ESR конденсатора — что это?

ESR — Equivalent Series Resistance — один из параметров конденсатора, характеризующий его активные потери в цепи переменного тока. В эквиваленте его можно представить, как включенный последовательно с конденсатором резистор, сопротивление которого определяется, главным образом, диэлектрическими потерями, а так же сопротивлением обкладок, внутренних контактных соединений и выводов. В русскоязычной аббревиатуре — Эквивалентное Последовательное Сопротивление — ЭПС.

Потери в диэлектрике, обусловленные особенностями его поляризации, составляют основную часть потерь в конденсаторе и определяются материалом, а так же толщиной слоя диэлектрика.

Поляризация — ограниченное смещение связанных зарядов диэлектрика в электрическом поле.

Рассматривать детально процессы всех видов поляризации здесь нет необходимости, но вкратце это можно пояснить следующим образом:
Частицы диэлектрика, обладающие зарядом, под воздействием переменного электрического поля вынуждены совершать непроизвольные механические колебания, обусловленные их переориентацией и смещением (поляризацией).

В слоях диэлектрика, близких к обкладкам, заряды, не покидая своих связей, активно участвуют во всех процессах формирования напряжения и тока в конденсаторе, как и проводники. По сути, уменьшается толщина слоя реального диэлектрика.
В результате существенно повышается ёмкость конденсатора но, по причине инертности и внутреннего трения связанных частиц, процессы сопровождаются выделением тепла и потерями энергии в токопроводящих слоях диэлектрика. То есть, эти поляризованные слои обладают активным сопротивлением электрическому току.
С увеличением частоты, диэлектрические потери пропорционально возрастают по той же причине — механической инертности поляризованных зарядов.

Сопротивление токопроводящих слоёв диэлектрика последовательно складывается с сопротивлением обкладок, выводов и контактных соединений. В итоге образуется общее активное сопротивление R — Equivalent Series Resistance (ESR). По сути оно представляет собой резистор, включенный последовательно с конденсатором.

В этом случае угол сдвига фаз между током и напряжением будет не 90°, как в идеальном конденсаторе, а несколько меньше.
Тангенс угла δ, составляющего эту разницу с 90°, называют тангенсом угла потерь.

Тангенс угла определится отношением активного сопротивления к реактивному R/Xc

, как тригонометрическая функция отношения двух катетов треугольника сопротивлений, показанного на рисунке выше.

В электролитических конденсаторах значимой частью ESR является сопротивление жидкого электролита, который используется в качестве одной из обкладок для обеспечения максимальной площади соприкосновения с диэлектриком.
Активное сопротивление электролита в реальных конденсаторах обычно соизмеримо с десятыми или даже с сотыми долями Ома при 20°C, но для конденсаторов большой ёмкости, используемых в фильтрах выпрямителей ИИП на рабочей частоте порядка 100 кГц, когда его реактивное сопротивление измеряется тысячными долями Ома, эта величина может составлять основные потери, и будет значительно уменьшаться по мере прогрева.

При рабочей температуре величина диэлектрических потерь на таких частотах обычно оказывается в несколько раз больше.

Сопротивление электролита зависит от температуры по причине изменения степени его вязкости и подвижности ионов.

В процессе работы происходит нагрев диэлектрика и электролита переменным током, в связи с чем существенно уменьшается сопротивление электролита, тогда ESR конденсатора будет определяться преимущественно его диэлектрическими потерями, которые продолжат греть конденсатор в допустимых расчётами пределах.
Но, в случаях разогрева до температуры кипения, электролит утрачивает свои первоначальные свойства и при последующем охлаждении становится более вязким, что ухудшает подвижность ионов и повышает активное сопротивление. Дальнейшая эксплуатация будет вызывать ещё больший разогрев и ухудшение качества электролита, что в последствии приведёт к непригодности конденсатора для дальнейшей работы.

Неисправные конденсаторы, в которых кипел электролит, обычно определяются визуально по вздувшемуся и разгерметизированному корпусу.

Для надёжности работы электролитических конденсаторов очень важен правильный выбор его типа, номинала и максимального напряжения в зависимости от режимов и условий эксплуатации.
Для фильтров выпрямителей в преобразователях, работающих на частотах десятков или сотен килогерц, производители выпускают специальные конденсаторы с малым ESR и указывают полное сопротивление переменному току (импеданс Z) для всех номиналов в таблицах.

Тип таких конденсаторов сопровождается пометкой в технической документации — Low impedance или Low ESR.

Для анализа состояния электролита и внутренних соединений электролитических конденсаторов применяются измерители или пробники ESR, которые могут быть выполнены исходя из разных принципов измерений и требований к погрешностям.
Большая часть простых ESR-пробников и тестеров основана на принципе измерения импеданса. У них есть свой существенный плюс — низкоомный вход, что позволяет проверять конденсаторы, не выпаивая их из платы.
Подробнее о способах измерения можно ознакомиться на страничке — измерение ESR.

Наряду с ухудшением качества электролита, часто активное сопротивление в конденсаторах возрастает по причине ухудшения контактов обкладок с выводами, вплоть до полного обрыва. В электролитических это происходит чаще, в металлокерамических реже, телевизионным мастерам все эти случаи хорошо знакомы. А ремонтники старшего поколения, кто застал советские ламповые телевизоры, хорошо помнят бумажные конденсаторы, которые иногда поджимали пассатижами для уплотнения контактных соединений внутри, и они какое-то время ещё работали.

Для чего нужна таблица?
Большинство пробников и тестеров, обычно светодиодные или стрелочные, измеряют импеданс — общее сопротивление конденсатора (активное и реактивное). Активное отдельно замерить сложнее, но оно и есть потери — значение ESR.

При измерении ёмкостей менее 100 микрофарад, реактивная составляющая уже оказывается соизмеримой, а иногда больше значения ESR, и существенно влияет на результат. А в конденсаторах менее 10 мкф и вовсе значение ESR во много раз меньше и его доля незначительна в общем показании. Точно замерить ESR у них невозможно такими пробниками, но выявить неисправные конденсаторы можно.
Другими словами, реактивное сопротивление в показаниях таких приборов — неудобная погрешность, зависимая от ёмкости конденсатора. Её надо учитывать при оценке качества конденсатора для разных ёмкостей.
К тому же ESR зависит от толщины слоя электролита и диэлектрика. Для высоковольтных и крупногабаритных конденсаторов эти значения учитываются производителями в зависимости от области применения.
Никакой пропорциональной зависимости ESR от других параметров конденсатора не существует, поэтому для оценки его качества в практике используются таблицы.

Все существующие таблицы — условны и не всегда объективно определяют допустимые значения для всех измерителей. Публикуют их часто для популяризации сайтов, поэтому важно понимать суть значений в таблицах.
Тем более, разные пробники работают на разных принципах или частотах (от 10 до 100 кГц), разница показаний в 5 или 10 раз может отличаться от табличных лишь по этой причине.

Очень полезно самому замерить значения ESR у новых конденсаторов разных производителей и составить свою таблицу для своего пробника. Это уже будут реальные показатели. Тогда их можно сравнить с неисправными конденсаторами и со значениями их реактивных сопротивлений, чтоб сделать какие-то выводы о критичности.
В преобразователях блоков питания греют конденсатор паразитные десятые, иногда сотые доли Ома и, если их сможет показать Ваш измеритель, уже неплохо. Импульсный ток в конденсаторах достигает десятков Ампер и активные десятые доли Ома для 10 Ампер — это уже реальные Ватты — нагрев.
Габариты конденсатора тоже имеют существенное значение, они будут охлаждать электролит, это надо учитывать при выборе типа конденсатора в мощных преобразователях.
Практика показала, тонкие конденсаторы Low ESR, установленные при замене в блоках питания вместо крупногабаритных обычных, частенько долго там не живут, перегреваются, закипают и вздуваются иногда уже через несколько месяцев работы.

Для самого популярного в ИИП конденсатора 1000мкф x 25в часто в таблицах указывают 0.08 Ом, как норму. А в других таблицах 0.8 Ом. Какой прибор что мерит, кто и для каких цепей определил ему норму — загадки.
Проверьте для сравнения своим прибором этот конденсатор новый от разных производителей, в том числе с пометкой Low ESR, тогда оценка будет объективнее.

Таблица Боба Паркера для ESR-метра K7214

uF\V	10V	16V	25V	35V	50V	160V	250V
1 uF				14	16	18	20
2.2 uF			6	8	10	10	10
4.7 uF			15	7.5	4.2	2.3	5
10 uF		6	4	3.5	2.4	3	5
22uF	5.4	3.6	2.1	1.5	1.5	1.5	3
47 uF	2.2	1.6	1.2	0.5	0.5	0.7	0.8
100 uF	1.2	0.7	0.32	0.32	0.3	0.15	0.8
220 uF	0.6	0.33	0.23	0.17	0.16	0.09	0.5
470 uF	0.24	0.2	0.15	0.1	0.1	0.1	0.3
1000 uF	0.12	0.1	0.08	0.07	0.05	0.06
4700 uF	0.23	0.2	0.12	0.06	0.06

Рассчитаем округлённо реактивное сопротивление для популярных номиналов при усреднённой частоте пробников 20 кГц, чтобы иметь представление хотя бы о порядке их идеальных значений.

Ещё раз напомню, никакой пропорции между ESR и этими значениями быть не может. Тем более, с учётом конструктивных особенностей электролитических конденсаторов для разных габаритов и вольтажа.
Повторюсь. Это лишь реактивное сопротивление, которое имеет большее значение при измерении конденсаторов меньшей ёмкости, как реальная погрешность для пробников, основанных на измерении импеданса.
То есть, чистое значение ESR у конденсатора 100 мкф и 1 мкф может быть одинаковым, а прибор покажет разницу в десятки раз, ибо добавит ёмкостное значение, которое будет решающим для показаний прибора на измеряемой частоте у малых ёмкостей.

Реактивное сопротивление конденсаторов, частота 20кГц:
1000 мкф — 0.008 Ом.
470 мкф — 0.017 Ом.
220 мкф — 0.036 Ом.
100 мкф — 0.08 Ом.
47 мкф — 0.17 Ом.
22 мкф — 0.36 Ом.
10 мкф — 0.8 Ом.
4.7 мкф — 1.7 Ом.
2.2 мкф — 3.6 Ом.
1 мкф — 8 Ом.
0.47 мкф — 17 Ом.
Поможет калькулятор расчёта реактивного сопротивления конденсаторов.

Более сложные цифровые приборы способны замерить точные значения во время заряда конденсатора постоянным током, рассчитать его ёмкость и ESR без реактивной составляющей.
Но измерение постоянным током не учитывает диэлектрические потери, которые напрямую зависят от частоты. Кроме того, конденсаторы нужно выпаивать из платы для таких замеров.

Пробниками обычно быстро проверяют конденсаторы на неисправность, не выпаивая их, а это существенный выигрыш в оперативности для мастера — ремонтника. Ему не всегда нужны точные показания сложных приборов, чаще бывает важно своевременно и правильно выявить неисправную деталь в устройстве. К погрешностям на реактивность в практике мастера просто привыкают, когда годами пользуются одним и тем же пробником.

Спасибо за внимание!

---

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

ESR конденсатора, что это за параметр и почему он так важен для конденсатора | Энергофиксик

ESR (или эквивалентное последовательное сопротивление) — один из самых важных параметров конденсаторов. А вот для чего так важно знать этот параметр и пойдет речь в этой статье.

Содержание

Реальные параметры конденсатора

Высокое значение ESR, чем оно вредно для аппаратуры

Электролитические конденсаторы и ESR

ESR табличные параметры

Измерение ESR

Заключение

Реальные параметры конденсатора

В нашем мире нет ничего идеального и даже, казалось бы, в простейшем конденсаторе, кроме параметра – емкость, есть еще ряд других параметров, которые просто необходимо учитывать. Давайте рассмотрим, из чего состоит реальный конденсатор.

yandex.ru

yandex.ru

Итак, теперь давайте расшифруем, что же означают все эти элементы:

— R – сопротивление самого диэлектрика и корпуса между обкладками конденсатора.

— С – непосредственно сама емкость рассматриваемого конденсатора.

— ESR – эквивалентное последовательное сопротивление.

— ESI (более распространенное название ESL) – эквивалентная последовательная индуктивность.

Вот из таких элементов и состоит вроде бы простой электролитический конденсатор.

Теперь давайте рассмотрим каждый из элементов более пристально.

Сопротивление диэлектрика (R)

В роли диэлектрика может выступать сам электролит в электролитических конденсаторах, либо любой другой вариант. Также корпус обладает определенным сопротивлением и тоже произведен из диэлектрического материала.

Емкость конденсатора (С)

Величина аккумулируемого заряда указана на самом корпусе изделия, реальная емкость может несколько отличаться от той, что записана.

Последовательная индуктивность ESI (ESL)

Собственная индуктивность обкладок и выводов. В схемах с низкой частотой этим параметром можно просто напросто пренебречь.

ESR

Так вот ESR — это не что иное, как сопротивление выводов и обкладок.

yandex.ru

yandex.ru

И данная величина высчитывается по такой формуле:

yandex.ru

yandex.ru

Где:

ρ – удельное сопротивление проводника;

I – длина проводника;

S – площадь поперечного сечения.

По выше представленной формуле вы сможете рассчитать (правда приблизительно) величину сопротивления выводов и обкладок конденсатора.

Но чтобы не сидеть с калькулятором и линейкой, давно созданы специальные приборы.

Высокое значение ESR, чем оно вредно для аппаратуры

Теперь давайте разберемся, чем вредно высокое значение ESR. До того времени, пока в электронике балом стали править импульсные блоки питания никому никакого дела не было до этого параметра.

Ведь при постоянном токе и при низких частотах конденсатор сам по себе оказывает большое сопротивление протекающему электрическому току. И при таких условиях паразитные доли сопротивления ESR просто никого не волновали. А вот конденсатор в ВЧ цепях — это совершенно другая история.

Как известно, конденсатор пропускает переменную составляющую. И при росте частоты сопротивление конденсатора падает. Это утверждение верно, согласно данной формуле:

yandex.ru

yandex.ru

Где:

Xс– сопротивление самого конденсатора, измеряемое в Ом;

П – 3,14;

F – частота, измеряется в Герцах;

С – емкость, измеряется в Фарадах.

Но одну очень важную деталь мы упустили, а именно то, что при росте частоты сопротивление выводов и пластин имеет постоянную величину.

И если представить себе изделие с бесконечно большой частотой, то в нем сопротивление конденсатора будет равняться его ESR.

А это значит, что по факту конденсатор становится ни чем иным как резистором.

А мы знаем с вами, что резистор в любой сети во время работы рассеивает часть мощности на себе. И выразить эту мощность можно по следующей формуле:

yandex.ru

yandex.ru

Где

I – сила протекающего тока;

R – сопротивление резистора ESR, измеряется в Омах.

Из этого следует довольно простой и логичный вывод: чем выше будет ESR, тем больше мощности будет рассеиваться. То есть будет больше все нагреваться.

А это значит, если конденсатор обладает большим значением ESR, то и греться он будет гораздо сильнее. А это крайне нежелательно, ведь с ростом температуры у конденсатора будет изменяться емкость.

У конденсаторов даже есть такой параметр как TKE – температурный коэффициент емкости, который как раз и показывает на сколько «уходит» емкость от заявленных параметров в зависимости от роста температуры.

Электролитические конденсаторы и ESR

В большинстве случаев параметр ESR относится именно к электролитическим конденсаторам. Ведь именно электролит, при разогревании начинает терять свою емкость, что несомненно плохо.

Нагрев приводит к быстрому старению и вздутию изделия. И у таких конденсаторов в первую очередь начинает расти ESR, а емкость некоторое время может оставаться даже неизменной (соответствовать надписи на корпусе).

yandex.ru

yandex.ru

Довольно часто конденсаторы распухают в импульсных блоках питания и материнских платах. И первым признаком такого дефекта является тот факт, что изделие начинает включаться не сразу, а с задержкой.

ESR табличные параметры

Чтобы проверить параметр ESR, нужно знать какая величина является нормой, вот небольшая табличка значений для электролитических конденсаторов.

yandex.ru

yandex.ru

Измерение ESR

Мы разобрались, что такое ESR и почему этот параметр так важен, теперь давайте узнаем как и с помощью каких приборов этот параметр измерять.

Для этого нам понадобиться RLC – транзистометр, который как раз и способен замерить этот крайне важный параметр. И несколько подопытных конденсаторов.

Производим замеры

Как вы видите, параметр ESR у всех проверенных конденсаторов не превышает табличных значений, а значит, эти конденсаторы вполне можно использовать в высокочастотных схемах.

Изделия с низким ESR

Технологии непрерывно развиваются и сейчас большинство схем строятся на ВЧ части. Поэтому к конденсаторам выдвигаются особые требования. Именно поэтому все больше используются конденсаторы с маркировкой LOW ESR, которые так же могут выделяться золотым цветом.

На сегодняшний день наименьшим ESR обладают керамические и SMD — керамические конденсаторы.

yandex.ru

yandex.ru

Заключение

Вот такой он немаловажный параметр конденсаторов, который желательно проверить перед сборкой любой поделки. А поможет в проверке RLC транзистометр, который вы можете купить по этой ссылке. Понравилась статья, тогда ставим палец вверх. Спасибо за ваше внимание!

ESR конденсатора | Описание, как измерить, таблица ESR

ESR  – оно же эквивалентное последовательное сопротивление – это очень важный параметр конденсаторов. Для чего он нужен и как его определить, об этом мы как раз и поговорим в нашей статье.

Реальные параметры конденсатора

Думаю, все вы в курсе, что в нашем бесшабашном мире нет ничего идеального. То же самое касается и электроники. Радиоэлементы, каскады, радиоузлы также частенько дают сбои. Можно даже вспомнить недавнюю историю с космическим кораблем “Прогресс”. Сбой какого-то узла повлек гибель целого гиганта космической отрасли. Даже простой, на первый взгляд, радиоэлемент конденсатор, имеет в своем составе не только емкость, но и другие паразитные параметры. Давайте рассмотрим схему, из чего все-таки состоит наш реальный конденсатор?

где

r – это сопротивление диэлектрика  и корпуса между обкладками конденсатора

С – собственно сама емкость конденсатора

ESR – эквивалентное последовательное сопротивление

ESI (чаще его называют ESL)  – эквивалентная последовательная индуктивность

Вот на самом деле из чего состоит простой безобидный конденсатор, особенно электролитический. Рассмотрим эти параметры более подробно:

r – сопротивление диэлектрика. Диэлектриком может быть электролит в электролитических конденсаторах, бумага или еще какая-нибудь дрянь). Также между выводами конденсатора находится его корпус. Он тоже обладает каким-то сопротивлением и тоже сделан из диэлектрика и относится сюда же.

С – емкость конденсатора, которая написана на самом конденсаторе плюс-минус некоторые отклонения, связанные с погрешностью.

ESI(ESL) – последовательная индуктивность – это собственная индуктивность обкладок и выводов. На низких частотах можно не учитывать. Почему? Читаем статью катушка индуктивности в цепи постоянного и переменного тока.

Где “прячется” ESR в конденсаторе

ESR представляет из себя сопротивление выводов и обкладок

Как вы знаете, сопротивление проводника можно узнать по формуле:

где

ρ – это удельное сопротивление проводника

l – длина проводника

S – площадь поперечного сечения проводника

Так что можете посчитать приблизительно сопротивление выводов конденсатора и заодно его обкладок 😉 Но, конечно же, так никто не делает. Для этого есть специальные приборы, которые умеют замерять этот самый параметр. Например, мой прибор с Алиэкспресса, который я недавно приобрел.

Почему вредно большое значение ESR

Раньше, еще когда только-только стали появляться первые электронные схемы, такой параметр, как ESR даже ни у кого не был на слуху. Может быть и знали, что есть это сопротивление, но оно никому не вредило. Но… с появлением первых импульсных блоков питания все чаще стали говорить о ESR. Чем же столь безобидное сопротивление не понравилось импульсным блокам питания?

На нулевой частоте (постоянный ток) и низких частотах, как вы помните из статьи конденсатор в цепи постоянного и переменного тока, конденсатор сам оказывает большое сопротивление электрическому току. В этом случае какие-то паразитные доли Ома сопротивления ESR не будут влиять на параметры электрической цепи. Все самое интересное начинается тогда, когда конденсатор работает в высокочастотных цепях (ВЧ).

Мы с вами знаем, что конденсатор пропускает через себя переменный ток. И чем больше частота, тем меньше сопротивление самого конденсатора. Вот вам формула, если позабыли:

где, Х_С  – это сопротивление конденсатора, Ом

П – постоянная и равняется приблизительно 3,14 

F – частота, измеряется в Герцах

С – емкость,  измеряется в Фарадах

Но, одно то мы не учли… Сопротивление выводов и пластин с частотой не меняется! Так… и если пораскинуть мозгами, то получается, что на бесконечной частоте сопротивление конденсатора будет равняться его ESRу? Получается, наш конденсатор превращается в резистор? А как ведет себя резистор в цепи переменного тока? Да точно также как и в цепи постоянного тока: греется! Следовательно на этом резисторе будет рассеиваться мощность P в окружающую среду. А как вы помните, мощность через сопротивление и силу тока выражается формулой:

P=I²xR

где

I – это сила тока, в Амперах

R – сопротивление резистора ESR, в Омах

Значит, если ESR будет больше, то и мощность рассеивания тоже будет больше! То есть этот резистор будет хорошенько нагреваться.

Догоняете о чем я вам толкую? 😉

Из всего выше сказанного можно сделать простенький вывод: конденсатор с большим ESR в высокочастотных цепях с большими токами будет нагреваться. Ну да ладно, пусть себе греется… Резисторы и микросхемы тоже ведь греются и ничего! Но весь косяк заключается в том, что с увеличением температуры конденсатора меняется и его емкость! Есть даже такой интересный параметр конденсатора,  как ТКЕ или Температурный Коэффициент Емкости. Этот коэффициент показывает, насколько поменяется емкость при изменении температуры. А раз уже “плавает” емкость, то вслед за ней “плывет” и схема.

[quads id=1]

ESR электролитических конденсаторов

В основном параметр ESR касается именно электролитических конденсаторов. Электролит, который там есть, теряет часть своих свойств при нагреве и конденсатор меняет свою емкость, что, конечно же, нежелательно. После приличного нагрева конденсатор начинает тупить, вздувается и быстро стареет.

У вздувшихся конденсаторов в первую очередь как раз ESR и растёт, тогда как ёмкость до определённого времени может оставаться практически номинальной ( ну той, которая написана на самом конденсаторе)

Чаще всего они вспухают в импульсных блоках питания и на материнках, обычно рядом с процессором (там выше на них нагрузка, да и тепло от процессора, вероятно, свою роль играет). Один из характерных симптомов: техника (комп, монитор) начинает включаться всё хуже и хуже. Либо с паузой (до нескольких часов после включения в сеть), либо с -дцатой попытки.

Ещё симптом: если отрубить питание на некоторое время (сетевой фильтр выключить, или из розетки выдернуть) – то снова начинает включаться не с первой попытки, или после паузы. А если не выключать питание, то комп может включаться сразу (но это тоже до поры, до времени, разумеется). Но бывает, что конденсаторы не вспухли, а ESR уже в десятки раз выше нормы. Тогда, понятно, заменяем. По опыту – очень частая проблема. И весьма легко диагностируемая (особенно, при наличии чудо-приборчика от китайских товарищей).

Таблица ESR

Как я уже сказал, ESR в основном проверяют именно у электролитических конденсаторов, потому что они используются в импульсных блоках питания. Вот небольшая табличка для максимально допустимых значений ESR для новых электролитических конденсаторов в зависимости от их рабочего напряжения:

Как измерить ESR

Давайте замеряем некоторые наши китайские конденсаторы на ESR. Для этого берем наш многофункциональный универсальный R/L/C/Transistor-metr и проведем несколько замеров:

Первым в бой идет конденсатор на 22 мкФ х 25 Вольт:

Емкость близка к номиналу. ESR=1,9 Ом. Если посмотреть по табличке, то максимальный ESR=2,1 Ом. Наш конденсатор вполне укладывается в этот диапазон. Значит его можно использовать в высокочастотных цепях.

Следующий конденсатор 100 мкФ х 16 Вольт

ESR=0,49 Ом, смотрим табличку… 0,7 максимальный. Значит тоже все ОК. Можно тоже использовать в ВЧ цепях.

И возьмем конденсатор емкостью побольше 220 мкФ х 16 Вольт

Максимальный ESR для него 0,33 Ом. У нас же высветило 0,42 Ома. Такой конденсатор уже не пойдет в ВЧ часть радиоаппаратуры. А в простые схемки, где гуляют низкие частоты (НЧ)  сгодится в самый раз! ;-).

Конденсаторы с низким ESR

В нашем бурно-развивающемся мире электроника все больше строится именно на ВЧ части. Импульсные блоки питания почти полностью одержали победу над громоздкими трансформаторными блоками питания. Это мы, радиолюбители, до сих пор пользуемся самопальными блоками питания, сделанные из трансформаторов, которые нашли на помойке.

Но раз почти вся техника уходит в ВЧ диапазон, то и разработчики радиокомпонентов тоже не спят. Они создают  конденсаторы, у которых низкий ESR и называются такие конденсаторы LOW ESR, что значит кондеры с низким ESR. На некоторых это пишут прямо на корпусе:

Отличительной чертой таких конденсаторов является то, что они вытянуты в длину. Также, по моим наблюдениям, на них чаще всего есть полоска золотого цвета:

Сейчас все чаще используют миниатюрные полимерные алюминиевые конденсаторы с низким ESR:

Где же их можно чаще всего увидеть?  Конечно же, разобрав свой персональный компьютер. Можно найти их в блоке питания, а также на  материнской плате компьютера.

На фото ниже мы видим материнскую плату компа , которая сплошь утыкана  конденсаторами с LOW ESR, некоторые из них я отметил в красном прямоугольнике:

Самым маленьким ESR обладают керамические и SMD-керамические конденсаторы

Интересное видео по теме:

Заключение

Ну что еще можно сказать про ESR? В настоящее время идет битва среди производителей за рынок. Кто предложит конденсатор с минимальным ESR и хорошей емкостью, тот молоток ;-). Не поленитесь также купить или собрать прибор ESR-метр. Особенно он будет очень актуален для ремонтников радиоэлектронной аппаратуры. Мультиметр может показать вам емкость и ток утечки, но вот внутреннее сопротивление покажет именно ESR-метр.

Бывало очень много случаев, когда аппаратура ну никак не хотела работать, хотя все элементы в ней были целые. В этом случае просто замеряли ESR-метром конденсаторы и выявляли их сопротивление. После замены дефектных конденсаторов  с большим ESR на конденсаторы с низким ESR (LOW ESR), аппаратура оживала и работала долго и счастливо.

Что такое ESR?

Что такое ESR?

Теория

ESR — Equivalent Series Resistance — один из параметров конденсатора, характеризующий его активные потери в цепи переменного тока. В эквиваленте его можно представить, как включенный последовательно с конденсатором резистор, сопротивление которого определяется, главным образом, диэлектрическими потерями, а так же сопротивлением обкладок, внутренних контактных соединений и выводов конденсатора. В русскоязычной аббревиатуре — Эквивалентное Последовательное Сопротивление — ЭПС.

Потери в диэлектрике, обусловленные особенностями его поляризации, составляют основную часть потерь в конденсаторе и определяются материалом, а так же толщиной слоя диэлектрика. В электролитических конденсаторах значимой частью ESR является сопротивление жидкого электролита, который используется в качестве составляющей одной из обкладок для обеспечения максимальной площади соприкосновения с диэлектриком. Если сопротивление электролита в конденсаторе рассмотреть как проводник с поперечным сечением, равным площади одной из обкладок и длиной проводника, приблизительно равной толщине пропитанной бумаги, можно предположить, что эта величина будет относительно небольшой. В реальных конденсаторах средних размеров типовое значение составит 0.01Ом при 20°C. Но, следует учитывать, что для конденсаторов большой ёмкости, используемых в фильтрах выпрямителей ИИП на рабочей частоте порядка 100кГц, когда его реактивное сопротивление измеряется тысячными долями Ома, эта величина будет составлять достаточно большие потери. Величина диэлектрических потерь на таких частотах в электролитических конденсаторах фильтров ИИП обычно в несколько раз больше, и лишь в самых лучших случаях может быть примерно равна и даже меньше потерь в электролите.

Сопротивление электролита существенно зависит от температуры по причине изменения степени его вязкости и подвижности ионов. В процессе работы происходит нагрев диэлектрика и электролита переменным током, в связи с чем может существенно уменьшаться сопротивление электролита, тогда ESR конденсатора будет определяться, главным образом, его диэлектрическими потерями. В случаях разогрева до температуры кипения, электролит утрачивает свои первоначальные свойства и при последующем охлаждении становится более вязким, что значительно повышает его сопротивление. Дальнейшая эксплуатация будет вызывать ещё больший разогрев и ухудшение качества электролита, что в последствии приведёт к непригодности конденсатора для дальнейшей работы в устройстве. Обычно неисправные электролитические конденсаторы, в которых кипел электролит, определяются визуально по вздувшемуся и разгерметизированному корпусу.

Для надёжности работы электролитических конденсаторов очень важен правильный выбор его типа, номинала и максимального напряжения в зависимости от режимов. Для фильтров преобразователей, работающих на частотах десятков килогерц, производители выпускают специальные конденсаторы с малым ESR и указывают полное сопротивление переменному току (импеданс Z) для всех номиналов в таблицах. Тип таких конденсаторов сопровождается пометкой в технической документации — Low impedance или Low ESR.

Практика

Электролитические конденсаторы это навереное единственные электронные элементы, которые страдают от высыхания. Если у вас есть любые электронные устройства, которые на протяжении многих лет работали, но вдруг перестали исправно функционировать, имеются хорошие шансы, что один или несколько электролитических конденсаторов внутри него деградировали и стали причиной проблемы. Электролитические конденсаторы выходят из строя несколькими способами: они могут стать электрически проводящие, вызывая постоянный ток через них, что может даже их взорвать. Они могут уменьшаться в величине емкости. Но наиболее часто увеличивается их эквивалентное последовательное сопротивление, которое является очень нежелательным.

ESR электролитического конденсатора обычно составляет доли Ом для конденсаторов низкого напряжения (таких как 1000µF, 16V), и может быть два или три Ома для малой емкости и высокого рабочего напряжения (1uF, 450V). Когда конденсатор стареет, это сопротивление возрастает, и часто из-за этого оборудование полностью прекращает функционировать. Очень часто конденсаторы увеличивают сопротивление ESR до 100 раз от их нормального сопротивления, в то время как их емкость остается хорошей! На измерении емкости они покажут близкое к правильному значение, но они уже не годные! Для анализа состояния конденсатора применяются измерители и пробники ESR. ESR-метр может проверить конденсаторы, даже когда они находятся в цепи. Соединенные параллельно с ним другие детали будут иметь минимальное влияние на измерение. Сколько примерно должен иметь сопротивления тот или иной исправный конденсатор — смотрите в таблице. Таковы особенности, которые делают ESR-метр незаменимым прибором для диагностики и ремонта электронного оборудования.

Что такое ESR. Измерение ESR. Прибор для измерения ESR

Привет друзья. Сегодня расскажу о приборе, который очень сильно помогает мне в ремонте, экономит деньги и время. Это ESR метер китайского происхождения Mega328. Купил его на алиекспресс у этого продавца. Какие именно достоинства этого прибора?

Во первых, им очень удобно проверять электролитические конденсаторы. Для этой цели я его и покупал. У каждого конденсатора есть два параметра, которые отвечают за его работу. Первый параметр это емкость. Это те самые микрофарады которые и обозначается на корпусе конденсатора. Емкость легко измерять любым мультиметром который поддерживает эту функцию.

Сначала я думал, что это единственный параметр который мне нужно знать в конденсаторе, чтобы определить его исправность, но не тут то было. Ремонтируя один монитор, я никак не мог довести до ума источник питания. Блок выдавал заниженные напряжения, как ни крути. Проверяя конденсаторы, я мерил их емкость, которая была в пределах нормы. В один момент, плюнув на все это дело, я выпаял все конденсаторы, и заменил их на новые, после чего монитор запустился. Моему удивлению не было предела. Я решил найти причину, и поочередно начал впаивать старые конденсаторы, пока не нашел один 470 мкф на 50в, впаивая который, монитор переставал работать. Тестер показывал что конденсатор исправен, но на практике оказалось, что это не так. После этого я начал изучать все о конденсаторах, и открыл для себя такой параметр как ESR.

ESR — Equivalent Series Resistance – параметр конденсатора, который показывает активные потери в цепи переменного тока. Это можно представить как подключенный последовательно конденсатору резистор. Чем меньше ом потери тока, тем лучшего качества конденсатор. Скажу сразу, параметр ESR очень актуален для электролитических конденсаторов емкостью свыше 4,7 мкф. У нового электролитического конденсатора 1мкф ESR может быть и 5 Ом. Для конденсаторов меньшего номинала это не столь важно, по крайней мере в моей практике это так.

Теперь по сути. У электролитического конденсатора емкостью больше 4,7 мкф ESR должен быть меньше 1 Ом. Если этот параметр выше, то я меняю конденсатор на новый.

На картинке ниже, показан пример измерения конденсатора номиналов 1000мкф на 10в.

Измерение ESR

Это сильно подсаженный конденсатор, где ESR уже 17 Ом. Очень часто бывает так, что емкость еще 950 мкф, а ESR уже 10 Ом. Такой конденсатор однозначно под замену.

Еще один пример севшего конденсатора. Это конденсатор 220 мкф на 35в. Номинал его стал 111 мкф, а ESR поднялся до 1,3 Ом.

ESR 220 мкф на 35в

Или такой же 220мкф на 35в из статьи Ремонт кадровой развертки на примере телевизора AIWA TV-215KE, где ESR уже 15 Ом.

Вот пример исправного конденсатора, который уже был в работе, но номинал его еще позволяет поработать. Это 100мкф на 63в.

Как видите, его ESR до 1 Ом, да и номинал стал меньше менее чем на 3 мкф, так что такие конденсаторы я оставляю в работе. Приведу пример идеального конденсатора. Это 1500мкф на 10в.

Здесь ESR вообще ноль Ом, а номинал больше заявленного.

Отойду немного от конденсаторов, и расскажу больше о приборе MEGA 328. Он может проверять не только конденсаторы, а и многое другое. Им легко проверять транзисторы, резисторы, стабилитроны,  мосфеты и много другое. Очень удобно проверять полевые транзисторы, так как прибор покажет его тип, расположение ножек стока, истока и затвора.

Пример проверки полевого транзистора:

Прибор показывает тип транзистора, порог открытия  и расположение ножек. Очень удобно, особенно для новичка.

Вот пример проверки обычного N-P-N транзистора.

Полный перечень возможностей данного тестера:

  Проверка: Конденсаторов, Диодов, Двойных диодов, MOS, Транзисторов, SCR, Регуляторов, Светодиодные трубки, СОЭ, Сопротивление, регулируемые потенциометры и др.
Сопротивление: от 0.1 Ом до максимум 50 мОм
Конденсатор: от 25pF   до 100,000 мкФ
Индукторы: от 0.01 mH до 20 H
Измерения биполярного транзистора текущий коэффициент усиления и база-эмиттер пороговое напряжение.
Может одновременно измерять два резисторы . Отображается на правой десятичным значением 4. Сопротивление символ на обе стороны показывает контактный номер.

Очень важно!!! Перед измерением ESR, конденсатор необходимо разрядить !!!

Тестер обычно поставляется в виде платы, с разъемом под крону. Свой прибор, я установил  в распределительную коробку, вырезал окошко под дисплей, кнопку, и панель для проверки. Приклеил термоклеем, и так он у меня и работает по сей день. Вот фото:

Не сильно красиво, но за красотой я особо и не гнался :).

Виде обзор работы ESR метра
Рекомендую покупать на алиекспресс напрямую, так как это намного дешевле, тем более с нашими ценами. Вот ссылка на продавца, где покупал я. Прибор пришел в Украину за 18 дней.

Рекомендую посмотреть обзор моего нового ESR метра на аккумуляторе по этой ссылке

Перечень всех моих инструментов для ремонта можете зайти здесь:

Спасибо за внимание.

---

---

Весь инструмент и расходники, которые я использую в ремонтах находится здесь.

---

Если у Вас возникли вопросы по ремонту телевизионной техники, вы можете задать их на нашем новом форуме .

---

Загрузка…

Простой метод измерения ESR конденсаторов

Добавлено 13 декабря 2019 в 06:05

Сохранить или поделиться

Точное моделирование электронных схем, в том числе и силовых электронных преобразователей, должно учитывать последовательные сопротивления конденсаторов и катушек индуктивности. Рассмотрим, простой метод, который позволяет измерять эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора (ESR).

Конденсаторы классифицируются по типу диэлектрика. Электролитические конденсаторы популярны в силовых электронных схемах благодаря их высокой эффективности относительно размеров и превосходному соотношению цены и качества [1]. К сожалению, с изменением рабочей частоты изменяются и их характеристики, тогда как сопротивление идеального конденсатора с ростом частоты должно уменьшаться. Но в реальном мире это не встречается. Увеличение частоты до определенной точки приводит к ожидаемому уменьшению полного сопротивления, но дальнейшее увеличение частоты вызывает увеличение импеданса, то есть конденсатор действует как резонансная схема. Для моделирования поведения реального конденсатора требуется к модели идеального конденсатора добавить дополнительные элементы. ESR – это фактически сопротивление, которое реальный конденсатор демонстрирует на границе между «поведением конденсатора» и «поведением индуктивности», то есть сопротивление на резонансной частоте.

ESR является важным параметром при моделировании динамического поведения силовых преобразователей, поскольку он предсказывает пульсации выходного сигнала преобразователя, а также предсказывает срок службы конденсатора [2]. Мощность, рассеиваемая в ESR, вызывает повышение температуры конденсатора и уменьшение его емкости и срока службы.

Простой и прямой метод измерения ESR предложен в [3], в котором ESR определяется непосредственно отношением напряжения пульсаций на конденсаторе к току пульсаций. Но реализация довольно дорогая и хлопотная. Чтобы определить ESR, используя только измерения напряжения, Чен и другие [4] предположили, что в некоторых конкретных условиях ток пульсаций индуктивности можно считать постоянным, и, следовательно, выходное напряжение пульсации определяет ESR. Однако предлагаемый способ имеет ограничения и его точность невелика.

Лабораторный метод, который можно использовать для определения величины ESR электролитических конденсаторов, был предложен в [5]. Однако способ слишком дорогостоящий для реализации.

Здесь мы представляем простой метод измерения для определения ESR конденсатора.

Предлагаемый метод

Предположим, что модель, показанная на рисунке 1, представляет собой тестируемый конденсатор (CUT, Capacitor Under Test):

Рисунок 1 – Модель тестируемого конденсатора

Эта модель игнорирует индуктивность выводов. Предположим, что, как показано на рисунке 2, тестируемый конденсатор подключен к генератору синусоидального сигнала с частотой F_г, внутреннее сопротивление генератора равно r_г:

Рисунок 2 – Тестируемый конденсатор подключен к генератору синусоидального сигнала

Передаточная функция этой схемы:

\[H(s) = {r_к \over r_к + r_г} \times { s + \frac{1}{r_к \times C} \over s + \frac{1}{(r_к + r_г) \times C} } \qquad (1)\]

Уравнение 1 показывает высокочастотный характер этой цепи. Поэтому мы можем аппроксимировать передаточную функцию как:

\[H(s) = {r_к \over r_к + r_г} \cong {r_к \over r_г} \qquad (2)\]

Уравнение 2 является основой для нашего измерения ESR конденсатора. Когда входная частота достаточно высока, мы можем упростить отношение входного и выходного напряжений до алгебраического уравнения 2. Для высоких частот схема действует как аттенюатор с коэффициентом ослабления:

\[\alpha = {r_к \over r_к + r_г} \qquad\]

Измерение коэффициента затухания цепи и внутреннего сопротивления генератора приводит к r_к, то есть эквивалентному последовательному сопротивлению (ESR) конденсатора:

\[r_к = \alpha \times r_г \qquad (3)\]

Вместо использования синусоидального возбуждения мы можем использовать прямоугольный сигнал.{\infty} {4 \times V_m \over n \times \pi} \sin(n \times \omega_0 \times t) \qquad (4)\]

где:

\[\omega_0 = \frac{2\pi}{T} = \text{угловая частота прямоугольного сигнала}\]

Прямоугольный сигнал состоит из нечетных гармоник. Когда основная гармоника достаточно высока, конденсатор действует как короткое замыкание, а выходное напряжение примерно является ослабленной версией входного напряжения в устойчивом состоянии. Затухание цепи в установившемся режиме напрямую связано с эквивалентным последовательным сопротивлением конденсатора, r_к, которое может быть получено путем измерения коэффициента затухания цепи и использования уравнения 3.

Результаты моделирования

Диаграмма Simulink показана на рисунке 3:

Рисунок 3 – Схема моделирования в Simulink

В качестве возбуждения используется прямоугольный сигнал с амплитудой +1 и -1 вольт. Выходное сопротивление генератора сигналов принимается за 50 Ом, конденсатор составляет 30 мкФ с ESR 0,8 Ом. Установившаяся форма выходного сигнала показана на рисунке 4:

Рисунок 4 – Установившаяся форма выходного сигнала схемы

Расчетный коэффициент затухания цепи составляет:

\[\alpha = { \text{выходное напряжение пик-пик} \over \text{входное напряжение пик-пик} } = \frac{0,315}{2} = 0,0158 \qquad (5)\]

и ESR тестируемого конденсатора рассчитывается как:

\[r_к = \alpha \times r_г = 0,0158 \times 50 = 0,7875\ Ом \qquad (5)\]

Лабораторные результаты

Возбуждение обеспечивает генератор сигналов с номинальным выходным сопротивлением 50 Ом. С помощью простого делителя напряжения намеряется выходное сопротивление 47,1 Ом. Выходное напряжение пик-пик в установившемся состоянии измеряется с помощью цифрового осциллографа. На рисунке 5 показан пример выходного напряжения.

Рисунок 5 – Форма выходного напряжения

Расчетные значения ESR

Расчетные значения ESR

Размах входного напряжения, В	Размах выходного напряжения, мВ	Емкость, мкФ	Рассчитанное значение ESR, Ом
1,68	58	4	1,68
1,68	80	6,8	2,35
1,68	66	47	1,88
1,72	44,8	220	1,26
1,72	48	470	1,35
1,68	42	660	1,18
1,72	45	2200	1,26

Этот простой метод измерения обеспечивает точные результаты и позволяет получить более точную модель силового преобразователя.

Ссылки

1. Amaral A.M.R., Cardoso A.J.M.: An experimental technique for estimating the ESR and reactance intrinsic values of aluminium electrolytic capacitors. Proc. Instrumentation and Measurement Technology Conf., IMTC 2006, April 2006, pp. 1820–1825.
2. Sankaran V.A., Rees F.L., Avant C.S.: Electrolytic capacitor life testing and prediction. Proc. 32nd Annual Meeting IEEE Industry Applications Society, October 1997, vol. 2, pp. 1058–1065
3. Venet P., Perisse F., El-Husseini M.H., Rojat G.: Realization of a smart electrolytic capacitor circuit, IEEE Ind. Appl. Mag., 2002, 8, (1), pp. 16–20
4. Chen Y.-M., Chou M.-W., Wu H.-C.: Electrolytic capacitor failure prediction of LC filter for switching-mode power converters. Proc. 40th Annual Meeting IEEE Industry Applications Society, October 2005, vol. 2, pp. 1464–1469.
5. Amaral A.M.R., Cardoso A.J.M.: An ESR meter for high frequencies. Proc. Int. Conf. on Power Electronics and Drives Systems, PEDS, 2005, pp. 1628–163
6. D.W. Hart, «Power electronics,» Mc Graw Hill, 2010.
7. N. Mohan,T. M. Undeland , W. P. Robbins, «Power Electronics: Converters, Applications and Design,» John Wiley and Sons, 2002.
8. R.W. Ericson, D. Maksimovic, «Fundamental of power electronics,» Springer, 2001.
9. A.M.R. Amaral, A.J.M Cardoso: «An ESR meter for high frequencies». Proc. Int. Conf. on Power Electronics and Drives Systems, PEDS, 2005, pp. 1628–1633.
10. R. Chen, J.D.V. Wyk, S. Wang, W.G. Odendaal: Improving the characteristics of integrated EMI filters by embedded conductive layers. IEEE Trans. Power Electron., 2005, pp. 611–619.
11. A.M.R. Amaral, A.J.M Cardoso: An experimental technique for estimating the ESR and reactance intrinsic values of aluminium electrolytic capacitors. Proc. Instrumentation and Measurement Technology Conf., IMTC 2006, April 2006, pp. 1820–1825.

Оригинал статьи:

Теги

ESR (эквивалентное последовательное сопротивление)ГенераторИзмерениеКонденсаторМоделированиеОсциллографЭлектролитический конденсатор

Сохранить или поделиться

ИЗМЕРЕНИЕ ЭПС (ESR) КОНДЕНСАТОРОВ

Как очень просто узнать значение ESR любого конденсатора при ремонтах, используя подручные приборы мы сейчас и разберёмся. Конденсатор, как все знают, имеет такой параметр как ESR (эквивалентное последовательное сопротивление — ЭПС) и измерения его очень полезны при диагностике проблем с электропитаниям. Например в линейных источниках питания, высокий ESR конденсатора фильтра может привести к чрезмерной пульсации тока и далее к перегреву конденсатора с последующим выходом из строя. В общем сейчас мы расскажем, как измерить ESR (ЭПС) конденсатора без специальных тестеров — с помощью обычного звукового генератора и мультиметра.

Немного теории про конденсатор

Типичный конденсатор может быть смоделирован как идеальный конденсатор последовательно с резистором – эквивалентное последовательное сопротивление. Если мы приложим напряжение переменного тока на конденсатор при тестировании через токоограничивающий резистор, получим следующую схему:

Схему можно рассматривать как простой резисторный делитель, если частота источника переменного тока достаточно высока, поскольку реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте практически для любой емкости. Таким образом, мы можем использовать значение измеряемого напряжения на конденсаторе для расчета ESR:

Для ESR получаем такую вышеприведённую формулу. Если использовать генератор с 50 омным выходом, то можно подключить конденсатор при тестировании непосредственно к выходу функционального генератора и измерить напряжение переменного тока на конденсаторе, после чего рассчитать ESR с помощью вышеприведенного уравнения.

Какое напряжение использовать для проверки

Так как электролитические конденсаторы являются поляризованными, мы можем либо использовать напряжение переменного тока с фиксированным значением постоянного тока или просто использовать переменное напряжение достаточно низкого уровня, так чтоб емкости на тесте не превышали максимальное обратное напряжение (обычно меньше 1 В). Большинство ESR метров используют именно этот второй подход, поскольку он прост в реализации и не нужно беспокоиться о полярности измерения. Здесь выберем 100 мВ предел измерения напряжения. Это напряжение выбирается потому, что оно ниже прямого напряжения на p/n-переходе (от 0,2 до 0,7 вольт в зависимости от типа полупроводника) так что можно выполнить измерения ESR прямо в схеме — не выпаивая конденсатор.

На приведенном ниже графике показано расчетное значение ESR в зависимости от измеряемого напряжения при использовании 100 мВ сигнала от 50 Ом источника ЗЧ.

Вообще расчет до сих пор основывался на допущении, что реактивное сопротивление конденсатора близко к нулю. Поэтому для того, чтобы получить наиболее точный результат, важно выбрать частоту измерения на основе значения параметров конденсатора так, чтоб реактивное сопротивление игнорировалось. Напомним, что реактивное сопротивление конденсатора равно:

Если мы игнорируем это и зафиксируем реактивное сопротивление — получим зависимость емкости от частоты. На приведенном ниже графике показаны такие отношения для трех значений (0.5, 1, 2 Ом).

Этот график служит для определения минимальной частоты, необходимой для измерения данной емкости для того, чтобы реактивное сопротивление было ниже заданного значения. Например, если есть конденсатор 10 мкф, минимальная частота на 2 Ома примерно 8 кГц. Если мы хотим, чтобы реактивное сопротивление было меньше 1 Ом, то минимальная частота нужна примерно 16 кГц. И если мы хотим снизить реактивное сопротивление еще до 0,5 Ом, нужно будет задать частоту генератора выше 30 кГц.

Выбор частоты для измерения ЭПС

С одной стороны более высокие частоты лучше для измерения ЭПС из-за снижения реактивного сопротивления, но не всегда желательно. Реактивное сопротивление за счет индуктивности в цепи возрастает пропорционально частоте входного сигнала и эта реактивность может значительно исказить результат измерения. Так что на больших конденсаторах фильтров БП, используемая частота обычно составляет от 1 до 5 кГц, а для небольших конденсаторов на высоких частотах может быть использована от 10 до 50 кГц. Таким образом мы узнали теоретические основы измерения эквивалентного последовательного сопротивления конденсаторов и практический метод домашней проверки ЭПС без применения специальных тестеров и пробников.

Почему при проектировании конденсаторов важно низкое ESR — Блог о пассивных компонентах

Источник: блог Capacitor Faks, EPCI

Энтони Кенни (Capacitor Faks) и Томаш Зедничек (EPCI). Практичный конденсатор — не идеальный компонент. Его схемная модель содержит последовательную индуктивность (ESL) и последовательное сопротивление (ESR). Хотя эквивалентное последовательное сопротивление часто отображается в моделях цепей как постоянное значение, оно меняется в зависимости от условий эксплуатации. ESR — это сопротивление комбинации механизмов потери энергии при определенных условиях эксплуатации.

Некоторые потери энергии в конденсаторе могут быть связаны с проводниками, а другие — с диэлектрическим материалом. Эти потери меняются в основном в зависимости от напряжения и температуры. Наиболее распространенные механизмы потери энергии включают диэлектрические потери, сегнетоэлектрические потери, потери диэлектрической проводимости, межфазную поляризацию, потери частичного разряда, потери омического сопротивления, искрение между проводниками, электромеханические потери и потери на вихревые токи.

Вместе со значением емкости, ESR определяет постоянную времени для зарядки и разрядки конденсатора и, таким образом, насколько быстро конденсатор реагирует на изменения / пульсации напряжения / тока.В практических приложениях сглаживания конденсаторные технологии объединяются параллельно, где части с высокой емкостью обеспечивают фильтрацию объема (алюминиевые или танталовые конденсаторы), а малые конденсаторы MLCC с низким ESR устраняют быстрые высокочастотные всплески.

Примечание. Конденсаторы с самым низким ESR не всегда лучший выбор. Слишком низкое ESR конденсаторов в определенных приложениях, таких как конденсаторы обратной связи, может в конечном итоге вызвать некоторые проблемы с колебаниями операционного усилителя вне рабочих условий.Цепи типа LDO также очень чувствительны к диапазону ESR конденсаторов (включая изменение ESR в зависимости от температуры!), И исторически танталовые конденсаторы настоятельно рекомендовали использовать с LDO вместо MLCC со слишком низкими значениями ESR. Эти проблемы типичны для ИС старого поколения, новейшие ИС с постоянным совершенствованием архитектуры и компонентов значительно менее чувствительны к значениям ESR конденсаторов. Тем не менее, всегда полезно проверить техническое описание микросхемы IC.

Механизмы потери энергии в конденсаторах

Диэлектрические потери
Различные диэлектрические материалы по-разному реагируют на подачу или снятие напряжения.Диэлектрические потери связаны с поляризацией или релаксацией диэлектрических материалов в ответ на напряжение. Величина этих потерь зависит как от температуры, так и от частоты. Коэффициент рассеяния (DF) обычно используется для описания диэлектрических потерь материала. Коэффициент рассеяния и эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора зависят от электродов, а также от их конфигурации. В пленочных конденсаторах диэлектрические потери вносят основной вклад в общее эквивалентное последовательное сопротивление.

Потери диэлектрической проводимости

Рис.1. Механизмы поляризации и юстировка диполей при приложенном напряжении.

Потери диэлектрической проводимости относятся к потерям, вызванным фактическим движением заряда по диэлектрическому материалу. Эти потери обычно максимальны при высоких температурах и низких частотах. В некоторых конденсаторах, таких как MLCC класса II, потери диэлектрической проводимости сильно зависят от приложенного напряжения.

Потери омического сопротивления
Металлические выводы, электроды и внутренняя проводка конденсаторов показывают сопротивление. Эти потери энергии не сильно зависят от температуры и частоты. Однако на высоких частотах эффект глубины скин-слоя в электродах становится значительным. Хотя потери омического сопротивления, возникающие внутри клемм и внутренней проводки, незначительны в приложениях с низким током, их не следует игнорировать в приложениях с высоким током.

Сегнетоэлектрические гистерезисные потери

Некоторые материалы с высокой диэлектрической проницаемостью демонстрируют потери, которые сильно зависят от приложенного напряжения.Эти потери называются сегнетоэлектрическими гистерезисными потерями, и они возникают, когда внутреннее поляризационное поле и приложенное поле имеют одинаковую величину. Это условие вызывает насыщение диэлектрического материала. Конденсаторы, которые имеют материалы с такой высокой диэлектрической проницаемостью, проявляют чувствительность к реверсам напряжения, постоянной поляризации и изменению емкости в зависимости от напряжения. Сегнетоэлектрические гистерезисные потери распространены в керамических конденсаторах с материалами с высокой диэлектрической проницаемостью.

Рис.2. Сегнетоэлектрические материалы (BaTiO3 как диэлектрик MLCC класса II) демонстрируют некоторый гистерезис поляризации в зависимости от электрического поля

Потери на межфазной поляризации
Диэлектрические системы большинства высоковольтных конденсаторов состоят как минимум из двух различных материалов. Каждый из этих материалов имеет различную диэлектрическую проницаемость и свойства проводимости. Эта разница в свойствах вызывает накопление заряда на внутренних границах раздела таких материалов при приложении постоянного напряжения.Потери на межфазной поляризации обычны в низкочастотных высоковольтных конденсаторах.

Потери при частичном разряде
Некоторые конденсаторы демонстрируют частичные разряды при высоких скоростях изменения напряжения. Этот механизм потери энергии называется потерями при частичном разряде, и он часто встречается в конденсаторах с газовым наполнением и конденсаторах с жидким наполнением, особенно при высоких напряжениях. Потери при частичном разряде также могут быть вызваны инверсией напряжения.

Вихревые токи
В конденсаторах потери на вихревые токи сильно зависят от частоты.В большинстве приложений этот механизм потери энергии имеет незначительный эффект, и его обычно игнорируют. Однако в сетях формирования импульсов потери на вихревые токи имеют существенное влияние, и их следует учитывать.

Искра
В некоторых конденсаторах во время разряда может возникать искра. Искра возникает в основном между смежными металлическими поверхностями и является обычным механизмом потери энергии в импульсных конденсаторах. Этот механизм потери энергии зависит как от напряжения, так и от частоты.

Электромеханические потери
В большинстве конденсаторов электромеханические потери возникают в основном в диэлектрическом материале и внутренней проводке. В диэлектрическом материале электромеханические потери в основном вызваны электрострикцией. В некоторых случаях это может быть вызвано пьезоэлектрическим эффектом. Во внутренней проводке силы Лоренца могут вызвать изгиб. Когда это происходит, это приводит к потерям энергии.

ESR в керамических конденсаторах

Эквивалентное последовательное сопротивление — один из наиболее важных параметров, который следует учитывать при выборе керамического конденсатора для вашей электронной схемы.В керамических конденсаторах этот параметр представляет собой сумму потерь, происходящих в металлических элементах и ​​диэлектрическом материале. Для многих приложений требуются керамические конденсаторы с низким ESR. Таким образом, очень важно учитывать этот параметр при выборе керамического конденсатора для вашей схемы.

Диэлектрические потери в керамических конденсаторах в основном зависят от микроструктурных факторов, состава диэлектрика и концентрации примесей. Пористость, морфология и размер зерна являются основными микроструктурными факторами, определяющими эквивалентное последовательное сопротивление.Коэффициент потерь варьируется от одного диэлектрического материала к другому. Избыточные потери могут вызвать нагрев диэлектрика, что приведет к тепловому пробою и выходу конденсатора из строя. В керамических конденсаторах диэлектрические потери преобладают на низких частотах. На высоких частотах эти потери уменьшаются, и их вклад в общий ESR незначителен.

Потери металла включают потери омического сопротивления и скин-эффект. В керамических конденсаторах потери металла в основном зависят от характеристик материалов и конструкции.Скин-эффект — это распространенный механизм потери энергии в электродах и выводах керамических конденсаторов. Этот механизм потери энергии зависит от частоты. Чрезмерные потери металла могут вызвать нагрев и термический пробой керамических конденсаторов. В отличие от диэлектрических потерь, потери в металле преобладают на высоких частотах.

Высокие значения ESR могут привести к чрезмерным потерям мощности и сокращению срока службы батареи. Использование конденсаторов с малыми потерями в приложениях связи и шунтирования помогает продлить срок службы батарей портативных электронных устройств.В усилителях мощности ВЧ легко достичь высокой эффективности и увеличенной выходной мощности с помощью керамических конденсаторов с малыми потерями. Использование конденсаторов с высоким ESR снижает эффективность, поскольку большой процент мощности теряется в виде потерь ESR.

Конденсаторы с малыми потерями рассеивают меньше тепла. Использование таких компонентов позволяет разработчикам схем управлять тепловыми проблемами в электронных схемах. В высокочастотных приложениях использование керамических конденсаторов с высоким ESR может привести к чрезмерному нагреву. В усилителях с низким уровнем шума используются конденсаторы с низким ESR для повышения эффективности и эффективного усиления.

Керамические диэлектрики

класса 1 обладают превосходной стабильностью и низким рассеянием вплоть до очень высоких частот. Они обычно используются в приложениях, требующих конденсаторов с малыми потерями. С другой стороны, керамические диэлектрики класса 2 имеют более высокие потери, но обеспечивают высокую емкость / объемный КПД.

ESR в танталовых конденсаторах
Анод танталовых конденсаторов изготовлен из спеченных частиц металлического порошка тантала. Однако в танталовых конденсаторах фольгированного типа (которые сейчас не так широко используются) используется полоска фольги.Слой оксида используется в качестве изолятора, и его толщина определяет номинальное напряжение конденсатора. Диоксид марганца или проводящий полимер являются вторым проводником в твердых танталовых конденсаторах, используемых для покрытия оксидного слоя. В случае конденсаторов из фольги электролит является вторым проводником. Как в твердотельных танталовых, так и в фольговых конденсаторах используются дополнительные материалы для изготовления заделок.

В танталовых конденсаторах основной вклад в эквивалентное последовательное сопротивление вносят потери в контактирующих материалах и оксидных изоляторах.На высоких частотах потери оксидного изолятора менее значительны по сравнению с потерями материала контактов. Однако на низких частотах потери оксидного изолятора более значительны.

Потери оксида в танталовых конденсаторах незначительно увеличиваются с повышением температуры. Для сравнения, сопротивление диоксида марганца уменьшается с повышением температуры. Кроме того, потери сопротивления диоксиду марганца варьируются в зависимости от производственных процессов, и их сложно проанализировать. Проводящий полимер тантала имеет более низкие потери омического сопротивления — более низкое ESR — по сравнению с обычными типами MnO2, и он практически не имеет изменения ESR с температурой, в отличие от MnO2, где ESR при отрицательных температурах может быть примерно в 10 раз выше по сравнению с этими полимерами.

На низких частотах, особенно ниже 1 Гц, диэлектрическое поглощение и ток утечки имеют значительное влияние, и их следует учитывать. Как правило, в типичном танталовом конденсаторе ESR уменьшается с увеличением частоты. ESR во многом влияет на характеристики танталовых конденсаторов. Во-первых, его резистивный эффект вызывает нагрев конденсаторов. Во-вторых, ESR увеличивает импеданс в цепях, тем самым делая танталовые конденсаторы менее эффективными для развязки и фильтрации.

ESR в алюминиевых электролитических конденсаторах
Для приложений среднего и высокого напряжения требуются алюминиевые электролитические конденсаторы с малыми потерями. Конденсаторы с низким ESR имеют меньшие потери мощности и проблемы с внутренним нагревом по сравнению с конденсаторами с высоким ESR. Помимо снижения производительности, высокие значения ESR сокращают срок службы алюминиевого электролитического конденсатора. Кроме того, низкое значение ESR позволяет достичь большей емкости пульсаций по току.

В алюминиевом электролитическом конденсаторе алюминиевый анод, катодная фольга, электролит и выводы вносят вклад в общее ESR конденсатора.Величина сопротивления каждого источника в основном зависит от частоты и температуры. При низких частотах и ​​низких температурах оксид алюминия вносит наибольший вклад в общий ESR. С другой стороны, при высоких частотах и ​​высоких температурах наибольший вклад в общее СОЭ вносит электролит. Обычно в условиях применения бумажные комбинации и электролит являются основными источниками эквивалентного последовательного сопротивления в этих конденсаторах.

Полимерные и гибридные (сочетающие полимер и влажный электролит) электроды со значительно более низким и более стабильным ESR также доступны на рынке, которые устраняют большинство недостатков влажных электролитических конденсаторов, снижая омические потери, эффект высыхания (надежность и стабильность улучшение) и температурной зависимости СОЭ.

Значение ESR алюминиевого электролитического конденсатора зависит от толщины и плотности бумажных разделителей. Чтобы минимизировать эквивалентное последовательное сопротивление, не рекомендуется использовать более толстые и плотные разделители. Использование множества язычков и материала электролита с высокой проводимостью помогает снизить ESR в алюминиевых электролитических конденсаторах. Соединения язычков, фольги и разделители бумаги могут быть адаптированы для внесения определенного вклада сопротивления в общее эквивалентное последовательное сопротивление.

Сравнение ESR с частотными конденсаторами

Фиг.3 Сравнение различных конденсаторных технологий 220uF 6.3V ESR с частотой

ESR используется для характеристики потерь в конденсаторах в основном в высокочастотной области со стандартной опорной частотой 100 кГц. ESR с частотной диаграммой иллюстрирует потери во всем частотном спектре. Как обсуждалось выше, низкочастотные потери ниже примерно 1 кГц вызваны «более медленной» поляризацией и потерями в диэлектрических слоях, средние частоты (от ~ 1 кГц до 10 кГц) обусловлены внутренними конструкционными потерями (такими как проводимость внутренней структуры и электролита), высокие частоты> 100 кГц вызваны в основном омическими потерями оконечных устройств, контактов и т. д.

Ссылаясь на Рис.3. Конденсаторы MLCC демонстрируют самые низкие значения ESR по сравнению с другими технологиями, относящимися к стандартной спецификации частоты 100 кГц, благодаря своей многослойной структуре. Это полезно для сглаживания высоких частот и быстрых всплесков для таких приложений, как импульсные источники питания. Однако на низких частотах конденсаторы MLCC класса II имеют более высокое значение ESR (и DF) по сравнению с другими технологиями. Таким образом, в практическом примере в случае присутствия низкочастотных всплесков (например, часто наблюдаемых 50–216 Гц) более эффективно использовать MLCC параллельно с некоторыми алюминиевыми или танталовыми электролитическими конденсаторами.

Заключение

Как и другие физические устройства, конденсаторы не являются идеальными или идеальными компонентами. Материалы, которые используются для изготовления конденсаторов, имеют конечное электрическое сопротивление. Таким образом, конденсаторы вносят в цепь некоторое сопротивление. Действительная часть комплексного импеданса, эквивалентное последовательное сопротивление, представляет собой сумму механизмов потери энергии, которые происходят в конденсаторе. Эти небольшие потери могут стать значительными, когда устройство будет работать в определенных условиях.

Некоторые из условий, которые могут существенно повлиять на поведение конденсатора, включают большой ток, высокую частоту и экстремальные температуры. В то время как частота, напряжение и температура могут влиять на характеристики конденсатора, только частота влияет на ESR. Поэтому при проектировании схемы для инженера-проектировщика очень важно учитывать частоту работы схемы, а также температуру компонентов.

---

Узнайте больше о пассивных элементах от экспертов отрасли! — Электронные курсы пассивных компонентов EPCI Academy для студентов и сертифицированные курсы для профессионалов:

Что такое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR)?

Что такое эквивалентное последовательное сопротивление?

Эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора — это внутреннее сопротивление, которое появляется последовательно с емкостью устройства.Почти все конденсаторы демонстрируют это свойство в разной степени в зависимости от конструкции, диэлектрических материалов, качества и надежности конденсатора. Значения эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) варьируются от нескольких миллиом до нескольких Ом и приводят к потерям мощности, снижению эффективности и нестабильности цепей источников питания и регуляторов.

Источник изображения

Алюминиевые электролитические конденсаторы и танталовые конденсаторы имеют более высокое значение ESR, чем керамические конденсаторы той же емкости и номинального напряжения.Конденсаторы из полипропилена и полиэстера находятся между ними, но обычно не используются в импульсных источниках питания из-за их больших физических размеров.

Основные части ESR

• Металлическое сопротивление
• Электролитическое сопротивление и сопротивление бумаги, зависящее от частоты и температуры
• Диэлектрик, зависящий от частоты

Факторы, увеличивающие значение СОЭ

1. Плохие электрические соединения; — Соединения между медными выводами и алюминиевыми пластинами в конденсаторе обычно свариваются или выполняются механическими зажимами.Этот тип соединений вносит некоторое последовательное сопротивление и используется, потому что алюминий не может быть припаян.
2. Сушка раствора конденсаторного электролита. По мере высыхания жидкого компонента электролита из-за повышенных температур электрическое сопротивление увеличивается.
3. СОЭ увеличивается с увеличением температуры и частоты. В источниках питания с большими токами рассеиваемая мощность, связанная с ESR, может еще больше повысить температуру и привести к выходу конденсатора из строя.

Влияние частоты на СОЭ

ERS — это часть импеданса конденсатора, которая вызывает общие потери реальной мощности. Это зависит от частоты, как видно из приведенного ниже уравнения:

Где DFR — коэффициент рассеяния, связанный с контактным сопротивлением, DFL — с потерями на утечку, а DFD — с диэлектрическими потерями.

Сверху утечка и диэлектрические потери уменьшаются с увеличением частоты до тех пор, пока контактное сопротивление не станет преобладающим до определенной точки.За пределами этой точки СОЭ становится очень высоким на более высоких частотах, в основном из-за скин-эффекта переменного сигнала.

Минимизация ESR в цепях

• В высокопроизводительных приложениях используются конденсаторы с низким ESR, такие как твердотельные полимерные конденсаторы с низким ESR, танталовые конденсаторы и многослойные керамические конденсаторы (MLCC).
• Конденсаторы подключаются параллельно в таких местах, как сглаживающие цепи источника питания. Конденсаторы малой емкости подключаются параллельно, а не один большой конденсатор.Это снижает эффективное ESR в дополнение к снижению пульсаций напряжения и позволяет схеме выдерживать более высокие токи с меньшими потерями.

Параллельное подключение конденсаторов

Источник изображения

Производители конденсаторов предоставляют графики ESR в определенном частотном диапазоне, и можно легко определить ESR на заданной частоте. Иногда в них не указывается ESR, а вместо этого указывается коэффициент рассеяния. В таком случае СОЭ рассчитывается по формуле:

Где, DF — это общий коэффициент рассеяния всех элементов потерь конденсатора.

Измерение эквивалентного последовательного сопротивления

Измерители ESR используются для измерения последовательного сопротивления в цепи или вне цепи. Во время измерения некоторые измерители сначала производят контролируемый разряд заряженных конденсаторов перед измерением ESR и емкости.

ERS обычно выражается как максимальное значение при 120 Гц и 100 кГц для танталовых и алюминиевых электролитических конденсаторов и при 100 кГц для пленочных конденсаторов.

Преимущества конденсаторов с низким ESR

Конденсаторы с низким ESR имеют то преимущество, что сводят к минимуму потери в конденсаторах, повышают эффективность и стабильность источника питания при одновременном снижении выходного напряжения пульсаций.Некоторые характеристики, которые приводят к более низкому ESR, включают большую емкость, низкий коэффициент рассеяния и низкое напряжение на конденсаторах.

Что такое ESR в электролитических конденсаторах

СОЭ зависит от частоты, температуры и изменяется по мере старения компонентов. Обычно это лишь важный фактор при выборе электролитических конденсаторов.

Конструкция конденсатора
«Мокрые» алюминиевые электролитические конденсаторы имеют анодную пластину, содержащую электрохимически вытравленную алюминиевую фольгу, диэлектрик, сформированный в виде оксидного слоя на этой фольге, бумажную прокладку для удерживания проводящей жидкости, которая образует катод, и вторая фольга, соединяющая электролит и вывод устройства.

Жидкий электролит проникает в поры окисленной анодной фольги, поэтому площадь контакта и, следовательно, емкость максимальны.

Этот процесс «высыхания» зависит от температуры и ускоряется в компонентах, используемых при более высоких температурах или подверженных более высоким токам пульсации, которые рассеивают больше тепла как часть их функции цепи.

В алюминиевых электролитах ESR падает при повышении температуры — его эффекты уменьшаются при нагревании сборки.

Сушка не имеет отношения к твердым алюминиевым электролитам или «гибридным» конденсаторам, где полимеризованный органический полупроводниковый материал заменяет жидкий электролит.Эта технология демонстрирует удельную проводимость примерно в 10 000 раз больше, чем у жидкого электролита. Как показано на Рисунке 2 (выше), общее эквивалентное последовательное сопротивление существенно снижается, особенно при низких температурах.

Танталовая технология
Танталовые электролиты имеют танталовые аноды из спеченного порошка, простой или протравленной фольги. Изолятор представляет собой оксидный слой на поверхности анода. В устройствах из фольги второй проводник представляет собой электролит, удерживаемый в прокладке.Отложение диоксида марганца покрывает оксидный слой в твердых версиях.

Концевые заделки компонента вносят существенный вклад в ESR. В твердотельных конденсаторах диоксид марганца обычно покрывается углеродом, а затем металлом, например серебром, который припаивается к отрицательному выводу или корпусу. В стиле фольги положительное соединение представляет собой сварную никелевую или стальную проволоку, соединенную с танталовой проволокой на аноде. Такие устройства также содержат вторую танталовую фольгу, контактирующую с электролитом.

На низких частотах потери в оксиде наиболее значительны. Но их вклад уменьшается обратно пропорционально частоте, в конечном итоге становясь малым по сравнению с сопротивлением контактного материала (рисунок 3 ниже).

Рисунок 3: Типичное соотношение между ESR и частотой для танталовых конденсаторов (AVX)

Почему так важно СОЭ?
Электролитические конденсаторы используются в качестве входных буферов для подачи энергии при слишком низком входном сетевом напряжении, для хранения энергии, пока преобразователь переменного / постоянного тока адаптируется к новому уровню мощности, и предотвращения коммутационного шума от преобразователя до источника питания.На выходе преобразователя они действуют как фильтр и приемник тока для индуктивных элементов, а при преобразовании постоянного / постоянного тока действуют как буфер энергии при изменении потребности в выходной мощности.

В обоих случаях потери из-за ESR будут препятствовать способности конденсатора быстро генерировать или поглощать заряд. На входе увеличение ESR увеличивает высокочастотный шум на конденсаторе, снижая эффективность фильтрации. На выходе более высокое значение ESR вызывает большую пульсацию, влияющую на стабильность контура управления.

ESR особенно важен в приложениях с малой продолжительностью включения и высокочастотными импульсами тока. Здесь пульсации напряжения из-за ESR будут больше, чем ожидалось, основываясь только на емкости, хотя отрицательная корреляция ESR с температурой означает, что пульсации уменьшаются по мере нагрева сборки.

Кроме того, введение резистивного элемента в то, что разработчики могут предположить, является чисто реактивной схемой, может привести к неожиданным сдвигам в фазовой характеристике, снова влияя на стабильность.

Что можно сделать?
Некоторые конденсаторы разработаны специально для низкого ESR, но производители алюминиевых электролитических конденсаторов не указывают ESR единообразно. Обычно указывается значение при 25 ° C и 100 кГц с формулой для расчета значения на рабочей частоте. Некоторые поставщики указывают на 120 Гц; другие оставляют проектировщика для расчета значения на интересующей частоте из коэффициента рассеяния (tan∂) и указанного максимального тока пульсаций.Кроме того, для конденсаторов сравнимого размера и CV устройство с более высокой емкостью и более низким номинальным напряжением будет иметь более низкое ESR, а ESR имеет тенденцию быть ниже для алюминиевых электролитических устройств с длинными и тонкими корпусами, потому что сопротивление фольги уменьшается. Более крупные габариты корпуса также могут снизить СОЭ.

Кроме того, несколько компонентов меньшей стоимости могут использоваться параллельно для достижения более низкого высокочастотного ESR за счет места на плате. Анализ некоторых из наиболее популярных компонентов с низким СОЭ можно найти на Рисунке 4 (см. Ниже), который включает ссылки на полные серии продуктов и таблицы данных.Выбор разнообразен и требует подробного анализа таблиц данных или консультации специалиста, такого как Avnet Abacus, для того, чтобы сделать осознанный выбор.

Производитель	серии	Стиль	Технологии	Низкое ESR до [mR @ 20C / 100 кГц	Дополнительная информация
AVX	TCM	Чип	Полимерный танталовый мультианод	10	Посмотреть серию
AVX	TPS	Чип	Тантал	30	Посмотреть серию
KEMET	A700	Чип	Полимерный алюминий	6	Посмотреть серию
KEMET	T510	Чип	Танталовый мультианод	18	Посмотреть серию
Мурата	ECAS	Чип	Полимерный алюминий	6	Посмотреть серию
Nichicon	CD	SMD	Алюминий электролитический	35	Посмотреть серию
Nichicon	НЕ	Радиальный	Алюминий электролитический	12
Nichicon	СК	SMD	Полимерный алюминий	8	Посмотреть серию
Panasonic	FT	SMD	Алюминий электролитический	60	Посмотреть серию
Panasonic	FR	Радиальный	Алюминий электролитический	12	Посмотреть серию
Panasonic	SP-крышка	Чип	Полимерный алюминий	6
Panasonic	ZA	SMD	Полимерный гибрид	20	Посмотреть серию
Panasonic	ZC	SMD	Полимерный гибрид	20	Посмотреть серию
Рубикон	ZLH	Радиальный	Алюминий электролитический	12	Посмотреть серию
Рубикон	PC-CON	Чип	Полимерный алюминий	4.5
Vishay	146 РТИ	Радиальный	Алюминий электролитический	18	Посмотреть серию

Другие достижения
Некоторые производители комбинируют твердые и жидкие электролиты для производства гибридных компонентов со сверхнизким ESR (малые десятки миллиомов), с минимальными колебаниями температуры, при одновременном увеличении выдерживаемого напряжения и компенсации высоких пульсаций тока.

Поскольку ESR меняется в зависимости от площади внешней поверхности, производители танталовых конденсаторов производят многоанодные устройства для рынков с высокой надежностью, что может указать путь к разработкам для более распространенных приложений.

Но низкое ESR не всегда является основным соображением, и, помимо электролитических устройств, Murata фактически увеличила ESR некоторых из своих многослойных керамических конденсаторов микросхемы, чтобы контролировать нежелательные резонансы, которые могут снизить эффективность развязки на пиковых частотах.

Заключение
Инженерам никогда не было более разнообразного диапазона электролитических технологий. В частности, для энергетических приложений данных, напечатанных на компоненте, редко бывает достаточно, чтобы сделать осознанный выбор. Обращение к независимому специалисту, который может предложить компоненты от ряда крупнейших мировых производителей конденсаторов, — это самый надежный и быстрый путь к поиску наиболее подходящего устройства для любого конкретного применения.

Простой метод измерения ESR конденсатора

Конденсаторы классифицируются по типу диэлектрика.Электролитические конденсаторы популярны в силовых электронных схемах из-за их высокого объемного КПД и отличного соотношения цена / качество. ^[1] К сожалению, их характеристики меняются с рабочей частотой, тогда как полное сопротивление идеального конденсатора уменьшается с частотой. Но в реальном мире этого не наблюдается в лаборатории. Увеличение частоты до определенной точки приводит к ожидаемому снижению импеданса, но увеличение частоты вызывает увеличение импеданса, т.е.е., он действует как резонансный контур. Чтобы смоделировать поведение реального конденсатора, требуется добавление дополнительных элементов к модели конденсатора. ESR — это фактически сопротивление, которое конденсатор показывает на границе между поведением, подобным конденсатору, и поведением, подобным индуктору, то есть сопротивлением на резонансной частоте.

При моделировании динамического поведения преобразователей мощности значение ESR является важным, поскольку оно позволяет прогнозировать пульсации на выходе преобразователя, а также срок службы конденсатора. ^[2] Мощность, рассеиваемая в ESR, вызывает повышение температуры конденсатора, а также уменьшение его емкости и срока службы.

Простой и прямой метод измерения ESR предложен в ^[3] , в котором ESR определяется непосредственно отношением напряжения пульсаций конденсатора к току пульсаций. Но реализация довольно дорогая и хлопотная. Чтобы определить ESR, используя только измерения напряжения, Chen et al. ^[4] предположил, что при некоторых конкретных условиях ток пульсаций индуктора можно считать постоянным, и, следовательно, выходное напряжение пульсаций определяет ESR.Однако предлагаемый метод ограничен, а точность его невысока.

Лабораторный метод, который можно использовать для определения собственного значения ESR электролитических конденсаторов, был предложен в ^[5] . Однако этот метод дорог в реализации.

Здесь мы представляем простой метод измерения для определения ESR конденсатора.

Предлагаемый метод:

Предположим, что модель, подобная показанной на рис. 1 , для тестируемого конденсатора (CUT):

1.Модель тестируемого конденсатора.

В этой модели не учитывается индуктивность выводов. Предположим, что CUT подключен к генератору синусоидальной волны с частотой Fg и внутренним сопротивлением rg, как показано на Рис. 2 :

2. CUT подключен к генератору синусоидальной волны.

Передаточная функция этой схемы:

Уравнение 1 показывает характер пропускания верхних частот этой схемы. Следовательно, мы можем аппроксимировать передаточную функцию как:

Уравнение 2 является основой для измерения ESR конденсатора.Когда входная частота достаточно высока, мы можем упростить соотношение вход-выход как алгебраическое уравнение 2. Для высоких частот схема действует как аттенюатор с коэффициентом ослабления:

Измерение коэффициента затухания цепи и внутреннего сопротивления генератора приводит к r _c , ESR конденсатора:

Вместо возбуждения синусоидальной волны мы можем использовать прямоугольную волну. Это позволяет нам использовать ряд Фурье для написания уравнения с уровнями + Vm и -Vm и периодом T:

Где:

Прямоугольная волна состоит из нечетных гармоник.Когда основная гармоника достаточно высока, конденсатор действует как короткое замыкание, и выходное напряжение является приблизительно ослабленной версией входного напряжения в установившемся состоянии. Затухание в цепи в установившемся режиме напрямую связано с эквивалентным последовательным сопротивлением конденсатора r _c , которое можно получить, измерив коэффициент затухания в цепи и используя уравнение 3.

Результаты моделирования:

Диаграмма

Simulink показана на рис. Рис. 3 :

3.Схема моделирования схемы в Simulink.

В качестве возбуждения используется прямоугольная волна с амплитудой +1 и -1 вольт. Выходное сопротивление генератора сигналов принято равным 50 Ом, конденсатор — 30 мкФ, ESR 0,8 Ом. Форма выходного сигнала в установившемся режиме показана на рис.4 . :

.

4. Устойчивый выход схемы.

Расчетный коэффициент затухания цепи:

и СОЭ CUT рассчитывается как:

Результаты лаборатории:

Генератор сигналов с номинальным выходным сопротивлением 50 Ом обеспечивает возбуждение.Выходное сопротивление 47,1 Ом измеряется с помощью простого делителя напряжения. Пиковое напряжение установившегося выходного напряжения измеряется с помощью цифрового осциллографа. На рисунке 5 показан пример выходных данных.

5. Пример формы волны выходного напряжения.

Расчетные значения СОЭ

Этот простой метод измерения обеспечивает точные результаты и позволяет более точную модель преобразователя мощности.

Список литературы

1. Амарал А.М.Р., Кардосо А.Дж.М .: Экспериментальная методика оценки собственных значений ESR и реактивного сопротивления алюминиевых электролитических конденсаторов . Proc. Конференция по контрольно-измерительной технике, IMTC 2006, апрель 2006 г., стр. 1820–1825.

2. Шанкаран В.А., Рис Ф.Л., Avant C.S .: Проверка и прогноз срока службы электролитических конденсаторов . Proc. 32-е ежегодное собрание Общества отраслевых приложений IEEE, октябрь 1997 г., т.2. С. 1058–1065

3. Venet P., Perisse F., El-Husseini M.H., Rojat G .: Реализация схемы интеллектуального электролитического конденсатора , IEEE Ind. Appl. Mag., 2002, 8, (1), с. 16–20

4. Чен Ю.-М., Чжоу М.-В., Ву Х.-К .: Прогнозирование выхода из строя электролитического конденсатора LC-фильтра для импульсных преобразователей мощности . Proc. 40-е ежегодное собрание Общества отраслевых приложений IEEE, октябрь 2005 г., т. 2. С. 1464–1469.

5. Amaral A.M.R., Cardoso A.J.M.: Измеритель СОЭ для высоких частот . Proc. Int. Конф. по силовой электронике и приводным системам, PEDS, 2005, стр. 1628–163

6. Д.У. Харт, « Силовая электроника «, Мак Гроу Хилл, 2010 г.

7. N. Mohan, T. М. Унделанд, В. П. Роббинс , «Силовая электроника : преобразователи, применение и конструкция, » John Wiley and Sons, 2002.

8. Р. В. Эриксон, Д. Максимович , « Основы силовой электроники», «Springer, 2001.

9. A.M.R. Амарал, А.Дж.М. Кардосо: « Измеритель СОЭ для высоких частот ». Proc. Int. Конф. по силовой электронике и приводным системам, PEDS, 2005, стр. 1628–1633.

10. Р. Чен, J.D.V. Вик, С. Ван, У.Г. Одендал: Улучшение характеристик интегрированных фильтров электромагнитных помех за счет встроенных проводящих слоев . IEEE Trans. Power Electron., 2005, стр. 611–619.

11. A.M.R. Амарал, А.Дж.М. Кардосо: Экспериментальная методика оценки собственных значений ESR и реактивного сопротивления алюминиевых электролитических конденсаторов .Proc. Конференция по контрольно-измерительной технике, IMTC 2006, апрель 2006 г., стр. 1820–1825.

% PDF-1.3 % 15 0 объект > эндобдж xref 15 92 0000000016 00000 н. 0000002188 00000 п. 0000002633 00000 н. 0000002841 00000 н. 0000003420 00000 н. 0000004234 00000 п. 0000004282 00000 п. 0000004330 00000 н. 0000004654 00000 н. 0000004702 00000 н. 0000004741 00000 н. 0000005059 00000 н. 0000005490 00000 н. 0000006291 00000 п. 0000006996 00000 н. 0000007700 00000 н. 0000007748 00000 н. 0000007796 00000 н. 0000008086 00000 н. 0000008134 00000 п. 0000008182 00000 н. 0000008696 00000 п. 0000009406 00000 н. 0000009454 00000 п. 0000009476 00000 н. 0000010791 00000 п. 0000010813 00000 п. 0000011907 00000 п. 0000012092 00000 п. 0000012444 00000 п. 0000012514 00000 п. 0000012735 00000 п. 0000013019 00000 п. 0000013041 00000 п. 0000014193 00000 п. 0000014215 00000 п. 0000015376 00000 п. 0000015681 00000 п. 0000016471 00000 п. 0000016733 00000 п. 0000017531 00000 п. 0000018328 00000 п. 0000018574 00000 п. 0000018627 00000 п. 0000019415 00000 п. 0000019727 00000 п. 0000019749 00000 п. 0000020948 00000 п. 0000020969 00000 п. 0000022021 00000 н. 0000022818 00000 п. 0000023164 00000 п. 0000023964 00000 п. 0000024317 00000 п. 0000024338 00000 п. 0000025039 00000 п. 0000025061 00000 п. 0000026215 00000 п. 0000028693 00000 п. 0000028918 00000 п. 0000034000 00000 п. 0000034125 00000 п. 0000034487 00000 п. 0000036131 00000 п. 0000036311 00000 п. 0000036537 00000 п. 0000036658 00000 п. 0000036830 00000 н. 0000039451 00000 п. 0000039965 00000 н. 0000040630 00000 п. 0000046495 00000 п. 0000048282 00000 н. 0000051262 00000 п. 0000053530 00000 п. 0000053832 00000 п. 0000054673 00000 п. 0000057606 00000 п. 0000268509 00000 н. 0000274179 00000 н. 0000276858 00000 н. 0000281324 00000 н. 0000283072 00000 н. 0000288251 00000 н. 0000288766 00000 н. 0000292631 00000 н. 0000293191 00000 п. 0000298701 00000 н. 0000306290 00000 н. 0000306430 00000 н. 0000002273 00000 н. 0000002611 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 16 0 объект > эндобдж 105 0 объект > поток Hb«b`x ؞ @ Bz0h4r \ ca 9 @) [6 «\: F ,,, ̌6xT

Общие сведения о ESR и ESL в конденсаторах

Наиболее часто используемыми электронными компонентами в любой электронной конструкции являются резисторы (R), конденсаторы (C) и индукторы (L).Большинство из нас знакомо с основами этих трех пассивных компонентов и с тем, как их использовать. Теоретически (в идеальных условиях) конденсатор можно рассматривать как чистый конденсатор с только емкостными свойствами, но на практике конденсатор также будет иметь некоторые резистивные и индуктивные свойства, связанные с ним , которые мы называем паразитным сопротивлением или паразитной индуктивностью. Да, как и у паразита, эти нежелательные свойства сопротивления и индуктивности находятся внутри конденсатора, не позволяя ему вести себя как чистый конденсатор.

Следовательно, при проектировании схемы инженеры в первую очередь рассматривают идеальную форму компонента, в этом случае емкость, а затем вместе с ней паразитные компоненты (индуктивность и сопротивление) также считаются включенными последовательно с ней. Это паразитное сопротивление обозначается как эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) , а паразитная индуктивность обозначается как эквивалентное последовательное сопротивление (ESL) . Значение этой индуктивности и сопротивления будет очень маленьким, поэтому им можно пренебречь в простых конструкциях. .Но в некоторых приложениях с высокой мощностью или высокой частотой эти значения могут быть очень важными и, если их не учитывать, могут снизить эффективность компонентов или привести к неожиданным результатам.

В этой статье мы узнаем больше об этих ESR и ESL, как их измерить и как они могут повлиять на схему . Подобно этому, индуктор также будет иметь некоторые связанные с ним паразитные свойства, называемые DCR , которые мы обсудим в другой статье в другой раз.

ESR в конденсаторах

Идеальный конденсатор, соединенный последовательно с сопротивлением, называется Эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора. Эквивалентное последовательное сопротивление или ESR в конденсаторе — это внутреннее сопротивление, которое появляется последовательно с емкостью устройства.

Давайте посмотрим на следующие символов, которые представляют ESR конденсатора . Символ конденсатора представляет идеальный конденсатор и резистор как эквивалентное последовательное сопротивление.Резистор включен последовательно с конденсатором.

Идеальный конденсатор без потерь , что означает, что конденсатор накапливает заряд и обеспечивает такое же количество заряда, что и на выходе. Но в реальном мире конденсаторы имеют небольшое значение конечного внутреннего сопротивления . Это сопротивление возникает из-за диэлектрического материала, утечки в изоляторе или сепараторе. Кроме того, эквивалентное последовательное сопротивление или ESR будет иметь разные значения в разных типах конденсаторов в зависимости от их значения емкости и конструкции.Следовательно, мы должны измерить значение этого ESR практически, чтобы проанализировать полные характеристики конденсатора.

Измерение ESR в конденсаторах

Измерение ESR конденсатора немного сложно, потому что сопротивление не является чистым сопротивлением постоянному току. Это связано с свойством конденсаторов. Конденсаторы блокируют постоянный ток и пропускают переменный ток. Поэтому стандартный омметр нельзя использовать для измерения ESR. На рынке доступны специальные измерители ESR , которые могут быть полезны для измерения ESR конденсатора.Эти измерители используют переменный ток, такой как прямоугольная волна на определенной частоте через конденсатор. На основании изменения частоты сигнала можно рассчитать значение ESR конденсатора. Преимущество этого метода заключается в том, что, поскольку ESR измеряется непосредственно на двух выводах конденсатора, его можно измерить без снятия пайки с печатной платы.

Другой теоретический способ вычисления ESR конденсатора — это измерить напряжение пульсаций и ток пульсаций конденсатора , а затем их соотношение даст значение ESR в конденсаторе.Однако более распространенная модель для измерения ESR, модель , заключается в применении источника переменного тока через конденсатор с дополнительным сопротивлением. Примерная схема для измерения ESR показана ниже

.

Vs — это источник синусоидальной волны, а R1 — внутреннее сопротивление. Конденсатор C — это идеальный конденсатор, тогда как R2 — эквивалентное последовательное сопротивление идеального конденсатора C. Следует помнить одну вещь: в этой модели измерения ESR индуктивность выводов конденсатора игнорируется и не рассматривается как часть схема.

Передаточная функция этой схемы может быть изображена в следующей формуле —

В приведенном выше уравнении отражена характеристика схемы верхних частот; аппроксимация передаточной функции может быть далее оценена как —

  H (с) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1 
 

Приведенное выше приближение подходит для высокочастотных операций. В этот момент схема начинает ослабляться и действовать как аттенюатор.

Коэффициент затухания можно выразить как —

.

  ⍺   = R2 / (R2 + R1)  

Этот коэффициент затухания и внутреннее сопротивление R1 генератора синусоидальных сигналов можно использовать для измерения ESR конденсаторов.

  R2 =   ⍺   x R1  

Следовательно, функциональный генератор может быть полезен для расчета ESR конденсаторов.

Обычно значение ESR колеблется от нескольких миллиомов до нескольких Ом.Алюминиевые электролитические и танталовые конденсаторы имеют высокое ESR по сравнению с коробчатыми или керамическими конденсаторами. Однако современные достижения в технологии производства конденсаторов позволяют изготавливать конденсаторы со сверхнизким ESR.

Как ESR влияет на производительность конденсатора Значение

ESR конденсатора является решающим фактором для выхода конденсатора. Конденсатор с высоким ESR рассеивает тепло. в сильноточных приложениях, и срок службы конденсатора со временем сокращается, что также способствует сбоям в электронных схемах.В источниках питания, где большой ток является проблемой, конденсаторы с низким ESR необходимы для целей фильтрации.

Не только для операций, связанных с источником питания, но и для высокоскоростной цепи важно низкое значение ESR. На очень высоких рабочих частотах, обычно в диапазоне от сотен МГц до нескольких ГГц, ESR конденсатора играет жизненно важную роль в факторах подачи мощности.

ЭСЛ в конденсаторе

Как и ESR, ESL также является решающим фактором для конденсаторов.Как обсуждалось ранее, в реальной ситуации конденсаторы не идеальны. Существует паразитное сопротивление, а также паразитная индуктивность. Типичная модель ESL конденсатора показана ниже. Конденсатор C — это идеальный конденсатор, а катушка индуктивности L — это последовательная индуктивность, соединенная последовательно с идеальным конденсатором.

Обычно ESL сильно зависит от токовой петли ; Увеличение токовой петли также увеличивает ESL в конденсаторах. Расстояние между выводом вывода и точкой соединения цепи (включая контактные площадки или дорожки) также влияет на ESL в конденсаторах, поскольку увеличенное расстояние вывода также увеличивает токовую петлю, что приводит к высокой эквивалентной последовательной индуктивности.

Измерение ЭСЛ конденсатора

Измерение ESL можно легко выполнить, наблюдая за графиком зависимости импеданса от частоты, приведенным в таблице данных производителя конденсатора. Импеданс конденсатора изменяется при изменении частоты на конденсаторе. В ситуации, когда на определенной частоте емкостное реактивное сопротивление и индуктивное реактивное сопротивление равны , это называется «точкой перегиба» .

В этот момент конденсатор сам резонирует.ESR конденсатора способствует выравниванию графика импеданса до тех пор, пока конденсатор не достигнет точки «изгиба» или на частоте собственного резонанса. После точки перегиба сопротивление конденсатора начинает увеличиваться из-за ESL конденсатора.

На приведенном выше изображении показан график зависимости импеданса от частоты MLCC (многослойного керамического конденсатора). Показаны три конденсатора: 100 нФ, 1 нФ класса X7R и 1 нФ конденсаторов класса NP0. Пятна «колена» можно легко определить по нижней точке V-образного графика.

После определения частоты точки перегиба ESL можно измерить по следующей формуле

  Частота = 1 / (2π√ (ESL x C))  

Как ESL влияет на выход конденсатора

Выход конденсаторов ухудшается из-за увеличения ESL, как и ESR. Повышенный ESL способствует нежелательному протеканию тока и генерирует EMI , что дополнительно создает сбои в высокочастотных приложениях. В системе, связанной с источником питания, паразитная индуктивность способствует высокой пульсации напряжения.Напряжение пульсации пропорционально значению ESL конденсаторов. Большое значение ESL конденсатора также может вызвать сигналов вызывного сигнала , из-за чего схема ведет себя странно.

Практическое значение ESR и ESL

На изображении ниже представлена ​​фактическая модель ESR и ESL в конденсаторе .

Здесь конденсатор C — это идеальный конденсатор, резистор R — это эквивалентное последовательное сопротивление, а катушка индуктивности L — это эквивалентная последовательная индуктивность .Объединяя эти три, получается настоящий конденсатор.

ESR и ESL — не очень приятные характеристики конденсатора, которые вызывают различные снижения производительности электронных схем, особенно в высокочастотных и сильноточных приложениях. Высокое значение ESR способствует снижению производительности из-за потерь мощности, вызванных ESR; потерю мощности можно рассчитать, используя степенной закон I ² R, где R — значение ESR. Кроме того, из-за высокого значения ESR в соответствии с законом Ома возникают шумы и высокое падение напряжения.Современная технология производства конденсаторов снижает значения ESR и ESL конденсатора. Огромное улучшение можно увидеть в современных SMD-версиях многослойных конденсаторов.

Конденсаторы с более низким значением ESR и ESL предпочтительны в качестве выходных фильтров в схемах импульсного источника питания или в конструкциях SMPS, поскольку в этих случаях частота переключения высока, обычно близка к нескольким MH _z в диапазоне от сотен кГц. Из-за этого входной конденсатор и конденсаторы выходного фильтра должны иметь низкое значение ESR, чтобы низкочастотные пульсации не влияли на общую производительность блока питания.ESL конденсаторов также должен быть низким, чтобы сопротивление конденсатора не влияло на частоту переключения источника питания.

В малошумном источнике питания, где необходимо подавлять шумы и количество каскадов выходного фильтра должно быть небольшим, высококачественные конденсаторы с супернизким ESR и низким ESL полезны для плавного выхода и стабильной подачи мощности на нагрузку. В таком применении полимерные электролиты являются подходящим выбором и обычно предпочтительнее алюминиевых электролитических конденсаторов.

Каковы частотные характеристики импеданса / ESR конденсаторов?

Направляющая конденсатора

14.02.2013

Основные сведения о конденсаторах описаны в этой технической колонке.
Сегодняшний столбец описывает частотные характеристики величины импеданса | Z | и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) в конденсаторах.

Понимание частотных характеристик конденсаторов позволяет определить, например, возможности подавления шума или возможности управления колебаниями напряжения линии питания. Следовательно, частотные характеристики являются важными параметрами, необходимыми для проектирования схем. В этом столбце описаны два типа частотных характеристик: импеданс | Z | и СОЭ.

1. Частотные характеристики конденсаторов

Полное сопротивление Z идеального конденсатора (рис. 1) показано формулой (1), где ω — угловая частота, а C — электростатическая емкость конденсатора.

Из формулы (1) величина импеданса | Z | уменьшается обратно пропорционально частоте, как показано на рисунке 2. В идеальном конденсаторе потери отсутствуют, а эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) равно нулю.

В реальных конденсаторах (рис.3), однако существует некоторое сопротивление (ESR) из-за потерь из-за диэлектрических веществ, электродов или других компонентов в дополнение к компоненту емкости C и некоторой паразитной индуктивности (ESL) из-за электродов, выводов и других компонентов. В результате частотные характеристики | Z | образуют V-образную кривую (или U-образную кривую в зависимости от типа конденсатора), как показано на рисунке 4, а ESR также показывает частотные характеристики для значений, эквивалентных потерям.

Причина, по которой | Z | и кривые формы СОЭ, подобные показанным на рисунке 4, можно объяснить следующим образом.

Область низких частот:

| Z | в регионах с низкой частотой частота уменьшается обратно пропорционально частоте, как в идеальном конденсаторе. ESR показывает значение, эквивалентное диэлектрическим потерям из-за задержки поляризации в диэлектрическом веществе.

Рядом с точкой резонанса:

При повышении частоты ESR в результате паразитной индуктивности, удельного сопротивления электродов и других факторов вызывает | Z | поведение отклоняется от идеального конденсатора (красная пунктирная линия) и достигает минимального значения.Частота, на которой | Z | это минимальное значение, называемое собственной резонансной частотой, и в это время | Z | = ESR. При превышении собственной резонансной частоты характеристика элемента меняется от конденсатора к катушке индуктивности, и | Z | начинает увеличиваться. Область ниже собственной резонансной частоты называется емкостной, а область выше — индуктивной.

На

ESR помимо диэлектрических потерь влияют потери, вызванные электродом.

Область высоких частот:

В частотных зонах даже выше точки резонанса | Z | характеристики определяются паразитной индуктивностью (L).| Z | в высокочастотной области приближается к формуле (2) и увеличивается пропорционально частоте.

Что касается СОЭ, начинают проявляться скин-эффекты электродов, эффекты близости и другие эффекты.

Выше было объяснение частотных характеристик реального конденсатора. Главное помнить, что при повышении частоты нельзя игнорировать ESR и ESL. Поскольку растет число приложений, в которых конденсаторы используются на высоких частотах, ESR и ESL становятся важными параметрами, которые показывают характеристики конденсатора в дополнение к значениям электростатической емкости.

2. Частотные характеристики различных типов конденсаторов

В предыдущем разделе объяснялось, что паразитные компоненты конденсаторов, такие как ESR и ESL, сильно влияют на их частотные характеристики. Поскольку типы паразитных компонентов различаются в зависимости от типа конденсатора, давайте посмотрим на различные частотные характеристики разных типов конденсаторов.

На рисунке 5 показан | Z | и частотные характеристики ESR различных конденсаторов электростатической емкостью 10 мкФ.За исключением пленочного конденсатора, все конденсаторы относятся к типу SMD.

Поскольку электростатическая емкость всех конденсаторов, показанных на Рисунке 5, составляет 10 мкФ, | Z | значение одинаково для всех типов в емкостной области на частотах ниже 1 кГц. Повышаясь выше 1 кГц, | Z | значения возрастают намного выше в алюминиевом электролитическом конденсаторе и танталовом электролитическом конденсаторе, чем в многослойном керамическом конденсаторе и пленочном конденсаторе. Это связано с высоким удельным сопротивлением материала электролита и большим ESR алюминиевого электролитического конденсатора и танталового электролитического конденсатора.Пленочный конденсатор и многослойный керамический конденсатор используют металлические материалы для своих электродов и поэтому демонстрируют очень минимальное ESR.

Многослойный керамический конденсатор и этилированный пленочный конденсатор показывают примерно одинаковые характеристики до точки резонанса, но собственная резонансная частота выше и | Z | в индуктивной области ниже в многослойном керамическом конденсаторе. Это связано с тем, что в этилированных пленочных конденсаторах индуктивность не больше индуктивности выводного провода.

Эти результаты показывают, что в многослойных керамических конденсаторах SMD-типа в широком диапазоне частот полное сопротивление невелико, что делает их наиболее подходящими конденсаторами для высокочастотных приложений.

3. Частотные характеристики многослойных керамических конденсаторов

Существуют также разные типы многослойных керамических конденсаторов из разных материалов и различной формы. Давайте посмотрим, как эти факторы влияют на частотные характеристики.

(1) СОЭ
ESR в емкостной области зависит от диэлектрических потерь, вызванных диэлектрическим материалом. Материалы с высокой диэлектрической проницаемостью класса 2, как правило, имеют более высокие уровни ESR, поскольку в них используются сегнетоэлектрики. В материалах с температурной компенсацией класса 1 используются параэлектрики, поэтому они обладают очень небольшими диэлектрическими потерями и низким уровнем ESR.
В дополнение к удельному сопротивлению материала электрода, форма электрода (толщина, длина, ширина) и количество слоев, уровни ESR на высоких частотах от точки резонанса до индуктивной области также зависят от скин-эффекта и эффектом близости.В качестве электродного материала часто используется никель, но для конденсаторов с низкими потерями иногда выбирают медь с низким удельным сопротивлением.

(2) ESL
На ESL многослойных керамических конденсаторов сильно влияет структура внутреннего электрода. Если размер внутреннего электрода обозначен как длина l, ширина w и толщина d, индуктивность ESL электрода может быть выражена формулой (3) согласно Ф. В. Гроверу.

Из этой формулы очевидно, что ESL уменьшается по мере того, как электроды конденсатора становятся короче, шире и толще.

На рисунке 6 показано соотношение между номинальной емкостью и собственной резонансной частотой для многослойных керамических конденсаторов различных размеров. Вы можете видеть, что при уменьшении размера частота собственного резонанса увеличивается, а ESL уменьшается при той же емкости. Это означает, что конденсаторы небольшой емкости с короткой длиной l лучше всего подходят для высокочастотных приложений.

На рисунке 7 показан обратный конденсатор LW с короткой длиной l и большой шириной w. Из частотных характеристик, показанных на рисунке 8, вы можете видеть, что обратные конденсаторы LW имеют более низкий импеданс и лучшие характеристики, чем обычные конденсаторы той же емкости.Используя обратные конденсаторы LW, можно достичь тех же характеристик, что и у обычных конденсаторов с меньшим количеством единиц. Уменьшение количества единиц позволяет снизить затраты и уменьшить монтажное пространство.

4. Как получить данные частотных характеристик

Хотя данные о частотных характеристиках можно получить с помощью анализатора импеданса или векторного анализатора цепей, теперь такие данные также доступны на веб-сайтах производителей запчастей.

На рис. 9 показан вид экрана средства проектирования «SimSurfing» Мураты. Характеристики можно отобразить, просто введя номер модели и элементы, которые вы хотите проверить. Кроме того, вы можете загрузить сетевые списки SPICE и данные S2P в качестве данных для моделирования. Не стесняйтесь использовать их для разработки всех типов электронных схем.

zoom_in Рис. 9. Пример экрана средства проектирования «SimSurfing» （Щелкните изображение, чтобы увидеть увеличенное изображение）

См. Здесь для SimSurfing

Ответственное лицо: А.S., Подразделение компонентов, Murata Manufacturing Co., Ltd.

Сопутствующие товары

Конденсатор

Статьи по теме

14.02.2013

Будьте в курсе!

Получайте электронные письма от Мураты с последними обновлениями на этом сайте.
Информационный бюллетень Murata (электронный информационный бюллетень) запуск

mail_outline .

No related posts.