Condensateur
Guide des condensateurs
Quelles sont les caractéristiques d'impédance et de fréquence ESR des condensateurs ?
Les bases des condensateurs sont expliquées dans cette rubrique technique.
La chronique d'aujourd'hui décrit les caractéristiques de fréquence de la quantité d'impédance |Z| et de la résistance série équivalente (ESR) dans les condensateurs.
La compréhension des caractéristiques de fréquence des condensateurs permet de déterminer, par exemple, les capacités de suppression du bruit ou de contrôle des fluctuations de tension d'une ligne d'alimentation. Les caractéristiques de fréquence sont donc des paramètres importants qui sont essentiels pour la conception des circuits. Cette colonne décrit deux types de caractéristiques de fréquence : l'impédance |Z| et l'ESR.
1. Caractéristiques de fréquence des condensateurs
L'impédance Z d'un condensateur idéal (Fig. 1) est représentée par la formule (1), où ω est la fréquence angulaire et C la capacité électrostatique du condensateur.
D'après la formule (1), l'impédance |Z| diminue inversement à la fréquence, comme le montre la figure 2. Dans un condensateur idéal, il n'y a pas de perte et la résistance série équivalente (ESR) est nulle.
Dans les condensateurs réels (figure 3), cependant, il y a une certaine résistance (ESR) due aux pertes causées par les substances diélectriques, les électrodes ou d'autres composants, en plus de la composante de capacité C, et une certaine inductance parasite (ESL) due aux électrodes, aux fils et à d'autres composants. Par conséquent, les caractéristiques de fréquence de |Z| forment une courbe en V (ou en U selon le type de condensateur) comme le montre la figure 4, et ESR présente également des caractéristiques de fréquence pour des valeurs équivalentes à la perte.
La raison pour laquelle |Z| et ESR forment des courbes comme celles de la figure 4 peut être expliquée comme suit.
Région des basses fréquences :
|Dans les régions à basse fréquence, Z| diminue inversement à la fréquence, comme dans le cas d'un condensateur idéal. L'ESR indique une valeur équivalente à la perte diélectrique due au retard de polarisation dans la substance diélectrique.
Près du point de résonance :
Au fur et à mesure que la fréquence augmente, l'ESR résultant de l'inductance parasite, de la résistivité de l'électrode et d'autres facteurs fait que le comportement de |Z| s'éloigne de celui d'un condensateur idéal (ligne brisée rouge) et atteint une valeur minimale. La fréquence à laquelle |Z| atteint la valeur minimale est appelée fréquence d'auto-résonance, et à ce moment-là, |Z|=ESR. Une fois que la fréquence d'autorésonance est dépassée, la caractéristique de l'élément passe de condensateur à inducteur et |Z| commence à augmenter. La région située en dessous de la fréquence d'autorésonance est appelée région capacitive et la région située au-dessus est appelée région inductive.
L'ESR est affecté par la perte causée par l'électrode en plus de la perte diélectrique.
Région à haute fréquence :
Dans les zones de fréquence encore plus élevées que le point de résonance, les caractéristiques |Z| sont déterminées par l'inductance parasite (L). Dans la région à haute fréquence, |Z| se rapproche de la formule (2) et augmente proportionnellement à la fréquence.
En ce qui concerne l'ESR, les effets de la peau de l'électrode, les effets de proximité et d'autres effets commencent à apparaître.
Ce qui précède est une explication des caractéristiques de fréquence d'un condensateur réel. Le point principal à retenir est que, lorsque la fréquence augmente, l'ESR et l'ESL ne peuvent être ignorés. Comme il y a un nombre croissant d'applications dans lesquelles les condensateurs sont utilisés à des fréquences élevées, ESR et ESL deviennent un paramètre important qui montre la performance du condensateur, en plus des valeurs de capacité électrostatique.
2. Caractéristiques de fréquence de différents types de condensateurs
La section précédente a expliqué que les composants parasites des condensateurs, tels que l'ESR et l'ESL, affectent grandement leurs caractéristiques de fréquence. Comme les types de composants parasites varient en fonction du type de condensateur, examinons les différentes caractéristiques de fréquence des différents types de condensateurs.
La figure 5 montre les caractéristiques de fréquence |Z| et ESR de divers condensateurs avec une capacité électrostatique de 10 uF. À l'exception du condensateur à film, tous les condensateurs sont de type SMD.
Comme la capacité électrostatique est de 10 uF dans tous les condensateurs présentés dans la figure 5, la valeur |Z| est la même pour tous les types dans la région capacitive à des fréquences inférieures à 1 kHz. Au-delà de 1 kHz, les valeurs |Z| augmentent beaucoup plus dans le condensateur électrolytique en aluminium et le condensateur électrolytique au tantale que dans le condensateur céramique multicouche et le condensateur à film. Cela s'explique par la forte résistivité du matériau électrolytique et l'ESR élevé du condensateur électrolytique à l'aluminium et du condensateur électrolytique au tantale. Le condensateur à film et le condensateur céramique multicouche utilisent des matériaux métalliques pour leurs électrodes et présentent donc une ESR très faible.
Le condensateur céramique multicouche et le condensateur à film plombé présentent à peu près les mêmes caractéristiques jusqu'au point de résonance, mais la fréquence d'auto-résonance est plus élevée et |Z| dans la région inductive est plus faible dans le condensateur céramique multicouche. Cela s'explique par le fait que, dans les condensateurs à film plombé, l'inductance est seulement aussi importante que celle due au fil conducteur.
Ces résultats montrent que l'impédance est faible sur une large bande de fréquence dans les condensateurs céramiques multicouches de type SMD, ce qui en fait les condensateurs les mieux adaptés aux applications à haute fréquence.
3. Caractéristiques de fréquence des condensateurs céramiques multicouches
Il existe également différents types de condensateurs céramiques multicouches, fabriqués à partir de différents matériaux et de différentes formes. Voyons comment ces facteurs affectent les caractéristiques de fréquence.
(1) ESR
L'ESR dans la zone capacitive dépend de la perte diélectrique causée par le matériau diélectrique. Les matériaux à haute constante diélectrique de la classe 2 ont tendance à avoir des niveaux d'ESR plus élevés car ils utilisent des ferroélectriques. Les matériaux de compensation de température de la classe 1 utilisent des paraélectriques et présentent donc très peu de pertes diélectriques et de faibles niveaux d'ESR.
Outre la résistivité du matériau de l'électrode, la forme de l'électrode (épaisseur, longueur, largeur) et le nombre de couches, les niveaux d'ESR à haute fréquence, depuis le point de résonance jusqu'à la région inductive, sont également influencés par l'effet de peau et l'effet de proximité. Le Ni est souvent utilisé comme matériau d'électrode, mais le Cu, qui a une faible résistivité, est parfois choisi pour les condensateurs à faibles pertes.
(2) ESL
L'ESL des condensateurs céramiques multicouches est fortement influencée par la structure de l'électrode interne. Lorsque la taille de l'électrode interne est représentée par la longueur l, la largeur w et l'épaisseur d, l'inductance ESL de l'électrode peut être représentée par la formule (3), selon F. W. Grover.
Cette formule montre que l'ESL diminue lorsque les électrodes du condensateur sont plus courtes, plus larges et plus épaisses.
La figure 6 montre la relation entre la capacité nominale et la fréquence d'auto-résonance pour différentes tailles de condensateurs céramiques multicouches. Vous pouvez constater que, lorsque la taille diminue, la fréquence d'auto-résonance augmente et l'ESL diminue pour une même capacité. Cela signifie que les petits condensateurs avec une courte longueur l sont les mieux adaptés aux applications à haute fréquence.
La figure 7 montre un condensateur inverse LW avec une courte longueur l et une grande largeur w. D'après les caractéristiques de fréquence montrées dans la figure 8, vous pouvez voir que les condensateurs inverses LW ont une impédance plus faible et de meilleures caractéristiques qu'un condensateur conventionnel de la même capacité. L'utilisation de condensateurs inversés LW permet d'obtenir les mêmes performances que celles des condensateurs conventionnels avec un nombre inférieur d'unités. La réduction du nombre d'unités permet de réduire les coûts et l'espace de montage.
4. Comment obtenir des données sur les caractéristiques de fréquence
Si les données sur les caractéristiques de fréquence peuvent être obtenues à l'aide d'un analyseur d'impédance ou d'un analyseur de réseau vectoriel, ces données sont également disponibles sur les sites web des fabricants de pièces détachées.
La figure 9 montre une vue d'écran de l'outil de conception "SimSurfing" de Murata. Les caractéristiques peuvent être affichées en entrant simplement le numéro de modèle et les éléments que vous souhaitez vérifier. En outre, vous pouvez télécharger des listes de réseaux SPICE et des données S2P en tant que données pour les simulations. N'hésitez pas à les utiliser pour la conception de tous types de circuits électroniques.
Voir ici pour SimSurfing
Responsable : A.S., unité commerciale des composants, Murata Manufacturing Co.
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