آموزش الکترونیکآموزش ها

ESR و ESL در خازن (ESR و ESL چیست؟)

بیشترین استفاده از قطعات الکترونیکی در هر طراحی الکترونیکی مقاومت (R)، خازن (C) و انداکتور (L) است. بیشتر ما با اصول این سه جز غیرفعال و نحوه استفاده از آنها آشنا هستیم. از نظر تئوری (در شرایط ایده آل)، یک خازن را می توان به عنوان یک خازنی خالص فقط با ویژگی های خازنی در نظر گرفت، اما در عمل یک خازن دارای برخی از خصوصیات مقاومتی و القایی همراه با آن است، که ما آنها را مقاومت پارازیتی یا القا پارازیتی می نامیم. بله، درست مانند یک پارازیت، این مقاومت ناخواسته و خاصیت القایی درون خازن قرار دارد و از رفتار آن مانند یک خازن خالص جلوگیری می کند.

از این رو، در حالی که مهندسان مدار در درجه اول فرم ایده آل جزء را در نظر می گیرند، در این حالت ظرفیت خازنی و سپس همراه آن اجزای پارازیتی (اندوکتانس و مقاومت) نیز در نظر گرفته می شوند که با آن سری هستند. این مقاومت پارازیتی به عنوان مقاومت سری معادل (ESR) و القا پارازیتی به عنوان اندوکتانس سری معادل (ESL) نامیده می شود. مقدار این اندوکتانس و مقاومت بسیار ناچیز خواهد بود، به طوری که می توان در طراحی های ساده از آن چشم پوشی کرد. اما در برخی از کاربردهایی با توان بالا یا فرکانس بالا این مقدار می تواند بسیار مهم باشد و در صورت عدم توجه ممکن است باعث کاهش کارایی مولفه یا خروجی غیر منتظره شود.

در این مقاله ما درباره این ESR و ESL، نحوه اندازه گیری آنها و چگونگی تأثیر آنها بر روی مدار بیشتر خواهیم آموخت. مشابه این، یک انداکتور همچنین دارای برخی از خصوصیات پارازیتی مرتبط با آن است که DCR نامیده می شود و ما در مقاله دیگری به آنها خواهیم پرداخت.

مطلب پیشنهادی مرتبط با این مطلب : آموزش و معادلات مدار خازن ها

ESR در خازن

یک خازن ایده آل در سری با مقاومت، مقاومت سری معادل خازن نامیده می شود. مقاومت سری معادل یا ESR در یک خازن، مقاومت داخلی است که به صورت سری با ظرفیت دستگاه ظاهر می شود. بیایید نمادهای زیر را ببینیم، که نشان دهنده ESR خازن است. نماد خازن نشان دهنده خازن ایده آل و مقاومت به عنوان مقاومت سری معادل است. مقاومت به خازن به صورت سری متصل می شود.

ESR در خازن

یک خازن ایده آل بدون افت است، به این معنی که خازن شارژ ذخیره می کند و همان مقدار شارژ را به عنوان خروجی ارائه می دهد. اما در دنیای واقعی، خازن ها دارای مقدار کمی مقاومت داخلی محدود هستند. این مقاومت از مواد دی الکتریک، نشت در یک عایق یا جدا کننده حاصل می شود. علاوه بر این، مقاومت سری معادل یا ESR بر اساس مقدار خازن و ساخت آن در انواع مختلف خازن ها مقادیر مختلفی خواهد داشت. از این رو ما باید مقدار این ESR را عملاً اندازه گیری کنیم تا مشخصات کامل یک خازن را تجزیه و تحلیل کنیم.

اندازه گیری ESR خازن

اندازه گیری ESR یک خازن کمی دشوار است زیرا مقاومت، یک مقاومت DC خالص نیست. این به دلیل خاصیت خازن ها است. خازن ها DC را مسدود کرده و AC را عبور می دهند. بنابراین نمی توان از اهم متر استاندارد برای اندازه گیری ESR استفاده کرد. متر های ESR خاصی در بازار وجود دارند که می توانند برای اندازه گیری ESR خازن مفید باشند. این متر ها از جریان متناوب مانند موج مربع در یک فرکانس خاص در خازن استفاده می کنند. براساس تغییر فرکانس سیگنال می توان مقدار ESR خازن را محاسبه کرد. یک مزیت این روش این است که، از آنجا که ESR مستقیماً از طریق دو پایانه خازن اندازه گیری می شود، می توان آن را بدون لحیم کاری از صفحه مدار اندازه گیری کرد.

روش تئوری دیگر برای محاسبه ESR خازن اندازه گیری ولتاژ Ripple و جریان Ripple خازن است و سپس نسبت هر دو، مقدار ESR در خازن را می دهد. با این وجود، یک مدل اندازه گیری متداول ESR، استفاده از منبع جریان متناوب در خازن با مقاومت اضافی است. مدار ساده ای برای اندازه گیری ESR در زیر نشان داده شده است. Vs منبع موج سینوسی و R1 مقاومت داخلی است. خازن C خازن ایده آل است در حالی که R2 مقاومت سری معادل خازن ایده آل C است. یک نکته ای که لازم به یادآوری است، این است که در این مدل اندازه گیری ESR، اندوکتانس سرب خازن نادیده گرفته می شود و به عنوان بخشی از مدار در نظر گرفته نمی شود.

اندازه گیری ESR خازن 

اگر میخواهید آردوینو را به صورت اصولی و پروژه محور (برنامه نویسی حرفه ای، ارتباط آردوینو با اندروید، ساخت ربات با آردوینو) یاد بگیرید، روی دوره آموزش آردوینو کلیک کنید.

عملکرد انتقال این مدار را می توان در فرمول زیر نشان داد :

فرمول اندازه گیری ESR در خازن

در معادله فوق، ویژگی عبور زیاد مدار منعکس شده است. تقریب عملکرد انتقال را می توان بیشتر ارزیابی کرد :

H(s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1

تقریب فوق برای عملیات با فرکانس بالا مناسب است. در این مرحله مدار شروع به تضعیف شدن می کند و به عنوان تضعیف کننده عمل می کند.

ضریب میرایی را می توان به صورت زیر بیان کرد:

همچنین اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید
 = R2 / (R2 + R1)

از این ضریب میرایی و مقاومت داخلی ژنراتور سینوسی R1 می توان برای اندازه گیری خازن ها ESR استفاده کرد.

R2 =  x R1

بنابراین، یک ژنراتور عملکرد می تواند برای محاسبه ESR خازن ها مفید باشد. به طور معمول، مقدار ESR از چند میلی اهم تا چند اهم است. خازن های الکترولیتی و تانتالیومیِ آلومینیومی در مقایسه با نوع جعبه یا خازن های سرامیکی دارای ESR بالایی هستند. با این حال، پیشرفت مدرن در فناوری ساخت خازن، امکان تولید خازن های فوق العاده کم ESR را فراهم می کند.

برای اندازه گیری خازن میتوانید مقاله روبرو را بخوانید : آموزش اندازه گیری خازن با آردوینو

تاثیر ESR بر عملکرد خازن

مقدار ESR خازن یک عامل حیاتی برای خروجی خازن است. خازن ESR بالا در کاربرد جریان بالا گرما را پخش می کند و در نهایت عمر خازن کاهش می یابد، که این امر همچنین به سوء عملکرد در مدارهای الکترونیکی کمک می کند. در منابع تغذیه، جایی که جریان بالا نگران کننده باشد، خازن های کم ESR برای اهداف فیلتراسیون مورد نیاز است.

نه تنها در عملیات مربوط به منبع تغذیه، بلکه مقدار ESR کم نیز برای مدار با سرعت بالا ضروری است. در فرکانس های اجرایی بسیار بالا، به طور معمول از صدها مگاهرتز تا چند گیگاهرتز، ESR خازن نقش مهمی در عوامل تحویل برق دارد.

ESL در خازن

ESL نیز یک عامل حیاتی برای خازن ها است. همانطور که قبلاً بحث شد، در شرایط واقعی خازن ها ایده آل نیستند. یک مقاومت پراکنده و همچنین اندوکتانس پراکنده وجود دارد. یک مدل معمولی ESL از خازن در زیر نشان داده شده است. خازن C خازن ایده آل و انداکتور L اندوکتانس سری متصل شده به صورت سری با خازن ایده آل است.

ESL در خازن

به طور معمول، ESL به حلقه جریان بسیار وابسته است. افزایش حلقه جریان همچنین باعث افزایش ESL در خازن ها می شود. فاصله بین انتهای سرب و نقطه اتصال مدار (شامل پد ها یا تراک ها) نیز بر روی ESL در خازن ها تأثیر می گذارد زیرا افزایش فاصله انتها همچنین باعث افزایش حلقه جریان و در نتیجه اندوکتانس سری معادل زیاد می شود.

اندازه گیری ESL خازن

اندازه گیری ESL به راحتی با مشاهده نمودار امپدانس در برابر فرکانس داده شده توسط صفحه داده سازنده خازن انجام می شود. با تغییر فرکانس خازن، امپدانس خازن تغییر می کند. در حین وضعیت، وقتی در یک فرکانس خاص رابط واکنش خازنی و واکنش رابط القایی برابر هستند، از آن به عنوان”نقطه زانویی” یاد می شود.

در این مرحله، خود خازن طنین انداز می شود. ESR خازن کمک می کند تا طرح امپدانس صاف شود تا خازن به نقطه زانویی یا در فرکانس خود تشدیدی برسد. پس از نقطه زانویی، به دلیل ESL خازن، امپدانس خازن شروع به افزایش می کند.

اندازه گیری ESL خازن

تصویر بالا نمودار امپدانس در برابر فرکانس MLCC (خازن سرامیکی چند لایه) است. سه خازن، 100nF، 1nF کلاس X7R و 1nF کلاس NP0 خازن نشان داده شده است. نقاط “زانویی” به راحتی در نقاط پایین تر طرح V شکل شناسایی می شوند.

پس از شناسایی فرکانس نقطه زانویی، ESL را می توان با فرمول زیر اندازه گیری کرد :

Frequency = 1 / (2π√(ESL x C))

تاثیر ESL بر خروجی خازن

خروجی خازن ها با افزایش ESL، مانند ESR، کاهش می یابد. افزایش ESL به جاری شدن ناخواسته جریان کمک می کند و EMI تولید می کند، که باعث ایجاد سوء عملکرد در برنامه های با فرکانس بالا می شود. در سیستم مربوط به منبع تغذیه، القا پارازیتی به ولتاژ موج دار بالا کمک می کند. ولتاژ موج دار متناسب با مقدار ESL خازن ها است. مقدار ESL زیاد خازن نیز می تواند باعث ایجاد شکل موج های حلقوی شود و مدار را به صورتی عجیب و غریب درآورد.

اهمیت عملی ESR و ESL

تصویر زیر مدل واقعی ESR و ESL در خازن را نشان می دهد.

اهمیت عملی ESR و ESL

در اینجا، خازن C یک خازن ایده آل است، مقاومت R برابر با معادل سری مقاومت و انداکتور L، معادل سری اندوکتانس است. با ترکیب این سه، خازن واقعی ساخته می شود.

ESR  و ESL از ویژگی های چندان خوشایند خازن نیستند، که باعث کاهش عملکرد متنوعی در مدارهای الکترونیکی، به ویژه در کاربردهای با فرکانس بالا و جریان زیاد می شوند. مقدار بالای ESR به دلیل اتلاف توان ناشی از ESR به عملکردی ضعیف کمک می کند. اتلاف توان را می توان با استفاده از قانون توان I2R محاسبه کرد که R مقدار ESR است. نه تنها این، صداها و افت ولتاژ بالا نیز به دلیل مقدار ESR بالا مطابق قانون اهم ایجاد می شوند. فن آوری مدرن ساخت خازن، مقدار ESR و ESL خازن را کاهش می دهد. در نسخه های SMD خازن های چند لایه امروزه پیشرفت بزرگی دیده می شود.

خازن های کم ESR و ESL به عنوان فیلترهای خروجی در مدارهای تغذیه سوئیچینگ یا طرح های SMPS ترجیح داده می شوند زیرا فرکانس سوئیچینگ در این موارد زیاد است، معمولاً نزدیک به چند مگاهرتز از صدها کیلو هرتز . به همین دلیل خازن ورودی و خازن های فیلتر خروجی باید دارای مقدار کمی از ESR باشند تا موج دار شدن فرکانس پایین هیچ تاثیری در عملکرد کلی واحد منبع تغذیه نداشته باشد. ESL خازن ها نیز باید کم باشد، به طوری که امپدانس خازن با فرکانس سوئیچینگ منبع تغذیه ارتباط برقرار نکند.

در منبع تغذیه کم صدا، جایی که صداها باید متوقف شوند و تعداد فیلترهای خروجی باید کم باشد، خازن های بسیار کم ESR و ESL کم کیفیت، برای خروجی روان و تحویل پایدار برق به بار مفید هستند. در چنین کاربردی، الکترولیت های پلیمری گزینه مناسبی هستند و معمولاً بر خازن های الکترولیتی آلومینیومی ترجیح داده می شوند.

پیشنهاد میکنم مقاله نشتی خازن را نیز بخوانید.

نظرتان را در مورد این مطلب با ستاره دادن اعلام کنید
امیدوارم این مطلب برای شما مفید بوده باشد. نظرات ، مشکلات و پیشنهادات خود را در پایین صفحه اعلام کنید
محمد رحیمی

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. مالکیتی بر مطالب ارائه شده ندارم. اکثر فعالیت بنده در زمینه ترجمه است. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید)

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *