- ESR в конденсаторах
- Измерение ESR в конденсаторах
- Как ESR влияет на производительность конденсатора
- ESL в конденсаторе
- Измерение ESL конденсатора
- Как ESL влияет на выход конденсатора
- Практическое значение ESR и ESL
Наиболее часто используемые электронные компоненты в любой электронной конструкции - это резисторы (R), конденсаторы (C) и индукторы (L). Большинство из нас знакомо с основами этих трех пассивных компонентов и с тем, как их использовать. Теоретически (в идеальных условиях) конденсатор можно рассматривать как чистый конденсатор с только емкостными свойствами, но на практике конденсатор также будет иметь связанные с ним некоторые резистивные и индуктивные свойства, которые мы называем паразитным сопротивлением или паразитной индуктивностью. Да, как и у паразита, эти нежелательные свойства сопротивления и индуктивности находятся внутри конденсатора, не позволяя ему вести себя как чистый конденсатор.
Следовательно, при проектировании схемы инженеры в первую очередь рассматривают идеальную форму компонента, в этом случае емкость, а затем вместе с ней паразитные компоненты (индуктивность и сопротивление) также считаются включенными последовательно с ней. Это паразитное сопротивление называется эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), а паразитная индуктивность называется эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL). Значение этой индуктивности и сопротивления будет очень маленьким, поэтому им можно пренебречь в простых конструкциях. Но в некоторых приложениях с высокой мощностью или высокой частотой это значение может быть очень важным и, если его не учитывать, может снизить эффективность компонента или привести к неожиданным результатам.
В этой статье мы узнаем больше об ESR и ESL, о том, как их измерить и как они могут повлиять на схему. Подобно этому, индуктор также будет иметь некоторые связанные с ним паразитные свойства, называемые DCR, которые мы обсудим в другой статье в другой раз.
ESR в конденсаторах
Идеальный конденсатор, соединенный последовательно с сопротивлением, называется эквивалентным последовательным сопротивлением конденсатора. Эквивалентное последовательное сопротивление или ESR в конденсаторе - это внутреннее сопротивление, которое появляется последовательно с емкостью устройства.
Давайте посмотрим на символы ниже , которые представляют ESR конденсатора. Символ конденсатора представляет идеальный конденсатор и резистор как эквивалентное последовательное сопротивление. Резистор включен последовательно с конденсатором.
Идеально подходит конденсатор без потерь, то есть конденсатор магазина заряда и обеспечивает такое же количество заряда в качестве выхода. Но в реальном мире конденсаторы имеют небольшое конечное внутреннее сопротивление. Это сопротивление возникает из-за диэлектрического материала, утечки в изоляторе или сепараторе. В дополнение к этому эквивалентное последовательное сопротивление или ESR будет иметь разные значения в разных типах конденсаторов в зависимости от их значения емкости и конструкции. Следовательно, мы должны измерить значение этого ESR практически, чтобы проанализировать полные характеристики конденсатора.
Измерение ESR в конденсаторах
Измерение ESR конденсатора немного сложно, потому что сопротивление не является чистым сопротивлением постоянному току. Это связано с свойством конденсаторов. Конденсаторы блокируют постоянный ток и пропускают переменный ток. Поэтому стандартный измеритель сопротивления не может использоваться для измерения ESR. Существуют специальные измерители ESR, доступные на рынке, которые могут быть полезны для измерения ESR конденсатора. В этих измерителях используется переменный ток, например прямоугольная волна определенной частоты через конденсатор. На основании изменения частоты сигнала можно рассчитать значение ESR конденсатора. Преимущество этого метода заключается в том, что, поскольку ESR измеряется непосредственно на двух выводах конденсатора, его можно измерить, не снимая пайки с печатной платы.
Другой теоретический способ вычисления ESR конденсатора - это измерение напряжения пульсаций и тока пульсаций конденсатора, а затем их соотношение даст значение ESR в конденсаторе. Однако более распространенная модель измерения ESR заключается в применении источника переменного тока через конденсатор с дополнительным сопротивлением. Примерная схема измерения ESR показана ниже.
Vs - это источник синусоидальной волны, а R1 - внутреннее сопротивление. Конденсатор C - это идеальный конденсатор, тогда как R2 - эквивалентное последовательное сопротивление идеального конденсатора C. Следует помнить одну вещь: в этой модели измерения ESR индуктивность выводов конденсатора игнорируется и не рассматривается как часть схема.
Передаточная функция этой схемы может быть изображена на ниже формулировках
В приведенном выше уравнении отражена характеристика схемы верхних частот; приближение передаточной функции может быть далее оценено как -
H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1
Приведенное выше приближение подходит для высокочастотных операций. В этот момент схема начинает ослабляться и действовать как аттенюатор.
Коэффициент затухания можно выразить как -
⍺ = R2 / (R2 + R1)
Этот коэффициент затухания и внутреннее сопротивление R1 генератора синусоидальной волны можно использовать для измерения ESR конденсаторов.
R2 = ⍺ x R1
Следовательно, функциональный генератор может быть полезен для расчета ESR конденсаторов.
Обычно значение ESR колеблется от нескольких миллиомов до нескольких Ом. Алюминиевые электролитические и танталовые конденсаторы имеют более высокое значение ESR по сравнению с коробчатыми или керамическими конденсаторами. Однако современные достижения в технологии производства конденсаторов делают возможным производство конденсаторов со сверхнизким ESR.
Как ESR влияет на производительность конденсатора
Значение ESR конденсатора является решающим фактором для выхода конденсатора. Конденсатор с высоким ESR рассеивает тепло при сильном токе, и в конечном итоге срок службы конденсатора сокращается, что также способствует сбоям в электронных схемах. В источниках питания, где большой ток является проблемой, конденсаторы с низким ESR необходимы для фильтрации.
Не только в операциях, связанных с источником питания, но и низкое значение ESR также важно для высокоскоростной цепи. На очень высоких рабочих частотах, обычно в диапазоне от сотен МГц до нескольких ГГц, ESR конденсатора играет жизненно важную роль в факторах подачи мощности.
ESL в конденсаторе
Как и ESR, ESL также является решающим фактором для конденсаторов. Как обсуждалось ранее, в реальной ситуации конденсаторы не идеальны. Существует паразитное сопротивление, а также паразитная индуктивность. Типичная модель конденсатора ESL показана ниже. Конденсатор C - это идеальный конденсатор, а катушка индуктивности L - это последовательно включенная индуктивность с идеальным конденсатором.
Обычно ESL очень зависит от токовой петли; Увеличение токовой петли также увеличивает ESL в конденсаторах. Расстояние между выводом вывода и точкой соединения цепи (включая контактные площадки или дорожки) также влияет на ESL в конденсаторах, поскольку увеличенное расстояние вывода также увеличивает токовую петлю, что приводит к высокой эквивалентной последовательной индуктивности.
Измерение ESL конденсатора
Измерение ESL можно легко выполнить, наблюдая за графиком зависимости импеданса от частоты, приведенным в таблице данных производителя конденсатора. Импеданс конденсатора изменяется при изменении частоты на конденсаторе. В ситуации, когда на определенной частоте емкостное реактивное сопротивление и индуктивное реактивное сопротивление равны, это называется «точкой перегиба».
В этот момент конденсатор сам резонирует. ESR конденсатора способствует выравниванию графика импеданса до тех пор, пока конденсатор не достигнет точки «колена» или на частоте саморезонирования. После точки перегиба сопротивление конденсатора начинает увеличиваться из-за ESL конденсатора.
Изображение выше представляет собой график зависимости сопротивления от частоты MLCC (многослойного керамического конденсатора). Показаны три конденсатора: 100 нФ, 1 нФ класса X7R и 1 нФ конденсаторов класса NP0. «Коленные» пятна можно легко определить по нижней точке V-образного графика.
После определения частоты точки перегиба ESL можно измерить по следующей формуле
Частота = 1 / (2π√ (ESL x C))
Как ESL влияет на выход конденсатора
Выход конденсаторов ухудшается из-за увеличения ESL, как и ESR. Повышенный ESL способствует нежелательному протеканию тока и генерирует электромагнитные помехи, которые в дальнейшем создают сбои в высокочастотных приложениях. В системе, связанной с источником питания, паразитная индуктивность способствует высокой пульсации напряжения. Напряжение пульсаций пропорционально значению ESL конденсаторов. Большое значение ESL конденсатора также может вызвать вызывные сигналы, из-за чего схема будет вести себя странно.
Практическое значение ESR и ESL
На изображении ниже представлена фактическая модель ESR и ESL в конденсаторе.
Здесь конденсатор C - это идеальный конденсатор, резистор R - это эквивалентное последовательное сопротивление, а катушка индуктивности L - это эквивалентная последовательная индуктивность. Объединяя эти три, получается настоящий конденсатор.
ESR и ESL - это не очень приятные характеристики конденсатора, которые вызывают различные снижения производительности электронных схем, особенно в высокочастотных и сильноточных приложениях. Высокое значение ESR способствует снижению производительности из-за потерь мощности, вызванных ESR; потерю мощности можно рассчитать, используя степенной закон I 2 R, где R - значение ESR. Кроме того, из-за высокого значения ESR в соответствии с законом Ома возникают шумы и высокое падение напряжения. Современная технология производства конденсаторов снижает значения ESR и ESL конденсатора. Огромное улучшение можно увидеть в сегодняшних версиях многослойных конденсаторов для поверхностного монтажа.
Конденсаторы с более низким значением ESR и ESL предпочтительны в качестве выходных фильтров в схемах импульсного источника питания или в конструкциях SMPS, поскольку в этих случаях частота переключения высока, обычно близка к нескольким MH z в диапазоне от сотен кГц. По этой причине входной конденсатор и конденсаторы выходного фильтра должны иметь низкое значение ESR, чтобы низкочастотные пульсации не влияли на общую производительность блока питания. ESL конденсаторов также должен быть низким, чтобы сопротивление конденсатора не влияло на частоту переключения источника питания.
В источнике питания с низким уровнем шума, где шумы необходимо подавлять, а количество каскадов выходного фильтра должно быть небольшим, высококачественные конденсаторы со сверхнизким ESR и низким ESL полезны для плавного выхода и стабильной подачи мощности на нагрузку. В таком применении полимерные электролиты являются подходящим выбором и обычно предпочтительнее алюминиевых электролитических конденсаторов.