Что такое низкий импеданс конденсатора

Конденсаторы Low ESR и Low Impedance. В чём разница?

Электролитические конденсаторы с низким ЭПС и низким импедансом

В настоящее время в продаже имеется огромное количество электролитических конденсаторов с разными эксплуатационными характеристиками. Те, кто имеет дело с электроникой, возможно уже слышали или даже сталкивались с обозначениями вроде Low ESR или Low Imp.

Если с Low ESR всё вполне понятно, достаточно знать, что такое эквивалентное последовательное сопротивление, то вот с Low Imp у многих возникают вполне обоснованные вопросы.

Забегая вперёд, скажу, что конденсаторы Low ESR и Low Impedance, это почти одно и тоже.

Чтобы разобраться, в чём разница между ними, вспомним некоторые известные факты об устройстве алюминиевого электролитического конденсатора.

Из-за скручивания анодной и катодной обкладок в рулон образуется паразитная индуктивность. Величина этой индуктивности составляет 20. 200 нГн. Чтобы как-то учесть «паразитную» индуктивность конденсатора стали использовать такой показатель, как ESL (Equivalent Series Inductance) – эквивалентная последовательная индуктивность. В технической литературе обычно применяется именно аббревиатура ESL, а не ESI, хотя можно встретить и то, и то.

Так как электролит, катодная и анодная обкладка, а также переходные соединения и выводы обладают активным сопротивлением, то всё это «собрали вместе» и назвали эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR – Equivalent Series Resistance).

Стоит понимать, что ESR зависит от температуры, напряжения и частоты! И, хотя, ESR считается активной составляющей полного сопротивления (импеданса, Z), которое по идее не должно зависеть ни от ёмкости, ни от частоты, но из-за того, что основной вклад в ESR вносит сопротивление электролита, то величина ESR подвержена изменению под действием разных факторов.

Теперь, давайте разберёмся с импедансом или по-другому полным сопротивлением (Z). На зарубежный манер это Impedance, а сокращённо Imp.

Импеданс включает как активное, так и реактивное сопротивление (ёмкостное X_C и индуктивное X_L), которое зависит от частоты. С наличием ёмкостного сопротивления всё понятно, ведь речь идёт о конденсаторе. А вот индуктивное сопротивление – это уже следствие наличия ESL (паразитной индуктивности), которая образуется из-за намотки алюминиевой фольги.

Формула расчёта импеданса для последовательной цепи выглядит так:

где, R – активное сопротивление цепи, Ом (Ω);

X_L = ωL = 2πƒL – индуктивное сопротивление, Ом (Ω).

X_C = 1/ωC = 1/2πƒC – ёмкостное сопротивление, Ом (Ω).

В случае с электролитическим конденсатором R ≈ ESR. Получаем вот такую формулу:

Электролитические конденсаторы полярны и способны работать только в цепях с постоянным или пульсирующим напряжением.

Так как через него протекают импульсные токи высокой частоты, то, в силу своего конструктивного исполнения, на разной частоте он будет оказывать разное сопротивление.

Теперь взглянем на график. На нём показано, как меняется величина ESR (R), X_C, X_L, Z в зависимости от частоты.

Как видим, с ростом частоты ESR (R) постепенно уменьшается. Также стоит отметить, что с ростом температуры ESR тоже уменьшается, так как удельная электропроводность электролита растёт.

Ёмкостное сопротивление X_C с ростом частоты (пульсаций) также стремительно падает и в конечном итоге становится меньше того самого ESR (R).

С индуктивным сопротивлением X_L, которое обусловлено наличием ESL, всё обстоит наоборот. С ростом частоты оно увеличивается. Реактивное сопротивление индуктивности начинает проявлять себя на частотах выше 100 – 1000 кГц. Это приводит к тому, что на высоких частотах конденсатор всё меньше представляет собой ёмкость.

Из этого следует вывод, что чем больше ESL, тем ниже частота, до которой конденсатор ведёт себя как ёмкость. Таким образом, ESL влияет на способность конденсатора работать в цепях с высокой частотой пульсации тока (импульсных источниках питания, цифровых системах и пр.).

Так как индуктивное сопротивление (из-за ESL) является частью полного сопротивления Z (импеданса), также, как и ESR, то конденсаторы, которые имеют низкий ESL и ESR, называют конденсаторами Low Impedance (сокр. Low Imp).

Таким образом, конденсаторы, которые имеют низкий импеданс ещё лучше тех, что имеют низкий ESR, так как могут работать ещё и на более высоких частотах.

Производители делят конденсаторы на серии. Каждая серия обладает разными свойствами и эксплуатационными характеристиками.

Чтобы узнать, какими свойствами обладает конденсатор можно найти даташит на серию, к которой он принадлежит.

Как правило, серию указывают на виниловой оболочке рядом с номинальной ёмкостью и рабочим напряжением. На фото показаны конденсаторы Jamicon серии TX.

В справочной документации (даташите) величину импеданса приводят для частоты 100 кГц и температуры +20°C.

Стоит отметить, что на частоте 100 кГц, которая считается типичной для импульсных источников питания, величина импеданса и ESR отличается незначительно. Поэтому разницы между Low Impedance и Low ESR конденсаторами практически нет. Другое дело, если тот будет работать в более высокочастотной цепи. В таком случае, Low Impedance конденсатор подойдёт лучше.

На скриншоте далее показана часть таблицы из даташита на конденсаторы Jamicon серии TX, которые имеют низкий импеданс и высокое рабочее напряжение.

Аналогично обстоит дело и с ESR. Его величину также указывают для частоты 100 кГц (температура +20°C).

Не секрет, что высокий ESR плохо сказывается на сроке службы электролитического конденсатора. При любом изменении напряжения на обкладках конденсатора через него протекает импульс тока, так называемый Ripple current – пульсация тока (R.C.).

При этом на ESR выделяется тепло, которое разогревает электролит и способствует его испарению. Со временем это приводит к снижению ёмкости конденсатора и его полной неработоспособности.

Заглянем в даташит на конденсаторы Jamicon серии MZ, которые заточены под импульсные источники питания. Это низковольтные Low ESR конденсаторы. Их рабочее напряжение не превышает 25V (6,3. 25V). Идеально подойдут для ремонта компьютерных блоков питания.

Кроме всего прочего, в таблице указана максимальная величина тока пульсации (R.C.), на которую рассчитан конденсатор. Чем больше значение R.C., тем больший импульсный ток сможет выдержать конденсатор длительное время. Указанный производителем импульсный ток (R.C.) не рекомендуется превышать, так как конденсатор будет перегреваться и, как следствие, раньше выйдет из строя.

Также можно встретить конденсаторы со сверхмалым импедансом (Ultra low impedance), например, такие, как Jamicon серии WJ. Они заточены под использование специально в компьютерных материнских платах и способны работать в широком частотном диапазоне. Такие конденсаторы имеют как низкий ESR, так и ESL (малую паразитную индуктивность).

Чтобы как-то снизить импеданс конденсаторов производителям приходиться всячески уменьшать паразитную индуктивность и использовать электролит, которой обладает высокой удельной электропроводностью в широком диапазоне температур.

С развитием цифровой электроники, работающей на высоких тактовых частотах, а также широким внедрением импульсных источников питания, требования к современным электролитическим конденсаторам резко возросли. При конструировании и ремонте необходимо обращать внимание на такие параметры, как ЭПС конденсатора и его импеданс, так как это напрямую влияет на качество и длительность его работы.

Многих интересует вопрос, каким должно быть значение ESR, чтобы считать конденсатор пригодным? Для тех, кто внимательно прочитал приведённый материал ответ напросится сам собой.

Если удаётся определить серию конденсатора, то все необходимые данные можно найти в даташите. Данные ЭПС или импеданса из таблиц даташита можно считать «эталонными», наподобие таблицы ESR.

Ну, а далее нужно иметь под рукой универсальный тестер электронных компонентов, который замеряет в том числе и ESR. Сравнив результаты замеров с данными из таблицы легко понять, насколько конденсатор пригоден для дальнейшей работы.

Тут стоит помнить, что полученные данные будут отличаться от табличных, так как величина ЭПС зависит от температуры и частоты измерения. В любом случае разница не должна быть слишком большой.

Источник

Введение

Частотные характеристики конденсаторов являются важными параметрами, которые необходимы для разработки схем. Понимание частотных характеристик конденсатора позволит вам определить, например, какие шумы может подавлять конденсатор или какие флуктуации напряжения цепи питания он может контролировать. Эта статья описывает два типа частотных характеристик: |Z| (импеданс или полное сопротивление) и ESR (эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора).

Частотные характеристики конденсаторов

Рисунок 1. Идеальный конденсатор

(1)

Из формулы 1 видно, что с увеличением частоты импеданс конденсатора уменьшается. Это показано на рисунке 1. В идеальном конденсаторе нет потерь и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) равно нулю.

Рисунок 2. Частотная характеристика идеального конденсатора

В реальном конденсаторе (рис. 3) существует некоторое сопротивление (ESR), вызванное диэлектрическими потерями, потерями на сопротивлении обкладок конденсатора и потерями связанные с сопротивлением утечки, а также паразитная индуктивность (ESL) выводов и обкладок конденсатора. В результате частотная характеристика импеданса принимает V образную форму (или U образную в зависимости от типа конденсатора), как показано на рисунке 4.Также на рисунке показана частотная характеристика ESR.

Рисунок 3. Реальный конденсатор

Рисунок 4. Пример частотной характеристики реального конденсатора

Причина, по которой графики |Z| и ESR имеют такой вид как на рисунке 4, можно объяснить следующим образом.

Низкочастотная область

|Z| в этой области уменьшается обратно пропорционально частоте, как и в идеальном конденсаторе. Значение ESR определяется диэлектрическими потерями в конденсаторе.

Область резонанса

Высокочастотная область

(2)

Итак, мы рассмотрели частотную характеристику реального конденсатора. Здесь важно запомнить, что c повышением частоты ESR и ESL уже нельзя игнорировать. Поскольку существуют большое количество приложений, в которых конденсаторы используются на высоких частотах, ESR и ESL становятся важными параметрами, характеризующими конденсатор помимо значения его емкости.

Частотные характеристики конденсаторов различных типов

Паразитные составляющие реальных конденсаторов имеют различное значение в зависимости от их типа. Давайте посмотрим на частотные характеристики разных конденсаторов. На рисунке 5 показаны графики |Z| и ESR для конденсаторов емкостью 10 мкФ. Все конденсаторы, кроме пленочных, планарные (SMD).

Рисунок 5. Частотные характеристики конденсаторов разных типов.

Для всех типов конденсаторов |Z| ведет себя одинаково до частоты 1 кГц. После 1 кГц импеданс увеличивается сильнее в алюминиевых и танталовых электролитических конденсаторах, чем в монолитных керамических и пленочных конденсаторах.
Это происходит из-за того, что алюминиевые и танталовые конденсаторы имеют высокое удельное сопротивление электролита и большое ESR. В пленочных и монолитных керамических конденсаторах используются металлические материалы для электродов и, следовательно, они обладают очень маленьким ESR.
Монолитные керамические конденсаторы и пленочные показывают примерно одинаковые характеристики до точки собственного резонанса, но у монолитных керамических конденсаторов резонансная частота выше, а |Z| в индуктивной области ниже.
Эти результаты показывают, что импеданс монолитных керамических конденсаторов SMD типа в широком диапазоне частот имеет небольшое значение. Это делает их наиболее подходящими для высокочастотных приложений.

Частотные характеристики монолитных керамических конденсаторов

Существует также несколько типов монолитных керамических конденсаторов, изготовленных из различных материалов и имеющих различную форму. Давайте посмотрим, как эти факторы влияют на частотные характеристики.

ESL

ESL монолитных керамических конденсаторов сильно зависит от внутренней структуры электродов. Если размеры внутренних электродов задаются длиной, шириной и толщиной, то индуктивность ESL может быть определена математически. Значение ESL уменьшается, когда электроды конденсатора короче, шире и тоньше.
На рисунке 6 показана связь между номинальной емкостью и резонансной частотой различных типов монолитных керамических конденсаторов. Вы можете видеть, что при уменьшении размеров конденсатора собственная резонансная частота увеличивается, а ESL уменьшается для одинаковых значений емкости. Это означает, что небольшие конденсаторы короткой длины лучше подходят для высокочастотных приложений.

Рисунок 6.

На рисунке 7 показан обратный LW конденсатор с короткой длиной L и большой шириной W. Из частотных характеристик, показанных на рисунке 8, можно увидеть, что LW конденсатор имеет меньший импеданс и лучшие характеристики, чем обычный конденсатор такой же емкости. С помощью LW конденсаторов можно достичь тех же характеристик, как у обычных конденсаторов, но меньшим числом компонентов. Уменьшение числа компонентов, позволяет сократить расходы и уменьшить монтажное пространство.

Рисунок 7. Внешний вид обратного LW конденсатора.

Рисунок 8. |Z| и ESR обратного LW конденсатора и конденсатора общего назначения

Источник

ESR конденсатора

ESR — оно же эквивалентное последовательное сопротивление — это очень важный параметр конденсаторов. Для чего он нужен и как его определить, об этом мы как раз и поговорим в нашей статье.

Реальные параметры конденсатора

Думаю, все вы в курсе, что в нашем бесшабашном мире нет ничего идеального. То же самое касается и электроники. Радиоэлементы, каскады, радиоузлы также частенько дают сбои. Можно даже вспомнить недавнюю историю с космическим кораблем «Прогресс». Сбой какого-то узла повлек гибель целого гиганта космической отрасли. Даже простой, на первый взгляд, радиоэлемент конденсатор, имеет в своем составе не только емкость, но и другие паразитные параметры. Давайте рассмотрим схему, из чего все-таки состоит наш реальный конденсатор?

r — это сопротивление диэлектрика и корпуса между обкладками конденсатора

С — собственно сама емкость конденсатора

ESR — эквивалентное последовательное сопротивление

ESI (чаще его называют ESL) — эквивалентная последовательная индуктивность

Вот на самом деле из чего состоит простой безобидный конденсатор, особенно электролитический. Рассмотрим эти параметры более подробно:

r — сопротивление диэлектрика. Диэлектриком может быть электролит в электролитических конденсаторах, бумага или еще какая-нибудь дрянь). Также между выводами конденсатора находится его корпус. Он тоже обладает каким-то сопротивлением и тоже сделан из диэлектрика и относится сюда же.

С — емкость конденсатора, которая написана на самом конденсаторе плюс-минус некоторые отклонения, связанные с погрешностью.

ESI(ESL) — последовательная индуктивность — это собственная индуктивность обкладок и выводов. На низких частотах можно не учитывать. Почему? Читаем статью катушка индуктивности в цепи постоянного и переменного тока.

Где «прячется» ESR в конденсаторе

ESR представляет из себя сопротивление выводов и обкладок

Как вы знаете, сопротивление проводника можно узнать по формуле:

ρ — это удельное сопротивление проводника

l — длина проводника

S — площадь поперечного сечения проводника

Так что можете посчитать приблизительно сопротивление выводов конденсатора и заодно его обкладок 😉 Но, конечно же, так никто не делает. Для этого есть специальные приборы, которые умеют замерять этот самый параметр. Например, мой прибор с Алиэкспресса, который я недавно приобрел.

Почему вредно большое значение ESR

Раньше, еще когда только-только стали появляться первые электронные схемы, такой параметр, как ESR даже ни у кого не был на слуху. Может быть и знали, что есть это сопротивление, но оно никому не вредило. Но… с появлением первых импульсных блоков питания все чаще стали говорить о ESR. Чем же столь безобидное сопротивление не понравилось импульсным блокам питания?

На нулевой частоте (постоянный ток) и низких частотах, как вы помните из статьи конденсатор в цепи постоянного и переменного тока, конденсатор сам оказывает большое сопротивление электрическому току. В этом случае какие-то паразитные доли Ома сопротивления ESR не будут влиять на параметры электрической цепи. Все самое интересное начинается тогда, когда конденсатор работает в высокочастотных цепях (ВЧ).

Мы с вами знаем, что конденсатор пропускает через себя переменный ток. И чем больше частота, тем меньше сопротивление самого конденсатора. Вот вам формула, если позабыли:

где, Х_С — это сопротивление конденсатора, Ом

П — постоянная и равняется приблизительно 3,14

F — частота, измеряется в Герцах

С — емкость, измеряется в Фарадах

Но, одно то мы не учли… Сопротивление выводов и пластин с частотой не меняется! Так… и если пораскинуть мозгами, то получается, что на бесконечной частоте сопротивление конденсатора будет равняться его ESRу? Получается, наш конденсатор превращается в резистор? А как ведет себя резистор в цепи переменного тока? Да точно также как и в цепи постоянного тока: греется! Следовательно на этом резисторе будет рассеиваться мощность P в окружающую среду. А как вы помните, мощность через сопротивление и силу тока выражается формулой:

I — это сила тока, в Амперах

R — сопротивление резистора ESR, в Омах

Значит, если ESR будет больше, то и мощность рассеивания тоже будет больше! То есть этот резистор будет хорошенько нагреваться.

Догоняете о чем я вам толкую? 😉

Из всего выше сказанного можно сделать простенький вывод: конденсатор с большим ESR в высокочастотных цепях с большими токами будет нагреваться. Ну да ладно, пусть себе греется… Резисторы и микросхемы тоже ведь греются и ничего! Но весь косяк заключается в том, что с увеличением температуры конденсатора меняется и его емкость! Есть даже такой интересный параметр конденсатора, как ТКЕ или Температурный Коэффициент Емкости. Этот коэффициент показывает, насколько поменяется емкость при изменении температуры. А раз уже «плавает» емкость, то вслед за ней «плывет» и схема.

ESR электролитических конденсаторов

В основном параметр ESR касается именно электролитических конденсаторов. Электролит, который там есть, теряет часть своих свойств при нагреве и конденсатор меняет свою емкость, что, конечно же, нежелательно. После приличного нагрева конденсатор начинает тупить, вздувается и быстро стареет.

У вздувшихся конденсаторов в первую очередь как раз ESR и растёт, тогда как ёмкость до определённого времени может оставаться практически номинальной ( ну той, которая написана на самом конденсаторе)

Ещё симптом: если отрубить питание на некоторое время (сетевой фильтр выключить, или из розетки выдернуть) — то снова начинает включаться не с первой попытки, или после паузы. А если не выключать питание, то комп может включаться сразу (но это тоже до поры, до времени, разумеется). Но бывает, что конденсаторы не вспухли, а ESR уже в десятки раз выше нормы. Тогда, понятно, заменяем. По опыту — очень частая проблема. И весьма легко диагностируемая (особенно, при наличии чудо-приборчика от китайских товарищей).

Таблица ESR

Как я уже сказал, ESR в основном проверяют именно у электролитических конденсаторов, потому что они используются в импульсных блоках питания. Вот небольшая табличка для максимально допустимых значений ESR для новых электролитических конденсаторов в зависимости от их рабочего напряжения:

Как измерить ESR

Давайте замеряем некоторые наши китайские конденсаторы на ESR. Для этого берем наш многофункциональный универсальный R/L/C/Transistor-metr и проведем несколько замеров:

Первым в бой идет конденсатор на 22 мкФ х 25 Вольт:

Емкость близка к номиналу. ESR=1,9 Ом. Если посмотреть по табличке, то максимальный ESR=2,1 Ом. Наш конденсатор вполне укладывается в этот диапазон. Значит его можно использовать в высокочастотных цепях.

Следующий конденсатор 100 мкФ х 16 Вольт

ESR=0,49 Ом, смотрим табличку… 0,7 максимальный. Значит тоже все ОК. Можно тоже использовать в ВЧ цепях.

И возьмем конденсатор емкостью побольше 220 мкФ х 16 Вольт

Максимальный ESR для него 0,33 Ом. У нас же высветило 0,42 Ома. Такой конденсатор уже не пойдет в ВЧ часть радиоаппаратуры. А в простые схемки, где гуляют низкие частоты (НЧ) сгодится в самый раз! ;-).

Конденсаторы с низким ESR

В нашем бурно-развивающемся мире электроника все больше строится именно на ВЧ части. Импульсные блоки питания почти полностью одержали победу над громоздкими трансформаторными блоками питания. Это мы, радиолюбители, до сих пор пользуемся самопальными блоками питания, сделанные из трансформаторов, которые нашли на помойке.

Но раз почти вся техника уходит в ВЧ диапазон, то и разработчики радиокомпонентов тоже не спят. Они создают конденсаторы, у которых низкий ESR и называются такие конденсаторы LOW ESR, что значит кондеры с низким ESR. На некоторых это пишут прямо на корпусе:

Отличительной чертой таких конденсаторов является то, что они вытянуты в длину. Также, по моим наблюдениям, на них чаще всего есть полоска золотого цвета:

Сейчас все чаще используют миниатюрные полимерные алюминиевые конденсаторы с низким ESR:

Где же их можно чаще всего увидеть? Конечно же, разобрав свой персональный компьютер. Можно найти их в блоке питания, а также на материнской плате компьютера.

Самым маленьким ESR обладают керамические и SMD-керамические конденсаторы

Интересное видео по теме:

Заключение

Ну что еще можно сказать про ESR? В настоящее время идет битва среди производителей за рынок. Кто предложит конденсатор с минимальным ESR и хорошей емкостью, тот молоток ;-). Не поленитесь также купить или собрать прибор ESR-метр. Особенно он будет очень актуален для ремонтников радиоэлектронной аппаратуры. Мультиметр может показать вам емкость и ток утечки, но вот внутреннее сопротивление покажет именно ESR-метр.

Бывало очень много случаев, когда аппаратура ну никак не хотела работать, хотя все элементы в ней были целые. В этом случае просто замеряли ESR-метром конденсаторы и выявляли их сопротивление. После замены дефектных конденсаторов с большим ESR на конденсаторы с низким ESR (LOW ESR), аппаратура оживала и работала долго и счастливо.

Источник