Inzicht in ESR en ESL in condensatoren

De meest gebruikte elektronische componenten in elk elektronisch ontwerp zijn weerstanden (R), condensatoren (C) en de inductoren (L). De meesten van ons zijn bekend met de basis van deze drie passieve componenten en hoe ze te gebruiken. Theoretisch (onder ideale omstandigheden) kan een condensator worden beschouwd als een zuivere condensator met alleen capacitieve eigenschappen, maar in de praktijk zal een condensator ook enkele resistieve en inductieve eigenschappen hebben die eraan gekoppeld zijn, die we de parasitaire weerstand of parasitaire inductantie noemen. Ja, net als een parasiet zit deze ongewenste weerstand en inductie in een condensator waardoor deze zich niet gedraagt ​​als een pure condensator.

Daarom beschouwen ingenieurs bij het ontwerpen van een circuit in de eerste plaats de ideale vorm van de component, in dit geval capaciteit en vervolgens worden de parasitaire componenten (inductantie en weerstand) ook als in serie daarmee beschouwd. Deze parasitaire weerstand wordt de Equivalent Series Resistance (ESR) genoemd en de parasitaire inductantie wordt Equivalent Series Inductance (ESL) genoemd.De waarde van deze inductantie en weerstand zal erg klein zijn, zodat deze in eenvoudige ontwerpen kan worden verwaarloosd. Maar in sommige toepassingen met hoog vermogen of hoge frequentie kan deze waarde erg cruciaal zijn en als ze niet wordt overwogen, kan dit de componentefficiëntie verminderen of onverwachte resultaten opleveren.

In dit artikel zullen we meer leren over deze ESR en ESL, hoe ze te meten en hoe ze een circuit kunnen beïnvloeden. Vergelijkbaar met dit zal een inductor ook enkele parasitaire eigenschappen hebben die ermee verbonden zijn, genaamd DCR, die we in een ander artikel een andere keer zullen bespreken.

ESR in condensatoren

Een ideale condensator in serie met weerstand wordt Equivalente serieweerstand van de condensator genoemd. De equivalente serieweerstand of ESR in een condensator is de interne weerstand die in serie verschijnt met de capaciteit van het apparaat.

Laten we de onderstaande symbolen bekijken, die de ESR van de condensator vertegenwoordigen. Het condensatorsymbool stelt de ideale condensator voor en de weerstand als equivalente serieweerstand. De weerstand is in serie geschakeld met de condensator.

Een ideale condensator is verliesloos, wat betekent dat de condensator lading opslaat en dezelfde hoeveelheid lading levert als de output. Maar in de echte wereld hebben condensatoren een kleine waarde van eindige interne weerstand. Deze weerstand komt van het diëlektrische materiaal, lekkage in een isolator of in de scheider. Hieraan toegevoegd, zal Equivalente serieweerstand of ESR verschillende waarden hebben in verschillende soorten condensatoren op basis van de capaciteitswaarde en constructie. Daarom moeten we de waarde van deze ESR praktisch meten om de volledige kenmerken van een condensator te analyseren.

ESR meten in condensatoren

Het meten van de ESR van een condensator is een beetje lastig omdat de weerstand geen pure DC-weerstand is. Dit komt door de eigenschap van condensatoren. Condensatoren blokkeren gelijkstroom en geven de wisselstroom door. Daarom kan een standaard ohm-meter niet worden gebruikt om de ESR te meten. Er zijn specifieke ESR-meters op de markt die handig kunnen zijn om de ESR van een condensator te meten. Deze meters gebruiken wisselstroom, zoals blokgolf in een specifieke frequentie over de condensator. Op basis van de verandering in frequentie van het signaal kan de ESR-waarde van de condensator worden berekend. Een voordeel van deze methode is dat, aangezien de ESR direct over de twee aansluitingen van een condensator wordt gemeten, deze gemeten kan worden zonder deze van de printplaat te desolderen.

Een andere theoretische manier om de ESR van de condensator te berekenen, is door de rimpelspanning en rimpelstroom van de condensator te meten en vervolgens geeft de verhouding van beide de waarde van ESR in de condensator. Een gebruikelijker ESR-meetmodel is echter om een ​​wisselstroombron over de condensator toe te passen met een extra weerstand. Een ruw circuit om ESR te meten, wordt hieronder getoond

De Vs is de sinusgolfbron en R1 is de interne weerstand. De condensator C is de ideale condensator, terwijl de R2 de equivalente serieweerstand is van de ideale condensator C.Een ding moet in gedachten worden gehouden is dat in dit ESR-meetmodel de inductantie van de condensator wordt genegeerd en niet wordt beschouwd als een onderdeel van het circuit.

De overdrachtsfunctie van dit circuit kan worden weergegeven in de onderstaande formule-

In de bovenstaande vergelijking wordt de hoogdoorlaatfunctie van de schakeling gereflecteerd; de benadering van de overdrachtsfunctie kan verder worden geëvalueerd als -

H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1

De bovenstaande benadering is geschikt voor hoogfrequente bewerkingen. Op dit punt begint het circuit te verzwakken en werkt het als een verzwakker.

De verzwakkingsfactor kan worden uitgedrukt als -

⍺ = R2 / (R2 + R1)

Deze verzwakkingsfactor en de interne weerstand R1 van de sinusgenerator kunnen worden gebruikt om de condensatoren ESR te meten.

R2 = ⍺ x R1

Daarom kan een functiegenerator handig zijn om de ESR van de condensatoren te berekenen.

Normaal gesproken varieert de ESR-waarde van enkele milliohm tot enkele ohm. Aluminium elektrolytische en tantaalcondensatoren hebben een hoge ESR in vergelijking met het box-type of keramische condensatoren. Moderne vooruitgang in de fabricagetechnologie van condensatoren maakt het echter mogelijk om superlage ESR-condensatoren te vervaardigen.

Hoe ESR de prestaties van de condensator beïnvloedt

ESR-waarde van de condensator is een cruciale factor voor de output van de condensator. Een hoge ESR-condensator voert warmte af bij toepassingen met een hoge stroom en de levensduur van de condensator neemt uiteindelijk af, wat ook bijdraagt ​​aan de storing in elektronische circuits. In voedingen, waar hoge stroom een ​​probleem is, zijn de lage ESR-condensatoren vereist voor filtratiedoeleinden.

Niet alleen in aan de voeding gerelateerde operaties, maar een lage ESR-waarde is ook essentieel voor het hogesnelheidscircuit. Bij zeer hoge werkfrequenties, typisch variërend van honderden MHz tot enkele GHz, speelt de ESR van de condensator een cruciale rol bij de vermogensafgiftefactoren.

ESL in condensator

Net als ESR is ESL ook een cruciale factor voor condensatoren. Zoals eerder besproken, zijn condensatoren in de echte situatie niet ideaal. Er is zowel een verdwaalde weerstand als een verdwaalde inductie. Een typisch ESL-model van de condensator hieronder weergegeven. De condensator C is de ideale condensator en de inductor L is de serie-inductie die in serie is geschakeld met de ideale condensator.

Normaal gesproken is ESL in hoge mate afhankelijk van de stroomlus; toename van de stroomlus verhoogt ook de ESL in condensatoren. De afstand tussen de leadafsluiting en het circuitverbindingspunt (inclusief pads of tracks) heeft ook invloed op de ESL in condensatoren omdat een grotere afsluitafstand ook de stroomlus vergroot, wat resulteert in een hoge equivalente serie-inductantie.

ESL van een condensator meten

De meting van ESL kan eenvoudig worden gedaan door de impedantie versus frequentie-grafiek te observeren die wordt gegeven door het gegevensblad van de condensatorfabrikant. De impedantie van de condensator verandert wanneer de frequentie over de condensator wordt veranderd. Tijdens de situatie, wanneer bij een specifieke frequentie de capacitieve reactantie en de inductieve reactantie gelijk zijn, wordt dit het 'kniepunt' genoemd.

Op dit punt resoneert de condensator zelf. De ESR van de condensator draagt ​​bij aan het afvlakken van de impedantiegrafiek totdat de condensator de 'knie'-plek of op de zelfresonerende frequentie heeft bereikt. Na het kniepunt begint de impedantie van de condensator toe te nemen als gevolg van de ESL van de condensator.

De bovenstaande afbeelding is een impedantie versus frequentie-grafiek van een MLCC (meerlaagse keramische condensator). Drie condensatoren, 100nF, 1nF X7R-klasse en 1nF NP0-klasse condensatoren worden weergegeven. De 'knie'-vlekken kunnen gemakkelijk worden geïdentificeerd over het onderste punt van de V-vormige plot.

Zodra de kniepuntfrequentie is geïdentificeerd, kan de ESL worden gemeten met de onderstaande formule

Frequentie = 1 / (2π√ (ESL x C))

Hoe ESL de output van de condensator beïnvloedt

De output van de condensatoren verslechtert bij verhoogde ESL, hetzelfde als bij ESR. Verhoogde ESL draagt ​​bij aan de ongewenste stroomsterkte en genereert EMI, wat verder storingen veroorzaakt in hoogfrequente toepassingen. In een voedingsgerelateerd systeem draagt ​​parasitaire inductie bij aan de hoge rimpelspanning. Rimpelspanning is evenredig met de ESL-waarde van de condensatoren. Een grote ESL-waarde van de condensator kan ook rinkelende golfvormen veroorzaken, waardoor het circuit zich vreemd gedraagt.

Praktisch belang van ESR en ESL

De onderstaande afbeelding geeft het daadwerkelijke model van ESR en ESL in condensator weer.

Hier is de condensator C een ideale condensator, de weerstand R is de equivalente serieweerstand en de inductor L is de equivalente serie-inductantie. Door deze drie te combineren, wordt de echte condensator gemaakt.

ESR en ESL zijn niet zo prettige kenmerken van een condensator, die een verscheidenheid aan prestatieverminderingen in elektronische schakelingen veroorzaken, vooral bij toepassingen met hoge frequentie en hoge stroomsterkte. Hoge ESR-waarde draagt ​​bij aan de slechte prestaties als gevolg van de vermogensverliezen veroorzaakt door ESR; het vermogensverlies kan worden berekend met behulp van de vermogenswet I ² R waarbij R de ESR-waarde is. Niet alleen dit, er treden ook geluiden en een hoge spanningsval op als gevolg van de hoge ESR-waarde volgens de wet van Ohm. Moderne fabricagetechnologie voor condensatoren vermindert de ESR- en ESL-waarde van de condensator. Een enorme verbetering is te zien in de huidige SMD-versies van meerlagige condensatoren.

Lagere ESR en ESL waarde condensatoren de voorkeur als uitgangsfilters schakelende voedingscircuits of SMPS ontwerpen omdat de schakelfrequentie is hoog in deze gevallen meestal dicht bij diverse MH _z variëren van honderden kHz. Daarom moeten de ingangscondensator en de uitgangsfiltercondensatoren een lage ESR-waarde hebben, zodat de laagfrequente rimpelingen geen invloed hebben op de algehele prestaties van de voedingseenheid. De ESL van de condensatoren moet ook laag zijn, zodat de impedantie van de condensator geen interactie heeft met de schakelfrequentie van de voeding.

In een stroomvoorziening met weinig ruis, waar de geluiden moeten worden onderdrukt en de uitgangsfiltertrappen laag in aantal moeten zijn, zijn hoogwaardige superlage ESR- en lage ESL-condensatoren nuttig voor een soepele output en stabiele stroomafgifte aan de belasting. In een dergelijke toepassing zijn polymere elektrolyten een geschikte keuze en hebben ze gewoonlijk de voorkeur boven aluminium elektrolytische condensatoren.