- ESR ในตัวเก็บประจุ
- การวัด ESR ในตัวเก็บประจุ
- ESR มีผลต่อประสิทธิภาพของ Capacitor อย่างไร
- ESL ในตัวเก็บประจุ
- การวัด ESL ของตัวเก็บประจุ
- ESL มีผลต่อ Capacitor Output อย่างไร
- ความสำคัญในทางปฏิบัติของ ESR และ ESL
ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้มากที่สุดในการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ ได้แก่ ตัวต้านทาน (R) ตัวเก็บประจุ (C) และตัวเหนี่ยวนำ (L) พวกเราส่วนใหญ่คุ้นเคยกับพื้นฐานของส่วนประกอบแฝงทั้งสามนี้และวิธีการใช้งาน ในทางทฤษฎี (ภายใต้สภาวะที่เหมาะ) ตัวเก็บประจุถือได้ว่าเป็นตัวเก็บประจุบริสุทธิ์ที่มีคุณสมบัติเป็นตัวเก็บประจุเพียงอย่างเดียว แต่ในทางปฏิบัติตัวเก็บประจุจะมีคุณสมบัติต้านทานและอุปนัยบางอย่างควบคู่ไปด้วยซึ่งเราเรียกว่าความต้านทานของกาฝากหรือการเหนี่ยวนำของปรสิต ใช่เช่นเดียวกับปรสิตคุณสมบัติความต้านทานและความเหนี่ยวนำที่ไม่ต้องการนี้จะอยู่ภายในตัวเก็บประจุเพื่อป้องกันไม่ให้ทำงานเหมือนตัวเก็บประจุบริสุทธิ์
ดังนั้นในขณะที่ออกแบบวิศวกรวงจรจึงพิจารณารูปแบบของส่วนประกอบในอุดมคติเป็นหลักในกรณีนี้ความจุและส่วนประกอบกาฝาก (ความเหนี่ยวนำและความต้านทาน) ก็ถือว่าอยู่ในอนุกรมด้วยเช่นกัน ความต้านทานต่อปรสิตนี้เรียกว่าEquivalent Series Resistance (ESR)และการเหนี่ยวนำของปรสิตเรียกว่าEquivalent series Inductance (ESL)ค่าของการเหนี่ยวนำและความต้านทานนี้จะน้อยมากซึ่งสามารถละเลยได้ในการออกแบบที่เรียบง่าย แต่ในการใช้พลังงานสูงหรือความถี่สูงค่าเหล่านี้มีความสำคัญมากและหากไม่พิจารณาอาจลดประสิทธิภาพของส่วนประกอบหรือผลลัพธ์ที่ไม่คาดคิด
ในบทความนี้เราจะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้ESR และสอนภาษาอังกฤษ, วิธีการวัดพวกเขาและวิธีที่พวกเขาสามารถส่งผลกระทบต่อวงจร ในทำนองเดียวกันตัวเหนี่ยวนำจะมีคุณสมบัติของปรสิตบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับมันที่เรียกว่าDCRซึ่งเราจะพูดถึงในบทความอื่นในเวลาอื่น
ESR ในตัวเก็บประจุ
ตัวเก็บประจุในอุดมคติในอนุกรมที่มีความต้านทานเรียกว่าความต้านทานแบบอนุกรมของตัวเก็บประจุ ความต้านทานอนุกรมเทียบเท่าหรือ ESR ในตัวเก็บประจุคือความต้านทานภายในที่ปรากฏเป็นอนุกรมพร้อมกับความจุของอุปกรณ์
ลองมาดูด้านล่างสัญลักษณ์ซึ่งเป็นตัวแทน ESR ของตัวเก็บประจุสัญลักษณ์ตัวเก็บประจุแสดงถึงตัวเก็บประจุในอุดมคติและตัวต้านทานเป็นความต้านทานอนุกรมที่เท่ากัน ตัวต้านทานเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับตัวเก็บประจุ
ตัวเก็บประจุที่เหมาะคือ losslessหมายถึงค่าใช้จ่ายในการจัดเก็บประจุและส่งมอบจำนวนเงินเดียวกันของค่าใช้จ่ายรวมเอาท์พุท แต่ในโลกแห่งความเป็นจริงตัวเก็บประจุมีค่าความต้านทานภายใน จำกัดเล็กน้อย ความต้านทานนี้มาจากวัสดุอิเล็กทริกการรั่วไหลในฉนวนหรือในตัวคั่น การเพิ่มความต้านทานซีรีส์เทียบเท่าหรือ ESR จะมีค่าที่แตกต่างกันในตัวเก็บประจุประเภทต่างๆตามค่าความจุและโครงสร้าง ดังนั้นเราต้องวัดค่าของ ESR นี้ในทางปฏิบัติเพื่อวิเคราะห์คุณสมบัติที่สมบูรณ์ของตัวเก็บประจุ
การวัด ESR ในตัวเก็บประจุ
การวัด ESR ของตัวเก็บประจุนั้นค่อนข้างยุ่งยากเนื่องจากความต้านทานไม่ใช่ความต้านทาน DC ที่บริสุทธิ์ เนื่องจากคุณสมบัติของตัวเก็บประจุ ตัวเก็บประจุบล็อก DC และส่งผ่าน AC ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้โอห์มมิเตอร์มาตรฐานในการวัด ESR ได้ มีเครื่องวัด ESRเฉพาะที่มีจำหน่ายในตลาดซึ่งมีประโยชน์ในการวัด ESR ของตัวเก็บประจุ มิเตอร์เหล่านี้ใช้กระแสสลับเช่นคลื่นสี่เหลี่ยมในความถี่เฉพาะข้ามตัวเก็บประจุ จากการเปลี่ยนแปลงความถี่ของสัญญาณสามารถคำนวณค่า ESR ของตัวเก็บประจุได้ ข้อดีของวิธีนี้คือเนื่องจาก ESR ถูกวัดโดยตรงผ่านขั้วทั้งสองของตัวเก็บประจุจึงสามารถวัดได้โดยไม่ต้องถอดบัดกรีออกจากแผงวงจร
อีกวิธีทางทฤษฎีในการคำนวณ ESR ของตัวเก็บประจุคือการวัดแรงดันไฟฟ้าระลอกและกระแสระลอกของตัวเก็บประจุจากนั้นอัตราส่วนของทั้งสองจะให้ค่า ESR ในตัวเก็บประจุ อย่างไรก็ตามรูปแบบการวัด ESR ที่ใช้กันทั่วไปคือการใช้แหล่งกระแสสลับกับตัวเก็บประจุที่มีความต้านทานเพิ่มเติม วงจรหยาบเพื่อวัด ESRแสดงอยู่ด้านล่าง
Vs คือแหล่งกำเนิดคลื่นไซน์และ R1 คือความต้านทานภายใน ตัวเก็บประจุ C เป็นตัวเก็บประจุในอุดมคติในขณะที่ R2 คือความต้านทานแบบอนุกรมเทียบเท่าของตัวเก็บประจุในอุดมคติ C สิ่งหนึ่งที่ต้องจำไว้คือในรูปแบบการวัด ESR นี้การเหนี่ยวนำของตัวเก็บประจุจะถูกละเว้นและไม่ถือว่าเป็นส่วนหนึ่งของ วงจร
ฟังก์ชั่นการถ่ายโอนของวงจรนี้สามารถที่ปรากฎในด้านล่าง formula-
ในสมการข้างต้นคุณสมบัติการส่งผ่านสูงของวงจรจะสะท้อนให้เห็น การประมาณของฟังก์ชันการถ่ายโอนสามารถประเมินได้เพิ่มเติมว่า -
H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1
การประมาณข้างต้นเหมาะสำหรับการทำงานที่มีความถี่สูง ณ จุดนี้วงจรจะเริ่มลดทอนและทำหน้าที่เป็นตัวลดทอน
ปัจจัยการลดทอนสามารถแสดงเป็น -
⍺ = R2 / (R2 + R1)
ปัจจัยการลดทอนนี้และความต้านทานภายในของเครื่องกำเนิดคลื่นไซน์ R1 สามารถใช้เพื่อวัด ESR ของตัวเก็บประจุ
R2 = ⍺ x R1
ดังนั้นเครื่องกำเนิดฟังก์ชันจึงมีประโยชน์ในการคำนวณ ESR ของตัวเก็บประจุ
โดยปกติค่า ESR มีตั้งแต่ไม่กี่มิลลิโอห์มไปจนถึงหลายโอห์ม ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์และแทนทาลัมมี ESR สูงเมื่อเทียบกับประเภทกล่องหรือตัวเก็บประจุแบบเซรามิก อย่างไรก็ตามความก้าวหน้าที่ทันสมัยในเทคโนโลยีการผลิตตัวเก็บประจุทำให้สามารถผลิตตัวเก็บประจุ ESR ต่ำสุดได้
ESR มีผลต่อประสิทธิภาพของ Capacitor อย่างไร
ค่า ESR ของตัวเก็บประจุเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับเอาต์พุตของตัวเก็บประจุ ตัวเก็บประจุ ESR สูงจะกระจายความร้อนในการใช้งานที่มีกระแสไฟฟ้าสูงและอายุการใช้งานของตัวเก็บประจุจะลดลงในที่สุดซึ่งก่อให้เกิดความผิดปกติในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ในอุปกรณ์จ่ายไฟที่มีกระแสไฟฟ้าสูงจำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุ ESR ต่ำเพื่อวัตถุประสงค์ในการกรอง
ไม่เพียง แต่ในการทำงานที่เกี่ยวข้องกับแหล่งจ่ายไฟ แต่ค่า ESR ต่ำยังจำเป็นสำหรับวงจรความเร็วสูง ในความถี่การทำงานที่สูงมากโดยทั่วไปตั้งแต่หลายร้อย MHz ไปจนถึงหลาย GHz ESR ของตัวเก็บประจุมีบทบาทสำคัญในปัจจัยการส่งกำลัง
ESL ในตัวเก็บประจุ
เช่นเดียวกับ ESR ESL ยังเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับตัวเก็บประจุ ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ในสถานการณ์จริงตัวเก็บประจุไม่เหมาะ มีความต้านทานการหลงทางเช่นเดียวกับการเหนี่ยวนำแบบหลงทาง ตัวเก็บประจุแบบ ESLทั่วไปที่แสดงด้านล่าง ตัวเก็บประจุ C เป็นตัวเก็บประจุในอุดมคติและตัวเหนี่ยวนำ L คือตัวเหนี่ยวนำแบบอนุกรมที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมกับตัวเก็บประจุในอุดมคติ
ปกติESL เป็นที่พึ่งสูงในวงปัจจุบัน; การเพิ่มขึ้นของลูปปัจจุบันยังเพิ่ม ESL ในตัวเก็บประจุ ระยะห่างระหว่างจุดสิ้นสุดของตะกั่วและจุดเชื่อมต่อวงจร (รวมถึงแผ่นอิเล็กโทรดหรือแทร็ก) ยังมีผลต่อ ESL ในตัวเก็บประจุเนื่องจากระยะการสิ้นสุดที่เพิ่มขึ้นยังเพิ่มลูปปัจจุบันซึ่งส่งผลให้เกิดการเหนี่ยวนำอนุกรมที่เทียบเท่ากันสูง
การวัด ESL ของตัวเก็บประจุ
การวัด ESL สามารถทำได้อย่างง่ายดายโดยการสังเกตความต้านทานเทียบกับพล็อตความถี่ที่กำหนดโดยแผ่นข้อมูลของผู้ผลิตตัวเก็บประจุ อิมพีแดนซ์ของตัวเก็บประจุจะเปลี่ยนไปเมื่อความถี่ของตัวเก็บประจุเปลี่ยนไป ในช่วงสถานการณ์ที่เมื่อในความถี่ที่เฉพาะเจาะจงปฏิกิริยา capacitive และปฏิกิริยาอุปนัยมีค่าเท่ากันจะเรียกว่าเป็น'จุดเข่า'
ณ จุดนี้ตัวเก็บประจุจะสะท้อนตัวเอง ESR ของตัวเก็บประจุมีส่วนทำให้พล็อตอิมพีแดนซ์แบนลงจนกระทั่งตัวเก็บประจุมาถึงจุด 'หัวเข่า' หรือที่ความถี่สะท้อนตัวเอง หลังจากจุดเข่าความต้านทานของตัวเก็บประจุจะเริ่มเพิ่มขึ้นเนื่องจาก ESL ของตัวเก็บประจุ
ภาพด้านบนเป็นพล็อตความต้านทานเทียบกับความถี่ของ MLCC (ตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้น) แสดงตัวเก็บประจุสามตัว 100nF คลาส 1nF X7R และ 1nF ของตัวเก็บประจุคลาส NP0 จุด 'หัวเข่า' สามารถระบุได้อย่างง่ายดายที่จุดล่างของพล็อตรูปตัววี
เมื่อระบุความถี่ของจุดเข่าแล้ว ESL สามารถวัดได้ด้วยสูตรด้านล่าง
ความถี่ = 1 / (2π√ (ESL x C))
ESL มีผลต่อ Capacitor Output อย่างไร
เอาต์พุตของตัวเก็บประจุจะลดลงโดย ESL ที่เพิ่มขึ้นเช่นเดียวกับ ESR ESL ที่เพิ่มขึ้นก่อให้เกิดการไหลของกระแสที่ไม่ต้องการและสร้าง EMIซึ่งจะทำให้เกิดความผิดปกติในแอปพลิเคชันความถี่สูง ในระบบที่เกี่ยวข้องกับแหล่งจ่ายไฟการเหนี่ยวนำของปรสิตก่อให้เกิดแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมสูง แรงดันไฟฟ้าระลอกเป็นสัดส่วนกับค่า ESL ของตัวเก็บประจุ ค่า ESL ขนาดใหญ่ของตัวเก็บประจุยังสามารถทำให้เกิดรูปคลื่นเสียงเรียกเข้าทำให้วงจรทำงานผิดปกติ
ความสำคัญในทางปฏิบัติของ ESR และ ESL
ภาพด้านล่างให้เกิดขึ้นจริงรูปแบบของ ESR และ ESL ในตัวเก็บประจุ
นี่ Capacitor ซีเป็นตัวเก็บประจุที่เหมาะสำหรับตัวต้านทาน R คือความต้านทานอนุกรมเทียบเท่าและเหนี่ยวนำ L เป็นอนุกรมเทียบเท่าเหนี่ยวนำการรวมตัวเก็บประจุที่แท้จริงทั้งสามนี้เข้าด้วยกัน
ESR และ ESL ไม่ใช่ลักษณะที่น่าพอใจของตัวเก็บประจุซึ่งทำให้วงจรอิเล็กทรอนิกส์มีประสิทธิภาพลดลงโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานความถี่สูงและกระแสไฟฟ้าสูง ค่า ESR ที่สูงก่อให้เกิดประสิทธิภาพที่ไม่ดีเนื่องจากการสูญเสียพลังงานที่เกิดจาก ESR การสูญเสียพลังงานสามารถคำนวณได้โดยใช้กฎหมายกำลัง I 2 R โดยที่ R คือค่า ESR ไม่เพียงแค่นี้เสียงและแรงดันไฟฟ้าตกสูงยังเกิดขึ้นเนื่องจากค่า ESR สูงตามกฎหมายของโอห์ม เทคโนโลยีการผลิตตัวเก็บประจุสมัยใหม่ช่วยลดค่า ESR และ ESL ของตัวเก็บประจุ การปรับปรุงครั้งใหญ่สามารถเห็นได้ในตัวเก็บประจุหลายชั้นรุ่น SMD ในปัจจุบัน
ตัวเก็บประจุค่า ESR และ ESL ที่ต่ำกว่าเป็นที่ต้องการเป็นตัวกรองเอาต์พุตในวงจรสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายหรือการออกแบบ SMPS เนื่องจากความถี่ในการสวิตชิ่งสูงในกรณีเหล่านี้โดยทั่วไปจะอยู่ใกล้กับ MH zหลายตัวตั้งแต่หลายร้อย kHz ด้วยเหตุนี้ตัวเก็บประจุอินพุตและตัวเก็บประจุตัวกรองเอาต์พุตจึงต้องมีค่า ESR ต่ำดังนั้นการกระเพื่อมความถี่ต่ำจึงไม่มีผลต่อประสิทธิภาพโดยรวมของชุดจ่ายไฟ ESL ของตัวเก็บประจุจะต้องต่ำด้วยเพื่อไม่ให้อิมพีแดนซ์ของตัวเก็บประจุไม่โต้ตอบกับความถี่การเปลี่ยนแหล่งจ่ายไฟ
ในแหล่งจ่ายไฟที่มีเสียงรบกวนต่ำซึ่งจำเป็นต้องระงับเสียงรบกวนและขั้นตอนตัวกรองเอาต์พุตควรมีตัวเลขต่ำ ESR คุณภาพสูงและตัวเก็บประจุ ESL ต่ำมีประโยชน์สำหรับเอาต์พุตที่ราบรื่นและการส่งพลังงานที่เสถียรไปยังโหลด ในการใช้งานเช่นนี้อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมและเป็นที่นิยมมากกว่าตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติค