- ESR v kondenzatorjih
- Merjenje ESR v kondenzatorjih
- Kako ESR vpliva na delovanje kondenzatorja
- ESL v kondenzatorju
- Merjenje ESL kondenzatorja
- Kako ESL vpliva na izhod kondenzatorja
- Praktični pomen ESR in ESL
Najbolj uporabljene elektronske komponente v katerem koli elektronskem oblikovanju so upori (R), kondenzatorji (C) in induktorji (L). Večina od nas pozna osnove teh treh pasivnih komponent in kako jih uporabljati. Teoretično (v idealnih pogojih) lahko kondenzator štejemo za čisti kondenzator z zgolj kapacitivnimi lastnostmi, v praksi pa bo kondenzator povezan z njim tudi nekaj uporovnih in induktivnih lastnosti, ki jih imenujemo parazitska odpornost ali parazitska induktivnost. Da, tako kot parazit ta neželena odpornost in induktivnost deluje znotraj kondenzatorja in mu preprečuje, da bi se obnašal kot čisti kondenzator.
Zato med načrtovanjem vezij inženirji upoštevajo predvsem idealno obliko komponente, v tem primeru se kapacitivnost in nato skupaj z njo štejejo tudi parazitske komponente (induktivnost in upor). Ta parazitska odpornost se imenuje enakovredna serijska upornost (ESR), parazitska induktivnost pa enakovredna serijska induktivnost (ESL). Vrednost te induktivnosti in odpornosti bo zelo majhna, zato jo lahko v preprostih izvedbah zanemarimo. Toda v nekaterih aplikacijah z visoko močjo ali visoko frekvenco so te vrednosti lahko zelo ključne in če se ne upoštevajo, lahko zmanjšajo učinkovitost komponente ali dajo nepričakovane rezultate.
V tem članku bomo izvedeli več o ESR in ESL, kako jih izmeriti in kako lahko vplivajo na vezje. Podobno kot Induktor ima z njim povezane tudi nekatere parazitske lastnosti, imenovane DCR, o katerih bomo kdaj drugič razpravljali v drugem članku.
ESR v kondenzatorjih
Idealni kondenzator v seriji z uporom se imenuje enakovredna serijska upornost kondenzatorja. Enakovredna serijska upornost ali ESR v kondenzatorju je notranji upor, ki se pojavi zaporedno s kapacitivnostjo naprave.
Oglejmo si spodnje simbole, ki predstavljajo ESR kondenzatorja. Simbol kondenzatorja predstavlja idealni kondenzator in upor kot enakovredno serijsko upornost. Upor je zaporedno povezan s kondenzatorjem.
Idealni kondenzator je brez izgub, kar pomeni, da trgovina naboj kondenzatorja in zagotavlja enako količino brezplačno kot izhod. Toda v resničnem svetu imajo kondenzatorji majhno vrednost končnega notranjega upora. Ta odpor izvira iz dielektričnega materiala, puščanja v izolatorju ali v separatorju. Če k temu dodamo, bo imel enakovredni serijski upor ali ESR različne vrednosti pri različnih vrstah kondenzatorjev glede na njegovo kapacitetno vrednost in konstrukcijo. Zato moramo izmeriti vrednost tega ESR praktično, da analiziramo celotne značilnosti kondenzatorja.
Merjenje ESR v kondenzatorjih
Merjenje ESR kondenzatorja je nekoliko zapleteno, ker upor ni zgolj enosmerni upor. To je posledica lastnosti kondenzatorjev. Kondenzatorji blokirajo enosmerni tok in prenašajo izmenični tok. Zato standardnega merilnika ohmov ni mogoče uporabiti za merjenje ESR. Na trgu so na voljo posebni merilniki ESR, ki so lahko koristni za merjenje ESR kondenzatorja. Ti števci uporabljajo izmenični tok, na primer kvadratni val v določeni frekvenci na kondenzatorju. Na podlagi spremembe frekvence signala lahko izračunamo vrednost ESR kondenzatorja. Prednost te metode je, da se ESR, ker se meri neposredno na obeh sponkah kondenzatorja, lahko izmeri, ne da bi ga odlepili z vezja.
Drug teoretični način izračuna ESR kondenzatorja je merjenje napetosti valovanja in valovanja toka kondenzatorja, nato pa bo razmerje obeh dalo vrednost ESR v kondenzatorju. Vendar je bolj pogost model merjenja ESR uporaba vira izmeničnega toka čez kondenzator z dodatnim uporom. Surovo vezje za merjenje ESR je prikazano spodaj
Vs je vir sinusnega vala, R1 pa notranji upor. Kondenzator C je idealni kondenzator, medtem ko je R2 enakovredna serijska upornost idealnega kondenzatorja C. Ne smemo pozabiti, da je v tem modelu merjenja ESR svinčeva induktivnost kondenzatorja prezrta in se ne šteje za del vezje.
Prenosna funkcija tega vezja je lahko prikazan v spodnji formula-
V zgornji enačbi se odraža značilnost visokopropustnosti vezja; približek prenosne funkcije lahko nadalje ocenimo kot -
H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1
Zgornji približek je primeren za visokofrekvenčne operacije. V tem trenutku se vezje začne oslabiti in deluje kot dušilec.
Faktor dušenja lahko izrazimo kot -
⍺ = R2 / (R2 + R1)
Ta faktor oslabitve in notranji upor R1 generatorja sinusnih valov lahko uporabimo za merjenje ESR kondenzatorjev.
R2 = ⍺ x R1
Zato je lahko funkcijski generator koristen za izračun ESR kondenzatorjev.
Običajno se vrednost ESR giblje od nekaj miliomov do več ohmov. Aluminijasti elektrolitski in tantalni kondenzatorji imajo visok ESR v primerjavi s škatlastimi ali keramičnimi kondenzatorji. Vendar sodoben napredek v tehnologiji izdelave kondenzatorjev omogoča izdelavo super nizkih ESR kondenzatorjev.
Kako ESR vpliva na delovanje kondenzatorja
Vrednost ESR kondenzatorja je ključnega pomena za izhod kondenzatorja. Kondenzator z visokim ESR odvaja toploto pri uporabi velikega toka in življenjska doba kondenzatorja se sčasoma zmanjša, kar prav tako prispeva k okvari elektronskih vezij. V napajalnikih, kjer je zaskrbljujoč visok tok, so za filtriranje potrebni nizko ESR kondenzatorji.
Ne samo pri operacijah, povezanih z napajanjem, tudi nizka vrednost ESR je bistvenega pomena za hitri krog. V zelo visokih delovnih frekvencah, ki se običajno gibljejo od več sto MHz do več GHz, ima ESR kondenzatorja ključno vlogo pri faktorjih oddaje moči.
ESL v kondenzatorju
Tako kot ESR je tudi ESL ključni dejavnik za kondenzatorje. Kot smo že omenili, kondenzatorji v resničnih razmerah niso idealni. Obstajajo tako zapuščeni upor kot zapuščena induktivnost. Tipičen ESL model kondenzatorja, prikazan spodaj. Kondenzator C je idealen kondenzator, induktor L pa je serijska induktivnost, ki je zaporedno povezana z idealnim kondenzatorjem.
Običajno je ESL zelo odvisen od trenutne zanke; povečanje tokovne zanke poveča tudi ESL v kondenzatorjih. Razdalja med zaključkom kabla in priključno točko vezja (vključno s ploščicami ali gosenicami) vpliva tudi na ESL v kondenzatorjih, ker povečana razdalja zaključka prav tako poveča tokovno zanko, kar ima za posledico visoko enakovredno serijsko induktivnost.
Merjenje ESL kondenzatorja
Merjenje ESL je mogoče enostavno opraviti z opazovanjem diagrama impedance v primerjavi s frekvenco, ki je naveden v obrazcu proizvajalca kondenzatorja. Impedanca kondenzatorja se spremeni, ko se spremeni frekvenca na kondenzatorju. Med stanjem, ko sta pri določeni frekvenci kapacitivna reaktanca in induktivna reaktanca enaki, se imenuje "točka kolena".
V tem trenutku kondenzator sam odzvanja. ESR kondenzatorja prispeva k izravnavi ploskve impedance, dokler kondenzator ne doseže "kolena" ali na samorezonirajoči frekvenci. Po točki kolena se impedanca kondenzatorja začne povečevati zaradi ESL kondenzatorja.
Zgornja slika je slika impedance v primerjavi s frekvenco MLCC (večslojni keramični kondenzator). Prikazani so trije kondenzatorji, 100nF, 1nF X7R razred in 1nF NP0 kondenzatorji. Točke "kolena" je mogoče zlahka prepoznati v spodnji točki ploskve v obliki črke V.
Ko je določena frekvenca kolena, lahko ESL izmerimo s spodnjo formulo
Frekvenca = 1 / (2π√ (ESL x C))
Kako ESL vpliva na izhod kondenzatorja
Izhod kondenzatorjev se poslabša s povečanim ESL, enako kot ESR. Povečana ESL prispeva k neželenemu toku toka in ustvarja EMI, kar še dodatno ustvarja okvare v visokofrekvenčnih aplikacijah. V povezanem sistemu napajanja parazitska induktivnost prispeva k visoki napetosti valovanja. Napetost valovanja je sorazmerna z vrednostjo ESL kondenzatorjev. Velika vrednost ESL kondenzatorja lahko povzroči tudi zvonjenje valovnih oblik, zaradi česar se vezje obnaša nenavadno.
Praktični pomen ESR in ESL
Spodnja slika prikazuje dejanski model ESR in ESL v kondenzatorju.
Tu je kondenzator C idealen kondenzator, upor R je enakovredna serijska upornost, induktor L pa enakovredna serijska induktivnost. S kombinacijo teh treh je narejen pravi kondenzator.
ESR in ESL nista tako prijetni lastnosti kondenzatorja, ki povzročata raznovrstno zmanjšanje zmogljivosti elektronskih vezij, zlasti pri visokofrekvenčnih in visokotokovnih aplikacijah. Visoka vrednost ESR prispeva k slabi zmogljivosti zaradi izgub moči, ki jih povzroča ESR; izgubo moči lahko izračunamo z uporabo zakona moči I 2 R, kjer je R vrednost ESR. Ne samo to, zaradi visoke vrednosti ESR v skladu z ohmskim zakonom se pojavijo tudi zvoki in padec visoke napetosti. Sodobna tehnologija izdelave kondenzatorjev zmanjšuje vrednost ESR in ESL kondenzatorja. V današnjih SMD različicah večplastnih kondenzatorjev je mogoče opaziti velik napredek.
Kondenzatorji z nižjo vrednostjo ESR in ESL so prednostni kot izhodni filtri v stikalnih napajalnih tokokrogih ali SMPS izvedbah, ker je v teh primerih preklopna frekvenca visoka, običajno blizu nekaj MH z v razponu od sto kHz. Zaradi tega morajo biti vhodni kondenzator in izhodni kondenzatorji filtra v nizki vrednosti ESR, tako da valovi z nizko frekvenco nimajo vpliva na splošno zmogljivost napajalne enote. Tudi ESL kondenzatorjev mora biti nizek, tako da impedanca kondenzatorja ne vpliva na preklopno frekvenco napajalnika.
V tiho napajalnem omrežju, kjer je treba dušiti hrup in morajo biti faze izhodnih filtrov maloštevilne, so visokokakovostni super nizki ESR in nizki ESL kondenzatorji koristni za nemoten izhod in stabilno oddajanje moči obremenitvi. Pri takšni uporabi so polimerni elektroliti primerna izbira in običajno boljši od aluminijastih elektrolitskih kondenzatorjev.