Comprendere esr ed esl nei condensatori

I componenti elettronici più utilizzati in qualsiasi progetto elettronico sono i resistori (R), i condensatori (C) e gli induttori (L). La maggior parte di noi ha familiarità con le basi di questi tre componenti passivi e come usarli. Teoricamente (in condizioni ideali) un condensatore può essere considerato come un condensatore puro con solo proprietà capacitive, ma in pratica un condensatore avrà anche alcune proprietà resistive e induttive accoppiate con esso, che chiamiamo resistenza parassita o induttanza parassita. Sì, proprio come un parassita, queste proprietà di resistenza e induttanza indesiderate si trovano all'interno di un condensatore impedendogli di comportarsi come un condensatore puro.

Quindi durante la progettazione di un circuito gli ingegneri considerano principalmente la forma ideale del componente, in questo caso la capacità e quindi insieme ad essa anche i componenti parassiti (induttanza e resistenza) sono considerati in serie con esso. Questa resistenza parassita è definita come la resistenza in serie equivalente (ESR) e l'induttanza parassita è definita come induttanza in serie equivalente (ESL) Il valore di questa induttanza e resistenza sarà molto piccolo, che può essere trascurato in progetti semplici. Ma in alcune applicazioni ad alta potenza o alta frequenza questi valori possono essere molto cruciali e, se non considerati, potrebbero ridurre l'efficienza dei componenti o produrre risultati inaspettati.

In questo articolo impareremo di più su questo ESR e ESL, come misurarli e come possono influenzare un circuito. Simile a questo un induttore avrà anche alcune proprietà parassite ad esso associate chiamate DCR che discuteremo in un altro articolo un'altra volta.

ESR nei condensatori

Un condensatore ideale in serie con resistenza è chiamato resistenza in serie equivalente del condensatore. La resistenza in serie equivalente o ESR in un condensatore è la resistenza interna che appare in serie con la capacità del dispositivo.

Vediamo i simboli seguenti , che rappresentano l'ESR del condensatore. Il simbolo del condensatore rappresenta il condensatore ideale e il resistore come una resistenza in serie equivalente. Il resistore è collegato in serie al condensatore.

Un condensatore ideale è senza perdite, il che significa che il condensatore immagazzina la carica e fornisce la stessa quantità di carica dell'uscita. Ma nel mondo reale, i condensatori hanno un piccolo valore di resistenza interna finita. Questa resistenza proviene dal materiale dielettrico, perdite in un isolante o nel separatore. In aggiunta a ciò, la resistenza in serie equivalente o ESR avrà valori diversi in diversi tipi di condensatori in base al valore di capacità e alla struttura. Quindi dobbiamo misurare il valore di questo ESR praticamente per analizzare le caratteristiche complete di un condensatore.

Misurazione dell'ESR nei condensatori

Misurare l'ESR di un condensatore è un po 'complicato perché la resistenza non è una pura resistenza CC. Ciò è dovuto alla proprietà dei condensatori. I condensatori bloccano la CC e passano la CA. Pertanto, il misuratore di ohm standard non può essere utilizzato per misurare l'ESR. Esistono misuratori ESR specifici disponibili sul mercato che possono essere utili per misurare l'ESR di un condensatore. Questi misuratori utilizzano corrente alternata, come un'onda quadra in una frequenza specifica attraverso il condensatore. In base alla variazione di frequenza del segnale è possibile calcolare il valore ESR del condensatore. Un vantaggio di questo metodo è che, poiché l'ESR viene misurato direttamente sui due terminali di un condensatore, può essere misurato senza dissaldarlo dalla scheda del circuito.

Un altro modo teorico per calcolare l'ESR del condensatore è misurare la tensione di ondulazione e la corrente di ondulazione del condensatore e quindi il rapporto di entrambi darà il valore di ESR nel condensatore. Tuttavia, un modello di misurazione ESR più comune consiste nell'applicare una sorgente di corrente alternata attraverso il condensatore con una resistenza aggiuntiva. Di seguito è mostrato un circuito grezzo per misurare l'ESR

Vs è la sorgente dell'onda sinusoidale e R1 è la resistenza interna. Il condensatore C è il condensatore ideale mentre R2 è la resistenza in serie equivalente del condensatore ideale C. Una cosa deve essere ricordata è che in questo modello di misurazione ESR, l'induttanza del conduttore del condensatore viene ignorata e non è considerata come parte di il circuito.

La funzione di trasferimento di questo circuito può essere rappresentata nella formula seguente:

Nell'equazione precedente, si riflette la caratteristica passa-alto del circuito; l'approssimazione della funzione di trasferimento può essere ulteriormente valutata come:

H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1

L'approssimazione di cui sopra è adatta per operazioni ad alta frequenza. A questo punto, il circuito inizia ad attenuarsi e ad agire come un attenuatore.

Il fattore di attenuazione può essere espresso come -

⍺ = R2 / (R2 + R1)

Questo fattore di attenuazione e la resistenza interna R1 del generatore di onde sinusoidali possono essere utilizzati per misurare l'ESR dei condensatori.

R2 = ⍺ x R1

Pertanto, un generatore di funzioni può essere utile per calcolare l'ESR dei condensatori.

Normalmente, il valore ESR varia da pochi milliohm a diversi ohm. I condensatori elettrolitici e al tantalio in alluminio hanno un ESR elevato rispetto al tipo a scatola o ai condensatori ceramici. Tuttavia, il progresso moderno nella tecnologia di produzione dei condensatori rende possibile la produzione di condensatori ESR super bassi.

Come l'ESR influisce sulle prestazioni del condensatore

Il valore ESR del condensatore è un fattore cruciale per l'uscita del condensatore. Il condensatore ad alta ESR dissipa il calore in applicazioni ad alta corrente e la durata del condensatore diminuisce alla fine, il che contribuisce anche al malfunzionamento nei circuiti elettronici. Negli alimentatori, dove l'alta corrente è un problema, i condensatori a bassa ESR sono necessari per scopi di filtrazione.

Non solo nelle operazioni relative all'alimentazione, ma anche un basso valore ESR è essenziale per il circuito ad alta velocità. In frequenze operative molto elevate, tipicamente comprese tra centinaia di MHz e diversi GHz, l'ESR del condensatore gioca un ruolo vitale nei fattori di erogazione di potenza.

ESL nel condensatore

Come l'ESR, anche l'ESL è un fattore cruciale per i condensatori. Come discusso prima, nella situazione reale i condensatori non sono ideali. C'è una resistenza vagante così come un'induttanza parassita. Un tipico modello di condensatore ESL mostrato di seguito. Il condensatore C è il condensatore ideale e l'induttore L è l'induttanza in serie collegata in serie con il condensatore ideale.

Normalmente, ESL è altamente affidabile sul loop di corrente; l'aumento del loop di corrente aumenta anche l'ESL nei condensatori. La distanza tra la terminazione dell'elettrocatetere e il punto di connessione del circuito (inclusi i pad o le tracce) influenza anche l'ESL nei condensatori poiché una maggiore distanza di terminazione aumenta anche il loop di corrente con conseguente elevata induttanza in serie equivalente.

Misurazione ESL di un condensatore

La misurazione di ESL può essere eseguita facilmente osservando il grafico dell'impedenza rispetto alla frequenza fornito dalla scheda tecnica del produttore del condensatore. L'impedenza del condensatore cambia quando la frequenza attraverso il condensatore viene modificata. Durante la situazione, quando a una frequenza specifica la reattanza capacitiva e la reattanza induttiva sono uguali, viene chiamato "punto del ginocchio".

A questo punto, il condensatore risuona automaticamente. L'ESR del condensatore contribuisce ad appiattire il diagramma dell'impedenza fino a quando il condensatore ha raggiunto il punto "ginocchio" o alla frequenza di auto-risonanza. Dopo il punto di ginocchio, l'impedenza del condensatore inizia ad aumentare a causa dell'ESL del condensatore.

L'immagine sopra è un grafico Impedenza vs Frequenza di un MLCC (condensatore ceramico multistrato). Sono mostrati tre condensatori, 100nF, 1nF di classe X7R e 1nF di condensatori di classe NP0. I punti del "ginocchio" possono essere facilmente identificati nel punto inferiore del diagramma a forma di V.

Una volta identificata la frequenza del punto del ginocchio, l'ESL può essere misurato con la formula seguente

Frequenza = 1 / (2π√ (ESL x C))

In che modo ESL influisce sull'uscita del condensatore

L'uscita dei condensatori si degrada all'aumentare dell'ESL, come l'ESR. Una maggiore ESL contribuisce al flusso indesiderato di corrente e genera EMI, che crea ulteriori malfunzionamenti nelle applicazioni ad alta frequenza. Nel sistema relativo all'alimentazione, l'induttanza parassita contribuisce all'elevata tensione di ondulazione. La tensione di ondulazione è proporzionale al valore ESL dei condensatori. Un elevato valore ESL del condensatore può anche indurre forme d'onda che squillano, rendendo il circuito strano.

Importanza pratica di ESR e ESL

L'immagine sotto fornisce il modello effettivo di ESR ed ESL nel condensatore.

Qui, il condensatore C è un condensatore ideale, il resistore R è la resistenza in serie equivalente e l'induttore L è l'induttanza in serie equivalente. Combinando questi tre si ottiene il vero condensatore.

ESR ed ESL non sono caratteristiche così piacevoli di un condensatore, che causano una varietà di riduzioni delle prestazioni nei circuiti elettronici, specialmente nelle applicazioni ad alta frequenza e alta corrente. L'elevato valore ESR contribuisce alle scarse prestazioni dovute alle perdite di potenza causate dall'ESR; la potenza dissipata può essere calcolata utilizzando la legge di potenza I ² R dove R è il valore ESR. Non solo, si verificano anche rumori e cadute di tensione a causa dell'elevato valore ESR secondo la legge di Ohm. La moderna tecnologia di produzione di condensatori riduce il valore ESR e ESL del condensatore. Un enorme miglioramento può essere visto nelle odierne versioni SMD dei condensatori multistrato.

I condensatori con valore ESR e ESL inferiore sono preferiti come filtri di uscita nei circuiti di alimentazione a commutazione o nei progetti SMPS perché la frequenza di commutazione è elevata in questi casi, tipicamente vicina a diversi MH _z compresi tra centinaia di kHz. Per questo motivo, il condensatore di ingresso e i condensatori del filtro di uscita devono avere un valore ESR basso in modo che le ondulazioni a bassa frequenza non abbiano effetti sulle prestazioni complessive dell'alimentatore. Anche l'ESL dei condensatori deve essere basso, in modo che l'impedenza del condensatore non interagisca con la frequenza di commutazione dell'alimentatore.

In un alimentatore a basso rumore, in cui i rumori devono essere soppressi e gli stadi del filtro di uscita devono essere di numero ridotto, i condensatori ESR e ESL bassi di alta qualità sono utili per un'uscita regolare e un'erogazione di potenza stabile al carico. In tale applicazione, gli elettroliti polimerici sono una scelta adatta e comunemente preferiti rispetto ai condensatori elettrolitici in alluminio.