Esr: n ja esl: n ymmärtäminen kondensaattoreissa

Kaikissa elektronisissa malleissa eniten käytettyjä elektroniikkakomponentteja ovat vastukset (R), kondensaattorit (C) ja induktorit (L). Suurin osa meistä tuntee näiden kolmen passiivisen komponentin perusteet ja miten niitä käytetään. Teoriassa (ihanteellisissa olosuhteissa) kondensaattoria voidaan pitää puhtaana kondensaattorina, jolla on vain kapasitiivisia ominaisuuksia, mutta käytännössä kondensaattoriin liittyy myös joitain resistiivisiä ja induktiivisia ominaisuuksia, joita kutsumme loisresistenssiksi tai loisinduktanssiksi. Kyllä, aivan kuten loinen, tämä ei-toivottu vastus ja induktanssiominaisuudet istuvat kondensaattorin sisällä estäen sitä toimimasta kuin puhdas kondensaattori.

Piirisuunnittelijoiden suunnittelussa otetaan siis ensisijaisesti huomioon komponentin ihanteellinen muoto, tässä tapauksessa kapasitanssin ja sitten yhdessä sen kanssa loiskomponenttien (induktanssi ja vastus) katsotaan olevan sarjassa sen kanssa. Tätä loisresistanssia kutsutaan ekvivalenttiseksi resistanssiksi (ESR) ja loisinduktanssia kutsutaan ekvivalenttiseksi induktanssiksi (ESL). Tämän induktanssin ja resistanssin arvo on hyvin pieni, joten se voidaan jättää huomiotta yksinkertaisissa malleissa. Mutta joissakin suuritehoisissa tai suurtaajuussovelluksissa nämä arvot voivat olla erittäin tärkeitä, ja jos niitä ei oteta huomioon, ne voivat vähentää komponenttien tehokkuutta tai odottaa odottamattomia tuloksia.

Tässä artikkelissa opit lisää tästä ESR: stä ja ESL: stä, kuinka mitata ne ja miten ne voivat vaikuttaa piiriin. Vastaavasti induktorilla on myös siihen liittyviä loisominaisuuksia, joita kutsutaan DCR: ksi, joista keskustelemme toisessa artikkelissa toisinaan.

ESR kondensaattoreissa

Ihanteellista kondensaattoria sarjaan, jossa on vastus, kutsutaan kondensaattorin vastaavaksi sarjavastukseksi. Kondensaattorin vastaava sarjaresistanssi tai ESR on sisäinen vastus, joka näkyy sarjassa laitteen kapasitanssin kanssa.

Katsotaan alla olevat symbolit, jotka edustavat kondensaattorin ESR: ää. Kondensaattorisymboli edustaa ihanteellista kondensaattoria ja vastusta vastaavana sarjavastuksena. Vastus on kytketty sarjaan kondensaattorin kanssa.

Ihanteellinen kondensaattori on häviötön, eli kondensaattorin myymälän latauksen ja tarjoaa saman varauksen määrä tuotokseksi. Mutta todellisessa maailmassa kondensaattoreilla on pieni rajallinen sisäinen vastus. Tämä vastus tulee dielektrisestä materiaalista, vuotosta eristimessä tai erottimessa. Tämän lisäksi ekvivalentilla sarjaresistanssilla tai ESR: llä on erilaiset arvot erityyppisissä kondensaattoreissa sen kapasitanssiarvon ja rakenteen perusteella. Siksi meidän on mitattava tämän ESR: n arvo käytännössä analysoimaan kondensaattorin täydelliset ominaisuudet.

ESR: n mittaaminen kondensaattoreissa

Kondensaattorin ESR: n mittaaminen on vähän hankalaa, koska vastus ei ole puhdas DC-vastus. Tämä johtuu kondensaattoreiden ominaisuudesta. Kondensaattorit estävät DC: n ja kulkevat AC: n läpi. Siksi tavallista ohmimittaria ei voida käyttää ESR: n mittaamiseen. Markkinoilla on erityisiä ESR-mittareita, joista voi olla hyötyä kondensaattorin ESR-mittauksessa. Nämä mittarit käyttävät vaihtovirtaa, kuten neliöaaltoa tietyllä taajuudella kondensaattorin yli. Signaalin taajuuden muutoksen perusteella voidaan laskea kondensaattorin ESR-arvo. Tämän menetelmän etuna on, että koska ESR mitataan suoraan kondensaattorin kahden navan yli, se voidaan mitata juotamatta sitä piirilevyltä.

Toinen teoreettinen tapa laskea kondensaattorin ESR on mitata kondensaattorin ripple-jännite ja Ripple-virta ja sitten molempien suhde antaa ESR-arvon kondensaattorissa. Kuitenkin yleisempää ESR mittaus malli on soveltaa vaihtovirtalähteeseen kondensaattorin yli ylimääräinen vastus. Raakapiiri ESR: n mittaamiseksi on esitetty alla

Vs on siniaaltolähde ja R1 on sisäinen vastus. Kondensaattori C on ihanteellinen kondensaattori, kun taas R2 on ihanteellisen kondensaattorin C ekvivalenttisarjavastus. Yksi asia on muistettava, että tässä ESR-mittausmallissa kondensaattorin lyijyn induktanssi jätetään huomiotta eikä sitä pidetä osana piiri.

Siirtofunktio tämä piiri voidaan kuvattu alla kaavaa-

Edellä olevassa yhtälössä piirin ylipäästöominaisuus heijastuu; siirtofunktion likiarvoa voidaan edelleen arvioida -

H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1

Yllä oleva likiarvo soveltuu suurtaajuuskäyttöön. Tässä vaiheessa piiri alkaa vaimentaa ja toimii vaimennimena.

Vaimennuskerroin voidaan ilmaista -

⍺ = R2 / (R2 + R1)

Tätä vaimennuskerrointa ja siniaaltogeneraattorin sisäistä vastusta R1 voidaan käyttää mittaamaan kondensaattoreita ESR.

R2 = ⍺ x R1

Siksi toimintageneraattori voi olla hyödyllinen kondensaattoreiden ESR: n laskemiseksi.

Normaalisti ESR-arvo vaihtelee muutamasta milliohmista useaan ohmiin. Alumiinielektrolyyttikondensaattoreilla ja tantaalikondensaattoreilla on korkea ESR verrattuna laatikkotyyppisiin tai keraamisiin kondensaattoreihin. Kondensaattoreiden valmistustekniikan nykyaikainen kehitys mahdollistaa kuitenkin erittäin matalien ESR-kondensaattorien valmistamisen.

Kuinka ESR vaikuttaa kondensaattorin suorituskykyyn

Kondensaattorin ESR-arvo on ratkaiseva tekijä kondensaattorin ulostulolle. Korkea ESR-kondensaattori haihtaa lämpöä suuressa virtasovelluksessa ja kondensaattorin käyttöikä lyhenee lopulta, mikä myös vaikuttaa elektroniikkapiirien toimintahäiriöön. Virtalähteissä, joissa suuri virta on huolenaihe, matalan ESR-kondensaattoreita tarvitaan suodatustarkoituksiin.

Ei vain virtalähteeseen liittyvissä toiminnoissa, mutta alhainen ESR-arvo on myös välttämätön suurnopeuspiirille. Hyvin korkeilla toimintataajuuksilla, jotka vaihtelevat tyypillisesti satoista MHz: stä useisiin GHz: iin, kondensaattorin ESR: llä on tärkeä rooli virrankulutustekijöissä.

ESL kondensaattorissa

Samoin kuin ESR, ESL on myös ratkaiseva tekijä kondensaattoreille. Kuten aiemmin keskusteltiin, todellisessa tilanteessa kondensaattorit eivät ole ihanteellisia. Siellä on harhavastusta sekä harhautuvaa induktanssia. Tyypillinen ESL-kondensaattorimalli, joka on esitetty alla. Kondensaattori C on ihanteellinen kondensaattori ja induktori L on sarjainduktanssi, joka on kytketty sarjaan ihanteellisen kondensaattorin kanssa.

Normaalisti ESL on erittäin luotettava nykyiseen silmukkaan; virtasilmukan kasvu lisää myös kondensaattoreiden ESL-arvoa. Johtimen päätepisteen ja piirin kytkentäpisteen (mukaan lukien tyynyt tai raidat) välinen etäisyys vaikuttaa myös kondensaattoreiden ESL: ään, koska suurempi pääteväli lisää myös virtasilmukkaa, mikä johtaa korkeaan ekvivalenttiseen sarjan induktanssiin.

Kondensaattorin ESL: n mittaus

ESL-mittaus voidaan tehdä helposti tarkkailemalla kondensaattorin valmistajan tietolomakkeen antama impedanssi vs. taajuuskaavio. Kondensaattorin impedanssi muuttuu, kun taajuutta kondensaattorin yli muutetaan. Tilanteen aikana, kun kapasitiivinen reaktanssi ja induktiivinen reaktanssi ovat tietyllä taajuudella samat, sitä kutsutaan polvipisteeksi.

Tässä vaiheessa kondensaattori itse resonoi. Kondensaattorin ESR auttaa tasoittamaan impedanssikaaviota, kunnes kondensaattori saavuttaa polven pisteen tai itsensä resonoivalla taajuudella. Polvipisteen jälkeen kondensaattorin impedanssi alkaa kasvaa kondensaattorin ESL: n vuoksi.

Yllä oleva kuva on MLCC: n (monikerroksinen keraaminen kondensaattori) impedanssi vs taajuuskaavio. Kolme kondensaattoria, 100nF, 1nF X7R -luokka ja 1nF NP0-luokan kondensaattoreita on esitetty. 'Polvipisteet' voidaan helposti tunnistaa V-muotoisen juovan alaosasta.

Kun polvipistetaajuus on tunnistettu, ESL voidaan mitata seuraavalla kaavalla

Taajuus = 1 / (2π√ (ESL x C))

Kuinka ESL vaikuttaa kondensaattorin tehoon

Kondensaattorien lähtö hajoaa lisääntyneen ESL: n avulla, kuten ESR: n tavoin. Lisääntynyt ESL lisää epätoivottua virtaa ja tuottaa EMI: n, mikä aiheuttaa edelleen toimintahäiriöitä suurtaajuussovelluksissa. Virtalähteeseen liittyvässä järjestelmässä loisinduktanssi edistää suurta aaltoilujännitettä. Ripple-jännite on verrannollinen kondensaattoreiden ESL-arvoon. Kondensaattorin suuri ESL-arvo voi myös aiheuttaa soittoäänen aaltomuotoja, jolloin piiri käyttäytyy parittomasti.

ESR: n ja ESL: n käytännön merkitys

Seuraava kuva esittää ESR: n ja ESL: n todellisen mallin kondensaattorissa.

Tässä kondensaattori C on ihanteellinen kondensaattori, vastus R on ekvivalenttisarjan vastus ja induktori L on ekvivalenttisarjan induktanssi. Näiden kolmen yhdistäminen tekee todellisen kondensaattorin.

ESR ja ESL eivät ole niin miellyttäviä kondensaattorin ominaisuuksia, jotka aiheuttavat monenlaista suorituskyvyn heikkenemistä elektronisissa piireissä, varsinkin suurtaajuuksisissa ja suurvirtaisissa sovelluksissa. Korkea ESR-arvo vaikuttaa huonoon suorituskykyyn ESR: n aiheuttamien tehohäviöiden vuoksi; tehohäviö voidaan laskea käyttämällä teholakia I ² R, jossa R on ESR-arvo. Tämän lisäksi kohinaa ja suurjännitehäviötä esiintyy myös korkean ESR-arvon vuoksi Ohmin lain mukaisesti. Moderni kondensaattoreiden valmistustekniikka vähentää kondensaattorin ESR- ja ESL-arvoa. Valtava parannus näkyy monikerroksisten kondensaattoreiden nykyisissä SMD-versioissa.

Pienemmät ESR- ja ESL-arvoiset kondensaattorit ovat edullisia lähtösuodattimina kytkentävirtalähdepiireissä tai SMPS-malleissa, koska kytkentätaajuus on näissä tapauksissa korkea, tyypillisesti lähellä useita MH _z- arvoja, jotka vaihtelevat satojen kHz: n välillä. Tästä syystä tulokondensaattorin ja ulostulosuodatinkondensaattorien on oltava matalalla ESR-arvolla, jotta matalataajuisilla väreillä ei ole vaikutuksia virtalähteen kokonaissuorituskykyyn. Kondensaattoreiden ESL: n on myös oltava matala, jotta kondensaattorin impedanssi ei ole vuorovaikutuksessa virtalähteen kytkentätaajuuden kanssa.

Hiljaisessa virtalähteessä, jossa ääniä on vaimennettava ja lähtösuodatinvaiheiden tulisi olla vähäisiä, korkealaatuiset erittäin matalat ESR- ja matalan ESL-kondensaattorit ovat hyödyllisiä sujuvalle ulostulolle ja vakaan tehontoimitukselle kuormalle. Tällaisessa sovelluksessa polymeerielektrolyytit ovat sopiva valinta ja yleisesti edullinen verrattuna alumiinielektrolyyttikondensaattoreihin.