Κατανόηση των esr και esl στους πυκνωτές

Τα πιο χρησιμοποιημένα ηλεκτρονικά εξαρτήματα σε κάθε ηλεκτρονικό σχεδιασμό είναι Αντιστάσεις (R), Πυκνωτές (C) και Επαγωγείς (L). Οι περισσότεροι από εμάς γνωρίζουμε τα βασικά αυτών των τριών παθητικών συστατικών και τον τρόπο χρήσης τους. Θεωρητικά (υπό ιδανικές συνθήκες) ένας πυκνωτής μπορεί να θεωρηθεί ως καθαρός πυκνωτής με μόνο χωρητικές ιδιότητες, αλλά στην πράξη ένας πυκνωτής θα έχει επίσης μερικές αντιστάσεις και επαγωγικές ιδιότητες σε συνδυασμό με αυτό, τις οποίες ονομάζουμε ως παρασιτική αντίσταση ή παρασιτική επαγωγή. Ναι, ακριβώς όπως ένα παράσιτο, αυτή η ανεπιθύμητη αντίσταση και ιδιότητες επαγωγής βρίσκεται μέσα σε έναν πυκνωτή που τον εμποδίζει να συμπεριφέρεται σαν ένας καθαρός πυκνωτής.

Ως εκ τούτου, κατά το σχεδιασμό ενός κυκλώματος οι μηχανικοί θεωρούν κυρίως την ιδανική μορφή του εξαρτήματος, σε αυτήν την περίπτωση χωρητικότητα και στη συνέχεια μαζί με αυτά τα παρασιτικά εξαρτήματα (επαγωγή και αντίσταση) θεωρείται επίσης σε σειρά με αυτό. Αυτή η παρασιτική αντίσταση ονομάζεται ισοδύναμη αντίσταση σειράς (ESR) και η παρασιτική επαγωγή ονομάζεται ισοδύναμη σειρά επαγωγής (ESL) Η τιμή αυτής της επαγωγής και αντίστασης θα είναι πολύ μικρή, ώστε να μπορεί να παραμεληθεί σε απλούς σχεδιασμούς. Ωστόσο, σε κάποια εφαρμογή υψηλής ισχύος ή υψηλής συχνότητας, αυτή η τιμή μπορεί να είναι πολύ κρίσιμη και αν δεν ληφθεί υπόψη ενδέχεται να μειώσει την απόδοση του στοιχείου ή την έξοδο απρόσμενα αποτελέσματα.

Σε αυτό το άρθρο θα μάθουμε περισσότερα για αυτό το ESR και ESL, πώς να τα μετρήσουμε και πώς μπορούν να επηρεάσουν ένα κύκλωμα. Παρόμοια με αυτό, ένας Επαγωγέας θα έχει επίσης κάποιες παρασιτικές ιδιότητες που σχετίζονται με αυτό που ονομάζεται DCR, τις οποίες θα συζητήσουμε σε άλλο άρθρο κάποια άλλη στιγμή.

ESR σε πυκνωτές

Ένας ιδανικός πυκνωτής σε σειρά με αντίσταση ονομάζεται Ισοδύναμη αντίσταση σειράς του πυκνωτή. Η ισοδύναμη αντίσταση σειράς ή ESR σε έναν πυκνωτή είναι η εσωτερική αντίσταση που εμφανίζεται σε σειρά με την χωρητικότητα της συσκευής.

Ας δούμε τα παρακάτω σύμβολα, τα οποία αντιπροσωπεύουν ESR του πυκνωτή. Το σύμβολο πυκνωτή αντιπροσωπεύει τον ιδανικό πυκνωτή και την αντίσταση ως ισοδύναμη αντίσταση σειράς. Η αντίσταση συνδέεται εν σειρά με τον πυκνωτή.

Ένας ιδανικός πυκνωτής είναι χωρίς απώλειες, που σημαίνει ότι ο πυκνωτής αποθηκεύει φόρτιση και παρέχει το ίδιο ποσό φόρτισης με την έξοδο. Αλλά στον πραγματικό κόσμο, οι πυκνωτές έχουν μια μικρή τιμή πεπερασμένης εσωτερικής αντίστασης. Αυτή η αντίσταση προέρχεται από το διηλεκτρικό υλικό, διαρροή σε μονωτή ή στο διαχωριστικό. Προσθέτοντας σε αυτό, η ισοδύναμη αντίσταση σειράς ή το ESR θα έχει διαφορετικές τιμές σε διαφορετικούς τύπους πυκνωτών με βάση την τιμή χωρητικότητας και την κατασκευή του. Ως εκ τούτου, πρέπει να μετρήσουμε την τιμή αυτού του ESR πρακτικά για να αναλύσουμε τα πλήρη χαρακτηριστικά ενός πυκνωτή.

Μέτρηση ESR σε πυκνωτές

Η μέτρηση του ESR ενός πυκνωτή είναι λίγο δύσκολη επειδή η αντίσταση δεν είναι καθαρή αντίσταση DC. Αυτό οφείλεται στην ιδιότητα των πυκνωτών. Οι πυκνωτές μπλοκάρουν DC και περνούν το AC. Επομένως, ο τυπικός μετρητής ohms δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση του ESR. Υπάρχουν συγκεκριμένοι μετρητές ESR που διατίθενται στην αγορά και μπορούν να είναι χρήσιμοι για τη μέτρηση του ESR ενός πυκνωτή. Αυτοί οι μετρητές χρησιμοποιούν εναλλασσόμενο ρεύμα, όπως τετραγωνικό κύμα σε μια συγκεκριμένη συχνότητα στον πυκνωτή. Με βάση την αλλαγή στη συχνότητα του σήματος μπορεί να υπολογιστεί η τιμή ESR του πυκνωτή. Ένα πλεονέκτημα με αυτήν τη μέθοδο είναι ότι, δεδομένου ότι το ESR μετριέται κατευθείαν στους δύο ακροδέκτες ενός πυκνωτή, μπορεί να μετρηθεί χωρίς να το συγκολλήσει από την πλακέτα κυκλώματος.

Ένας άλλος θεωρητικός τρόπος υπολογισμού του ESR του πυκνωτή είναι η μέτρηση της τάσης κυματισμού και του ρεύματος κυματισμού του πυκνωτή και στη συνέχεια η αναλογία και των δύο θα δώσει την τιμή του ESR στον πυκνωτή. Ωστόσο, ένα πιο κοινό μοντέλο μέτρησης ESR είναι η εφαρμογή πηγής εναλλασσόμενου ρεύματος στον πυκνωτή με πρόσθετη αντίσταση. Ένα αργό κύκλωμα για τη μέτρηση του ESR φαίνεται παρακάτω

Το Vs είναι η πηγή ημιτονοειδούς κύματος και το R1 είναι η εσωτερική αντίσταση. Ο πυκνωτής C είναι ο ιδανικός πυκνωτής, ενώ το R2 είναι η ισοδύναμη αντίσταση σειράς του ιδανικού πυκνωτή C. Ένα πράγμα που πρέπει να θυμόμαστε είναι ότι σε αυτό το μοντέλο μέτρησης ESR, η επαγωγική ικανότητα του πυκνωτή αγνοείται και δεν θεωρείται μέρος το κύκλωμα.

Η λειτουργία μεταφοράς αυτού του κυκλώματος μπορεί να απεικονιστεί στον παρακάτω τύπο-

Στην παραπάνω εξίσωση, το χαρακτηριστικό high pass του κυκλώματος αντικατοπτρίζεται. η προσέγγιση της λειτουργίας μεταφοράς μπορεί περαιτέρω να αξιολογηθεί ως -

H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1

Η παραπάνω προσέγγιση είναι κατάλληλη για λειτουργίες υψηλής συχνότητας. Σε αυτό το σημείο, το κύκλωμα αρχίζει να εξασθενεί και να λειτουργεί ως εξασθενητής.

Ο συντελεστής εξασθένησης μπορεί να εκφραστεί ως -

⍺ = R2 / (R2 + R1)

Αυτός ο παράγοντας εξασθένησης και η εσωτερική αντίσταση της γεννήτριας ημιτονοειδούς R1 μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση των πυκνωτών ESR.

R2 = ⍺ x R1

Επομένως, μια γεννήτρια λειτουργίας μπορεί να είναι χρήσιμη για τον υπολογισμό του ESR των πυκνωτών.

Κανονικά, η τιμή ESR κυμαίνεται από μερικά χιλιοστά έως αρκετά ωμ. Οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές αλουμινίου και ταντάλιο έχουν υψηλό ESR σε σύγκριση με τον τύπο κουτιού ή τους κεραμικούς πυκνωτές. Ωστόσο, η σύγχρονη πρόοδος στην τεχνολογία κατασκευής πυκνωτών καθιστά δυνατή την κατασκευή πυκνωτών ESR χαμηλού επιπέδου.

Πώς επηρεάζει το ESR την απόδοση του πυκνωτή

Η τιμή ESR του πυκνωτή είναι ένας κρίσιμος παράγοντας για την έξοδο του πυκνωτή. Ο πυκνωτής υψηλού ESR διαλύει τη θερμότητα σε εφαρμογή με υψηλό ρεύμα και η διάρκεια ζωής του πυκνωτή μειώνεται τελικά, γεγονός που συμβάλλει επίσης στη δυσλειτουργία στα ηλεκτρονικά κυκλώματα. Στα τροφοδοτικά, όπου το υψηλό ρεύμα είναι ανησυχητικό, οι χαμηλοί πυκνωτές ESR απαιτούνται για σκοπούς φιλτραρίσματος.

Όχι μόνο σε λειτουργίες που σχετίζονται με την τροφοδοσία αλλά και χαμηλή τιμή ESR, είναι επίσης απαραίτητη για το κύκλωμα υψηλής ταχύτητας. Σε πολύ υψηλές συχνότητες λειτουργίας, που κυμαίνονται συνήθως από εκατοντάδες MHz έως αρκετά GHz, το ESR του πυκνωτή παίζει ζωτικό ρόλο στους παράγοντες παροχής ισχύος.

ESL σε πυκνωτή

Όπως και με το ESR, το ESL είναι επίσης ένας κρίσιμος παράγοντας για τους πυκνωτές. Όπως συζητήθηκε προηγουμένως, οι πραγματικοί πυκνωτές δεν είναι ιδανικοί. Υπάρχει αντίσταση αδέσποτου καθώς και αδέσμευτη επαγωγή. Ένα τυπικό μοντέλο πυκνωτή ESL φαίνεται παρακάτω. Ο πυκνωτής C είναι ο ιδανικός πυκνωτής και ο επαγωγέας L είναι η επαγωγική σειρά που συνδέεται σε σειρά με τον ιδανικό πυκνωτή.

Κανονικά, ESL είναι ιδιαίτερα αξιόπιστη για την τρέχουσα βρόχο ? αύξηση του τρέχοντος βρόχου αυξάνει επίσης το ESL στους πυκνωτές. Η απόσταση μεταξύ του τερματισμού του αγωγού και του σημείου σύνδεσης κυκλώματος (συμπεριλαμβανομένων των μαξιλαριών ή των κομματιών) επηρεάζει επίσης το ESL στους πυκνωτές επειδή η αυξημένη απόσταση τερματισμού αυξάνει επίσης τον τρέχοντα βρόχο με αποτέλεσμα υψηλή ισοδύναμη επαγωγή σειράς.

Μέτρηση ESL ενός πυκνωτή

Η μέτρηση του ESL μπορεί να γίνει εύκολα παρατηρώντας την αντίσταση έναντι της συχνότητας που δίνεται από το φύλλο δεδομένων του κατασκευαστή του πυκνωτή. Η σύνθετη αντίσταση του πυκνωτή αλλάζει όταν αλλάζει η συχνότητα στον πυκνωτή. Κατά τη διάρκεια της κατάστασης, όταν σε μια συγκεκριμένη συχνότητα η χωρητική αντίδραση και η επαγωγική αντίδραση είναι ίσες, ονομάζεται «σημείο γόνατος».

Σε αυτό το σημείο, ο πυκνωτής αντηχεί. Το ESR του πυκνωτή συμβάλλει στην ισοπέδωση της πλοκής αντίστασης έως ότου ο πυκνωτής φτάσει στο σημείο «γόνατος» ή στη συχνότητα αυτο-συντονισμού. Μετά το σημείο γονάτου, η αντίσταση του πυκνωτή αρχίζει να αυξάνεται λόγω του ESL του πυκνωτή.

Η παραπάνω εικόνα είναι μια πλοκή αντίστασης έναντι συχνότητας ενός MLCC (Πολυεπίπεδος κεραμικός πυκνωτής). Εμφανίζονται τρεις πυκνωτές, 100nF, 1nF X7R και 1nF πυκνωτές NP0. Τα σημεία «γόνατος» μπορούν εύκολα να αναγνωριστούν στο κάτω σημείο του σχήματος V.

Μόλις προσδιοριστεί η συχνότητα του γόνατος, το ESL μπορεί να μετρηθεί με τον παρακάτω τύπο

Συχνότητα = 1 / (2π√ (ESL x C))

Πώς επηρεάζει το ESL την έξοδο του πυκνωτή

Η έξοδος των πυκνωτών υποβαθμίζεται κατά αυξημένο ESL, όπως και το ESR. Το αυξημένο ESL συμβάλλει στην ανεπιθύμητη ροή ρεύματος και δημιουργεί EMI, το οποίο δημιουργεί περαιτέρω δυσλειτουργίες σε εφαρμογές υψηλής συχνότητας. Στο σύστημα τροφοδοσίας, η παρασιτική επαγωγή συμβάλλει στην υψηλή τάση κυματισμού. Η τάση κυματισμού είναι ανάλογη με την τιμή ESL των πυκνωτών. Η μεγάλη τιμή του πυκνωτή ESL μπορεί επίσης να προκαλέσει κυματομορφές κουδουνίσματος, κάνοντας το κύκλωμα να συμπεριφέρεται περίεργο.

Πρακτική σημασία των ESR και ESL

Η παρακάτω εικόνα παρέχει το πραγματικό μοντέλο ESR και ESL στον πυκνωτή.

Εδώ, ο πυκνωτής C είναι ένας ιδανικός πυκνωτής, η αντίσταση R είναι ισοδύναμη αντίσταση σειράς και ο επαγωγέας L είναι η ισοδύναμη επαγωγή σειράς. Συνδυάζοντας αυτά τα τρία γίνεται ο πραγματικός πυκνωτής.

Τα ESR και ESL δεν είναι τόσο ευχάριστα χαρακτηριστικά ενός πυκνωτή, που προκαλούν μια ποικιλία απόδοσης απόδοσης σε ηλεκτρονικά κυκλώματα, ειδικά σε εφαρμογές υψηλής συχνότητας και υψηλού ρεύματος. Η υψηλή τιμή ESR συμβάλλει στην κακή απόδοση λόγω των απωλειών ισχύος που προκαλούνται από το ESR. η απώλεια ισχύος μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας το νόμο ισχύος ² R όπου το R είναι η τιμή ESR. Όχι μόνο αυτό, οι θόρυβοι και η πτώση υψηλής τάσης συμβαίνουν επίσης λόγω της υψηλής τιμής ESR σύμφωνα με το νόμο Ohms. Η σύγχρονη τεχνολογία κατασκευής πυκνωτών μειώνει την τιμή ESR και ESL του πυκνωτή. Μια τεράστια βελτίωση μπορεί να φανεί στις σημερινές εκδόσεις SMD των πυκνωτών πολλαπλών επιπέδων.

Οι πυκνωτές χαμηλότερης τιμής ESR και ESL προτιμώνται ως φίλτρα εξόδου σε κυκλώματα εναλλαγής ισχύος ή σε σχέδια SMPS επειδή η συχνότητα μεταγωγής είναι υψηλή σε αυτές τις περιπτώσεις, συνήθως κοντά σε αρκετά MH _{z που} κυμαίνονται από εκατοντάδες kHz. Εξαιτίας αυτού, ο πυκνωτής εισόδου και οι πυκνωτές φίλτρου εξόδου πρέπει να έχουν χαμηλή τιμή ESR, έτσι ώστε οι κυματισμοί χαμηλής συχνότητας να μην επηρεάζουν τη συνολική απόδοση της μονάδας τροφοδοσίας. Το ESL των πυκνωτών πρέπει επίσης να είναι χαμηλό, έτσι ώστε η σύνθετη αντίσταση του πυκνωτή να μην αλληλεπιδρά με τη συχνότητα μεταγωγής τροφοδοσίας.

Σε τροφοδοσία χαμηλού θορύβου, όπου οι θόρυβοι πρέπει να κατασταλούν και τα στάδια του φίλτρου εξόδου πρέπει να είναι χαμηλά σε αριθμούς, οι υψηλής ποιότητας πυκνωτές ESR χαμηλής ποιότητας και χαμηλοί ESL είναι χρήσιμοι για ομαλή έξοδο και σταθερή παροχή ισχύος στο φορτίο. Σε μια τέτοια εφαρμογή, οι πολυμερείς ηλεκτρολύτες είναι μια κατάλληλη επιλογή και συνήθως προτιμώνται από τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές αλουμινίου.