- ШОЕ в конденсаторах
- Вимірювання ШОЕ в конденсаторах
- Як ESR впливає на продуктивність конденсатора
- ESL в конденсаторі
- Вимірювання ESL конденсатора
- Як ESL впливає на вихід конденсатора
- Практичне значення ШОЕ та ESL
Найбільш використовуваними електронними компонентами в будь-якій електронній конструкції є резистори (R), конденсатори (C) та індуктори (L). Більшість з нас знайомі з основами цих трьох пасивних компонентів та способами їх використання. Теоретично (в ідеальних умовах) конденсатор можна розглядати як чистий конденсатор, що має лише ємнісні властивості, але на практиці конденсатор також матиме разом з ним деякі резистивні та індуктивні властивості, які ми називаємо паразитичним опором або паразитною індуктивністю. Так, так само, як паразит, цей небажаний опір та властивості індуктивності знаходиться всередині конденсатора, заважаючи йому поводитися як чистий конденсатор.
Отже, при проектуванні схем інженери в першу чергу розглядають ідеальну форму компонента, в цьому випадку ємність, а потім разом з нею паразитні компоненти (індуктивність та опір) також вважаються послідовно з нею. Цей паразитний опір називається еквівалентним серійним опором (ESR), а паразитна індуктивність - еквівалентним індуктивністю серії (ESL). Значення цієї індуктивності та опору буде дуже малим, і цим можна знехтувати у простих конструкціях. Але в деяких додатках з високою потужністю або високою частотою ці значення можуть бути дуже важливими, і якщо їх не враховувати, це може зменшити ефективність компонента або вивести несподівані результати.
У цій статті ми дізнаємося більше про це ESR та ESL, як їх виміряти та як вони можуть вплинути на схему. Подібно до цього індуктор також матиме пов'язані з ним паразитарні властивості, які називаються DCR, про що ми поговоримо в іншій статті іншим часом.
ШОЕ в конденсаторах
Ідеальний конденсатор послідовно з опором називається еквівалентним послідовним опором конденсатора. Еквівалентний послідовний опір або ESR в конденсаторі - це внутрішній опір, який з’являється послідовно з ємністю пристрою.
Давайте подивимося наведені нижче символи, які представляють ESR конденсатора. Символ конденсатора представляє ідеальний конденсатор і резистор як еквівалентний послідовний опір. Резистор з'єднаний послідовно з конденсатором.
Ідеально підходить конденсатор без втрат, тобто конденсатор магазину заряду і забезпечує таку ж кількість заряду в якості виходу. Але в реальному світі конденсатори мають невелике значення кінцевого внутрішнього опору. Цей опір виникає від діелектричного матеріалу, витоку в ізоляторі або в сепараторі. Додаючи до цього, еквівалентний послідовний опір або ESR матимуть різні значення в різних типах конденсаторів залежно від його ємності та конструкції. Отже, нам доводиться вимірювати значення цього ESR практично для аналізу повних характеристик конденсатора.
Вимірювання ШОЕ в конденсаторах
Вимірювання ESR конденсатора трохи складне, оскільки опір не є чистим опором постійного струму. Це пов’язано з властивістю конденсаторів. Конденсатори блокують постійний струм і передають змінний. Тому стандартний вимірювач Ом не можна використовувати для вимірювання ESR. На ринку доступні конкретні вимірювачі ESR, які можуть бути корисними для вимірювання ESR конденсатора. Ці лічильники використовують змінний струм, такий як квадратна хвиля на певній частоті на конденсаторі. На основі зміни частоти сигналу можна розрахувати значення ESR конденсатора. Перевагою цього методу є те, що, оскільки ESR вимірюється безпосередньо на двох висновках конденсатора, його можна виміряти, не розпаюючи його з друкованої плати.
Іншим теоретичним способом обчислення ESR конденсатора є вимірювання напруги Пульсації та струму Пульсації конденсатора, і тоді співвідношення обох дасть значення ESR в конденсаторі. Однак більш поширеною моделлю вимірювання ESR є застосування джерела змінного струму через конденсатор з додатковим опором. Невисока схема вимірювання ШОЕ показана нижче
Vs - джерело синусоїди, а R1 - внутрішній опір. Конденсатор C є ідеальним конденсатором, тоді як R2 - еквівалентний послідовний опір ідеального конденсатора C. Потрібно пам’ятати одне, що в цій моделі вимірювання ESR провідна індуктивність конденсатора ігнорується і не розглядається як частина ланцюга.
Передавальна функція цієї схеми може бути зображена на нижче формулюваннях
У наведеному вище рівнянні відображена характеристика високих частот схеми; апроксимація передавальної функції може бути далі оцінена як -
H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1
Зазначене наближення підходить для високочастотних операцій. У цей момент ланцюг починає загасати і діяти як аттенюатор.
Коефіцієнт загасання може бути виражений як -
⍺ = R2 / (R2 + R1)
Цей коефіцієнт загасання та внутрішній опір R1 генератора синусоїди можуть бути використані для вимірювання конденсаторів ESR.
R2 = ⍺ x R1
Тому генератор функцій може бути корисним для розрахунку ESR конденсаторів.
Зазвичай значення ESR коливається від декількох міліомів до декількох омів. Алюмінієві електролітичні та танталові конденсатори мають високий коефіцієнт ESR порівняно з конденсаторами коробчатого типу або керамічними. Однак сучасні досягнення в технології виготовлення конденсаторів дозволяють виробляти конденсатори наднизького ESR.
Як ESR впливає на продуктивність конденсатора
Значення ESR конденсатора є вирішальним фактором для виходу конденсатора. Конденсатор із високим коефіцієнтом ESR розсіює тепло при сильному струмі, і термін служби конденсатора з часом зменшується, що також сприяє несправності в електронних схемах. У джерелах живлення, де викликає занепокоєння сильний струм, конденсатори з низьким значенням ESR необхідні для фільтрації.
Не тільки в операціях, пов’язаних з джерелом живлення, але низьке значення ESR, також важливо для високошвидкісної схеми. На дуже високих робочих частотах, як правило, від сотень МГц до декількох ГГц, ESR конденсатора відіграє життєво важливу роль у факторах подачі потужності.
ESL в конденсаторі
Як і ESR, ESL також є вирішальним фактором для конденсаторів. Як вже обговорювалося раніше, в реальній ситуації конденсатори не є ідеальними. Існує блукаючий опір, а також блукаюча індуктивність. Типова ESL-модель конденсатора, показана нижче. Конденсатор C - ідеальний конденсатор, а індуктор L - послідовна індуктивність, з'єднана послідовно з ідеальним конденсатором.
Зазвичай ESL сильно залежить від поточного циклу; збільшення струму петлі також збільшує ESL в конденсаторах. Відстань між закінченням провідника і точкою з'єднання ланцюга (включаючи колодки або доріжки) також впливає на ESL в конденсаторах, оскільки збільшена відстань закінчення також збільшує струм контуру, що призводить до високої еквівалентної послідовності індуктивності.
Вимірювання ESL конденсатора
Вимірювання ESL можна легко зробити, спостерігаючи графік імпедансу та частоти, наведений у таблиці виробника конденсатора. Опір конденсатора змінюється при зміні частоти на конденсаторі. Під час ситуації, коли на певній частоті ємнісний реактивний опір та індуктивний опір рівні, це називається "точкою коліна".
У цей момент конденсатор самостійно резонує. ESR конденсатора сприяє згладжуванню діаграми імпедансу, поки конденсатор не досягне "колінного" місця або на саморезонуючій частоті. Після точки коліна імпеданс конденсатора починає збільшуватися через ESL конденсатора.
Наведене зображення - графік імпедансу проти частоти MLCC (багатошаровий керамічний конденсатор). Показано три конденсатори, 100 нФ, 1 нФ класу X7R та 1 нФ конденсаторів класу NP0. Плями «коліна» можна легко визначити в нижній точці V-подібної ділянки.
Як тільки частота точки коліна визначена, ESL можна виміряти за наведеною нижче формулою
Частота = 1 / (2π√ (ESL x C))
Як ESL впливає на вихід конденсатора
Вихід конденсаторів погіршується за рахунок збільшення ESL, так само, як і ESR. Збільшення ESL сприяє небажаному потоку струму та генерує EMI, що додатково створює несправності у високочастотних додатках. У системі енергопостачання паразитна індуктивність сприяє високій напрузі пульсацій. Пульсаційна напруга пропорційна значенню ESL конденсаторів. Велике значення ESL конденсатора може також викликати сигнали дзвінка, що робить схему поведінкою дивною.
Практичне значення ШОЕ та ESL
На зображенні нижче представлена фактична модель ESR та ESL в конденсаторі.
Тут конденсатор С є ідеальним конденсатором, резистор R - еквівалентний серійний опір, а індуктор L - еквівалентна індуктивність серії. Поєднуючи ці три, виготовляється справжній конденсатор.
ESR та ESL не є настільки приємними характеристиками конденсатора, які спричиняють різноманітне зниження продуктивності в електронних схемах, особливо у високочастотних та сильних струмах. Високе значення ESR сприяє низькій продуктивності через втрати потужності, спричинені ESR; втрати потужності можна обчислити, використовуючи закон потужності I 2 R, де R - значення ESR. Не тільки це, шуми та падіння високої напруги також виникають через високе значення ESR відповідно до закону Ом. Сучасна технологія виготовлення конденсаторів зменшує значення ESR та ESL конденсатора. Величезне покращення можна помітити в сучасних SMD-версіях багатошарових конденсаторів.
Нижні значення конденсаторів ESR та ESL є кращими як вихідні фільтри в імпульсних схемах живлення або конструкціях SMPS, оскільки частота комутації в цих випадках висока, зазвичай близька до кількох МГц z в межах від сотень кГц. Через це вхідний конденсатор та вихідні конденсатори фільтра повинні мати низьке значення ESR, щоб низькочастотні пульсації не мали впливу на загальну роботу блоку живлення. ESL конденсаторів також повинен бути низьким, щоб імпеданс конденсатора не взаємодіяв з частотою перемикання джерела живлення.
У джерелі живлення з низьким рівнем шуму, де шуми потрібно придушувати, а каскади вихідних фільтрів повинні бути малочисельними, високоякісні конденсатори з наднизьким коефіцієнтом ESR та низьким рівнем ESL корисні для плавного виходу та стабільної подачі потужності на навантаження. У такому застосуванні полімерні електроліти є підходящим вибором і, як правило, кращими, ніж алюмінієві електролітичні конденсатори.