Förstå esr och esl i kondensatorer

De mest använda elektronikkomponenterna i alla elektroniska konstruktioner är motstånd (R), kondensatorer (C) och induktorer (L). De flesta av oss känner till grunderna i dessa tre passiva komponenter och hur man använder dem. Teoretiskt (under ideala förhållanden) kan en kondensator betraktas som en ren kondensator med endast kapacitiva egenskaper, men i praktiken kommer en kondensator också att ha några resistiva och induktiva egenskaper kopplade till den, som vi kallar som parasitresistens eller parasitisk induktans. Ja, precis som en parasit sitter detta oönskade motstånd och induktansegenskaper inuti en kondensator som förhindrar att den beter sig som en ren kondensator.

Därför överväger vid utformningen av en kretsingenjör främst komponentens ideala form, i detta fall anses kapacitans och sedan tillsammans med den parasitiska komponenterna (Induktans och motstånd) också vara i serie med den. Denna parasitiska resistens benämns Equivalent Series Resistance (ESR) och den parasitiska induktansen benämns Equivalent series Inductance (ESL) Värdet på denna induktans och resistens kommer att vara mycket litet, så att det kan försummas i enkla mönster. Men i vissa applikationer med hög effekt eller hög frekvens kan detta värde vara mycket avgörande och om det inte övervägs kan det minska komponentens effektivitet eller ge oväntade resultat.

I den här artikeln kommer vi att lära oss mer om denna ESR och ESL, hur man mäter dem och hur de kan påverka en krets. I likhet med detta kommer en induktor också att ha några parasitiska egenskaper associerade med det som kallas DCR som vi kommer att diskutera i en annan artikel någon annan gång.

ESR i kondensatorer

En ideal kondensator i serie med motstånd kallas kondensatorns ekvivalenta seriemotstånd. Motsvarande seriemotstånd eller ESR i en kondensator är det inre motståndet som visas i serie med enhetens kapacitans.

Låt oss se nedanstående symboler, som representerar kondensatorns ESR. Kondensatorsymbolen representerar den ideala kondensatorn och motståndet som motsvarande seriemotstånd. Motståndet är anslutet i serie med kondensatorn.

En ideal kondensator är förlustfri, vilket innebär att kondensatorns laddningsladdning ger samma mängd laddning som utgången. Men i den verkliga världen har kondensatorer ett litet värde av ändligt internt motstånd. Detta motstånd kommer från det dielektriska materialet, läckage i en isolator eller i avskiljaren. Till detta kommer ekvivalent seriemotstånd eller ESR att ha olika värden i olika typer av kondensatorer baserat på dess kapacitansvärde och konstruktion. Därför måste vi mäta värdet på denna ESR praktiskt taget för att analysera de kompletta egenskaperna hos en kondensator.

Mätning av ESR i kondensatorer

Att mäta en kondensatorns ESR är lite knepigt eftersom motståndet inte är ett rent DC-motstånd. Detta beror på kondensatorernas egenskap. Kondensatorer blockerar DC och passerar AC. Därför kan standard ohms mätare inte användas för att mäta ESR. Det finns specifika ESR-mätare som finns på marknaden som kan vara användbara för att mäta kondensatorns ESR. Dessa mätare använder växelström, såsom fyrkantvåg i en specifik frekvens över kondensatorn. Baserat på signalens frekvensändring kan kondensatorns ESR-värde beräknas. En fördel med denna metod är att eftersom ESR mäts direkt över de två terminalerna på en kondensator kan den mätas utan att lödas från kretskortet.

Ett annat teoretiskt sätt att beräkna kondensatorns ESR är att mäta kondensatorns krusningsspänning och krusningsström och då kommer förhållandet mellan båda att ge värdet av ESR i kondensatorn. En vanligare ESR-mätmodell är dock att applicera växelströmskälla över kondensatorn med ett extra motstånd. En rå krets för att mäta ESR visas nedan

Vs är sinusvågskälla och R1 är det inre motståndet. Kondensatorn C är den ideala kondensatorn medan R2 är motsvarande seriemotstånd hos den ideala kondensatorn C. En sak måste komma ihåg är att i denna ESR-mätmodell ignoreras kondensatorns blyinduktans och den anses inte vara en del av kretsen.

Den överföringsfunktionen hos denna krets kan beskrivas i nedanstående formula-

I ovanstående ekvation återspeglas kretsens högpassfunktion; approximationen av överföringsfunktionen kan vidare utvärderas som -

H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1

Ovanstående approximation är lämplig för högfrekventa operationer. Vid denna tidpunkt börjar kretsen att dämpas och fungera som en dämpare.

Dämpningsfaktorn kan uttryckas som -

⍺ = R2 / (R2 + R1)

Denna dämpningsfaktor och sinusvåggeneratorns interna motstånd R1 kan användas för att mäta kondensatorerna ESR.

R2 = ⍺ x R1

Därför kan en funktionsgenerator vara användbar för att beräkna kondensatorernas ESR.

Normalt varierar ESR-värdet från några milliohm till flera ohm. Elektrolyt- och tantalkondensatorer i aluminium har hög ESR jämfört med lådtypen eller keramiska kondensatorer. Moderna framsteg inom tillverkning av kondensatorteknik gör det dock möjligt att tillverka superlåga ESR-kondensatorer.

Hur ESR påverkar kondensatorns prestanda

Kondensatorns ESR-värde är en avgörande faktor för kondensatorutgången. Hög ESR-kondensator släpper ut värme vid applikationer med hög ström och kondensatorns livslängd minskar så småningom, vilket också bidrar till felfunktionen i elektronikkretsar. I strömförsörjningar, där hög ström är ett problem, krävs de låga ESR-kondensatorerna för filtreringsändamål.

Inte bara vid strömförsörjningsrelaterade operationer utan lågt ESR-värde är också viktigt för höghastighetskretsen. I mycket höga driftsfrekvenser, vanligtvis från hundratals MHz till flera GHz, spelar kondensatorns ESR en viktig roll i effektleveransfaktorer.

ESL i kondensator

Samma som ESR är ESL också en avgörande faktor för kondensatorer. Som diskuterats tidigare är kondensatorer i verkliga situationer inte idealiska. Det finns ett avvikande motstånd såväl som avvikande induktans. En typisk ESL-modell av kondensator som visas nedan. Kondensatorn C är den ideala kondensatorn och induktorn L är serieinduktansen kopplad i serie med den ideala kondensatorn.

Normalt är ESL mycket pålitlig på den aktuella slingan; ökning av strömslingan ökar också ESL i kondensatorer. Avståndet mellan ledningsavslutningen och kretsanslutningspunkten (inklusive dynor eller spår) påverkar också ESL i kondensatorer eftersom ökat avslutningsavstånd också ökar strömslingan vilket resulterar i hög motsvarande serieinduktans.

Mäta ESL för en kondensator

Mätningen av ESL kan göras enkelt genom att observera impedansen kontra frekvensdiagrammet som ges av kondensatortillverkarens datablad. Kondensatorns impedans ändras när frekvensen över kondensatorn ändras. Under situationen, när den kapacitiva reaktansen och den induktiva reaktansen vid en viss frekvens är lika, kallas den som "knäpunkt".

Vid denna punkt resonerar kondensatorn själv. Kondensatorns ESR bidrar till att platta ut impedansdiagrammet tills kondensatorn nådde "knä" -platsen eller vid den självresonerande frekvensen. Efter knäpunkten börjar kondensatorimpedansen att öka på grund av kondensatorns ESL.

Ovanstående bild är en impedans mot frekvensdiagram för en MLCC (keramisk kondensator med flera lager). Tre kondensatorer, 100nF, 1nF X7R klass och 1nF NP0 klass kondensatorer visas. Knäfläckarna kan lätt identifieras över den nedre punkten på V-formad tomt.

När knepunktfrekvensen har identifierats kan ESL mätas med formeln nedan

Frekvens = 1 / (2π√ (ESL x C))

Hur ESL påverkar kondensatorutgången

Kondensatorns utgång bryts ned med ökad ESL, samma som ESR. Ökad ESL bidrar till det oönskade strömflödet och genererar EMI, vilket ytterligare skapar funktionsfel i högfrekventa applikationer. I strömförsörjningsrelaterat system bidrar parasitisk induktans till den höga rippelspänningen. Rippelspänning är proportionell mot kondensatorernas ESL-värde. Kondensatorns stora ESL-värde kan också inducera ringformade vågformer, vilket gör att kretsen beter sig udda.

Praktisk betydelse av ESR och ESL

Bilden nedan visar den faktiska modellen för ESR och ESL i kondensator.

Här är kondensatorn C en ideal kondensator, motståndet R är ekvivalent seriemotstånd och induktorn L är ekvivalent serieinduktans. Genom att kombinera dessa tre skapas den verkliga kondensatorn.

ESR och ESL är inte så trevliga egenskaper hos en kondensator, vilket orsakar en mängd prestandasänkningar i elektroniska kretsar, särskilt i applikationer med hög frekvens och hög ström. Högt ESR-värde bidrar till dålig prestanda på grund av effektförluster orsakade av ESR; effektförlusten kan beräknas med hjälp av Power law I ² R där R är ESR-värdet. Inte bara detta, ljud och högspänningsfall förekommer också på grund av högt ESR-värde enligt Ohms-lagen. Modern tillverkningsteknik för kondensator minskar kondensatorns ESR- och ESL-värde. En enorm förbättring kan ses i dagens SMD-versioner av flerskiktade kondensatorer.

Lägre ESR och ESL kondensatorer är föredragna som utgångsfilter i switchade nätaggregat kretsar eller SMPS designs eftersom omkopplingsfrekvensen är hög i dessa fall, typiskt nära flera MH _z sträcker sig från hundratals kHz. På grund av detta måste ingångskondensatorn och utgångsfilterkondensatorerna vara i lågt ESR-värde så att lågfrekventa krusningar inte har några effekter på strömförsörjningsenhetens totala prestanda. Kondensatorns ESL måste också vara låg, så att kondensatorns impedans inte interagerar med strömförsörjningens omkopplingsfrekvens.

I en strömförsörjning med låg ljudnivå, där ljudet måste undertryckas och utgångsfilterstegen ska vara låga, är högkvalitativa superlåga ESR- och låg ESL-kondensatorer användbara för smidig uteffekt och stabil strömförsörjning till belastningen. I en sådan tillämpning är polymerelektrolyter ett lämpligt val och vanligtvis föredragna framför elektrolytkondensatorer i aluminium.