Az esr és az esl megértése a kondenzátorokban

Bármely elektronikus kivitelben a leggyakrabban használt elektronikai alkatrészek az ellenállások (R), a kondenzátorok (C) és az induktorok (L). Legtöbben ismerjük ennek a három passzív komponensnek az alapjait és azok használatát. Elméletileg (ideális körülmények között) a kondenzátort tiszta kondenzátornak tekinthetjük, amelynek csak kapacitív tulajdonságai vannak, de a gyakorlatban a kondenzátornak lesz néhány rezisztív és induktív tulajdonsága is, amelyeket párosítónak vagy parazita induktivitásnak nevezünk. Igen, csakúgy, mint egy parazita, ez a nem kívánt ellenállási és induktivitási tulajdonság egy kondenzátor belsejében van, megakadályozva, hogy tiszta kondenzátorként viselkedjen.

Ezért az áramköri tervezés során a mérnökök elsősorban az alkatrész ideális formáját veszik figyelembe, ebben az esetben a kapacitást, majd ezzel együtt a parazita komponenseket (induktivitás és ellenállás) is sorosnak tekintik. Ezt a parazita rezisztenciát egyenértékű sorozatú ellenállásnak (ESR), a parazita induktivitást ekvivalens sorozatú induktivitásnak (ESL) nevezik. Ennek az induktivitásnak és ellenállásnak az értéke nagyon kicsi lesz, ezért egyszerű kivitelezésnél elhanyagolható. De néhány nagy teljesítményű vagy nagy frekvenciájú alkalmazásban ezek az értékek nagyon fontosak lehetnek, és ha nem veszik figyelembe, csökkentheti az alkatrészek hatékonyságát vagy váratlan eredményeket eredményezhet.

Ebben a cikkben többet megtudunk erről az ESR-ről és az ESL-ről, azok méréséről és azok hatásáról az áramkörre. Ehhez hasonlóan az induktornak lesz néhány parazita tulajdonsága is, amelyet DCR-nek hívnak, amelyeket máskor egy másik cikkben tárgyalunk.

ESR a kondenzátorokban

Az ellenállással soros ideális kondenzátort a kondenzátor egyenértékű soros ellenállásának nevezzük. A kondenzátorban az egyenértékű soros ellenállás vagy ESR az a belső ellenállás, amely sorozatban jelenik meg az eszköz kapacitásával.

Lássuk az alábbi szimbólumokat, amelyek a kondenzátor ESR-jét képviselik. A kondenzátor szimbólum az ideális kondenzátort és az ellenállást egyenértékű soros ellenállásként képviseli. Az ellenállást sorba kötik a kondenzátorral.

Az ideális kondenzátor veszteségmentes, ami azt jelenti, hogy a kondenzátor tárolja a töltést, és ugyanannyi töltetet szolgáltat, mint a kimenet. De a való világban a kondenzátoroknak kicsi a véges belső ellenállása. Ez az ellenállás a dielektromos anyagból, a szigetelőben vagy a szeparátorban történő szivárgásból származik. Ehhez hozzáadva az egyenértékű soros ellenállásnak vagy az ESR-nek a kapacitása értéke és felépítése alapján a kondenzátorok különböző értékei lesznek. Ezért gyakorlatilag meg kell mérnünk ennek az ESR-nek az értékét, hogy elemezzük a kondenzátor teljes jellemzőit.

ESR mérése kondenzátorokban

A kondenzátor ESR-mérése kissé bonyolult, mert az ellenállás nem tiszta DC ellenállás. Ennek oka a kondenzátorok tulajdonsága. A kondenzátorok blokkolják az egyenáramot és áthaladnak az AC-n. Ezért a normál ohmos mérő nem használható az ESR mérésére. Vannak olyan specifikus ESR mérők, amelyek elérhetők a piacon, amelyek hasznosak lehetnek egy kondenzátor ESR méréséhez. Ezek a mérők váltakozó áramot használnak, például négyzethullámot egy adott frekvenciában a kondenzátoron keresztül. A jel frekvenciaváltozása alapján kiszámítható a kondenzátor ESR értéke. Ennek a módszernek az az előnye, hogy mivel az ESR-t közvetlenül a kondenzátor két kapcsa felett mérik, meg lehet mérni anélkül, hogy forrasztanánk azt az áramköri lapról.

A kondenzátor ESR- értékének kiszámításának másik elméleti módja a kondenzátor Ripple feszültségének és Ripple áramának a mérése, majd mindkettő aránya megadja az ESR értékét a kondenzátorban. Azonban egy gyakoribb ESR mérési modell az, hogy váltakozó áramú forrást alkalmaznak a kondenzátoron, további ellenállással. Az alábbiakban az ESR mérésére szolgáló nyers áramkört mutatjuk be

A Vs a szinusz hullámforrás és R1 a belső ellenállás. A C kondenzátor az ideális kondenzátor, míg az R2 az ideális C kondenzátor egyenértékű sorozatú ellenállása. Egy dologra emlékezni kell, hogy ebben az ESR mérési modellben a kondenzátor ólominduktivitását figyelmen kívül hagyják, és nem tekintik a az áramkör.

Ennek az áramkörnek az átviteli funkciója az alábbi képlettel ábrázolható:

A fenti egyenletben az áramkör felüláteresztő képessége tükröződik; az átviteli függvény közelítése tovább értékelhető -

H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1

A fenti közelítés alkalmas nagyfrekvenciás műveletekre. Ezen a ponton az áramkör elkezd csillapodni és csillapítóként működik.

A csillapítási tényező a következőképpen fejezhető ki:

⍺ = R2 / (R2 + R1)

Ez a csillapítási tényező és a szinuszhullám-generátor R1 belső ellenállása felhasználható az ESR kondenzátorok mérésére.

R2 = ⍺ x R1

Ezért egy funkciógenerátor hasznos lehet a kondenzátorok ESR-értékének kiszámításához.

Normál esetben az ESR értéke néhány milliohmtól több ohmig terjed. Az alumínium elektrolit és tantál kondenzátorok magas ESR-rel rendelkeznek a dobozos vagy kerámia kondenzátorokhoz képest. A kondenzátorgyártási technológia modern fejlődése azonban lehetővé teszi a szuper alacsony ESR kondenzátorok gyártását.

Hogyan befolyásolja az ESR a kondenzátor teljesítményét

A kondenzátor ESR értéke kritikus tényező a kondenzátor kimenetéhez. A magas ESR kondenzátor elvezeti a hőt nagy áram esetén, és a kondenzátor élettartama végül csökken, ami szintén hozzájárul az elektronikai áramkörök hibás működéséhez. Tápegységekben, ahol a nagy áramerősség aggodalomra ad okot, az alacsony ESR-kapacitású kondenzátorokra szűrés céljából van szükség.

Nemcsak az áramellátással kapcsolatos műveletek, hanem az alacsony ESR-érték is elengedhetetlen a nagysebességű áramkör számára. Nagyon magas üzemi frekvenciákban, amelyek jellemzően több száz MHz-től több GHz-ig terjednek, a kondenzátor ESR-je létfontosságú szerepet játszik az áramellátási tényezőkben.

ESL a kondenzátorban

Az ESR-hez hasonlóan az ESR, a kondenzátorok szempontjából is döntő tényező. Amint azt korábban említettük, a kondenzátorok valós körülmények között nem ideálisak. Van kóbor ellenállás, valamint kóbor induktivitás. Az alábbiakban bemutatjuk a kondenzátor tipikus ESL-modelljét. A C kondenzátor az ideális kondenzátor, az L induktivitás pedig az ideális kondenzátorral sorba kapcsolt induktivitás.

Normális esetben az ESL nagymértékben megbízható az aktuális huroktól; az áramkör növekedése a kondenzátorokban az ESL-t is növeli. A vezeték végződése és az áramkör csatlakozási pontja közötti távolság (beleértve a párnákat vagy síneket) szintén befolyásolja a kondenzátorok ESL-jét, mivel a megszakadt távolság növeli az áramhurkot is, ami magas ekvivalens soros induktivitást eredményez.

Kondenzátor ESL mérése

Az ESL mérése könnyen elvégezhető a kondenzátor gyártójának adatlapján megadott impedancia / frekvencia diagram ábrázolásával. A kondenzátor impedanciája akkor változik, amikor a kondenzátoron átterjed a frekvencia. Abban a helyzetben, amikor egy adott frekvencián a kapacitív reaktancia és az induktív reaktancia egyenlő, ezt „térdpontnak” nevezik.

Ezen a ponton a kondenzátor önrezonál. A kondenzátor ESR-je hozzájárul ahhoz, hogy az impedancia-diagram egyenletessé váljon, amíg a kondenzátor el nem éri a „térd” pontot vagy az önrezonáló frekvencián. A térdpont után a kondenzátor impedanciája növekszik a kondenzátor ESL miatt.

A fenti kép egy MLCC (többrétegű kerámia kondenzátor) impedancia és frekvencia diagramja. Három kondenzátor, 100nF, 1nF X7R osztály és 1nF NP0 osztályú kondenzátor látható. A „térd” foltok könnyen azonosíthatók a V alakú ábra alsó részén.

Miután meghatároztuk a térdpont gyakoriságát, az ESL az alábbi képlettel mérhető

Frekvencia = 1 / (2π√ (ESL x C))

Hogyan befolyásolja az ESL a kondenzátor teljesítményét

A kondenzátorok kimenete a megnövekedett ESL érték mellett romlik, ugyanúgy, mint az ESR esetében. A megnövekedett ESL hozzájárul az áram nem kívánt áramlásához és EMI-t generál, ami további hibákat okoz a nagyfrekvenciás alkalmazásokban. Az áramellátással kapcsolatos rendszerben a parazita induktivitás hozzájárul a magas hullámfeszültséghez. A hullámfeszültség arányos a kondenzátorok ESL-értékével. A kondenzátor nagy ESL-értéke csengő hullámformákat is indukálhat, ezáltal az áramkör furcsán viselkedhet.

Az ESR és az ESL gyakorlati jelentősége

Az alábbi kép bemutatja az ESR és az ESL tényleges modelljét a kondenzátorban.

Itt a C kondenzátor ideális kondenzátor, az R ellenállás egyenértékű sorozatú ellenállás és az L induktivitás az ekvivalens sorozatú induktivitás. E három kombinálásával elkészül a valódi kondenzátor.

Az ESR és az ESL nem olyan kellemes jellemzői a kondenzátornak, amelyek különféle teljesítménycsökkenést okoznak az elektronikus áramkörökben, különösen nagyfrekvenciás és nagyáramú alkalmazásokban. A magas ESR-érték hozzájárul a gyenge teljesítményhez az ESR által okozott energiaveszteség miatt; az energiaveszteség kiszámítható az I ² R teljesítménytörvény alkalmazásával, ahol R az ESR értéke. Nem csak ez, hanem zajok és nagy feszültségesés is előfordulhat az ohmos törvény szerinti magas ESR-érték miatt. A modern kondenzátorgyártási technológia csökkenti a kondenzátor ESR és ESL értékét. Óriási fejlődés tapasztalható a többrétegű kondenzátorok mai SMD verzióiban.

Az alacsonyabb ESR és ESL értékű kondenzátorokat előnyben részesítik kimeneti szűrőként a kapcsolóüzemű áramkörökben vagy az SMPS konstrukciókban, mivel a kapcsolási frekvencia ezekben az esetekben magas, jellemzően több MH _z közelében, több száz kHz tartományban. Emiatt a bemeneti kondenzátornak és a kimeneti szűrő kondenzátoroknak alacsony ESR értékűeknek kell lenniük, hogy az alacsony frekvenciájú hullámzásnak nincs hatása a tápegység teljes teljesítményére. A kondenzátorok ESL-jének is alacsonynak kell lennie, így a kondenzátor impedanciája nem lép kölcsönhatásba a tápegység kapcsolási frekvenciájával.

Alacsony zajszintű tápegységben, ahol el kell kerülni a zajokat, és a kimeneti szűrő fokozatainak alacsonynak kell lenniük, a kiváló minőségű szuper alacsony ESR és az alacsony ESL kondenzátorok hasznosak a sima kimenet és a terhelés stabil áramellátása érdekében. Egy ilyen alkalmazásban a polimer elektrolitok megfelelő választás és általában előnyösek az alumínium elektrolit kondenzátorokkal szemben.