Что такое low esr

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

Что такое ESR?

Потери в диэлектрике, обусловленные особенностями его поляризации, составляют основную часть потерь в конденсаторе и определяются материалом, а так же толщиной слоя диэлектрика.

В этом случае угол сдвига фаз между током и напряжением будет не 90°, как в идеальном конденсаторе, а несколько меньше.
Тангенс угла δ, составляющего эту разницу с 90°, называют тангенсом угла потерь.

Тангенс угла определится отношением активного сопротивления к реактивному R/Xc, как тригонометрическая функция отношения двух катетов треугольника сопротивлений, показанного на рисунке выше.

В электролитических конденсаторах значимой частью ESR является сопротивление жидкого электролита, который используется в качестве одной из обкладок для обеспечения максимальной площади соприкосновения с диэлектриком.
Активное сопротивление электролита в реальных конденсаторах обычно соизмеримо с десятыми или даже с сотыми долями Ома при 20°C, но для конденсаторов большой ёмкости, используемых в фильтрах выпрямителей ИИП на рабочей частоте порядка 100 кГц, когда его реактивное сопротивление измеряется тысячными долями Ома, эта величина может составлять основные потери, и будет значительно уменьшаться по мере прогрева.
При рабочей температуре величина диэлектрических потерь на таких частотах обычно оказывается в несколько раз больше.

Сопротивление электролита зависит от температуры по причине изменения степени его вязкости и подвижности ионов.

В процессе работы происходит нагрев диэлектрика и электролита переменным током, в связи с чем существенно уменьшается сопротивление электролита, тогда ESR конденсатора будет определяться преимущественно его диэлектрическими потерями, которые продолжат греть конденсатор в допустимых расчётами пределах.
Но, в случаях разогрева до температуры кипения, электролит утрачивает свои первоначальные свойства и при последующем охлаждении становится более вязким, что ухудшает подвижность ионов и повышает активное сопротивление. Дальнейшая эксплуатация будет вызывать ещё больший разогрев и ухудшение качества электролита, что в последствии приведёт к непригодности конденсатора для дальнейшей работы.
Неисправные конденсаторы, в которых кипел электролит, обычно определяются визуально по вздувшемуся и разгерметизированному корпусу.

Наряду с ухудшением качества электролита, часто активное сопротивление в конденсаторах возрастает по причине ухудшения контактов обкладок с выводами, вплоть до полного обрыва. В электролитических это происходит чаще, в металлокерамических реже, телевизионным мастерам все эти случаи хорошо знакомы. А ремонтники старшего поколения, кто застал советские ламповые телевизоры, хорошо помнят бумажные конденсаторы, которые иногда поджимали пассатижами для уплотнения контактных соединений внутри, и они какое-то время ещё работали.

Таблица ESR

Таблица Боба Паркера для ESR-метра K7214

Рассчитаем округлённо реактивное сопротивление для популярных номиналов при усреднённой частоте пробников 20 кГц, чтобы иметь представление хотя бы о порядке их идеальных значений.

Ещё раз напомню, никакой пропорции между ESR и этими значениями быть не может. Тем более, с учётом конструктивных особенностей электролитических конденсаторов для разных габаритов и вольтажа.
Повторюсь. Это лишь реактивное сопротивление, которое имеет большее значение при измерении конденсаторов меньшей ёмкости, как реальная погрешность для пробников, основанных на измерении импеданса.
То есть, чистое значение ESR у конденсатора 100 мкф и 1 мкф может быть одинаковым, а прибор покажет разницу в десятки раз, ибо добавит ёмкостное значение, которое будет решающим для показаний прибора на измеряемой частоте у малых ёмкостей.

Более сложные цифровые приборы способны замерить точные значения во время заряда конденсатора постоянным током, рассчитать его ёмкость и ESR без реактивной составляющей.
Но измерение постоянным током не учитывает диэлектрические потери, которые напрямую зависят от частоты. Кроме того, конденсаторы нужно выпаивать из платы для таких замеров.

Спасибо за внимание!

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Источник

Что такое low esr

ОСОБЕННОСТИ КОНДЕНСАТОРОВ С НИЗКИМ ESR
До последнего времени четкое определение конденсатора с низким ESR отсутствовало. Такие стандарты, как JIS5141 и EIA395, касаются только процедур испытаний конденсаторов. Отсутствие стандартов заставило отдельных производителей самостоятельно определять, что же значит конденсатор с низким ESR. В итоге большинство поставщиков установили согласованный критерий, определяющий такие конденсаторы как элементы, у которых:
· срок службы больше, чем у стандартных конденсаторов;
· максимальный импеданс задается на частоте 100 кГц и остается неизменным в диапазоне температур +20…-10°С;
· пульсирующий ток определяется на частоте 100 кГц;
· повышенная температурная стабильность (температурный коэффициент импеданса).
Конденсаторы с низким ESR одного и того же номинала могут монтироваться в корпуса различных размеров.
Для лучшего понимания того, что же представляют собой конденсаторы с низким ESR и каковы их характеристики, необходимо сначала понять, что же значит низкое ESR и как оно влияет на рабочие характеристики схемы.

Эквивалентная схема конденсатора содержит четыре основных элемента (рис.1), причем значения трех – импеданса конденсатора (Z), эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), эквивалентной последовательной индуктивности (ESL) – зависят от частоты. Значение Rp зависит от постоянного тока. Рассмотрим лишь зависящие от частоты характеристики конденсатора – ESL, ESR и Z.
ESL – сумма индуктивностей всех индуктивных элементов конденсатора. ESL = 2PIЧfЧL, где f – рабочая частота и L – индуктивность.
ESR, подобно ESL, – сумма всех резистивных элементов конденсатора. ESR = DF/(2PIЧfЧC)ЧХс, где DF – коэффициент рассеяния,
f – частота, С – емкость и Хс – емкостное сопротивление,
.
Z – импеданс конденсатора. Z = Ц(ESR)2 + (ESL – Xc)2.
Зависимости этих параметров от частоты приведены на рис.2.
Частотные зависимости параметров всех конденсаторов имеют одинаковый характер. Таким образом, для уменьшения ESR следует использовать конденсатор либо большей емкости, либо с меньшим коэффициентом рассеяния. Уменьшение ESR с увеличением емкости конденсатора хорошо понятно и не требует объяснений. Уменьшение ESR за счет применения диэлектрика с меньшим коэффициентом рассеяния наглядно иллюстрирует табл.1, из которой можно сделать несколько важных выводов.
Во-первых, если обратить внимание на частоты, для которых рассчитывалось значение ESR, можно отметить, что с увеличением частоты значение ESR уменьшается. Поэтому при задании в технических условиях на конденсатор с низким ESR требуемого значения эквивалентного последовательного сопротивления необходимо также указывать частоту, на которой ESR измеряется, в противном случае велика вероятность неправильного выбора конденсатора. На рис.3 приведена типовая зависимость ESR от частоты для танаталового конденсатора емкостью 22 мкФ на напряжение 25 В.
Важна и температура, которую необходимо учитывать при оценке конденсатора, особенно если он должен работать при минусовых температурах. Это в первую очередь существенно для алюминиевых электролитических конденсаторов. При очень низких температурах емкость этих конденсаторов может уменьшиться на 10–40%, а DF возрасти на порядок. Поэтому конденсаторы, которые должны работать при низких температурах окружающей среды, необходимо выбирать очень тщательно.
Во-вторых, у конденсаторов с различными диэлектриками различны и значения ESR. Меняя диэлектрик, можно изменять значение ESR. Следует обратить внимание на существенное различие между значениями ESR для алюминиевых электролитических и полипропиленовых конденсаторов.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Различны и значения ESR для пленочных и алюминиевых электролитических конденсаторов. Эти различия определяют предпочтительные области применения каждого типа. К достоинствам пленочных конденсаторов относятся, в первую очередь, независимая полярность конструкции, высокое рабочее напряжение, малые значения емкости, жесткие допуски на значение емкости, самовосстановление (только металлизированная конструкция), высокая безотказность, стойкость к большому току пульсации, разнообразие форм выводов и корпусов. Применяются пленочные конденсаторы, как правило, в системах, где требуется низкое ESR для подавления электромагнитных и радиопомех.
Алюминиевые электролитические конденсаторы широко используются в импульсных преобразователях напряжения. Выпускаются они различных, отличающихся по своим параметрам, типов (табл.2). Так, в сравнении со стандартными, алюминиевые электролитические конденсаторы с низким ESR характеризуются большими значениями емкости, большим сроком службы (более 5 тыс. часов) и долговечностью при полной нагрузке, способностью выдерживать более высокие токи пульсации, большим разнообразием размеров корпусов.
Самые большие различия получены для таких параметров, как долговечность при полной нагрузке, импеданс (Z) и ESR на частоте 100 кГц. Конденсаторы с малыми значениями ESR и импеданса широко используются в импульсных источниках питания для обеспечения стабильности их характеристик. Конденсаторы с высокими значениями ESR будут слишком нагреваться и не позволят стабилизировать ток. Очевидно, саморазогрев конденсаторов также приводит к сокращению их срока службы и, соответственно, к ухудшению характеристик и срока службы стабилизатора на токовых ключах. К тому же, максимальное значение тока пульсации низкоимпедансных конденсаторов больше, чем у стандартных, что позволяет сократить число используемых элемнтов и, тем самым, уменьшить размеры преобразователя.
В качестве примера на рис.4 приведена зависимость напряжения пульсаций на ИС от ESR конденсатора, используемого в цепи развязки по питанию. Комментарии, как говорится, излишни.
Таким образом, если в схеме необходимо использовать конденсаторы с низким ESR, в первую очередь следует определить допустимые пределы значения эквивалентного сопротивления и выбрать компоненты, «соответствующие» требованиям. При этом важно знать условия, при которых производитель проводил испытания, поскольку их характеристики существенно влияют на работу конденсатора в схеме. Серьезную техническую поддержку при выработке требований и рекомендаций по выбору нужного типа конденсатора оказывают разработчикам такие изготовители, как Teapo Electronics и Illinois Capacitor.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Ведущие мировые компании по производству конденсаторов уделяют очень большое внимание конденсаторам с низким ESR. Например, Teapo Electronic Corporation, специализирующаяся на выпуске высококачественных алюминиевых электролитических и пленочных конденсаторов, предлагает алюминиевые электролитические низкоимпедансные конденсаторы с низким ESR на рабочую температуру до 105°C серий SC (срок службы 3 тыс. ч при температуре 105°C ) и SX (5 тыс. ч при температуре 105°C ).
Но, пожалуй, нигде, кроме России, нельзя встретить столь вопиющее неcоответствие между назначением изделия и уровнем (откровенно низким) используемой элементной базы. Например, вряд ли где-либо еще в дорогой системе промышленной автоматики можно найти плохие «электролиты». И это не у одного какого-либо производителя. Это – общая беда российской электронной промышленности последних лет. Правда, сегодня ситуация меняется. Качественные конденсаторы, в том числе и с низким ESR, по цене лишь незначительно превосходящие стандартные, становятся доступными отечественному производителю. К тому же, меняется и его менталитет. И это дает надежду на то, что изделия с маркой «Сделано в России» в реальности, а не на бумаге, не будут уступать лучшим зарубежным аналогам.
Компания ПОЛИСЭТ представляет на российском рынке весь спектр высококачественных электролитических и пленочных конденсаторов фирмы Teapo Electronic, а также танталовые электролитические конденсаторы фирмы Samsung Electro-Mechanics.
Тел.: (095) 967-0591; www.poliset.ru; info@poliset.ru

Литература
www.yageo.com
www.teapo.com.tw
www.sem.samsung.com/
Aluminium Electrolytic Capacitors Catalogue, 2001, Teapo Electronic Corporation.
R.W. Franklin, Equivalent Series Resistance of Tantalum Capacitors, AVX Limited, 2001
Passive Component Industry, September/October 2001
R.K. Keenan, Decoupling and layout of Digital Printed Circuits,198

Пролезет ли конденсатор в игольное ушко?
В конце октября 2001 года фирма Samsung Electro-Mechanics выпустила самый миниатюрный в мире многослойный керамический конденсатор для поверхностного монтажа (SMD MLCC) марки 0603MLCC. Размер конденсатора 0,6х0,3 мм, а объем составляет всего лишь одну пятую от объема его предшественника. Конденсатор столь мал, что практически не виден невооруженным глазом. Поэтому производственный процесс полностью автоматизирован. Фирма выпускает конденсатор двух типов: X7R (стандартный) и NPO (с низким эквивалентным последовательным сопротивлением).
Сейчас Samsung Electro-Mechanics ежемесячно выпускает около 30 млн. конденсаторов, в 2002 году объем их производства будет увеличен. Сегодня фирма Samsung Electro-Mechanics контролирует около 30% мирового рынка многослойных керамических конденсаторов и в ближайшее время намерена стать их крупнейшим производителем.

Скорость передачи 10 Гбайт/с
По медным проводам
Утверждение, что скорость передачи 10 Гбайт/с доступна лишь для оптического волокна, опровергает соединитель модели Connector–X фирмы Winchester Electronics, способный поддерживать передачу 12 различных пар сигналов с такой скоростью. Это в три-четыре раза выше, чем у современных соединителей медных проводов. Плавкие кнопочные контакты соединителя, напоминающие миниатюрные стальные подушечки для чистки кастрюль, выдерживают 250 циклов сочленения. Для обеспечения контакта соединителя с токопроводящими линиями печатной платы (которая может выполняться на достаточно дешевом материале FC-4) не нужны отверстия, достаточны лишь две крепежные точки. Это позволяет снизить стоимость сборки, улучшить выход годных и предотвратить сбои в передаче сигнала. Цена соединителя длиной 1 дюйм (25,4 мм) – 250–300 долларов.

Процесс восстановления пластин GaAs
Старые не хуже новых
Фирма Exsil разработала процесс восстановления арсенидгаллиевых пластин для их повторного использования в производстве активных приборов и микросхем. Возможность применения таких пластин весьма перспективна, особенно если вспомнить, что стоимость “первичных” GaAs-пластин на порядок выше, чем кремниевых, – 350–450 долл. при диаметре150 мм. За восстановленную пластину нужно заплатить всего 85–100 долл. Линия фирмы предназначена для восстановления пластин GaAs диаметром 100 и 150 мм, которые по своим параметрами не уступают, а в некоторых случаях превосходят первичные пластины.

Electronic News, 2001, Nov.15.

Электроника движет ростом затрат на НИОКР
По данным отделения технологической политики Министерства торговли США, затраты на НИОКР в 2000 году (самые последние точные данные на сегодня) составили 162,7 млрд. долл., что на 9,3% больше, чем в предыдущем году (145, 6 млрд. долл.). Затраты на НИОКР могут служить серьезным индикатором потенциального роста экономики страны и тенденций развития технологии. Большая часть инвестиций (67%) сосредоточена в двух областях – производство и услуги информационной и электронной технологии и медицинские средства и устройства. При этом на НИОКР в области информационной и электронной технологии было затрачено 47,2% общих корпоративных средств, что на 16,3% больше, чем в 1999 году (в остальных секторах американской экономики рост составил всего 3,7%). Сократились затраты на НИОКР в области аэрокосмических исследований и химической промышленности.

Источник