Motsvarande seriemotstånd - Equivalent series resistance

Praktiska kondensatorer och induktorer som används i elektriska kretsar är inte idealiska komponenter med endast kapacitans eller induktans . De kan dock behandlas, i mycket god grad av approximation, som idealiska kondensatorer och induktorer i serie med motstånd ; detta motstånd definieras som ekvivalent seriemotstånd ( ESR ). Om inte annat anges är ESR alltid ett växelströmsmotstånd , vilket betyder att det mäts vid angivna frekvenser, 100 kHz för strömförsörjningskomponenter i omkopplat läge, 120 Hz för linjära strömförsörjningskomponenter och vid dess självresonansfrekvens för allmänt -applikationskomponenter. Dessutom kan ljudkomponenter rapportera en " Q-faktor ", inklusive ESR bland annat vid 1000 Hz.

Översikt

Elektrisk kretsteori handlar om idealiska motstånd , kondensatorer och induktorer , var och en antas endast bidra med motstånd, kapacitans eller induktans till kretsen . Alla komponenter har dock ett värde som inte är noll för var och en av dessa parametrar. I synnerhet är alla fysiska anordningar konstruerade av material med ändligt elektriskt motstånd , så att fysikaliska komponenter har viss resistans utöver sina andra egenskaper. ESR: s fysiska ursprung beror på enheten i fråga. Ett sätt att hantera dessa inneboende motstånd i kretsanalys är att använda en klumpig elementmodell för att uttrycka varje fysisk komponent som en kombination av en idealisk komponent och ett litet motstånd i serie, ESR. ESR kan mätas och inkluderas i en komponents datablad . Till viss del kan den beräknas utifrån enhetsegenskaperna.

Q-faktor , som är relaterad till ESR och ibland är en bekvämare parameter än ESR att använda vid beräkningar av högfrekventa icke-ideala prestanda för riktiga induktorer, citeras i induktansdatablad.

Kondensatorer, induktorer och motstånd är vanligtvis utformade för att minimera andra parametrar. I många fall kan detta göras i tillräcklig utsträckning att t.ex. parasitisk kapacitans och induktans hos ett motstånd är så liten att den inte påverkar kretsdriften. Men under vissa omständigheter blir parasiter viktiga och till och med dominerande.

Komponentmodeller

Rena kondensatorer och induktorer sprider inte energi; varje komponent som släpper ut energi måste behandlas i en likvärdig kretsmodell som innehåller ett eller flera motstånd. Verkliga passiva tvåterminalkomponenter kan representeras av något nätverk av klumpade och distribuerade ideala induktorer, kondensatorer och motstånd, i den meningen att den verkliga komponenten beter sig som nätverket. Några av komponenterna i motsvarande krets kan variera beroende på förhållanden, t.ex. frekvens och temperatur.

Om den drivs av en periodisk sinusvåg ( växelström ) kommer komponenten att kännetecknas av sin komplexa impedans Z (ω) = R + j   X (ω); impedansen kan innefatta flera mindre motstånd, induktanser och kapacitanser utöver huvudegenskapen. Dessa små avvikelser från enhetens ideala beteende kan bli betydande under vissa förhållanden, vanligtvis hög frekvens, där reaktansen för små kapacitanser och induktanser kan bli ett betydande element i kretsdriften. Modeller av mindre eller större komplexitet kan användas, beroende på den noggrannhet som krävs. För många ändamål är en enkel modell med en induktans eller kapacitans i serie med en ESR tillräckligt bra.

Dessa modeller, hur enkla eller komplexa som helst, kan sättas in i en krets för att beräkna prestanda. Dator verktyg finns tillgängliga för komplexa kretsar; till exempel SPICE- programmet och dess varianter.

Induktorer

En induktor består av en ledande isolerad trådspole som vanligtvis lindas runt en ferromagnetisk kärna. Induktorer har resistans i metallledaren, citerad som DCR i datablad . Detta metalliska motstånd är litet för små induktansvärden (vanligtvis under 1 Ω ). DC-trådmotståndet är en viktig parameter i transformatorns och den allmänna induktorns design eftersom det bidrar till impedansen hos komponenten, och strömmen som strömmar genom det motståndet försvinner som spillvärme och energi går förlorad från kretsen. Det kan modelleras som ett motstånd i serie med induktorn, vilket ofta leder till att DC-motståndet kallas ESR. Även om detta inte är exakt korrekt användning, ignoreras de oviktiga elementen i ESR ofta i kretsdiskussioner, eftersom det är sällsynt att alla delar av ESR är viktiga för en viss applikation.  

En induktor som använder en kärna för att öka induktansen kommer att ha förluster som hysteres och virvelström i kärnan. Vid höga frekvenser finns också förluster i lindningarna på grund av närhet och hudeffekter . Dessa är förutom trådmotstånd och leder till en högre ESR.

Kondensatorer

I en icke-elektrolytisk kondensator och elektrolytkondensatorer med fast elektrolyt orsakar metallmotståndet hos ledningarna och elektroderna och förluster i dielektriket ESR. Normalt citerade värden för ESR för keramiska kondensatorer är mellan 0,01 och 0,1 ohm. ESR för icke-elektrolytiska kondensatorer tenderar att vara ganska stabil över tiden; för de flesta ändamål kan riktiga icke-elektrolytiska kondensatorer behandlas som ideala komponenter.

Aluminium och tantal elektrolytkondensatorer med icke fast elektrolyt har mycket högre ESR värden, upp till flera ohm; elektrolytik med högre kapacitans har lägre ESR. ESR minskar med frekvensen upp till kondensatorns självresonansfrekvens. Ett mycket allvarligt problem, särskilt med elektrolytik i aluminium, är att ESR ökar med tiden vid användning. ESR kan öka tillräckligt för att orsaka kretsfel och till och med komponentskada, även om den uppmätta kapacitansen kan ligga inom toleransen . Även om detta händer med normal åldrande, förvärrar höga temperaturer och stor krusningsström problemet. I en krets med betydande krusningsström kommer en ökning av ESR att öka värmeackumuleringen, vilket påskyndar åldrandet.

Elektrolytkondensatorer som är klassade för hög temperatur och av högre kvalitet än grundläggande delar av konsumentkvalitet är mindre känsliga för att bli för tidigt oanvändbara på grund av ESR-ökning. En billig elektrolytkondensator kan klassas under en livslängd på mindre än 1000 timmar vid 85 ° C. (Ett år är 8760 timmar.) Högkvalitativa delar klassificeras vanligtvis till några tusen timmar vid maximal nominell temperatur, vilket framgår av tillverkarens datablad. Om ESR är kritisk kan specifikation av en del med högre temperaturbetyg, "låg ESR" eller större kapacitans än vad som annars krävs vara fördelaktig. Det finns ingen standard för "låg ESR" -kondensatorbedömning.

Polymerkondensatorer har vanligtvis lägre ESR än våtelektrolytiskt med samma värde och stabila under varierande temperatur. Därför kan polymerkondensatorer hantera högre krusningsström. Från och med 2007 blev det vanligt att moderkort av bättre kvalitet endast använde polymerkondensatorer där våta elektrolytiska material hade använts tidigare.

ESR för kondensatorer som är större än cirka 1 μF mäts enkelt i krets med en ESR-mätare .

Typiska värden för ESR för kondensatorer
Typ 22   uF 100   uF 470   uF
Standard aluminium 7–30   Ω 2–7   Ω 0,13–1,5   Ω
Låg ESR-aluminium 1–5   Ω 0,3-1,6   Ω
Massiv aluminium 0,2–0,5   Ω
Sanyo OS-CON 0,04–0,07   Ω 0,03–0,06   Ω
Standard fast tantal 1,1–2,5   Ω 0,9-1,5   Ω
Låg ESR-tantal 0,2–1   Ω 0,08–0,4   Ω
Våtfolie tantal 2,5–3,5   Ω 1,8–3,9   Ω
Stapelfilmfilm <0,015   Ω
Keramisk <0,015   Ω

Se även

Referenser

externa länkar