Forståelse af esr og esl i kondensatorer

De mest anvendte elektronikkomponenter i ethvert elektronisk design er modstande (R), kondensatorer (C) og induktorer (L). De fleste af os er fortrolige med det grundlæggende i disse tre passive komponenter og hvordan man bruger dem. Teoretisk (under ideelle forhold) kan en kondensator betragtes som en ren kondensator med kun kapacitive egenskaber, men i praksis vil en kondensator også have nogle resistive og induktive egenskaber forbundet med den, som vi kalder som parasitær modstand eller parasitisk induktans. Ja, ligesom en parasit sidder denne uønskede modstands- og induktansegenskaber inde i en kondensator, der forhindrer den i at opføre sig som en ren kondensator.

Derfor, mens design af et kredsløb ingeniører primært overveje den ideelle form for komponenten, i dette tilfælde kapacitans og derefter sammen med det parasitiske komponenter (induktans og modstand) anses også for at være i serie med det. Denne parasitære modstand betegnes som den ækvivalente serieresistens (ESR), og den parasitære induktans betegnes som den ækvivalente serieinduktans (ESL) Værdien af denne induktans og modstand vil være meget lille, så den kan forsømmes i enkle designs. Men i nogle applikationer med høj effekt eller høj frekvens kan disse værdier være meget afgørende, og hvis de ikke overvejes, kan det reducere komponentens effektivitet eller give uventede resultater.

I denne artikel lærer vi mere om denne ESR og ESL, hvordan man måler dem, og hvordan de kan påvirke et kredsløb. I lighed med dette vil en induktor også have nogle parasitære egenskaber forbundet med det kaldet DCR, som vi vil diskutere i en anden artikel en anden gang.

ESR i kondensatorer

En ideel kondensator i serie med modstand kaldes kondensatorens ækvivalente seriemodstand. Den tilsvarende seriemodstand eller ESR i en kondensator er den interne modstand, der vises i serie med enhedens kapacitans.

Lad os se nedenstående symboler, der repræsenterer ESR for kondensatoren. Kondensatorsymbolet repræsenterer den ideelle kondensator og modstanden som en ækvivalent seriemodstand. Modstanden er forbundet i serie med kondensatoren.

En ideel kondensator er tabsfri, hvilket betyder, at kondensatoren opbevarer opladning og leverer samme mængde opladning som output. Men i den virkelige verden har kondensatorer en lille værdi af endelig intern modstand. Denne modstand kommer fra det dielektriske materiale, lækage i en isolator eller i separatoren. Hertil kommer, at ækvivalent seriemodstand eller ESR har forskellige værdier i forskellige typer kondensatorer baseret på dens kapacitansværdi og konstruktion. Derfor må vi praktisk talt måle værdien af denne ESR for at analysere kondensatorens komplette egenskaber.

Måling af ESR i kondensatorer

Måling af ESR for en kondensator er lidt vanskelig, fordi modstanden ikke er en ren DC-modstand. Dette skyldes kondensatorens egenskab. Kondensatorer blokerer DC og passerer AC. Derfor kan standard ohm meter ikke bruges til at måle ESR. Der er specifikke ESR-målere, der er tilgængelige på markedet, som kan være nyttige til at måle ESR for en kondensator. Disse målere bruger vekselstrøm, såsom firkantbølge i en bestemt frekvens over kondensatoren. Baseret på ændringen i signalets frekvens kan kondensatorens ESR-værdi beregnes. En fordel med denne metode er, at da ESR måles direkte over de to terminaler på en kondensator, kan den måles uden at lodde den fra printkortet.

En anden teoretisk måde at beregne kondensatorens ESR på er at måle kondensatorens krusningsspænding og krusningsstrøm, og derefter vil forholdet mellem begge give værdien af ESR i kondensatoren. En mere almindelig ESR-målemodel er imidlertid at anvende vekselstrømskilde på tværs af kondensatoren med en ekstra modstand. Et rå kredsløb til måling af ESR er vist nedenfor

V'erne er sinusbølgekilden, og R1 er den interne modstand. Kondensatoren C er den ideelle kondensator, hvorimod R2 er modstanden til den tilsvarende kondensator C i den ækvivalente serie. En ting skal huskes er, at i denne ESR-målemodel ignoreres kondensatorens blyinduktans, og den betragtes ikke som en del af kredsløbet.

Den overføringsfunktion af dette kredsløb kan være afbildet i nedenstående ligning-

I ovenstående ligning reflekteres højpasfunktionen i kredsløbet; tilnærmelsen af overførselsfunktionen kan yderligere evalueres som -

H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1

Ovenstående tilnærmelse er velegnet til højfrekvente operationer. På dette tidspunkt begynder kredsløbet at dæmpes og fungere som en dæmper.

Dæmpningsfaktoren kan udtrykkes som -

⍺ = R2 / (R2 + R1)

Denne dæmpningsfaktor og sinusbølgeneratorens interne modstand R1 kan bruges til at måle kondensatorerne ESR.

R2 = ⍺ x R1

Derfor kan en funktionsgenerator være nyttig til at beregne kondensatorernes ESR.

Normalt varierer ESR-værdien fra nogle få milliohm til flere ohm. Elektrolytiske aluminium- og tantalkondensatorer har høj ESR sammenlignet med kassetypen eller keramiske kondensatorer. Imidlertid gør moderne fremskridt inden for produktion af kondensatorteknologi det muligt at fremstille super lave ESR-kondensatorer.

Hvordan ESR påvirker kondensatorens ydeevne

Kondensatorens ESR-værdi er en afgørende faktor for kondensatoroutput. Høj ESR kondensator spreder varme i applikationer med høj strøm, og kondensatorens levetid falder til sidst, hvilket også bidrager til funktionsfejl i elektronikkredsløb. I strømforsyninger, hvor høj strøm er bekymret, kræves de lave ESR-kondensatorer til filtreringsformål.

Ikke kun i strømforsyningsrelaterede operationer, men med lav ESR-værdi, er også afgørende for højhastighedskredsløbet. I meget høje driftsfrekvenser, typisk fra hundreder af MHz til flere GHz, spiller kondensatorens ESR en vigtig rolle i effektleveringsfaktorer.

ESL i kondensator

Det samme som ESR er ESL også en afgørende faktor for kondensatorer. Som tidligere diskuteret er kondensatorer i reel situation ikke ideelle. Der er en omstrejfende modstand såvel som omstrejfende induktans. En typisk ESL-model af kondensator vist nedenfor. Kondensatoren C er den ideelle kondensator, og induktoren L er serieinduktansen forbundet i serie med den ideelle kondensator.

Normalt er ESL meget pålidelig på den aktuelle sløjfe; stigning i strømsløjfe øger også ESL i kondensatorer. Afstanden mellem ledningstermineringen og kredsløbsforbindelsespunktet (inklusive elektroder eller spor) påvirker også ESL i kondensatorer, fordi øget termineringsafstand også øger strømsløjfen, hvilket resulterer i høj ækvivalent serieinduktans.

Måling af ESL af en kondensator

Måling af ESL kan udføres let ved at observere impedansen versus frekvensplot givet af kondensatorproducentens datablad. Kondensatorens impedans ændres, når frekvensen på tværs af kondensatoren ændres. Under situationen, når den kapacitive reaktans og den induktive reaktans i en bestemt frekvens er ens, kaldes den 'knæpunktet'.

På dette tidspunkt resonerer kondensatoren selv. Kondensatorens ESR bidrager til at udflade impedansplottet, indtil kondensatoren nåede 'knæ'-stedet eller ved den selvresonerende frekvens. Efter knæpunktet begynder kondensatorimpedansen at stige på grund af kondensatorens ESL.

Ovenstående billede er en impedans vs frekvens plot af en MLCC (flerlags keramisk kondensator). Tre kondensatorer, 100nF, 1nF X7R klasse og 1nF NP0 klasse kondensatorer vises. 'Knæpletterne kan let identificeres på tværs af det nederste punkt i V-formet plot.

Når knepunktfrekvensen er identificeret, kan ESL måles ved hjælp af nedenstående formel

Frekvens = 1 / (2π√ (ESL x C))

Hvordan ESL påvirker kondensatoroutput

Kondensatorens output nedbrydes med øget ESL, det samme som ESR. Øget ESL bidrager til den uønskede strøm af strøm og genererer EMI, hvilket yderligere skaber funktionsfejl i højfrekvente applikationer. I strømforsyningsrelateret system bidrager parasitisk induktans til den høje krusningsspænding. Rippelspænding er proportional med kondensatorernes ESL-værdi. Stor ESL-værdi af kondensator kan også inducere ringende bølgeformer, hvilket gør kredsløbet til at opføre sig underligt.

Praktisk betydning af ESR og ESL

Billedet nedenfor giver den aktuelle model af ESR og ESL i kondensator.

Her er kondensatoren C en ideel kondensator, modstanden R er ækvivalent seriemodstand og induktoren L er den ækvivalente serieinduktans. Ved at kombinere disse tre er den virkelige kondensator lavet.

ESR og ESL er ikke så behagelige egenskaber ved en kondensator, som forårsager en række præstationsreduktioner i elektroniske kredsløb, især i applikationer med høj frekvens og høj strøm. Høj ESR-værdi bidrager til den dårlige ydeevne på grund af effekttab forårsaget af ESR; effekttabet kan beregnes ved hjælp af Power law I ² R, hvor R er ESR-værdien. Ikke kun dette, støj og højspændingsfald opstår også på grund af høj ESR-værdi i henhold til Ohms-loven. Moderne teknologi til fremstilling af kondensator reducerer kondensatorens ESR- og ESL-værdi. En kæmpe forbedring kan ses i dagens SMD-versioner af flerlagskondensatorer.

Kondensatorer med lavere ESR- og ESL-værdi foretrækkes som udgangsfiltre i kobling af strømforsyningskredsløb eller SMPS-design, fordi omskifterfrekvensen i disse tilfælde er høj, typisk tæt på adskillige MH _z fra hundreder af kHz. På grund af dette skal indgangskondensatoren og udgangsfilterkondensatorerne have en lav ESR-værdi, så lavfrekvente krusninger ikke har nogen indvirkning på strømforsyningsenhedens samlede ydeevne. Kondensatorernes ESL skal også være lav, så kondensatorens impedans ikke interagerer med strømforsyningens omskiftningsfrekvens.

I en strømforsyning med lavt støjniveau, hvor støjene skal undertrykkes, og outputfiltret skal være lavt i antal, er højkvalitets super lav ESR og lave ESL kondensatorer nyttige til glat output og stabil strømforsyning til belastningen. I en sådan anvendelse er polymerelektrolytter et passende valg og foretrækkes ofte frem for elektrolytiske aluminiumkondensatorer.