Impedanța Z a unui condensator ideal este definită de formula 1, unde ω este frecvența unghiulară și C este capacitatea condensatorului.
Figura 1. Condensatorul ideal
Se poate observa din formula 1 că impedanța condensatorului scade cu frecvență în creștere. Acest lucru este arătat în figura 1. Nu există nici o pierdere în condensatorul ideal și rezistența serială echivalentă (ESR) este zero.
Figura 2. Răspunsul de frecvență al unui condensator ideal
Într-un condensator cu adevărat (fig. 3), există o oarecare rezistență (ESR), cauzată de pierderile dielectrice, pierderea rezistenței armăturile condensatorului și pierderile legate de rezistența de scurgere și inductanța parazite (ESL) din plăcile condensatorului și pinii. Ca urmare, caracteristica de frecvență a impedanței ia forma de V (sau în formă de U, în funcție de tipul de condensator), așa cum este prezentat în Figura 4.Takzhe arată frecvența caracteristică ESR.
Figura 3. Condensator real
Figura 4. Exemplu de caracteristică de frecvență a unui condensator real
Motivul pentru care graficele | Z | și ESR au forma ca în figura 4, pot fi explicate după cum urmează.
| Z | în această regiune scade invers proporțional cu frecvența, ca într-un condensator ideal. Valoarea ESR este determinată de pierderile dielectrice din condensator.
Cu o creștere a frecvenței ESR, ca urmare a inductanței parazite, a rezistenței electrozilor și a altor factori, provoacă o abatere | Z | de la caracteristica ideală (linia întreruptă roșie) și atinge o valoare minimă. Frecvența la care | Z | atinge un minim, se numește frecvența intrinsecă de rezonanță și la această frecvență | Z | = ESR. După depășirea frecvenței de rezonanță naturală, caracteristica elementului se schimbă de la capacitiv la inductiv și | Z | începe să crească. Regiunea de sub frecvența naturală de rezonanță se numește regiunea capacitivă, iar regiunea de mai sus este inductivă.
În regiunea de rezonanță, pierderile de pe electrozi sunt adăugate pierderilor dielectrice.
Cu o creștere suplimentară a frecvenței, caracteristica | Z | este determinată de inductanța parazitară a condensatorului. În regiunea cu frecvență înaltă | Z | crește proporțional cu frecvența, conform formulei 2. În ceea ce privește ESR, în acest domeniu începe să apară un efect de piele. efectul de proximitate și altele.
Deci, am considerat răspunsul de frecvență al unui condensator real. Aici este important să rețineți că, cu o frecvență tot mai mare, ESR și ESL nu mai pot fi ignorate. Deoarece există un număr mare de aplicații în care condensatoarele sunt utilizate la frecvențe înalte, ESR și ESL devin parametri importanți care caracterizează condensatorul în plus față de valoarea capacității sale.
Componentele parazitare ale condensatoarelor reale au valori diferite în funcție de tipul lor. Să analizăm caracteristicile de frecvență ale diferitelor condensatoare. Figura 5 prezintă graficele lui | Z | și ESR pentru condensatoare de 10 μF. Toate condensatoarele, cu excepția filmului, plane (SMD).
Figura 5. Caracteristicile de frecvență ale condensatoarelor de diferite tipuri.
Pentru toate tipurile de condensatoare | Z | se comportă identic cu o frecvență de 1 kHz. După 1 kHz, impedanța crește mai puternic în condensatoarele electrolitice din aluminiu și tantal decât în condensatoarele de ceramică monolitică și de film.
Acest lucru se datorează faptului că condensatorii de aluminiu și tantal au o rezistivitate specifică ridicată a electrolitului și un ESR mare. Materialele metalice pentru electrozi sunt utilizate în condensatoare de ceramică din film și monolit și, prin urmare, au rezistențe foarte reduse.
Condensatoarele ceramice monolitice și filmul prezintă aproximativ aceleași caracteristici până la punctul de rezonanță intrinsecă, dar în condensatoarele ceramice monolitice frecvența de rezonanță este mai mare și | Z | în regiunea inductivă de mai jos.
Aceste rezultate arată că impedanța condensatoarelor ceramice de tip monolit SMD pe o gamă largă de frecvențe este de mică importanță. Acest lucru le face mai potrivite pentru aplicațiile de înaltă frecvență.
Există, de asemenea, mai multe tipuri de condensatoare ceramice monolitice, fabricate din materiale diferite și având forme diferite. Să vedem cum afectează acești factori caracteristicile de frecvență.
ESR în regiunea capacitivă depinde de pierderile dielectrice cauzate de materialul dielectric. Cea de-a doua clasă de materiale dielectrice bazate pe feroelectrice are o constantă dielectrică ridicată și, de regulă, un ESR înalt. Prima clasă de materiale - materiale compensate la temperatură bazate pe paraelectrici - au pierderi dielectrice scăzute și ESR scăzute.
La frecvențe înalte în regiunile de rezonanță și inductivă, în plus față de rezistența materialului electrodului, a formei și a numărului de straturi, ESR depinde de efectul de piele și de efectul de proximitate. Electrozii sunt adesea fabricați din Ni, dar pentru condensatori ieftine se aplică uneori Cu, care are și o rezistență scăzută.
ESL
Condensatoarele ceramice monolitice ESL depind puternic de structura internă a electrozilor. Dacă dimensiunile electrozilor interni sunt specificați prin lungime, lățime și grosime, inductanța ESL poate fi determinată matematic. Valoarea ESL scade atunci când electrozi condensatori sunt mai scurți, mai largi și mai subțiri.
Figura 6 prezintă relația dintre capacitatea nominală și frecvența de rezonanță a diferitelor tipuri de condensatoare ceramice monolitice. Puteți observa că dimensiunile condensatorului scad, frecvența de rezonanță crește, iar ESL scade pentru aceleași valori ale capacității. Acest lucru înseamnă că condensatoarele mici de lungime scurtă sunt mai potrivite pentru aplicațiile de înaltă frecvență.
Figura 7 prezintă condensatorul LW inversă cu o lungime scurtă L și W. lățime la caracteristici de înaltă frecvență prezentate în figura 8, putem vedea că condensator LW are o impedanță mai mică și o performanță mai bună decât condensatorul convențional de aceeași capacitate. Utilizând condensatoare LW, puteți obține aceleași caracteristici ca și condensatoarele convenționale, dar cu mai puține componente. Reducerea numărului de componente, vă permite să reduceți costurile și să reduceți spațiul de instalare.
Figura 7. Aspectul condensatorului LW invers.
Figura 8. | Z | și condensator LW inversat ESW și condensator de uz general
Desigur, în practică, este destul de dificil de implementat, dar ideea, în opinia mea, este interesantă.
Da, e interesant.
Paul, pentru cea de-a treia oară mulțumită pentru această resursă, ar dori să vadă aici materialele de pe autobuzul I2C și o bibliotecă pentru a lucra cu ea. În modul în care se află în codul expertului de instalare inițială în CodeVision. Mulțumesc.