การพึ่งพาความถี่ของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า

ได้มีการกล่าวว่าตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าทำหน้าที่เป็นตัวเหนี่ยวนำที่ความถี่สูงซึ่งเป็นเหตุผลที่เราใส่แคปเซรามิกขนาดเล็กควบคู่กัน

ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์กระดาษหรือฟิล์มพลาสติกเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการแยกสัญญาณที่ความถี่สูง โดยทั่วไปประกอบด้วยฟอยล์โลหะสองแผ่นคั่นด้วยแผ่นพลาสติกหรือกระดาษอิเล็กทริกและกลายเป็นม้วน โครงสร้างประเภทนี้มีการเหนี่ยวนำตัวเองอย่างมากและทำหน้าที่เหมือนตัวเหนี่ยวนำมากกว่าตัวเก็บประจุที่ความถี่เกินเพียงไม่กี่ MHz

ตัวต้านทานตัวเก็บประจุเทียบกับความถี่

แต่ฉันก็เห็นบางสิ่งเช่นนี้:

"ปัญหาการเหนี่ยวนำ" ที่เกี่ยวข้องกับอิเลคตรอนเป็นอีกหนึ่งตำนานที่งี่เง่า - พวกเขาไม่มีการเหนี่ยวนำมากไปกว่าความยาวของเส้นลวดเหมือนกับความยาวของหมวก

หรือ

ตำนานที่ได้รับความนิยมคืออีเลคโตรสมีการเหนี่ยวนำอย่างมากเนื่องจากวิธีที่ฟอยล์ห่อหุ้มอยู่ภายในกระป๋อง นี่เป็นเรื่องไร้สาระ - ฟอยล์มักจะรวมที่ปลายในลักษณะเดียวกับหมวกฟิล์ม ประสิทธิภาพความถี่สูงมักจะขยายไปถึงหลาย MHz แม้จะมีอิเล็กโทรไลต์นอกชั้นวางมาตรฐานและแคปแบบสองขั้ว (ที่ไม่ใช่โพลาไรซ์อิเล็กโทรไลต์)

ลักษณะที่แน่นอนของเอฟเฟกต์นี้คืออะไรและเราต้องกังวลเกี่ยวกับแอปพลิเคชันและความถี่ใด ความหมายในทางปฏิบัติคืออะไร

ผลกระทบนี้เกิดจากลักษณะพิเศษของกาฝากของอุปกรณ์ ตัวเก็บประจุมีปรสิตพื้นฐานสี่ตัว:

ความต้านทานอนุกรมที่เทียบเท่ากัน - ESR:

ตัวเก็บประจุเป็นตัวเก็บประจุแบบอนุกรมที่มีความต้านทานของตะกั่ว, ฟอยล์ในอิเล็กทริกและความต้านทานขนาดเล็กอื่น ๆ ซึ่งหมายความว่าตัวเก็บประจุไม่สามารถคายประจุออกมาได้ทันทีและยังจะร้อนขึ้นเมื่อประจุและคายประจุซ้ำ นี่คือพารามิเตอร์ที่สำคัญเมื่อออกแบบระบบไฟฟ้า

กระแสไฟรั่ว:

อิเล็กทริกไม่เหมาะดังนั้นคุณสามารถเพิ่มความต้านทานในแบบคู่ขนานกับตัวเก็บประจุของคุณ สิ่งนี้มีความสำคัญในระบบสำรองและกระแสไฟฟ้ารั่วของอิเล็กโทรไลต์สามารถมากกว่ากระแสที่จำเป็นในการบำรุงรักษาแรมบนไมโครคอนโทรลเลอร์

การดูดซึมอิเล็กทริก - CDA:

นี่คือความสนใจน้อยกว่าพารามิเตอร์อื่น ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอิเล็กโทรไลต์ซึ่งกระแสรั่วไหลทำให้เกิดผลกระทบ สำหรับเซรามิกขนาดใหญ่คุณสามารถจินตนาการได้ว่ามีวงจร RC ขนานกับตัวเก็บประจุ เมื่อตัวเก็บประจุถูกประจุเป็นเวลานานตัวเก็บประจุแบบนึกภาพจะได้รับประจุ หากตัวเก็บประจุถูกปล่อยออกอย่างรวดเร็วเป็นระยะเวลาสั้น ๆ และกลับสู่วงจรเปิดตัวเก็บประจุแบบกาฝากจะเริ่มชาร์จตัวเก็บประจุหลัก

การเหนี่ยวนำซีรี่ส์เทียบเท่า - ESL:

ถึงตอนนี้คุณไม่ควรแปลกใจเกินไปที่หากทุกอย่างมีความสามารถเช่นเดียวกับความต้านทานที่ไม่เป็นศูนย์และไม่มีที่สิ้นสุดทุกอย่างก็มีการเหนี่ยวนำกาฝาก ไม่ว่าสิ่งเหล่านี้มีความสำคัญหรือไม่เป็นฟังก์ชั่นของความถี่ซึ่งนำเราไปสู่หัวข้อความต้านทาน

เราเป็นตัวแทนของความต้านทานด้วยตัวอักษร Z ความต้านทานอาจเป็นความต้านทานเช่นเดียวกับในโดเมนความถี่ ในทำนองเดียวกับที่ความต้านทานต้านทานการไหลของกระแส DC ดังนั้นความต้านทานจึงเป็นอุปสรรคต่อการไหลของกระแส AC เช่นเดียวกับแนวต้านคือ V / R หากเรารวมเข้ากับโดเมนเวลาอิมพีแดนซ์คือ V (t) / I (t)

คุณจะต้องทำแคลคูลัสหรือซื้อคำยืนยันต่อไปนี้เกี่ยวกับความต้านทานของส่วนประกอบที่มีแรงดันไฟฟ้าไซน์ที่ใช้กับความถี่เป็น w:

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

ใช่เป็นเช่นเดียวกับ (หมายเลขจินตนาการ ) แต่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มักจะแสดงให้เห็นถึงปัจจุบันดังนั้นเราจึงใช้เจนอกจากนี้ยังเป็นอักษรกรีกโบราณโอเมก้า (ซึ่งดูเหมือน w.) จดหมาย 's' หมายถึงความถี่ที่ซับซ้อน (ไม่ใช่แบบไซน์) $j$$i$$\sqrt{-1}$$i$$j$$\omega$

Yuck ใช่ไหม แต่คุณจะได้รับแนวคิด - ตัวต้านทานจะไม่เปลี่ยนอิมพีแดนซ์เมื่อคุณใช้สัญญาณ AC ตัวเก็บประจุลดความต้านทานด้วยความถี่ที่สูงขึ้นและเกือบจะไม่มีที่สิ้นสุดที่ DC ซึ่งเราคาดหวัง ตัวเหนี่ยวนำเพิ่มความต้านทานด้วยความถี่ที่สูงขึ้น - คิดว่า RF โช้คที่ออกแบบมาเพื่อกำจัดแหลม

เราสามารถคำนวณความต้านทานของสององค์ประกอบในอนุกรมโดยการเพิ่มความต้านทาน หากเรามีตัวเก็บประจุแบบอนุกรมที่มีตัวเหนี่ยวนำเรามี:

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

จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อเราเพิ่มความถี่ นานมาแล้วส่วนประกอบของเราเป็นไฟฟ้าประจุดังนั้นเราจะคิดว่านั้นยิ่งใหญ่มากขึ้นกว่าLเมื่อเห็นภาพแรกเราจะจินตนาการว่าอัตราส่วนจะไม่เปลี่ยนแปลง แต่บางเรื่องเล็กน้อย (หมายเหตุ: นี่คือคำที่เกี่ยวข้อง) พีชคณิตที่ซับซ้อนแสดงผลลัพธ์ที่แตกต่าง:$C$$L$

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

นั่นสนุกดีใช่มั้ย นี่คือสิ่งที่คุณทำครั้งเดียวจดจำคำตอบแล้วไม่ต้องกังวล เรารู้อะไรจากสมการสุดท้าย พิจารณากรณีแรกที่เล็กคือเล็กและใหญ่ เรามีประมาณ$\omega$$L$$C$

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

ซึ่งเป็นจำนวนลบ (สมมติว่าซึ่งใช้สำหรับองค์ประกอบที่ใช้งานได้) นี่เป็นสิ่งที่คุ้นเคยเช่น - มันเป็นตัวเก็บประจุ!$small * small * large < 1$$Z_C = \frac{-j}{\omega C}$

วิธีที่สองกรณีของคุณ (อิเล็กโทรไลต์ความถี่สูง) ที่มีขนาดใหญ่มีขนาดเล็กและมีขนาดใหญ่ เรามีประมาณ$\omega$$L$$C$

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

ซึ่งเป็นจำนวนบวก (สมมติว่า ) นี่เป็นสิ่งที่คุ้นเคยเหมือน - มันเป็นตัวเหนี่ยวนำ!Z L = j ω $large * small * large > 1$$Z_L = j \omega L$

เกิดอะไรขึ้นถ้า ? จากนั้นความต้านทานเป็นศูนย์!?!? ใช่ สิ่งนี้เรียกว่าความถี่พ้อง - มันคือจุดที่ด้านล่างของส่วนโค้งที่คุณแสดงในคำถามของคุณ ทำไมมันไม่เป็นศูนย์จริง ๆ ? เนื่องจาก ESR TL, DR: สิ่งประหลาดเกิดขึ้นเมื่อคุณเพิ่มความถี่บ่อย ปฏิบัติตามเอกสารข้อมูลของผู้ผลิตเสมอสำหรับการแยกไอซีของคุณออกและรับหนังสือเรียนที่ดีหรือเข้าเรียนหากคุณต้องการทำสิ่งที่ความเร็วสูง$\omega^2 LC = 1$

ทุกคนที่มีเครื่องวัดความต้านทาน (HP / Venable) สามารถบอกคุณได้อย่างง่ายดายว่าตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าจะกลายเป็นอุปนัยที่ความถี่สูงอย่างแน่นอน

นี่เป็นส่วนหนึ่งของเหตุผลที่คุณเห็นตัวเก็บประจุเซรามิกจำนวนมากที่ใช้ในตัวแปลง DC-DC ความถี่สูง - อิเล็กโตรไลติกก็ไม่ได้ดีในหลายร้อยกิโลเฮิร์ตซ์ / เมกะเฮิรตซ์

นี่คือสาเหตุที่ตัวเก็บประจุเซรามิกจาก 100nF - 1uF ถูกใช้เป็นตัวถอดรหัส IC - อิเล็กโทรไลต์ไม่สามารถเอาชนะเซรามิกขนาดเล็กได้เนื่องจากความต้านทานความถี่สูง

คำถามไม่ใช่ "ถ้า lytics เป็นอุปนัย" แต่ทำไม นี่เป็นปริศนา แต่เมื่อเปรียบเทียบกับตัวพิมพ์ใหญ่ของเซรามิกแคปสำหรับเคมีสถานะของแข็งสามารถให้เบาะแสว่ามีบางสิ่งที่พิเศษสำหรับแคป lytic เท่านั้น ดังนั้นคำถามเป็นของเคมีไม่ใช่อิเล็กทรอนิกส์

การเพิ่มความต้านทานหลังจากถึงขั้นต่ำที่ความถี่สูงนั้นเกิดจากพลังงานสะสมในรูปแบบของการหมุน (หรือยืด / แทนที่) มวลประจุของไอออนขนาดใหญ่หรือโมเลกุลโพลาไรซ์ โมเลกุลแต่ละตัวในสารละลายทำหน้าที่เหมือนกลุ่มตัวสะท้อน (ไม่เพียง แต่ตัวเหนี่ยวนำ) ที่มีพล็อตเฟสที่คมชัดใกล้กับหลายความถี่ที่สะท้อน

มีการศึกษาที่น่าสนใจเกี่ยวกับการวัดความต้านทานสำหรับน้ำบริสุทธิ์และไอออนของโลหะในช่วงไม่กี่ MHz

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

กุญแจสำคัญคือสิ่งเหล่านี้มีรูปแบบของม้วนซึ่งคล้ายกับม้วนนั่นคือกระแสไหลเป็นวงกลม สิ่งนี้ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำค่อนข้างสูง

ตัวเก็บประจุอื่นมีรูปแบบของแผ่น (เซรามิก) หรือสองพื้นผิวบนวัสดุที่มีรูพรุน (แทนทาลัมซูเปอร์แคป) ดังนั้นพวกมันจึงไม่แสดงผลนี้

คำถามเย็น - โดยทั่วไปการพูดตัวเก็บประจุที่มีความจุ C มีความต้านทานที่ซับซ้อนที่มีขนาด 1 / (2 * pi * f * C), fwiw ดังนั้นที่ความถี่สูงตัวเก็บประจุจึงควรมีลักษณะเป็นไฟฟ้าลัดวงจร (เช่น 0 โอห์ม) ฉันไม่คุ้นเคยกับข้อโต้แย้งที่ว่าพวกเขาเริ่มทำตัวเหมือนตัวเหนี่ยวนำ (ซึ่งก็หมายความว่าในบางจุดการเพิ่มความต้านทานเริ่มเพิ่มความถี่ด้วยเนื่องจากตัวเหนี่ยวนำขนาด L มีความต้านทานที่ซับซ้อนด้วยขนาด 2 * pi * f * L ... ฉันคิดว่าฉันไม่ได้ซื้อจริงๆ แต่ฉันไม่มีพื้นฐาน

ในอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลติคฟอยล์จะไม่เข้าร่วมเหมือนกับที่แคปฟิล์มเป็น สิ่งนี้จะต้องทำให้เกิดการเหนี่ยวนำสูง อย่างไรก็ตามมีพิเศษเสมอดังนั้นใครจะรู้?