Sự phụ thuộc tần số của tụ điện điện phân

Người ta nói rằng các tụ điện điện phân hoạt động như các cuộn cảm ở tần số cao, đó là lý do tại sao chúng ta đặt các nắp gốm nhỏ song song với chúng:

Tụ điện điện phân, giấy hoặc màng nhựa là một lựa chọn kém để tách rời ở tần số cao; về cơ bản chúng bao gồm hai tấm kim loại được phân tách bằng các tấm nhựa hoặc giấy điện môi và tạo thành một cuộn. Kiểu cấu trúc này có độ tự cảm đáng kể và hoạt động giống như một cuộn cảm hơn là tụ điện có tần số vượt quá vài MHz.

Trở kháng tụ điện so với tần số.

Tuy nhiên, tôi cũng thấy một vài điều như thế này:

"Vấn đề tự cảm" liên quan đến electros là một huyền thoại ngu ngốc khác - chúng không có độ tự cảm nhiều hơn chiều dài của dây giống như chiều dài của nắp.

hoặc là

Một truyền thuyết phổ biến là các electros có độ tự cảm đáng kể vì cách lá được quấn bên trong hộp. Điều này là vô nghĩa - các lá thường được nối ở cuối theo cách tương tự như với mũ phim. Hiệu suất tần số cao thường kéo dài đến vài MHz, ngay cả với các điện cực tiêu chuẩn và mũ lưỡng cực (điện phân không phân cực).

Bản chất chính xác của hiệu ứng này là gì và trong những ứng dụng và tần số nào chúng ta cần phải lo lắng về nó? Ý nghĩa thực tiễn là gì?

Hiệu ứng này là do ảnh hưởng của các đặc tính ký sinh của thiết bị. Một tụ điện có bốn ký sinh cơ bản:

Kháng loạt tương đương - ESR:

Một tụ điện thực sự là một tụ điện nối tiếp với các điện trở của các đạo trình của nó, các lá trong điện môi và các điện trở nhỏ khác. Điều này có nghĩa là tụ điện không thể thực sự phóng điện ngay lập tức và cũng sẽ nóng lên khi được sạc và xả nhiều lần. Đây là một thông số quan trọng khi thiết kế hệ thống điện.

Dòng điện rò rỉ:

Điện môi không lý tưởng, vì vậy bạn có thể thêm điện trở song song với tụ điện của mình. Điều này rất quan trọng trong các hệ thống dự phòng và dòng rò của chất điện phân có thể lớn hơn nhiều so với dòng điện cần thiết để duy trì RAM trên vi điều khiển.

Hấp thụ điện môi - CDA:

Điều này thường ít được quan tâm hơn so với các tham số khác, đặc biệt là đối với chất điện phân, mà dòng điện rò rỉ áp đảo hiệu ứng. Đối với gốm lớn, bạn có thể tưởng tượng rằng có một mạch RC song song với tụ điện. Khi tụ điện được sạc trong một thời gian dài, tụ điện tưởng tượng sẽ thu được một điện tích. Nếu tụ điện nhanh chóng được xả trong một thời gian ngắn và sau đó trở lại mạch hở, tụ điện ký sinh bắt đầu sạc lại tụ điện chính.

Dòng điện cảm tương đương - ESL:

Đến bây giờ, bạn không nên quá ngạc nhiên rằng, nếu mọi thứ đều có điện dung cũng như điện trở không khác và không vô hạn, mọi thứ cũng có độ tự cảm ký sinh. Liệu những điều này có ý nghĩa hay không là một chức năng của tần số, điều này dẫn chúng ta đến chủ đề trở kháng.

Chúng tôi biểu thị trở kháng bằng chữ Z. Trở kháng có thể được coi là giống như điện trở, chỉ trong miền tần số. Theo cùng một cách mà một điện trở chống lại dòng điện một chiều, thì trở kháng cũng cản trở dòng điện xoay chiều. Giống như điện trở là V / R, nếu chúng ta tích hợp vào miền thời gian, trở kháng là V (t) / I (t).

Bạn sẽ phải thực hiện một số tính toán hoặc mua các xác nhận sau đây về trở kháng của một thành phần có điện áp hình sin được áp dụng với tần số w:

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

Có, giống như i (số ảo, $j$$i$ ), nhưng trong điện tử,tôithường đại diện cho hiện tại, vì vậy chúng tôi sử dụngj. Ngoài ra,ωlà truyền thống omega chữ cái Hy Lạp (trông giống như w.) Các chữ 's' dùng để chỉ một tần số phức tạp (không hình sin). $\sqrt{-1}$$i$$j$$\omega$

Ái chà phải không? Nhưng bạn có ý tưởng - Một điện trở không thay đổi trở kháng của nó khi bạn áp dụng tín hiệu AC. Một tụ điện đã giảm trở kháng với tần số cao hơn, và nó gần như vô hạn tại DC, mà chúng ta mong đợi. Một cuộn cảm đã tăng trở kháng với tần số cao hơn - hãy nghĩ đến một cuộn cảm RF được thiết kế để loại bỏ các gai.

Chúng ta có thể tính toán trở kháng của hai thành phần nối tiếp bằng cách thêm các trở kháng. Nếu chúng ta có một tụ điện nối tiếp với một cuộn cảm, chúng ta có:

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

Điều gì xảy ra khi chúng ta tăng tần số? Một thời gian dài trước đây, thành phần của chúng tôi là một tụ điện phân, vì vậy chúng tôi sẽ giả định rằng là rất nhiều lớn hơn L . Thoạt nhìn, chúng tôi tưởng tượng rằng các tỷ lệ sẽ không thay đổi. Nhưng, một số đại số phức tạp (Lưu ý: Đây là một thuật ngữ tương đối) cho thấy một kết quả khác:$C$$L$

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

Vâng, đó là niềm vui, phải không? Đây là loại việc bạn làm một lần, nhớ câu trả lời và sau đó đừng lo lắng về điều đó. Chúng ta biết gì từ phương trình cuối cùng? Xem xét đầu tiên trường hợp là nhỏ, L là nhỏ, và $\omega$$L$$C$ là lớn. Chúng tôi có, khoảng,

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

$small * small * large < 1$$Z_C = \frac{-j}{\omega C}$ - Đó là một tụ điện!

$\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$

$\omega^2 LC = 1$

Bất cứ ai có quyền truy cập vào đồng hồ đo trở kháng (HP / Venable) đều có thể dễ dàng cho bạn biết rằng các tụ điện điện phân chắc chắn trở thành cảm ứng ở tần số cao.

Đây là một phần lý do tại sao bạn thấy rất nhiều tụ gốm được sử dụng trong các bộ biến đổi DC-DC tần số cao - điện phân đơn giản là không tốt trong hàng trăm kilohertz / megahertz.

Đây cũng là lý do tại sao các tụ gốm từ 100nF - 1uF thường được sử dụng làm bộ giải mã IC - một chất điện phân không thể đánh bại một lon gốm nhỏ vì trở kháng tần số cao của nó.

Câu hỏi không phải là "nếu phân tích là quy nạp", nhưng tại sao? Đây là một câu đố khá khó khăn, nhưng so sánh với các đồ thị mũ gốm cho hóa học trạng thái rắn có thể đưa ra một manh mối, rằng một cái gì đó đặc biệt chỉ dành cho mũ lytic. Vì vậy, câu hỏi thuộc về hóa học, không phải về điện tử.

Tăng trở kháng sau khi đạt tối thiểu ở tần số cao là do năng lượng tích lũy dưới dạng khối lượng quay (hoặc kéo dài / dịch chuyển) của các ion lớn hoặc phân tử phân cực. Mỗi phân tử trong dung dịch hoạt động giống như một nhóm các bộ cộng hưởng (không chỉ là điện cảm) với sơ đồ pha sắc nét gần một số tần số cộng hưởng.

Có một nghiên cứu thú vị về đo trở kháng đối với các ion kim loại và nước tinh khiết trong phạm vi vài MHz.

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

Điều quan trọng là những cái này có dạng cuộn, tương tự như cuộn dây, tức là dòng điện chạy trong vòng tròn. Điều này gây ra một độ tự cảm tương đối cao.

Các tụ điện khác có dạng tấm (gốm) hoặc hai bề mặt trên vật liệu xốp (tantal, supercaps), vì vậy chúng không thể hiện hiệu ứng này.

cool question - generally speaking a capacitor with capacitance C has an complex impedence with magnitude 1/(2*pi*f*C), fwiw. So at high frequencies a capacitor is supposed look like a short circuit (i.e. 0 ohms). I'm unfamiliar with the argument that they start to act like an inductor (which implies that at some point the impedence increases starts to increase with frequency, since an inductor of size L has a complex impedence with magnitude 2*pi*f*L... I guess I don't really buy it, but I have no basis for that.

In aluminum electrolytics the foils are not joined the way film caps are. This has to make induction high. However, there are always specials, so who knows?