Индуктивность конденсатора: Индуктивности и емкости — RadioRadar

Содержание

Индуктивность - конденсатор - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Индуктивность - конденсатор

Cтраница 1


Индуктивность конденсаторов и значение резонансной частоты определяются их конструкцией и емкостью. Поскольку на частотах, превышающих резонансную, реактивная составляющая полного сопротивления конденсатора приобретает чисто индуктивный характер, резонансная частота является верхней границей частот, при которых конденсатор способен выполнять свою прямую функцию. Поэтому выбор типа конденсатора следует прежде всего производить так, чтобы рабочая частота была ниже резонансной.  [2]

Индуктивность конденсатора зависит от размеров его обкладок и конструкции выводов. Для уменьшения индуктивности бумажных конденсаторов малой емкости ( порядка нескольких сотен или тысяч пикофарад) выводы от обкладок образуются краями самих обкладок: одна фольговая лента выступает за края бумажных лент в одну сторону, а другая фольговая лента - в другую сторону.

Все выступающие слои фольговых лент с каждой стороны спаивают вместе и припаивают к наружным выводам. При этом индуктивность конденсатора сушественно уменьшается потому, что ток входит в каждый слой обкладки.  [3]

Индуктивность конденсатора Lc увеличивает действующую емкость с ростом частоты, так как ток в цепи конденсатора возрастает за счет компенсации емкостного сопротивления индуктивным сопротивлением.  [4]

На индуктивность конденсаторов большое влияние оказывает индуктивность выводов. Для различных типов конденсаторов существуют собственные резонансные частоты, зависящие от длины выводов.  [5]

Для снижения индуктивности конденсатора секции в пакетах необходимо соединять параллельно. Кроме того, применяемые в конденсаторах предохранители для отключения секций при их пробое затрудняют получение малой индуктивности конденсаторов. Для значительного снижения индуктивности конденсаторов служат малоиндуктивные выводы, которые выполняют в виде плоских шин, разделенных тонкой изоляционной перегородкой или коаксиально.  [6]

Для уменьшения влияния индуктивности конденсаторов большой емкости на высоких частотах целесообразно применять шунтирование их конденсаторами меньшей емкости со значительно меньшей индуктивностью.  [7]

Учет в формуле потерь индуктивности конденсатора ( 1 нГн) ничего не меняет, поскольку на частоте 400 кГц индуктивное сопротивление более чем на два порядка меньше, чем емкостное.  [8]

Заметное влияние активного сопротивления и индуктивности конденсатора на величину его полного сопротивления z обычно наблюдается лишь при частотах не ниже 105 - 10е гц. Исключение представляют электролитические конденсаторы, в которых роль одной из обкладок играет электролит, что резко увеличивает г - гл.  [10]

Заметное влияние активного сопротивления и индуктивности конденсатора на величину его полного сопротивления z обычно наблюдается лишь при частотах не ниже 105 - 106 гц ( исключение представляют электролитические конденсаторы, в которых одной из обкладок служит электролит, что резко увеличивает г - гл.  [11]

На высоких частотах, где индуктивность конденсаторов имеет большое значение, целесообразно применять специальные типы конденсаторов.  [13]

Применение в пьезокера-мическом фильтре катушек индуктивности шш конденсаторов, как правило, приводит к заметному увеличению габаритов фильтров, но, как показывает практика конструирования фильтров, избежать этого не всегда удается.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Индуктивность конденсаторов и полное сопротивление — Студопедия

Для того что бы учесть наличие в конденсаторе активное сопротивление

r и индуктивность L, кроме емкости C, вместо надо пользоваться полным сопротивлением конденсатора:

[72]

r, z = [Ом]; L = [Гн]; С = [Ф]

Выражение [72] характерно для последовательной эквивалентной схемы конденсатора.

При повышении циклической частоты емкостное сопротивление уменьшается, а индуктивное сопротивление растет, поэтому зависимость должна иметь U – образный характер (рис. 22).

При (резонансная частота) конденсатор ведет себя уже не как емкость, а как индуктивность:

[73]

Индуктивность конденсаторов очень мала и ее выражают в мкГн и нГн. Например воздушный образцовый конденсатор с емкостью С = 100 пФ индуктивно L = 10 – 20 нГн; емкостью С = 1000 пФ – L = 30 – 50 нГн.

В намотанных спиральных конденсаторах большая индуктивность может быть обусловлена витками спирали. В связи с этим вместо обычной намотки со скрытой фольгой была предложена «безындукционная» намотка с выступающей фольгой (рис. 23).

При такой намотке обкладки смещаются к противоположным торцам секции, что дает возможность замыкания накоротко всех витков спирали. Недостаток – увеличенный вес фольги.


Малые значения индуктивности L можно получить и при обычной намотке, если располагать выводные контакты обеих обкладок ближе друг к другу. В намотанном конденсаторе со скрытой фольгой индуктивность в основном определяется длиной той части обкладок, которая заключена между выводными контактами.

В этой части конденсатора направления токов в обеих обкладках в каждый момент времени совпадают, магнитные поля этих токов складываются и это обуславливает наличие индуктивности. Преимущество безындукционной намотки

при совмещенных выводных контактах – уменьшение активного сопротивления обкладок, что дает некоторое снижение активного сопротивления r при резонансе и уменьшает потери в конденсаторе, особенно при высоких частотах. Кроме того, припайка выводов к выступающим краям обмоток дает резкое повышение надежности контактов, по сравнению с вкладными контактами при обычной намотке со скрытой фольгой. В процессе изготовления цилиндрических спиральных конденсаторов с обычной намоткой иногда оказывается целесообразным получать при намотке в одном конденсаторе несколько параллельно или последовательно соединенных секций.

Для получения многосекционного конденсатора с параллельным соединением секций одна обкладка является общей для всех секций, а вторую в процессе намотки несколько раз обрывают, образуя отрезки, длина которых определяет емкости отдельных секций (рис. 25).

Для последовательно соединенных секций обрывы фольги приходиться делать в соответствующих участках обеих обкладок. Ставят по два контакта на одну обкладку, чтобы обеспечить противоположные направления токов.


При последовательном включении индуктивности L складываются, а при параллельном включении складываются их обратные значения, поэтому при параллельном соединении индуктивность конденсатора будет меньше, чем индуктивность отдельных секций. Это является одним из способов снижения индуктивности высоковольтных импульсных конденсаторов, используемых в качестве накопителей энергии.

Для того, чтобы свести к минимуму индуктивность соединительных проводов, применяются специальные проходные конденсаторы (рис.

26).

В проходных конденсаторах имеется внутреннее отверстие, сквозь которое пропускается медная шинка, к ней присоединяется один вывод конденсатора, а второй подсоединяется к корпусу. Шинка изолируется от корпуса конденсатора и включается в разрыв защищаемой линии; корпус конденсатора подсоединяется к земле. Емкость таких конденсаторов надо измерять между любым из изолированных выводов и корпусом. В таком конденсаторе соединительные провода имеют минимальную длину и создают малую индуктивность.


capasitor

capasitor

Конденсатор и индуктивность

Но прежде, чем расстаться с постоянным током, я хочу немного рассказать о конденсаторе. Любая схема (или почти любая) электронного устройства содержит хотя бы один конденсатор. Что он собой представляет?

Возьмем две металлические пластины, положим между ними тонкую пластину из изолятора и получим конденсатор. На схеме конденсатор так, примерно, и изображают: две пластины (в профиль), к которым подходят два проводника.

Поскольку между пластинами изолятор, не проводящий постоянный электрический ток, то зачем бы нам конденсатор в цепи постоянного тока?

Рис. 1.7. Конденсатор в цепи постоянного тока

Несколько предвосхищая события, я вместо источника напряжения на схеме использовал нечто вроде его комбинации с выключателем. Но, если вы, как люди воспитанные, сделаете вид, что не заметили этого и повторите эксперимент, используя обычную батарейку и выключатель, то результат должен быть таким, как показано на графике I1, то есть ток в цепи, как показывает амперметр, равен нулю. Цепь постоянного тока разрывается изолятором конденсатора и ток через конденсатор не протекает. Что и зачем я использовал в схеме вместо батарейки? Это генератор ступенчатого напряжения. В начальный момент напряжение на его выводах равно нулю, затем сразу становится равным 10В, как если бы был включен выключатель между цепью из батарейки, конденсатора, амперметра и резистора 1 Ом.

Я так и хотел сделать, но не нашел в программе выключателя. В некоторых программах он есть, здесь я не нашел. Но это не существенно.

Зачем мне понадобился выключатель? Если присмотреться к графику, то в самом его начале в момент времени близкий к начальному, на графике видна небольшая размытость. Увеличим ее, поскольку программа PSIM в окне просмотра результатов симуляции Simview позволяет манипулировать с изображением. Сразу хочу предупредить, что теоретический вид результата эксперимента должен отличаться от приведенного ниже, а реальный результат эксперимента будет зависеть от нескольких факторов, о которых, возможно, речь пойдет дальше, когда мы, и если, будем говорить о линиях, паразитных параметрах цепей и т.п.


Рис. 1.8. Цепь постоянного тока с конденсатором в начальный момент времени

Как видно, небольшая размытость – это некоторое изменение тока. То есть, хотя постоянный ток в цепи, вообще говоря, не течет, в небольшой промежуток времени при включении, он все таки умудряется протекать.

Такие процессы в короткие промежутки времени при резком изменении параметров (скачком) называются переходными.

Как можно себе представить, что происходит, когда мы включаем выключатель (которого нет на рисунке)? Мы подключаем источник ЭДС к пластинам конденсатора. В металле, из которого эти пластины состоят, электроны смещаются к поверхности пластины, удаленной от полюса источника, образуя электрическое поле, которое проходит через изолятор к другой металлической пластине, вызывая смещение ее электронов к другому полюсу источника питания. Вот эти-то перемещения (или смещения), как любое направленное движение зарядов, и образуют кратковременный ток, при этом конденсатор заряжается от источника питания.

Конденсатор не пропускает постоянный ток, но может реагировать на изменения напряжения. Оставим себе это на заметку. А так же вспомним, что мы говорили о переменном токе, как токе изменяющемся по величине, в отличие от постоянного. Именно такой ток, изменяющийся по величине (в самом начале) мы наблюдаем на рис. 1.8. И это заставляет думать, что в цепи переменного тока конденсатор может себя вести иначе, чем в цепи постоянного тока. Чтобы закончить с конденсатором в цепи постоянного тока немного уточним, что я имел в виду, когда выше написал:

конденсатор заряжается... Буквально то, что написал. Конденсатор накапливает (конденсирует) заряд. Если после его подключения к батарейке отключить батарейку и измерить напряжение на конденсаторе, то прибор покажет напряжение равное напряжению батарейки (в идеальном случае). Если конденсатор очень большой емкости, то к нему можно подключить лампочку, и лампочка будет какое-то время светиться. Пока конденсатор не разрядится. И, кстати, отчего светится лампочка? То самое рассеивание мощности на резисторе, в данном случае на спирали, от которого резистор может разогреться до «красного каления», а лампочка разогревается до «белого каления».

Емкость конденсатора измеряется в фарадах, но на практике применяют конденсаторы значительно меньшей емкости: мкФ (одна миллионная фарады, микрофарада), нФ (одна тысячная микрофарады, нанофарада), пФ (одна тысячная нанофарады, пикофарада). Емкость конденсатора зависит от площади пластин, чем она больше, тем больше емкость, и толщины изолятора (и материала изолятора), чем он тоньше, тем больше емкость конденсатора. Конденсаторы в виде пластин с изолятором применяют только при изготовлении конденсаторов переменной емкости. В зависимости от необходимой емкости конденсатора используют разные технологии изготовления, так в конденсаторах большой емкости, в десятки и тысячи микрофарад, применяют электролит, а такие конденсаторы называют электролитическими. Как правило они полярны, один из выводов помечен плюсом, и его следует подключать к плюсу постоянного напряжения. Вообще, допустимое напряжение очень важный для конденсатора параметр. Если напряжение на конденсаторе превышает это значение, то конденсатор выходит из строя.

Самый простой способ получить переменное напряжение – это подключить батарейку, скажем, как в схеме на рис. 1.7, но через переключатель, чтобы в одном положении переключателя батарейка была подключена как на рисунке, а в другом полярность ее подключения менялась на противоположную. Мы получим изменяющееся по величине (в какой-то момент схема отключена от батарейки) и по направлению напряжение, а в цепи пропорционально меняющийся ток, то есть, переменный ток.

Под переменным током будем понимать такой ток, который меняется по величине или/и по направлению.

Если переключателем щелкать очень равномерно, то получится периодический переменный ток. А если описать его с помощью математического выражения, то можно говорить о законе, по которому меняется ток. На практике очень часто используется переменный ток, меняющийся по закону синуса – синусоидальный переменный ток. Математическое выражение для него выглядит просто: y=A*Sin(x). Конечно, получить из батарейки с помощью переключателя такой вид переменного тока слишком сложно, но такой вид имеет бытовое силовое напряжение, и такой вид переменного напряжения дают многие генераторы, используемые при работе с электронными приборами.

На рисунке ниже я использовал источник синусоидального переменного напряжения V1. Функция синуса периодическая, то есть, существует отрезок времени, через который график функции повторяет свою форму, вновь и вновь. В электротехнике период измеряют в секундах. Величина, обратная к периоду, показывающая количество колебаний в секунду, называется частотой и измеряется в герцах.

Рис. 1.9. Вид синусоидального переменного тока

Период переменного тока на рисунке чуть меньше двух миллисекунд, это соответствует частоте около 500 Гц.

Мы подозревали, что конденсатор ведет себя по отношению к переменному току иначе, чем к постоянному. И действительно, если постоянный ток конденсатор не пропускает, то переменный ток проходит через него. Этим свойством конденсатора часто пользуются для того, чтобы отделить, как говорят, постоянную составляющую от переменной, и вы можете встретить такое название конденсатора, как разделительный конденсатор, что относится к функции, выполняемой конденсатором.

Если в программе PSIM воспользоваться не амперметром, а осциллографом, прибором для наблюдения за переменным напряжением, который подключить параллельно резистору R1, то мы сможем наблюдать переменный ток и более высоких частот. Дело в том, что многие амперметры, измеряющие переменный ток, хорошо работают только с токами низких частот. А осциллограф отображает процессы и очень высоких частот. Современные осциллографы, доступные любителю, могут работать до частот в сотни мегагерц.


Рис. 1.10. Наблюдение переменного напряжения в цепи конденсатор-резистор

Если посмотреть на осциллограмму напряжения и по виду осциллографа (по надписям) понять, что каждое вертикальное деление сетки на экране – это напряжение в 50 В, то амплитуда – наибольший «размах» напряжения от нуля или середины – получается около 100 В, тогда как амплитуда напряжения источника переменного тока V1 равна, как это показано на схеме, 110 В. Похоже, что как резистор оказывает сопротивление постоянному току, так и конденсатор оказывает сопротивление прохождению переменного тока, и на нем появляется падение напряжения. От чего зависит это сопротивление?

Проведем несколько экспериментов. Я использую программу PSIM для их описания, а макетную плату для проверки этого описания. Правда, в отличие от программы, мой низкочастотный генератор позволяет получить напряжение на выходе только 2 вольта, но мультиметр может измерять переменное напряжение такой величины. Если между компьютерным и «живым» экспериментом появятся различия, я о них скажу.

Попробуем изменить частоту (уменьшить) источника тока:

Рис. 1.11. Изменение осциллограммы при уменьшении частоты в 10 раз

На рисунке видно, что амплитуда напряжения уменьшилась существенно, став менее 50 В. Значит, сопротивление зависит от частоты переменного тока. А увеличив значение конденсатора в 10 раз (до 10 мкФ, микрофарад) мы почти восстановим амплитуду. Значит, сопротивление конденсатора зависит от его величины.

И действительно, сопротивление конденсатора синусоидальному переменному току равно 1/2πfC, где f – частота в Гц, C – емкость в Ф (фарадах). Если сопротивление резистора называют активным сопротивлением, то сопротивление конденсатора переменному току называют реактивным (реакция на изменения тока).

В электронике, как правило, нельзя обойтись без источника постоянного тока – источника питания любой электрической схемы, будет ли это схема автоматики или радиоприемника. А переменный ток, чаще играет роль сигналов, несущих полезную информацию. Чаще переменный ток бывает током, изменяющимся по величине, чем током изменяющимся по направлению. Работа электронного устройства в целом связана с преобразованиями сигналов для придания им либо необходимой величины при заданной форме, либо необходимой формы и величины, например, для переноса информации. Когда вы отправляете с компьютера письмо своему приятелю (или подруге), то по электрической цепи (возможно, местами в виде радиоволны) вы отправляете сигнал очень сложной формы, который и переносит ваше письмо к компьютеру приятеля (или подруги), где сигнал преобразовывается в понятные тому буквы и цифры, и даже рожицы в конце фраз. Когда вы разговариваете по мобильному телефону, ваша речь преобразуется телефоном в радиосигналы, долетающие до телефона приятеля (или подруги), где они вновь преобразуются в звук, несущий вашему приятелю информацию о том, что вы скучаете, не зная, чем заняться. Если ваш приятель радиолюбитель, он посоветует вам заняться этим увлекательным делом.

Но о сигналах мы поговорим позже.

А сейчас вспомним, что закон Ома для цепи постоянного тока был весьма полезен. Нельзя ли использовать его для цепей переменного тока. В простейшем виде, напомню, закон Ома звучит так: напряжение на участке цепи равно произведению тока, протекающего по этому участку, на сопротивление этого участка постоянному току. Однако как быть с переменным током, если его величина все время меняется? Можно сказать, что закон Ома будет справедлив для каждого мгновения, но удобнее ввести понятие действующего значения переменного тока.

Под действующим значением переменного тока будем понимать такое его значение, которое оказывает такое же действие, как и постоянный ток той же величины.

Выше я упоминал о лампочке, доведенной до «белого каления». Довести ее до этого можно с помощью батарейки, дающей постоянный ток. Но если мы доведем ее до того же состояния с помощью переменного тока, то его величина будет иметь действующее значение, тоже измеряемое в амперах, численно равное величине постоянного тока. А напряжение (действующее), измеряемое тоже в вольтах, численно будет равно постоянному напряжению. И закон Ома будет звучать также, как для постоянного тока. И оба полезных закона Кирхгофа будут иметь место для переменного тока. Я не буду уверять вас, что я абсолютно прав, напротив, советую вам проверить это, используя либо программу PSIM (или аналогичную программу САПР), что удобнее и спокойнее всего на «первых порах», или проверьте это на макетной плате, используя мультиметр и генератор синусоидального напряжения в качестве источника переменного тока. Я не советую использовать силовое напряжение по причине опасности работы с ним, даже если вы примените понижающий трансформатор. Лучше собрать простейший генератор, взяв схему из этой книги дальше или из другой книги, на цифровой микросхеме. Он не будет генератором синусоидального напряжения, скорее всего генератором прямоугольных импульсов, и мультиметр будет показывать не вполне правильные значения, но уверен, что проделанные эксперименты, каковы бы ни были результаты, доставят вам удовольствие. Используя генератор, мультиметр, несколько конденсаторов и резисторов вы можете придумать множество интересных экспериментов, помимо тех, о которых шла речь.

Когда я заговорил о законе Ома для переменного тока, я упоминал мгновенные значения переменного тока. Можно сказать, что в каждое мгновение переменный ток находится в определенной фазе своего изменения: вот он равен нулю, затем растет, достигает наибольшей величины, начинает уменьшаться и т.д. И одним из отличий активного сопротивления от реактивного будет то, как изменяются напряжение на них и ток через них. Я немного изменю схему, применив двухканальный осциллограф, есть такая возможность в программе PSIM, возможно у вас есть «физический» двухканальный осциллограф, для наблюдения за напряжением на конденсаторе и напряжением на резисторе (пропорциональном току через конденсатор), что заменит мне наблюдение за током через конденсатор. На рисунке ниже канал A показывает напряжение, а канал B ток через конденсатор. Кстати, на схеме осциллограф подключен только одним проводом, что удобно при работе с программой. При этом подразумевается, но не отображается, что общий провод осциллографа соединяется с общим проводом схемы. Кроме того, на схеме я уменьшил величину резистора R1 до 10 Ом, с тем чтобы получить наиболее яркую иллюстрацию того, что хочу отметить по поводу фаз.

Рис. 1.12. Наблюдение напряжения и тока через конденсатор

Два сигнала в центре экрана осциллографа, как видно на рисунке, находятся в разных фазах изменения: напряжение на конденсаторе и ток через него находятся в разных состояниях в любой момент времени. Говорят, что они не совпадают по фазе. Если вы замените конденсатор обычным резистором того же сопротивления, то оба сигнала совпадут по фазе. Напряжение и ток в случае активного сопротивления совпадают по фазе. Для проведения эксперимента на макетной плате мне приходится включать осциллограф, да еще придумать, как на одноканальном осциллографе увидеть сдвиг фаз. Это не так наглядно, как на двухканальном. Когда мы будем разговаривать о схемах, сигналах, обратной связи, я постараюсь не забыть и расскажу, как это сделать. Или приведу схему, которую сам некогда собрал, чтобы превратить одноканальный осциллограф в двухканальный.

Еще одним представителем реактивного сопротивления является индуктивность. Хотя индуктивностью, впрочем как и емкостью, обладают многие элементы схем, обычно индуктивность – это катушка с проводом. Если такая катушка имеет сердечник из специального материала, например, феррита, то ее индуктивность больше. Как и конденсатор, индуктивность обладает сопротивлением переменному току, но в отличие от конденсатора это сопротивление растет с ростом частоты, то есть, индуктивное сопротивление прямо пропорционально частоте и индуктивности. Раньше для получения индуктивности на цилиндрический каркас наматывали провод, сегодня появились новые технологии изготовления индуктивностей, в основном из-за того, что частоты устройств стали очень высокими. Технология намотки провода на каркас сохранилась там, где индуктивность применяется на низких частотах, да при изготовлении трансформаторов. Трансформатор – устройство, использующее тот факт, что две катушки на одном каркасе оказываются связаны индуктивно, и если на одну, их называют обмотками, если на одну обмотку трансформатора подать переменный ток, то вторая обмотка ведет себя как источник переменного тока. Если количество витков обоих обмоток трансформатора одинаково, то и напряжение на второй обмотке будет равно напряжению на первой. Если количество витков второй обмотки меньше, чем первой, то напряжение на ней будет меньше. Таким образом, мы получаем понижающий трансформатор.

В сегодняшних бытовых устройствах все чаще используют импульсные блоки питания. Они много легче старых трансформаторных, отчего меньше весит телевизор или DVD-проигрыватель, но и они, как правило, имеют в своем составе трансформатор. Суть перемен в схемотехнике блоков питания в преобразовании частоты питающей сети, 50 Гц в нашей стране, в более высокую частоту. Поскольку индуктивное сопротивление зависит от частоты, трансформатор, работающий на более высокой частоте, имеет меньшие габариты и вес, чем пятидесятигерцовый. Так используется зависимость индуктивного сопротивления от частоты. Но не только так.

И конденсатор, и индуктивность реагируют на изменение частоты. Изменяется их сопротивление переменному току. Но у конденсатора сопротивление уменьшается с ростом частоты, а у индуктивности сопротивление увеличивается. А что, если включить их вместе, конденсатор и индуктивность? Вместе их можно включить либо последовательно, либо параллельно. В любом случае возникает некая особая ситуация, когда на какой-то частоте их сопротивления переменному току будут равны. Проведем такой эксперимент:

Рис. 1.13. Параллельное включение конденсатора и индуктивности

Поскольку меня в данный момент интересует сопротивление параллельно включенных конденсатора и индуктивности, на схеме они включены (параллельно друг другу) последовательно с резистором 10 кОм. Их сопротивление я отслеживаю по падению напряжения на них с помощью вольтметра. Источник переменного тока (или, точнее, напряжения) V1 позволяет мне менять частоту, которая в данный момент равна 100 Гц. Напряжение источника 10 В. При емкости конденсатора 1 мкФ и индуктивности катушки 100 мГн (генри – единица индуктивности) напряжение на паре конденсатор-индуктивность, как видно из графика, порядка 0.1 В.

Изменив частоту источника переменного напряжения, кстати, синусоидального, до 1000 Гц, я получу новый график:

Рис. 1.14. График напряжения на контуре при частоте 1000 Гц

А повторив эту операцию для частоты 500 Гц, получу такой вид графика:

Рис. 1.15. График напряжения на частое 500 Гц

Как видно из рисунка, напряжение на частоте 500 Гц возрастает до 4 В, а это означает, что сопротивление на частоте 500 Гц резко увеличивается. Именно эту особенность – реакцию на определенную частоту – я и хотел отметить. Свойство выделять определенную частоту переменного тока у пары конденсатор-индуктивность называют резонансом. Для каждого значения конденсатора и индуктивности есть своя резонансная частота. Ее значение равно единице, деленной на корень квадратный из произведения этих значений, умноженный на коэффициент 2π. Я не буду приводить расчетную формулу, которую легко получить из исходной предпосылки равенства емкостного и индуктивного сопротивлений, но отмечу, что это свойство достаточно широко применяется для выделения определенной частоты из множества других, особенно в радиотехнических схемах.

Я использовал параллельное включение конденсатора и индуктивности (иногда я сам оговариваюсь, называя индуктивность катушкой индуктивности), в этом случае говорят о параллельном резонансе, но можно включить их последовательно, получив последовательный резонанс. Выше я говорил о том, что напряжение на конденсаторе и ток через него не совпадают по фазе. Посмотрите, что происходит с напряжением и током резонансного контура (так называют пару конденсатор-индуктивность), используя схему аналогичную той, что я приводил для конденсатора. Очень интересный эксперимент.




Емкость и конденсаторы


ЕМКОСТЬ И КОНДЕНСАТОРЫ

Паразитные эффекты в конденсаторах

Часто перед разработчиком электронной схемы встает вопрос выбора правильных типов конденсаторов. Для частных приложений ответ на него не представляет особых трудностей. В общем, можно обнаружить, что большинство конденсаторов примененяются в четырех категориях:

- развязка по переменному току,

- фильтрация цепей постоянного тока,

- активные или пассивные RC-фильтры и частотно-избирательные цепи,

- аналоговые интеграторы и цепи выборки-хранения.


Несмотря на то, что существует более дюжины популярных типов конденсаторов (пленочных, керамических, электролитических и т.д.), только один или два типа из них наилучшим образом подойдут для какого-то конкретного применения. В основном, это связано с явно выраженным несовершенством или паразитными эффектами, влияющими на характеристики устройства в целом.

В противоположность идеальному реальный конденсатор описывается паразитными компонентами, определяющими его поведение помимо главного параметра - его емкости, - резистивными и индуктивными элементами, нелинейностью и диэлектрической памятью. Результирующие характеристики, определяющиеся ими, как правило, специфицируются производителями. Понимание влияния паразитных компонентов поможет сделать правильный выбор типа конденсатора для каждого конкретного приложения.

Различают четыре паразитных элемента, влияющих на характеристики конденсаторов: утечка или параллельное сопротивление, эквивалентное последовательное сопротивление (equivalent series resistance, ESR), эквивалентная последовательная индуктивность (equivalent series inductance, ESL) и диэлектрическая абсорбция (память).


В идеальном конденсаторе заряд Q изменяется только в ответ на протекание внешнего тока. В реальном же, сопротивление утечки разряжает конденсатор со скоростью, определяющейся постоянной времени RPС.

Утечка конденсатора RP или RL - важный параметр при использовании конденсаторов в качестве элементов развязки по переменному току, в схемах выборки-хранения и в схемах интеграторов, т.е. в высокоимпедансных схемах.

Электролитические конденсаторы (танталовые и алюминиевые), известные своей большой емкостью, обладают очень большим током утечки (обычно около 5...20 нА/мкФ) из-за плохого сопротивления изоляции и не подходят для схем хранения и развязки.

Наилучшим выбором для развязки цепей по переменному току и схем хранения заряда являются тефлоновые (фторопластовые, политетрафлуорэтиле-новые) и другие "поли"-типы (полипропиленовые, полистироловые и т.п.).


Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) RS - суммарное сопротивление выводов конденсатора и его обкладок, включенное последовательно с основной емкостью. Это сопротивление приводит к рассеиванию мощности (и, следовательно, к потерям) при протекании большого переменного тока, что может иметь серьезные последствия на высоких частотах и при протекании больших импульсных токов.

Этот паразитный компонент реального конденсатора, однако, не вносит существенных ограничений в работу прецизионных высокоимпедансных и малосигнальных аналоговых схем.

Конденсаторы пленочного типа и со слюдяным диэлектриком обладают наименьшими значениями эквивалентного последовательного сопротивления.


Эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) LS - индуктивность выводов конденсатора и его обкладок, включенная последовательно с основной емкостью. Как и ESR, ESL может создать серьезные проблемы на высоких частотах, и даже в том случае, когда прецизионная схема работает на постоянном токе или на низкой частоте. Причина кроется в том, что транзисторы, используемые в прецизионных аналоговых схемах, могут быть высокочастотными и могут усиливать резонансные явления, связанные с низкими значениями паразитной индуктивности.

Более подходящим типом для высокочастотных развязок могут служить монолитные керамические конденсаторы, обладающие малой эквивалентной последовательной индуктивностью. Они представляют собой многослойную структуру металлических пленок и керамичекого диэлектрика. Пленки, представляющие собой обкладки, параллельно соединяются соответствующим образом, что более предпочтительно, чем последовательное соединение.

Электролитические, бумажные и подобные им конденсаторы являются плохим выбором для цепей развязки на высоких частотах. По существу, они представляют собой две скрученные ленты металлической фольги, разделенные диэлектриком. Данный тип конструкции обладает значительной собственной индуктивностью и ведет себя в большей степени как индуктивность, нежели как конденсатор на частотах, превышающих несколько мегагерц.

Небольшим недостатком монолитных керамических конденсаторов является микрофонный эффект (т.е. чувствительность к вибрациям). При этом может возникнуть собственный резонанс из-за высокой добротности Q, являющейся следствием малого последовательного сопротивления и малой последовательной индуктивности.


Поскольку сопротивление утечки, эквивалентное последовательное сопротивление и эквивалентную последовательную индуктивность почти всегда трудно специфицировать раздельно, многие производители объединяют эти параметры в один, известный как тангенс угла диэлектрических потерь (dissipation factor, DF), который, по существу, описывает неэффективность конденсатора. Этот параметр определяется отношением рассеянной энергии к запасенной в течение одного цикла. На практике, он равен коэффициенту мощности для диэлектрика. Если рассеяние на высоких частотах в основном определяется последовательным сопротивле-нием, отношение ESR к общему рективному сопротивлению дает достаточно точный результат.

Тангенс угла диэлектрических потерь оказывается эквивалентным также обратной величине добротности конденсатора Q, которая иногда специфицируется производителями.


Монолитные керамические конденсаторы являются прекрасными компонентами высокочастотных развязок, но они обладают значительным коэффициентом диэлектрической абсорбции (dielectric absorption, RDA, CDA), которая ограничивает их применение в качестве элементов фиксации в усилителях выборки-хранения (SHA). Эффект диэлектрической абсорбции ведет себя подобно гистерезису внутреннего заряда, что проявляется при быстром разряде конденсатора и затем, при отсоединенном выводе, восстановлении части заряда. Поскольку количество восстановленного заряда является функцией начального заряда, то этот процесс, на самом деле, является зарядовой памятью и может приводить к ошибкам в тех случаях, когда такой конденсатор используется в схемах выборки-хранения.

Для таких применений рекомендуется использовать фторопластовые, полипропиленовые и полистироловые конденсаторы, коэффициент диэлектрической абсорбции которых очень мал (обычно

Общие сравнительные характеристики конденсаторов приведены в статье "Сравнительная таблица различных типов конденсаторов".


Следующее замечание касается, общих чертах, высокочастотных развязок.

Наилучшим способом обеспечения адекватной развязки как на высоких, так и на низких частотах является совместное параллельное включение электролитического (лучше танталового) и монолитного керамического конденсаторов.

Такая комбинация обладает большой емкостью во всем частотном диапазоне. Совсем необязательно размещать танталовый конденсатор у каждой микросхемы, за исключением критичных случаев. Достаточно иметь один танталовый конденсатор на несколько микросхем, если они расположены недалеко друг от друга.

Для корректной высокочастотной развязки необходимо правильное размещение конденсатора. Даже короткие проводники имеют значительную индуктивность, поэтому конденсатор должен располагаться в непосредственной близости к микросхемой, а сам проводник, соединяющий выводы конденсатора и микросхемы, должен быть коротким и относительно широким. В идеальном случае, конденсатор высокочастотной развязки должен быть с планарными выводами, но возможно использование и обычных конденсаторов с длиной выводов не более 1,5 мм.


Паразитная емкость

Как и конденсатор с двумя параллельными обкладками, паразитная емкость создается там, где два проводника проходят близко друг от друга (особенно, если они параллельны) и не закорочены или экранированы проводником, выполняющим роль экрана Фарадея.


Паразитная емкость, как правило, возникает между параллельными проводниками печатной платы или между проводниками/полигонами, расположенными на разных слоях платы. Появление и эффекты паразитной емкости (особенно, на высоких частотах), к сожалению, часто игнорируются в процессе моделирования и могут приводить к серьезным проблемам в уже готовом изделии. К таким эффектам относятся повышенный шум или помехи, сужение частотной характеристики, и, даже, нестабильность.

Например, если в формулу расчета емкости подставить параметры печатной платы (ER = 4.7, d = 1.5 мм), то удельная емкость между двумя проводниками, расположенными на разных сторонах платы, составит около 3 пФ/см2. На частоте 250 МГц емкость в 3 пФ даст реакивное сопротивление 212,2 Ом!

Полностью устранить паразитную емкость невозможно. Все, что можно сделать, - это минимизировать ее воздействие на работу схемы. Если нет возможностей влиять на источник помех VN или на местоположение нагрузки Z1, или такая возможность мала, то экран Фарадея позволит уменьшить наводимый шум. Экран представляет собой заземленный проводник, расположенный между источником помехи и схемой. На эквивалентной схеме показано, как источник высокочастотных помех VN взаимодействует на импеданс схемы Z1 через паразитную емкость C.

Как показано ниже, экран Фарадея преграждает путь линиям электрического поля. При этом возвратный ток помехи возвращается к своему источнику минуя Z1.


Другой пример емкостной связи проявляется в керамических корпусах интегральных схем, на верхней стороне которых располагается небольшая прямоугольная металлическая (коваровая) пластинка, соединяющаяся с метализированным ободком. Производители часто соединяют этот ободок с одним из угловых выводов корпуса или оставляют неподсоединенным. В большинстве логических схем этот угловой вывод является общим выводом питания и заземляется. В аналоговых же микросхемах ободок остается неподсоединенным, и такие схемы более восприимчивы к внешним наводкам, чем их аналоги в пластмассовых корпусах.

Какой бы ни был уровень внешнего шума, хорошим делом является заземлять металлическую пластинку корпуса, если таковое не было сделано производителем. Это может быть сделано подпайкой провода к самой пластинке или к металлизированному ободку. Сама микросхема от этого действия не пострадает, поскольку кристалл термически и электрически изолирован от них. Если подпайка проводника к корпусу недопустима, то можно использовать либо механический контакт с землей через скобу, либо контакт через токопроводящий клей или краску к общему выводу микросхемы. Однако, не следует заземлять металлическую пластинку, не убедившись, что она не подсоединена к выводу напряжения питания.


Существует один случай, когда применение экрана Фарадея бесполезно. Значение паразитной емкости между двумя выводами корпуса микросхемы обычно составляет 0,2 пФ (диапазон от 0,05 до 0,6 пФ). Однако, эта емкость образуется внутри корпуса и внешнее экранирование не даст предполагаемого результата.


Рассмотрим многоразрядный преобразователь (АЦП или ЦАП), подключенный к высокоскоростной шине данных. Каждая линия шины данных, переключающаяся со скоростью 2...5 В/нс, может воздействовать на аналоговый порт через паразитную емкость, следствием чего могут ухудшиться качественные характеристики преобразователя.

Эта проблема может быть устранена изолированием шины данных через тактируемый буфер. Поскольку это решение предполагает использование дополнительного компонента, то потребуется дополнительное место для его размещения на печатной плате, дополнительная мощность источника питания и увеличение стоимости устройства. Несмотря на это, отношение сигнал-шум преобразователя (один из важнейших параметров) может повыситься.


Особенности конденсаторов

Добавлено 11 декабря 2019 в 01:48

Сохранить или поделиться

Как и в случае индуктивностей, идеальный конденсатор представляет собой чисто реактивное устройство, которое обладает абсолютно нулевым резистивным (рассеивающим мощность) эффектом. В реальном мире, конечно, ничто неидеально. Однако конденсаторы обычно представляют собой более чистые реактивные компоненты, чем катушки индуктивности. Гораздо проще спроектировать и изготовить конденсатор с низким внутренним последовательным сопротивлением, чем сделать то же самое с катушкой индуктивности. Практический результат этого состоит в том, что реальные конденсаторы обычно имеют фазовые углы импеданса, более близко приближающиеся к 90° (на самом деле, -90°), чем катушки индуктивности. Следовательно, они будут иметь тенденцию рассеивать меньше энергии, чем эквивалентная катушка индуктивности.

Конденсаторы также имеют тенденцию быть меньше и легче, чем их эквивалентные аналоги катушек индуктивности, и, поскольку их электрические поля почти полностью заключены между их пластинами (в отличие от катушек индуктивности, чьи магнитные поля, естественно, имеют тенденцию простираться за пределы размеров сердечника), они менее склонны для передачи или приема электромагнитного «шума» в/из других компонентов. По этим причинам разработчики схем склонны отдавать предпочтение конденсаторам по сравнению с катушками индуктивности там, где конструкция допускает любую альтернативу.

Про конденсаторы со значительным резистивным эффектом говорят, что они с потерями, из-за их тенденции рассеивать («терять») мощность, как резистор. Источником потерь на конденсаторе обычно является диэлектрический материал, а не какое-либо сопротивление провода, поскольку длина проводов в конденсаторе очень мала.

Диэлектрические материалы имеют тенденцию реагировать на изменение электрических полей, выделяя тепло. Этот эффект нагрева представляет собой потерю мощности и эквивалентен сопротивлению в цепи. Этот эффект более выражен на более высоких частотах и на самом деле может быть настолько сильным, что его иногда используют в производственных процессах для нагрева таких материалов, как пластик! Подогреваемый пластиковый объект помещается между двумя металлическими пластинами, соединенными с источником высокочастотного переменного напряжения. Температура контролируется изменением напряжения или частоты источника, а пластины никогда не должны касаться нагреваемого объекта.

Этот эффект нежелателен для конденсаторов, где мы ожидаем, что компонент будет вести себя как чисто реактивный элемент цепи. Одним из способов смягчения эффекта диэлектрических «потерь» является выбор диэлектрического материала, менее восприимчивого к воздействию. Не все диэлектрические материалы имеют одинаковые «потери». Относительная шкала диэлектрических потерь от наименьшего к наибольшему приведена в таблице ниже.

Диэлектрические потери
МатериалПотери
Вакуумнизкие
Воздух
Полистирол
Слюда
Стекло
Керамика с низкой диэлектрической проницаемостью
Пластиковая пленка (майлар)
Бумага
Керамика с высокой диэлектрической проницаемостью
Оксид алюминия
Пентоксид танталавысокие

Диэлектрическое сопротивление проявляется как в виде последовательного, так и параллельного сопротивления, добавленного к чистой емкости:

Рисунок 1 – Реальный конденсатор имеет как последовательное, так и параллельное сопротивление

К счастью, эти паразитные сопротивления обычно оказывают умеренное влияние (низкое последовательное сопротивление и высокое параллельное сопротивление), гораздо менее значимое, чем оказывают паразитные сопротивления, присутствующие в типовой катушке индуктивности.

Оригинал статьи:

Теги

ESR (эквивалентное последовательное сопротивление)Керамический конденсаторКонденсаторТипы конденсаторовЭквивалентная схемаЭлектролитический конденсаторЭлектронные компоненты

Сохранить или поделиться

Конденсатор | Страница 3 из 6 | Electronov.net

Тангенс угла диэлектрических потерь:

Так как реальные среды анизотропные и неоднородные, диэлектрическая проницаемость будет иметь комплексный вид:

Тангенс угла диэлектрических потерь выражается отношением мнимой и вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости:

где:

γ – проводимость среды;

ω – частота колебаний;

εа – абсолютная диэлектрическая проницаемость.

Очевидно, что у идеального диэлектрика проводимость γ→0, следовательно, тангенс угла потерь показывает степень отличия реального диэлектрика от идеального.

Электрическое сопротивление изоляции диэлектрика конденсатора Rd, ток утечки и саморазряд:

Сопротивление изоляции — это сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением , где: U — напряжение, приложенное к конденсатору, Ileak. — ток утечки.

Из-за тока утечки, протекающего через слой диэлектрика между обкладками и по поверхности диэлектрика, предварительно заряженный конденсатор с течением времени теряет заряд (саморазряд конденсатора). Часто, в спецификациях на конденсаторы, сопротивление утечки определяют через постоянную времени τ саморазряда конденсатора, которая численно равна произведению емкости на сопротивление утечки:

τ — это время, за которое начальное напряжение на конденсаторе, неподключенном к внешней цепи уменьшится в e раз.

Хорошие конденсаторы с полимерными и керамическими диэлектриками имеют постоянные времени саморазряда достигающие многих сотен тысяч часов.

Диэлектрическая абсорбция:

Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путем подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то можно увидеть, что напряжение на обкладках снова появится, как если бы конденсатор разрядили не до нуля. Это явление получило название диэлектрическая абсорбция (диэлектрическое поглощение). Конденсатор ведет себя так, словно параллельно ему подключено множество последовательных RC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность проявления этого эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора.

Подобный эффект можно наблюдать практически на всех типах диэлектриков. В электролитических конденсаторах он особенно ярок и является следствием химических реакций между электролитом и обкладками. У конденсаторов с твердым диэлектриком (например, керамических и слюдяных) эффект связан с остаточной поляризацией диэлектрика. Наименьшим диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с неполярными диэлектриками: тефлон (фторопласт), полистирол, полипропилен и т. п.

Эффект зависит от времени зарядки конденсатора, времени закорочения, иногда от температуры. Количественное значение абсорбции принято характеризовать коэффициентом абсорбции, который определяется в стандартных условиях.

Паразитный пьезоэффект:

Многие керамические материалы, используемые в качестве диэлектрика в конденсаторах (например, титанат бария, обладающий очень высокой диэлектрической проницаемостью в не слишком сильных электрических полях) проявляют пьезоэффект — способность генерировать напряжение на обкладках при механических деформациях. Это характерно для конденсаторов с пьезоэлектрическими диэлектриками. Пьезоэффект ведет к возникновению электрических помех, в устройствах, где использованы такие конденсаторы при воздействии акустического шума или вибрации на конденсатор. Это нежелательное явление иногда называют («микрофонным эффектом»).

Также, подобные диэлектрики проявляют и обратный пьезоэффект — при работе в цепи переменного напряжения происходит знакопеременная деформация диэлектрика, генерирующая акустические колебания, порождающие дополнительные электрические потери в конденсаторе.

Самовосстановление:

Конденсаторы с металлизированным электродом (бумажный и пленочный диэлектрик) обладают важным свойством самовосстановления (англ. self-healing, cleaning) электрической прочности после пробоя диэлектрика. Механизм самовосстановления заключается в отгорании металлизации электрода после локального пробоя диэлектрика посредством микродугового электрического разряда.

Частотные характеристики пассивных компонентов

Подробности
Автор: EngineerDeveloper®

       Для корректной работы проектируемого устройства необходим внимательный подбор пассивных компонентов. Необходимо подробно рассмотреть характеристики пассивной элементной базы будущего устройства и предварительной компоновки корпусов на плате.

         Зачастую разработчики не придают особого значения рабочей частотной области пассивных компонентов при подборе элементной базы для будущего устройства. Это приводит к непредсказуемым результатам.   Хочу отметить, что этот касается не только высокочастотных аналоговых устройств, так как ВЧ-сигналы оказывают сильное воздействие на пассивные НЧ-компоненты по средствам гальванической связи или излучая. К примеру, простой активный НЧ-фильтр на ОУ может работать как ВЧ-фильтр при воздействии на его вход высокой частотой.

 

Резисторы

         Резистор на высоких частотах обладает собственной индуктивностью, ёмкостью и сопротивлением. См. рис. 5.

         Резисторы можно разделить на три основных типа: проволочные, углеродные композитные и пленочные. Проволочный резистор по своей структуре представляет собой катушку из высокоомного металла, откуда и появляется его собственная индуктивность. Аналогичная структура у пленочных конденсаторов, поэтому пленочные конденсаторы так же обладают индуктивностью. Индуктивные свойства пленочных резисторов проявляются в меньшей мере, чем у проволочных. Пленочные резисторы  номиналом до 2 кОм можно смело использовать в ВЧ схемах.

         Так как выводы резисторов параллельны друг другу, следовательно, между ними присутствует существенная  ёмкостная связь. Чем больше номинал резистора, тем меньше межвыводная ёмкость.

 

Конденсаторы

         Эквивалентная схема конденсатора в области высоких частот приведена на рис. 6.

Конденсаторы в схемотехники применяются как развязывающие и фильтрующие элементы. Для расчета реактивного сопротивления конденсатора обратимся к следующей формуле:

         Отталкиваясь от вышеуказанной формулы, рассчитаем реактивное сопротивление конденсатора ёмкостью 10 мкФ на частотах 10кГц и 100 МГц. Расчётные величины получились следующие 1,6 Ом  на 10кГц и 160 мкОм на 100 МГц. А теперь проверим так ли на самом деле.

         На практике никто не видел электролитического конденсатора с реактивным сопротивлением 160 мкОм. Обкладки пленочных и электролитических конденсаторов представляют собой слои фольги, которые и создают паразитную индуктивностью. В то время как у керамических конденсаторов эффект собственной индуктивности гораздо меньше, поэтому их часто применяют в высокочастотных схемах. Кроме упомянутой собственной индуктивности, конденсаторы так же обладают определенным паразитным током утечки. Природа возникновения тока утечки эквивалентна тому случаю, если параллельно конденсатору подключить резистор. Величина тока утечки не большая так как электролит не является хорошим проводником.

         Все упомянутые сопротивления складываются и создают эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Исходя из вышесказанного отметим, что конденсаторы, применяемые в развязывающих цепях, должны обладать малым ESR. Это объясняется тем, что последовательное сопротивление ограничивает эффективность подавления пульсаций и помех. Повышение рабочей температуры устройства  так же значительно влияет на изменение ESR, увеличивается.  Поэтому, при использовании алюминиевого электролитического конденсатора при повышенных рабочих температурах, необходимо использовать конденсаторы соответствующего типа.

          Выводы конденсаторов так же вносят паразитную индуктивность. Если применены конденсаторы малой ёмкости, тогда необходимо выводы делать короткими. Паразитная индуктивность может послужить образованием резонансных паразитных контуров на плате. Учитывая, что паразитная индуктивность выводов составляет порядка 8 нГн на один сантиметр длины, конденсатор ёмкостью  0,01 мкФ с выводами длиной по одному сантиметру будет иметь паразитный резонанс  на частоте около 12,5 МГц.

         При использовании электролитических конденсаторов следует внимательно располагать, подключать конденсатор на плате. Положительная обкладка должна быть подключена к плюсу, линии подключающие конденсатор должны быть максимально короткими. При некорректном подключении конденсатора токи начинают протекать через электролит с скорым выходом из строя самого конденсатора.

         Существуют так же устройства, в которых разность потенциалов по постоянному току между двумя точками может менять свой знак. В подобных случаях применяют неполярные электролитические конденсаторы.

 

Индуктивности

         Эквивалентная схема индуктивности в области высоких частот приведена на рис. 7.

Реактивное сопротивление индуктивности описывается по следующей формуле:

         Из формулы видно, что индуктивность номиналом 10 мГн будет обладать реактивным сопротивлением 628 ом на частоте 10 кГц, на частоте 100 МГц расчётная величина составит 6.28 МОм.

         Полученная при расчете величина реактивного сопротивления 6.28 МОм является теоретической, так как на практике индуктивности с таким реактивным сопротивлением не бывает. Паразитное сопротивление возникает, так как катушка – это намотанный провод, который и обладает определенным сопротивлением.  При этом любая индуктивность так же имеет паразитную ёмкость, которая возникает по причине межвитковой емкостной связи. То есть витки располагаются параллельно друг другу, что и даёт емкостную связь. Паразитная ёмкость ограничивает верхнюю рабочую частоту индуктивности. Проволочные индуктивности не больших размеров теряют свою эффективность в диапазоне частот 10…100 МГц.

 

         Печатная плата

         Печатной плате так же присуще все описанные свойства пассивных компонентов, но эти свойства не так ярко выражены.

         Печатные   проводники на печатной плате могут быть как источниками помех, так и приёмниками (антенной). Грамотная трассировка печатной платы сводит к минимуму излучаемые и наводящие помехи. Так как любой проводник на печатной плате можно рассматривать как антенну, обратимся к основам теории антенн.

 

         Основы теории антенн

         Одним из основных типов антенн является «штырь» или в нашем случае – прямой проводник. Полный импеданс прямого проводника имеет резистивную (активную) и индуктивную (реактивную) составляющие:

На постоянном токе и  при низких частотах преобладает активная составляющая. При увеличении частоты реактивная составляющая оказывается более значимой.

         Формула для расчета индуктивности проводника печатной платы выглядит следующим образом:

           В среднем печатный проводники на плате обладают индуктивностью 6…12 нГн на сантиметр длины. К примеру, проводник длиной 10 см имеет сопротивление 57 МОм и индуктивность 8 нГн на сантиметр. На частоте 10 кГц реактивное сопротивление становится равным 50 МОм, а на более высоких частотах проводник необходимо рассматривать как индуктивность, нежели проводник с активным сопротивлением.

Штыревая антенна начинает функционировать при соотношении длины волны к длине антенны 1/20. Поэтому 10-ти сантиметровый проводник послужит хорошей антенной на частоте  свыше 150 МГц. Возвращаясь к печатным платам отмечу, что к примеру генератор тактового сигнала может и не иметь частоты равной 150 МГц, а вот высшие гармоники от тактового генератора могут стать источником высоких частот.

         Другим одним из основных типов антенн является петлевая антенна. Индуктивность прямого проводника существенно увеличивается при изгибах. Увеличенное значение индуктивности проводника снижает частоту, на которой чувствительность «антенны» максимальна.

         Опытные разработчики печатных плат, имеющие представления об эффекте  петлевых антенн, отмечают, что нельзя строить топологию таким образом, чтобы образовывалась петля для критических сигналов. В противном случае образовываются петли из проводников прямого и обратного хода токов. См. рис.8.  На рисунке так же отражен эффект щелевой антенны.

Рассмотри подробнее три варианта рисунка 8.

 

         Вариант А: Самый неудачный из представленных. В нем не используются полигоны земли, Петлевой контур образуется земляным и сигнальным проводниками. Следует помнить, что при соотношении длины волны к проводнику 1/20 петлевая антенна достаточно эффективна.

 

         Вариант Б: По сравнению с вариантом А это вариант лучше. Но здесь виден разрыв в земляном полигоне. Пути прямого и возвратных токов образуют щелевую антенну.

 

         Вариант В: Этот вариант самый наилучший. Пути сигнальных и обратных токов совпадают, тем самым эффективность петлевой антенны ничтожно мала. Стоит отметить, что в этом варианте так же присутствуют вырезы вокруг микросхем, но они отделены от пути возвратного тока.

 

         Теория отражений и согласований проводников идентична той, что рассмотрена в теории антенн.

         При повороте печатного проводника на угол в 90° может возникнуть отражение сигнала. Это происходит из-за изменения ширины проводника. В углу проводника ширина трассы увеличивается  в 1,414 раза, что приводит к рассогласованности линии связи, распределенной ёмкости и индуктивности трассы. Современный системы автоматического проектирования предлагают  различные виды сглаживания углов см. рис. 9.

Самым наилучшим из представленных вариантов поворота является третий вариант, так как ширина его проводника неизменна.

Что на самом деле вызывает последовательную индуктивность конденсаторов?

отказ от ответственности: , хотя я ценю, что OP принял мой ответ, вместо (в настоящее время) ответа Питера Смита, получившего наибольшее количество голосов, не забудьте также прочитать его, поскольку он очень ясен и полезен. кликните сюда!


Керамические колпачки и электролитические колпачки имеют очень разные характеристики и используются для самых разных целей.

Керамические колпачки имеют очень низкий ESL, обычно несколько сотых pH для достаточно маленькой современной упаковки.Электролитический колпачок ESL намного больше.

Точно так же емкость керамического колпачка намного ниже, чем у электролитического колпачка.

Эти два факта вместе приводят к очень большой разнице в резонансной частоте конденсатора. Электролитический колпачок резонирует на частоте нескольких 100 Гц, тогда как хорошая керамика резонирует на частоте нескольких МГц.

Электролитические колпачки обычно используются, когда вы имеете дело с низкими частотами, например, при сглаживании источника питания или звуковых приложениях.

Керамика используется там, где невозможно снизить частотную характеристику, например, для высокочастотных фильтров или для фильтрации питания цифрового высокочастотного устройства, такого как микроконтроллер.

Как вы говорите, цепь состоит из проводов, обычно длиннее, чем выводы колпачка. Это правда, и именно поэтому керамический колпачок обычно размещают на расстоянии нескольких мм от точки, в которой он должен фильтровать / подавать. Несколько миллиметров на печатной плате, в зависимости от ширины дорожки, легко составляют несколько 100 pH индуктивности, так что вы удваиваете то, что обеспечивает крышка.

На высоких частотах конденсатор действует не как сопротивление, а как индуктор, и его импеданс растет с частотой.

Насчет того, откуда берется индуктивность, я не уверен, можно ли получить интуитивно удовлетворительный ответ.Вы говорите, что ток не проходит через фольги, но это неправда. Они имеют одинаковый потенциал, и ток не проходит по ним только на постоянном токе. Что происходит на 1 МГц? А 1 ГГц? Некоторый ток наверняка течет и через фольгу.

Керамика намного лучше, они построены как двойной гребешок:

ссылка на источник

Таким образом, «самый длинный путь» намного короче, поэтому паразитная индуктивность намного ниже. Если вы посмотрите на ESL для керамики, вы обнаружите, что эта цифра зависит почти только от размера упаковки: чем меньше размер упаковки, тем ниже ESL.

pcb - Как лучше всего разместить этот конденсатор со сверхнизкой индуктивностью с чередующимися контактами?

10 мкФ звучит как ужасная партия для согласующего конденсатора, но в любом случае (если это не для земли RF). Теперь от того, какой тип конденсатора использовать, как и во всем, это зависит ...

Чтобы даже использовать сверхнизкую (сотни пикогенри) индуктивность на таких типах матричных конденсаторов, две шины питания (VCC + GND и т. Д.), К которым подключен конденсатор, действительно должны быть расположены точно друг над другом и как можно ближе (подумайте, что расстояние между плоскостями 100 мкм) на слоях непосредственно рядом с конденсатором (то есть в большинстве внешних слоев).

Это не конденсаторы прецизионного согласования, это конденсаторы развязки шины питания для микросхем с граничными частотами (не тактовой частотой), которые имеют частотные составляющие от десятков до сотен ГГц, подумайте о ЦП, графических процессорах и ПЛИС

Есть несколько важных различий между конденсаторами, разработанными для развязки ВЧ-цепей , и конденсаторами, предназначенными для согласования ВЧ-цепей . В некоторых случаях вы можете обойтись без использования разделительных конденсаторов в согласующей цепи, но это во многом зависит от частоты, на которой вы работаете, сколько места у вас есть для конденсатора, на каких уровнях мощности вы работаете. и сколько потерь вы можете избежать (очень важно).

  • Пленка может быть хороша для среднего напряжения / высокой мощности, но только на низкой МГц, иначе она начнет вариться из-за диэлектрических потерь (поместите разделочную доску HDPE в микроволновую печь, вы увидите ...)

  • Слюда (особенно посеребренная слюда) очень точная, очень стабильная, хорошо работает для ВЧ, но будет совершенно огромной для 10 мкФ (почти уверен, что «500» означает 500 пФ).

  • Керамика может быть очень хороша для ВЧ, но только , если вы выберете правильный диэлектрик, диэлектрики C0G / NP0 очень хороши для изготовления ВЧ-конденсаторов с малыми потерями, но имеют низкую плотность емкости, в то время как X5R / X7R имеют высокую емкость, но с большими потерями на более высоких частотах

  • Тантал... не надо, просто ... не надо. Тантал имеет много общего с электролитическим (они вроде на самом деле ), и вы бы не стали использовать электролитический конденсатор в согласующей схеме RF, не так ли? Кроме того, если их перегреть они, ну ... взорвутся

Что-то очень важное, о чем я до сих пор не говорил, - это вопрос потерь. Все конденсаторы, не являющиеся сверхпроводящими вакуумными конденсаторами, имеют потери. Теперь потери конденсатора (если они есть) часто выражаются безразмерной величиной \ $ tan \ delta \ $, иногда просто отображаемой как \ $ \ delta \ $.При использовании в смысле конденсатора это представляет собой соотношение между количеством мощности переменного тока, протекающей через конденсатор, и количеством энергии, которое теряется в виде тепла внутри конденсатора. Итак, если мой новый блестящий радиопередатчик выдает 100 Вт, а конденсатор блока постоянного тока моей антенны имеет \ $ tan \ delta \ $ 0,01, то в моем конденсаторе генерируется один ватт тепла.

Теперь такие вещи, как посеребренная слюда, тефлон и C0G / NP0 (и, очевидно, вакуум) имеют очень большие потери и могут справиться с большой мощностью РЧ, прежде чем они сдадутся и решат, что хотят стать световыми шарами.Некоторые пленочные конденсаторы имеют разумный \ $ tan \ delta \ $, поэтому почти все эти наборы катушек Тесла и индукционных нагревателей в Интернете используют их для основных резонансных емкостных конденсаторов, они не так хороши, как слюда или NP0, но вы можете получить их в размерах мкФ (что почти невозможно для других).

Теперь вы должны помнить, что эти другие керамические диэлектрики (это ваши X7R, ваши Y5V, ваши JB и т. Д.), Эти материалы имеют феноменально высокие диэлектрические постоянные, что означает огромную емкость в крошечном корпусе. диэлектрическая проницаемость приводит к большим диэлектрическим потерям (простите, я не удержался).Они не так плохи, как тантал или электролитики, но они не очень хороши, когда дело доходит до обработки большого количества радиочастотной энергии (они сильно пьезоэлектрические и поэтому физически дрожат на частотах пульсаций). Эти конденсаторы предназначены для шин питания постоянного тока, поэтому, хотя они имеют очень низкую индуктивность, они также могут стать довольно жаркими, если вы попытаетесь пропустить через них более нескольких десятков ватт ВЧ, если вы не используете одного из этих нечестивых зверей. ..

Есть некоторые керамические конденсаторы, разработанные специально для ВЧ и миллиметровых волн, они имеют различную внутреннюю геометрию для абсолютного минимума паразитная индуктивность серии (микрополоски имеют большую индуктивность, но она компенсируется), так что когда вы помещаете один в середину микрополосковой, разработчикам векторного анализатора цепей будет сложно определить разницу (например, эти сверхширокополосные конденсаторы 16 кГц - 40 ГГц от American Technical Ceramics)

Инстинктивно мне кажется, что если вам нужен конденсатор согласования по ВЧ 10 мкФ, то, вероятно, что-то не так, или вы делаете что-то настолько специализированное (и дорогое), что вы, вероятно, можете позвонить в Ноулз или ATC и попросить их сделать что-то для вас на заказ. .

Примечание : Если вы разрабатываете что-то, что работает в диапазоне кГц или низкой МГц, вы, вероятно, можете использовать практически все, что не является электролитическим (но тогда зачем беспокоиться о дополнительных наногенри или двух ESL?)

Импеданс

- Частотная зависимость электролитических конденсаторов

Этот эффект связан с влиянием паразитных характеристик устройства. Конденсатор имеет четыре основных паразитных параметра:

Сопротивление эквивалентной серии

- СОЭ:

Конденсатор - это конденсатор, соединенный последовательно с сопротивлениями его выводов, фольгой в диэлектрике и другими небольшими сопротивлениями.Это означает, что конденсатор не может полностью разрядиться мгновенно, а также что он будет нагреваться при многократной зарядке и разрядке. Это важный параметр при проектировании энергосистем.

Ток утечки:

Диэлектрик не идеален, поэтому вы можете добавить сопротивление параллельно конденсатору. Это важно в системах резервного копирования, и ток утечки электролита может быть намного больше, чем ток, необходимый для поддержания ОЗУ микроконтроллера.

Диэлектрическое поглощение - CDA:

Обычно этот параметр представляет меньший интерес, чем другие параметры, особенно для электролитов, для которых ток утечки подавляет эффект. Для большой керамики можно представить, что параллельно конденсатору идет RC-цепь. Когда конденсатор заряжается в течение длительного периода времени, воображаемый конденсатор получает заряд. Если конденсатор быстро разряжается в течение короткого периода времени, а затем возвращается в разомкнутую цепь, паразитный конденсатор начинает перезаряжать основной конденсатор.

Индуктивность эквивалентной серии

- ESL:

К настоящему времени вы не должны слишком удивляться тому, что, если все имеет емкость, а также ненулевое и небесконечное сопротивление, все также имеет паразитную индуктивность. Являются ли они значительными, зависит от частоты, что подводит нас к теме импеданса.

Мы обозначаем импеданс буквой Z. Импеданс можно рассматривать как сопротивление, только в частотной области. Точно так же, как сопротивление сопротивляется прохождению постоянного тока, импеданс препятствует прохождению переменного тока.Так же, как сопротивление равно V / R, если мы интегрируем во временную область, импеданс равен V (t) / I (t).

Вам придется либо провести расчеты, либо купить следующие утверждения об импедансе компонента с приложенным синусоидальным напряжением с частотой w:

\ $ \ begin {align} Z_ {резистор} & = R \\ Z_ {конденсатор} & = \ frac {1} {j \ omega C} = \ frac {1} {sC} \\ Z_ {индуктор} & = j \ omega L = sL \ end {align} \ $

Да, \ $ j \ $ совпадает с \ $ i \ $ (мнимое число, \ $ \ sqrt {-1} \ $), но в электронике \ $ i \ $ обычно представляет ток, поэтому мы используем \ $ j \ $.Кроме того, \ $ \ omega \ $ традиционно является греческой буквой омега (которая выглядит как w). Буква «s» относится к сложной частоте (не синусоидальной).

Фу, да? Но вы поняли идею - резистор не меняет своего импеданса, когда вы подаете сигнал переменного тока. Конденсатор имеет пониженный импеданс с более высокой частотой, и он почти бесконечен на постоянном токе, чего мы и ожидали. Катушка индуктивности имеет увеличенный импеданс при более высокой частоте - подумайте о ВЧ-дросселе, предназначенном для удаления всплесков.

Мы можем рассчитать импеданс двух последовательно соединенных компонентов, сложив импедансы.Если у нас есть конденсатор последовательно с катушкой индуктивности, мы имеем:

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

Что происходит, когда мы увеличиваем частоту? Давным-давно нашим компонентом был электролитический конденсатор, поэтому мы предположим, что \ $ C \ $ намного больше, чем \ $ L \ $. 2 LC - 1) * j)} {\ omega C} \ end {выровнять *} \ $

Ну, это было весело, правда? Это то, что вы делаете один раз, запоминаете ответ и не переживаете по этому поводу.Что мы знаем из последнего уравнения? Сначала рассмотрим случай, когда \ $ \ omega \ $ мало, \ $ L \ $ мало, а \ $ C \ $ велико. У нас примерно

\ $ \ begin {align *} \ frac {(маленький * маленький * большой - 1) \ times j} {маленький * большой} \ end {выровнять *} \ $

, что является отрицательным числом (при условии, что \ $ small * small * large <1 \ $, что для практических компонентов). Это известно как \ $ Z_C = \ frac {-j} {\ omega C} \ $ - это конденсатор!

Как насчет, во-вторых, вашего случая (высокочастотный электролит), где \ $ \ omega \ $ большой, \ $ L \ $ маленький, а \ $ C \ $ большой.2 LC = 1 \ $? Тогда импеданс равен нулю!?!? Да! Это называется резонансной частотой - это точка внизу кривой, которую вы указали в своем вопросе. Почему это не на самом деле ноль? Из-за СОЭ.

TL, DR: Когда вы сильно увеличиваете частоту, происходят странные вещи. Всегда следуйте таблицам данных производителя по разделению ваших микросхем, и получите хороший учебник или пройдите курс, если вам нужно делать высокоскоростные вещи.

Измерительный конденсатор Самоиндуктивность и ESR

Техническая информация
Паразитные параметры конденсатора, то есть его эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и его индуктивность, влияют на то, как конденсатор работает в цепях.Некоторые приложения очень чувствительны к этим параметрам. Например, байпасный конденсатор, используемый между питанием и землей в цифровой цепи, должен обеспечивать быструю подачу тока на близлежащие активные устройства. Если у него слишком большая индуктивность, он не сможет этого сделать. Точно так же переходная характеристика конденсатора, используемого для отвода импульса тока из-за электростатического разряда, очень важна для способности конденсатора выполнять свою работу.

Так как же можно измерить паразитные параметры конденсатора? Конечно, можно было бы подключить конденсатор к анализатору цепей и получить очень хорошую характеристику.Однако такой инструмент может быть довольно дорогим. Даже менее дорогие приборы для измерения емкости могут оказаться недоступными при необходимости. Оба инструмента могут не предоставлять информацию в удобной для использования форме. Если у вас есть генератор импульсов (желательно с выходным сопротивлением 50 Ом) и осциллограф, вы можете легко измерить переходную характеристику конденсатора. По этим данным можно определить ESR и индуктивность конденсатора.

Сначала постройте простую сеть, показанную на рисунке 1, на конце коаксиального кабеля 50 Ом, питаемого от генератора импульсов 50 Ом.На рис. 1 используется резистор 50 Ом для оконечной нагрузки коаксиального кабеля во время нарастающего фронта и обеспечения полного сопротивления источника 100 Ом. Показанный резистор представляет собой резистор из углеродистой композиции на 51 Ом и 1/2 Вт с одним обрезанным выводом, так что резистор просто вставлен с обрезанным выводом, полностью вставленным в разъем BNC. Возможно, потребуется немного припаять вывод резистора, чтобы он прочно вошел в разъем BNC. Тестируемый конденсатор подключается между концом резистора и корпусом разъема BNC.Осциллограф подключается непосредственно к конденсатору с использованием самых коротких проводов для подключения пробника. Рекомендуются пробники с резистивным входным сопротивлением от 500 до 1000 Ом. Стандартные пробники 10X HiZ часто имеют эффекты нарастающего фронта, которые искажают часть формы сигнала, используемую для расчетов.

Рисунок 1: Испытательная схема для измерения самоиндукции конденсатора и ESR

Для длительности импульса, большой по отношению к постоянной времени RC, будет наблюдаться экспоненциальный рост напряжения холостого хода источника импульсов.Для целей этого обсуждения мы будем рассматривать первые пару сотен милливольт экспоненциального нарастания на 5 вольт. Пример этого показан на рисунке 2.


Рисунок 2: Начальный подъем

На рис. 2 показано начало экспоненциального роста напряжения на конденсаторе при запуске импульса генератора. Вертикальный масштаб примерно
200 мВ. Время горизонтальной развертки составляет небольшую часть постоянной времени RC 100 Ом и измеряемого конденсатора.Поскольку напряжение на конденсаторе все еще очень мало по сравнению с выходным сигналом холостого хода генератора 5 В, ток через конденсатор можно считать постоянным и равным напряжению холостого хода генератора, деленному на 100 Ом, в данном случае 50 мА.

Время нарастания тока будет таким же, как и у напряжения генератора. Если нарастание является линейным с постоянным наклоном и конденсатор не имеет индуктивности, начальное повышение, показанное на рисунке 2, будет следовать пунктирной линии, а затем наклон изменится на начальный наклон экспоненциального подъема, определяемый по формуле:

dv / dt = i / C = 50 мА / C (1)

, где C - емкость конденсатора при этом низком напряжении и время нарастания тока << RC.

Смещение между базовой линией и началом экспоненциального нарастания - это просто напряжение, которое ток, в данном случае 50 мА, развивает на ESR конденсатора. В этом случае ESR можно легко оценить, разделив смещение напряжения (обозначенное ESR на рисунке 2) на 50 мА.

Паразитная индуктивность в конденсаторе вызовет выброс в форме волны, показанной на рисунке 2, превышающей значение пунктирной линии по ее длине. Если бы нарастание тока было на самом деле пилообразным сигналом с постоянным наклоном и очень острыми углами (высоким di2 / dt), то пик был бы прямоугольным импульсом с величиной:

E = L * di / dt (2)

где L - паразитная индуктивность конденсатора.

Как и в случае с большинством генераторов, которые я использовал, нарастание тока от генератора, используемого для данных в этой статье, не было пандусом с очень острыми углами и постоянным наклоном. Эта характеристика генератора в сочетании с зондовыми эффектами привела к форме пика, показанной как пик Ldi / dt на рисунке 2. Индуктивность конденсатора можно рассчитать с помощью уравнения 2. Часто нет необходимости рассчитывать индуктивность или ESR. но просто выберите конденсатор с наименьшей индуктивностью и / или ESR из нескольких доступных.

Припаивание компонентов к разъему BNC, как показано на рисунке 1, работает на частотах до 300 МГц. По моим оценкам, индуктивное реактивное сопротивление контура, образованного конденсатором и резистором, составляет около 20 Ом на частоте 300 МГц (оценка индуктивности составляет 10 нГн). Это достаточно мало по сравнению с сопротивлением в цепи 100 Ом, чтобы существенно не влиять на начальный ток. Для этого частотного диапазона подойдет генератор с временем нарастания от одной до двух наносекунд.

Если вам нужно проверить конденсатор, используя более быстрое время нарастания, было бы лучше построить испытательную установку на небольшой печатной плате с заземляющей пластиной и контролируемым импедансом.На этом этапе также следует учитывать паразитную емкость резистора 50 Ом. К счастью, такая точность часто не нужна. Особенно, если сравнивать относительную производительность нескольких конденсаторов.


Данные

На рис. 3 показан начальный подъем от генератора. Черный квадрат указывает вертикальную шкалу напряжения и горизонтальную шкалу времени. Напряжение холостого хода было немногим более 4 В с временем нарастания примерно 5 наносекунд.Данные на рисунках с 3 по 6 были получены с помощью аналогового телескопа несколько лет назад. На рисунках с 4 по 6 показаны данные, полученные от нескольких выводных конденсаторов (в отличие от поверхностного монтажа). Для каждого конденсатора было снято по две трассы. Нижняя кривая была измерена на корпусе конденсатора, где входили выводы, а верхняя кривая включала минимальное количество выводов для практического подключения конденсатора к печатной монтажной плате. Верхняя кривая не потребуется для современных конденсаторов для поверхностного монтажа, если только не нужно моделировать индуктивность соединения конденсатора с интересующей точкой на печатной плате.

Рисунок 3: Вход от генератора импульсов

Рисунок 4: Конденсатор 4 мкФ

На рис. 4 показаны данные для электролитического конденсатора емкостью 4 мкФ. Смещение ESR составляет около 50 мВ, что дает оценку ESR чуть более 1 Ом. Обратите внимание, что на участке 1 / C наклона, кажется, есть некоторые колебания. Это может быть резонанс зонда осциллографа или резонанс в конденсаторе. Данные были получены с помощью стандартного зонда 10X HiZ, поэтому зонд является подозрительным.Я видел конденсаторы с ярко выраженными колебаниями от внутреннего резонанса. Если вы планируете подключить большой конденсатор параллельно к меньшему, особенно если они построены по разным технологиям, было бы неплохо проверить импульсную характеристику комбинации, используя этот метод. Конденсатор меньшего размера может резонировать с индуктивностью большего конденсатора, что приводит к неожиданному результату.

На рис. 5 показан результат для конденсатора емкостью 1 мкФ той же конструкции, что и для конденсатора емкостью 4 мкФ, испытанного на рис. 4.Обратите внимание, что индуктивность аналогична конденсатору 4 мкФ, но ESR на
немного ниже. Поскольку использовался аналоговый осциллограф, форма сигнала была повторяющейся, а небольшой наклон в левой половине формы сигнала был концом экспоненциального спада от 5 В. Если использовался одиночный импульс на цифровом осциллографе, наклон слева от пик Ldi / dt будет равен нулю.

Рисунок 5: Конденсатор 1 мкФ

На рис. 6 показан результат для радиального керамического конденсатора емкостью 1 мкФ (квадратный корпус).Обратите внимание на низкую индуктивность и неопределяемое ESR. Также обратите внимание, что наклон экспоненциального нарастания 1 / C более пологий, что указывает на большую емкость, чем у конденсатора 1 мкФ на Рисунке 5. Это может быть связано с тем, что электролитический конденсатор, используемый на Рисунке 5, может иметь меньшую емкость около нулевого напряжения, чем при рабочем напряжении, тогда как керамический конденсатор имеет более постоянную емкость с напряжением. Индуктивность, соответствующая нижней дорожке, оценивается в 4,4 нГн. Интересно отметить, что 0.Керамический конденсатор емкостью 1 мкФ в корпусе того же размера, что и конденсатор емкостью 1 мкФ на Рисунке 6, показал немного более высокую индуктивность в этой испытательной установке. Я считаю, что это произошло из-за того, что меньший конденсатор не заполнил корпус, а внутренняя индуктивность вывода вызвала эффект. В этом случае конденсатор емкостью 1 мкФ был лучшим выбором, чем 0,1 мкФ!

Рисунок 6: Керамический конденсатор 1 мкФ

Одним из преимуществ этого теста является то, что форма выходного сигнала является переходной характеристикой конденсатора.Напряжения, возникающие на конденсаторе в этом тесте, напрямую связаны с тем, что произойдет в реальной цепи, если время нарастания тока от генератора аналогично тому, что конденсатор увидит в предполагаемом применении.

Чтобы узнать больше о Technical Tidbits , посетите сайт Дуга http://emcesd.com.

Дуглас К. Смит
Г-н Смит имел лицензию FCC на радиотелефонную связь первого класса к 16 годам и лицензию радиолюбителя общего класса к 12 годам.
Он получил B.E.E.E. степень магистра Вандербильта в 1969 году и степень магистра. получил степень в Калифорнийском технологическом институте в 1970 году. В 1970 году он присоединился к AT&T Bell Laboratories в качестве члена технического персонала. Он вышел на пенсию в 1996 году в качестве почетного члена технического персонала. С февраля 1996 года по апрель 2000 года он был менеджером по разработке и тестированию EMC в компании Auspex Systems в Санта-Кларе, Калифорния. В настоящее время г-н Смит является независимым консультантом, специализирующимся на высокочастотных измерениях, проектировании и проверке схем / систем, шумах и спецификациях импульсных источников питания, электромагнитной совместимости и устойчивости к переходным помехам.Он является старшим членом IEEE и бывшим членом совета директоров IEEE EMC Society. Его технические интересы включают высокочастотные эффекты в электронных схемах, в том числе такие темы, как электромагнитная совместимость (EMC), электростатический разряд (ESD), электрическая быстрота. Переходные процессы (EFT) и другие формы импульсных электромагнитных помех. Он также принимал участие в тестировании и проектировании FCC Part 68, проектировании аналоговых и цифровых телефонных систем, проектировании IC и компьютерном моделировании цепей.Он получил более 15 патентов, в том числе несколько на измерительную аппаратуру.

Г-н Смит читал лекции в Оксфордском университете, Калифорнийском университете Санта-Барбары, Калифорнийском университете Беркли, Университете Вандербильта, AT&T Bell Labs, а также на многих международных и государственных семинарах по высокочастотным измерениям, проектированию схем, ESD и электромагнитной совместимости. . Он является автором книги «Измерения высоких частот и шум в электронных схемах». Его очень популярный веб-сайт http://emcesd.com
(www.dsmith.org), ежемесячно привлекает тысячи посетителей, которые видят более 150 технических статей, а также другие функции.

Он также предоставляет консультационные услуги по общему проектированию, электромагнитной совместимости, устойчивости к переходным процессам (например, ESD и EFT), а также по шумам импульсных источников питания. Его специальность - быстро решать сложные задачи, обычно в течение пары дней. Его работа включала цифровые и аналоговые схемы во все, от большого дизельного оборудования до схем на уровне микросхем. Его обширная клиентская база включает в себя многие известные крупные электронные и промышленные компании, а также средние компании и начинающие компании.

Как извлечь паразитные значения из таблицы данных конденсатора

В предыдущей статье «Улучшение результатов тестирования ЭМС с помощью реалистичного моделирования фильтров ЭМП» мы обсуждали важность включения паразитных элементов в модели анализа ЭМП. Здесь мы покажем вам, как извлечь эти паразитные значения из таблицы компонентов, используя в качестве примера конденсатор

.

Это действительно очень просто.

Модель конденсатора

Реальные конденсаторы имеют индуктивность и сопротивление последовательно с емкостью и индуктивность рассеяния параллельно.Значения эквивалентной последовательной индуктивности (ESL), эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и сопротивления утечки зависят от типа, номинала и размера конденсатора.

Когда емкостное и индуктивное сопротивление равны, конденсатор саморезонирует. На частотах ниже его собственной резонансной частоты преобладает емкость, и сопротивление реального конденсатора уменьшается с увеличением частоты. Выше собственной резонансной частоты преобладает ESL, и импеданс увеличивается.На собственной резонансной частоте импеданс равен ESR.

Лист данных Импеданс

Большинство технических паспортов конденсаторов содержат график зависимости полного сопротивления конденсатора от частоты. Часто импеданс конденсаторов разной величины отображается на одном графике.

Таблица и график ниже из таблицы данных AVX по многослойной керамике показывают свойства конденсаторов и импеданс для конденсаторов в диапазоне значений от 2,2 нФ до 47 нФ.

Извлечение элементов

Выделим значения элементов конденсатора 10 нФ.

Емкость

Это просто. Это 10 нФ, красная линия на графике выше.

Ниже примерно 100 МГц полное сопротивление конденсатора определяется в первую очередь значением емкости. Остальные паразитические элементы мало влияют.

ESL - эквивалентная серийная индуктивность

Выше 300 МГц импеданс конденсатора определяется его ESL. Извлечь ESL очень просто. Из прямой части графика над собственной резонансной частотой мы можем оценить, что импеданс равен 1.5 мОм при 3 ГГц. ESL определяется следующим уравнением.

ESR - эквивалентное последовательное сопротивление

На собственной резонансной частоте конденсатора, нижней точке его кривой импеданса, его импеданс равен его ESR. Для конденсатора 10 нФ минимальное сопротивление составляет около 200 МГц, где его значение составляет 60 мОм. Таким образом, СОЭ составляет 60 мОм.

Сопротивление утечке

Устойчивость к утечке обычно указывается в техническом паспорте.Здесь оно указано как сопротивление изоляции, 1000 МОм.

Проверить результаты

EMI Analyst имеет встроенные модели для реальных компонентов. Модель конденсатора показана ниже.

Используя полученные выше значения, график импеданса конденсатора хорошо согласуется с таблицей данных, подтверждая правильность паразитных элементов, извлеченных из таблицы.

Улучшенный анализ ЭМС

Использование реалистичной модели конденсатора повышает точность анализа ЭМС, не только расчетов фильтра электромагнитных помех, но также расчетов выбросов и восприимчивости, когда конденсатор является частью цепи.

Для получения дополнительной информации ознакомьтесь со следующими полезными ссылками:

Улучшение результатов испытаний на ЭМС с помощью реалистичного моделирования фильтра ЭМП
Вносимые потери в фильтре ЭМП: как сопротивление цепи влияет на характеристики фильтра ЭМП
Анализ ЭМС: как рассчитать вносимые потери в фильтре
http://www.avx.com/docs/techinfo/CeramicCapacitors/ parasitc.pdf

Каковы частотные характеристики импеданса конденсаторов? / Что такое ESR / ESL конденсаторов? | Q&A Corner

Каковы частотные характеристики импеданса конденсаторов?


Что такое ESR / ESL конденсаторов?

Импеданс конденсаторов зависит от емкости и частоты.В идеальном конденсаторе сопротивление становится ниже, чем емкость. больше. Кроме того, сопротивление становится ниже с увеличением частоты.

На самом деле конденсатор имеет сопротивление и индуктивность. В простом выражении эти характеристики могут быть записаны как модель последовательной эквивалентной схемы C, R, L.Этот R называется «эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR)», а L называется «эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL)».

В отличие от идеального конденсатора, полное сопротивление реального конденсатора изменяет свою тенденцию при определенном частота из-за ESL. Эта частота называется «Саморезонансная частота (SRF)». В более высоком частотном диапазоне, чем SRF, импеданс становится больше при увеличении частоты. потому что ESL влияет на импеданс.В SRF емкость и ESL взаимно стирают каждое сопротивление. Следовательно, на уровне SRF остается только сопротивление ESR.

Таким образом, импеданс конденсатора зависит от частоты. Это частотные характеристики импеданса в конденсаторах.

ESR и ESL вызывают снижение производительности.Вообще говоря, конденсаторы с более низким ESR и ESL работают лучше, чем более высокие. Если ESR конденсатора велико, это может вызвать выделение тепла и падение напряжения во время работы ИС. Если ESL конденсатора большой, это может вызвать звон сигнала. ESR и ESL также варьируются в зависимости от частоты реальных конденсаторов.Поэтому важно знать значение СОЭ и ESL на той частоте, которая вас интересует. См. Также этот документ для более подробной информации.

Многослойные керамические конденсаторы обычно превосходят по характеристикам ESR и ESL. к другим типам конденсаторов. Мы можем предоставить Реверсивные развязывающие конденсаторы LW (LWDC TM ) с еще более низким ESR и ESL чем обычные керамические конденсаторы.Пожалуйста, попробуйте их в своем приложении.

Индуктивность серии

- обзор

41.2.1.3 Линии передачи и кабели

Линии передачи и кабели поглощают переменные в зависимости от их последовательной индуктивности. Им также присуща способность генерировать переменные токи за счет своей шунтирующей емкости, которая вызывает прохождение реактивного «зарядного тока» в линии. И последовательная индуктивность, и шунтирующая емкость распределены по длине линии.

С аналитической точки зрения кабели неотличимы от воздушных линий, за исключением того, что соотношение между шунтирующей емкостью и последовательным реактивным сопротивлением значительно выше. Использование кабелей в высоковольтных сетях увеличивается из-за трудностей со строительством новых воздушных линий для передачи электроэнергии в городские районы и, в меньшей степени, для линий переменного тока. подводные ссылки; использование кабелей по-прежнему очень мало по сравнению с воздушными линиями из-за недостатков стоимости.Если кабели используются в любом количестве, их высокая шунтирующая емкость снижает потребность в дополнительном генерировании переменной мощности в периоды пиковой нагрузки, но увеличивает потребность в ее поглощении в условиях низкой нагрузки.

Когда нет тока нагрузки, протекающего по линии или кабелю, обнаруживается, что напряжение на приемном конце линии выше, чем на передающем конце; это вызвано протеканием емкостного зарядного тока через последовательную индуктивность и известно как эффект Ферранти.Величина повышения напряжения очень быстро увеличивается с увеличением длины линии, от всего лишь примерно 3% для 200 км до примерно 50% для 800 км. Величина такого повышения напряжения в системе передачи должна быть ограничена (обычно на 5 или 10% выше номинального напряжения), чтобы избежать превышения безопасных пределов эксплуатации для изоляции самой линии или кабеля, а также безопасные пределы для различного оборудования, подключенного к системе передачи. Очень длинные линии обычно делятся на участки длиной от 200 до 300 км; При необходимости на промежуточных подстанциях могут быть применены меры контроля напряжения или переменного тока.

По мере увеличения мощности, протекающей по линии, также увеличивается поглощение реактивной мощности в последовательном реактивном сопротивлении. Существует критический ток, при котором величина «последовательных переменных», поглощаемых в линии, достаточно, чтобы уравновесить «шунтирующие переменные», генерируемые шунтирующей емкостью линии. При таком уровне потока мощности линейное напряжение будет иметь одинаковое значение по всей линии (без учета резистивных потерь). Когда происходит дальнейшее увеличение мощности, протекающей по линии, поглощенные переменные будут перевешивать генерируемые переменные, и напряжение на принимающем конце линии начнет очень быстро падать с увеличением нагрузки и может достигнуть точки полного коллапса.

Импеданс линии передачи, имеющей последовательную индуктивность L и шунтирующую емкость C , представляет собой сопротивление, равное ( L / C ). Если нагрузка, имеющая это значение сопротивления, подключена к концу линии, мощность, которая течет в нагрузку, называется нагрузкой импульсного сопротивления или SIL. Это упомянутая выше нагрузка, при которой поглощение var в последовательном реактивном сопротивлении равно генерации var в шунтирующей емкости, и для которой напряжение вдоль линии постоянно.При заданном импульсном сопротивлении SIL увеличивается пропорционально квадрату линейного напряжения.

Значение импульсного сопротивления для линии 132 кВ составляет около 400 Ом. В системах с более высоким напряжением обычно используются несколько проводников, отчасти для уменьшения эффекта коронного разряда, а последовательная индуктивность также несколько ниже, что дает импульсное сопротивление примерно от 250 до 300 Ом для линии 400 кВ. Одним из следствий выбора повышенного напряжения передачи является снижение потерь при передаче при заданном потоке мощности, но другой эффект заключается в обеспечении улучшенной способности передачи мощности на полосе отвода.Поэтому при выборе напряжения передачи необходимо соблюдать баланс между затратами на оборудование, эксплуатационными расходами и будущей мощностью.

Уровень SIL типичных кабелей обычно превышает их номинальные значения, поэтому кабели генерируют больше переменных, чем поглощают, и часто требуется компенсация. Это накладывает ограничение на длину непрерывного кабеля, который можно использовать; например, для подводных кабелей предел обычно составляет 50–75 км, прежде чем емкостный зарядный ток достигнет номинального тока кабеля.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *