Înțelegerea esr și esl în condensatoare

Cele mai utilizate componente electronice în orice design electronic sunt Rezistoarele (R), Condensatoarele (C) și Inductoarele (L). Majoritatea dintre noi sunt familiarizați cu elementele de bază ale acestor trei componente pasive și cum să le folosim. Teoretic (în condiții ideale) un condensator poate fi considerat ca un condensator pur cu numai proprietăți capacitive, dar în practică un condensator va avea și unele proprietăți rezistive și inductive cuplate cu acesta, pe care le numim rezistență parazitară sau inductanță parazitară. Da, la fel ca un parazit, această rezistență nedorită și proprietăți de inductanță se află în interiorul unui condensator, împiedicându-l să se comporte ca un condensator pur.

Prin urmare, în timp ce proiectează un circuit, inginerii iau în considerare în primul rând forma ideală a componentei, în acest caz capacitatea și apoi împreună cu aceasta componentele parazite (inductanță și rezistență) sunt, de asemenea, considerate ca fiind în serie cu aceasta. Această rezistență parazitară este denumită rezistență echivalentă a seriei (ESR), iar inductanța parazită este denumită inductanță serie echivalentă (ESL). Dar în unele aplicații de mare putere sau de înaltă frecvență, aceste valori pot fi foarte importante și, dacă nu sunt luate în considerare, pot reduce eficiența componentelor sau pot genera rezultate neașteptate.

În acest articol vom afla mai multe despre acest ESR și ESL, cum să le măsurăm și cum pot afecta un circuit. Similar cu acesta, un inductor va avea, de asemenea, unele proprietăți parazite asociate cu acesta, numite DCR, pe care le vom discuta într-un alt articol altădată.

ESR în condensatoare

Un condensator ideal în serie cu rezistență se numește rezistență de serie echivalentă a condensatorului. Rezistența echivalentă în serie sau ESR într-un condensator este rezistența internă care apare în serie cu capacitatea dispozitivului.

Să vedem simbolurile de mai jos , care reprezintă ESR a condensatorului. Simbolul condensatorului reprezintă condensatorul ideal și rezistența ca o rezistență de serie echivalentă. Rezistorul este conectat în serie cu condensatorul.

Un condensator ideal este fără pierderi, ceea ce înseamnă că încărcătorul stocează condensatorul și oferă aceeași cantitate de încărcare ca și ieșirea. Dar în lumea reală, condensatoarele au o mică valoare a rezistenței interne finite. Această rezistență provine din materialul dielectric, scurgeri într-un izolator sau în separator. În plus, rezistența de serie echivalentă sau ESR va avea valori diferite în diferite tipuri de condensatoare pe baza valorii capacității sale și a construcției sale. Prin urmare, trebuie să măsurăm valoarea acestui ESR practic pentru a analiza caracteristicile complete ale unui condensator.

Măsurarea VSH în condensatoare

Măsurarea ESR a unui condensator este puțin dificilă, deoarece rezistența nu este o rezistență pură la curent continuu. Acest lucru se datorează proprietății condensatoarelor. Condensatoarele blochează DC și trec AC. Prin urmare, contorul standard de ohmi nu poate fi utilizat pentru a măsura ESR. Sunt disponibile contoare ESR specifice pe piață, care pot fi utile pentru măsurarea ESR a unui condensator. Aceste contoare utilizează curent alternativ, cum ar fi unda pătrată într-o anumită frecvență în condensator. Pe baza modificării frecvenței semnalului, se poate calcula valoarea ESR a condensatorului. Un avantaj al acestei metode este că, deoarece ESR este măsurat direct între cele două terminale ale unui condensator, acesta poate fi măsurat fără a-l lipi de pe placa de circuit.

O altă modalitate teoretică de a calcula ESR a condensatorului este de a măsura tensiunea Ripple și curentul Ripple al condensatorului și apoi raportul ambelor va da valoarea ESR în condensator. Cu toate acestea, un model de măsurare ESR mai comun este aplicarea sursei de curent alternativ pe condensator cu o rezistență suplimentară. Un circuit brut pentru a măsura ESR este prezentat mai jos

Vs este sursa de undă sinusoidală și R1 este rezistența internă. Condensatorul C este condensatorul ideal, în timp ce R2 este rezistența echivalentă în serie a condensatorului ideal C. Un lucru trebuie amintit este că, în acest model de măsurare ESR, inductanța de plumb a condensatorului este ignorată și nu este considerată ca o parte a circuitul.

Funcția de transfer a acestui circuit poate fi descrisă în formula de mai jos-

În ecuația de mai sus, caracteristica trecerii înalte a circuitului este reflectată; aproximarea funcției de transfer poate fi evaluată în continuare ca -

H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1

Aproximarea de mai sus este potrivită pentru operații de înaltă frecvență. În acest moment, circuitul începe să se atenueze și să acționeze ca un atenuator.

Factorul de atenuare poate fi exprimat ca -

⍺ = R2 / (R2 + R1)

Acest factor de atenuare și rezistența internă a generatorului de unde sinusoidale R1 pot fi utilizate pentru a măsura ESR a condensatoarelor.

R2 = ⍺ x R1

Prin urmare, un generator de funcții poate fi util pentru calcularea VSH a condensatorilor.

În mod normal, valoarea ESR variază de la câțiva miliohmi la câțiva ohmi. Condensatoarele electrolitice și de tantal din aluminiu au un VSH ridicat în comparație cu condensatoarele de tip cutie sau ceramice. Cu toate acestea, progresul modern în tehnologia de fabricare a condensatorilor face posibilă fabricarea condensatoarelor ESR foarte scăzute.

Cum afectează ESR performanța condensatorului

Valoarea ESR a condensatorului este un factor crucial pentru ieșirea condensatorului. Condensatorul ESR ridicat disipă căldura în aplicații cu curent ridicat și durata de viață a condensatorului scade în cele din urmă, ceea ce contribuie și la defecțiunea circuitelor electronice. În sursele de alimentare, unde curentul ridicat este o problemă, condensatorii ESR redu sunt necesari pentru filtrare.

Nu numai în operațiunile legate de alimentarea cu energie, ci și valoarea ESR scăzută, este, de asemenea, esențială pentru circuitul de mare viteză. În frecvențe de operare foarte mari, de obicei de la sute de MHz la mai mulți GHz, ESR al condensatorului joacă un rol vital în factorii de furnizare a energiei.

ESL în condensator

La fel ca ESR, ESL este, de asemenea, un factor crucial pentru condensatori. După cum sa discutat anterior, în situația reală condensatorii nu sunt ideali. Există o rezistență la rătăcire, precum și inductanță rătăcită. Un model tipic ESL de condensator prezentat mai jos. Condensatorul C este condensatorul ideal, iar inductorul L este inductanța de serie conectată în serie cu condensatorul ideal.

În mod normal, ESL este extrem de fiabil de bucla curentă; creșterea buclei de curent crește, de asemenea, ESL în condensatori. Distanța dintre terminarea cablului și punctul de conectare a circuitului (inclusiv plăcuțele sau pistele) influențează, de asemenea, ESL în condensatoare, deoarece distanța de terminare crescută crește, de asemenea, bucla de curent, rezultând o inductanță de serie echivalentă ridicată.

Măsurarea ESL a unui condensator

Măsurarea ESL se poate face cu ușurință prin respectarea graficului de impedanță versus frecvență dat de fișa tehnică a producătorului condensatorului. Impedanța condensatorului se modifică atunci când se schimbă frecvența condensatorului. În timpul situației, când la o frecvență specifică , reactanța capacitivă și reactanța inductivă sunt egale, se numește „punctul genunchiului”.

În acest moment, condensatorul auto rezonează. VSH-ul condensatorului contribuie la aplatizarea graficului de impedanță până când condensatorul a ajuns la locul „genunchiului” sau la frecvența de auto-rezonanță. După punctul de genunchi, impedanța condensatorului începe să crească din cauza ESL a condensatorului.

Imaginea de mai sus este un grafic Impedanță vs Frecvență al unui MLCC (condensator ceramic multistrat). Sunt afișate trei condensatoare, 100nF, 1nF clasa X7R și 1nF de condensatoare din clasa NP0. Petele „genunchiului” pot fi identificate cu ușurință de-a lungul punctului inferior al graficului în formă de V.

Odată identificată frecvența punctului genunchiului, ESL poate fi măsurat prin formula de mai jos

Frecvența = 1 / (2π√ (ESL x C))

Cum afectează ESL ieșirea condensatorului

Ieșirea condensatorilor se degradează prin creșterea ESL, la fel ca ESR. Creșterea ESL contribuie la fluxul nedorit de curent și generează EMI, ceea ce creează în continuare defecțiuni în aplicațiile de înaltă frecvență. În sistemul de alimentare cu energie electrică, inductanța parazită contribuie la tensiunea ridicată de ondulare. Tensiunea de ondulare este proporțională cu valoarea ESL a condensatoarelor. Valoarea ESL mare a condensatorului poate induce, de asemenea, forme de undă de sonerie, făcând circuitul să se comporte ciudat.

Importanța practică a ESR și ESL

Imaginea de mai jos oferă modelul real al ESR și ESL în condensator.

Aici, condensatorul C este un condensator ideal, rezistența R este rezistența de serie echivalentă și inductorul L este inductanța de serie echivalentă. Combinând aceste trei se face condensatorul real.

ESR și ESL nu sunt caracteristici atât de plăcute ale unui condensator, care determină o varietate de reduceri de performanță în circuitele electronice, în special în aplicații de înaltă frecvență și curent ridicat. Valoarea ESR ridicată contribuie la performanța slabă din cauza pierderilor de putere cauzate de ESR; pierderea de putere poate fi calculată folosind legea puterii I ² R unde R este valoarea ESR. Nu numai acest lucru, zgomotele și căderea de înaltă tensiune apar, de asemenea, datorită valorii ESR ridicate conform legii Ohms. Tehnologia modernă de fabricare a condensatorului reduce valoarea ESR și ESL a condensatorului. O îmbunătățire imensă poate fi văzută în versiunile SMD de astăzi ale condensatoarelor multistrat.

Condensatoarele cu valori ESR și ESL inferioare sunt preferate ca filtre de ieșire în circuitele de alimentare cu comutare sau în proiectările SMPS, deoarece frecvența de comutare este ridicată în aceste cazuri, de obicei aproape de câțiva MH _z variind de la sute de kHz. Din acest motiv, condensatorul de intrare și condensatorul de filtrare de ieșire trebuie să aibă o valoare ESR scăzută, astfel încât ondulațiile de joasă frecvență să nu aibă efecte asupra performanței generale a unității de alimentare. ESL al condensatoarelor trebuie, de asemenea, să fie scăzut, astfel încât impedanța condensatorului să nu interacționeze cu frecvența de comutare a sursei de alimentare.

Într-o sursă de alimentare cu zgomot redus, în care zgomotele trebuie suprimate și treptele filtrului de ieșire ar trebui să fie reduse în număr, condensatoarele ESR de înaltă calitate și ESL reduse sunt utile pentru o ieșire lină și o livrare stabilă a puterii la încărcare. Într-o astfel de aplicație, electroliții polimerici sunt o alegere adecvată și preferată în mod obișnuit față de condensatorii electrolitici din aluminiu.