Parallella lytar med 100nF

[Spisblinkaren]

Hej!

I den här tråden tänkte jag skapa debatt kring nojjan att parallella elektrolytkondensatorer med typiskt 100nF.

1) ESR(100Hz, 100uF, 67-689-15)=1,2 Ohm, En elyt från RIFA som får bra betyg i ELFA-katalogen (modell 56/2008)

2) ESR(1kHz, 100uF, 67-351-04)=0,09, Bipolär elyt från Fisher & Tauche (borde ha extra bra prestanda ty bipolär...).

3) Tan rho(1kHz, 100nF, 65-457-43)=6E-4, Högtolerant och högkvalitativ polypropylenkonding (PP) från Icel.

\(Tan (\rho)=\frac{ESR}{X_c}\)

Vi tar datat och räknar om PP till ESR vid 1kHz:

Xc=1/(2pi1k*100E-9)=1591@1kHz

Vilket enligt formeln och datat ger

\(ESR=Xc*Tan (\rho)\)

dvs ESR=0,95 Ohm@1kHz

Redan här ser man att ESR för PP är grovt räknat 10ggr sämre än för den uppenbarligen tillräckliga bipolära lyten (vid 1kHz).

Jag är inte säker på följande men jag tror "vinkelförlusten" är relativt konstant.

Om, men bara om, den är det

Är den första lytens ESR vid 1kHz 0,12 Ohm.

Och sammanfattat blir tabellen vid 20kHz ungefär

1) ESR(20kHz, 100uF, ordinär): 6 mOhm
2) ESR(20kHz, 100uF, bipolär): 4,5 mOhm
3) ESR(20kHz, 100nF, PP): 47,5 mOhm

Dvs det är inom 10% helt meningslöst att parallella en elyt med 100nF (i audiosammanghang, kanske man ska tillägga).

Större värde på elyten, ännu mer onödigt

MVH/Roger

[E Kafeman]

Din 100nF konding vid 1kHz har tydligen en impedans av 1+j1600 Ohm, komplex form, summa-impedans blir drygt 1600 Ohm. Även om ESR varit 100 Ohm hade det varit i stort inom kondensatorns toleransområde vad gäller uppmätt impedans, så ESR-funderingar är helt ute ur bilden.
Det finns ingen anledning att lägga den lilla kondensatorn parallellt med en 100uF kondensator som har en impedans på drygt 1 Ohm vid 1 kHz, det blir ju inte ens nödvändigt att justera decimalerna på summa-impedansen, det blir ca 1 Ohm med eller utan den lilla kondensatorn på 100nF. Även vid 20 kHz är effekten minimal av den lilla kondensatorn. Dess impedan-tillskott är försumbart.
ESR är av ytterligare oväsentligt värde. Den inverkar ytterst marginellt, inte ens lönt att fundera över, i sammanhanget.
För LF gör det ingen skillnad på impedansen att addera småkondingar parallellt med större kondingar, för alla normala LF signalvägar.
Du har rätt, det är rena nojan med små kondensatorer då de stora kondensatorerna ändå dominerar alla impedansfaktorer.

Riktigt seriösa audio-nördar kör med raka trådar mellan pickup och högtalare och behöver inga kondensatorer alls.

Behovet av avkopplingskondensatorer i flera storlekar och olika resonansfrekvenser uppkommer först när man använder aktiv elektronik för förstärkning av LF-signalen.
Om man som exempel tar en OP som ska förstärka en LF-signal 100 ggr, då ökar spänningsderivatan med samma faktor, förutsatt att kraftförsörjning och jord hänger med i elektronleveransen till IC'n och att IC'n klarar krävd effektbandbredd.
Antag att OP'n ska ha linjär förstärkning upp till 20kHz. Behövd effektbandbredd i IC-kretsen blir då 100ggr*20kHz=2MHz. Om inte jord och kraftförsörjning begränsar genom sopig DC-avkoppling t.ex. Då kan resultatet bli att OP'n börjar självsvänga högfrekvent.

Vid 2MHz kan man anta att elektrolyt-kondensatorn är över sin självresonans och har därför rätt stor impedans. Då kan det passa med en 100 nF kondensator parallellt för att få ned totala impedansen. Helst ska kondingen sitta nära IC-kretsen då induktiva förluster annars kan ställa till det.
I praktiken vill man inte heller ligga på gränsen utan ha viss marginal så att grejorna är stabila en bra bit ovan 2 MHz. Sedan kan man alltid diskutera lämpligheten i att förstärka signalen 100 ggr i ett svep, men det är en annan fråga.
Det finns en annan funktion med dessa små kondensatorer, de försvårar för elektriska högfrekventa störningar och kortvågsradio att leta sej in via t.ex. LF-ingångar och spänningsförsörjning som överlagrat rippel. Risken är stor att ripplet demoduleras och var det ingen radiomottagare man tänkte sej till att konstruera så är det inte bra.

[jesse]

Nu har jag inte räknat något, men i min värld använder man 100nF kondensatorer parallellt med eletrolyter för att kunna kortsluta frekvenser över 1 MHz. Då får du andra data. Sedan kan man givetvis leta upp den dyraste och största 100µF elektrolyten man kan hitta (~50 kr/st) för att slippa montera en 100nF keramisk för 0.02 kr/st. Fortfarande, i min värld, använder man heller en 10 µF billig (1 kr) elektrolyt parallellt med en 100 nF keramisk.

Även om man sysslar med audio så är det idag så mycket höga frekvenser i omgivningen att man bör filtrera bort sådant så gott det går, innan man skickar in signalen nånstans.

[hcb]

Jag mätte med nätverksanalysator upp ett antal små kondensatorer för ett tag sedan, och det var förbluffande att se vid hur låga frekvenser som kondensatorerna blev induktanser. Det där mede avkoppling är inte helt trivialt när man har att göra med höga frekvenser. Och höga frekvenser är här synonymt med korta stig- och falltider, inte bara med vanlig HF.

Jag har för mig att jag postade resultatet antingen här eller på ham.se, men jag hittar inte tråden eller ens rådata.

[Icecap]

Jag håller med att att till signalvägarna och audio är det likgiltigt med parallellkopplingen.

Men som avkoppling är det ytterst vettigt! En likriktarbrygga ger ju några ganska brutala flanker nära noll-genomgången, störningar på elnätet i gemen är också ett problem.

Avkoppling av inkommande och utgående signaler är viktigt också - men det löser man ju med bara små kondensatorer.

[jesse]

hcb: Jämförde du dina "induktanser" i kondensator med om du kortslöt kondensatorn? Det kanske var vägen till kondensatorn som var induktans, inte själva kondensatorn i sig?

[xxargs]

Tror knappast att hbc gör sådana misstag och jag håller med om hans observationer då jag också mätt med RF-nätverkare och hp:s komponenttester på eletrolytkondingar (som är princip en nätverkare upp till 10 MHz och dessutom kan bolla med att testa med olika spänningsvärden över tex kondingen och se hur kapacitansen ändras med spänningen - vilket ändrar sig mer än vad man tror på ellytar och även keramiska kondingar.

Kör man med RF-nätverksanalysator så kalibreras all inverkan av kablar bort med en kalibreringsprocedur med en kalibrerings-kit med en kortslutning, öppen och referensmotstånd vars modeller fins inne i nätverksanalysatorns minne (det går tex inte att göra en kortslutning med 0 fH i induktans, likaså inte en öppen port med 0 fF i kapacitans utan det är en modell av dess elektriska egenskaper baserad på mekanisk modell som finns i form av S-parameter i nätverkaren, och det finns också procedurer hur man kan kalibrera mot fixturer så att de blir 'osynliga' i mätningen.

- dvs. i ändan av mätkablarna av oftast koaxialkabeltyp har man mycket noga specifierad referensplan där allt bortom detta räkna som tillhörande komponenten man mäter på - och givetvis räknas komponentben, komponentkroppen etc. in i den totala uppmätta komplexa impedansen.

[hcb]

xxargs: Jag tackar för förtroendet, men det har hänt att jag mätt fel, i varje fall minst en gång detta årtusende

>hcb: Jämförde du dina "induktanser" i kondensator med om du kortslöt kondensatorn? Det kanske var vägen till kondensatorn som var induktans, inte själva kondensatorn i sig?

Nej, det gjorde jag inte. Referensplanet för mätningen var änden på semirigid-koaxen, och eventuella fel beror på ändeffekter p.g.a. uthängande mittledare och reaktanser i anslutande ledare, så du har helt klart en poäng. I ett verkligt scenario skulle dock kondensatorerna haft åtminstone några/någon mm ledningsbana till jord i respektive ända, så jag tror ändå att mätningen var någorlunda meningsfull.

[MiaM]

Hur ser kalkylen ut när kondingarna suttit på plats i 30 år?

Är det verkligen alltid en bra idé att byta halvtorra elektrolyter istället för att parallellkoppla plastkondingar?

[4kTRB]

När man kopplar kondensatorer i parallell så borde induktansen bli
mindre jämfört om de kopplas i serie och självresonansfrekvensen öka.
Är det riktigt?

[E Kafeman]

Vi kör väl en liten mätserie då. Väljer lite extremare värden och frekvenser då det blir tydligare.
Börjar med att mäta upp en hel men beganad kina-kondensator, 100uF. I mätningen är inräknat 1 mm långt benutstick men inga lödpaddar.

100u_n.jpg

Frekvensområdet är valt för att i första hand visa vad som händer ovan dess resonansfrekvens. Det är inte visat här men den håller drygt 100uF under 250kHz med ESR ca 0.01 Ohm.

Nästa mätobjekt är en keramisk kondensator. 100pF Murata GRM 0402. Värden är uppmätta med lödpaddar bortkalibrerade, dvs endast ren komponent.

100p.jpg

Negativ Y-skala är kapacitans, positiv induktans.

100p_n.jpg

Detta visar endast induktansbiten av keramiska kondensatorn. Taggigheten i kurvan är pga av brus i nätverkaren.

Kombinerar bägge kondensatorerna parallellt. Impedanstoppar pga av resonanser är klippta, då annars övriga kurvor skulle se ut att vara spikraka.

100-100.jpg

Min personliga reflektion är att jag inte trodde att självresonansen skulle öka från 100p till parallell-kopplingen fullt så mycket, dvs att elyten inte skulle inverka nämnvärt på frekvensegenskaper ovan 1500 MHz.
För säkerhets skull mätte jag om denna koppling två ggr, men det blev samma resultat.

[gkar]

Kan det bero på långa ledarlängder i lyten och kanske lite strökapacitans och ströinduktans?

[Spisblinkaren]

Mycket intressant, E Kafeman!

Tack för dina ansträngningar med mätningarna!

Nu förstår jag inte hälften av parametrarna även om jag vill minnas att VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) har nåt med impedansanpassning att göra, sen gissar jag att RL (Return Loss?) är samma som S11 vilket jag dock vill minnas också var ett mått på anpassning (dvs ju större negativt värde desto bättre är anpassningen/energiöverföringen).

Oj, det var längesen jag höll på med RF-mätningar modell nätverksanalysatorer.

Har uppenbarligen glömt det mesta

Utbilda mig gärna, annars får jag väl googla på det

Angående dina mätresultat är det först och främst intressant att notera de 5nH i induktans hos Kina-100uF över 300kHz.

Tyckte mig skymta i ELFA-katalogen nåt som kallas ESL (Equivalent Serial Inductance, gissar jag) även om jag känner till problemen med induktans hos lytar när frekvensen blir hög.

Det är ju egentligen bara att betrakta storleken...

Sen är det intressant att notera vad som händer den lilla 100pF-kondingen och att dess kapacitans ökar till över 200pF efter 1200MHz.

Slutligen är det extra intressant hur parallell-kombinationen "får tillbaka" kapacitansen efter 1200MHz.

Ser ju ut som lytar är bättre på högfrekvens än någon nånsin trott!

Observera att dessa iaktagelser är ytterst amatörmässiga

MVH/Roger
PS
Förklara gärna vad du menar med självresonansen och hur du tycker den borde ha ökat.

[prototypen]

Kafemans mätningar verkar bekräfta vad som stod i Electronic Enviroment för en massa år sedan, det är bra med både och men man ska inte sätta de för nära varandra.

Lyten sätter man i kanten på kortet där det finns plats och nollettan direkt på kretsen.

Protte

[Spisblinkaren]

Jag mätte med nätverksanalysator upp ett antal små kondensatorer för ett tag sedan, och det var förbluffande att se vid hur låga frekvenser som kondensatorerna blev induktanser. Det där mede avkoppling är inte helt trivialt när man har att göra med höga frekvenser. Och höga frekvenser är här synonymt med korta stig- och falltider, inte bara med vanlig HF.

Jag har för mig att jag postade resultatet antingen här eller på ham.se, men jag hittar inte tråden eller ens rådata.

Det här tycker jag är intressant.

Kondingar som tidigt blir till induktanser.

Här kan man ju tycka att parallellande med en plast-konding vore på sin plats.

Visserligen är korta stig- & falltider synonymt med högt frekvensinnehåll.

Men jag vill, lite försiktigt, hävda att detta frekvensinnehåll till största delen hamnar utanför det hörbara området.

Och vi har redan konstaterat att parallell plast inom AF är meningslös.

MVH/Roger
PS
En käck formel jag känner till och som väldigt ofta är relevant är

\(f_h=\frac{0,35}{t_r}\)

där tr står för rise-time (10%-90%).

Formeln säger främst vilken bandbredd du har vid specifik stigtid, men det går naturligtvis att vända på resonemanget.