Izpratne par esr un esl kondensatoros

Jebkurā elektroniskā dizainā visbiežāk izmantotie elektronikas komponenti ir rezistori (R), kondensatori (C) un induktori (L). Lielākā daļa no mums ir iepazinušies ar šo trīs pasīvo komponentu pamatiem un to lietošanu. Teorētiski (ideālos apstākļos) kondensatoru var uzskatīt par tīru kondensatoru, kuram ir tikai kapacitatīvas īpašības, taču praksē kondensatoram būs arī dažas pretestības un induktīvās īpašības, kas kopā ar to tiek sauktas par parazītu pretestību vai parazītu induktivitāti. Jā, tāpat kā parazīts, arī šī nevēlamā pretestība un induktivitātes īpašības atrodas kondensatorā, neļaujot tam rīkoties kā tīram kondensatoram.

Tādējādi, projektējot ķēžu inženierus, galvenokārt tiek ņemta vērā komponenta ideālā forma, šajā gadījumā tiek uzskatīts, ka parazitārie komponenti (induktivitāte un pretestība) kopā ar to ir arī parazitārie komponenti (induktivitāte un pretestība). Šī parazītiskā pretestība tiek saukta par ekvivalentu sērijas pretestību (ESR) un parazitārā induktivitāte tiek saukta par ekvivalentu sērijas induktivitāti (ESL). Šīs induktivitātes un pretestības vērtība būs ļoti maza, tāpēc to var atstāt novārtā vienkāršos dizainos. Bet dažos lieljaudas vai augstfrekvences pielietojumos šī vērtība var būt ļoti izšķiroša, un, ja tā netiek ņemta vērā, tā var samazināt komponentu efektivitāti vai izvadīt neparedzētus rezultātus.

Šajā rakstā mēs uzzināsim vairāk par šo ESR un ESL, kā tos izmērīt un kā tie var ietekmēt ķēdi. Līdzīgi šim induktoram būs arī dažas ar to saistītas parazitāras īpašības, ko sauc par DCR, kuras mēs citreiz aplūkosim citā rakstā.

ESR kondensatoros

Ideālu kondensatoru virknē ar pretestību sauc par ekvivalentu kondensatora sērijas pretestību. Ekvivalenta sērijas pretestība vai ESR kondensatorā ir iekšējā pretestība, kas parādās sērijveidā ar ierīces kapacitāti.

Apskatīsim zemāk redzamos simbolus, kas apzīmē kondensatora ESR. Kondensatora simbols apzīmē ideālo kondensatoru un rezistoru kā līdzvērtīgu sērijas pretestību. Rezistors ir sērijveidā savienots ar kondensatoru.

Ideāls kondensators ir lossless, kas nozīmē kondensatora veikala maksas un nodrošina to pašu summu maksas, kā izejas. Bet reālajā pasaulē kondensatoriem ir neliela ierobežota iekšējās pretestības vērtība. Šī pretestība rodas no dielektriskā materiāla, noplūdes izolatorā vai separatorā. Papildus tam ekvivalentai sērijas pretestībai vai ESR būs atšķirīgas vērtības dažāda veida kondensatoros, pamatojoties uz tā kapacitātes vērtību un uzbūvi. Tāpēc mums praktiski jāmēra šīs ESR vērtība, lai analizētu kondensatora pilnīgās īpašības.

ESR mērīšana kondensatoros

Kondensatora ESR mērīšana ir mazliet sarežģīta, jo pretestība nav tīra līdzstrāvas pretestība. Tas ir saistīts ar kondensatoru īpašībām. Kondensatori bloķē līdzstrāvu un izlaiž maiņstrāvu. Tāpēc ESR mērīšanai nevar izmantot standarta omu skaitītāju. Tirgū ir pieejami īpaši ESR skaitītāji, kas var būt noderīgi kondensatora ESR mērīšanai. Šie skaitītāji izmanto maiņstrāvu, piemēram, kvadrātveida vilni noteiktā frekvencē pāri kondensatoram. Pamatojoties uz signāla frekvences izmaiņām, var aprēķināt kondensatora ESR vērtību. Šīs metodes priekšrocība ir tā, ka, tā kā ESR mēra tieši pāri abiem kondensatora spailēm, to var izmērīt, nenolodējot to no shēmas plates.

Vēl viens teorētisks veids, kā aprēķināt kondensatora ESR, ir kondensatora pulsācijas sprieguma un pulsācijas strāvas mērīšana, un pēc tam abu attiecība sniegs ESR vērtību kondensatorā. Tomēr izplatītāks ESR mērīšanas modelis ir maiņstrāvas avota pielietošana pāri kondensatoram ar papildu pretestību. Zemāk parādīta neapstrādāta ķēde ESR mērīšanai

Vs ir sinusa viļņu avots, un R1 ir iekšējā pretestība. Kondensators C ir ideāls kondensators, bet R2 ir ideālā kondensatora ekvivalentā sērijas pretestība. Jāatceras viena lieta, ka šajā ESR mērīšanas modelī kondensatora svina induktivitāte tiek ignorēta un tā netiek uzskatīta par daļu no ķēde.

Šīs shēmas pārsūtīšanas funkciju var attēlot šajā formulā:

Iepriekš minētajā vienādojumā tiek atspoguļota ķēdes augstās caurlaidības iezīme; pārsūtīšanas funkcijas tuvinājumu var tālāk novērtēt kā -

H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1

Iepriekš minētā aproksimācija ir piemērota augstfrekvences darbībām. Šajā brīdī ķēde sāk vājināt un darbojas kā vājinātājs.

Vājināšanās koeficientu var izteikt kā -

⍺ = R2 / (R2 + R1)

Šo vājināšanas koeficientu un sinusa viļņu ģeneratora iekšējo pretestību R1 var izmantot kondensatoru ESR mērīšanai.

R2 = ⍺ x R1

Tādēļ funkciju ģenerators var būt noderīgs, lai aprēķinātu kondensatoru ESR.

Parasti ESR vērtība svārstās no dažiem miliomiem līdz vairākiem omiem. Alumīnija elektrolītiskajiem un tantala kondensatoriem ir augsts ESR, salīdzinot ar kārbas tipa vai keramikas kondensatoriem. Tomēr mūsdienu attīstība kondensatoru ražošanas tehnoloģijā ļauj ražot ļoti zemu ESR kondensatorus.

Kā ESR ietekmē kondensatora veiktspēju

Kondensatora ESR vērtība ir izšķirošs faktors kondensatora izejai. Augsts ESR kondensators izkliedē siltumu, lietojot lielu strāvu, un kondensatora kalpošanas laiks galu galā samazinās, kas arī veicina nepareizu darbību elektronikas ķēdēs. Barošanas avotos, kur bažas rada liela strāva, filtrēšanas vajadzībām ir nepieciešami zemi ESR kondensatori.

Ātrgaitas ķēdei ir būtiska ne tikai ar elektroapgādi saistīta darbība, bet arī zema ESR vērtība. Ļoti augstās darbības frekvencēs, parasti diapazonā no simtiem MHz līdz vairākiem GHz, kondensatora ESR ir būtiska loma enerģijas piegādes faktoros.

ESL kondensatorā

Tāpat kā ESR, arī ESL ir izšķirošs faktors kondensatoriem. Kā tika apspriests iepriekš, kondensatori reālā situācijā nav ideāli. Pastāv klaiņojoša pretestība, kā arī klaiņojoša induktivitāte. Tipisks kondensatora ESL modelis, kas parādīts zemāk. Kondensators C ir ideāls kondensators, un induktors L ir virknes induktivitāte, kas sērijveidā savienota ar ideālo kondensatoru.

Parasti ESL ir ļoti uzticama pašreizējai cilpai; strāvas loka palielināšanās palielina arī ESL kondensatoros. Attālums starp svina galu un ķēdes savienojuma punktu (ieskaitot spilventiņus vai sliežu ceļus) ietekmē arī ESL kondensatoros, jo palielināts savienojuma attālums palielina arī strāvas cilpu, kā rezultātā tiek panākta augsta ekvivalenta sērijas induktivitāte.

Kondensatora ESL mērīšana

ESL mērījumus var viegli izdarīt, novērojot kondensatora ražotāja datu lapas doto impedances un frekvences diagrammu. Kondensatora pretestība mainās, mainot frekvenci pāri kondensatoram. Situācijas laikā, kad noteiktā frekvencē kapacitatīvā reaktivitāte un induktīvā reaktivitāte ir vienādas, to sauc par “ceļa punktu”.

Šajā brīdī kondensators pats rezonē. Kondensatora ESR palīdz izlīdzināt pretestības diagrammu, līdz kondensators sasniedz “ceļa” punktu vai pašrezonējošā frekvencē. Pēc ceļa punkta kondensatora pretestība sāk palielināties kondensatora ESL dēļ.

Iepriekš redzamais attēls ir MLCC (daudzslāņu keramikas kondensatora) pretestības un frekvences diagramma. Parādīti trīs kondensatori, 100nF, 1nF X7R klase un 1nF NP0 klases kondensatori. “Ceļa” plankumus var viegli noteikt visā V formas parauglaukuma apakšējā punktā.

Kad ceļa punkta biežums ir noteikts, ESL var izmērīt pēc šādas formulas

Frekvence = 1 / (2π√ (ESL x C))

Kā ESL ietekmē kondensatora izvadi

Kondensatoru izeja degradējas, palielinot ESL, tāpat kā ESR. Palielināts priekšlaicīgas pamešanas līmenis veicina nevēlamu strāvas plūsmu un ģenerē EMI, kas vēl vairāk rada darbības traucējumus augstas frekvences lietojumprogrammās. Ar elektroapgādi saistītā sistēmā parazitārā induktivitāte veicina augstu pulsācijas spriegumu. Ripple spriegums ir proporcionāls kondensatoru ESL vērtībai. Liela kondensatora ESL vērtība var izraisīt arī zvana viļņu formas, padarot ķēdi izturēties dīvaini.

ESR un priekšlaicīgas pamešanas praktiskā nozīme

Zemāk redzamajā attēlā parādīts faktiskais ESR un ESL modelis kondensatorā.

Šeit kondensators C ir ideāls kondensators, rezistors R ir ekvivalenta sērijas pretestība un induktors L ir ekvivalenta sērijas induktivitāte. Apvienojot šos trīs, tiek izveidots reālais kondensators.

ESR un ESL nav tik patīkamas kondensatora īpašības, kas izraisa dažādu veiktspējas samazinājumu elektroniskajās ķēdēs, īpaši augstfrekvences un lielas strāvas lietojumos. Augsta ESR vērtība veicina slikto veiktspēju ESR izraisīto enerģijas zudumu dēļ; jaudas zudumu var aprēķināt, izmantojot jaudas likumu I ² R, kur R ir ESR vērtība. Ne tikai tas, trokšņi un augstsprieguma kritums rodas arī augstās ESR vērtības dēļ, kā noteikts Ohma likumā. Mūsdienu kondensatoru ražošanas tehnoloģija samazina kondensatora ESR un ESL vērtību. Milzīgs uzlabojums ir redzams mūsdienu daudzslāņu kondensatoru SMD versijās.

Zemākas ESR un ESL vērtības kondensatori ir ieteicami kā izejas filtri komutācijas barošanas ķēdēs vai SMPS konstrukcijās, jo pārslēgšanās frekvence šajos gadījumos ir augsta, parasti tuvu vairākiem MH _z, sākot no simtiem kHz. Tāpēc ieejas kondensatoram un izejas filtra kondensatoriem jābūt ar zemu ESR vērtību, lai zemfrekvences viļņošanās neietekmētu barošanas bloka kopējo veiktspēju. Kondensatoru ESL jābūt arī zemam, lai kondensatora pretestība mijiedarbotos ar barošanas avota pārslēgšanās frekvenci.

Zema trokšņa strāvas padevē, kur trokšņi ir jānomāc un izejas filtru posmiem jābūt maziem, augstas kvalitātes īpaši zema ESR un zema ESL kondensatori ir noderīgi vienmērīgai izejai un stabilai enerģijas padevei slodzē. Šādā pielietojumā polimēra elektrolīti ir piemērota izvēle, un tie parasti tiek doti priekšroka salīdzinājumā ar alumīnija elektrolītiskajiem kondensatoriem.