这在备份系统中很重要,电解液的泄漏电流可能远大于维持微控制器上的 RAM 所需的电流。

介电吸收 - CDA:

与其他参数相比,这通常不太受关注,特别是对于漏电流压倒效应的电解液。对于大型陶瓷,你可以想象有一个RC电路与电容并联。当电容器长时间充电时,想象中的电容器会获得电荷。如果电容器在短时间内快速放电并随后返回开路,则寄生电容器开始对主电容器进行再充电。

等效串联电感 - ESL:

到现在为止,你应该不会太惊讶,如果所有东西都有电容以及非零和非无限大的电阻,那么所有东西也都有寄生电感。这些是否重要是频率的函数,这将我们引向阻抗的话题。

我们用字母 Z 表示阻抗。阻抗可以被认为与电阻类似,只是在频域中。就像电阻会阻止直流电流的流动一样,阻抗也会阻止交流电流的流动。正如电阻是 V/R,如果我们积分到时域,阻抗是 V(t)/I(t)。

您要么必须做一些微积分,要么购买以下关于施加频率为 w 的正弦电压的组件阻抗的断言:

\$ \begin{对齐} Z_{电阻} &= R\\ Z_{电容器} &= \frac{1}{j \omega C} = \frac{1}{sC}\\ Z_{电感} &= j\omega L = sL \end{对齐} \$

是的,\$j\$ 和 \$i\$ 是一样的(虚数,\$\sqrt{-1}\$),但是在电子学中,\$i\$ 通常代表电流,所以我们用\ $j\$。此外,\$\omega\$ 传统上是希腊字母 omega(看起来像 w。)字母 's' 指的是复数频率(不是正弦波)。

呸,对吧?但是你明白了——当你施加交流信号时,电阻不会改变它的阻抗。电容器在较高频率下会降低阻抗,并且在直流时它几乎是无限的,这是我们所期望的。电感器的阻抗随着频率的升高而增加——想想设计用于消除尖峰的射频扼流圈。

我们可以通过添加阻抗来计算两个串联组件的阻抗。如果我们有一个与电感器串联的电容器,我们有:

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

当我们增加频率时会发生什么?很久以前,我们的组件是一个电解电容器,所以我们假设 \$C\$ 比 \$L\$ 大得多。乍一看,我们认为这些比率不会改变。但是,一些微不足道的(注意:这是一个相对术语)复代数显示出不同的结果:

\$ \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*} \$

嗯,那很有趣,对吧?这种事情你做一次,记住答案,然后就不用担心了。我们从最后一个方程知道什么?首先考虑\$\omega\$ 小,\$L\$ 小,\$C\$ 大的情况。我们有,大约,

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

这是一个负数(假设 \$small * small * large < 1\$,它适用于实际组件)。这是熟悉的 \$Z_C = \frac{-j}{\omega C}\$ - 这是一个电容器!

第二,你的情况(高频电解)怎么样,\$\omega\$ 很大,\$L\$ 很小,\$C\$ 很大。我们有,大约,

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

这是一个正数(假设 \$large * small * large > 1\$)。这是熟悉的 \$Z_L = j \omega L\$ - 这是一个电感器!

如果 \$\omega^2 LC = 1\$ 会发生什么?然后阻抗为零!?!?是的!这称为共振频率 - 它是您在问题中显示的曲线底部的点。为什么实际上不是零?因为 ESR。

TL,DR:当你大幅增加频率时,会发生奇怪的事情。始终遵循制造商的数据表来对您的 IC 进行去耦,如果您需要做高速工作,请获取一本好的教科书或上课。

任何使用阻抗计(HP / Venable)的人都可以很容易地告诉您,电解电容器在高频下确实会变得感应。

这就是为什么您会在高频 DC-DC 转换器中看到大量陶瓷电容器的部分原因——在数百千赫兹/兆赫兹范围内,电解电容根本就不是那么好。

这也是为什么 100nF - 1uF 的陶瓷电容器通常用作 IC 去耦器的原因 - 由于其高频阻抗,电解无法击败小型陶瓷罐。

问题不是“如果裂解是归纳的”,而是为什么?这是一个相当令人困惑的问题,但与固态化学的陶瓷盖图相比,可以提供一个线索,即某些东西仅适用于裂解盖。所以这个问题属于化学,而不是电子学。

在高频达到最小值后阻抗的增加是由大离子或极化分子的旋转(或拉伸/位移)带电质量形式积累的能量引起的。溶液中的每个分子都像一组谐振器(不仅仅是电感),在几个谐振频率附近具有尖锐的相位图。

关于几MHz范围内的纯水和金属离子的阻抗测量有一个有趣的研究。

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

关键是它们具有卷的形式,类似于线圈,即电流以圆圈的形式流动。这导致相对较高的电感。

其他电容器具有薄片(陶瓷)或多孔材料(钽、超级电容器)上的两个表面的形式,因此它们不会显示出这种效果。