Конденсаторы и индукторы , используемые в электрических цепях , не являются идеальными компонентами, имеющими только емкость или индуктивность . Однако их можно рассматривать с очень хорошей степенью приближения как идеальные конденсаторы и индукторы, соединенные последовательно с сопротивлением ; это сопротивление определяется как эквивалентное последовательное сопротивление ( ESR ). Если не указано иное, ESR всегда является сопротивлением переменного тока , что означает, что оно измеряется на определенных частотах: 100 кГц для компонентов импульсного источника питания, 120 Гц для компонентов линейного источника питания и на собственной резонансной частоте для компонентов общего назначения. Кроме того, аудиокомпоненты могут сообщать о « факторе добротности », включающем ESR среди прочего, на частоте 1000 Гц.
Теория электрических цепей имеет дело с идеальными резисторами , конденсаторами и индукторами , каждый из которых, как предполагается, вносит в цепь только сопротивление, емкость или индуктивность . Однако все компоненты имеют ненулевое значение каждого из этих параметров. В частности, все физические устройства изготовлены из материалов с конечным электрическим сопротивлением , так что физические компоненты имеют некоторое сопротивление в дополнение к своим другим свойствам. Физическое происхождение ESR зависит от рассматриваемого устройства. Одним из способов решения этих внутренних сопротивлений при анализе цепи является использование модели сосредоточенных элементов для выражения каждого физического компонента как комбинации идеального компонента и небольшого резистора последовательно, ESR. ESR можно измерить и включить в технический паспорт компонента . В некоторой степени его можно рассчитать из свойств устройства.
Фактор добротности , который связан с ESR и иногда является более удобным параметром, чем ESR, для использования при расчетах высокочастотных неидеальных характеристик реальных индукторов, указывается в технических характеристиках индукторов.
Конденсаторы, индукторы и резисторы обычно проектируются так, чтобы минимизировать другие параметры. Во многих случаях это может быть сделано в достаточной степени, так что паразитная емкость и индуктивность резистора, например, будут настолько малы, что не будут влиять на работу схемы. Однако при некоторых обстоятельствах паразитные факторы становятся важными и даже доминирующими.
Чистые конденсаторы и индукторы не рассеивают энергию; любой компонент, рассеивающий энергию, должен рассматриваться в эквивалентной модели схемы, включающей один или несколько резисторов. Фактические пассивные двухполюсные компоненты могут быть представлены некоторой сетью сосредоточенных и распределенных идеальных индукторов, конденсаторов и резисторов, в том смысле, что реальный компонент ведет себя так же, как и сеть. Некоторые компоненты эквивалентной схемы могут изменяться в зависимости от условий, например, частоты и температуры.
Если возбуждать его периодической синусоидой ( переменным током ), компонент будет характеризоваться своим комплексным импедансом Z (ω) = R + j X (ω); импеданс может включать несколько второстепенных сопротивлений, индуктивностей и емкостей в дополнение к основному свойству. Эти небольшие отклонения от идеального поведения устройства могут стать значительными при определенных условиях, как правило, на высокой частоте, где реактивное сопротивление малых емкостей и индуктивностей может стать существенным элементом работы схемы. Могут использоваться модели меньшей или большей сложности в зависимости от требуемой точности. Для многих целей достаточно простой модели с индуктивностью или емкостью последовательно с ESR.
Эти модели, какими бы простыми или сложными они ни были, можно вставить в схему для расчета производительности. Для сложных схем имеются компьютерные инструменты; например, программа SPICE и ее варианты.
Индуктор состоит из проводящей изолированной проволочной катушки, обычно намотанной вокруг ферромагнитного сердечника. Индукторы имеют сопротивление, присущее металлическому проводнику, которое в технических описаниях обозначается как DCR . Это металлическое сопротивление мало для малых значений индуктивности (обычно ниже 1 Ом ). Сопротивление провода постоянного тока является важным параметром в трансформаторе и общей конструкции индуктора, поскольку оно вносит вклад в импеданс компонента, а ток, протекающий через это сопротивление, рассеивается в виде отработанного тепла , а энергия теряется в цепи. Его можно смоделировать как резистор, включенный последовательно с индуктором, что часто приводит к тому, что сопротивление постоянного тока называют ESR. Хотя это не совсем правильное использование, неважные элементы ESR часто игнорируются при обсуждении схемы, поскольку редко бывает, чтобы все элементы ESR были значимы для конкретного приложения.
Индуктор, использующий сердечник для увеличения индуктивности, будет иметь потери, такие как гистерезис и вихревые токи в сердечнике. На высоких частотах также есть потери в обмотках из-за эффектов близости и скин-эффекта . Они добавляются к сопротивлению провода и приводят к более высокому ESR.
В неэлектролитическом конденсаторе и электролитических конденсаторах с твердым электролитом металлическое сопротивление выводов и электродов, а также потери в диэлектрике вызывают ESR. Обычно приводимые значения ESR для керамических конденсаторов находятся в диапазоне от 0,01 до 0,1 Ом. ESR неэлектролитических конденсаторов имеет тенденцию быть довольно стабильным с течением времени; для большинства целей реальные неэлектролитические конденсаторы можно рассматривать как идеальные компоненты.
Алюминиевые и танталовые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом имеют гораздо более высокие значения ESR, до нескольких Ом ; электролиты с более высокой емкостью имеют более низкое ESR. ESR уменьшается с частотой вплоть до собственной резонансной частоты конденсатора. Очень серьезной проблемой, особенно с алюминиевыми электролитами, является то, что ESR увеличивается со временем из-за испарения и, что более важно, из-за истощения кислорода в электролите при использовании. [1] ESR может увеличиться достаточно, чтобы вызвать неисправность схемы и даже повреждение компонентов, хотя измеренная емкость может оставаться в пределах допуска . Хотя это происходит при нормальном старении, высокие температуры и большой пульсирующий ток усугубляют проблему. В схеме со значительным пульсирующим током увеличение ESR увеличит накопление тепла, тем самым ускоряя старение.
Электролитические конденсаторы, рассчитанные на работу при высоких температурах и более высокого качества, чем базовые потребительские детали, менее подвержены преждевременному выходу из строя из-за увеличения ESR. Дешевый электролитический конденсатор может быть рассчитан на срок службы менее 1000 часов (6 недель) при 85 °C. Детали более высокого качества обычно рассчитаны на несколько тысяч часов при максимальной номинальной температуре, как можно увидеть из технических описаний производителей. Если ESR имеет решающее значение, спецификация детали с более высоким температурным номиналом, «низким ESR» или большей емкостью, чем требуется в противном случае, может быть выгодной. Стандарта для номинала конденсатора «низкий ESR» не существует.
Полимерные конденсаторы обычно имеют более низкий ESR, чем мокрые электролитические того же значения, и стабильны при изменении температуры. Поэтому полимерные конденсаторы могут выдерживать более высокий пульсирующий ток. Примерно с 2007 года стало обычным для более качественных компьютерных материнских плат использовать только полимерные конденсаторы там, где ранее использовались мокрые электролитические конденсаторы. [2] [3]
ESR конденсаторов емкостью более 1 мкФ легко измерить внутри схемы с помощью измерителя ESR .