Esr ir esl supratimas kondensatoriuose

Dažniausiai bet kokio elektroninio dizaino elektronikos komponentai yra rezistoriai (R), kondensatoriai (C) ir induktoriai (L). Daugelis iš mūsų yra susipažinę su šių trijų pasyviųjų komponentų pagrindais ir kaip juos naudoti. Teoriškai (esant idealioms sąlygoms) kondensatorius gali būti laikomas grynu kondensatoriumi, turinčiu tik talpines savybes, tačiau praktiškai kondensatorius kartu su juo taip pat turės tam tikras varžines ir indukcines savybes, kurias mes vadiname parazitų atsparumu arba parazitų induktyvumu. Taip, kaip ir parazitas, ši nepageidaujama pasipriešinimo ir induktyvumo savybės yra kondensatoriaus viduje, neleidžiančios jam elgtis kaip grynam kondensatoriui.

Taigi, projektuodami grandinės inžinierius, pirmiausia atsižvelgia į idealią komponento formą, šiuo atveju laikoma, kad talpa ir kartu su ja parazitiniai komponentai (induktyvumas ir varža) taip pat yra nuoseklūs. Šis parazitinis pasipriešinimas vadinamas „ Equivalent Series Resistance“ (ESR), o parazitinis induktyvumas - „ Equivalent Series Inductance“ (ESL). Šio induktyvumo ir atsparumo vertė bus labai maža, todėl jo negalima pamiršti paprastuose projektuose. Bet kai kuriose didelės galios ar aukšto dažnio programose ši vertė gali būti labai svarbi ir, jei jos neatsižvelgiama, tai gali sumažinti komponento efektyvumą arba išgauti netikėtus rezultatus.

Šiame straipsnyje mes sužinosime daugiau apie šį ESR ir ESL, kaip juos išmatuoti ir kaip jie gali paveikti grandinę. Panašiai į tai, induktorius taip pat turės tam tikrų parazitinių savybių, susijusių su DCR, kurias mes aptarsime kitame straipsnyje kitu metu.

ESR kondensatoriuose

Idealus kondensatorius nuosekliai su pasipriešinimu vadinamas lygiaverčiu kondensatoriaus nuosekliuoju atsparumu. Lygiavertis serijos pasipriešinimas arba ESR kondensatoriuje yra vidinė varža, kuri nuosekliai pasirodo su įrenginio talpa.

Pažiūrėkime žemiau esančius simbolius, kurie žymi kondensatoriaus ESR. Kondensatoriaus simbolis reiškia idealų kondensatorių ir rezistorių kaip lygiavertį nuoseklųjį varžą. Rezistorius nuosekliai sujungtas su kondensatoriumi.

Idealus kondensatorius yra lossless, o tai reiškia, kondensatorius parduotuvės mokestį ir pateikia tą pačią sumą už kaip produkcija. Tačiau realiame pasaulyje kondensatoriai turi nedidelę ribotos vidinės varžos vertę. Šis atsparumas atsiranda dėl dielektrinės medžiagos, nuotėkio izoliatoriuje ar separatoriuje. Pridedant tai, lygiavertės serijos varžos arba ESR skirtingos vertės skirtingų tipų kondensatoriuose, atsižvelgiant į jų talpos vertę ir konstrukciją. Taigi turime praktiškai išmatuoti šios ESR vertę, kad išanalizuotume visas kondensatoriaus charakteristikas.

ESR matavimas kondensatoriuose

Kondensatoriaus ESR matavimas yra šiek tiek sudėtingas, nes varža nėra gryna nuolatinės srovės varža. Taip yra dėl kondensatorių savybės. Kondensatoriai blokuoja nuolatinę ir nuolatinę srovę. Todėl ESR matuoti negalima naudoti standartinio omo matuoklio. Rinkoje yra specialių ESR matuoklių, kurie gali būti naudingi kondensatoriaus ESR matuoti. Šie skaitikliai naudoja kintamą srovę, pavyzdžiui, kvadratinę bangą tam tikru dažniu kondensatoriuje. Remiantis signalo dažnio pokyčiu, galima apskaičiuoti kondensatoriaus ESR vertę. Šio metodo pranašumas yra tas, kad kadangi ESR matuojamas tiesiai per du kondensatoriaus gnybtus, jį galima išmatuoti neišlituojant jo iš plokštės.

Kitas teorinis būdas apskaičiuoti kondensatoriaus ESR yra išmatuoti kondensatoriaus banginę įtampą ir srovės srovę, tada abiejų santykis suteiks ESR vertę kondensatoriuje. Tačiau dažnesnis ESR matavimo modelis yra kintamosios srovės šaltinio naudojimas per kondensatorių su papildoma varža. Toliau parodyta neapdorota grandinė ESR matuoti

Vs yra sinusinės bangos šaltinis, o R1 yra vidinė varža. Kondensatorius C yra idealus kondensatorius, o R2 yra ekvivalentinė idealiojo kondensatoriaus C serijos varža. Reikia atsiminti tai, kad šiame ESR matavimo modelyje kondensatoriaus švino induktyvumas nepaisomas ir nelaikomas jo dalimi. grandinė.

Šios grandinės perdavimo funkciją galima pavaizduoti žemiau pateiktoje formulėje:

Pirmiau pateiktoje lygtyje atsispindi grandinės aukšto perdavimo funkcija; perdavimo funkcijos aproksimaciją galima toliau vertinti kaip -

H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1

Aukščiau pateiktas apytikslis dydis tinka atliekant aukšto dažnio operacijas. Šiuo metu grandinė pradeda silpnėti ir veikia kaip slopintuvas.

Slopinimo koeficientą galima išreikšti kaip -

⍺ = R2 / (R2 + R1)

Šis slopinimo koeficientas ir sinusinių bangų generatoriaus vidinė varža R1 gali būti naudojami matuojant kondensatorius ESR.

R2 = ⍺ x R1

Todėl funkcijų generatorius gali būti naudingas apskaičiuojant kondensatorių ESR.

Paprastai ESR vertė svyruoja nuo kelių miliomų iki kelių omų. Aliuminio elektrolitiniai ir tantalo kondensatoriai turi aukštą ESR, palyginti su dėžutės tipo arba keramikiniais kondensatoriais. Tačiau šiuolaikinė kondensatorių gamybos technologijos pažanga leidžia gaminti itin žemos kokybės ESR kondensatorius.

Kaip ESR veikia kondensatoriaus veikimą

Kondensatoriaus ESR vertė yra esminis kondensatoriaus išėjimo faktorius. Didelis ESR kondensatorius išsklaido šilumą, kai naudojama didelė srovė, o kondensatoriaus tarnavimo laikas galiausiai sumažėja, o tai taip pat prisideda prie elektronikos grandinių veikimo sutrikimų. Maitinimo šaltiniuose, kur kelia didelę srovę, filtravimo tikslais reikalingi mažo ESR kondensatoriai.

Didelio greičio grandinei taip pat būtina ne tik atlikti su maitinimu susijusias operacijas, bet ir mažą ESR vertę. Esant labai dideliems darbiniams dažniams, paprastai nuo šimtų MHz iki kelių GHz, kondensatoriaus ESR atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį energijos tiekimo veiksniuose.

ESL kondensatoriuje

Panašiai kaip ESR, ESL taip pat yra labai svarbus kondensatorių veiksnys. Kaip jau buvo aptarta anksčiau, realioje situacijoje kondensatoriai nėra idealūs. Yra klajojantis pasipriešinimas, taip pat klaidingas induktyvumas. Žemiau pateiktas tipinis kondensatoriaus ESL modelis. Kondensatorius C yra idealus kondensatorius, o induktorius L yra nuoseklus induktyvumas, nuosekliai sujungtas su idealiu kondensatoriumi.

Paprastai ESL labai priklauso nuo srovės kilpos; srovės kilpos padidėjimas taip pat padidina ESL kondensatoriuose. Atstumas tarp laido nutraukimo ir grandinės jungties taško (įskaitant trinkeles ar takelius) taip pat turi įtakos ESL kondensatoriuose, nes padidėjęs nutraukimo atstumas taip pat padidina srovės kilpą, dėl kurio susidaro didelis ekvivalentinis serijos induktyvumas.

Kondensatoriaus ESL matavimas

ESL matavimą galima lengvai atlikti stebint impedanso ir dažnio diagramą, pateiktą kondensatoriaus gamintojo duomenų lape. Kondensatoriaus varža keičiasi, kai keičiamas dažnis kondensatoriuje. Esant situacijai, kai esant tam tikram dažniui, talpos reaktyvumas ir indukcinis reaktyvumas yra vienodi, jis vadinamas „kelio tašku“.

Šiuo metu kondensatorius pats rezonuoja. Kondensatoriaus ESR padeda išlyginti impedanso diagramą, kol kondensatorius pasiekia „kelio“ vietą arba savaime rezonuojančiu dažniu. Po kelio taško kondensatoriaus varža pradeda didėti dėl kondensatoriaus ESL.

Aukščiau pateiktas vaizdas yra MLCC (daugiasluoksnio keraminio kondensatoriaus) impedanso ir dažnio diagrama. Parodyti trys kondensatoriai, 100nF, 1nF X7R klasė ir 1nF NP0 klasės kondensatoriai. „Kelio“ vietas galima lengvai atpažinti apatiniame V formos sklypo taške.

Nustačius kelio taško dažnį, ESL galima išmatuoti pagal šią formulę

Dažnis = 1 / (2π√ (ESL x C))

Kaip ESL veikia kondensatoriaus išėjimą

Kondensatorių išėjimas blogėja padidėjus ESL, kaip ir ESR. Padidėjęs mokyklos nebaigimas prisideda prie nepageidaujamo srovės srauto ir sukuria EMI, o tai dar labiau padidina aukšto dažnio programų veikimo sutrikimus. Su maitinimu susijusioje sistemoje parazitinis induktyvumas prisideda prie didelės banginės įtampos. Ripple įtampa yra proporcinga kondensatorių ESL vertei. Didelė kondensatoriaus ESL vertė taip pat gali sukelti skambėjimo bangos formas, todėl grandinė elgiasi keistai.

Praktinė ESR ir APŠ svarba

Žemiau pateiktame paveikslėlyje pateikiamas tikrasis ESR ir ESL modelis kondensatoriuje.

Čia kondensatorius C yra idealus kondensatorius, rezistorius R yra lygiavertės serijos varža, o induktorius L yra ekvivalentinės serijos induktyvumas. Sujungus šiuos tris, padaromas tikrasis kondensatorius.

ESR ir ESL nėra tokios malonios kondensatoriaus charakteristikos, dėl kurių elektroninių grandinių našumas įvairiai sumažėja, ypač naudojant aukštojo dažnio ir didelės srovės programas. Didelė ESR vertė prisideda prie prasto veikimo dėl energijos praradimo, kurį sukelia ESR; galios nuostolius galima apskaičiuoti pagal galios įstatymą I ² R, kur R yra ESR vertė. Negana to, triukšmas ir aukštos įtampos kritimas taip pat atsiranda dėl didelės ESR vertės, kaip numatyta Ohmo įstatyme. Šiuolaikinė kondensatorių gamybos technologija sumažina kondensatoriaus ESR ir ESL vertę. Didžiulį patobulėjimą galima pastebėti šiuolaikinėse daugiasluoksnių kondensatorių SMD versijose.

Mažesnės ESR ir ESL vertės kondensatoriai yra pageidaujami kaip išėjimo filtrai perjungimo maitinimo grandinėse arba SMPS konstrukcijose, nes šiais atvejais perjungimo dažnis yra didelis, paprastai artimas keliems MH _z, svyruojantis nuo šimtų kHz. Dėl to įvesties kondensatoriaus ir išėjimo filtro kondensatorių ESR vertė turi būti maža, kad žemo dažnio bangavimas neturėtų įtakos visam maitinimo bloko veikimui. Kondensatorių ESL taip pat turi būti mažas, kad kondensatoriaus varža neveiktų sąveikos su maitinimo šaltinio perjungimo dažniu.

Esant mažai triukšmo sukeliančiam maitinimo šaltiniui, kai reikia slopinti triukšmą, o išėjimo filtro pakopų turėtų būti mažai, aukštos kokybės itin žemos ESR ir žemo ESL kondensatoriai yra naudingi sklandžiam išėjimui ir stabiliam energijos tiekimui į apkrovą. Tokiu atveju polimeriniai elektrolitai yra tinkamas pasirinkimas ir dažniausiai pageidaujami, palyginti su aliuminio elektrolitiniais kondensatoriais.