- ESR u kondenzatorima
- Mjerenje ESR u kondenzatorima
- Kako ESR utječe na performanse kondenzatora
- ESL u kondenzatoru
- Mjerenje ESL kondenzatora
- Kako ESL utječe na izlaz kondenzatora
- Praktična važnost ESR-a i ESL-a
Najčešće korištene elektroničke komponente u bilo kojem elektroničkom dizajnu su otpornici (R), kondenzatori (C) i prigušnice (L). Većina nas je upoznata s osnovama ove tri pasivne komponente i načinom njihove upotrebe. Teoretski (u idealnim uvjetima) kondenzator se može smatrati čistim kondenzatorom samo s kapacitivnim svojstvima, ali u praksi će kondenzator uz njega imati i neka otporna i induktivna svojstva, koja nazivamo parazitskim otporom ili parazitskom induktivnošću. Da, baš poput parazita, ta neželjena svojstva otpora i induktivnosti nalaze se unutar kondenzatora i sprječavaju ga da se ponaša kao čisti kondenzator.
Stoga prilikom projektiranja sklopnih inženjera prvenstveno razmatraju idealan oblik komponente, u ovom slučaju kapacitivnost, a zatim zajedno s njom i parazitske komponente (induktivitet i otpor) također se smatraju u nizu s njom. Ova parazitska otpornost naziva se otpor ekvivalentne serije (ESR), a parazitska induktivnost naziva se ekvivalentna serijska induktivnost (ESL). Vrijednost ove induktivnosti i otpora bit će vrlo mala, što se može zanemariti u jednostavnim izvedbama. Ali u nekim primjenama velike snage ili visoke frekvencije ove vrijednosti mogu biti vrlo ključne i ako se ne uzmu u obzir mogu smanjiti učinkovitost komponente ili dati neočekivane rezultate.
U ovom ćemo članku saznati više o ovom ESR i ESL, kako ih mjeriti i kako mogu utjecati na strujni krug. Slično ovome Induktor će imati i neka parazitska svojstva povezana s njim koja se nazivaju DCR o čemu ćemo neki drugi put razgovarati u drugom članku.
ESR u kondenzatorima
Idealan kondenzator u seriji s otporom naziva se ekvivalentni serijski otpor kondenzatora. Ekvivalentan serijski otpor ili ESR u kondenzatoru je unutarnji otpor koji se pojavljuje u seriji s kapacitetom uređaja.
Pogledajmo donje simbole koji predstavljaju ESR kondenzatora. Simbol kondenzatora predstavlja idealni kondenzator i otpornik kao ekvivalentni serijski otpor. Otpornik je serijski povezan s kondenzatorom.
Idealni kondenzator je bez gubitaka, što znači kondenzator punjenje spremnika i donosi istu količinu naboja kao izlaz. Ali u stvarnom svijetu kondenzatori imaju malu vrijednost konačnog unutarnjeg otpora. Ovaj otpor dolazi od dielektričnog materijala, propuštanja u izolatoru ili u separatoru. Dodajući ovome, ekvivalentni serijski otpor ili ESR imat će različite vrijednosti u različitim vrstama kondenzatora na temelju njegove kapacitivne vrijednosti i konstrukcije. Stoga moramo izmjeriti vrijednost ovog ESR praktički kako bismo analizirali kompletne karakteristike kondenzatora.
Mjerenje ESR u kondenzatorima
Mjerenje ESR kondenzatora pomalo je nezgodno jer otpor nije čisti istosmjerni otpor. To je zbog svojstva kondenzatora. Kondenzatori blokiraju jednosmjernu struju i prolaze kroz izmjeničnu struju. Stoga se za mjerenje ESR-a ne može koristiti standardni mjerač oma. Na tržištu su dostupni specifični ESR mjerači koji mogu biti korisni za mjerenje ESR kondenzatora. Ovi mjerači koriste izmjeničnu struju, poput kvadratnog vala u određenoj frekvenciji na kondenzatoru. Na temelju promjene frekvencije signala može se izračunati ESR vrijednost kondenzatora. Prednost ove metode je u tome što se, budući da se ESR mjeri izravno na dva terminala kondenzatora, može mjeriti bez odvajanja s lemljene ploče.
Drugi teoretski način izračunavanja ESR kondenzatora je mjerenje Ripple napona i Ripple struje kondenzatora, a zatim će omjer oba dati vrijednost ESR u kondenzatoru. Međutim, češći model mjerenja ESR je primjena izvora izmjenične struje preko kondenzatora s dodatnim otporom. Sirovi krug za mjerenje ESR prikazan je u nastavku
Vs je izvor sinusnog vala, a R1 je unutarnji otpor. Kondenzator C je idealni kondenzator, dok je R2 ekvivalentni serijski otpor idealnog kondenzatora C. Treba imati na umu da se u ovom ESR modelu mjerenja zanemaruje induktivitet olova kondenzatora i ne smatra se dijelom sklop.
Funkcija prijenosa ovog kruga može se prikazati u donjoj formuli-
U gornjoj jednadžbi odražava se visokopropusna značajka sklopa; aproksimacija prijenosne funkcije može se dalje procijeniti kao -
H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1
Gornja aproksimacija prikladna je za visokofrekventne operacije. U ovom trenutku krug se počinje oslabiti i djelovati kao prigušivač.
Faktor slabljenja može se izraziti kao -
⍺ = R2 / (R2 + R1)
Ovaj faktor slabljenja i unutarnji otpor generatora sinusnog vala R1 mogu se koristiti za mjerenje ESR kondenzatora.
R2 = ⍺ x R1
Stoga generator funkcija može biti koristan za izračunavanje ESR kondenzatora.
Vrijednost ESR obično se kreće od nekoliko milioma do nekoliko ohma. Aluminijski elektrolitski i tantalni kondenzatori imaju visoki ESR u usporedbi s kutijastim ili keramičkim kondenzatorima. Međutim, suvremeni napredak u tehnologiji proizvodnje kondenzatora omogućuje proizvodnju super niskih ESR kondenzatora.
Kako ESR utječe na performanse kondenzatora
ESR vrijednost kondenzatora presudan je faktor za izlaz kondenzatora. Kondenzator s visokim ESR-om odvodi toplinu pri primjeni jake struje i vijek kondenzatora se vremenom smanjuje, što također pridonosi neispravnosti u elektroničkim krugovima. U napajanjima, gdje je velika struja zabrinjavajuća, kondenzatori s malim ESR-om potrebni su za filtriranje.
Ne samo u operacijama povezanim s napajanjem, već je i niska vrijednost ESR također bitna za krug velike brzine. U vrlo visokim radnim frekvencijama, obično u rasponu od stotina MHz do nekoliko GHz, ESR kondenzatora igra vitalnu ulogu u faktorima isporuke snage.
ESL u kondenzatoru
Kao i ESR, ESL je također presudan faktor za kondenzatore. Kao što je već spomenuto, u stvarnoj situaciji kondenzatori nisu idealni. Postoji zalutali otpor kao i zalutala induktivnost. Tipični ESL model kondenzatora prikazan u nastavku. Kondenzator C je idealni kondenzator, a prigušnica L je serijska induktivnost koja je serijski povezana s idealnim kondenzatorom.
Normalno, ESL je vrlo pouzdan u trenutnoj petlji; povećanje strujne petlje također povećava ESL u kondenzatorima. Udaljenost između završetka kabla i točke povezivanja kruga (uključujući jastučiće ili tračnice) također utječe na ESL u kondenzatorima, jer povećana udaljenost završetka također povećava strujnu petlju što rezultira velikom induktivitetom ekvivalentne serije.
Mjerenje ESL kondenzatora
Mjerenje ESL-a može se izvršiti jednostavno promatrajući impedanciju i frekvenciju koja je data u tehničkom listu proizvođača kondenzatora. Impedancija kondenzatora mijenja se kada se promijeni frekvencija na kondenzatoru. Tijekom situacije, kada su na određenoj frekvenciji kapacitivna reaktancija i induktivna reaktancija jednake, naziva se "točka koljena".
U ovom trenutku kondenzator sam reagira. ESR kondenzatora doprinosi izravnavanju impedancijske slike dok kondenzator ne dosegne mjesto 'koljena' ili na samorezonirajućoj frekvenciji. Nakon točke koljena, impedancija kondenzatora počinje se povećavati zbog ESL-a kondenzatora.
Gornja slika je dijagram impedancije i frekvencije MLCC-a (višeslojni keramički kondenzator). Prikazana su tri kondenzatora, kondenzatori klase 100nF, 1nF X7R i 1nF kondenzatora klase NP0. Mjesta 'koljena' mogu se lako prepoznati na donjoj točki crteža u obliku slova V.
Jednom kada se utvrdi frekvencija točke koljena, ESL se može izmjeriti prema donjoj formuli
Frekvencija = 1 / (2π√ (ESL x C))
Kako ESL utječe na izlaz kondenzatora
Izlaz kondenzatora pogoršava se povećanim ESL-om, isto kao i ESR. Povećani ESL doprinosi neželjenom protoku struje i generira EMI, što dalje stvara kvarove u visokofrekventnim aplikacijama. U sustavu povezanom s napajanjem, parazitska induktivnost doprinosi velikom naponu mreškanja. Napon mreškanja proporcionalan je ESL vrijednosti kondenzatora. Velika ESL vrijednost kondenzatora također može inducirati zvoneće valne oblike, čineći da se krug ponaša neobično.
Praktična važnost ESR-a i ESL-a
Sljedeća slika daje stvarni model ESR i ESL u kondenzatoru.
Ovdje je kondenzator C idealan kondenzator, otpor R je ekvivalentni serijski otpor, a induktivitet L je ekvivalentna serijska induktivnost. Kombinacijom ove tri napravljen je pravi kondenzator.
ESR i ESL nisu tako ugodne karakteristike kondenzatora, što uzrokuje raznoliko smanjenje performansi u elektroničkim krugovima, posebno u primjenama visokih frekvencija i jakih struja. Visoka vrijednost ESR pridonosi lošim performansama zbog gubitaka energije uzrokovanih ESR-om; gubitak snage može se izračunati pomoću zakona snage I 2 R gdje je R vrijednost ESR. I ne samo to, javljaju se i šumovi i visoki pad napona zbog visoke vrijednosti ESR prema zakonu Ohma. Suvremena tehnologija proizvodnje kondenzatora smanjuje ESR i ESL vrijednost kondenzatora. Ogroman napredak može se primijetiti u današnjim SMD verzijama višeslojnih kondenzatora.
Kondenzatori niže vrijednosti ESR i ESL poželjni su kao izlazni filtri u komutacijskim krugovima napajanja ili SMPS izvedbama, jer je u tim slučajevima frekvencija prebacivanja visoka, obično blizu nekoliko MH z u rasponu od stotina kHz. Zbog toga ulazni kondenzator i izlazni kondenzatori filtra moraju biti u niskoj ESR vrijednosti, tako da valovi niske frekvencije nemaju utjecaja na ukupne performanse jedinice napajanja. ESL kondenzatora također mora biti nizak, tako da impedancija kondenzatora ne djeluje s frekvencijom prebacivanja napajanja.
U opskrbi s niskim nivoom buke, gdje treba prigušiti buku, a stupnjevi izlaznih filtara trebali bi biti malobrojni, visokokvalitetni super niski ESR i niski ESL kondenzatori korisni su za nesmetan izlaz i stabilnu isporuku snage do opterećenja. U takvoj su primjeni polimerni elektroliti prikladan izbor i obično su poželjniji od aluminijskih elektrolitskih kondenzatora.