Разумевање еср и есл у кондензаторима

Електроничке компоненте које се најчешће користе у било ком електронском дизајну су отпорници (Р), кондензатори (Ц) и пригушнице (Л). Већина нас је упозната са основама ове три пасивне компоненте и начином њихове употребе. Теоретски (у идеалним условима) кондензатор се може сматрати чистим кондензатором само са капацитивним својствима, али у пракси ће кондензатор имати и нека резистентна и индуктивна својства повезана са њим, која називамо паразитским отпором или паразитском индуктивношћу. Да, баш попут паразита, ова нежељена својства отпора и индуктивности налазе се унутар кондензатора, спречавајући га да се понаша као чисти кондензатор.

Стога, приликом дизајнирања кола, инжењери првенствено разматрају идеалан облик компоненте, у овом случају капацитивност, а затим заједно са њом и паразитске компоненте (индуктивитет и отпор) такође се сматрају у низу с њом. Ова паразитска отпорност назива се отпор еквивалентне серије (ЕСР), а паразитска индуктивност назива се еквивалентна серијска индуктивност (ЕСЛ). Вредност ове индуктивности и отпора биће врло мала, што се може занемарити у једноставним дизајном. Али у неким апликацијама велике снаге или високе фреквенције ове вредности могу бити врло кључне и ако се не узму у обзир могу смањити ефикасност компоненте или дати неочекиване резултате.

У овом чланку ћемо сазнати више о овом ЕСР и ЕСЛ, како их мерити и како могу утицати на коло. Слично овоме, Индуктор ће имати и нека паразитска својства повезана са њим која се називају ДЦР, о чему ћемо у другом чланку разговарати неки други пут.

ЕСР у кондензаторима

Идеалан кондензатор у серији са отпором назива се еквивалентни серијски отпор кондензатора. Еквивалентан серијски отпор или ЕСР у кондензатору је унутрашњи отпор који се појављује у серији са капацитетом уређаја.

Погледајмо доње симболе који представљају ЕСР кондензатора. Симбол кондензатора представља идеални кондензатор и отпорник као еквивалентан серијски отпор. Отпорник је серијски повезан са кондензатором.

Идеалан кондензатор је лосслесс, што значи пуњење продавнице кондензатор и пружа исту количину пуњења као излаз. Али у стварном свету кондензатори имају малу вредност коначног унутрашњег отпора. Овај отпор долази од диелектричног материјала, цурења у изолатору или у сепаратору. Додајући овоме, еквивалентни серијски отпор или ЕСР имаће различите вредности у различитим типовима кондензатора на основу његове капацитивне вредности и конструкције. Отуда морамо да меримо вредност овог ЕСР практично да бисмо анализирали комплетне карактеристике кондензатора.

Мерење ЕСР у кондензаторима

Мерење ЕСР кондензатора је помало незгодно јер отпор није чист једносмерни отпор. То је због својства кондензатора. Кондензатори блокирају једносмерну струју и пролазе кроз наизменичну струју. Због тога се стандардни мерач ома не може користити за мерење ЕСР. На тржишту су доступни одређени ЕСР мерачи који могу бити корисни за мерење ЕСР кондензатора. Ови бројила користе наизменичну струју, попут квадратног таласа у одређеној фреквенцији на кондензатору. На основу промене фреквенције сигнала може се израчунати ЕСР вредност кондензатора. Предност ове методе је у томе што се ЕСР мери директно на два терминала кондензатора и може се мерити без одвајања са плоче.

Још један теоретски начин израчунавања ЕСР кондензатора је мерење Риппле напона и Риппле струје кондензатора и тада ће однос оба дати вредност ЕСР у кондензатору. Међутим, уобичајенији модел мерења ЕСР је примена извора наизменичне струје преко кондензатора са додатним отпором. Сирови круг за мерење ЕСР је приказан испод

Вс је извор синусног таласа, а Р1 је унутрашњи отпор. Кондензатор Ц је идеални кондензатор, док је Р2 еквивалентни серијски отпор идеалног кондензатора Ц. Треба имати на уму да се у овом ЕСР моделу мерења занемарује оловна индуктивност кондензатора и не сматра се делом коло.

Функција преноса тог кола може бити приказан у наставку конципирање

У горњој једначини огледа се карактеристика високог пролаза кола; апроксимација преносне функције може се даље проценити као -

Х (с) ≈ Р2 / (Р2 + Р1) ≈ Р2 / Р1

Горња апроксимација је погодна за високофреквентне операције. У овом тренутку, коло почиње да се слабља и делује као атенуатор.

Фактор слабљења може се изразити као -

⍺ = Р2 / (Р2 + Р1)

Овај фактор слабљења и унутрашњи отпор генератора синусног таласа Р1 могу се користити за мерење ЕСР кондензатора.

Р2 = ⍺ к Р1

Стога, генератор функција може бити користан за израчунавање ЕСР кондензатора.

Нормално, вредност ЕСР се креће од неколико милиома до неколико ома. Алуминијумски електролитски и тантални кондензатори имају високу ЕСР у поређењу са кутијастим или керамичким кондензаторима. Међутим, савремени напредак у технологији производње кондензатора омогућава производњу супер ниских ЕСР кондензатора.

Како ЕСР утиче на перформансе кондензатора

ЕСР вредност кондензатора је пресудан фактор за излаз кондензатора. Високи ЕСР кондензатор расипа топлоту у примени велике струје и животни век кондензатора се временом смањује, што такође доприноси квару у електронским колима. У изворима напајања, где је велика струја забрињавајућа, ниско ЕСР кондензатори су потребни за филтрирање.

Не само у операцијама везаним за напајање, већ и ниска вредност ЕСР, такође је неопходна за круг велике брзине. На врло високим радним фреквенцијама, обично у распону од стотина МХз до неколико ГХз, ЕСР кондензатора игра виталну улогу у факторима испоруке снаге.

ЕСЛ у кондензатору

Као и ЕСР, ЕСЛ је такође пресудан фактор за кондензаторе. Као што је претходно речено, кондензатори у стварној ситуацији нису идеални. Постоји залутали отпор као и залутала индуктивност. Типичан ЕСЛ модел кондензатора приказан доле. Кондензатор Ц је идеалан кондензатор, а индуктор Л је серијска индуктивност која је серијски повезана са идеалним кондензатором.

Нормално, ЕСЛ је веома поуздан у тренутној петљи; повећање струјне петље такође повећава ЕСЛ у кондензаторима. Удаљеност између завршетка кабла и тачке повезивања кола (укључујући јастучиће или стазе) такође утиче на ЕСЛ у кондензаторима, јер повећана удаљеност терминала такође повећава струјну петљу што резултира великом индуктивношћу у еквивалентној серији.

Мерење ЕСЛ кондензатора

Мерење ЕСЛ може се извршити лако посматрањем графикона импедансе и фреквенције датог у техничком листу произвођача кондензатора. Импеданса кондензатора се мења када се промени фреквенција на кондензатору. Током ситуације, када су на одређеној фреквенцији капацитивна реактанција и индуктивна реактанца једнаки, назива се „тачка колена“.

У овом тренутку кондензатор сам одзвања. ЕСР кондензатора доприноси изравнавању импедансе, све док кондензатор не достигне тачку „колена“ или на саморезонирајућој фреквенцији. Након тачке колена, импеданса кондензатора почиње да расте због ЕСЛ кондензатора.

Горња слика је графикон импедансе у односу на фреквенцију МЛЦЦ (вишеслојни керамички кондензатор). Приказана су три кондензатора, 100нФ, 1нФ Кс7Р класе и 1нФ НП0 кондензатора. Тачке „колена“ могу се лако препознати у доњој тачки В-облика.

Када се идентификује фреквенција тачке колена, ЕСЛ се може мерити доњом формулом

Фреквенција = 1 / (2π√ (ЕСЛ к Ц))

Како ЕСЛ утиче на излаз кондензатора

Излаз кондензатора се погоршава повећаним ЕСЛ, исто као и ЕСР. Повећани ЕСЛ доприноси нежељеном протоку струје и генерише ЕМИ, што даље ствара кварове у високофреквентним апликацијама. У систему везаном за напајање, паразитска индуктивност доприноси великом напону мрешкања. Напон таласа пропорционалан је ЕСЛ вредности кондензатора. Велика ЕСЛ вредност кондензатора такође може да индукује звонеће таласне облике, чинећи да се коло понаша чудно.

Практични значај ЕСР и ЕСЛ

Слика испод даје стварни модел ЕСР и ЕСЛ у кондензатору.

Овде је кондензатор Ц идеалан кондензатор, отпорник Р је еквивалентни серијски отпор, а индуктивитет Л је еквивалентна серијска индуктивност. Комбиновањем ове три направљен је прави кондензатор.

ЕСР и ЕСЛ нису тако пријатне карактеристике кондензатора, што узрокује мноштво смањења перформанси у електронским колима, посебно у применама високих фреквенција и јаких струја. Висока вредност ЕСР доприноси лошим перформансама због губитака енергије изазваних ЕСР; губитак снаге се може израчунати помоћу закона снаге И ² Р где је Р вредност ЕСР. И не само то, јављају се и шумови и пад високог напона због високе вредности ЕСР према закону Ома. Савремена технологија производње кондензатора смањује ЕСР и ЕСЛ вредност кондензатора. Огромно побољшање се може видети у данашњим СМД верзијама вишеслојних кондензатора.

Кондензатори ниже вредности ЕСР и ЕСЛ су пожељнији као излазни филтри у преклопним круговима напајања или СМПС дизајнима, јер је у тим случајевима фреквенција пребацивања висока, обично близу неколико МХ _{з у} распону од стотина кХз. Због тога улазни кондензатор и излазни кондензатори филтра морају бити у ниској ЕСР вредности, тако да валови ниске фреквенције немају утицаја на укупне перформансе јединице за напајање. ЕСЛ кондензатора такође треба да буде низак, тако да импеданција кондензатора не реагује са фреквенцијом пребацивања напајања.

У извору напајања са ниским нивоом шума, где треба пригушити буку, а фазе излазних филтера треба да буду малобројне, висококвалитетни супер ниски ЕСР и ниски ЕСЛ кондензатори корисни су за неометан излаз и стабилну испоруку снаге оптерећењу. У таквој примени, полимерни електролити су погодан избор и најчешће се преферирају у односу на алуминијумске електролитске кондензаторе.