Kondensatoru ekvivalentu sēriju pretestības noteikšana (ESR)

Gas Laws--Refrigeration and Air Conditioning Technology (Jūnijs 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Kondensatoru ekvivalentu sēriju pretestības noteikšana (ESR)


Tā kā darbības frekvences palielinās un elektroniskās sistēmas kļūst sarežģītākas un mazākas, dizaineriem jāpievērš īpaša uzmanība kondensatora ESR, jo tas ietekmē enerģijas patēriņu un efektivitāti.

Zinot ESR vērtību paredzētajos darbības apstākļos var ievērojami palīdzēt noteikt konkrēta kondensatora piemērotību konkrētās funkcijas veikšanai.

Daži ražotāji nosaka ESR noteiktā frekvencē un ekspluatācijas apstākļos, daži vienkārši nosaka izkliedes koeficientu, bet citi nenodrošina ne ESR, ne izkliedes faktoru.

Ekvivalenta sērijas pretestība (ESR) ir viena no kondensatora neobjektīvajām īpašībām, kas elektroniskajās shēmās var radīt dažādus darbības traucējumus. Augsta ESR vērtība samazina veiktspēju, jo I 2 R zaudējumi, troksnis un lielāks sprieguma kritums.

Dažās lietojumprogrammās siltums, kas rodas ESR dēļ, ir mazs un tas, iespējams, nav problēma. Tomēr dažās shēmās, jo īpaši lielu strāvu, siltuma izkliedēšana var izraisīt ievērojamu temperatūras pieaugumu, ietekmēt ķēdes darbību un pasliktināt kondensatoru. Turklāt pretestības laikā notiek ievērojams sprieguma kritums, samazinot lietojumprogrammas enerģijas daļu.

Tādējādi kondensatora izvēle tādām lietojumprogrammām kā RF, enerģijas savākšana, filtra shēmas un citas jutīgas shēmas prasa ņemt vērā citas īpašības, kas pārsniedz kapacitātes un sprieguma vērtības.

Saistītā informācija

  • Kondensators Quirks
  • Praktiski apsvērumi: kondensatori
  • Clean Power par katru IC, 2.daļa: Jūsu apvedceļa kondensatoru izvēle un izmantošana

ESR ietekme uz RF un enerģijas savākšanas shēmām

Lai gan ESR keramisko kondensatoru gadījumā ir ļoti mazs, miliohmas secībā pretestība var ievērojami ietekmēt tādas shēmas kā RF un mazjaudas ķēdes.

Rokas radio raidītājos, augstas ESR kondensatori izplūdes sakabes vai avota apejošā pastiprinātāja stadijā patērētu un iztērētu lielāku akumulatora enerģiju sakarā ar lielākiem I 2 ESR zudumiem. Tas samazinātu efektivitāti, izejas jaudu un akumulatora darbības laiku.

Arī lielākā daļa no RF pusvadītāju ierīcēm, kas izgatavotas atbilstības pakāpēm, ir veidotas ar ļoti zemām ieejas pretestībām. Tādējādi atbilstošs kondensators, piemēram, daudzslāņu keramikas chip capacitor (MLCC) ar augstu ESR, būtu ievērojams kopējā tīkla pretestības procents. Piemēram, ja ierīces ieejas pretestība ir 1 ohm, atbilstošs kondensators ar ESO 0, 8 omi izkliedēs aptuveni 40 procentus no kopējās jaudas, tādējādi samazinot izejas jaudu un ķēdes efektivitāti.

Enerģijas savākšanas lietojumos esošie kondensatori nodrošina svarīgākus lādiņu uzkrāšanas procesus no zemsprieguma enerģijas avotiem un ātru un efektīvu izkraušanu no šīs uzglabātās enerģijas, lai darbinātu slodzi. Tāpēc kondensatoriem un citām sastāvdaļām enerģijas savākšanas shēmās ekspluatācijas laikā ir jāmazina ļoti maz enerģijas.

Augsta ESR kondensatoram būtu vairāk I 2 ESR zudumu, tādēļ daži no uztverta enerģijas galiem tiks izšķiesti kā siltums, tādējādi samazinot kondensatora enerģijas izlaidi. Tomēr dizaineri var dot priekšroku supercapacitoriem (neskatoties uz to augsto ESR un noplūdi), jo tie piedāvā lielāku enerģijas blīvumu.

ESR noteikšana, izmantojot ESR mērierīci

ESR mērītājs ir vidēji precīzs instruments, kas ir pieņemams un ērts lietošanā, it īpaši, ja tiek mērīti vairāki kondensatori, kamēr tie vēl atrodas ķēdē. Sprieguma dalītāju tīkla konfigurācijā tiek izmantots maiņstrāvas spriegums. Pielietotā maiņstrāvas frekvence parasti ir vērtība, kurā kondensatora reaktivitāte ir niecīga.

1. attēls . Vienkāršs ESR mērījumu modelis. Attēls pieklājīgi no Kerry Wong.

Pārbaudes laikā, izmantojot ESR mērītāju, ļoti kondensatora strāva tiek izvadīta ļoti īsā laikā, tādēļ kondensators pilnībā neuzlādējas. Pašreizējā strāva rada kondensatora spriegumu. Šis spriegums būs kondensatora strāvas un ESR produkts, kā arī neliels spriegums, jo kondensators ir mazs lādiņš.

Tā kā strāva ir zināma, ESR vērtību aprēķina, dalot mērīto spriegumu ar strāvu. Rezultāti tiek parādīti skaitītāja rādījumā.

ESR testus var veikt, ja kondensators atrodas ķēdē vai ārpus ķēdes. Paralēli savienotajiem kondensatoriem mērījums nodrošina kopējo pretestību. Īpašie kondensatori ir jānoņem, ja jānosaka to individuālais ESR. Tomēr, ja ir simtiem kondensatoru, katra kondensatora noņemšana ir nogurdinoša, un izņemšanas laikā pastāv lielāks risks, ka kondensatori vai shēmas plates tiks bojāti.

Tipisks ESR mērītājs izmanto augstas frekvences strāvu aptuveni 100 kHz un zemu spriegumu aptuveni 250 mV vai mazāk. Zemais spriegums ir nepietiekams, lai novirzītu un ieslēgtu pusvadītāju ierīces apkārtējā shēmā, nodrošinot, ka blakus esošo komponentu pretestība neietekmē ESR nolasījumu.

Pirms mērīšanas kondensators jāizlādē. Dažiem ESR mērītājiem ir iebūvēts izlādes mehānisms. Tomēr var būt svarīgi iztukšot kondensatoru manuāli, it īpaši, ja tas ir augstsprieguma vāciņš, kura uzlādēšana var sabojāt ESR mērītāju.

Pat ja ESR metrs var ērti testēt kondensatorus, tam ir frekvences ierobežojumi, kā arī zemākais pretestības līmenis, ko tas var precīzi izmērīt.

Koaksiālais rezonanses caurules mērīšana ar ļoti zemu pretestību augstās frekvencēs

Tā kā ESR vērtība ir atkarīga no darba frekvences, ļoti zemu ESR vērtību mērīšana ļoti augstās frekvencēs kļūst par izaicinājumu, izmantojot parastos ESR mērītājus.

Attiecībā uz keramikas kondensatoriem vispareizākā ESR noteikšanas metode augstās frekvencēs (no 100 MHz līdz 1, 3 GHz) ir koaksiālā rezonanses līnijas metode. Šis paņēmiens ir balstīts uz Boonton modeli 34A standartu un tiek izmantots kopā ar RF signāla ģeneratoru un RF voltmetru.

2. attēls. Koaksiālo rezonanses caurules blokshēma. Image pieklājīgi no Knowles kondensatoriem (PDF).

Koaksiālā rezonatora līnija ir izgatavota no vara caurulēm ar centrālo vadītāju ar cietu vara stieņu. Pārbaudāmo kondensatoru novieto virknē starp centrālo vadītāju un zemējuma vadītāju.

Pirms resonatora līnijas izkraušanas raksturojuma vispirms jānosaka, kā veikt kondensatora ESR mērījumus. RF ierosinātājs uz saīsināto koaksiālo līniju palīdz noteikt λ / 4 un 3λ / 4 joslas platumu, kamēr λ / 2 un λ joslas platums tiek noteikts, kad līnija ir atvērta apļveida (λ attiecas uz viļņu garumu, skatiet šo rakstu par saistītu informāciju ) Šie dati raksturo rezonanses frekvenci, izkrauto rezonanses līnijas Q un stiprinājumu pretestību.

Pārbaudāmo kondensatoru ievieto DUT (pārbaudāmā ierīce) sadaļā, un signāla ģenerators tiek pielāgots maksimālajam rezonanses spriegumam. Kondensators izraisa izmaiņas rezonanses frekvencē un Q koeficientā, kura vērtības tagad atšķiras no nesošās koaksiālās līnijas vērtības. Izmanto pārraides līnijas aprēķinus, un ESR vērtību nosaka, pamatojoties uz saistību starp jauno frekvenci un Q koeficientu un sākotnējā neizkrauta stāvokļa frekvenci un Q koeficientu.

3. attēls. Iekraušanas un izkraušanas līnijas joslas platums. Attēla pieklājīgi no American Technical Ceramics (PDF).

Mūsdienās ir izplatīta prakse izmantot vektora tīkla analizatoru, lai aizstātu gan signālu ģeneratoru, gan RF voltmetru. Ar VNA rezonanses frekvence tiek nolasīta no displeja. Daži VNA modeļi var tieši eksportēt rezultātus uz aprēķina programmu un parādīt galīgo ESR vērtību.

Cauruļu garums ir paredzēts darbam frekvenču diapazonā no aptuveni 100 MHz līdz 1, 5 GHz; tomēr pielāgoto garumu var veikt attiecībā uz frekvencēm ārpus šī diapazona.

Faktori, kas ietekmē ESR izmērus

Problēmas ar tehniku, kontakta vai kondensatora saskarnes vai mērīšanas iekārtu kalibrēšanas trūkuma dēļ var rasties ESR mērījumu kļūdas.

Jāņem vērā mērinstrumenta un tā vadu pretestība, pašinvadēšanās un kapacitāte, jo īpaši augstās mērīšanas frekvencēs.

Testu izturība un induktivitāte

Testa vadu izturība ir kopējs kļūdu avots zemas pretestības mērījumos. Pretestība palielina izturību pret DUT.

Turklāt ir jāizvairās no savilkšanās, spirālveida uzbrūžu pārbaude, jo to induktivitāte var būt kļūdas avots.

Tuvumā esošās iekārtas traucējumi

Mērījumi jāveic laukumos, kas atrodas tālu vai ir pasargāti no ievērojamiem EMI avotiem (elektromagnētiskie traucējumi). Pretējā gadījumā testa vadi varētu uztvert traucējumus, un tas varētu ietekmēt rādījumus.

Secinājums

ESR mainās atkarībā no kondensatora tipa un darbības apstākļiem, piemēram, frekvences un temperatūras. Daži ražotāji nosaka ESR noteiktā frekvencē un noteiktos ekspluatācijas apstākļos, citi tikai dod izkliedes koeficientu, bet citi nesniedz ESR vai izkliedes koeficientu. Tomēr zinot ESR vērtību paredzamos darbības apstākļos var ievērojami palīdzēt noteikt konkrēta kondensatora piemērotību konkrētās funkcijas veikšanai.

ESR noteikšanai izmantotā metode ir atkarīga no tādiem faktoriem kā kondensators, darba frekvence un vajadzīgā precizitāte. Lai gan ESR metode un citi DIY mērījumi ir piemēroti vairākiem lietojumiem frekvencēs līdz pat 100 kHz, viņi nevar precīzi noteikt ļoti zemas ESR vērtības ļoti augstās frekvencēs. Koaksiālā rezonanses līnijas metode bieži tiek dota priekšroka, nosakot ļoti zemas ESR vērtības frekvencēs starp aptuveni 100 MHz un 1, 3 GHz.

Palielinoties darbības frekvencei, un elektroniskās sistēmas kļūst mazākas un sarežģītas, jāpievērš īpaša uzmanība tādiem parametriem kā ESR, kas tieši ietekmē ķēžu veiktspēju un energoefektivitāti.