Esr und esl in Kondensatoren verstehen

Die am häufigsten verwendeten elektronischen Komponenten in einem elektronischen Design sind Widerstände (R), Kondensatoren (C) und Induktivitäten (L). Die meisten von uns kennen die Grundlagen dieser drei passiven Komponenten und deren Verwendung. Theoretisch (unter idealen Bedingungen) kann ein Kondensator als reiner Kondensator mit nur kapazitiven Eigenschaften betrachtet werden. In der Praxis weist ein Kondensator jedoch auch einige Widerstands- und Induktionseigenschaften auf, die wir als parasitären Widerstand oder parasitäre Induktivität bezeichnen. Ja, genau wie bei einem Parasiten befinden sich diese unerwünschten Widerstands- und Induktivitätseigenschaften in einem Kondensator und verhindern, dass er sich wie ein reiner Kondensator verhält.

Daher wird beim Entwurf einer Schaltung in erster Linie die ideale Form der Komponente berücksichtigt, in diesem Fall die Kapazität und dann auch die parasitären Komponenten (Induktivität und Widerstand), die mit dieser in Reihe geschaltet sind. Dieser parasitäre Widerstand wird als äquivalenter Serienwiderstand (ESR) und die parasitäre Induktivität als äquivalente Serieninduktivität (ESL) bezeichnet. Der Wert dieser Induktivität und dieses Widerstands ist sehr gering und kann bei einfachen Konstruktionen vernachlässigt werden. Bei einigen Hochleistungs- oder Hochfrequenzanwendungen kann dieser Wert jedoch sehr wichtig sein und, wenn er nicht berücksichtigt wird, die Effizienz der Komponenten verringern oder unerwartete Ergebnisse liefern.

In diesem Artikel erfahren Sie mehr über diese ESR und ESL, wie sie gemessen werden und wie sie einen Schaltkreis beeinflussen können. Ähnlich wird ein Induktor auch einige parasitäre Eigenschaften haben, die als DCR bezeichnet werden und die wir ein anderes Mal in einem anderen Artikel diskutieren werden.

ESR in Kondensatoren

Ein idealer Kondensator in Reihe mit dem Widerstand wird als äquivalenter Reihenwiderstand des Kondensators bezeichnet. Der äquivalente Serienwiderstand oder ESR in einem Kondensator ist der Innenwiderstand, der in Reihe mit der Kapazität des Geräts erscheint.

Sehen wir uns die folgenden Symbole an, die den ESR des Kondensators darstellen. Das Kondensatorsymbol repräsentiert den idealen Kondensator und den Widerstand als äquivalenten Serienwiderstand. Der Widerstand ist in Reihe mit dem Kondensator geschaltet.

Ein idealer Kondensator ist verlustfrei, dh der Kondensator speichert Ladung und liefert die gleiche Ladungsmenge wie der Ausgang. In der realen Welt haben Kondensatoren jedoch einen geringen Wert für den endlichen Innenwiderstand. Dieser Widerstand kommt vom dielektrischen Material, Leckage in einem Isolator oder im Separator. Hinzu kommt, dass der äquivalente Serienwiderstand oder ESR je nach Kapazitätswert und Aufbau bei verschiedenen Kondensatortypen unterschiedliche Werte aufweist. Daher müssen wir den Wert dieses ESR praktisch messen, um die vollständigen Eigenschaften eines Kondensators zu analysieren.

ESR in Kondensatoren messen

Das Messen des ESR eines Kondensators ist etwas schwierig, da der Widerstand kein reiner Gleichstromwiderstand ist. Dies ist auf die Eigenschaft von Kondensatoren zurückzuführen. Kondensatoren blockieren Gleichstrom und leiten den Wechselstrom weiter. Daher kann kein Standard-Ohmmeter zur Messung des ESR verwendet werden. Es gibt spezielle ESR-Messgeräte auf dem Markt, die zur Messung des ESR eines Kondensators nützlich sein können. Diese Messgeräte verwenden Wechselstrom, z. B. Rechteckwellen mit einer bestimmten Frequenz über dem Kondensator. Basierend auf der Frequenzänderung des Signals kann der ESR-Wert des Kondensators berechnet werden. Ein Vorteil dieser Methode besteht darin, dass der ESR, da er direkt an den beiden Anschlüssen eines Kondensators gemessen wird, gemessen werden kann, ohne ihn von der Leiterplatte zu lösen.

Eine andere theoretische Methode zur Berechnung des ESR des Kondensators besteht darin , die Welligkeitsspannung und den Welligkeitsstrom des Kondensators zu messen. Das Verhältnis von beiden ergibt dann den Wert des ESR im Kondensator. Ein üblicheres ESR-Messmodell besteht jedoch darin, eine Wechselstromquelle mit einem zusätzlichen Widerstand über den Kondensator anzulegen. Eine grobe Schaltung zur Messung des ESR ist unten gezeigt

Das Vs ist die Sinuswellenquelle und R1 ist der Innenwiderstand. Der Kondensator C ist der ideale Kondensator, während der R2 der äquivalente Serienwiderstand des idealen Kondensators C ist. Eine Sache, die beachtet werden muss, ist, dass in diesem ESR-Messmodell die Leitinduktivität des Kondensators ignoriert wird und nicht als Teil von betrachtet wird die Rennbahn.

Die Übertragungsfunktion dieser Schaltung kann in der folgenden Formel dargestellt werden:

In der obigen Gleichung wird das Hochpassmerkmal der Schaltung reflektiert; Die Annäherung der Übertragungsfunktion kann weiter bewertet werden als -

H (s) ≤ R2 / (R2 + R1) ≤ R2 / R1

Die obige Näherung ist für Hochfrequenzoperationen geeignet. Zu diesem Zeitpunkt beginnt die Schaltung zu dämpfen und wirkt als Dämpfer.

Der Dämpfungsfaktor kann ausgedrückt werden als -

⍺ = R2 / (R2 + R1)

Dieser Dämpfungsfaktor und der Innenwiderstand R1 des Sinusgenerators können zur Messung des Kondensators ESR verwendet werden.

R2 = ⍺ x R1

Daher kann ein Funktionsgenerator nützlich sein, um den ESR der Kondensatoren zu berechnen.

Normalerweise reicht der ESR-Wert von einigen Milliohm bis zu mehreren Ohm. Aluminium-Elektrolyt- und Tantalkondensatoren weisen im Vergleich zu Kasten- oder Keramikkondensatoren einen hohen ESR auf. Der moderne Fortschritt in der Kondensatorherstellungstechnologie ermöglicht es jedoch, Kondensatoren mit sehr niedrigem ESR herzustellen.

Wie ESR die Leistung von Kondensatoren beeinflusst

Der ESR-Wert des Kondensators ist ein entscheidender Faktor für die Kondensatorleistung. Ein Kondensator mit hohem ESR leitet Wärme bei Hochstromanwendung ab und die Lebensdauer des Kondensators nimmt schließlich ab, was ebenfalls zur Fehlfunktion in Elektronikschaltungen beiträgt. In Netzteilen, bei denen ein hoher Strom ein Problem darstellt, werden die Kondensatoren mit niedrigem ESR für Filtrationszwecke benötigt.

Nicht nur bei Stromversorgungsvorgängen, sondern auch bei niedrigen ESR-Werten ist dies für die Hochgeschwindigkeitsschaltung von entscheidender Bedeutung. Bei sehr hohen Betriebsfrequenzen, die typischerweise im Bereich von Hunderten von MHz bis zu mehreren GHz liegen, spielt der ESR des Kondensators eine entscheidende Rolle bei den Leistungsabgabefaktoren.

ESL im Kondensator

Wie ESR ist auch ESL ein entscheidender Faktor für Kondensatoren. Wie bereits erwähnt, sind Kondensatoren in der realen Situation nicht ideal. Es gibt einen Streuwiderstand sowie eine Streuinduktivität. Ein typisches ESL-Modell eines Kondensators ( siehe unten). Der Kondensator C ist der ideale Kondensator und der Induktor L ist die Reiheninduktivität, die in Reihe mit dem idealen Kondensator geschaltet ist.

Normalerweise ist ESL in hohem Maße von der Stromschleife abhängig. Eine Erhöhung der Stromschleife erhöht auch die ESL in Kondensatoren. Der Abstand zwischen dem Anschlussabschluss und dem Schaltungsverbindungspunkt (einschließlich Pads oder Spuren) beeinflusst auch die ESL in Kondensatoren, da ein größerer Abschlussabstand auch die Stromschleife erhöht, was zu einer hohen äquivalenten Serieninduktivität führt.

ESL eines Kondensators messen

Die Messung des ESL kann leicht durchgeführt werden, indem das Impedanz-Frequenz-Diagramm beobachtet wird, das im Datenblatt des Kondensatorherstellers angegeben ist. Die Impedanz des Kondensators ändert sich, wenn die Frequenz über dem Kondensator geändert wird. Während der Situation, wenn bei einer bestimmten Frequenz die kapazitive Reaktanz und die induktive Reaktanz gleich sind, wird dies als "Kniepunkt" bezeichnet.

Zu diesem Zeitpunkt schwingt der Kondensator selbst mit. Der ESR des Kondensators trägt dazu bei, das Impedanzdiagramm abzuflachen, bis der Kondensator den "Knie" -Punkt erreicht hat oder bei der selbstresonanten Frequenz. Nach dem Kniepunkt beginnt die Kondensatorimpedanz aufgrund der ESL des Kondensators anzusteigen.

Das obige Bild ist ein Impedanz-Frequenz-Diagramm eines MLCC (Multi Layer Ceramic Condensator). Es sind drei Kondensatoren gezeigt, Kondensatoren der Klasse 100nF, 1nF X7R und 1nF der NP0-Klasse. Die "Knie" -Punkte können leicht über dem unteren Punkt des V-förmigen Diagramms identifiziert werden.

Sobald die Kniepunktfrequenz identifiziert ist, kann der ESL durch die folgende Formel gemessen werden

Frequenz = 1 / (2π√ (ESL x C))

Wie sich ESL auf den Kondensatorausgang auswirkt

Der Kondensatorausgang verschlechtert sich wie bei ESR durch eine erhöhte ESL. Eine erhöhte ESL trägt zum unerwünschten Stromfluss bei und erzeugt EMI, was bei Hochfrequenzanwendungen zu Fehlfunktionen führt. In einem mit der Stromversorgung verbundenen System trägt die parasitäre Induktivität zur hohen Welligkeitsspannung bei. Die Welligkeitsspannung ist proportional zum ESL-Wert der Kondensatoren. Große ESL - Wert von Kondensator kann induzieren auch Wellenformen läuten, die Schaltung macht ungerade zu verhalten.

Praktische Bedeutung von ESR und ESL

Das folgende Bild zeigt das tatsächliche Modell von ESR und ESL im Kondensator.

Hier ist der Kondensator C ein idealer Kondensator, der Widerstand R ist der äquivalente Serienwiderstand und der Induktor L ist die äquivalente Serieninduktivität. Durch die Kombination dieser drei wird der reale Kondensator hergestellt.

ESR und ESL sind nicht so angenehme Eigenschaften eines Kondensators, die eine Vielzahl von Leistungsminderungen in elektronischen Schaltkreisen verursachen, insbesondere in Hochfrequenz- und Hochstromanwendungen. Ein hoher ESR-Wert trägt zur schlechten Leistung aufgrund der durch ESR verursachten Leistungsverluste bei. Der Leistungsverlust kann unter Verwendung des Potenzgesetzes I ² R berechnet werden, wobei R der ESR-Wert ist. Nicht nur das, Rauschen und hoher Spannungsabfall treten auch aufgrund des hohen ESR-Werts gemäß dem Ohmschen Gesetz auf. Moderne Kondensatorherstellungstechnologie reduziert den ESR- und ESL-Wert des Kondensators. Eine enorme Verbesserung ist bei den heutigen SMD-Versionen von Mehrschichtkondensatoren zu beobachten.

Niedrigere ESR und ESL - Wert Kondensatoren werden als Ausgangsfilter bevorzugen in Schaltleistungsversorgungsschaltungen oder SMPS - Design, da die Schaltfrequenz in diesen Fällen hoch ist, typischerweise in der Nähe zu mehrer MH _z von Hunderten von kHz reichen. Aus diesem Grund müssen der Eingangskondensator und die Ausgangsfilterkondensatoren einen niedrigen ESR-Wert aufweisen, damit die Niederfrequenzwelligkeiten keine Auswirkungen auf die Gesamtleistung des Netzteils haben. Die ESL der Kondensatoren muss ebenfalls niedrig sein, damit die Impedanz des Kondensators nicht mit der Schaltfrequenz der Stromversorgung interagiert.

In einer rauscharmen Stromversorgung, in der die Geräusche unterdrückt werden müssen und die Anzahl der Ausgangsfilterstufen gering sein sollte, sind hochwertige Kondensatoren mit super niedrigem ESR und niedrigem ESL für eine reibungslose Ausgabe und eine stabile Stromversorgung der Last nützlich. In einer solchen Anwendung sind Polymerelektrolyte eine geeignete Wahl und werden üblicherweise gegenüber Aluminium-Elektrolytkondensatoren bevorzugt.