Pag-unawa sa esr at esl sa mga capacitor

Ang pinaka ginagamit na mga sangkap ng electronics sa anumang elektronikong disenyo ay ang Resistors (R), Capacitors (C), at ang Inductors (L). Karamihan sa atin ay pamilyar sa mga pangunahing kaalaman ng tatlong mga passive na bahagi at kung paano gamitin ang mga ito. Teoretikal (sa ilalim ng mainam na mga kundisyon) ang isang kapasitor ay maaaring maituring bilang isang purong kapasitor na may mga capacitive na katangian lamang, ngunit sa pagsasagawa ng isang capacitor ay magkakaroon din ng ilang mga resistive at inductive na katangian na isinama dito, na tinatawag nating parasitic resistence o parasitic inductance. Oo, tulad ng isang parasito ang hindi ginustong paglaban at mga pag-aari ng inductance na ito ay nakaupo sa loob ng isang kapasitor na pumipigil dito sa pag-uugali tulad ng isang purong kapasitor.

Samakatuwid habang ang pagdidisenyo ng isang circuit engineer ay pangunahing isinasaalang-alang ang perpektong anyo ng sangkap, sa kasong ito capacitance at pagkatapos ay kasama nito ang mga bahagi ng parasitiko (Inductance at paglaban) ay isinasaalang-alang din na nasa serye kasama nito. Ang paglaban ng parasitiko na ito ay tinukoy bilang ang Katumbas na Paglaban ng Serye (ESR) at ang parasitiko na inductance ay tinatawag na Equivalent series Inductance (ESL) Ang halaga ng inductance at paglaban na ito ay magiging napakaliit, na maaari itong mapabayaan sa mga simpleng disenyo. Ngunit sa ilang mataas na kapangyarihan o mataas na dalas ng aplikasyon ang halagang ito ay maaaring maging napaka-mahalaga at kung hindi isinasaalang-alang ay maaaring mabawasan ang kahusayan ng bahagi o output hindi inaasahang mga resulta.

Sa artikulong ito malalaman natin ang higit pa tungkol sa ESR at ESL na ito, kung paano sukatin ang mga ito at kung paano sila makakaapekto sa isang circuit. Katulad nito ang isang Inductor ay magkakaroon din ng ilang mga katangian ng parasitiko na nauugnay dito na tinatawag na DCR na tatalakayin namin sa isa pang artikulo ng ibang oras.

ESR sa mga Capacitor

Ang isang perpektong kapasitor sa serye na may paglaban ay tinatawag na Katumbas na paglaban ng serye ng capacitor. Ang katumbas na paglaban ng serye o ESR sa isang kapasitor ay ang panloob na paglaban na lilitaw sa serye na may kapasidad ng aparato.

Tingnan natin ang mga simbolo sa ibaba , na kumakatawan sa ESR ng capacitor. Ang simbolo ng capacitor ay kumakatawan sa perpektong capacitor at ang risistor bilang isang katumbas na paglaban ng serye. Ang risistor ay konektado sa serye ng capacitor.

Ang isang perpektong kapasitor ay walang pagkawala, nangangahulugang singil ng tindahan ng capacitor at naghahatid ng parehong halaga ng singil bilang output. Ngunit sa totoong mundo, ang mga capacitor ay may isang maliit na halaga ng may wakas na panloob na paglaban. Ang paglaban na ito ay nagmumula sa materyal na dielectric, pagtagas sa isang insulator o sa separator. Dagdag dito, ang Katumbas na paglaban ng serye o ESR ay magkakaroon ng magkakaibang halaga sa iba't ibang uri ng mga capacitor batay sa halaga ng capacitance at konstruksyon nito. Samakatuwid kailangan nating sukatin ang halaga ng ESR na ito nang praktikal upang pag-aralan ang kumpletong mga katangian ng isang kapasitor.

Pagsukat sa ESR sa mga Capacitor

Ang pagsukat sa ESR ng isang kapasitor ay medyo nakakalito dahil ang paglaban ay hindi isang purong paglaban ng DC. Ito ay dahil sa pag-aari ng mga capacitor. Ang mga capacitor ay nag-block sa DC at ipasa ang AC. Samakatuwid, ang karaniwang ohms meter ay hindi maaaring gamitin upang masukat ang ESR. Mayroong mga tiyak na metro ng ESR na magagamit sa merkado na maaaring maging kapaki-pakinabang upang masukat ang ESR ng isang kapasitor. Ang mga metro na ito ay gumagamit ng alternating kasalukuyang, tulad ng square wave sa isang tukoy na dalas sa kabuuan ng capacitor. Batay sa pagbabago ng dalas ng signal ang ESR na halaga ng capacitor ay maaaring makalkula. Ang isang kalamangan sa pamamaraang ito ay, dahil ang ESR ay sinusukat direkta sa dalawang mga terminal ng isang kapasitor maaari itong masukat nang hindi de-solder ito mula sa circuit board.

Ang isa pang teoretikal na paraan upang makalkula ang ESR ng capacitor ay upang sukatin ang Ripple voltage at Ripple kasalukuyang ng capacitor at pagkatapos ang ratio ng pareho ay magbibigay ng halaga ng ESR sa capacitor. Gayunpaman, ang isang mas karaniwang modelo ng pagsukat ng ESR ay upang mag-apply ng alternating kasalukuyang mapagkukunan sa buong kapasitor na may isang karagdagang paglaban. Ang isang crude circuit upang masukat ang ESR ay ipinapakita sa ibaba

Ang Vs ay ang pinagmulan ng sine wave at R1 ang panloob na paglaban. Ang capacitor C ay ang Ideal capacitor samantalang ang R2 ay ang Katumbas na Paglaban ng Serye ng perpektong capacitor C. Ang isang bagay na kailangang tandaan ay na sa modelo ng pagsukat na ESR na ito, ang lead inductance ng capacitor ay hindi pinapansin at hindi ito isinasaalang-alang bilang isang bahagi ng ang circuit.

Ang pagpapaandar ng paglipat ng circuit na ito ay maaaring mailarawan sa formula sa ibaba-

Sa equation sa itaas, ang tampok na mataas na pass ng circuit ay makikita; ang approximation ng transfer function ay maaaring karagdagang masuri bilang -

H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1

Ang approximation sa itaas ay angkop para sa mga operasyon ng mataas na dalas. Sa puntong ito, ang circuit ay nagsisimulang magpalambing at kumilos bilang isang attenuator.

Ang kadahilanan ng pagpapalambing ay maaaring ipahayag bilang -

⍺ = R2 / (R2 + R1)

Ang kadahilanang pagpapalambing at panloob na paglaban ng Rine generator ng sine ay maaaring magamit upang sukatin ang mga capacitor ESR.

R2 = ⍺ x R1

Samakatuwid, ang isang function generator ay maaaring maging kapaki-pakinabang upang makalkula ang ESR ng mga capacitor.

Karaniwan, ang halaga ng ESR ay mula sa ilang milliohms hanggang sa maraming ohm. Ang mga electrolytic at tantalum capacitor ng aluminyo ay may mataas na ESR kumpara sa uri ng kahon o ceramic capacitor. Gayunpaman, ang modernong pagsulong sa teknolohiya ng pagmamanupaktura ng capacitor ay ginagawang posible upang makagawa ng sobrang mababang mga capacitor ng ESR.

Paano nakakaapekto ang ESR sa Pagganap ng Capacitor

Ang halaga ng ESR ng capacitor ay isang mahalagang kadahilanan para sa output ng capacitor. Ang mataas na kapasitor ng ESR ay nagpapalabas ng init sa mataas na kasalukuyang aplikasyon at bumababa ang buhay ng capacitor sa paglaon, na nag-aambag din sa hindi paggana sa mga electronics circuit. Sa mga power supply, kung saan alalahanin ang mataas na kasalukuyang, kinakailangan ang mababang mga capacitor ng ESR para sa mga layunin ng pagsasala.

Hindi lamang sa mga pagpapatakbo na may kaugnayan sa supply ng kuryente ngunit mababa ang halaga ng ESR, mahalaga din para sa high-speed circuit. Sa napakataas na dalas ng operating, karaniwang mula sa daan-daang MHz hanggang sa maraming GHz, ang ESR ng capacitor ay gumaganap ng mahalagang papel sa mga salik ng paghahatid ng kuryente.

ESL sa kapasitor

Parehas tulad ng ESR, ang ESL ay isang kritikal na kadahilanan din para sa mga capacitor. Tulad ng tinalakay dati, sa tunay na sitwasyon ang mga capacitor ay hindi perpekto. Mayroong isang ligaw na paglaban pati na rin ang ligaw na inductance. Isang tipikal na modelo ng ESL ng capacitor na ipinakita sa ibaba. Ang capacitor C ay ang perpektong capacitor at ang inductor L ay ang serye inductance na konektado sa serye na may perpektong capacitor.

Karaniwan, ang ESL ay lubos na maaasahan sa kasalukuyang loop; ang pagtaas sa kasalukuyang loop ay nagdaragdag din ng ESL sa mga capacitor. Ang distansya sa pagitan ng pagwawakas ng lead at circuit connect point (kasama ang mga pad o track) ay naiimpluwensyahan din ang ESL sa mga capacitor dahil ang pagtaas ng distansya ng pagwawakas ay nagdaragdag din ng kasalukuyang loop na nagreresulta sa mataas na Katumbas na inductance ng serye.

Pagsukat ng ESL ng isang kapasitor

Ang pagsukat ng ESL ay maaaring magawa ng madali sa pamamagitan ng pagmamasid sa impedance kumpara sa frequency plot na ibinigay ng datasheet ng gumawa ng capacitor. Ang impedance ng capacitor ay nagbabago kapag ang dalas sa kabuuan ng capacitor ay nabago. Sa panahon ng sitwasyon, kapag sa isang tukoy na dalas ang capacitive reactance at ang inductive reactance ay pantay, ito ay tinawag bilang 'tuhod point'.

Sa puntong ito, ang kapasitor ay sumisilaw. Ang ESR ng capacitor ay nag-aambag upang patagin ang impedance plot hanggang naabot ng capacitor ang lugar na 'tuhod' o sa dalas ng self-resonating. Matapos ang point ng tuhod, ang impedance ng capacitor ay nagsisimulang tumaas dahil sa ESL ng capacitor.

Ang imaheng nasa itaas ay isang Impedance vs Frequency plot ng isang MLCC (Multi layer ceramic capacitor). Tatlong capacitor, 100nF, 1nF X7R class at 1nF ng NP0 class capacitors ay ipinapakita. Ang mga spot na 'tuhod' ay madaling makilala sa ibabang bahagi ng balangkas na hugis V.

Kapag nakilala ang dalas ng tuhod na punto ng tuhod, ang ESL ay maaaring masukat sa pamamagitan ng formula sa ibaba

Dalas = 1 / (2π√ (ESL x C))

Paano nakakaapekto ang ESL sa Capacitor Output

Ang mga capacitor output degrades ng tumaas na ESL, kapareho ng tulad ng ESR. Ang nadagdagang ESL ay nag-aambag sa hindi ginustong daloy ng kasalukuyang at bumubuo ng EMI, na higit na lumilikha ng mga malfunction sa mga application na may mataas na dalas. Sa sistemang nauugnay sa suplay ng kuryente, ang induktansiyang parasitiko ay nag-aambag sa mataas na boltahe ng alon. Ang boltahe ng Ripple ay proporsyonal sa halaga ng ESL ng mga capacitor. Ang malalaking halaga ng ESL ng capacitor ay maaari ring magbuod ng mga ringform ng alon, na ginagawang kakaiba ang circuit.

Praktikal na kahalagahan ng ESR at ESL

Ang imahe sa ibaba ay nagbibigay ng aktwal na modelo ng ESR at ESL sa kapasitor.

Dito, ang Capacitor C ay isang perpektong kapasitor, ang risistor R ay Katumbas ng Paglaban ng Serye at ang inductor L ay ang Katumbas na Inductance ng Serye. Ang pagsasama-sama ng tatlong mga ito ang tunay na capacitor ay ginawa.

Ang ESR at ESL ay hindi gaanong kaaya-ayang mga katangian ng isang kapasitor, na nagsasanhi ng iba't ibang pagbawas ng pagganap sa mga electronic circuit, lalo na sa mataas na dalas at mataas na kasalukuyang mga aplikasyon. Ang mataas na halaga ng ESR ay nag-aambag sa hindi magandang pagganap dahil sa pagkawala ng kuryente na dulot ng ESR; ang pagkawala ng kuryente ay maaaring kalkulahin gamit ang Batas ng kuryente I ² R kung saan ang R ay ang halaga ng ESR. Hindi lamang ito, nagaganap din ang mga ingay at pagbaba ng mataas na boltahe dahil sa mataas na halaga ng ESR alinsunod sa batas ng Ohms. Ang modernong teknolohiya ng pagmamanupaktura ng capacitor ay binabawasan ang halaga ng ESR at ESL ng capacitor. Ang isang malaking pagpapabuti ay makikita sa mga bersyon ngayon ng SMD ng mga multilayer capacitor.

Mas gusto ang mga mas mababang ESR at ESL na halaga na capacitor bilang mga filter ng output sa paglipat ng mga circuit ng supply ng kuryente o disenyo ng SMPS dahil ang dalas ng paglipat ay mataas sa mga kasong ito, karaniwang malapit sa maraming MH _z mula sa daan-daang kHz. Dahil dito ang input capacitor at ang output filter capacitors ay kailangang nasa mababang halaga ng ESR upang ang mga Low-frequency ripples ay walang epekto sa pangkalahatang pagganap ng power supply unit. Ang ESL ng mga capacitor ay kailangan ding maging mababa, upang ang impedance ng capacitor ay hindi nakikipag-ugnay sa dalas ng paglipat ng power supply.

Sa isang mababang suplay ng kuryente sa ingay, kung saan kailangang pigilan ang mga ingay at ang mga yugto ng filter ng output ay dapat na mababa sa mga numero, ang mataas na kalidad na sobrang mababang ESR at mababang mga capacitor ng ESL ay kapaki-pakinabang para sa maayos na output at matatag na paghahatid ng kuryente sa Load. Sa naturang aplikasyon, ang polymer electrolytes ay isang angkop na pagpipilian at karaniwang ginusto kaysa sa Aluminium Electrolytic capacitors.