- ESR v kondenzátoroch
- Meranie ESR v kondenzátoroch
- Ako ESR ovplyvňuje výkon kondenzátora
- ESL v kondenzátore
- Meranie ESL kondenzátora
- Ako ESL ovplyvňuje výstup kondenzátora
- Praktický význam ESR a ESL
Najpoužívanejšie elektronické súčiastky v akomkoľvek elektronickom prevedení sú rezistory (R), kondenzátory (C) a induktory (L). Väčšina z nás je oboznámená so základmi týchto troch pasívnych súčastí a s tým, ako ich používať. Teoreticky (za ideálnych podmienok) môžeme kondenzátor považovať za čistý kondenzátor s iba kapacitnými vlastnosťami, ale v praxi bude mať kondenzátor s ním spojené aj niektoré odporové a indukčné vlastnosti, ktoré nazývame parazitický odpor alebo parazitná indukčnosť. Áno, rovnako ako parazit tieto nežiaduce vlastnosti odporu a indukčnosti sedia vo vnútri kondenzátora, ktorý mu bráni správať sa ako čistý kondenzátor.
Preto pri navrhovaní obvodových inžinierov primárne zohľadňujú ideálnu formu súčiastky, v tomto prípade kapacitu a spolu s ňou aj parazitné súčasti (indukčnosť a odpor), ktoré sú s ňou v sérii. Táto parazitná rezistencia sa nazýva ekvivalentný sériový odpor (ESR) a parazitná indukčnosť sa nazýva ekvivalentná sériová indukčnosť (ESL). Hodnota tejto indukčnosti a odporu bude veľmi malá, takže ju možno v jednoduchých prevedeniach zanedbať. Ale v niektorých aplikáciách s vysokým výkonom alebo vysokou frekvenciou môže byť táto hodnota veľmi zásadná a ak sa nebude brať do úvahy, môže to znížiť účinnosť komponentu alebo dosiahnuť neočakávané výsledky.
V tomto článku sa dozvieme viac o týchto ESR a ESL, o tom, ako ich merať a ako môžu ovplyvňovať obvod. Podobne ako v tomto prípade bude mať induktor aj niektoré parazitické vlastnosti spojené s ním, ktoré sa nazývajú DCR a o ktorých si ešte niekedy povieme v inom článku.
ESR v kondenzátoroch
Ideálny kondenzátor v sérii s odporom sa nazýva Ekvivalentný sériový odpor kondenzátora. Ekvivalentný sériový odpor alebo ESR v kondenzátore je vnútorný odpor, ktorý sa objavuje v sérii s kapacitou zariadenia.
Pozrime sa na nasledujúce symboly, ktoré predstavujú ESR kondenzátora. Symbol kondenzátora predstavuje ideálny kondenzátor a odpor ako ekvivalentný sériový odpor. Rezistor je zapojený do série s kondenzátorom.
Ideálne kondenzátor je bezstratový, čo znamená, že kondenzátor obchod náboj a dodáva rovnaké množstvo náboja ako výstup. Ale v skutočnom svete majú kondenzátory malú hodnotu konečného vnútorného odporu. Tento odpor pochádza z dielektrického materiálu, úniku v izolátore alebo v separátore. Okrem toho bude mať ekvivalentný sériový odpor alebo ESR rôzne hodnoty v rôznych typoch kondenzátorov na základe jeho kapacitnej hodnoty a konštrukcie. Preto musíme prakticky zmerať hodnotu tohto ESR, aby sme mohli analyzovať kompletné vlastnosti kondenzátora.
Meranie ESR v kondenzátoroch
Meranie ESR kondenzátora je trochu zložité, pretože odpor nie je čistý jednosmerný odpor. Je to spôsobené vlastnosťou kondenzátorov. Kondenzátory blokujú jednosmerný prúd a prechádzajú striedavým prúdom. Preto nie je možné na meranie ESR použiť štandardný ohmový meter. Na trhu sú k dispozícii špecifické merače ESR, ktoré môžu byť užitočné na meranie ESR kondenzátora. Tieto merače používajú striedavý prúd, napríklad štvorcovú vlnu so špecifickou frekvenciou na kondenzátore. Na základe zmeny frekvencie signálu je možné vypočítať hodnotu ESR kondenzátora. Výhodou tejto metódy je, že keďže ESR sa meria priamo na dvoch svorkách kondenzátora, je možné ho merať bez toho, aby sa spájka spájkovala z dosky plošných spojov.
Ďalším teoretickým spôsobom, ako vypočítať ESR kondenzátora, je zmerať zvlnenie napätia a zvlnenie prúdu kondenzátora a potom pomer oboch poskytne hodnotu ESR v kondenzátore. Avšak, viac obyčajný modelu merania ESR sa použije zdroj striedavého prúdu cez kondenzátor s prídavným odporom. Hrubý obvod na meranie ESR je uvedený nižšie
Vs je sínusový zdroj a R1 je vnútorný odpor. Kondenzátor C je ideálny kondenzátor, zatiaľ čo R2 je ekvivalentný sériový odpor ideálneho kondenzátora C. Je potrebné pamätať na to, že v tomto modeli merania ESR je indukčnosť olova kondenzátora ignorovaná a nepovažuje sa za súčasť obvod.
Prenosová funkcia tohto obvodu je možné znázorniť v nižšie formula-
Vo vyššie uvedenej rovnici sa odráža funkcia horného priechodu obvodu; aproximáciu prenosovej funkcie možno ďalej hodnotiť ako -
H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1
Vyššie uvedená aproximácia je vhodná pre vysokofrekvenčné operácie. V tomto okamihu začne obvod zoslabovať a bude pôsobiť ako zoslabovač.
Faktor útlmu možno vyjadriť ako -
⍺ = R2 / (R2 + R1)
Tento zoslabovací faktor a vnútorný odpor generátora sínusových vĺn R1 sa môžu použiť na meranie kondenzátorov ESR.
R2 = ⍺ x R1
Preto môže byť generátor funkcií užitočný na výpočet ESR kondenzátorov.
Normálne sa hodnota ESR pohybuje od niekoľkých miliohmov do niekoľkých ohmov. Hliníkové elektrolytické a tantalové kondenzátory majú vysoké ESR v porovnaní s krabicovými alebo keramickými kondenzátormi. Moderný pokrok v technológii výroby kondenzátorov však umožňuje vyrábať kondenzátory s veľmi nízkym ESR.
Ako ESR ovplyvňuje výkon kondenzátora
Hodnota ESR kondenzátora je rozhodujúcim faktorom pre výstup kondenzátora. Vysoký kondenzátor ESR odvádza teplo pri vysokonapäťových aplikáciách a životnosť kondenzátora sa nakoniec zníži, čo tiež prispieva k poruche elektronických obvodov. V napájacích zdrojoch, kde je problémom vysoký prúd, sú na účely filtrácie potrebné kondenzátory s nízkym ESR.
Pre vysokorýchlostný obvod je nevyhnutná nielen prevádzka napájania, ale aj nízka hodnota ESR. Pri veľmi vysokých prevádzkových frekvenciách, obvykle v rozmedzí od stoviek MHz do niekoľkých GHz, hrá ESR kondenzátora zásadnú úlohu vo faktoroch dodávania energie.
ESL v kondenzátore
Rovnako ako ESR, aj ESL je rozhodujúcim faktorom pre kondenzátory. Ako už bolo uvedené, kondenzátory v reálnej situácii nie sú ideálne. Existuje rozptylný odpor aj rozptylová indukčnosť. Typický model kondenzátora ESL uvedený nižšie. Kondenzátor C je ideálny kondenzátor a induktor L je sériová indukčnosť zapojená do série s ideálnym kondenzátorom.
Normálne je ESL veľmi spoľahlivý na prúdovej slučke; zvýšenie prúdovej slučky tiež zvyšuje ESL v kondenzátoroch. Vzdialenosť medzi zakončením elektródy a bodom spojenia obvodu (vrátane podložiek alebo stôp) ovplyvňuje aj ESL v kondenzátoroch, pretože zväčšená ukončovacia vzdialenosť tiež zvyšuje prúdovú slučku, čo vedie k vysokej ekvivalentnej sériovej indukčnosti.
Meranie ESL kondenzátora
Meranie ESL je možné ľahko vykonať sledovaním grafu impedancie proti frekvencii, ktorý je uvedený v údajovom liste výrobcu kondenzátora. Impedancia kondenzátora sa mení pri zmene frekvencie na kondenzátore. V situácii, keď sú na špecifickej frekvencii kapacitná reaktancia a indukčná reaktancia rovnaké, nazýva sa to „bod kolena“.
V tomto okamihu kondenzátor sám rezonuje. ESR kondenzátora prispieva k vyrovnaniu grafu impedancie, kým kondenzátor nedosiahne „koleno“ alebo na samon rezonančnej frekvencii. Po bode kolena sa impedancia kondenzátora začne zvyšovať v dôsledku ESL kondenzátora.
Vyššie uvedený obrázok je grafom impedancie a frekvencie MLCC (viacvrstvový keramický kondenzátor). Zobrazené sú tri kondenzátory, 100nF, 1nF trieda X7R a 1nF kondenzátorov triedy NP0. „Kolenné“ škvrny možno ľahko identifikovať v dolnom bode grafu v tvare V.
Akonáhle je identifikovaná frekvencia bodu kolena, môže sa ESL merať pomocou nižšie uvedeného vzorca
Frekvencia = 1 / (2π√ (ESL x C))
Ako ESL ovplyvňuje výstup kondenzátora
Výstup kondenzátorov sa zhoršuje zvýšeným ESL, rovnako ako ESR. Zvýšená hodnota ESL prispieva k nežiaducemu toku prúdu a generuje EMI, čo ďalej spôsobuje poruchy vo vysokofrekvenčných aplikáciách. V systéme spojenom s napájaním prispieva parazitická indukčnosť k vysokému zvlňovaniu napätia. Zvlnenie napätia je úmerné hodnote ESL kondenzátorov. Veľká hodnota ESL kondenzátora môže tiež vyvolať zvonenie kriviek, čo spôsobí, že sa obvod bude správať nepárne.
Praktický význam ESR a ESL
Nasledujúci obrázok poskytuje skutočný model ESR a ESL v kondenzátore.
Tu je kondenzátor C ideálnym kondenzátorom, odpor R je ekvivalentný sériový odpor a induktor L je ekvivalentná sériová indukčnosť. Kombináciou týchto troch sa vytvorí skutočný kondenzátor.
ESR a ESL nie sú také príjemné vlastnosti kondenzátora, ktoré spôsobujú rôzne znižovanie výkonu elektronických obvodov, najmä pri vysokofrekvenčných a silnoprúdových aplikáciách. Vysoká hodnota ESR prispieva k zlému výkonu v dôsledku energetických strát spôsobených ESR; stratu výkonu je možné vypočítať pomocou zákona Power I 2 R, kde R je hodnota ESR. Nielen to, zvuky a vysoký pokles napätia sa vyskytujú aj kvôli vysokej hodnote ESR podľa Ohmovho zákona. Moderná technológia výroby kondenzátorov znižuje hodnotu ESR a ESL kondenzátora. Obrovské zlepšenie je možné vidieť v dnešných SMD verziách viacvrstvových kondenzátorov.
Kondenzátory s nižšou hodnotou ESR a ESL sa uprednostňujú ako výstupné filtre v spínacích napájacích obvodoch alebo v dizajnoch SMPS, pretože spínacia frekvencia je v týchto prípadoch vysoká, zvyčajne sa blíži k niekoľkým MH z v rozmedzí od stoviek kHz. Z tohto dôvodu musia byť vstupné kondenzátory a kondenzátory výstupných filtrov na nízkej hodnote ESR, aby nízkofrekvenčné vlnenie nemalo žiadny vplyv na celkový výkon napájacieho zdroja. ESL kondenzátorov musí byť tiež nízka, aby impedancia kondenzátora nereagovala s frekvenciou spínania napájania.
V prípade napájacieho zdroja s nízkym šumom, kde je potrebné potlačiť šum a počet výstupných filtrov by mal byť nízky, sú veľmi kvalitné vysokonapäťové kondenzátory ESR a ESL s nízkym šumom užitočné pre plynulý výstup a stabilný prísun energie do záťaže. Pri takomto použití sú polymérové elektrolyty vhodnou voľbou a bežne sa uprednostňujú pred hliníkovými elektrolytickými kondenzátormi.