Разбиране на esr и esl в кондензатори

Най-често използваните електронни компоненти във всеки електронен дизайн са резистори (R), кондензатори (C) и индуктори (L). Повечето от нас са запознати с основите на тези три пасивни компонента и как да ги използваме. Теоретично (при идеални условия) кондензатор може да се разглежда като чист кондензатор само с капацитивни свойства, но на практика кондензаторът ще има и някои съпротивителни и индуктивни свойства, свързани с него, които ние наричаме паразитно съпротивление или паразитна индуктивност. Да, точно като паразит, това нежелано свойство на съпротивление и индуктивност се намира в кондензатор, предотвратявайки го да се държи като чист кондензатор.

Следователно, докато проектират верига, инженерите основно разглеждат идеалната форма на компонента, в този случай капацитетът и след това заедно с него паразитните компоненти (индуктивност и съпротивление) също се считат за последователни с него. Това паразитно съпротивление се нарича еквивалентно серийно съпротивление (ESR), а паразитната индуктивност - еквивалентна индуктивност на серията (ESL) Стойността на тази индуктивност и съпротивление ще бъде много малка, така че може да бъде пренебрегната при прости проекти. Но при някои приложения с висока мощност или висока честота тези стойности могат да бъдат много важни и ако не се вземат предвид, могат да намалят ефективността на компонента или да дадат неочаквани резултати.

В тази статия ще научим повече за този ESR и ESL, как да ги измерим и как те могат да повлияят на верига. Подобно на това, индукторът ще има и някои паразитни свойства, свързани с него, наречени DCR, които ще обсъдим в друга статия друг път.

ESR в кондензатори

Идеалният кондензатор в последователност със съпротивление се нарича Еквивалентно серийно съпротивление на кондензатора. Еквивалентното серийно съпротивление или ESR в кондензатор е вътрешното съпротивление, което се появява последователно с капацитета на устройството.

Нека видим долните символи, които представляват ESR на кондензатора. Символът на кондензатора представлява идеалния кондензатор и резистора като еквивалентно серийно съпротивление. Резисторът е свързан последователно с кондензатора.

Един идеален кондензатор е без загуби, което означава, таксата за кондензатор магазин и доставя същото количество заряд като изход. Но в реалния свят кондензаторите имат малка стойност на крайно вътрешно съпротивление. Това съпротивление идва от диелектричния материал, изтичане в изолатор или в сепаратора. Като добавим към това, еквивалентното серийно съпротивление или ESR ще имат различни стойности в различните видове кондензатори въз основа на неговата стойност на капацитета и конструкцията. Следователно трябва да измерим стойността на този ESR практически, за да анализираме пълните характеристики на кондензатор.

Измерване на ESR в кондензатори

Измерването на ESR на кондензатор е малко сложно, тъй като съпротивлението не е чисто DC съпротивление. Това се дължи на свойството на кондензаторите. Кондензаторите блокират DC и преминават през AC. Следователно, стандартният измервател на ома не може да се използва за измерване на ESR. Има специфични м ESR, които са налични на пазара, който може да бъде полезен за измерване на ESR на кондензатор. Тези измервателни уреди използват променлив ток, като квадратна вълна в определена честота в кондензатора. Въз основа на промяната в честотата на сигнала може да се изчисли ESR стойността на кондензатора. Предимство при този метод е, че тъй като ESR се измерва директно през двата терминала на кондензатор, той може да бъде измерен, без да го отпоява от платката.

Друг теоретичен начин за изчисляване на ESR на кондензатора е измерването на пулсационното напрежение и пулсационния ток на кондензатора и тогава съотношението и на двете ще даде стойността на ESR в кондензатора. По-често срещаният модел за измерване на ESR е прилагането на източник на променлив ток през кондензатора с допълнително съпротивление. Сурова верига за измерване на ESR е показана по-долу

Vs е източникът на синусоида, а R1 е вътрешното съпротивление. Кондензаторът C е идеалният кондензатор, докато R2 е еквивалентното серийно съпротивление на идеалния кондензатор C. Трябва да се помни едно нещо, че в този модел за измерване на ESR водещата индуктивност на кондензатора се игнорира и не се разглежда като част от веригата.

На функцията прехвърляне на тази схема може да се опише по-долу formula-

В горното уравнение се отразява характеристиката на високите честоти на веригата; апроксимацията на трансферната функция може допълнително да се оцени като -

H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1

Горното приближение е подходящо за високочестотни операции. В този момент веригата започва да отслабва и да действа като атенюатор.

Коефициентът на затихване може да се изрази като -

⍺ = R2 / (R2 + R1)

Този коефициент на затихване и вътрешното съпротивление R1 на генератора на синусоида могат да се използват за измерване на ESR на кондензаторите.

R2 = ⍺ x R1

Следователно, генератор на функции може да бъде полезен за изчисляване на ESR на кондензаторите.

Обикновено стойността на ESR варира от няколко милиома до няколко ома. Алуминиевите електролитни и танталови кондензатори имат висока ESR в сравнение с кондензаторите от тип кутия или керамика. Съвременният напредък в технологията за производство на кондензатори прави възможно производството на супер ниски ESR кондензатори.

Как ESR влияе върху производителността на кондензатора

ESR стойността на кондензатора е решаващ фактор за изхода на кондензатора. Кондензаторът с висока ESR разсейва топлината при силен ток и животът на кондензатора в крайна сметка намалява, което също допринася за неизправността в електронните вериги. В захранванията, където високият ток е проблем, кондензаторите с ниско ESR са необходими за целите на филтрирането.

Не само при операции, свързани с електрозахранването, но и ниската стойност на ESR, също е от съществено значение за високоскоростната верига. При много високи работни честоти, обикновено вариращи от стотици MHz до няколко GHz, ESR на кондензатора играе жизненоважна роля в факторите за доставка на енергия.

ESL в кондензатор

Подобно на ESR, ESL също е решаващ фактор за кондензаторите. Както беше обсъдено по-горе, в реална ситуация кондензаторите не са идеални. Съществува бездомна съпротива, както и бездомна индуктивност. Типичен ESL модел на кондензатор, показан по-долу. Кондензаторът C е идеалният кондензатор, а индукторът L е последователната индуктивност, свързана последователно с идеалния кондензатор.

Обикновено ESL е силно зависим от текущия контур; увеличаването на токовия контур също увеличава ESL в кондензаторите. Разстоянието между свързващия проводник и точката на свързване на веригата (включително накладки или релси) също влияе на ESL в кондензаторите, тъй като увеличеното разстояние на терминала също увеличава токовия контур, което води до висока еквивалентна индуктивност на серията.

Измерване на ESL на кондензатор

Измерването на ESL може да се извърши лесно чрез спазване на графика на импеданса спрямо честотата, дадена в таблицата с данни на производителя на кондензатора. Импедансът на кондензатора се променя, когато се промени честотата на кондензатора. По време на ситуацията, когато при определена честота капацитивното съпротивление и индуктивното съпротивление са равни, това се нарича „точка на коляното“.

В този момент кондензаторът самостоятелно резонира. ESR на кондензатора допринася за изравняване на импедансния график, докато кондензаторът достигне мястото на "коляното" или на саморезониращата честота. След точката на коляното импедансът на кондензатора започва да се увеличава поради ESL на кондензатора.

Горното изображение е графика на импеданс срещу честота на MLCC (многослоен керамичен кондензатор). Показани са три кондензатора, 100nF, 1nF X7R клас и 1nF от NP0 кондензатори. Петната на „коляното“ могат лесно да бъдат идентифицирани в долната точка на V-образния парцел.

След като бъде определена честотата на точката на коляното, ESL може да бъде измерена по формулата по-долу

Честота = 1 / (2π√ (ESL x C))

Как ESL влияе на изхода на кондензатора

Изходът на кондензаторите се влошава от увеличения ESL, както при ESR. Повишената ESL допринася за нежелания поток на ток и генерира EMI, което допълнително създава неизправности във високочестотни приложения. В свързаната с електрозахранването паразитна индуктивност допринася за високото пулсационно напрежение. Пулсационното напрежение е пропорционално на ESL стойността на кондензаторите. Голямата ESL стойност на кондензатора може също да предизвика звънещи форми на вълната, което прави веригата да се държи странно.

Практическо значение на ESR и ESL

Изображението по-долу предоставя действителния модел на ESR и ESL в кондензатор.

Тук кондензаторът C е идеален кондензатор, резисторът R е еквивалентно серийно съпротивление, а индукторът L е еквивалентна индуктивност на серията. Комбинирането на тези три е направен истински кондензатор.

ESR и ESL не са толкова приятни характеристики на кондензатор, които причиняват разнообразие от намаляване на производителността в електронните вериги, особено при приложения с висока честота и висок ток. Високата стойност на ESR допринася за лошото представяне поради загубите на мощност, причинени от ESR; загубата на мощност може да се изчисли, като се използва законът за мощността I ² R, където R е стойността на ESR. Не само това, шумовете и високото напрежение също се появяват поради високата стойност на ESR според закона на Ома. Съвременната технология за производство на кондензатор намалява стойността на ESR и ESL на кондензатора. Огромно подобрение може да се види в днешните SMD версии на многослойни кондензатори.

Кондензаторите с по-ниска стойност на ESR и ESL се предпочитат като изходни филтри в импулсни вериги за захранване или SMPS конструкции, тъй като честотата на превключване е висока в тези случаи, обикновено близо до няколко MH _z, вариращи от стотици kHz. Поради това входният кондензатор и изходните филтърни кондензатори трябва да са с ниска стойност на ESR, така че нискочестотните пулсации да нямат ефект върху цялостната работа на захранващия блок. ESL на кондензаторите също трябва да бъде нисък, така че импедансът на кондензатора да не взаимодейства с честотата на превключване на захранването.

При захранване с ниско ниво на шум, където шумовете трябва да бъдат потиснати, а етапите на изходния филтър трябва да бъдат малко на брой, висококачествените супер ниски ESR и ниски ESL кондензатори са полезни за плавна изходна мощност и стабилно подаване на мощност към товара. При такова приложение полимерните електролити са подходящ избор и често предпочитани пред алуминиевите електролитни кондензатори.