- ESR en condensadors
- Mesura de la VSH en condensadors
- Com afecta l'ESR al rendiment del condensador
- ESL al condensador
- Mesurant l’ESL d’un condensador
- Com afecta l'ESL a la sortida del condensador
- Importància pràctica de l’ESR i l’ESL
Els components electrònics més utilitzats en qualsevol disseny electrònic són les resistències (R), els condensadors (C) i els inductors (L). La majoria de nosaltres coneixem els conceptes bàsics d’aquests tres components passius i la manera d’utilitzar-los. Teòricament (en condicions ideals) es pot considerar un condensador com un condensador pur amb només propietats capacitives, però a la pràctica un condensador també tindrà algunes propietats resistives i inductives, que anomenem resistència paràsita o inductància paràsita. Sí, igual que un paràsit, aquesta resistència i inductància indesitjades es troba dins d’un condensador evitant que es comporti com un condensador pur.
Per tant, mentre es dissenya un circuit, els enginyers consideren principalment la forma ideal del component, en aquest cas la capacitat i, juntament amb ell, els components paràsits (inductància i resistència) també es consideren en sèrie. Aquesta resistència parasitària es denomina Resistència de Sèries Equivalents (ESR) i la inductància paràsita s’anomena Inductància de Sèries Equivalents (ESL). Però en algunes aplicacions d'alta potència o alta freqüència, aquest valor pot ser molt crucial i, si no es té en compte, pot reduir l'eficiència del component o produir resultats inesperats.
En aquest article aprendrem més sobre aquesta ESR i ESL, com mesurar-los i com poden afectar un circuit. De manera similar, un inductor també tindrà algunes propietats parasitàries associades, anomenades DCR, que parlarem en un altre article alguna vegada.
ESR en condensadors
Un condensador ideal en sèrie amb resistència s’anomena resistència en sèrie equivalent del condensador. La resistència de sèrie equivalent o ESR en un condensador és la resistència interna que apareix en sèrie amb la capacitat del dispositiu.
Vegem els símbols següents , que representen ESR del condensador. El símbol del condensador representa el condensador ideal i la resistència com una resistència de sèrie equivalent. La resistència es connecta en sèrie amb el condensador.
Un condensador ideal és sense pèrdues, és a dir, emmagatzema el condensador i proporciona la mateixa quantitat de càrrega que la sortida. Però al món real, els condensadors tenen un valor reduït de resistència interna finita. Aquesta resistència prové del material dielèctric, fuites en un aïllant o en el separador. A més, la resistència de sèrie equivalent o ESR tindrà diferents valors en diferents tipus de condensadors en funció del seu valor de capacitat i de la seva construcció. Per tant, hem de mesurar el valor d’aquest ESR pràcticament per analitzar les característiques completes d’un condensador.
Mesura de la VSH en condensadors
Mesurar l’ESR d’un condensador és una mica complicat perquè la resistència no és una resistència de CC pura. Això es deu a la propietat dels condensadors. Els condensadors bloquegen la corrent continu i passen el corrent altern. Per tant, el mesurador d’ohms estàndard no es pot utilitzar per mesurar l’ESR. Hi ha comptadors ESR específics disponibles al mercat que poden ser útils per mesurar la ESR d’un condensador. Aquests comptadors utilitzen corrent altern, com ara l' ona quadrada en una freqüència específica a través del condensador. Basant-se en el canvi de freqüència del senyal, es pot calcular el valor ESR del condensador. Un avantatge d’aquest mètode és que, ja que l’ESR es mesura directament a través dels dos terminals d’un condensador, es pot mesurar sense desoldar-lo de la placa de circuit.
Una altra manera teòrica de calcular la VSS del condensador és mesurar la tensió i el corrent d'ondulació del condensador i, a continuació, la proporció d'ambdós donarà el valor de VS al condensador. No obstant això, un model de mesura ESR més comú és aplicar una font de corrent altern al condensador amb una resistència addicional. A continuació es mostra un circuit brut per mesurar l’ESR
El Vs és la font d'ona sinusoïdal i R1 és la resistència interna. El condensador C és el condensador ideal mentre que el R2 és la resistència de sèrie equivalent del condensador ideal C. Una cosa que cal recordar és que en aquest model de mesura ESR, s’ignora la inductància de plom del condensador i no es considera una part de el circuit.
La funció de transferència d’aquest circuit es pot representar a la següent fórmula:
En l'equació anterior, es reflecteix la característica de pas alt del circuit; l'aproximació de la funció de transferència es pot avaluar com:
H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1
L'aproximació anterior és adequada per a operacions d'alta freqüència. En aquest punt, el circuit comença a atenuar-se i a actuar com a atenuador.
El factor d’atenuació es pot expressar com -
⍺ = R2 / (R2 + R1)
Aquest factor d’atenuació i la resistència interna R1 del generador d’ona sinusoïdal es poden utilitzar per mesurar els condensadors ESR.
R2 = ⍺ x R1
Per tant, un generador de funcions pot ser útil per calcular l’ESR dels condensadors.
Normalment, el valor ESR oscil·la entre uns quants milliohms i diversos ohms. Els condensadors electrolítics d’alumini i de tàntal tenen una ESR elevada en comparació amb els condensadors de tipus caixa o ceràmica. No obstant això, els avanços moderns en la tecnologia de fabricació de condensadors permeten fabricar condensadors ESR molt baixos.
Com afecta l'ESR al rendiment del condensador
El valor ESR del condensador és un factor crucial per a la sortida del condensador. Un condensador d'alta ESR dissipa la calor en aplicacions de gran intensitat i la vida útil del condensador disminueix eventualment, cosa que també contribueix al mal funcionament dels circuits electrònics. En les fonts d’alimentació, on el corrent és preocupant, els condensadors de baixa ESR són necessaris per a la filtració.
No només en operacions relacionades amb la font d'alimentació, sinó també amb un baix valor ESR, també és essencial per al circuit d'alta velocitat. En freqüències de funcionament molt altes, que normalment van des de centenars de MHz fins a diversos GHz, l'ESR del condensador té un paper vital en els factors de subministrament de potència.
ESL al condensador
Igual que l'ESR, l'ESL també és un factor crucial per als condensadors. Com s'ha comentat abans, en la situació real no són ideals els condensadors. Hi ha una resistència perduda i una inductància perduda. Un model típic de condensador ESL que es mostra a continuació. El condensador C és el condensador ideal i l’inductor L és la inductància de sèrie connectada en sèrie amb el condensador ideal.
Normalment, ESL és molt fiable en el bucle actual; L'augment del bucle de corrent també augmenta l'ESL dels condensadors. La distància entre la terminació de la derivació i el punt de connexió del circuit (inclosos els coixinets o les pistes) també influeix en l'ESL dels condensadors perquè la distància de terminació augmentada també augmenta el bucle de corrent resultant en una inductància de sèrie equivalent.
Mesurant l’ESL d’un condensador
El mesurament de l’ESL es pot fer fàcilment observant la gràfica d’impedància versus freqüència donada pel full de dades del fabricant del condensador. La impedància del condensador canvia quan es canvia la freqüència del condensador. Durant la situació, quan a una freqüència específica la reactància capacitiva i la reactància inductiva són iguals, es denomina "punt de genoll".
En aquest punt, el propi condensador ressona. La VSS del condensador contribueix a aplanar la trama d’impedància fins que el condensador ha arribat al punt de “genoll” o a la freqüència d’autoreonació. Després del punt de genoll, la impedància del condensador comença a augmentar a causa del ESL del condensador.
La imatge anterior és un gràfic Impedància vs Freqüència d’un condensador ceràmic multicapa MLCC. Es mostren tres condensadors, 100nF, 1nF classe X7R i 1nF de condensadors de la classe NP0. Les taques de "genoll" es poden identificar fàcilment a través del punt inferior de la trama en forma de V.
Un cop identificada la freqüència del punt del genoll, es pot mesurar l'ESL mitjançant la fórmula següent
Freqüència = 1 / (2π√ (ESL x C))
Com afecta l'ESL a la sortida del condensador
La sortida dels condensadors es degrada per l'augment de l'ESL, igual que l'ESR. L’augment de l’ESL contribueix al flux no desitjat de corrent i genera EMI, cosa que crea més avaries en aplicacions d’alta freqüència. En el sistema relacionat amb l’alimentació elèctrica, la inductància paràsita contribueix a l’elevat voltatge d’ondulació. La tensió ondulada és proporcional al valor ESL dels condensadors. El gran valor ESL del condensador també pot induir formes d'ona que sonen, cosa que fa que el circuit es comporti de manera estranya.
Importància pràctica de l’ESR i l’ESL
La imatge següent proporciona el model real de ESR i ESL en condensador.
Aquí, el condensador C és un condensador ideal, la resistència R és la resistència de la sèrie equivalent i l’inductor L és la inductància de la sèrie equivalent. Combinant aquests tres es fa el condensador real.
ESR i ESL no són característiques tan agradables d’un condensador, cosa que provoca una reducció de rendiment en circuits electrònics, especialment en aplicacions d’alta freqüència i alta intensitat. Un alt valor ESR contribueix al mal rendiment a causa de les pèrdues de potència causades per ESR; la pèrdua de potència es pot calcular utilitzant la llei de potència I 2 R on R és el valor ESR. No només això, també es produeixen sorolls i caigudes d’alta tensió a causa de l’alt valor ESR segons la llei d’Ohms. La moderna tecnologia de fabricació de condensadors redueix el valor ESR i ESL del condensador. Es pot veure una gran millora en les versions SMD actuals de condensadors multicapa.
Es prefereixen condensadors de valor ESR i ESL més baixos com a filtres de sortida en circuits de subministrament d’energia de commutació o dissenys SMPS perquè la freqüència de commutació és elevada en aquests casos, normalment prop de diversos MH z que van des de centenars de kHz. A causa d'això, el condensador d'entrada i el filtre de sortida han de tenir un valor ESR baix, de manera que les ondulacions de baixa freqüència no tinguin efectes en el rendiment general de la font d'alimentació. L’ESL dels condensadors també ha de ser baix, de manera que la impedància del condensador no interaccioni amb la freqüència de commutació de la font d’alimentació.
En una font d’alimentació de baix nivell de soroll, on cal suprimir els sorolls i les etapes del filtre de sortida haurien de ser baixes, els condensadors d’ESR molt baixos i de baixa ESL d’alta qualitat són útils per a una sortida suau i un subministrament de potència estable a la càrrega. En aquesta aplicació, els electròlits de polímers són una opció adequada i es prefereixen més que els condensadors electrolítics d'alumini.