- ESR i kondensatorer
- Måling av ESR i kondensatorer
- Hvordan ESR påvirker kondensatorens ytelse
- ESL i kondensator
- Måling av ESL til en kondensator
- Hvordan ESL påvirker kondensatorutgangen
- Praktisk betydning av ESR og ESL
De mest brukte elektronikkomponentene i ethvert elektronisk design er motstander (R), kondensatorer (C) og induktorer (L). De fleste av oss er kjent med det grunnleggende i disse tre passive komponentene og hvordan vi bruker dem. Teoretisk (under ideelle forhold) kan en kondensator betraktes som en ren kondensator med bare kapasitive egenskaper, men i praksis vil en kondensator også ha noen resistive og induktive egenskaper kombinert med den, som vi kaller som parasittmotstand eller parasittisk induktans. Ja, akkurat som en parasitt, sitter denne uønskede motstands- og induktansegenskapene inne i en kondensator og forhindrer at den oppfører seg som en ren kondensator.
Derfor, mens vi designer kretsingeniører, vurderer de først og fremst den ideelle formen for komponenten, i dette tilfellet anses kapasitans og deretter sammen med de parasittiske komponentene (Induktans og motstand) også å være i serie med den. Denne parasittiske motstanden blir betegnet som Equivalent Series Resistance (ESR) og den parasittiske induktansen blir betegnet som Equivalent series Inductance (ESL) Verdien av denne induktansen og motstanden vil være veldig liten, slik at den kan neglisjeres i enkle design. Men i noen applikasjoner med høy effekt eller høyfrekvens kan disse verdiene være veldig avgjørende, og hvis de ikke vurderes, kan det redusere komponentens effektivitet eller gi uventede resultater.
I denne artikkelen vil vi lære mer om denne ESR og ESL, hvordan du måler dem og hvordan de kan påvirke en krets. I likhet med dette vil en induktor også ha noen parasittiske egenskaper som kalles DCR, som vi vil diskutere i en annen artikkel en annen gang.
ESR i kondensatorer
En ideell kondensator i serie med motstand kalles ekvivalent seriemotstand av kondensatoren. Den ekvivalente seriemotstanden eller ESR i en kondensator er den interne motstanden som vises i serie med kapasitansen til enheten.
La oss se symbolene nedenfor , som representerer kondensatorens ESR. Kondensatorsymbolet representerer den ideelle kondensatoren og motstanden som en ekvivalent seriemotstand. Motstanden er koblet i serie med kondensatoren.
En ideell kondensator er tapsfri, noe som betyr at kondensatoren lagrer ladning og leverer like mye ladning som utgangen. Men i den virkelige verden har kondensatorer en liten verdi av endelig intern motstand. Denne motstanden kommer fra det dielektriske materialet, lekkasje i en isolator eller i separatoren. I tillegg til dette vil ekvivalent seriemotstand eller ESR ha forskjellige verdier i forskjellige typer kondensatorer basert på kapasitansverdi og konstruksjon. Derfor må vi måle verdien av denne ESR praktisk talt for å analysere de komplette egenskapene til en kondensator.
Måling av ESR i kondensatorer
Å måle ESR til en kondensator er litt vanskelig fordi motstanden ikke er en ren DC-motstand. Dette skyldes egenskapene til kondensatorer. Kondensatorer blokkerer DC og passerer AC. Derfor kan ikke standard ohm måler brukes til å måle ESR. Det er spesifikke ESR-målere som er tilgjengelige i markedet, som kan være nyttige for å måle ESR til en kondensator. Disse målere bruker vekselstrøm, for eksempel firkantbølge i en bestemt frekvens over kondensatoren. Basert på endringen i signalets frekvens kan kondensatorens ESR-verdi beregnes. En fordel med denne metoden er at siden ESR måles direkte over de to terminalene til en kondensator, kan den måles uten å lodde den fra kretskortet.
En annen teoretisk måte å beregne kondensatorens ESR på er å måle Ripple-spenningen og Ripple-strømmen til kondensatoren, og deretter vil forholdet mellom begge gi verdien av ESR i kondensatoren. En mer vanlig ESR-målemodell er imidlertid å bruke vekselstrømskilde over kondensatoren med en ekstra motstand. En rå krets for å måle ESR er vist nedenfor
Vs er sinusbølgekilde og R1 er den indre motstanden. Kondensatoren C er den ideelle kondensatoren mens R2 er ekvivalent seriemotstand til den ideelle kondensatoren C. En ting må huskes er at i denne ESR-målemodellen blir kondensatorens blyinduktans ignorert, og det blir ikke ansett som en del av kretsen.
Den transferfunksjon av denne krets kan beskrives i nedenstående formel-
I ovenstående ligning reflekteres høypassfunksjonen til kretsen; tilnærmingen til overføringsfunksjonen kan videre vurderes som -
H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1
Ovennevnte tilnærming er egnet for høyfrekvente operasjoner. På dette tidspunktet begynner kretsen å dempe og fungere som en demper.
Dempingsfaktoren kan uttrykkes som -
⍺ = R2 / (R2 + R1)
Denne dempningsfaktoren og sinusbølgeneratorens interne motstand R1 kan brukes til å måle kondensatorene ESR.
R2 = ⍺ x R1
Derfor kan en funksjonsgenerator være nyttig for å beregne kondensatorens ESR.
Normalt varierer ESR-verdien fra noen få milliohm til flere ohm. Elektrolytiske og tantal kondensatorer i aluminium har høy ESR sammenlignet med kondensatorene for boksetypen eller keramikken. Imidlertid gjør moderne fremskritt innen kondensatorproduksjonsteknologi det mulig å produsere super lave ESR-kondensatorer.
Hvordan ESR påvirker kondensatorens ytelse
ESR-verdien til kondensatoren er en avgjørende faktor for kondensatorutgang. Høy ESR-kondensator slipper varme i applikasjoner med høy strøm, og kondensatorens levetid reduseres til slutt, noe som også bidrar til funksjonsfeil i elektronikkretser. I strømforsyninger, hvor høy strøm er et problem, kreves lave ESR-kondensatorer for filtreringsformål.
Ikke bare i strømforsyningsrelaterte operasjoner, men lav ESR-verdi, er også viktig for høyhastighetskretsen. I svært høye driftsfrekvenser, vanligvis fra hundrevis av MHz til flere GHz, spiller kondensatorens ESR en viktig rolle i effektleveringsfaktorer.
ESL i kondensator
Det samme som ESR, ESL er også en avgjørende faktor for kondensatorer. Som diskutert før, i virkelige situasjoner er ikke kondensatorer ideelle. Det er en motstandsdyktighet overfor så vel som omstrekkelig induktans. En typisk ESL-modell av kondensator vist nedenfor. Kondensatoren C er den ideelle kondensatoren og induktoren L er serieinduktansen koblet i serie med den ideelle kondensatoren.
Normalt er ESL veldig pålitelig av gjeldende sløyfe; økning i strømsløyfe øker også ESL i kondensatorer. Avstanden mellom ledningsavslutningen og kretsforbindelsespunktet (inkludert elektroder eller spor) påvirker også ESL i kondensatorer fordi økt avslutningsavstand også øker strømsløyfen, noe som resulterer i høy ekvivalent serieinduktans.
Måling av ESL til en kondensator
Måling av ESL kan gjøres enkelt ved å observere impedansen versus frekvensplott gitt av kondensatorprodusentens datablad. Impedansen til kondensatoren endres når frekvensen over kondensatoren endres. I løpet av situasjonen, når den kapasitive reaktansen og den induktive reaktansen i en bestemt frekvens er like, kalles den 'knepunktet'.
På dette tidspunktet resonerer kondensatoren selv. Kondensatorens ESR bidrar til å flate ut impedansplottet til kondensatoren nådde "kne" -punktet eller ved den selvresonerende frekvensen. Etter knepunktet begynner kondensatorimpedansen å øke på grunn av kondensatorens ESL.
Ovennevnte bilde er en impedans mot frekvensplott av en MLCC (flerlags keramisk kondensator). Tre kondensatorer, 100nF, 1nF X7R-klasse og 1nF NP0-klasse kondensatorer vises. Kneflekkene kan lett identifiseres over det nedre punktet av V-formet tomt.
Når knepunktfrekvensen er identifisert, kan ESL måles med formelen nedenfor
Frekvens = 1 / (2π√ (ESL x C))
Hvordan ESL påvirker kondensatorutgangen
Kondensatorens utgang forringes med økt ESL, samme som ESR. Økt ESL bidrar til den uønskede strømmen og genererer EMI, noe som ytterligere skaper funksjonsfeil i høyfrekvente applikasjoner. I strømforsyningsrelatert system bidrar parasittisk induktans til den høye rippelspenningen. Rippelspenning er proporsjonal med kondensatorens ESL-verdi. Stor ESL-verdi på kondensatoren kan også indusere ringformede bølgeformer, noe som gjør at kretsen oppfører seg merkelig.
Praktisk betydning av ESR og ESL
Bildet nedenfor gir den faktiske modellen for ESR og ESL i kondensator.
Her er kondensatoren C en ideell kondensator, motstanden R er ekvivalent seriemotstand og induktoren L er ekvivalent serieinduktans. Ved å kombinere disse tre er den virkelige kondensatoren laget.
ESR og ESL er ikke så hyggelige egenskaper ved en kondensator, noe som forårsaker en rekke ytelsesreduksjoner i elektroniske kretser, spesielt i høyfrekvente og høystrømsapplikasjoner. Høy ESR-verdi bidrar til dårlig ytelse på grunn av strømtap forårsaket av ESR; effekttapet kan beregnes ved hjelp av Power law I 2 R hvor R er ESR-verdien. Ikke bare dette, lyder og høyspenningsfall oppstår også på grunn av høy ESR-verdi i henhold til Ohms-loven. Moderne kondensatorproduksjonsteknologi reduserer kondensatorens ESR- og ESL-verdi. En enorm forbedring kan sees i dagens SMD-versjoner av flerlagskondensatorer.
Kondensatorer med lavere ESR- og ESL-verdi foretrekkes som utgangsfiltre i koblingsstrømforsyningskretser eller SMPS-design fordi byttefrekvensen er høy i disse tilfellene, vanligvis nær flere MH z fra hundrevis av kHz. På grunn av dette må inngangskondensatoren og utgangsfilterkondensatorene være i lav ESR-verdi, slik at lavfrekvente krusninger ikke har noen innvirkning på den totale ytelsen til strømforsyningsenheten. Kondensatorens ESL må også være lav, slik at kondensatorens impedans ikke samhandler med strømforsyningsbryterfrekvensen.
I en strømforsyning med lite støy, der støyen må undertrykkes og utgangsfiltretrinnene skal være lave, er høykvalitets super lav ESR og lave ESL kondensatorer nyttige for jevn effekt og stabil strømforsyning til belastningen. I en slik anvendelse er polymerelektrolytter et passende valg og ofte foretrukket fremfor elektrolytiske kondensatorer i aluminium.