Імпеданс Z ідеального конденсатора визначається формулою 1, де ω - кутова частота, а C - ємність конденсатора.
Малюнок 1. Ідеальний конденсатор
З формули 1 видно, що зі збільшенням частоти імпеданс конденсатора зменшується. Це показано на малюнку 1. У ідеальному конденсаторі немає втрат і еквівалентний послідовний опір (ESR) дорівнює нулю.
Малюнок 2. Частотний діапазон ідеального конденсатора
У реальному конденсаторі (рис. 3) існує деякий опір (ESR), викликане діелектричними втратами, втратами на опорі обкладок конденсатора і втратами пов'язані з опором витоку, а також паразитная індуктивність (ESL) висновків і обкладок конденсатора. В результаті частотна характеристика імпедансу приймає V подібну форму (або U образну в залежності від типу конденсатора), як показано на малюнку 4.Также на малюнку показана частотна характеристика ESR.
Малюнок 3. Реальний конденсатор
Малюнок 4. Приклад частотної характеристики реального конденсатора
Причина, по якій графіки | Z | і ESR мають такий вигляд як на малюнку 4, можна пояснити наступним чином.
| Z | в цій області зменшується обернено пропорційно частоті, як і в ідеальному конденсаторі. Значення ESR визначається діелектричними втратами в конденсаторі.
При підвищенні частоти ESR, в результаті паразитного індуктивності, опору електродів і інших чинників, викликає відхилення | Z | від ідеальної характеристики (червона пунктирна лінія) і досягає мінімального значення. Частота, на якій | Z | досягає мінімуму, називається власною резонансною частотою і на цій частоті | Z | = ESR. Після перевищення власної частоти резонансу, характеристика елемента змінюється з ємнісний на індуктивну і | Z | починає підвищуватися. Область нижче власної резонансної частоти називається ємнісний областю, а область вище - індуктивної.
В області резонансу до діелектричних втрат додаються втрати на електродах.
При подальшому збільшенні частоти характеристика | Z | визначається паразитного индуктивностью конденсатора. У високочастотної області | Z | збільшується пропорційно частоті, згідно з формулою 2. Що стосується ESR, в цій області починають проявлятися скін-ефект. ефект близькості та інші.
Отже, ми розглянули частотну характеристику реального конденсатора. Тут важливо запам'ятати, що c підвищенням частоти ESR і ESL вже не можна ігнорувати. Оскільки існують велика кількість додатків, в яких конденсатори використовуються на високих частотах, ESR і ESL стають важливими параметрами, котрі характеризують конденсатор крім значення його ємності.
Паразитні складові реальних конденсаторів мають різне значення в залежності від їх типу. Давайте подивимося на частотні характеристики різних конденсаторів. На малюнку 5 показані графіки | Z | і ESR для конденсаторів ємністю 10 мкФ. Всі конденсатори, крім плівкових, планарні (SMD).
Малюнок 5. Частотні характеристики конденсаторів різних типів.
Для всіх типів конденсаторів | Z | поводиться однаково до частоти 1 кГц. Після 1 кГц імпеданс збільшується сильніше в алюмінієвих і танталових електролітичних конденсаторах, ніж в монолітних керамічних і плівкових конденсаторах.
Це відбувається через те, що алюмінієві і танталові конденсатори мають високий питомий опір електроліту і велике ESR. У плівкових і монолітних керамічних конденсаторах використовуються металеві матеріали для електродів і, отже, вони мають дуже маленьким ESR.
Монолітні керамічні конденсатори і плівкові показують приблизно однакові характеристики до точки власного резонансу, але у монолітних керамічних конденсаторів резонансна частота вище, а | Z | в індуктивної області нижче.
Ці результати показують, що імпеданс монолітних керамічних конденсаторів SMD типу в широкому діапазоні частот має невелике значення. Це робить їх найбільш придатними для високочастотних додатків.
Існує також кілька типів монолітних керамічних конденсаторів, виготовлених з різних матеріалів і мають різну форму. Давайте подивимося, як ці фактори впливають на частотні характеристики.
ESR в ємнісний області залежить від діелектричних втрат, викликаних матеріалом діелектрика. 2-й клас діелектричних матеріалів на основі сегнетоелектриків має високу діелектричну постійну і, як правило, висока ESR. 1-ий клас матеріалів - температурно-компенсовані матеріали на основі параелектриків - мають низькі діелектричні втрати і низька ESR.
На високих частотах в області резонансу і індуктивної області, на додаток до опору матеріалу електродів, їх формі і кількості шарів, ESR залежить від скін-ефекту і ефекту близькості. Електроди часто роблять з Ni, але для дешевих конденсаторів іноді застосовують Cu, який теж має низький опір.
ESL
ESL монолітних керамічних конденсаторів сильно залежить від внутрішньої структури електродів. Якщо розміри внутрішніх електродів задаються довжиною, шириною і товщиною, то індуктивність ESL може бути визначена математично. Значення ESL зменшується, коли електроди конденсатора коротше, ширше і тонше.
На малюнку 6 показано зв'язок між номінальною ємністю і резонансною частотою різних типів монолітних керамічних конденсаторів. Ви можете бачити, що при зменшенні розмірів конденсатора власна резонансна частота збільшується, а ESL зменшується для однакових значень ємності. Це означає, що невеликі конденсатори короткої довжини краще підходять для високочастотних додатків.
На малюнку 7 показаний зворотний LW конденсатор з короткою довжиною L і великою шириною W. З частотних характеристик, показаних на малюнку 8, можна побачити, що LW конденсатор має менший імпеданс і кращі характеристики, ніж звичайний конденсатор такої ж ємності. За допомогою LW конденсаторів можна досягти тих же характеристик, як у звичайних конденсаторів, але меншим числом компонентів. Зменшення числа компонентів, дозволяє скоротити витрати і зменшити монтажне простір.
Малюнок 7. Зовнішній вигляд зворотного LW конденсатора.
Малюнок 8. | Z | і ESR зворотного LW конденсатора і конденсатора загального призначення
Звичайно, на практиці це досить складно реалізувати, але ідея по-моєму цікава.
Так це цікаво.
Павло, в тисячний раз завдяки Вас за цей ресурс, хотів би побачити тут матеріал по шині I2C, і бібліотеки для роботи з нею. На кшталт того, що є в майстра початкової установки коду в CodeVision. Дякуємо.