ESL và ESR capacitor : Các thành phần điện tử được sử dụng nhiều nhất trong bất kỳ thiết kế điện tử nào là Điện trở (R), Tụ điện (C) và Cuộn cảm (L). Hầu hết chúng ta đều quen thuộc với những kiến ​​thức cơ bản về ba thành phần bị động này và cách sử dụng chúng. Về mặt lý thuyết (trong điều kiện lý tưởng) tụ điện có thể được coi là tụ điện thuần chỉ có đặc tính điện dung, nhưng trên thực tế tụ điện cũng sẽ có một số đặc tính điện trở và cảm ứng cùng với nó , chúng ta gọi là điện trở ký sinh hoặc điện cảm ký sinh. Vâng, giống như một ký sinh trùng, đặc tính điện trở và điện cảm không mong muốn này nằm bên trong tụ điện ngăn nó hoạt động như một tụ điện thuần túy.

Do đó, trong khi thiết kế mạch, các kỹ sư chủ yếu xem xét hình thức lý tưởng của linh kiện, trong trường hợp này là điện dung và sau đó cùng với nó, các thành phần ký sinh (Điện cảm và điện trở) cũng được coi là mắc nối tiếp với nó. Điện trở ký sinh này được gọi là Điện trở chuỗi tương đương (ESR) và điện cảm ký sinh được gọi là Điện cảm chuỗi tương đương (ESL) Giá trị của điện cảm và điện trở này sẽ rất nhỏ, có thể bị bỏ qua trong các thiết kế đơn giản. Nhưng trong một số ứng dụng công suất cao hoặc tần số cao, giá trị này có thể rất quan trọng và nếu không được xem xét có thể làm giảm hiệu suất linh kiện hoặc tạo ra kết quả không mong muốn.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về ESR và ESL này, cách đo lường chúng và cách chúng có thể ảnh hưởng đến mạch điện . Tương tự như vậy, một cuộn cảm cũng sẽ có một số thuộc tính ký sinh liên quan đến nó được gọi là DCR mà chúng ta sẽ thảo luận trong một bài viết khác vào một thời gian khác.

ESR trong tụ điện – ESL và ESR capacitor

Một tụ điện lí tưởng mắc nối tiếp có dung kháng được gọi là Điện trở mắc nối tiếp tương đương của tụ điện. Điện trở nối tiếp tương đương hoặc ESR trong tụ điện là điện trở bên trong xuất hiện nối tiếp với điện dung của thiết bị.

Hãy xem các ký hiệu dưới đây , đại diện cho ESR của tụ điện . Ký hiệu tụ điện là đại diện cho tụ điện lý tưởng và điện trở là điện trở nối tiếp tương đương. Điện trở mắc nối tiếp với tụ điện.

Một tụ điện lý tưởng là không mất mát , nghĩa là tụ điện tích trữ và cung cấp cùng một lượng điện tích như đầu ra. Nhưng trong thế giới thực, tụ điện có giá trị nhỏ của nội trở hữu hạn . Điện trở này xuất phát từ vật liệu điện môi, rò rỉ trong chất cách điện hoặc trong bộ phân tách. Thêm vào đó, điện trở chuỗi tương đương hoặc ESR sẽ có các giá trị khác nhau trong các loại tụ điện khác nhau dựa trên giá trị điện dung và cấu tạo của nó. Do đó, chúng tôi phải đo giá trị của ESR này thực tế để phân tích các đặc tính hoàn chỉnh của tụ điện.

Đo ESR trong tụ điện – ESL và ESR capacitor

Việc đo ESR của tụ điện hơi phức tạp vì điện trở không phải là điện trở một chiều thuần. Điều này là do thuộc tính của tụ điện. Tụ điện chặn DC và vượt qua AC. Do đó, không thể sử dụng đồng hồ ohms tiêu chuẩn để đo ESR. Có các máy đo ESR cụ thể có sẵn trên thị trường có thể hữu ích để đo ESR của tụ điện. Các máy đo này sử dụng Dòng điện xoay chiều , chẳng hạn như sóng vuông ở một tần số cụ thể trên tụ điện. Dựa trên sự thay đổi tần số của tín hiệu, giá trị ESR của tụ điện có thể được tính toán. Một ưu điểm của phương pháp này là vì ESR được đo trực tiếp qua hai đầu cực của tụ điện nên nó có thể được đo mà không cần khử hàn khỏi bảng mạch.

Một cách lý thuyết khác để tính toán ESR của tụ điện là đo điện áp Ripple và dòng điện Ripple của tụ điện và sau đó tỷ lệ của cả hai sẽ cho giá trị của ESR trong tụ điện. Tuy nhiên, một mô hình đo ESR phổ biến hơn là áp dụng nguồn dòng điện xoay chiều qua tụ điện với một điện trở bổ sung. Một mạch thô để đo ESR được hiển thị bên dưới

V là nguồn sóng hình sin và R1 là điện trở trong. Tụ điện C là tụ điện lý tưởng trong khi R2 là điện trở dòng tương đương của tụ điện lý tưởng C. Một điều cần nhớ là trong mô hình đo ESR này, độ tự cảm dẫn của tụ điện bị bỏ qua và nó không được coi là một phần của mạch.

Các hàm truyền của mạch này có thể được mô tả trong các công thức dưới đây

Trong phương trình trên, đặc tính thông cao của mạch được phản ánh; sự xấp xỉ của hàm truyền có thể được đánh giá thêm là –

H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1

Giá trị gần đúng trên phù hợp với các hoạt động tần số cao. Tại thời điểm này, mạch bắt đầu suy giảm và hoạt động như một bộ suy giảm.

Hệ số suy giảm có thể được biểu thị bằng:

⍺ = R2 / (R2 + R1)

Hệ số suy giảm này và điện trở trong của bộ tạo sóng sin R1 có thể được sử dụng để đo ESR của tụ điện.

R2 = ⍺ x R1

Do đó, một bộ tạo hàm có thể hữu ích để tính toán ESR của các tụ điện.

Thông thường, giá trị ESR nằm trong khoảng từ vài mili giây đến vài ôm. Tụ điện nhôm và tụ tantali có ESR cao so với loại hộp hoặc tụ gốm. Tuy nhiên, sự tiến bộ hiện đại trong công nghệ sản xuất tụ điện cho phép sản xuất tụ điện ESR siêu thấp.

ESR ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất của tụ điện

Giá trị ESR của tụ điện là một yếu tố quan trọng đối với đầu ra của tụ điện. Tụ điện ESR cao sẽ tản nhiệt trong ứng dụng dòng điện cao và tuổi thọ của tụ điện giảm dần, điều này cũng góp phần gây ra sự cố trong các mạch điện tử. Trong các bộ nguồn, khi dòng điện cao là mối quan tâm, các tụ điện ESR thấp được yêu cầu cho các mục đích lọc.

Không chỉ trong các hoạt động liên quan đến nguồn điện mà giá trị ESR thấp cũng rất cần thiết cho mạch tốc độ cao. Ở các tần số hoạt động rất cao, thường nằm trong khoảng từ hàng trăm MHz đến vài GHz, ESR của tụ điện đóng một vai trò quan trọng trong các yếu tố phân phối điện.

ESL trong tụ điện

Giống như ESR, ESL cũng là một yếu tố quan trọng đối với tụ điện. Như đã thảo luận trước đây, trong tình huống thực tế, tụ điện không lý tưởng. Có một điện trở đi lạc cũng như điện cảm đi lạc. Mô hình ESL điển hình của tụ điện được hiển thị bên dưới. Tụ C là tụ điện lý tưởng và cuộn cảm L là cuộn cảm mắc nối tiếp với tụ điện lý tưởng.

Thông thường, ESL rất phụ thuộc vào vòng lặp hiện tại ; tăng vòng lặp hiện tại cũng làm tăng ESL trong tụ điện. Khoảng cách giữa đầu cuối dây dẫn và điểm kết nối mạch (bao gồm cả miếng đệm hoặc rãnh) cũng ảnh hưởng đến ESL trong tụ điện vì khoảng cách đầu cuối tăng lên cũng làm tăng vòng lặp hiện tại dẫn đến điện cảm nối tiếp tương đương cao.

Đo ESL của tụ điện

Việc đo ESL có thể được thực hiện dễ dàng bằng cách quan sát biểu đồ trở kháng so với tần số được đưa ra bởi biểu dữ liệu của nhà sản xuất tụ điện. Tổng trở của tụ điện thay đổi khi tần số trên tụ thay đổi. Trong trường hợp này, khi ở một tần số cụ thể, điện kháng điện dung và điện kháng cảm ứng bằng nhau , nó được gọi là ‘điểm đầu gối’ .

Tại thời điểm này, tụ điện tự cộng hưởng. ESR của tụ điện góp phần làm phẳng biểu đồ trở kháng cho đến khi tụ điện đạt đến điểm ‘đầu gối’ hoặc ở tần số tự cộng hưởng. Sau điểm đầu gối, trở kháng của tụ điện bắt đầu tăng do ESL của tụ điện.

Hình ảnh trên là biểu đồ Trở kháng vs Tần số của MLCC (Tụ gốm nhiều lớp). Cho ba tụ điện 100nF, 1nF X7R và 1nF của tụ loại NP0. Các điểm ‘đầu gối’ có thể dễ dàng được xác định qua điểm dưới của ô hình chữ V.

Khi tần số điểm đầu gối được xác định, ESL có thể được đo bằng công thức dưới đây

Frequency = 1 / (2π√(ESL x C))

ESL ảnh hưởng đến đầu ra tụ điện như thế nào

Đầu ra của tụ điện suy giảm do ESL tăng lên, giống như ESR. ESL tăng lên góp phần tạo ra dòng điện không mong muốn và tạo ra EMI , điều này tiếp tục tạo ra sự cố trong các ứng dụng tần số cao. Trong hệ thống liên quan đến cung cấp điện, điện cảm ký sinh góp phần vào điện áp gợn sóng cao. Điện áp gợn tỷ lệ với giá trị ESL của các tụ điện. Giá trị ESL lớn của tụ điện cũng có thể tạo ra dạng sóng đổ chuông , làm cho mạch hoạt động kỳ lạ.

Tầm quan trọng thực tế của ESL và ESR capacitor

Hình ảnh dưới đây cung cấp mô hình thực tế của ESR và ESL trong tụ điện .

Ở đây, tụ điện C là một tụ điện lý tưởng, điện trở R là điện trở dòng tương đương và cuộn cảm L là điện cảm dòng tương đương . Kết hợp ba tụ điện thực sự được tạo ra.

ESR và ESL không phải là đặc tính dễ chịu của tụ điện, gây ra nhiều loại giảm hiệu suất trong các mạch điện tử, đặc biệt là trong các ứng dụng tần số cao và dòng điện cao. Giá trị ESR cao góp phần vào hiệu suất kém do tổn thất điện năng do ESR gây ra; tổn thất điện năng có thể được tính bằng cách sử dụng định luật Công suất I ² R trong đó R là giá trị ESR. Không chỉ vậy, nhiễu và sụt áp cao cũng xảy ra do giá trị ESR cao theo định luật Ohms. Công nghệ sản xuất tụ điện hiện đại làm giảm giá trị ESR và ESL của tụ điện. Một cải tiến lớn có thể được nhìn thấy trong các phiên bản SMD ngày nay của tụ điện nhiều lớp.

Các tụ điện có giá trị ESR và ESL thấp hơn được ưu tiên làm bộ lọc đầu ra trong các mạch cung cấp điện chuyển mạch hoặc thiết kế SMPS vì tần số chuyển đổi cao trong những trường hợp này, thường gần với vài MHz , từ hàng trăm kHz. Do đó, tụ điện đầu vào và tụ lọc đầu ra cần có giá trị ESR thấp để các gợn sóng tần số thấp không ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của bộ cấp nguồn. ESL của tụ điện cũng cần phải thấp, để trở kháng của tụ điện không tương tác với tần số chuyển mạch của nguồn điện.

Trong nguồn điện có độ nhiễu thấp, nơi nhiễu cần được triệt tiêu và các tầng lọc đầu ra phải có số lượng thấp, các tụ điện ESR siêu thấp và ESL thấp chất lượng cao rất hữu ích để đầu ra trơn tru và cung cấp điện ổn định cho Tải. Trong một ứng dụng như vậy, chất điện phân polyme là một lựa chọn phù hợp và thường được ưa chuộng hơn các tụ điện điện phân nhôm.