Noções básicas sobre esr e esl em capacitores

Os componentes eletrônicos mais usados ​​em qualquer projeto eletrônico são Resistores (R), Capacitores (C) e Indutores (L). A maioria de nós está familiarizada com os conceitos básicos desses três componentes passivos e como usá-los. Teoricamente (em condições ideais) um capacitor pode ser considerado um capacitor puro com apenas propriedades capacitivas, mas na prática um capacitor também terá algumas propriedades resistivas e indutivas acopladas a ele, que chamamos de resistência parasita ou indutância parasita. Sim, assim como um parasita, essas propriedades indesejáveis ​​de resistência e indutância ficam dentro de um capacitor, impedindo-o de se comportar como um capacitor puro.

Portanto, ao projetar um circuito, os engenheiros consideram principalmente a forma ideal do componente, neste caso a capacitância e, junto com ela, os componentes parasitas (indutância e resistência) também são considerados em série com ela. Esta resistência parasita é denominada como Resistência de Série Equivalente (ESR) e a indutância parasita é denominada como Indutância de Série Equivalente (ESL). O valor desta indutância e resistência será muito pequeno, que pode ser negligenciado em projetos simples. Mas em algumas aplicações de alta potência ou alta frequência, esses valores podem ser muito cruciais e, se não considerados, podem reduzir a eficiência do componente ou gerar resultados inesperados.

Neste artigo, aprenderemos mais sobre este ESR e ESL, como medi-los e como eles podem afetar um circuito. Semelhante a este, um indutor também terá algumas propriedades parasitas associadas a ele, chamadas DCR, que discutiremos em outro artigo em algum outro momento.

ESR em capacitores

Um capacitor ideal em série com resistência é chamado de resistência em série equivalente do capacitor. A resistência em série equivalente ou ESR em um capacitor é a resistência interna que aparece em série com a capacitância do dispositivo.

Vamos ver os símbolos abaixo , que representam o ESR do capacitor. O símbolo do capacitor está representando o capacitor ideal e o resistor como uma resistência em série equivalente. O resistor é conectado em série com o capacitor.

Um capacitor ideal é sem perdas, o que significa que o capacitor armazena carga e fornece a mesma quantidade de carga que a saída. Mas no mundo real, os capacitores têm um pequeno valor de resistência interna finita. Essa resistência vem do material dielétrico, vazamento em um isolador ou no separador. Somando-se a isso, a resistência em série equivalente ou ESR terá diferentes valores em diferentes tipos de capacitores com base em seu valor de capacitância e construção. Portanto, temos que medir o valor deste ESR praticamente para analisar as características completas de um capacitor.

Medindo ESR em capacitores

Medir o ESR de um capacitor é um pouco complicado porque a resistência não é uma resistência DC pura. Isso se deve à propriedade dos capacitores. Os capacitores bloqueiam DC e passam o AC. Portanto, o medidor de ohms padrão não pode ser usado para medir o ESR. Existem medidores ESR específicos disponíveis no mercado que podem ser úteis para medir a ESR de um capacitor. Esses medidores usam corrente alternada, como onda quadrada em uma frequência específica no capacitor. Com base na mudança na frequência do sinal, o valor ESR do capacitor pode ser calculado. Uma vantagem deste método é que, uma vez que o ESR é medido diretamente através dos dois terminais de um capacitor, ele pode ser medido sem dessoldar da placa de circuito.

Outra forma teórica de calcular o ESR do capacitor é medir a tensão de Ripple e a corrente de Ripple do capacitor e, a seguir, a relação de ambas fornecerá o valor de ESR no capacitor. No entanto, um modelo de medição ESR mais comum é aplicar uma fonte de corrente alternada ao capacitor com uma resistência adicional. Um circuito bruto para medir ESR é mostrado abaixo

O Vs é a fonte da onda senoidal e R1 é a resistência interna. O capacitor C é o capacitor Ideal enquanto o R2 é a Resistência Série Equivalente do capacitor ideal C. Uma coisa precisa ser lembrada é que neste modelo de medição ESR, a indutância do cabo do capacitor é ignorada e não é considerada como parte de o circuito.

A função de transferência deste circuito pode ser descrita na fórmula abaixo

Na equação acima, o recurso passa-alto do circuito é refletido; a aproximação da função de transferência pode ainda ser avaliada como -

H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1

A aproximação acima é adequada para operações de alta frequência. Nesse ponto, o circuito começa a se atenuar e atuar como um atenuador.

O fator de atenuação pode ser expresso como -

⍺ = R2 / (R2 + R1)

Este fator de atenuação e a resistência interna R1 do gerador de onda senoidal podem ser usados ​​para medir o ESR dos capacitores.

R2 = ⍺ x R1

Portanto, um gerador de função pode ser útil para calcular o ESR dos capacitores.

Normalmente, o valor ESR varia de alguns miliohms a vários ohms. Os capacitores eletrolíticos e de tântalo de alumínio têm alto ESR em comparação com os capacitores do tipo caixa ou de cerâmica. No entanto, o avanço moderno na tecnologia de fabricação de capacitores torna possível a fabricação de capacitores ESR super baixos.

Como ESR afeta o desempenho do capacitor

O valor ESR do capacitor é um fator crucial para a saída do capacitor. O capacitor ESR alto dissipa o calor em aplicações de alta corrente e a vida útil do capacitor eventualmente diminui, o que também contribui para o mau funcionamento dos circuitos eletrônicos. Em fontes de alimentação, onde a alta corrente é uma preocupação, os capacitores de baixo ESR são necessários para fins de filtragem.

Não apenas nas operações relacionadas à fonte de alimentação, mas também no baixo valor ESR, é essencial para o circuito de alta velocidade. Em frequências de operação muito altas, normalmente variando de centenas de MHz a vários GHz, ESR do capacitor desempenha um papel vital nos fatores de entrega de energia.

ESL no capacitor

Assim como ESR, ESL também é um fator crucial para capacitores. Como discutido antes, em situações reais, os capacitores não são ideais. Existe uma resistência dispersa, bem como uma indutância dispersa. Um modelo ESL típico de capacitor mostrado abaixo. O capacitor C é o capacitor ideal e o indutor L é a indutância em série conectada em série com o capacitor ideal.

Normalmente, o ESL é altamente confiável no loop de corrente; aumento no loop de corrente também aumenta o ESL nos capacitores. A distância entre a terminação do condutor e o ponto de conexão do circuito (incluindo pads ou trilhas) também influencia o ESL nos capacitores porque a distância de terminação aumentada também aumenta o loop de corrente, resultando em alta indutância em série equivalente.

Medindo ESL de um capacitor

A medição de ESL pode ser feita facilmente observando o gráfico de impedância versus frequência fornecido pela ficha técnica do fabricante do capacitor. A impedância do capacitor muda quando a frequência através do capacitor é alterada. Durante a situação, quando em uma frequência específica a reatância capacitiva e a reatância indutiva são iguais, é chamado de 'ponto de joelho'.

Neste ponto, o capacitor ressoa sozinho. O ESR do capacitor contribui para nivelar o gráfico de impedância até que o capacitor alcance o ponto de 'joelho' ou na frequência de auto-ressonância. Após o ponto de joelho, a impedância do capacitor começa a aumentar devido ao ESL do capacitor.

A imagem acima é um gráfico de impedância vs frequência de um MLCC (capacitor de cerâmica multicamada). Três capacitores, 100nF, 1nF classe X7R e 1nF de capacitores de classe NP0 são mostrados. Os pontos de 'joelho' podem ser facilmente identificados no ponto inferior do gráfico em forma de V.

Uma vez que a frequência do ponto de joelho é identificada, o ESL pode ser medido pela fórmula abaixo

Frequência = 1 / (2π√ (ESL x C))

Como ESL afeta a saída do capacitor

A saída dos capacitores degrada pelo aumento do ESL, o mesmo que o ESR. O ESL aumentado contribui para o fluxo indesejado de corrente e gera EMI, o que cria ainda mais mau funcionamento em aplicações de alta frequência. No sistema relacionado à fonte de alimentação, a indutância parasita contribui para a alta ondulação da tensão. A tensão de ondulação é proporcional ao valor ESL dos capacitores. Um grande valor ESL do capacitor também pode induzir formas de onda de toque, fazendo com que o circuito se comporte de maneira estranha.

Importância prática de ESR e ESL

A imagem abaixo fornece o modelo real de ESR e ESL no capacitor.

Aqui, o Capacitor C é um capacitor ideal, o resistor R é a Resistência Série Equivalente e o indutor L é a Indutância Série Equivalente. Combinando esses três, o capacitor real é feito.

ESR e ESL não são características tão agradáveis ​​de um capacitor, que causam uma variedade de redução de desempenho em circuitos eletrônicos, especialmente em aplicações de alta frequência e alta corrente. O alto valor de ESR contribui para o mau desempenho devido às perdas de energia causadas por ESR; a perda de potência pode ser calculada usando a lei de potência I ² R, onde R é o valor ESR. Não só isso, ruídos e alta queda de tensão também ocorrem devido ao alto valor ESR de acordo com a lei de Ohms. A tecnologia moderna de fabricação de capacitores reduz o valor ESR e ESL do capacitor. Uma grande melhoria pode ser vista nas atuais versões SMD de capacitores multicamadas.

Capacitores de menor valor ESR e ESL são preferidos como filtros de saída em circuitos de alimentação de comutação ou projetos SMPS porque a frequência de comutação é alta nesses casos, normalmente perto de vários MH _z variando de centenas de kHz. Por causa disso, o capacitor de entrada e os capacitores do filtro de saída precisam estar em um valor ESR baixo para que as ondulações de baixa frequência não tenham efeitos no desempenho geral da unidade de fonte de alimentação. O ESL dos capacitores também precisa ser baixo, para que a impedância do capacitor não interaja com a frequência de chaveamento da fonte de alimentação.

Em uma fonte de alimentação de baixo ruído, onde os ruídos precisam ser suprimidos e os estágios do filtro de saída devem ser baixos em números, os capacitores de ESR superbaixa e ESL de alta qualidade são úteis para saída suave e fornecimento de energia estável para a carga. Em tal aplicação, eletrólitos de polímero são uma escolha adequada e comumente preferidos em relação aos capacitores eletrolíticos de alumínio.