- Kapasitörlerde ESR
- Kapasitörlerde ESR Ölçümü
- ESR, Kapasitörün Performansını nasıl etkiler?
- Kapasitörde ESL
- Bir kapasitörün ESL'sinin ölçülmesi
- ESL, Kapasitör Çıkışını nasıl etkiler?
- ESR ve ESL'nin pratik önemi
Herhangi bir elektronik tasarımda en çok kullanılan elektronik bileşenler Dirençler (R), Kapasitörler (C) ve İndüktörler (L) 'dir. Çoğumuz bu üç pasif bileşenin temellerine ve bunların nasıl kullanılacağına aşinayız. Teorik olarak (ideal koşullar altında) bir kapasitör, yalnızca kapasitif özelliklere sahip saf bir kapasitör olarak düşünülebilir, ancak pratikte bir kapasitör, parazitik direnç veya parazitik endüktans olarak adlandırdığımız bazı dirençli ve endüktif özelliklere de sahip olacaktır. Evet, tıpkı bir parazit gibi, bu istenmeyen direnç ve endüktans özellikleri, bir kapasitörün içinde yer alır ve onun saf bir kapasitör gibi davranmasını engeller.
Bu nedenle, bir devre mühendisleri tasarlarken öncelikle bileşenin ideal şeklini göz önünde bulundurur, bu durumda kapasitans ve bununla birlikte parazitik bileşenlerin (Endüktans ve direnç) de onunla seri olduğu kabul edilir. Bu parazitik direnç, Eşdeğer Seri Direnç (ESR) olarak adlandırılır ve parazitik endüktans, Eşdeğer seri Endüktans (ESL) olarak adlandırılır Bu endüktans ve direncin değeri, basit tasarımlarda ihmal edilebilecek kadar çok küçük olacaktır. Ancak bazı yüksek güç veya yüksek frekans uygulamalarında bu değer çok önemli olabilir ve dikkate alınmazsa bileşen verimliliğini azaltabilir veya beklenmedik sonuçlar verebilir.
Bu yazıda, bu ESR ve ESL hakkında, bunların nasıl ölçüleceği ve bir devreyi nasıl etkileyebilecekleri hakkında daha fazla bilgi edineceğiz. Buna benzer şekilde, bir İndüktör, başka bir makalede başka bir makalede tartışacağımız DCR adı verilen bazı parazitik özelliklere sahip olacaktır.
Kapasitörlerde ESR
Dirençli seri olarak ideal bir kapasitör, kapasitörün Eşdeğer seri direnci olarak adlandırılır. Bir kapasitördeki eşdeğer seri direnç veya ESR, cihazın kapasitansı ile seri olarak ortaya çıkan iç dirençtir.
Kondansatörün ESR'sini temsil eden aşağıdaki sembolleri görelim. Kapasitör sembolü, eşdeğer seri direnç olarak ideal kapasitör ve direnci temsil eder. Direnç, kapasitör ile seri olarak bağlanır.
Bir yere kondansatör kayıpsız kondansatör deposu yükü yani, ve çıkış olarak şarj aynı miktarda sunar. Ancak gerçek dünyada, kapasitörler küçük bir sonlu iç direnç değerine sahiptir. Bu direnç, dielektrik malzemeden, bir izolatördeki veya ayırıcıdaki sızıntıdan kaynaklanır. Buna ek olarak, Eşdeğer seri direnç veya ESR, kapasitans değeri ve yapısına bağlı olarak farklı kapasitör tiplerinde farklı değerlere sahip olacaktır. Bu nedenle, bir kapasitörün tüm özelliklerini analiz etmek için bu ESR'nin değerini pratik olarak ölçmeliyiz.
Kapasitörlerde ESR Ölçümü
Bir kapasitörün ESR'sini ölçmek biraz zordur çünkü direnç saf bir DC direnci değildir. Bu, kapasitörlerin özelliğinden kaynaklanmaktadır. Kapasitörler DC'yi bloke eder ve AC'yi geçer. Bu nedenle, ESR'yi ölçmek için standart ohm ölçer kullanılamaz. Piyasada mevcut olan ve bir kapasitörün ESR'sini ölçmek için yararlı olabilecek belirli ESR sayaçları vardır. Bu sayaçlar, kapasitör boyunca belirli bir frekansta kare dalga gibi Alternatif akım kullanır. Sinyalin frekansındaki değişime bağlı olarak kapasitörün ESR değeri hesaplanabilir. Bu yöntemin bir avantajı, ESR'nin doğrudan bir kapasitörün iki terminali boyunca ölçülmesinden dolayı, devre kartından lehimlenmeden ölçülebilmesidir.
Kapasitörün ESR'sini hesaplamanın bir başka teorik yolu, kapasitörün Ripple voltajını ve Ripple akımını ölçmektir ve ardından her ikisinin oranı, kapasitördeki ESR değerini verecektir. Bununla birlikte, daha yaygın bir ESR ölçüm modeli, alternatif akım kaynağını kapasitör boyunca ek bir dirençle uygulamaktır. ESR'yi ölçmek için ham bir devre aşağıda gösterilmiştir
Vs sinüs dalgası kaynağıdır ve R1 iç dirençtir. Kondansatör C ideal kondansatör iken R2, ideal kondansatör C'nin Eşdeğer Seri Direncidir. Hatırlanması gereken bir şey, bu ESR ölçüm modelinde kondansatörün kurşun endüktansının göz ardı edilmesi ve bunun bir parçası olarak düşünülmemesidir. devre.
Transfer fonksiyonu, bu devrenin formülüne sahip aşağıdaki tasvir edilebilir
Yukarıdaki denklemde devrenin yüksek geçiş özelliği yansıtılmıştır; transfer fonksiyonunun yaklaşımı ayrıca şu şekilde değerlendirilebilir:
H (k) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1
Yukarıdaki yaklaşım, yüksek frekanslı işlemler için uygundur. Bu noktada devre zayıflamaya ve zayıflatıcı görevi görmeye başlar.
Zayıflatma faktörü şu şekilde ifade edilebilir:
⍺ = R2 / (R2 + R1)
Bu zayıflatma faktörü ve sinüs dalgası üretecinin dahili direnci R1, ESR kapasitörlerini ölçmek için kullanılabilir.
R2 = ⍺ x R1
Bu nedenle, kapasitörlerin ESR'sini hesaplamak için bir fonksiyon üreteci faydalı olabilir.
Normalde, ESR değeri birkaç miliohm ile birkaç ohm arasında değişir. Alüminyum elektrolitik ve tantal kapasitörler, kutu tipi veya seramik kapasitörlere kıyasla yüksek ESR'ye sahiptir. Bununla birlikte, kapasitör üretim teknolojisindeki modern gelişme, süper düşük ESR kapasitörlerinin üretilmesini mümkün kılmaktadır.
ESR, Kapasitörün Performansını nasıl etkiler?
Kapasitörün ESR değeri, kapasitör çıkışı için çok önemli bir faktördür. Yüksek ESR kapasitör, yüksek akım uygulamasında ısıyı dağıtır ve sonunda kapasitör ömrü azalır, bu da elektronik devrelerdeki arızaya katkıda bulunur. Yüksek akımın önemli olduğu güç kaynaklarında, filtreleme amacıyla düşük ESR kapasitörleri gereklidir.
Sadece güç kaynağı ile ilgili işlemlerde değil, aynı zamanda düşük ESR değeri de yüksek hızlı devre için gereklidir. Tipik olarak yüzlerce MHz ila birkaç GHz arasında değişen çok yüksek çalışma frekanslarında, kapasitörün ESR'si güç dağıtım faktörlerinde hayati bir rol oynar.
Kapasitörde ESL
ESR gibi ESL de kapasitörler için çok önemli bir faktördür. Daha önce tartışıldığı gibi, gerçek durumda kapasitörler ideal değildir. Başıboş bir direnç ve başıboş endüktans vardır. Aşağıda gösterilen tipik bir ESL modeli kapasitör. Kondansatör C ideal kondansatördür ve indüktör L, ideal kondansatör ile seri olarak bağlanan seri endüktandır.
Normalde ESL, akım döngüsüne büyük ölçüde güvenir; akım döngüsündeki artış aynı zamanda kapasitörlerdeki ESL'yi de artırır. Uç sonlandırma ve devre bağlantı noktası (pedler veya yollar dahil) arasındaki mesafe, kapasitörlerdeki ESL'yi de etkiler çünkü artan sonlandırma mesafesi aynı zamanda yüksek Eşdeğer seri endüktansa neden olan akım döngüsünü de artırır.
Bir kapasitörün ESL'sinin ölçülmesi
ESL ölçümü, kapasitör üreticisinin veri sayfası tarafından verilen empedans-frekans grafiğini gözlemleyerek kolayca yapılabilir. Kapasitördeki frekans değiştirildiğinde kapasitörün empedansı değişir. Durum sırasında, belirli bir frekansta kapasitif reaktans ve endüktif reaktans eşit olduğunda buna 'diz noktası' denir.
Bu noktada, kapasitör kendini rezonansa sokar. Kapasitörün ESR'si, kapasitör 'diz' noktasına veya kendi kendine rezonans frekansına ulaşana kadar empedans grafiğini düzleştirmeye katkıda bulunur. Diz noktasından sonra, kapasitörün ESL'si nedeniyle kapasitör empedansı artmaya başlar.
Yukarıdaki görüntü, bir MLCC'nin (Çok katmanlı seramik kapasitör) bir Empedans-Frekans grafiğidir. Üç kapasitör, 100nF, 1nF X7R sınıfı ve 1nF NP0 sınıfı kapasitör gösterilmiştir. 'Diz' noktaları, V şeklindeki grafiğin alt noktası boyunca kolayca belirlenebilir.
Diz noktası frekansı belirlendikten sonra, ESL aşağıdaki formülle ölçülebilir
Frekans = 1 / (2π√ (ESL x C))
ESL, Kapasitör Çıkışını nasıl etkiler?
Kapasitör çıkışı, ESR'de olduğu gibi artan ESL ile azalır. Artan ESL , istenmeyen akım akışına katkıda bulunur ve yüksek frekanslı uygulamalarda daha fazla arıza oluşturan EMI oluşturur. Güç kaynağı ile ilgili sistemde, parazitik endüktans, yüksek dalgalanma voltajına katkıda bulunur. Dalgalanma gerilimi, kondansatörlerin ESL değeri ile orantılıdır. Kapasitörün büyük ESL değeri, devrenin garip davranmasına neden olan zil dalga biçimlerini de indükleyebilir.
ESR ve ESL'nin pratik önemi
Aşağıdaki görüntü, kapasitördeki gerçek ESR ve ESL modelini sağlar.
Burada, Kondansatör C ideal bir kapasitördür, direnç R, Eşdeğer Seri Dirençtir ve indüktör L, Eşdeğer Seri Endüktans'dır. Bu üçü birleştirerek gerçek kapasitör yapılır.
ESR ve ESL, elektronik devrelerde, özellikle yüksek frekans ve yüksek akım uygulamalarında çeşitli performans düşüşlerine neden olan bir kapasitörün o kadar hoş özellikleri değildir. Yüksek ESR değeri, ESR'nin neden olduğu güç kayıpları nedeniyle düşük performansa katkıda bulunur; güç kaybı, Güç yasası I 2 R kullanılarak hesaplanabilir, burada R, ESR değeridir. Sadece bu değil, Ohm yasasına göre yüksek ESR değeri nedeniyle sesler ve yüksek voltaj düşüşü de meydana gelir. Modern kapasitör üretim teknolojisi, kapasitörün ESR ve ESL değerini düşürür. Günümüzün çok katmanlı kapasitörlerin SMD versiyonlarında büyük bir gelişme görülebilir.
Alt ESR ve ESL değeri kapasitörler sviçlemeli güç kaynağı devrelerinde çıkış filtreleri olarak tercih edilir ya da sviçleme frekansı genellikle yakın birkaç MH için, bu gibi durumlarda, yüksek olduğu için SMPS tasarımları z yüzlerce kHz arasında değişen. Bu nedenle, giriş kapasitörünün ve çıkış filtre kapasitörlerinin düşük ESR değerinde olması gerekir, böylece Düşük frekanslı dalgalanmalar güç kaynağı ünitesinin genel performansı üzerinde hiçbir etkiye sahip olmaz. Kapasitörlerin ESL'sinin de düşük olması gerekir, böylece kapasitörün empedansı güç kaynağı anahtarlama frekansı ile etkileşime girmez.
Gürültülerin bastırılması gereken ve çıkış filtresi aşamalarının sayı olarak düşük olması gereken düşük gürültülü bir güç kaynağında, yüksek kaliteli süper düşük ESR ve düşük ESL kapasitörler, düzgün çıkış ve Yüke kararlı güç iletimi için kullanışlıdır. Böyle bir uygulamada, polimer elektrolitler uygun bir seçimdir ve genellikle Alüminyum Elektrolitik kapasitörlere göre tercih edilir.