Определение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) конденсаторов

Добавлено 12 декабря 2019 в 07:16

Сохранить или поделиться

Рассмотрим подробнее важность ESR (эквивалентного последовательного сопротивления) конденсатора, как его измерить, и какие факторы могут повлиять на ваши измерения.

По мере того, как рабочие частоты увеличиваются, а электронные системы становятся все сложнее и меньше, разработчики должны уделять пристальное внимание ESR (эквивалентному последовательному сопротивлению) конденсатора, поскольку оно влияет на энергопотребление и эффективность.

Знание значения ESR в ожидаемых условиях работы может очень помочь в определении пригодности конкретного конденсатора для выполнения заданной функции.

Некоторые производители указывают ESR при конкретных частоте и рабочих условиях, некоторые просто указывают коэффициент рассеяния, а другие не предоставляют ни ESR, ни коэффициента рассеяния.

Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) является одной из характеристик неидеального конденсатора, которая может вызывать различные проблемы производительности в электронных схемах. Высокое значение ESR ухудшает производительность из-за потерь I²R, шума и более высокого падения напряжения.

В некоторых случаях тепло, выделяемое благодаря ESR, невелико и может не вызывать проблем. Однако в некоторых схемах, особенно в приложениях с большим током, рассеиваемое тепло может вызвать значительное повышение температуры, повлиять на работу схемы и вызвать деградирование конденсатора. Кроме того, на сопротивлении происходит значительное падение напряжения, что снижает долю полезной энергии в приложении.

Таким образом, при выборе конденсатора для таких применений, как ВЧ, аккумулирование энергии, схемы фильтров и другие чувствительные схемы, требуется учет и других характеристик, помимо значений емкости и напряжения.

Связанная информация

Влияние ESR на радиочастотные схемы и схемы аккумулирования энергии

Несмотря на то, что ESR у керамических конденсаторов очень мало, порядка миллиом, это сопротивление может существенно повлиять на такие схемы, как радиочастотные схемы и схемы с низким энергопотреблением.

В переносных радиочастотных передатчиках конденсаторы с высоким ESR в схемах связи или обхода источника питания усилителя потребляют и расходуют больше энергии аккумулятора из-за более высоких потерь I²ESR. Это уменьшает эффективность, выходную мощность и срок службы батареи.

Кроме того, большинство радиочастотных полупроводниковых устройств, изготовленных для согласующих каскадов, построены с очень низким входным сопротивлением. Таким образом, согласующий конденсатор, такой как многослойный керамический чип-конденсатор (MLCC) с высоким ESR, будет представлять собой значительную долю от общего полного сопротивления цепи. Например, если входной импеданс устройства составляет 1 Ом, согласующий конденсатор с ESR 0,8 Ом будет рассеивать около 40 процентов общей мощности, таким образом, уменьшая выходную мощность и эффективность схемы.

Конденсаторы в приложениях по аккумулированию энергии выполняют более важную роль – накапливают заряд от низковольтных источников энергии и быстро и эффективно разряжают эту накопленную энергию для питания нагрузки. Следовательно, конденсаторы и другие компоненты в цепях аккумулирования энергии должны во время работы потреблять очень мало энергии.

Конденсатор с высоким ESR будет иметь бо́льшие потери I²ESR, поэтому часть полученной энергии в конечном итоге будет потрачена впустую в виде тепла, что приведет к уменьшению выходной энергии конденсатора. Однако разработчики могут предпочесть суперконденсаторы (несмотря на их более высокие ESR и утечку), потому что они предлагают более высокую плотность энергии.

Определение эквивалентного последовательного сопротивления с помощью измерителя ESR

Измеритель ESR является умеренно точным прибором, который доступен и удобен в использовании, особенно при измерении нескольких конденсаторов, когда они находятся в схеме. На конденсатор в схеме делителя напряжения подается переменное напряжение. Частота подаваемого переменного напряжения обычно равна значению, при котором реактивное сопротивление конденсатора незначительно.

Рисунок 1 – Простая модель измерения ESR

Во время теста с использованием измерителя ESR ток пропускается через конденсатор в течение очень короткого времени, поэтому конденсатор не заряжается полностью. Ток создает напряжение на конденсаторе. Это напряжение будет равно произведению тока на ESR конденсатора, плюс незначительное напряжение из-за небольшого заряда в конденсаторе.

Поскольку ток известен, значение ESR рассчитывается путем деления измеренного напряжения на ток. Результаты затем отображаются на показаниях измерителя.

Измерения ESR могут выполняться, когда конденсатор находится и в схеме, и вне схемы. Для конденсаторов, подключенных параллельно, измерение дает в результате общее сопротивление. Если необходимо определить отдельно ESR у конкретных конденсаторов, они должны быть извлечены из схемы. Однако при наличии сотен конденсаторов утомительно вынимать каждый из них, а также существует повышенный риск повреждения конденсаторов или печатной платы во время удаления.

Типовой измеритель ESR использует низкое напряжение около 250 мВ или менее с частотой около 100 кГц. Низкое напряжение является недостаточным для смещения и активации полупроводниковых устройств в окружающих цепях, что гарантирует, что импеданс соседних компонентов не влияет на показания ESR.

Перед проведением измерения конденсатор должен быть разряжен. Некоторые измерители ESR имеют встроенный механизм разряда. Однако может быть важно разрядить конденсатор вручную, особенно если это высоковольтный конденсатор, заряд которого может повредить измеритель ESR.

Несмотря на то, что измеритель ESR может удобно тестировать конденсаторы внутри схемы, он имеет ограничения по частоте, а также по самому низкому уровню сопротивления, который он может точно измерить.

Измерение с помощью коаксиальной резонансной трубы для сверхнизких сопротивлений на высоких частотах

Поскольку значение ESR зависит от рабочей частоты, измерение сверхнизких значений ESR на очень высоких частотах становится проблемой при использовании обычных измерителей ESR.

Для керамических конденсаторов наиболее точным методом определения ESR на высоких частотах (от 100 МГц до 1,3 ГГц) является метод коаксиальной резонансной линии. Этот метод основан на стандартной модели Boonton 34A и используется вместе с генератором высокочастотных сигналов и высокочастотным вольтметром.

Рисунок 2 – Блок-схема измерителя ESR на коаксиальной резонансной трубке

Линия коаксиального резонатора выполнена из медной трубки со сплошным медным стержнем в качестве центрального проводника. Тестируемый конденсатор устанавливается последовательно между центральным проводником и проводником экрана.

Перед выполнением измерения ESR конденсатора необходимо определить характеристики ненагруженной линии резонатора. ВЧ возбуждение закороченной коаксиальной линии помогает определить ширину полосы λ/4 и 3λ/4, тогда как ширина полосы λ/2 и λ определяется, когда линия разомкнута (λ – это длина волны; дополнительную информацию см. в этой статье). Эти данные характеризуют резонансную частоту, добротность (Q) ненагруженной резонансной линии и сопротивление крепежного элемента.

Затем тестируемый конденсатор помещается в секцию DUT (device under test, тестируемое устройство), и генератор сигналов настраивается на пиковое резонансное напряжение. Конденсатор вызывает изменение резонансной частоты и добротности, значения которых теперь отличаются от значений ненагруженной коаксиальной линии. Затем используются расчеты линии передачи, и значение ESR определяется на основе взаимосвязи между новой частотой и добротностью, а также частотой и добротностью исходного состояния без нагрузки.

Рисунок 3 – Полоса пропускания нагруженной и незагруженной линии передачи

В настоящее время обычной практикой является использование векторного анализатора цепей для замены как генератора сигналов, так и высокочастотного вольтметра. При использовании векторного анализатора цепей резонансная частота считывается с дисплея. Некоторые модели векторных анализаторов могут экспортировать результаты непосредственно в программу расчета и отображать окончательное значение ESR.

Длина трубки рассчитана на работу в диапазоне частот от 100 МГц до 1,5 ГГц; однако для частот, выходящих за пределы этого диапазона, трубка может быть выполнена произвольной длины.

Факторы, которые влияют на измерения ESR

Ошибки измерения ESR могут возникать в результате проблем с техникой, способа выполнения контакта с конденсатором или отсутствия калибровки измерительного оборудования.

Должны быть приняты во внимание сопротивления, самоиндукция и емкость измерительного прибора и его выводов, особенно на высоких частотах измерения.

Сопротивление и индуктивность измерительных проводов

Сопротивление измерительных проводов является распространенным источником ошибок при измерениях низких сопротивлений. Это сопротивление добавляется к сопротивлению тестируемого устройства.

Кроме того, следует избегать измерительных проводов со спиральной намоткой, поскольку источником ошибки может стать их индуктивность.

Помехи от соседнего оборудования

Измерение следует проводить в местах, удаленных или экранированных от источников значительных электромагнитных помех. В противном случае измерительные провода могут ловить помехи, и это может повлиять на показания.

Заключение

ESR варьируется в зависимости от типа конденсатора и условий эксплуатации, таких как частота и температура. Некоторые производители указывают ESR на определенной частоте и при определенных условиях работы, другие просто указывают коэффициент рассеяния, а другие не предоставляют ни ESR, ни коэффициента рассеяния. Тем не менее, знание значения ESR в ожидаемых условиях работы может очень помочь в определении пригодности конкретного конденсатора для выполнения заданной функции.

Тип метода, используемого для определения ESR, зависит от таких факторов, как тип конденсатора, рабочая частота и требуемая точность. В то время как измеритель ESR и другие самодельные измерители подходят для ряда применений на частотах примерно до 100 кГц, они не могут точно определить очень низкие значения ESR на очень высоких частотах. Метод коаксиальной резонансной линии часто является предпочтительным при определении сверхнизких значений ESR на частотах между приблизительно 100 МГц и 1,3 ГГц.

По мере того, как рабочие частоты увеличиваются, а электронные системы становятся меньше и сложнее, необходимо уделять пристальное внимание таким параметрам, как ESR, которые напрямую влияют на характеристики схемы и эффективность энергопотребления.

Оригинал статьи:

Теги

ESR (эквивалентное последовательное сопротивление)ИзмерениеКерамический конденсаторКонденсаторЭквивалентная схемаЭлектролитический конденсатор

Сохранить или поделиться

Эквивалентное последовательное сопротивление esr.

Эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора

Собственно, как я уже когда-то очень давно обещал, расскажу про простейший измеритель ESR. В дальнейшем буду писать не ESR, а ЭПС(эквивалентное последовательное сопротивление), поскольку лень переключать раскладку. И так, кратко, что же такое ЭПС.

ЭПС можно представить в виде резистора, включенного последовательно с кондесатором.
На данной картинке — R. Собственно, у исправного конденсатора этот показатель измеряется долями Ома, для конденсаторов малой емкости (до 100мкф) может достигать 2-3 Ом. Более подробно значения ЭПС для исправных конденсаторов можно найти в справочных данных производителей. Со временем, из-за испарения электролита, это сопротивление увеличивается, что приводит к повышению мощности потерь. Как результат конденсатор сильнее нагревается, что еще сильнее ускоряет процесс испарения электролита и приводит к потере емкости.

На практике ремонта точное измерение ЭПС не нужно. Достаточно считать любой конденсатор с ЭПС выше 1-2 Ом неисправным. Можно считать это спорным утверждением, в интернете достаточно легко найти целые таблицы с значениями ЭПС для конденсаторов различной емкости. Однако я убеждался неоднократно, что приблизительной оценки вполне достаточно. Не говоря уже о том, что результаты измерения ЭПС одних и тех же конденсаторов(новых), одного и того же производителя сильно разнятся в зависимости от партии, времени года и фазы луны.
Я использую простой измеритель на копеечной микросхеме. Разработал его Manfred Mornhinweg .

Конструкция довольно простая, но привлекательна своей нетребовательностью к трансформатору. Из недостатков — шкала получается «широкая», в моем случае 0-20ом. Соответственно, нужна большая измерительная головка, т.н. «магнитофонные» (из индикаторов уровня магнитофонов), не подойдут — будет неудобно работать.

В качестве трансформатора автор намотал две обмотки 400 и 20 витков на ферритном кольце 19х16х5мм 2000НМ. Однако можно поступить значительно проще — использовать трансформатор дежурки из любого ATX блока питания. Достаточно заменить R8 на подстроечный многооборотный резистор 3296W сопротивлением 51к. При помощи этого резистора можно будет увеличить коэффициент усиления измерительного усилителя и компенсировать недостаточный коэффициент трансформации. LM7805 необходимо заменить на LM1117-5, это снизит потребляемый ток, плюс нижний порог напряжения питания опустится примерно до 6.5В. Стабилизатор обязателен, иначе шкала будет плавать в зависимости от напряжения питания. Для питания я использовал обычную «Крону». Саму микросхему обязательно поставьте в панельку!
Настройка прибора сводится к установке «нуля» и калибровке шкалы. Для калибровки шкалы используются низкоомные резисторы с допусками 0.5% и сопротивлениями от 0 до 2-5 Ом. Калибровка производится следующим образом — снимаем защитное стекло с индикаторной головки. Включаем прибор и измеряем сопротивление эталонных резисторов. Смотрим, куда отклоняется стрелка и ставим в этом месте на шкале метку с соответствующим сопротивлением. Так размечаем шкалу.
Измеряемые низковольтные конденсаторы(до 50-80 вольт без проблем) разряжаются резисторами R5, R6 и первичной обмоткой трансформатора. «Сетевые» емкости(те, которые после диодного моста в импульсных БП) я предварительно разряжаю приспособой, сделанной из резистора 510 Ом/1Вт, иглы от шприца, крокодила и корпуса гелевой ручки. В теории цепочка R5-R6 должна разрядить и такие емкости, но на практике, выбивает TL062:) Именно поэтому ее надо ставить в панельку -чтобы быстро заменить. Но надежнее — предварительно разрядить «сетевую» емкость.

В целом — очень удачный прибор — дешев, прост, не требователен к трансформатору.

Equivalent Series Resistance (Эквивалентное Последовательное Сопротивление — ЭПС), как один из значимых паразитных параметров электролитических конденсаторов, в последние годы приобрёл широкую популярность среди ремонтников электронной аппаратуры. Измерители и пробники ESR для многих мастеров стали прибором первой необходимости наряду с тестером или мультиметром.

Увеличение ESR конденсатора на несколько Ом, а иногда на несколько десятых долей Ома, может являться причиной неработоспособности устройства, в котором он установлен, что иногда невозможно выявить существующими измерителями ёмкости, не способными учитывать другие параметры конденсатора.

Обычно в ремонтной практике не требуется особой точности в измерении ESR, поэтому ощутимая погрешность пробников чаще не вызывает неудобств в отыскании неисправных элементов, а определение состояния конденсатора пробником может упрощаться до оценки его качества по принципу – годен или не годен для работы в конкретном узле устройства.

Но, следует отметить, для конденсаторов, работающих при больших импульсных токах, например, в фильтрах преобразователей, иногда требуется более объективная оценка качества, а погрешность в десятые и даже сотые доли Ома может иметь существенное значение.

Большинство популярных и применяемых в ремонтной практике приборов и пробников ESR основаны на измерении полного сопротивления переменному току на частоте 40 — 100 кГц.

На частотах этого порядка для электролитических конденсаторов больших номиналов такие приборы покажут значения, максимально близкие к величине ESR, которая составит основную часть импеданса на этих частотах.
Недостатком такого способа является значительная погрешность при измерении малых номиналов ёмкостей (менее 10 uF), когда реактивное сопротивление конденсатора на данной частоте соизмеримо и может превышать ESR.
Тогда прибор покажет значение импеданса, а реальное значение ESR может быть в несколько раз меньше.

Одним из требований в плане практичности использования ESR-пробников является возможность производить замеры без выпаивания конденсатора из платы. Следовательно, процесс измерения должен происходить при достаточно низком падении напряжения на проверяемом конденсаторе, исключая отпирание переходов полупроводниковых элементов схемы.

В большинстве случаев такие нехитрые измерители импеданса мастера собирают самостоятельно по схемам, широко распространённым в интернете, но кто-то применяет и свои разработки с учётом личных предпочтений в плане удобства пользования или точности измерений.
В продаже существуют как простые пробники со светодиодной или стрелочной индикацией, так и измерители с цифровой шкалой различной степени сложности.

Подробно останавливаться на принципах и методах измерения импеданса нет необходимости, таких обсуждений и описаний существует достаточно много и их нетрудно найти в интернете. Но некоторые особенности отдельных конструкций всё же могут заслуживать внимания.

В этой статье предлагается рассмотреть один из способов измерения ESR и ёмкости, как отдельных параметров конденсатора.

Достаточно точный и несложный метод, который используется во многих любительских и промышленных приборах, реализован в измерителе Micro, популярном среди мастеров – участников ремонтных форумов monitor.net.ru и monitor.espec.ws.

Если испытываемый конденсатор ёмкостью

C заряжать от источника постоянного тока I , напряжение на его выводах будет линейно нарастать от значения U R по закону:

C dU/dt = I = const .

U R – падение напряжения на активном сопротивлении конденсатора (ESR).

В таком случае ёмкость конденсатора будет определяться выражением:

Посчитать U R для вычисления ESR можно несколькими способами, например, составив уравнение прямой по двум точкам и найти координату Y для нулевого значения X, либо геометрически, исходя из соотношения сторон подобных треугольников…

Активное сопротивление конденсатора (ESR) в таком случае составит:

Для реализации такого метода нет необходимости в применении АЦП, пороговые значения напряжений для управления таймером устанавливаются компараторами, а математические вычисления ёмкости и ESR производятся микроконтроллером с выводом информации на ЖК дисплей.

В некоторых подобных конструкциях для измерения ESR используется более простой, но менее точный способ.
Производится измерение уровня напряжения U R посредством АЦП в начальный момент времени.
Несмотря на то, что измерительный импульс достаточно короткий (1-2 uS), конденсаторы меньшей ёмкости успевают зарядиться до большего значения, чем конденсаторы большой ёмкости, что создаёт некоторую погрешность в измерении ESR разных номиналов конденсаторов.

Следует учитывать, что ESR, измеренный постоянным током, является относительным показателем качества электролитического конденсатора.
Значимой составляющей ESR являются диэлектрические потери, которые существенно меняются с изменением частоты переменного тока.

Существуют более сложные и точные методики и способы измерений, основанные на анализе сдвига фаз в конденсаторе. В этом случае ESR определится произведением импеданса и тангенса угла потерь.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Какой главный параметр для оценки исправности конденсаторов? Конечно их ёмкость. Но по мере распространения импульсной высоковольтной техники, стало очевидно, что надо обратить внимание на ещё один параметр, от которого зависит надёжность и качество работы импульсных преобразователей — это эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, по англ. ESR — equivalent series resistance ). Применение конденсаторов с увеличенным значением ЭПС приводит к росту пульсаций выходного напряжения по сравнению с расчётными значениями, и бстрому выходу их из строя из-за повышенного нагрева за счёт выделения тепла на ЭПС, нередки даже случаи закипания электролита, деформация корпуса, а также взрывы конденсаторов. Особая выраженность негативного влияния ЭПС именно в силовых импульсных преобразователях вызвана, работой на больших токах заряда-разряда, а также тем, что с ростом рабочей частоты ЭПС возрастает. Наличие ESR объясняется конструкцией оксидного конденсатора и обусловлена сопротивлением обкладок, сопротивлением выводов, переходным сопротивлением контактов между обкладками и выводами, а также потерями в материале диэлектрика. С течением времени ESR конденсатора возрастает, что совсем не хорошо.

ESR конденсаторов разных типов

Естественно, проконтролировать обычным Омметром эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора невозможно — тут нужен специальный прибор. В интернете есть несколько простых конструкций ESR-метров , но при желании, можно собрать более точный и удобный измеритель на микроконтроллере. Например из журнала Радио 7-2010.

Схема измерителя ESR конденсаторов на
Attiny2313

Все необходимые файлы и прошивки — в архиве . После сборки и включения крутим регулятор контрастности до появления на экране LCD надписи в две строки. Если её нет — проверяем монтаж и правильность прошивки МК ATtiny2313. Если всё ОК — нажимаем кнопку «Калибровка» — в прошивку внесётся поправка на скорость срабатывания входной части измерителя. Далее понадобится несколько новых электролитических конденсаторов высокого качества ёмкостью 220…470 мкФ разных партий, лучше всего — на разные напряжения. Подключаем любой из них к входным гнёздам прибора и начинаем подбирать резистор R2 в пределах 100…470 ом (у меня получилось 300 ом; можно применить временно цепочку постоянный+подстроечный) так, чтобы значение ёмкости на экране ЖКИ примерно было похоже на номинал конденсатора. К большой точности пока что стремиться не стОит — ещё будет корректироваться; затем проверить и с другими конденсаторами.

Для настройки измерителя ESR нужна таблица с типовыми значениями этого параметра для разных конденсаторов. Эту табличку рекомендуется приклеить на корпус прибора под дисплеем.

В следующей табличке указаны максимальные значения эквивалентного последовательного сопротивления для электролитических конденсаторов. Если у измеряемого конденсатора оно будет выше, то его уже нельзя использовать для работы в сглаживающем фильтре выпрямителя:

Подключаем конденсатор 220 мкФ и, незначительным подбором сопротивления резисторов R6, R9, R10 (на схеме и на моём сборочном чертеже обозначены со звёздочками), добиваемся показаний Esr, близких к указанным в таблице. Проверяем на всех имеющихся заготовленных эталонных конденсаторах, в т.ч. уже можно использовать и конденсаторы от 1 до 100 мкФ.

Так как для измерения ёмкости конденсаторов от 150 мкФ и для измерителя ESR применяется один и тот же участок схемы, после подбора сопротивления этих резисторов несколько изменится точность показаний измерителя ёмкости. Теперь можно подстроить ещё сопротивление резистора R2, чтобы эти показания стали точнее. Другими словами, нужно подбирая сопротивление R2 — уточнить показания измерителя ёмкости, подстраивая резисторы в делителе компараторов — уточнить показания ESR-метра. Причём, приоритет надо отдавать измерителю внутреннего сопротивления.

Теперь надо настроить измеритель ёмкости конденсаторов диапазона 0,1…150 мкФ. Так как для этого в схеме предусмотрен отдельный источник тока, измерение ёмкости таких конденсаторов можно сделать очень точным. Подключаем конденсаторы малой ёмкости к входным гнёздам прибора и, подбором сопротивления R1 в пределах 3,3…6,8 кОм добиваемся максимально точных показаний. Этого можно достичь, если в качестве эталонных применить не электролитические, а высокоточные конденсаторы К71-1 ёмкостью 0,15 мкФ с гарантированным отклонением 0,5 или 1%.

Когда собрал данный измеритель ESR — схема завелась сразу, понадобилась только калибровка. Этот измеритель много раз помогал при ремонте БП, так что устройство рекомендуется к сборке. Схему разработал — DesAlex , собрал и испытал: sterc .

Обсудить статью ИЗМЕРИТЕЛЬ ESR НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ

Что такое ESR?

Теория

ESR — Equivalent Series Resistance — один из параметров конденсатора, характеризующий его активные потери в цепи переменного тока. В эквиваленте его можно представить, как включенный последовательно с конденсатором резистор, сопротивление которого определяется, главным образом, диэлектрическими потерями, а так же сопротивлением обкладок, внутренних контактных соединений и выводов конденсатора. В русскоязычной аббревиатуре — Эквивалентное Последовательное Сопротивление — ЭПС .

Потери в диэлектрике, обусловленные особенностями его поляризации, составляют основную часть потерь в конденсаторе и определяются материалом, а так же толщиной слоя диэлектрика. В электролитических конденсаторах значимой частью ESR является сопротивление жидкого электролита, который используется в качестве составляющей одной из обкладок для обеспечения максимальной площади соприкосновения с диэлектриком. Если сопротивление электролита в конденсаторе рассмотреть как проводник с поперечным сечением, равным площади одной из обкладок и длиной проводника, приблизительно равной толщине пропитанной бумаги, можно предположить, что эта величина будет относительно небольшой. В реальных конденсаторах средних размеров типовое значение составит 0.01Ом при 20°C. Но, следует учитывать, что для конденсаторов большой ёмкости, используемых в фильтрах выпрямителей ИИП на рабочей частоте порядка 100кГц, когда его реактивное сопротивление измеряется тысячными долями Ома, эта величина будет составлять достаточно большие потери. Величина диэлектрических потерь на таких частотах в электролитических конденсаторах фильтров ИИП обычно в несколько раз больше, и лишь в самых лучших случаях может быть примерно равна и даже меньше потерь в электролите.

Сопротивление электролита существенно 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 может существенно уменьшаться сопротивление электролита, тогда ESR конденсатора будет определяться, главным образом, его диэлектрическими потерями. В случаях разогрева до температуры кипения, электролит утрачивает свои первоначальные свойства и при последующем охлаждении становится более вязким, что значительно повышает его сопротивление. Дальнейшая эксплуатация будет вызывать ещё больший разогрев и ухудшение качества электролита, что в последствии приведёт к непригодности конденсатора для дальнейшей работы в устройстве. Обычно неисправные электролитические конденсаторы, в которых кипел электролит, определяются визуально по вздувшемуся и разгерметизированному корпусу.

Для надёжности работы электролитических конденсаторов очень важен правильный выбор его типа, номинала и максимального напряжения в зависимости от режимов. Для фильтров преобразователей, работающих на частотах десятков килогерц, производители выпускают специальные конденсаторы с малым ESR и указывают полное сопротивление переменному току (импеданс Z) для всех номиналов в таблицах. Тип таких конденсаторов сопровождается пометкой в технической документации — Low impedance или Low ESR .

Практика

Электролитические конденсаторы это навереное единственные электронные элементы, которые страдают от высыхания. Если у вас есть любые электронные устройства, которые на протяжении многих лет работали, но вдруг перестали исправно функционировать, имеются хорошие шансы, что один или несколько электролитических конденсаторов внутри него деградировали и стали причиной проблемы. Электролитические конденсаторы выходят из строя несколькими способами: они могут стать электрически проводящие, вызывая постоянный ток через них, что может даже их взорвать. Они могут уменьшаться в величине емкости. Но наиболее часто увеличивается их эквивалентное последовательное сопротивление, которое является очень нежелательным.

ESR электролитического конденсатора обычно составляет доли Ом для конденсаторов низкого напряжения (таких как 1000µF, 16V), и может быть два или три Ома для малой емкости и высокого рабочего напряжения (1uF, 450V). Когда конденсатор стареет, это сопротивление возрастает, и часто из-за этого оборудование полностью прекращает функционировать. Очень часто конденсаторы увеличивают сопротивление ESR до 100 раз от их нормального сопротивления, в то время как их емкость остается хорошей! На измерении емкости они покажут близкое к правильному значение, но они уже не годные! Для анализа состояния конденсатора применяются измерители и пробники ESR. ESR-метр может проверить конденсаторы, даже когда они находятся в цепи. Соединенные параллельно с ним другие детали будут иметь минимальное влияние на измерение. Сколько примерно должен иметь сопротивления тот или иной исправный конденсатор — смотрите в таблице . Таковы особенности, которые делают ESR-метр незаменимым прибором для диагностики и ремонта электронного оборудования.

Наиболее слабым местом в любой радиосхеме являются электролитические конденсаторы, которые подвержены постоянному высыханию. И чем большие токи проходят через них — тем этот процесс быстрее. Обычным омметром определить плохой конденсатор не получится, поэтому необходим спецприбор — esr измеритель.

Схема электрическая esr измерителя конденсаторов

Печатные платы — рисунок

В типичной схеме, может быть 10 или даже 100 конденсаторов. Выпаивать каждый для тестирования очень утомительно и существует большой риск повреждения платы. Этот тестер использует низкое напряжение (250 мВ) высокой частоты (150 кГц), и он способен мерять ESR конденсаторов прямо в схеме. Напряжение выбрано достаточно низкими, чтобы другие окружающие радиоэлементы схемы не влияли на результаты замеров. А если вам случайно доведется испытать заряженный конденсатор — не беда. Этот измеритель выдерживает до 400В заряда на конденсаторе. Опыт показал, что ЭПС метр выявляет около 95% конденсаторов с потенциальными проблемами.

Особенности работы прибора

• Тест электролитических конденсаторов > 1 мкФ.
• Полярность не важна для тестирования.
• Переносит заряд конденсаторов до 400В.
• Низкий ток потребления от батареи — около 25 мА.
• Легко читать данные аналогового измерителя.
• Меряет ЭПС в диапазоне от 0-75 Ом по расширенной шкале с помощью омметра.

Будьте осторожны, если вы тестируете высоковольтные конденсаторы. Имейте в виду, что высоковольтные конденсаторы могут нести сильный заряд в течение нескольких дней, в зависимости от схемы.

Как использовать ESR метр

Включаете прибор. Убедитесь, что проверяемая схема находится не под напряжением. Разрядите конденсатор перед тестированием — ЭПС метр не делает этого автоматически. Замкните выводы конденсатора и удерживайте их так в течение нескольких секунд. С помощью вольтметра убедитесь, что конденсатор полностью разряжен. Вольтметр должен показывать нулевое значение. Прикоснитесь щупами ESR метра к конденсатору. Определите сопростивление ESR. Является ли значение ESR приемлемым узнаём путем сравнения измеренного ESR с эталонными данными. Посмотреть эту таблицу

ESR конденсатора, что это за параметр и почему он так важен для конденсатора | Энергофиксик

ESR (или эквивалентное последовательное сопротивление) — один из самых важных параметров конденсаторов. А вот для чего так важно знать этот параметр и пойдет речь в этой статье.

Содержание

Реальные параметры конденсатора

Высокое значение ESR, чем оно вредно для аппаратуры

Электролитические конденсаторы и ESR

ESR табличные параметры

Измерение ESR

Заключение

Реальные параметры конденсатора

В нашем мире нет ничего идеального и даже, казалось бы, в простейшем конденсаторе, кроме параметра – емкость, есть еще ряд других параметров, которые просто необходимо учитывать. Давайте рассмотрим, из чего состоит реальный конденсатор.

yandex.ru

yandex.ru

Итак, теперь давайте расшифруем, что же означают все эти элементы:

— R – сопротивление самого диэлектрика и корпуса между обкладками конденсатора.

— С – непосредственно сама емкость рассматриваемого конденсатора.

— ESR – эквивалентное последовательное сопротивление.

— ESI (более распространенное название ESL) – эквивалентная последовательная индуктивность.

Вот из таких элементов и состоит вроде бы простой электролитический конденсатор.

Теперь давайте рассмотрим каждый из элементов более пристально.

Сопротивление диэлектрика (R)

В роли диэлектрика может выступать сам электролит в электролитических конденсаторах, либо любой другой вариант. Также корпус обладает определенным сопротивлением и тоже произведен из диэлектрического материала.

Емкость конденсатора (С)

Величина аккумулируемого заряда указана на самом корпусе изделия, реальная емкость может несколько отличаться от той, что записана.

Последовательная индуктивность ESI (ESL)

Собственная индуктивность обкладок и выводов. В схемах с низкой частотой этим параметром можно просто напросто пренебречь.

ESR

Так вот ESR — это не что иное, как сопротивление выводов и обкладок.

yandex.ru

yandex.ru

И данная величина высчитывается по такой формуле:

yandex.ru

yandex.ru

Где:

ρ – удельное сопротивление проводника;

I – длина проводника;

S – площадь поперечного сечения.

По выше представленной формуле вы сможете рассчитать (правда приблизительно) величину сопротивления выводов и обкладок конденсатора.

Но чтобы не сидеть с калькулятором и линейкой, давно созданы специальные приборы.

Высокое значение ESR, чем оно вредно для аппаратуры

Теперь давайте разберемся, чем вредно высокое значение ESR. До того времени, пока в электронике балом стали править импульсные блоки питания никому никакого дела не было до этого параметра.

Ведь при постоянном токе и при низких частотах конденсатор сам по себе оказывает большое сопротивление протекающему электрическому току. И при таких условиях паразитные доли сопротивления ESR просто никого не волновали. А вот конденсатор в ВЧ цепях — это совершенно другая история.

Как известно, конденсатор пропускает переменную составляющую. И при росте частоты сопротивление конденсатора падает. Это утверждение верно, согласно данной формуле:

yandex.ru

yandex.ru

Где:

Xс– сопротивление самого конденсатора, измеряемое в Ом;

П – 3,14;

F – частота, измеряется в Герцах;

С – емкость, измеряется в Фарадах.

Но одну очень важную деталь мы упустили, а именно то, что при росте частоты сопротивление выводов и пластин имеет постоянную величину.

И если представить себе изделие с бесконечно большой частотой, то в нем сопротивление конденсатора будет равняться его ESR.

А это значит, что по факту конденсатор становится ни чем иным как резистором.

А мы знаем с вами, что резистор в любой сети во время работы рассеивает часть мощности на себе. И выразить эту мощность можно по следующей формуле:

yandex.ru

yandex.ru

Где

I – сила протекающего тока;

R – сопротивление резистора ESR, измеряется в Омах.

Из этого следует довольно простой и логичный вывод: чем выше будет ESR, тем больше мощности будет рассеиваться. То есть будет больше все нагреваться.

А это значит, если конденсатор обладает большим значением ESR, то и греться он будет гораздо сильнее. А это крайне нежелательно, ведь с ростом температуры у конденсатора будет изменяться емкость.

У конденсаторов даже есть такой параметр как TKE – температурный коэффициент емкости, который как раз и показывает на сколько «уходит» емкость от заявленных параметров в зависимости от роста температуры.

Электролитические конденсаторы и ESR

В большинстве случаев параметр ESR относится именно к электролитическим конденсаторам. Ведь именно электролит, при разогревании начинает терять свою емкость, что несомненно плохо.

Нагрев приводит к быстрому старению и вздутию изделия. И у таких конденсаторов в первую очередь начинает расти ESR, а емкость некоторое время может оставаться даже неизменной (соответствовать надписи на корпусе).

yandex.ru

yandex.ru

Довольно часто конденсаторы распухают в импульсных блоках питания и материнских платах. И первым признаком такого дефекта является тот факт, что изделие начинает включаться не сразу, а с задержкой.

ESR табличные параметры

Чтобы проверить параметр ESR, нужно знать какая величина является нормой, вот небольшая табличка значений для электролитических конденсаторов.

yandex.ru

yandex.ru

Измерение ESR

Мы разобрались, что такое ESR и почему этот параметр так важен, теперь давайте узнаем как и с помощью каких приборов этот параметр измерять.

Для этого нам понадобиться RLC – транзистометр, который как раз и способен замерить этот крайне важный параметр. И несколько подопытных конденсаторов.

Производим замеры

Как вы видите, параметр ESR у всех проверенных конденсаторов не превышает табличных значений, а значит, эти конденсаторы вполне можно использовать в высокочастотных схемах.

Изделия с низким ESR

Технологии непрерывно развиваются и сейчас большинство схем строятся на ВЧ части. Поэтому к конденсаторам выдвигаются особые требования. Именно поэтому все больше используются конденсаторы с маркировкой LOW ESR, которые так же могут выделяться золотым цветом.

На сегодняшний день наименьшим ESR обладают керамические и SMD — керамические конденсаторы.

yandex.ru

yandex.ru

Заключение

Вот такой он немаловажный параметр конденсаторов, который желательно проверить перед сборкой любой поделки. А поможет в проверке RLC транзистометр, который вы можете купить по этой ссылке. Понравилась статья, тогда ставим палец вверх. Спасибо за ваше внимание!

Эквивалентное последовательное сопротивление конденсаторов SkelCap

Эквивалентное последовательное сопротивление является наименее упоминаемой характеристикой ультраконденсаторов. В первую очередь говорят о фарадах, рабочем напряжении и итоговой плотности энергии. Однако при применении для мощных импульсных нагрузок сильной стороной ультраконденсаторов является эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), которое оказывает самое большое влияние на эффективность системы и рабочую температуру. Эти параметры, в свою очередь, определяют процент энергии, которую можно извлечь из ультраконденсатора в реальных условиях, и рабочую температуру, которая является единственным наиболее точным индикатором срока службы ультраконденсатора.

При более высоких значениях ESR происходят потери емкости при высоких нагрузках

Показанный ниже график Рагони отображает зависимость запаса полезной энергии при разных уровнях мощности. Разряд в 10 секунд соответствует мощности 1,5 кВт на кг веса (при весе около 0,5 кг, ультраконденсатор разряжается с мощностью примерно 0,75 кВт). На данной стадии ультраконденсатор обладает энергоемкостью 4 Втч/кг.

При пятикратном увеличении потребляемой мощности ультраконденсатор разряжается в течение 2 секунд, и тепловые потери таковы, что мощность падает с идеальных 7,5 кВт до 5 кВт, а энергоемкость снижается до 2,7 Вт/кг полезной энергии. Площадь между двумя линиями равна тепловым потерям и потерям из-за контактного сопротивления.

Для математического представления данного и других связанных с ESR воздействий на производительность ультраконденсаторов смотрите техническое приложение.

Сравнение конденсаторов с большой разницей сопротивления ESR

Использую множество научных материалов, инновации в конструкции конденсаторов и производстве электродов, Skeleton удалось сократить внутреннее сопротивление ультраконденсатора примерно до половины значения в аналогичных конкурентных продуктах.

Представленный ниже график Рагони показывает разницу между конденсаторами одинакового размера с 3-кратной разницей во внутреннем сопротивлении. При небольших уровнях мощности, в результате 10 секундного разряда конденсатор с более высоким уровнем ESR обеспечивает удельную энергию 3,3 Втч/кг (-30%), в то время как конденсатор Skeleton обеспечивает более 4 Втч/кг (-11,5%).

Заключение: протестированный конкурирующий продукт практически непригоден для использования при уровнях удельной мощности более 1 кВт/кг, а эффективность продукта Skeleton по-прежнему превосходит конкурирующий продукт при пятикратной мощности.

	Skeleton 420F	Серийный 310F
ESR (5 сек)	0,65 мОм	1,89 мОм
ESR (10 мсек)	0,37 мОм	1,25 мОм
Мощность, Pmax	3,12 кВт	0,8 кВт
Энергия Emax	0,47 Втч	0,31 Втч

Контактное и общее сопротивление — заявленные производителем значения ESR это еще не все

В качестве неофициального стандарта производители приводят значения ESR, полученные из теста падения напряжения в течение 10 мс. Эти значения актуальны только в рамках времени применения менее 1 секунды. Для реальных сравнений, тест падения напряжения в течение пяти секунд или тест при переменном токе с частотой 0,1 Гц дает значение ESR, более подходящее для большинства практических применений.

Контактное сопротивление — это сопротивление, проявляющееся на пути прохождения тока, включая клеммы конденсатора, токосъемник из алюминиевой фольги, микроскопический граничный зазор между углеродным слоем электрода и токосъемником из фольги и, наконец, углеродную структуру электродов. Контактное сопротивление составляет примерно 50% от общего сопротивления ESR. Общее значение сопротивления включает также «сопротивление пор», эффект которого увеличивается по амплитуде в интервале времени применения между 0,5 и 5 секундами, после чего возрастание ESR падает.

Источником сопротивления пор является результат действия атомных сил между ионами электролита и углеродной структурой электродов, которые удерживают их на месте (называемый в научной литературе термином «попадание в ловушку»).

Сравнение двух продуктов с точно подобранным весом. Измерения выполнены с помощью спектрометрии электрохимического импеданса, от 100 Гц до 0,1 Гц. Контактное сопротивление измерялось при 10 мс (100 Гц), а полное сопротивление при 10 секундах (0,1 Гц). График адаптирован из диаграммы Найквиста посредством замены производной оси Y обратной величиной частоты переменного тока (1/v) в секундах.

Общее сопротивление в конденсаторе другого типа — LiCap

Литиево-ионные конденсаторы часто отмечают за их плотность энергии, но на практике они подводят из-за примерно в 10 раз меньшего ожидаемого срока службы и меньшей плотности мощности. В гибридных конденсаторах используется один традиционный ультраконденсаторный электрод с одной стороны и литиево-ионный аккумуляторный электрод с другой. Эта комбинация двух технологий создает компромисс между батареей и ультраконденсатором.

Эмпирическое правило для ультраконденсаторов, согласно которому общее сопротивление примерно вдвое больше, чем контактное сопротивление, не работает в гибридной системе. Как видно из приведенного ниже примера тестирования, конденсатор LiCap демонстрирует 4-кратное увеличение значений сопротивления уже через 1 с. Результаты внутренних испытаний серийно выпускаемого гибридного конденсатора 7500F показывают, как значение сопротивления при 10 мс, равное 0,34 мОм, повышается при тестировании до значения 1,36 мОм при 1 с.

Результаты тестов литиево-ионного гибридного конденсатора
ESRDC 10msec  мОм	0,35 мОм
ESRDC 1sec	1,36 мОм
Емкость	6995 Ф
Диаметр	60 мм
Длина	138 мм

ESR ниже при более высоких температурах

Внутреннее сопротивление имеет обратную зависимость от температуры — чем выше температура, тем ниже сопротивление. Температурный эффект в основном можно отнести к электролиту, более конкретно, к вязкости растворителя электролита, в данном случае ацетонитрила (AN). Ацетонитрил замерзает при температуре ниже -40 °C и кипит при 82 °C и имеет самую высокую вязкость при самой низкой температуре.

Вязкость растворителя электролита имеет значение из-за ее сильного влияния на подвижность ионов электролита и их взаимодействия с нанопористым углеродом: чем выше пористость углеродного материала, тем сильнее влияние вязкости и температуры электролита на сопротивление ESR.

В заключение, электроды с более высокой удельной емкостью более восприимчивы к воздействию температуры, а электроды, предназначенные для малой мощности, с низким значением ESR, менее восприимчивы. Воздействие широкого диапазона температур на различные типы  электродов иллюстрируется набором данных Skeleton, изображенным на графике: между 60 °C и -15 °C может быть более чем 4-кратная разница в значении ESR, или разница может составлять всего 25%. Оба экстремума заполнены образцами, в нижней части сильно графитированными электродами высокой мощности и высокопористыми углеродными в верхней части.

Внутренние испытания Skeleton показали в среднем увеличение сопротивления при 25 °C на 24% по сравнению с 60 °C и на 170% при -15 °C. Научная литература указывает на увеличение 18%. Два крайних значения температурной зависимости заполнены специализированными электродами, предназначенными для предельной мощности или плотности энергии.

Необходимо спроектировать систему с возможностью подачи мощности 275 кВт в течение 10 секунд с эффективностью более 95%.  Диапазон номинального напряжения составляет приблизительно 850 – 425 В, на основании минимальных требований к напряжению для пары двигателей Yasa 750. Конвертеры не используются.

Основные конструктивные соображения:

• Количество элементов, соединяемых последовательно для требуемого диапазона напряжений;

• Размер ультраконденсатора;

• Количество цепей, которые должны быть соединены параллельно;

Количество соединенных последовательно элементов рассчитывается следующим образом: при номинальном потенциале 2,85 В требуется не менее 299 элементов. Количество параллельных цепей определяется взаимодействием потерь тепла и емкости элементов. Среди продуктов Skeleton две модели конденсаторов наиболее близки к проектным требованиям, 300 элементов 3200 F, соединенных в одну цепь, или 600 элементов 1800 F, соединенных в две параллельные цепи.

	Опция 1: 1P 300S	Опция 2: 2P 300S
Ф	3200	1800
ESR 10 мс	0,075	0,079
ESR 5	0,12	0,16
Элементы одной цепи	300	300
Количество параллельных цепей	1	2

Система 1800 F с 600 элементами обладает превосходными характеристиками: почти на 3% более высокая эффективность преобразования энергии, а также большая емкость, что в совокупности добавляет около 18% к продолжительности подачи выходной мощности 275 кВт.

Характеристики системы			Расчет разряда
Конфигурация системы	1P 300S		767 Втч	полезная энергия
Максимальное напряжение	855	В
Минимальное напряжение	428	В	855 В	Umax (номинальное)
Емкость	10,7	Ф	847 В	Umax (фактическое)
Ri (при 5 с)	0,0396	Ом	428 В	Umin (номинальное)
Ri (при 10 мс)	0,0261	Ом	445 В	Umin (фактическое)
Средняя мощность	275000	Вт	322 A	Imin при Umax
			642 A	Imax при Umin
			323 A	Imin при Umax, фактический
			618 A	Imax при Umin, фактический
			472 A	средний ток, фактический
			8,395 В	IR-падение при Umax
			16,77 В	IR-падение при Umin
			10,06 с	Время (теор.)
			88622 Дж	потерянная энергия разряда
			96,8%	Энергоэффективность

Характеристики системы			Расчет разряда
Конфигурация системы	2P 300S		901 Втч	полезная энергия
Максимальное напряжение	855	В
Минимальное напряжение	428	В	855 В	Umax (номинальное)
Емкость	12,0	Ф	853 В	Umax (фактическое)
Ri (при 5 с)	0,0258	Ом	428 В	Umin (номинальное)
Ri (при 10 мс)	0,0132	Ом	432 В	Umin (фактическое)
Средняя мощность	275000	Вт	161 A	Imin при Umax
			321 A	Imax при Umin
			161 A	Imin при Umax, фактический
			318 A	Imax при Umin, фактический
			240 A	средний ток, фактический
			2,12 В	IR-падение при Umax
			4,24 В	IR-падение при Umin
			11,79 с	Время (теор.)
			17478 Дж	потерянная энергия разряда
			99,5%	Энергоэффективность

В то время как система с элементами 1800 F обладает лучшими характеристиками, она является избыточной для заявленной задачи, поскольку дополнительная эффективность и емкость свыше 95% и подача требуемой мощности свыше 10 секунд, не являются определяющими факторами для проектирования. Увеличенный вес, стоимость и сложность превосходят дополнительные выгоды, которые можно получить от технически усложненной системы.

Анализ кривой напряжения Ниже показано моделирование системы из 300 элементов (2 цикла зарядки и разрядки при постоянной мощности), чтобы представить более точный обзор того, где происходят потери, связанные с внутренним сопротивлением ESR.

Обратите внимание на следующие особенности кривой напряжения:

1. Падение напряжения при максимальном напряжении демонстрирует потерю энергии из-за контактного сопротивления в начале разряда
2. Падение напряжения в противоположном направлении при минимальном напряжении означает то же самое в конце разряда
3. Ускоряющееся падение кривой напряжения усиливается за счет более высокой скорости потери энергии, наблюдаемой при более высоких токах (в сценарии с постоянной мощностью более высокий ток возникает при более низких напряжениях).

Если значение сопротивления ESR конденсаторов удвоится (как контактное, так и полное сопротивление), потери тепла будут выше на 2,8%, а максимальная продолжительность подачи заданной мощности упадет до 9,75 секунды. Ниже приведено сравнение кривых напряжения разряда трех систем: идеальная, номинальная и 2x ESR.

Начиная с одного уровня заряда (при напряжении 855 В), идеальная система будет обеспечивать мощность 275 кВт в течение 10,63 секунд, тогда как системы 1xESR и 2xESR обеспечивают 10,16 секунд и 9,75 секунд соответственно. Изменения наклона кривой напряжения для идеальной системы являются результатом квадратичной зависимости между напряжением и энергоемкостью, в то время как на реальные системы также влияет сопротивление ESR и, следовательно, наблюдается более быстрое падение кривой напряжения.

Заключение: сравнительная эффективность каждой системы может быть получена из среднеквадратичного значения (RMS) площади под кривой напряжения. Потери на сопротивление ESR можно наблюдать как 

1) начальное падение напряжения, 

2) увеличение угла наклона кривой напряжения при более низких напряжениях.

Техническое приложение

Определение ESR

Эквивалентное последовательное сопротивление ESR, также известное как внутреннее сопротивление, представляет собой физическое значение, отображающее активные потери в упрощенной эквивалентной схеме, состоящей из резистора и идеального конденсатора в последовательной цепи (рис. 1).

Рис. 1. Последовательная эквивалентная схема ультраконденсатора

Сопротивление ESR возникает из-за неидеальных свойств материалов ультраконденсатора, таких как сопротивление пор и контактов, ионная инертность, проводимость электролита, примеси и т.д. Производители ультраконденсаторов используют различные методы для выражения значений ESR, Skeleton Technologies для инженерных расчетов выбрала метод отсечки тока после интервала 5 с, как наиболее точный метод, представляющий омические потери и их последствия.

Воздействие ESR

Возьмем символы U, I, Ri для обозначения напряжения, тока и ESR соответственно.

1. Согласно закону Ома, ток, протекающий через сопротивление, вызывает падение напряжения ∆U = I • Ri

2. Когда ультраконденсатор заряжается или разряжается, часть энергии теряется с рассеиваемой мощностью ∆P = I² • Ri, т.е. в ток в квадрате.

3. Рассеиваемая мощность является причиной нагрева ультраконденсаторов, что приводит к повышению температуры: ∆Tf=∆P • Rth = I² • Ri • Rth, где Rth — тепловое сопротивление.

ESR и эксплуатационные данные

ESR проявляется в нескольких параметрах, характеризующих производительность ультраконденсатора:

1. мощность при согласованном сопротивлении


2. полезная мощность


3. мощность при 95% кпд

4. время приложения постоянного тока

В приведенных выше уравнениях UR и C представляют номинальное напряжение и емкость соответственно.

Низкое значение ESR против высокой емкости

Рассмотрим два очень похожих ультраконденсатора:

	SCA3200	Типичный конденсатор
Номинальное напряжение	2,85 В	2,85 В
Номинальная емкость	3200 В	3400 В
ESR	0,13 мОм	0,22 мОм
Тепловое сопротивление, корпус-окружающая среда	3,2 °C/Вт	3,2 °C/Вт

На основе уравнения  можно построить график времени приложения постоянного тока для обоих конденсаторов (рис. 2). Как видно, SCA3200 превосходит обычный ультраконденсатор 3400 Ф при токах, превышающих 840 A, где более низкое значение ESR компенсирует более высокую емкость.

Рис. 2.  График времени приложения постоянного тока для SCA3200 и типичного 3400 Ф ультраконденсатора

Преимущества тепловых характеристик

Из уравнения ∆Tf=I² • R_i • R_th видно, что окончательное повышение температуры при работе с постоянным током пропорционально ESR. На практике это означает, что требуются меньшие усилия по охлаждению, или ультраконденсаторы можно использовать при более высокой температуре окружающей среды. Кроме того, контроль температуры помогает избежать преждевременного старения. Пример повышения температуры при работе при постоянном токе показан на рис.3.

Рис. 3. Повышение температуры при работе с постоянным током, вызванное ESR

Выводы

Меньшее значение ESR обеспечивает:

1. меньшее падение напряжения;

2. меньшие потери мощности и большую эффективность;

3. более длительное время применения;

4. большую доступную мощность;

5. больший доступный ток;

6. меньшее повышение температуры;

7. более длительный срок эксплуатации.

Конденсатор (электронный компонент) — это… Что такое Конденсатор (электронный компонент)?

Основа конструкции конденсатора — две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик

Слева — конденсаторы для поверхностного монтажа; справа — конденсаторы для объёмного монтажа; сверху — керамические; снизу — электролитические.

Различные конденсаторы для объёмного монтажа

Конденса́тор — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

История

В 1745 году в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и голландский физик Питер ван Мушенбрук создали первый конденсатор — «лейденскую банку».

Свойства конденсатора

Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течет, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора.

В терминах метода комплексных амплитуд конденсатор обладает комплексным импедансом

,

где — мнимая единица, — частота^[1] протекающего синусоидального тока, — ёмкость конденсатора. Отсюда также следует, что реактивное сопротивление конденсатора равно: . Для постоянного тока частота равна нулю, следовательно, реактивное сопротивление конденсатора бесконечно (в идеальном случае).

При изменении частоты изменяются диэлектрическая проницаемость диэлектрика и степень влияния паразитных параметров — собственной индуктивности и сопротивления потерь. На высоких частотах любой конденсатор можно рассматривать как последовательный колебательный контур, образуемый ёмкостью , собственной индуктивностью и сопротивлением потерь .

Резонансная частота конденсатора равна

При конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах , на которых его сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2—3 раза ниже резонансной.

Конденсатор может накапливать электрическую энергию. Энергия заряженного конденсатора:

где — напряжение (разность потенциалов), до которого заряжен конденсатор.

Обозначение конденсаторов на схемах

В России условные графические обозначения конденсаторов на схемах должны соответствовать ГОСТ 2.728-74^[2] либо международному стандарту IEEE 315-1975:

Обозначение по ГОСТ 2.728-74	Описание
	Конденсатор постоянной ёмкости
	Поляризованный конденсатор
	Подстроечный конденсатор переменной ёмкости

На электрических принципиальных схемах номинальная ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 10⁶ пФ) и пикофарадах, но нередко и в нанофарадах. При ёмкости не более 0,01 мкФ, ёмкость конденсатора указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, т.е. постфикс «пФ» опускают. При обозначении номинала ёмкости в других единицах указывают единицу измерения (пикоФарад). Для электролитических конденсаторов, а также для высоковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения номинала ёмкости, указывают их максимальное рабочее напряжение в вольтах (В) или киловольтах (кВ). Например так: «10 мк x 10 В». Для переменных конденсаторов указывают диапазон изменения ёмкости, например так: «10 – 180». В настоящее время изготавливаются конденсаторы с номинальными ёмкостями из десятичнологарифмических рядов значений Е3, Е6, Е12, Е24, т.е. на одну декаду приходится 3, 6, 12, 24 значения, так, чтобы значения с соответствующим допуском (разбросом) перекрывали всю декаду.

Характеристики конденсаторов

Основные параметры

Ёмкость

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = CU). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад. Однако существуют конденсаторы с ёмкостью до десятков фарад.

Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью каждая, расположенных на расстоянии друг от друга, в системе СИ выражается формулой: , где — относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами (эта формула справедлива, лишь когда много меньше линейных размеров пластин).

Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.

или

Если у всех параллельно соединённых конденсаторов расстояние между обкладками и свойства диэлектрика одинаковы, то эти конденсаторы можно представить как один большой конденсатор, разделённый на фрагменты меньшей площади.

При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы. Общая ёмкость батареи последовательно соединённых конденсаторов равна

или

Эта ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.

Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединённых последовательно, одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.

Удельная ёмкость

Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью — отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.

Номинальное напряжение

Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается.

Полярность

Конденсаторы, разрушившиеся без взрыва из-за температуры и напряжения, не соответствующих рабочим.

Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.

Взрывы электролитических конденсаторов — довольно распространённое явление. Основной причиной взрывов является перегрев конденсатора, вызываемый в большинстве случаев утечкой или повышением эквивалентного последовательного сопротивления вследствие старения (актуально для импульсных устройств). Для уменьшения повреждений других деталей и травматизма персонала в современных конденсаторах большой ёмкости устанавливают клапан или выполняют насечку на корпусе (часто можно заметить её в форме буквы X, K или Т на торце). При повышении внутреннего давления открывается клапан или корпус разрушается по насечке, испарившийся электролит выходит в виде едкого газа, и давление спадает без взрыва и осколков.

Паразитные параметры

Реальные конденсаторы, помимо ёмкости, обладают также собственными сопротивлением и индуктивностью. С высокой степенью точности, эквивалентную схему реального конденсатора можно представить следующим образом:

Электрическое сопротивление изоляции конденсатора —

r

Сопротивление изоляции — это сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением r = U / I_ут , где U — напряжение, приложенное к конденсатору, I_ут — ток утечки.

Эквивалентное последовательное сопротивление —

R

Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, англ. ESR) обусловлено главным образом электрическим сопротивлением материала обкладок и выводов конденсатора и контакта(-ов) между ними, а также потерями в диэлектрике. Обычно ЭПС возрастает с увеличением частоты тока, протекающего через конденсатор.

В большинстве случаев этим параметром можно пренебречь, но иногда (напр., в случае использования электролитических конденсаторов в фильтрах импульсных блоков питания) достаточно малое его значение может быть жизненно важным для надёжности устройства (см., напр., Capacitor plague(англ.)).

Эквивалентная последовательная индуктивность —

L

Эквивалентная последовательная индуктивность обусловлена, в основном, собственной индуктивностью обкладок и выводов конденсатора. На низких частотах (до единиц килогерц) обычно не учитывается в силу своей незначительности.

Тангенс угла потерь

Тангенс угла потерь — отношение мнимой и вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости.

Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока через конденсатор векторы напряжения и тока сдвинуты на угол , где — угол диэлектрических потерь. При отсутствии потерь . Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности P_а к реактивной P_р при синусоидальном напряжении определённой частоты. Величина, обратная , называется добротностью конденсатора. Термины добротности и тангенса угла потерь применяются также для катушек индуктивности и трансформаторов.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)

ТКЕ — относительное изменению емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (Кельвина). Таким образом значение ёмкости от температуры представляется линейной формулой:

,

где ΔT — увеличение температуры в °C или °К относительно нормальных условий, при которых специфицировано значение ёмкости. TKE применяется для характеристики конденсаторов со значительной линейной зависимостью ёмкости от температуры. Однако ТКЕ определяется не для всех типов конденсаторов. Конденсаторы, имеющие нелинейную зависимость емкости от температуры, и конденсаторы с большими уходами емкости от воздействия температуры окружающей среды в обозначении имеют указание на относительное изменение емкости в рабочем диапазоне температур.

Диэлектрическое поглощение

Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путём подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что напряжение медленно повышается. Это явление получило название диэлектрическое поглощение или адсорбция электрического заряда. Конденсатор ведёт себя так, словно параллельно ему подключено множество последовательных RC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность проявления этого эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора. Подобный эффект можно наблюдать и на большинстве электролитических конденсаторов, но в них он является следствием химических реакций между электролитом и обкладками. Наименьшим диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с органическими диэлектриками: тефлон (фторопласт), полистирол, полиэтилентерефталат, поликарбонат.

Классификация конденсаторов

Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность ёмкости, величину потерь и др.

По виду диэлектрика различают:

• Конденсаторы вакуумные (обкладки без диэлектрика находятся в вакууме).
• Конденсаторы с газообразным диэлектриком.
• Конденсаторы с жидким диэлектриком.
• Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.
• Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные — бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.
• Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего своей огромной удельной ёмкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металлическом аноде. Вторая обкладка (катод) — это или электролит (в электролитических конденсаторах) или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесённый непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги или спеченного порошка.

Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости:

• Постоянные конденсаторы — основной класс конденсаторов, не меняющие своей ёмкости (кроме как в течение срока службы).
• Переменные конденсаторы — конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды, варикапы) и температурой (термо­конденсаторы). Применяются, например, в радиоприемниках для перестройки частоты резонансного контура.
• Подстроечные конденсаторы — конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости.

В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространённые низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляюшие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.

Применение конденсаторов

Конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники.

• Так как конденсатор способен длительное время сохранять заряд, то его можно использовать в качестве элемента памяти или устройства хранения электрической энергии.

• Измерительный преобразователь (ИП) малых перемещений: малое изменение расстояния между обкладками очень заметно сказывается на ёмкости конденсатора.
• ИП влажности воздуха (изменение состава диэлектрика приводит к изменению емкости)
• ИП влажности древесины

• В схемах РЗиА конденсаторы используются для реализации логики работы некоторых защит. В частности, в схеме работы АПВ использование конденсатора позволяет обеспечить требуемую кратность срабатывания защиты.

Внешние ссылки

Смотри также

Ссылки

1. ↑ Частота в радианах в секунду.
2. ↑ ГОСТ 2.728-74 (2002)

Емкость и конденсаторы

ЕМКОСТЬ И КОНДЕНСАТОРЫ
Паразитные эффекты в конденсаторах
Часто перед разработчиком электронной схемы встает вопрос выбора правильных типов конденсаторов. Для частных приложений ответ на него не представляет особых трудностей. В общем, можно обнаружить, что большинство конденсаторов примененяются в четырех категориях:	— развязка по переменному току, — фильтрация цепей постоянного тока, — активные или пассивные RC-фильтры и частотно-избирательные цепи, — аналоговые интеграторы и цепи выборки-хранения.
Несмотря на то, что существует более дюжины популярных типов конденсаторов (пленочных, керамических, электролитических и т.д.), только один или два типа из них наилучшим образом подойдут для какого-то конкретного применения. В основном, это связано с явно выраженным несовершенством или паразитными эффектами, влияющими на характеристики устройства в целом. В противоположность идеальному реальный конденсатор описывается паразитными компонентами, определяющими его поведение помимо главного параметра — его емкости, — резистивными и индуктивными элементами, нелинейностью и диэлектрической памятью. Результирующие характеристики, определяющиеся ими, как правило, специфицируются производителями. Понимание влияния паразитных компонентов поможет сделать правильный выбор типа конденсатора для каждого конкретного приложения.	Различают четыре паразитных элемента, влияющих на характеристики конденсаторов: утечка или параллельное сопротивление, эквивалентное последовательное сопротивление (equivalent series resistance, ESR), эквивалентная последовательная индуктивность (equivalent series inductance, ESL) и диэлектрическая абсорбция (память).
В идеальном конденсаторе заряд Q изменяется только в ответ на протекание внешнего тока. В реальном же, сопротивление утечки разряжает конденсатор со скоростью, определяющейся постоянной времени RPС. Утечка конденсатора RP или RL — важный параметр при использовании конденсаторов в качестве элементов развязки по переменному току, в схемах выборки-хранения и в схемах интеграторов, т.е. в высокоимпедансных схемах.	Электролитические конденсаторы (танталовые и алюминиевые), известные своей большой емкостью, обладают очень большим током утечки (обычно около 5…20 нА/мкФ) из-за плохого сопротивления изоляции и не подходят для схем хранения и развязки. Наилучшим выбором для развязки цепей по переменному току и схем хранения заряда являются тефлоновые (фторопластовые, политетрафлуорэтиле-новые) и другие «поли»-типы (полипропиленовые, полистироловые и т.п.).
Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) RS — суммарное сопротивление выводов конденсатора и его обкладок, включенное последовательно с основной емкостью. Это сопротивление приводит к рассеиванию мощности (и, следовательно, к потерям) при протекании большого переменного тока, что может иметь серьезные последствия на высоких частотах и при протекании больших импульсных токов.	Этот паразитный компонент реального конденсатора, однако, не вносит существенных ограничений в работу прецизионных высокоимпедансных и малосигнальных аналоговых схем. Конденсаторы пленочного типа и со слюдяным диэлектриком обладают наименьшими значениями эквивалентного последовательного сопротивления.
Эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) LS — индуктивность выводов конденсатора и его обкладок, включенная последовательно с основной емкостью. Как и ESR, ESL может создать серьезные проблемы на высоких частотах, и даже в том случае, когда прецизионная схема работает на постоянном токе или на низкой частоте. Причина кроется в том, что транзисторы, используемые в прецизионных аналоговых схемах, могут быть высокочастотными и могут усиливать резонансные явления, связанные с низкими значениями паразитной индуктивности. Более подходящим типом для высокочастотных развязок могут служить монолитные керамические конденсаторы, обладающие малой эквивалентной последовательной индуктивностью. Они представляют собой многослойную структуру металлических пленок и керамичекого диэлектрика. Пленки, представляющие собой обкладки, параллельно соединяются соответствующим образом, что более предпочтительно, чем последовательное соединение.	Электролитические, бумажные и подобные им конденсаторы являются плохим выбором для цепей развязки на высоких частотах. По существу, они представляют собой две скрученные ленты металлической фольги, разделенные диэлектриком. Данный тип конструкции обладает значительной собственной индуктивностью и ведет себя в большей степени как индуктивность, нежели как конденсатор на частотах, превышающих несколько мегагерц. Небольшим недостатком монолитных керамических конденсаторов является микрофонный эффект (т.е. чувствительность к вибрациям). При этом может возникнуть собственный резонанс из-за высокой добротности Q, являющейся следствием малого последовательного сопротивления и малой последовательной индуктивности.
Поскольку сопротивление утечки, эквивалентное последовательное сопротивление и эквивалентную последовательную индуктивность почти всегда трудно специфицировать раздельно, многие производители объединяют эти параметры в один, известный как тангенс угла диэлектрических потерь (dissipation factor, DF), который, по существу, описывает неэффективность конденсатора. Этот параметр определяется отношением рассеянной энергии к запасенной в течение одного цикла. На практике, он равен коэффициенту мощности для диэлектрика. Если рассеяние на высоких частотах в основном определяется последовательным сопротивле-нием, отношение ESR к общему рективному сопротивлению дает достаточно точный результат.	Тангенс угла диэлектрических потерь оказывается эквивалентным также обратной величине добротности конденсатора Q, которая иногда специфицируется производителями.
Монолитные керамические конденсаторы являются прекрасными компонентами высокочастотных развязок, но они обладают значительным коэффициентом диэлектрической абсорбции (dielectric absorption, RDA, CDA), которая ограничивает их применение в качестве элементов фиксации в усилителях выборки-хранения (SHA). Эффект диэлектрической абсорбции ведет себя подобно гистерезису внутреннего заряда, что проявляется при быстром разряде конденсатора и затем, при отсоединенном выводе, восстановлении части заряда. Поскольку количество восстановленного заряда является функцией начального заряда, то этот процесс, на самом деле, является зарядовой памятью и может приводить к ошибкам в тех случаях, когда такой конденсатор используется в схемах выборки-хранения.	Для таких применений рекомендуется использовать фторопластовые, полипропиленовые и полистироловые конденсаторы, коэффициент диэлектрической абсорбции которых очень мал (обычно Общие сравнительные характеристики конденсаторов приведены в статье «Сравнительная таблица различных типов конденсаторов».
Следующее замечание касается, общих чертах, высокочастотных развязок. Наилучшим способом обеспечения адекватной развязки как на высоких, так и на низких частотах является совместное параллельное включение электролитического (лучше танталового) и монолитного керамического конденсаторов. Такая комбинация обладает большой емкостью во всем частотном диапазоне. Совсем необязательно размещать танталовый конденсатор у каждой микросхемы, за исключением критичных случаев. Достаточно иметь один танталовый конденсатор на несколько микросхем, если они расположены недалеко друг от друга.	Для корректной высокочастотной развязки необходимо правильное размещение конденсатора. Даже короткие проводники имеют значительную индуктивность, поэтому конденсатор должен располагаться в непосредственной близости к микросхемой, а сам проводник, соединяющий выводы конденсатора и микросхемы, должен быть коротким и относительно широким. В идеальном случае, конденсатор высокочастотной развязки должен быть с планарными выводами, но возможно использование и обычных конденсаторов с длиной выводов не более 1,5 мм.
Паразитная емкость
Как и конденсатор с двумя параллельными обкладками, паразитная емкость создается там, где два проводника проходят близко друг от друга (особенно, если они параллельны) и не закорочены или экранированы проводником, выполняющим роль экрана Фарадея.
Паразитная емкость, как правило, возникает между параллельными проводниками печатной платы или между проводниками/полигонами, расположенными на разных слоях платы. Появление и эффекты паразитной емкости (особенно, на высоких частотах), к сожалению, часто игнорируются в процессе моделирования и могут приводить к серьезным проблемам в уже готовом изделии. К таким эффектам относятся повышенный шум или помехи, сужение частотной характеристики, и, даже, нестабильность. Например, если в формулу расчета емкости подставить параметры печатной платы (ER = 4.7, d = 1.5 мм), то удельная емкость между двумя проводниками, расположенными на разных сторонах платы, составит около 3 пФ/см2. На частоте 250 МГц емкость в 3 пФ даст реакивное сопротивление 212,2 Ом! Полностью устранить паразитную емкость невозможно. Все, что можно сделать, — это минимизировать ее воздействие на работу схемы. Если нет возможностей влиять на источник помех VN или на местоположение нагрузки Z1, или такая возможность мала, то экран Фарадея позволит уменьшить наводимый шум. Экран представляет собой заземленный проводник, расположенный между источником помехи и схемой. На эквивалентной схеме показано, как источник высокочастотных помех VN взаимодействует на импеданс схемы Z1 через паразитную емкость C.	Как показано ниже, экран Фарадея преграждает путь линиям электрического поля. При этом возвратный ток помехи возвращается к своему источнику минуя Z1.
Другой пример емкостной связи проявляется в керамических корпусах интегральных схем, на верхней стороне которых располагается небольшая прямоугольная металлическая (коваровая) пластинка, соединяющаяся с метализированным ободком. Производители часто соединяют этот ободок с одним из угловых выводов корпуса или оставляют неподсоединенным. В большинстве логических схем этот угловой вывод является общим выводом питания и заземляется. В аналоговых же микросхемах ободок остается неподсоединенным, и такие схемы более восприимчивы к внешним наводкам, чем их аналоги в пластмассовых корпусах.	Какой бы ни был уровень внешнего шума, хорошим делом является заземлять металлическую пластинку корпуса, если таковое не было сделано производителем. Это может быть сделано подпайкой провода к самой пластинке или к металлизированному ободку. Сама микросхема от этого действия не пострадает, поскольку кристалл термически и электрически изолирован от них. Если подпайка проводника к корпусу недопустима, то можно использовать либо механический контакт с землей через скобу, либо контакт через токопроводящий клей или краску к общему выводу микросхемы. Однако, не следует заземлять металлическую пластинку, не убедившись, что она не подсоединена к выводу напряжения питания.
Существует один случай, когда применение экрана Фарадея бесполезно. Значение паразитной емкости между двумя выводами корпуса микросхемы обычно составляет 0,2 пФ (диапазон от 0,05 до 0,6 пФ). Однако, эта емкость образуется внутри корпуса и внешнее экранирование не даст предполагаемого результата.
Рассмотрим многоразрядный преобразователь (АЦП или ЦАП), подключенный к высокоскоростной шине данных. Каждая линия шины данных, переключающаяся со скоростью 2…5 В/нс, может воздействовать на аналоговый порт через паразитную емкость, следствием чего могут ухудшиться качественные характеристики преобразователя.	Эта проблема может быть устранена изолированием шины данных через тактируемый буфер. Поскольку это решение предполагает использование дополнительного компонента, то потребуется дополнительное место для его размещения на печатной плате, дополнительная мощность источника питания и увеличение стоимости устройства. Несмотря на это, отношение сигнал-шум преобразователя (один из важнейших параметров) может повыситься.

Чему не учат о конденсаторах

Davide Bortolami

|&nbsp Создано: 8 Февраля, 2021 &nbsp|&nbsp Обновлено: 16 Июня, 2021

В инженерной деятельности мы часто применяем сотни эмпирических правил для упрощения тех аспектов, над которыми работаем.

Если бы мы запускали квантово-физическое моделирование всякий раз, когда необходимо поморгать светодиодом, мы бы никогда ничего не добились. Тем не менее, многие из этих правил были сформулированы в прошлом, когда индустрия электроники радикально отличалась от нынешней.

Сегодня мы собираемся забыть, чему нас учили о том, что такое конденсатор. Кроме того, мы рассмотрим, как использовать конденсаторы с учетом современной электроники.

Чем конденсатор больше не является

Одно из общераспространенных мнений состоит в том, что основная роль конденсатора заключается в хранении заряда, подобно тому, как ведро с водой наполняется одной чашкой и в то же время опустошается другой.

Если вы когда-либо вступали в дискуссию “протекает ли ток через конденсатор” и уходили больше в политику, чем в физику, вы знаете, что типовые аналогии не имеют особого смысла, когда речь идет о переменном токе. Конденсатор – это просто два проводника, разделенных диэлектриком, и нигде в основных физических объяснениях его свойств вы не найдете объяснения того, что с этим делать.

Хранение энергии – это лишь одно из множества применений конденсатора, таких как фильтрация, формирование и инвертирование электрических сигналов и импедансов. Мы привыкли думать, что это основное применение конденсатора, поскольку это было его первым применением на заре электричества постоянного тока и электроскопа Уильяма Гилберта, изобретенного в XV веке.

Назначение конденсатора

Такие термины, как развязывающий и байпасный (шунтирующий) конденсатор, часто используются как синонимы – я сам совершал эту ошибку бесчисленное количество раз.

Это приводит к большой путанице, поскольку для разных целей часто требуются конденсаторы с разными электрическими и физическими параметрами, такими как форм-фактор, номинальное напряжение, ESR (эквивалентное последовательное сопротивление), ESL (эквивалентная последовательная индуктивность) и профиль собственного резонанса.

Конденсаторы называют по-разному не только исходя из технологии, по которой они созданы (керамический, электролитический), но и их назначения.

В следующих разделах рассмотрено несколько из наиболее распространенных назначений конденсаторов.

Рис. 1. Конденсаторы на современной плате. Если присмотреться, вы заметите различные типы конденсаторов, используемые в цепях разного назначения. Изображение от Michael Dziedzic

Байпасный конденсатор

Назначением байпасного конденсатора является передача радиочастотной энергии (переменного тока достаточно высокой частоты) от одной части платы к другой. Соответственно, о хранении заряда речи не идет вообще. Байпасный конденсатор предназначен для проведения, а не для хранения.

Для этого необходим тщательный подбор конденсатора с минимально возможным импедансом на нужных частотах. Этого можно достичь максимально близким соответствием собственной резонансной частоты конденсатора и частоты сигнала.

Собственная резонансная частота – это частота, на которой резонирует емкость и паразитная индуктивность и на которой конденсатор имеет наименьшее возможное сопротивление. Математически емкость и индуктивность как будто пропадают и остается только эквивалентное последовательное сопротивление.

Для частот выше собственной резонансной частоты конденсатор начинает всё меньше работать как конденсатор и всё больше – как индуктивность.

Рис. 2. Зависимость импеданса от частоты для различных конденсаторов. Изображение от Elcap, Jens Both

На что следует обращать внимание

Одна из наиболее распространенных ошибок, которые допускаются при использовании байпасных конденсаторов для контроля электромагнитного излучения (особенно при шунтировании экранов земли), заключается в том, что их размещение ограничивается только источником шума, который нужно устранить.

Для постоянного тока это имело бы смысл – закоротить сигнал максимально близко к источнику, чтобы получить как можно более низкие его значения, минимизировать сопротивление (импеданс) между коротким замыканием (конденсатором) и источником.

Для переменного тока и особенно для радиочастотного диапазона, из-за волновой природы электрических сигналов быстрое увеличение импеданса между областью рядом с источником шума и остальной частью заземляющего слоя может быть источником отражений, т.е. энергии, отраженной из-за несоответствия импедансов. Опять же, это противоречит традиционному описанию “энергии, отраженной из-за рассогласования линий”, которое верно лишь отчасти.

При использовании байпасных конденсаторов нужно попытаться снизить импеданс экранов питания и земли, распределив конденсаторы по плате. В зависимости от используемой частоты, структуры слоев и диэлектрического материала платы, могут понадобиться конденсаторы в диапазоне от пикофарад до нанофарад

Развязывающий конденсатор

У линейных регуляторов, таких как широко используемый 7805, есть внутренний контур обратной связи, который сравнивает выходное и опорное напряжение и соответствующим образом регулирует ток для поддержания стабильного выходного сигнала.

Теоретически линейные регуляторы можно использовать без внешнего конденсатора – по крайней мере, если мы игнорируем любые проблемы, связанные с автоколебаниями. Чтобы получить стабильный выходной сигнал, требуемый ток должен изменяться с достаточно медленной скоростью нарастания, чтобы линейный регулятор мог успевать за ним. Учитывая, что большинство из них построено на технологии BJT начала 80-х годов, эти скорости нарастания совсем не высокие.

Рис. 3. Пример внутренней схемы типового линейного регулятора, подобного 7805

Аналогичным образом, импульсные преобразователи DC-DC имеют основную частоту переключения и не могут регулировать выходной сигнал быстрее этой частоты.

Многие современные цифровые устройства генерируют переходные процессы тока с частотными составляющими в сотни мегагерц, что намного больше, чем может обеспечить любой регулятор (если мы не говорим об экзотических драйверах лазерных диодов).

Развязывающие конденсаторы работают на границе между стабильным напряжением, регулируемым схемой источника питания постоянного тока, и потреблением прерывистого тока современными цифровыми устройствами.

Даже небольшой импеданс между источником питания и устройством быстро приведет к выходу напряжения питания за пределы допустимого диапазона при возникновении пика тока.

Развязывающие конденсаторы действуют как временные локализованные накопители энергии, что уменьшает импеданс источника для значений в диапазоне между нескольких мегагерц и нескольких сотен мегагерц.

Для частот выше сотен мегагерц большинство SMD-конденсаторов имеют высокий импеданс и являются неэффективными. Вместо этого необходимо использовать такие методы, как скрытая емкость (buried capacitance) в стеке слоев.

На что следует обращать внимание

Развязывающие конденсаторы полезны только в относительно узком частотном диапазоне, в основном из-за ограничений, связанных с их паразитными свойствами.

Главный параметр, на который следует обратить внимание – это, опять же, собственная резонансная частота. Разделительные конденсаторы эффективны только на частотах ниже их собственной резонансной частоты.

При выборе конденсатора часто бывает полезно придерживаться следующих эмпирических правил:

• От постоянного тока до килогерц – конденсатор не требуется, источник питания может работать сам по себе.
• От килогерц до мегагерц – электролитические конденсаторы высоких номиналов полезны для более низкого диапазона частот, но их высокое последовательное сопротивление ограничивает их работу из-за низкой резонансной частоты. В диапазоне МГц многие электролитические конденсаторы уже являются сильно индуктивными.
• От мегагерц до 200 МГц – керамические конденсаторы, в зависимости от диэлектрика, размера корпуса и технологии изготовления, обычно подходят для этого диапазона.
• Свыше 200 Мгц – керамические конденсаторы становятся неэффективными. В этих случаях, будет лучше использовать вместо них скрытую емкость.

Сглаживающий конденсатор

Сглаживающие конденсаторы используются для поддержания стабильного напряжения во время недостающих циклов линии питания и поддержки пикового тока. Для этого нужны конденсаторы высокой емкости, и поэтому они обычно являются электролитическими.

Их можно считать маленькими источниками бесперебойного питания.

Чему не учат о керамических конденсаторах

Керамические конденсаторы, несомненно, являются фундаментальными пассивными компонентами в современной электронной промышленности, и их удельная емкость увеличивается со скоростью, сравнимой с плотностью транзисторов в кремнии, что делает доступными многие современные конструкции с высокой плотностью.

Они действительно являются чудом техники, но у них также есть несколько особенностей, о которых нужно знать.

Чем меньше, тем лучше

Керамика – замечательный, но хрупкий материал. Керамические конденсаторы могут треснуть из-за изгиба печатной платы, например, при сборке больших плат (или панелей), неправильном разделении плат скрайбированием или неправильном обращении во время транспортировки.

Растрескивание при изгибе – опасное явление, поскольку если конденсатор используется в силовых устройствах с высокими токами, он зачастую может выйти из строя и вызвать возгорание.

Вопреки распространенному мнению, конденсатор меньшего размера имеет превосходные электрические и механические характеристики. Они с меньшей вероятностью треснут, и они имеют более высокую собственную резонансную частоту.

Если вашему продукту требуется высокая надежность при механических нагрузках, есть несколько методов, которые вы можете использовать для уменьшения соответствующих отказов:

• Не размещайте конденсаторы длинной стороной в том же направлении, в котором изгибается плата.
• Используйте конденсаторы минимально возможного размера, например 0402.
• Используйте конденсаторы типа “soft-terminated”, которые не замыкаются под нагрузкой, и/или керамические конденсаторы X2/Y2.
• Размещайте трассировку вокруг конденсаторов для снятия механического напряжения.
• Если вы выбрали конденсаторы, которые размыкаются, всегда используйте параллельно как минимум два из них, чтобы ваша схема могла иметь достаточную емкость для нормальной работы при выходе из строя одного из них.

Типы диэлектриков

C0G, X7R… У диэлектриков странные названия и набор самых разных свойств. Далее представлены их характеристики и случаи, когда их использовать лучше всего:

• C0G/NP0 – самые модные керамические конденсаторы на рынке. Обычно они доступны в диапазоне от 1 пФ до 100 нФ и имеют допуск 5%. NP0 означает “положительный-отрицательный-ноль”, для формы графика ТКЕ конденсатора, которая выглядит плоской во всем диапазоне температур. Именно их следует использовать, когда требуются точные значения и стабильность.
• X7R – современная рабочая лошадка. Они имеют отличные коэффициенты напряжения и температуры и популярны в диапазоне от 100 пФ до 22 мкФ. Они наиболее широко используются для развязки и имеют широкий диапазон температур от -55°C до 125°C.
• X5R – аналогичен X7R, но рассчитан на 85°C вместо 125°C.
• Y5V – может достигать чрезвычайно высокого значения емкости, но при низких отклонениях от номинального напряжения и температуры (допускается потеря до 82% емкости).
• Z5U – аналогично Y5V, конденсаторы Z5U имеют плохие характеристики по напряжению и температуре и стоят очень дешево. Допускается использование только до -10°C и применяются только для развязки в недорогом бытовом оборудовании.

На что следует обращать внимание

Использование конденсаторов с разными диэлектриками может привести к неожиданным результатам.

Например, конденсаторы Z5U очень дешевы и используют диэлектрик из титаната бария. Этот материал имеет высокую диэлектрическую постоянную, что обеспечивает отличное отношение емкости к объему, а также собственную резонансную частоту, обычно от 1 до 20 МГц.

Конденсаторы NP0 лучше работает на частотах выше 10 МГц, так почему бы не использовать их вместе для работы в более широком диапазоне частот?

К сожалению, когда конденсаторы Z5U и NP0 соединены параллельно, материал с более высокой диэлектрической проницаемостью снижает резонансную частоту NP0, и это сочетание приводит к худшим общим характеристикам, чем просто качественный Z5U.

Однако вопрос «почему» определенно выходит за рамки моей компетенции. Если вы понимаете это явление, пожалуйста, напишите мне.

Диэлектрические потери

Если вы закоротите выход заряженного конденсатора, то обнаружите, что полностью разряженный конденсатор сидит на скамейке и смотрит на вас печальными глазами. Однако это не всегда так. Почти все конденсаторы, за единственным заметным исключением вакуумных конденсаторов, сохраняют часть своего заряда после разрядки.

Это происходит потому, что случайно ориентированные молекулярные диполи со временем выравниваются электрическим полем, и их новая ориентация сохраняется даже в отсутствии этого поля.

Керамические конденсаторы могут удерживать до 0,6% заряженного напряжения для NP0 и до 2,5% для X7R.

Емкость, зависящая от напряжения

Конденсаторы Y5V могут терять до 82% своей емкости при номинальном напряжении, в то время как конденсаторы NP0 имеют практически горизонтальную характеристику.
Если у вас есть устройства, в которых нужно изменять выходное напряжение, например, с помощью настраиваемого источника напряжения, требуемого стандартом USB-PD, который Марк Харрис обсуждал в своей недавней статье, вы можете столкнуться с непредсказуемой работой схемы.

Инструменты проектирования в Altium Designer® включают в себя всё необходимое, чтобы идти в ногу с новыми технологиями. Поговорите с нами сегодня и узнайте, как мы можем улучшить ваш процесс проектирования.

Эффективное последовательное сопротивление

— обзор

Выбор резервуарного конденсатора и трансформатора

Если мы спроектировали наш источник питания так, чтобы пульсации напряжения составляли 5% от напряжения питания, то в 90% случаев трансформатор отключен, а выход Сопротивление источника питания определяется исключительно ESR конденсатора и соответствующим сопротивлением выходной проводки. Вот почему замена емкостных конденсаторов общего назначения на типы с высокой пульсацией тока оказывает заметное влияние на звучание усилителя; у них более низкое СОЭ (но более высокая цена).

Комбинация трансформатор / выпрямитель / конденсатор представляет собой нелинейную систему. Это делает его поведение значительно более сложным, чем у идеального источника Тевенина, поэтому нам необходимо исследовать его в разные периоды времени.

В краткосрочной перспективе (менее одного цикла зарядки) выходное сопротивление источника питания равно ESR конденсатора плюс сопротивление проводки. Это будет справедливо даже для очень высоких требований к переходным процессам тока, которые могут возникать в каждом цикле зарядки, при условии, что они не истощают значительно заряд конденсатора.Все, что требуется, это то, что конденсатор должен обеспечивать эти переходные токи. Для этого конденсатору требуется низкий ESR не только на частотах сети, но и до 40 кГц, потому что выходной каскад мощности класса B вызывает выпрямленную (и, следовательно, удвоенную частоту) версию аудиосигнала. появиться на шинах питания. (См. Главу 6 для объяснения класса B.) Мы можем справиться с этим требованием, используя в качестве основного резервуара электролитический конденсатор, предназначенный для использования в импульсных источниках питания.

Усилитель мощности может значительно истощить заряд в накопительном конденсаторе, вызывая падение выходного напряжения либо из-за постоянного высокого тока, из-за непрерывного теста синусоидальной волны на полной мощности, либо из-за воспроизведения короткого, но громкого звука — например, большой барабан.

Обеспечить постоянную нагрузку относительно легко, потому что мы точно знаем, какой ток будет потребляться, и просто проектируем его для этого тока. Если пульсирующее напряжение для разумного пульсирующего тока выше, чем хотелось бы, мы просто добавляем регулятор, чтобы его убрать.

Трудности начинаются, когда мы хотим обеспечить меняющуюся нагрузку. Может показаться, что если усилитель мощности рассчитан на 50 Вт при непрерывной нагрузке на 8 Ом, то все, что нам нужно сделать, это вычислить, какой ток нагрузки это подразумевает, и спроектировать для этого тока. Недостатки этого подхода легче продемонстрировать с помощью транзисторного усилителя, где нагрузка напрямую связана с выходным каскадом, а источник питания очень прост (см. Рисунок 5.14).

Рисунок 5.14. Типовой блок питания для транзисторного усилителя.

В нашем примере 50 Вт 8 Ом:

P = I2R

Следовательно, для синусоидальной волны:

IRMS = PR = 508 = 2,5 A

Но мы должны подать пиковый ток , который равен √ На 2 больше, при 3,5 A:

VRMS = PR = 50 × 8 = 20 В

Но мы должны подать пиковое напряжение , которое на √2 больше, при 28,3 В. Транзисторные усилители обычно могут качаться с точностью до вольт шины, поэтому мы могли бы просто терпеть шину ± 29 В и источник питания, способный выдавать ± 29 В при напряжении 3.Подразумевается 5 А. Следовательно, нам нужно 203 Вт на канал и 406 Вт для стереоусилителя на 50 Вт! Это очень большой и дорогой блок питания, и нам понадобятся удивительно веские причины для его использования.

Ключ к проблеме кроется в классе выходного каскада. Если выходной каскад работает в классе A, то ток покоя равен пиковому току, необходимому при максимальной выходной мощности, в данном случае 3,5 А. Если каждый канал действительно потребляет постоянную 3,5 А от источника питания ± 29 В, тогда мы действительно нужен блок питания на 406 Вт.Классический стереоусилитель Krell KSA50 мощностью 50 Вт потреблял 300 Вт от сети на холостом ходу [5], что говорит о том, что это не совсем соответствует классу A, но, безусловно, гораздо ближе, чем большинство претендентов на класс A.

Емкость резервуарного конденсатора легко определить, используя нашу предыдущую формулу и критерий пульсации напряжения 5%, но трансформатор — это совсем другое дело. Можно точно определить требования к трансформатору, используя графики, первоначально разработанные Шаде [6]. На практике необходимая информация о трансформаторе может быть недоступна, поэтому практическое правило состоит в том, чтобы сделать номинальную мощность трансформатора, по крайней мере, равной требуемой выходной мощности.

Если в нашем примере выходной каскад стереофонического усилителя мощностью 50 Вт становится классом B, то каждый канал по-прежнему подает 3,5 А на нагрузку на пиках синусоидальной волны, но в других точках цикла требуемый ток от источника питания намного ниже. . Эффект накопительного конденсатора заключается в усреднении колеблющегося потребления тока, а для двухполупериодной выпрямленной синусоидальной волны:

Iср. = 2π · Ipeak = 0,637 Ipeak

Средний ток питания составляет 2,2 А, поэтому трансформатор 250 ВА будет быть выбранным.

Мы также можем утверждать, что усилитель не работает на полную мощность все время и что краткосрочные музыкальные пики, требующие максимальной выходной мощности, не продолжаются долго. Следовательно, можно использовать трансформатор меньшего размера, поскольку накопительный конденсатор может обеспечивать пиковые токи. Это очень соблазнительный аргумент, и он убедил многих производителей коммерческих усилителей, поскольку 1 фунт стерлингов на стоимость компонентов обычно добавляет 4–5 фунтов стерлингов к розничной цене.

Нам не нужно работать с такими жесткими коммерческими соображениями, и в разумных пределах, чем больше сетевой трансформатор, тем он лучше.

Сегодняшние приложения для высокочастотного питания требуют понимания эквивалентного последовательного сопротивления и коэффициента добротности

Как фундаментальный компонент схемы, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) — это измерение всех неидеальных электрических сопротивлений последовательно с конденсатором. Когда ток течет через многослойный керамический конденсатор (MLCC) из-за приложения переменного напряжения, в MLCC выделяется тепло из-за потерь, в частности ESR. В результате этот самонагрев может вызвать различные проблемы с производительностью и надежностью в схемах сегодняшних более сложных и небольших электронных систем.

Что касается ESR, фактор качества (Q-фактор) также является важным показателем качества, используемым для сравнения MLCC. Как и СОЭ, оно зависит от частоты и его трудно точно измерить в частотном диапазоне. Оба компонента являются громоздкими для прямого сравнения данных, предоставленных разными компаниями, из-за этих проблем с измерениями и / или необходимости проводить и проверять измерения с предоставленными данными.

Тем не менее, одно можно сказать наверняка — этот вид измерения в значительной степени зависит от примеров сопротивления в проводящих пластинах, изоляционном материале, выводах и т. Д.Чем выше ESR, тем больше потерь в конденсаторе. Посмотрите на приведенные ниже уравнения, чтобы лучше понять.

Где Rs — ESR в омах, DF — коэффициент рассеяния, а Xc — емкостное реактивное сопротивление в омах.

ESR также определяет, сколько пульсаций тока преобразуется в тепловыделение. Как уже упоминалось, высокие температуры могут отрицательно повлиять на производительность или неожиданно повредить конденсатор в долгосрочной перспективе, если рассеивание мощности не выполняется должным образом.

Где P — рассеиваемая мощность в ваттах, I — среднеквадратичный (RMS) ток в амперах, а R — ESR в омах.

СОЭ измеряется с использованием:

• Резонансная трубка, в которой резонансная частота и ширина полосы зависят от добротности и ESR конденсатора

или

• Как измерение с качанием частоты с использованием анализатора импеданса, который может измерять характеристики напрямую, но имеет больше проблем с контактом

Трудности и проблемы с точностью, связанные с измерением Q-фактора, означают, что эти цифры всегда приводятся как «типовые» данные.Принимая во внимание, что MLCC определяются значением емкости и рабочим напряжением, хороший контроль материалов и конструкции означает, что производительность будет стабильной, но фактические измеренные данные могут отличаться.

Также важно отметить, что сравнение данных с цифрами, полученными из разрозненных источников или испытанными в разное время, может не дать истинного представления о том, как детали будут работать в цепи. Даже при рассмотрении данных сравнительных испытаний следует помнить, что они получены от компонента, установленного в испытательном приспособлении, и могут не полностью соответствовать компоненту, впаянному в схему.

Между тем, пригодность к работе всегда должна подтверждаться оценкой в ​​цепи. Следовательно, ESR и Q-фактор предоставлены с целью указания производительности MLCC в заданном рабочем диапазоне частот.

Знание значения ESR важно, потому что оно определяет пригодность компонента для использования в приложениях с ВЧ-мощностью. Если значение ESR слишком высокое, самонагрев из-за потерь будет слишком большим, и деталь будет перегреваться и выйти из строя.ESR также позволяет рассчитать максимальный номинальный ток для компонента.

В конечном счете, важно признать роль ESR в приложениях с сильным пульсирующим током. Это особенно актуально в ключевых приложениях, таких как фильтрующие и сглаживающие конденсаторы для электромобилей и других силовых приложений. Мощность, рассеиваемая такими конденсаторами, является функцией тока пульсаций и ESR и играет важную роль при выборе подходящего конденсатора для работы.

Чтобы узнать больше о подходе Ноулза к измерению СОЭ, в том числе более подробно о различных методах измерения и потенциальных подводных камнях, прочтите полный отчет.

Каковы частотные характеристики импеданса конденсаторов? / Что такое ESR / ESL конденсаторов? ｜ Q&A Corner

Каковы частотные характеристики импеданса конденсаторов?

Что такое ESR / ESL конденсаторов?

Импеданс конденсаторов зависит от емкости и частоты.В идеальном конденсаторе сопротивление становится ниже, чем емкость. больше. Кроме того, сопротивление становится ниже с увеличением частоты.

На самом деле конденсатор имеет сопротивление и индуктивность. В простом выражении эти характеристики могут быть записаны как модель последовательной эквивалентной схемы C, R, L.Этот R называется «эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR)», а L называется «эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL)».

В отличие от идеального конденсатора, полное сопротивление реального конденсатора меняет свою тенденцию при определенном частота из-за ESL. Эта частота называется «Саморезонансная частота (SRF)». В более высоком частотном диапазоне, чем SRF, импеданс становится больше при увеличении частоты. потому что ESL влияет на импеданс.В SRF емкость и ESL взаимно стирают каждое сопротивление. Следовательно, на уровне SRF остается только сопротивление ESR.

Таким образом, сопротивление конденсатора зависит от частоты. Это частотные характеристики импеданса в конденсаторах.

ESR и ESL вызывают снижение производительности.Вообще говоря, конденсаторы с более низким ESR и ESL работают лучше, чем более высокие. Если ESR конденсатора велико, это может вызвать выделение тепла и падение напряжения во время работы ИС. Если ESL конденсатора большой, это может вызвать звенящий сигнал. ESR и ESL также варьируются в зависимости от частоты реальных конденсаторов.Поэтому важно знать значение СОЭ и ESL на той частоте, которая вас интересует. См. Также этот документ для более подробной информации.

Многослойные керамические конденсаторы обычно превосходят по характеристикам ESR и ESL. к другим типам конденсаторов. Мы можем предоставить Реверсивные развязывающие конденсаторы LW (LWDC ^TM ) с еще более низким ESR и ESL чем обычные керамические конденсаторы.Пожалуйста, попробуйте их в своем приложении.

Как измерить и рассчитать эквивалентное последовательное сопротивление электрических двухслойных конденсаторов

Molecules. 2019 Apr; 24 (8): 1452.

Леонардо Мораиш да Силва

² Химический факультет Федерального университета Жекитинхона-э-Мукури, шоссе MGT 367, км 583, 5000, Альто-да-Хакуба, Диамантина, MG 39100-000, Бразилия

² Химический факультет Федерального университета Жекитинхона и долина Мукури, шоссе MGT 367, км 583, 5000, Альто-да-Джакуба, Диамантина, MG 39100-000, Бразилия

Получено 21 февраля 2019 г .; Принята в печать 28 марта 2019 г.

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья представляет собой статью в открытом доступе, распространяемую в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Эта статья цитировалась другими статьями в PMC. .

Abstract

Электрические двухслойные конденсаторы (EDLC) — это устройства накопления энергии, которые привлекли внимание научного сообщества из-за их высокой удельной способности накопления энергии. Стандартный метод определения максимальной мощности ( P _max ) этих устройств использует соотношение P _max = U ² /4 R _ESR , где U обозначает напряжение ячейки и R _ESR для эквивалентного последовательного сопротивления.Несмотря на актуальность R _ESR , в литературе можно наблюдать отсутствие единого мнения относительно определения этого параметра по результатам гальваностатического заряда-разряда. Кроме того, обзор литературы показал, что примерно в половине научных работ значения R _ESR были рассчитаны с использованием метода спектроскопии электрохимического импеданса (EIS), а в другой половине использовался метод гальваностатического заряда-разряда (GCD). R _{Значения ESR} , извлеченные из EIS на высоких частотах (> 10 кГц), не зависят от конкретной модели эквивалентной схемы.Однако традиционный метод GCD лучше соответствует реальной ситуации работы устройства, и поэтому его использование имеет первостепенное значение для практических целей. В последнем случае падение напряжения (Δ U ), подтвержденное при переходе заряда-разряда для данного приложенного тока ( I ), используется в сочетании с законом Ома для получения R _ESR (например, R _ESR = Δ U / Δ I ). Однако несколько статей вызвали большую путаницу в литературе, рассматривая только приложенный ток ( I ).Чтобы пролить свет на этот важный вопрос, мы представляем в этой работе рациональный анализ метода GCD, чтобы доказать, что для получения надежных значений R _ESR падение напряжения должно быть нормализовано в два раза (например, , R _ESR = Δ U /2 I ).

Ключевые слова: эквивалентное последовательное сопротивление , метод гальваностатического заряда-разряда, метод импеданса, падение напряжения, моделирование моделей эквивалентных схем

1.Введение

От городской мобильности до портативной электроники растет спрос на устройства быстрой зарядки [1,2,3]. В этом сценарии электрические двухслойные конденсаторы (EDLC), также известные как суперконденсаторы, являются очень привлекательными устройствами хранения энергии со сверхбыстрыми и краткосрочными характеристиками [2,3,4]. Чтобы масштабировать характеристики различных EDLC, для практических целей обычно оцениваются удельная энергия и мощность. Ключевыми параметрами для устройств накопления энергии считаются энергия (Вт · кг ^-1 ) и мощность (Вт · кг ^-1 ), нормированные на вес устройства (или материала электрода).В этом смысле максимальная выходная энергия ( E _max ) и мощность ( P _max ) определяются с использованием соотношений E _max = CU ² /2 и P _max = U ² /4 R _ESR соответственно, где U обозначает напряжение элемента, C — удельную емкость и R _ESR — эквивалентное последовательное сопротивление (ESR ) [5].

В литературе обычно подтверждается, что ESR можно правильно определить с помощью спектроскопии электрохимического импеданса (EIS) и методов гальваностатического заряда-разряда. В случае EIS, значение ESR может быть точно определено на высоких частотах (> 10 кГц) [6,7,8]. Этот метод довольно прост в применении, поскольку он не зависит от использования конкретной модели эквивалентной схемы для устройства [9]. Несмотря на преимущества, предлагаемые методом EIS, мы должны учитывать, что традиционный метод GCD лучше соответствует реальным условиям эксплуатации суперконденсаторов, т.е.е. использование этого метода в лабораторных исследованиях имеет первостепенное значение для получения более реалистичного экспериментального сценария, напоминающего реальное приложение.

В случае метода GCD, падение напряжения (Δ U ), подтвержденное при переходе заряда-разряда для заданного приложенного тока ( I ), должно использоваться в сочетании с законом Ома для получения R _ESR (например, R _ESR = Δ U / Δ I , а не R _ESR = Δ U / I ) [5,10,11,12,13 , 14,15,16].Однако «специальное» принятие в литературе нестандартных нормирующих коэффициентов для Δ U привело к большой путанице при сравнении результатов, представленных в различных статьях, полученных для суперконденсаторных устройств.

Цель данной работы — представить теоретический анализ метода GCD, чтобы продемонстрировать, что правильное определение значений R _ESR требует, чтобы падение напряжения было нормализовано в два раза (например, R _ESR = Δ U /2 I , а не R _ESR = Δ U / I ).Моделирование с использованием канонических схемных моделей было выполнено, чтобы подчеркнуть теоретические аспекты, присущие данной работе. Кроме того, сравнение теоретических электрохимических характеристик этих цепей в частотной области представлено с использованием метода EIS.

2. Основы методов EIS и GCD

a, b показаны смоделированные графики Найквиста (например, комплексная плоскость) и соответствующие графики гальваностатического заряда-разряда, полученные как функция от R _ESR .Стоит отметить, что импедансный отклик, проверенный на очень высоких частотах, не зависит от конкретной модели эквивалентной схемы, используемой в процессе моделирования [7,8,17,18,19,20,21,22]. Кроме того, для практических целей, поскольку EIS является установившимся методом, подчиняющимся линейной теории систем, можно получить высокоточные значения сопротивлений и емкостей для EDLC с использованием синусоидального напряжения с низкой амплитудой (например, δ U = 10 мВ (от пика до пика)) и сканирование частоты для различных порядков величины (например,g., Δ f = от 100 кГц до 10 мГц).

Схематическое изображение ( a ) графиков в комплексной плоскости и ( b ) кривых гальваностатического заряда-разряда, демонстрирующих падение напряжения ( U _{падение} ). На вставке в a показана модель канонической схемы. Моделирование проводилось с учетом различных значений R _ESR и R _L = 1 МОм.

Исходя из приведенных выше соображений, моделирование было выполнено с использованием канонической модели эквивалентной схемы, представляющей идеальный электрохимический отклик симметричного устройства типа «таблетка», в котором положительный и отрицательный электроды идентичны.Как видно на вставке, эквивалентное последовательное сопротивление ( R, _ESR ) подключено к ветви, содержащей конденсатор ( C, _EDL ), представляя процесс накопления заряда на двойном электрическом слое. (EDL), сформированный на границе раздела электрод / электролит, который расположен параллельно сопротивлению утечки ( R _L ). Несмотря на использование канонической модели, важно отметить, что значение R _ESR , полученное на высоких частотах, всегда появляется как обобщенное сопротивление, соединенное последовательно с другими элементами схемы конкретной модели схемы [4].

Моделирование, представленное в a, было выполнено для различных значений R _ESR и с использованием значения R _L (сопротивление току утечки), равного 1 МОм. Очевидно, что идеальное устройство EDLC имеет очень высокое сопротивление утечке ( R _L → ∞), и явление частотной дисперсии отсутствует, то есть график комплексной плоскости характеризуется идеальной вертикальной линией (см. A). Таким образом, экстраполяция этой линии на действительную ось ( Z _{действительная} ) на очень высоких частотах (т.е.g., ω → ∞) дает искомое значение R _ESR . Поэтому в реальных системах истинное значение R _ESR обычно определяется экстраполяцией с использованием высокочастотного значения ≈1,0 кГц.

b показывает гальваностатические кривые заряда-разряда, демонстрирующие падение напряжения ( U _{падение} ) при изменении полярности. С теоретической точки зрения, в этом случае определение значения R _ESR включает применение функции тока прямоугольной формы с инверсией полярности (например,г., I ₍₊₎ ↔ I _(-) и | I ₍₊₎ | = | I _(-) |). Наблюдается падение напряжения при смене поляризации с ростом напряжения после смены знака тока. Во время непрерывного повторения процессов заряда-разряда положительный (анодный) и отрицательный (катодный) электроды постоянно заряжались и разряжались, соответственно, в течение равного времени за счет приложения положительного ( I ₍₊₎ ) и отрицательного ( I _(-) ) токи той же величины (| I ₍₊₎ | = | I _(-) |).Следовательно, для идеального случая, когда существует только емкостное поведение ( R _ESR = 0), можно получить в качестве ответа симметричную треугольную волну напряжения, поскольку емкостное напряжение ( U _c ) линейно увеличивается с сохранением заряд ( Q ) для данной емкости ( C ), то есть δ U _c = δ Q / C . Однако в реальных случаях, когда R _ESR > 0, анодная ветвь (например.g., прямая линия с положительным наклоном) волны напряжения, относящейся к процессу зарядки (например, δ U _{c (+)} = δ Q ₍₊₎ / C ), смещена к более положительным значениям постоянным значением, определяемым U _{ESR (+)} = R _ESR × I ₍₊₎ = постоянный. Следовательно, мгновенные значения общего напряжения даются как U _i = U _{c (+)} + U _{ESR (+)} .Соответственно, катодная ветвь (например, прямая линия с отрицательным наклоном) волны напряжения, связанная с процессом разряда (например, δ U _{c (-)} = δ Q _(-) / C ) смещается к более отрицательным напряжениям из-за изменения полярности приложенного тока, где δ I = I ₍₊₎ — I _(-) = 2 I , поскольку | I ₍₊₎ | = | I _(-) |.

Интуитивно мгновенные значения общего напряжения после смены полярности задаются как U _i = U _c — U _ESR = U _c — R _ESR × 2 I . В этом смысле полное падение напряжения во время реверсирования поляризации составляет U _ESR = — R _ESR × 2 I , поскольку Δ U _ESR <0, т.е.например, R _ESR = Δ U _ESR /2 I и, следовательно, падение напряжения необходимо нормировать с коэффициентом 2 [5].

3. Теоретический электрический отклик кривых GCD с использованием модели канонического эквивалента

3.1. Вывод теоретической формулы для эквивалентного последовательного сопротивления

Чтобы получить теоретическую модель для расчета R _ESR , каноническая схема, представленная для представления процессов заряда-разряда, была использована для получения соответствующих уравнений.Вкратце, ключевые уравнения для процессов заряда и разряда и их комбинация представлены для получения желаемой теоретической модели.

Электрические цепи, содержащие каноническую модель эквивалентной схемы, представляющую электрохимическое поведение конденсаторов с двойным электрическим слоем во время процессов зарядки и разрядки, выполняемых при постоянном токе. Определения: I _ячейка — приложенный постоянный ток; R _ESR — эквивалентное последовательное сопротивление; R _L — сопротивление утечки; C _EDL представляет собой эквивалентную емкость симметричного монетного элемента; U _ячейка — это общее напряжение ячейки, а U _SC ⁰ — напряжение на C _EDL , когда конденсатор полностью заряжен.

В соответствии с основными законами теории электрических цепей напряжение элемента во время процесса зарядки для схемы, представленной в, определяется следующим соотношением:

Ucell (t) = RESRIcell + RLIcell × [1 − exp (−tRLC )]

(1)

Кроме того, можно продемонстрировать, что функция U _{ячейка ( t )} , описывающая переходную характеристику после замыкания переключателя K , задается следующим уравнением:

Ucell (t) = Usc0 − RESRIcell− (Usc0 + RLIcell) × [- 1 + exp (−tRLC)]

(2)

Используя уравнения (1) и (2), теоретический гальваностатический заряд – разряд Кривые, учитывающие процессы зарядки и разрядки на C _EDL , соответственно, были получены при постоянном токе в результате численного моделирования (например,g., Simulink программного обеспечения PSIM) с использованием различных значений R _ESR (например, 0, 0,01 и 0,1 Ом), сохраняя R _L = 1,0 МОм и C _EDL = 0,1 F. (видеть ). Анодный (положительный) и катодный (отрицательный) токи чередовались между +1 А и -1 А, соответственно. В этом случае был применен виртуальный управляемый источник тока со временем зарядки ~ 1 с. Затем направление тока было изменено на противоположное, что характеризует разряд C _EDL .Величина зарядного и разрядного токов поддерживалась таким образом, чтобы можно было графически наблюдать желаемые характеристики схемы.

Моделирование кривых гальваностатического заряда – разряда с использованием различных значений R _ESR . Условия: R _ESR = 0, 0,01 и 0,1 Ом; R _L = 1,0 МОм; и C _EDL = 0,1 F. Анодный (положительный) и катодный (отрицательный) токи чередовались между +1 А и -1 А, соответственно.

Значение R _ESR можно определить по падению напряжения во время изменения полярности, то есть, когда процесс зарядки прекращается для получения кривых разрядки. В случае напряжения элемента во время процесса зарядки (см. Уравнение (1)), когда t → ∞, конденсатор полностью заряжен. Следовательно, для этого конкретного условия необходимо, чтобы:

Ucell (t) = RESRIcell + RLIcell

(3)

Помня, что для напряжения зарядки, когда t → ∞, мы имеем это R _L I _cell равно напряжению в конденсаторе ( U _SC ⁰ ), можно получить следующее уравнение:

Ucell (t) = RESRIcell (зарядка) + Usc0

(4)

В случае напряжения ячейки для процесса разряда ( t → 0), когда t стремится к нулю, конденсатор полностью разряжен.Таким образом, для этих условий из уравнения (2) следует, что:

Ucell (t) = Usc0 − RESRIcell (разрядка)

(5)

Вычисляя разницу между уравнениями (1) и (2), получается следующее соотношение:

ΔU = RESR (Icell (зарядка) + Icell (разрядка)) = 2RESR | Icell |

(6)

Так как зарядный и разрядный ток равны по модулю. Наконец, теоретическое выражение для эквивалентного последовательного сопротивления дается уравнением (7):

Следовательно, из уравнения (7) становится очевидным, что падение напряжения должно быть нормализовано с коэффициентом 2, чтобы получить надежные результаты во время применения. метода НОД.В дополнительных данных мы применили альтернативный подход для той же демонстрации, пожалуйста, посмотрите.

3.2. Проверка теоретического выражения, полученного для эквивалентного последовательного сопротивления с использованием коммерческого суперконденсатора 200 F

, показывает, что кривые GCD, полученные для коммерческого суперконденсатора 200 F (например, 2,7 В D35H62 PTH S0016), в зависимости от приложенного тока (например, , 1–2 А). Для этих высоких значений приложенных токов отношение Δ U / Δ I было постоянным (= 25 мОм) [23].

Экспериментальные кривые НОД, полученные для коммерческого суперконденсатора 200F (2,7 В D35H62 PTH S0016) в зависимости от приложенного тока.

a показывает график Найквиста, полученный для коммерческого суперконденсатора 200 F (экспериментальные условия: δ U = 10 мВ (размах), U _dc = 0 В и Δ f = 10 кГц до 10 мГц). Данные импеданса реального двухслойного электрического конденсатора (EDLC) сильно отличались от импедансной характеристики обычного (пассивного) конденсатора из-за присутствия явления частотной дисперсии [4,17].Фактически, как обсуждалось ранее Конвеем [4], EDLC, состоящие из пористых углеродных материалов с большой площадью поверхности, не могут быть представлены простой емкостью или даже простой схемой RC из-за влияния ионов в сочетании с пористой структурой. поведение материала электрода, то есть высокочастотное напряжение почти не проникает внутрь узких пор, в то время как низкочастотное напряжение проникает внутрь пористой структуры электрода.

( a ) График Найквиста, полученный для коммерческого суперконденсатора 200 F.( b ) Эквивалентное последовательное сопротивление, полученное методом GCD, в зависимости от приложенного тока.

a показывает, что на высоких частотах график Найквиста характеризовался полукругом, который указывает на существование сопротивления фарадеевской утечки параллельно с емкостным элементом как следствие вкладов от псевдоемкости, связанной с поверхностными окислительно-восстановительными функциями, присутствующими на границах раздела и / или края углеродных частиц [5]. Очевидно, что на практике значение R _ESR получается на очень высоких частотах путем экстраполяции на действительную ось графика Найквиста.Таким образом, в данном случае было проверено, что R _ESR = 22 мОм, что хорошо согласуется с величиной 25 мОм, полученной в данной работе классическим методом НОД.

При умеренных частотах на графике Найквиста наблюдалась линейная область с фазовым углом примерно -45 °, что указывает на наличие электрохимически активных пор в структуре электрода. Такое характерное поведение пористых электродов ранее обсуждалось в литературе [6].Напротив, наличие импеданса Варбурга (W), который также характеризуется фазовым углом приблизительно -45 °, указывает на то, что электрохимический процесс контролируется диффузией во время окисления / восстановления окислительно-восстановительных функций поверхности. В этих различных случаях процесс накопления заряда распределяется по сети из элементов R и C , обычно представленных полубесконечной линией передачи из непрерывно соединенных компонентов R и C .Несмотря на эти соображения, в частном случае EDLC, характеризующихся фазовым углом на высоких частотах примерно -45 °, что более правдоподобно с физико-химической точки зрения, следует учитывать основное влияние пористой структуры электрода, а не массы. процесс, управляемый переносом, поскольку реальное влияние псевдоемкости, вызванной поверхностными окислительно-восстановительными функциями, может быть незначительным по сравнению с чисто электростатической емкостью, вызванной накоплением ионов на границе раздела электрод / раствор.

Кроме того, анализ экспериментальных данных, полученных на низких частотах (см. А), выявил наличие наклонной емкостной линии. Фактически, такое поведение предсказывается моделью Де Леви, представляющей электрохимический отклик пористых электродов [7]. Учитывая наличие неидеальности из-за явления частотной дисперсии, наклонная емкостная линия может быть представлена ​​схемной моделью R * — CPE , где Z _CPE = 1/ Y _o ( jω ) ⁿ и n ≅ 1.В этом случае R * содержит информацию о сопротивлении электролита внутри пор, а параметр Y _o представляет неидеальную емкость.

b показывает значения R _ESR , полученные методом GCD, в зависимости от приложенного тока. Как видно, стационарное значение 25 мОм было получено для приложенных токов выше 1 А. Эти результаты согласуются с экспериментальным значением 22 мОм, полученным с помощью метода EIS.Следует подчеркнуть, что для приложенного тока ниже 1 А значения R _ESR были завышены по сравнению с значениями, полученными с помощью метода EIS. Таким образом, настоящее исследование предполагает, что надежные значения R _ESR должны быть получены в случае метода GCD с использованием различных токов для проверки стационарного (постоянного) значения. Насколько нам известно, этот важный вопрос, касающийся влияния приложенного тока на значения R _ESR , не рассматривался в литературе.

4. Выводы

Из теоретического анализа модели канонической схемы было выведено омоподобное уравнение для определения эквивалентного последовательного сопротивления ( R _ESR ) с использованием метода гальваностатического заряда-разряда. Было подтверждено, что падение напряжения необходимо нормировать в два раза, чтобы получить значимые результаты. В настоящей работе сравниваются применения метода спектроскопии электрохимического импеданса (EIS) и метода гальваностатического заряда / разряда (GCD) для определения значения эквивалентного последовательного сопротивления ( R _ESR ), присутствующего в двухслойных электрических конденсаторах. (EDLC).Полученное уравнение было применено для получения R _ESR коммерческого суперконденсатора 200 Ф.

В принципе, теоретическая трактовка, представленная в этой работе, строго применима для EDLC, то есть там, где отсутствуют батарейные реакции Фарадея. Следовательно, мы можем обнаружить расхождения при анализе экспериментальных данных, полученных для псевдоконденсаторов (ПК), в которых протекают твердотельные поверхностные окислительно-восстановительные реакции. Дополнительные сложности также могут возникнуть в случае асимметричных конденсаторов, поскольку в этих случаях положительный и отрицательный электроды не идентичны (т.е.е., они состоят из разнородных материалов).

Благодарности

Мы хотим поблагодарить студента Ленона Х. Коста за все обсуждения, связанные с этой темой.

Дополнительные материалы

Следующее доступно в Интернете.

Вклад авторов

R.V. вывел основные уравнения, подготовил все рисунки и эксперименты. E.P.C.J., W.G.N. и Леонардо подтверждают теоретический анализ R.V., L.M.D.S. помог в разработке теоретического анализа.L.M.D.S. и Х.З. координировать оформление и написание рукописи. T.A.A. готовит и моделирование.

Финансирование

Авторы очень благодарны бразильской финансовой поддержке CNPq (301486 / 2016-6 грант DT-2), FAPESP (2014 / 02163-7, 2017 / 011958-1), FAEPEX 2426/17 , и КЕЙПС (1740195). Л. М. Да Силва хотел бы поблагодарить «Fundação ao Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais – FAPEMIG» (проект CEX-112-10), «Secretaria de Estado de Ciência, Tecnologia e Ensino Superior de Minas Gerais-SECTES / MG» ( Поддержка лаборатории LMMA) и «Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq» (грант PQ-2).Авторы с благодарностью признают поддержку со стороны Shell и стратегическую важность поддержки, оказываемой ANP (Национальное агентство Бразилии по нефти, природному газу и биотопливу) в рамках постановления о сборах на НИОКР.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Список литературы

1. Ю. А., Чабо В., Чжан Дж. Электрохимические суперконденсаторы для хранения и передачи энергии: основы и приложения. 1-е изд. CRC Press; Бока-Ратон, Флорида, США: 2013.[Google Scholar] 2. Лу М., Бегин Ф., Фраковяк Э. Суперконденсаторы: материалы, системы и применения. 1-е изд. Wiley-VCH; Вайнхайм, Германия: 2013 г. [Google Scholar] 3. Висентини Р., Коста Л.Х., Нуньес В., Боас О.В., Соарес Д.М., Алвес Т.А., Реал К., Буэно К., Петерлевиц А.С., Занин Х. Прямой рост мезопористого углерода на алюминиевой фольге для устройств суперконденсаторов. J. Mater. Sci. Матер. Электрон. 2018; 29: 10573–10582. DOI: 10.1007 / s10854-018-9121-1. [CrossRef] [Google Scholar] 4. Конвей Б.Э. Электрохимические суперконденсаторы: научные основы и технологические применения.Пленум Пресс; Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: 1999. [Google Scholar] 5. Таберна П.Л., Саймон П., Фоварк Дж.Ф. Исследования электрохимических характеристик и спектроскопии импеданса углерод-углеродных суперконденсаторов. J. Electrochem. Soc. 2003; 150: A292 – A300. DOI: 10,1149 / 1,1543948. [CrossRef] [Google Scholar] 6. Таберна П.Л., Портет К., Саймон П. Исследование обработки поверхности электродов и спектроскопии электрохимического импеданса углеродных / углеродных суперконденсаторов. Прил. Phys. А. 2006. 82: 639–646. DOI: 10.1007 / s00339-005-3404-0.[CrossRef] [Google Scholar] 7. Басри Н.Х., Долах Б.Н.М. Физические и электрохимические свойства электродов суперконденсаторов на основе углеродных нанотрубок и углерода биомассы. Int. J. Electrochem. Sci. 2013. 8: 257–273. [Google Scholar] 8. Niu Z., Zhou W., Chen J., Feng G., Li H., Ma W., Li J., Dong H., Ren Y., Zhao D., et al. Суперконденсаторы компактной конструкции с использованием отдельно стоящих пленок из однослойных углеродных нанотрубок. Environ. Sci. 2011; 4: 1440–1446. DOI: 10.1039 / c0ee00261e. [CrossRef] [Google Scholar] 9.Ван Ю., Ши З., Хуанг Ю., Ма Ю., Ван С., Чен М., Чен Ю. Суперконденсаторные устройства на основе графеновых материалов. J. Phys. Chem. С. 2009. 113: 13103–13107. DOI: 10.1021 / jp4f. [CrossRef] [Google Scholar] 10. Бухалфа С., Эванофф К., Юшин Г. Нанесение атомных слоев оксида ванадия на углеродные нанотрубки для электродов мощных суперконденсаторов. Environ. Sci. 2012; 5: 6872–6879. DOI: 10.1039 / c2ee21110f. [CrossRef] [Google Scholar] 11. Георгий А., Мастрагостино М., Соави Ф., Ди Фабио А. Гибридные суперконденсаторы углерод-поли (3-метилтиофен).J. Electrochem. Soc. 2001; 148: A845 – A850. [Google Scholar] 12. Капорали С., Соави Ф., Балдуччи А., Барди У., Мастрагостино М. Ионные жидкости для гибридных суперконденсаторов. Электрохим. Commun. 2004; 6: 566–570. [Google Scholar] 13. Футаба Д. Н., Хата К., Ямада Т., Хираока Т., Хаямизу Ю., Какудате Ю., Танаике О., Хатори Х., Юмура М., Иидзима С. Одностенные углеродные нанотрубки с изменяемой формой и высокой плотностью упаковки и их применение в качестве электродов суперконденсатора. Nat. Матер. 2006; 5: 987–994. DOI: 10.1038 / nmat1782. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 14. Гуалус Х., Букен Д., Бертон А., Кауфманн Дж. Экспериментальное исследование последовательного сопротивления суперконденсатора и изменений емкости в зависимости от температуры. J. Source. 2003. 123: 86–93. DOI: 10.1016 / S0378-7753 (03) 00527-5. [CrossRef] [Google Scholar] 15. Кескинен Дж., Сивонен Э., Юссила С., Бергелин М., Йоханссон М., Ваари А., Смоландер М. Суперконденсаторы с печатью на картонной подложке. Электрохим. Acta. 2012; 85: 302–306. DOI: 10.1016 / j.electacta.2012.08.076. [CrossRef] [Google Scholar] 16. Чжун Ю., Чжан Дж., Ли Г., Лю А. Труды Международной конференции 2006 г. по технологиям энергосистем, Чунцин, Китай, 22–16 октября 2006 г. IEEE; Чунцин, Китай: 2006 г. Исследование энергоэффективности суперконденсаторной системы хранения энергии; С. 1–4. [Google Scholar] 17. Ласиа А. Спектроскопия электрохимического импеданса и ее применения. Мод. Asp. Электрохим. 2002. 32: 143–248. [Google Scholar] 18. Лю Х., Пикап П.Г. Суперконденсаторы на основе оксида Ru с высокими нагрузками и высокой плотностью мощности и энергии.J. Source. 2008. 176: 410–416. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2007.10.076. [CrossRef] [Google Scholar] 19. Шайджумон М.М., Оу Ф.С., Чи Л., Аджаян П.М. Синтез гибридных массивов нанопроволок и их применение в качестве электродов мощных суперконденсаторов. Chem. Commun. 2008: 2373–2375. DOI: 10.1039 / b800866c. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 20. Ян Дж., Вэй Т., Шао Б., Ма Ф., Фан З., Чжан М., Чжэн К., Шан Й., Цянь В., Вэй Ф. Электрохимические свойства композитов графенового нанолиста / углеродной сажи в качестве электродов для суперконденсаторов.Углерод. 2010. 48: 1731–1737. DOI: 10.1016 / j.carbon.2010.01.014. [CrossRef] [Google Scholar] 21. Бломквист Н., Уэллс Т., Андрес Б., Бэкстрем Дж., Форсберг С., Олин Х. Безметалловый суперконденсатор с водным электролитом и недорогими углеродными материалами. Sci. Отчет 2017; 7: 39836. DOI: 10,1038 / srep39836. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 22. Лю К., Ю. З., Нефф Д., Жаму А., Джанг Б.З. Суперконденсатор на основе графена со сверхвысокой плотностью энергии. Nano Lett. 2010. 10: 4863–4868. DOI: 10.1021 / NL102661q.[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 23. Онзагер Л. Отклонения от закона Ома в слабых электролитах. J. Chem. Phys. 1934; 2: 599–615. DOI: 10,1063 / 1,1749541. [CrossRef] [Google Scholar]

Обновление керамических конденсаторов

Обновление керамических конденсаторов

Крейг Хиллман, доктор философии

Керамические конденсаторы — это компоненты микросхемы, которые состоят из чередующихся слоев диэлектрического материала и металлических проводников (обычно сплавов AgPd или Ni). Керамические конденсаторы в основном используются для фильтрации высокочастотных электрических сигналов из-за их чрезвычайно высоких значений удельной емкости (C / V).

Критические функциональные параметры керамических конденсаторов определяются как емкость (C), эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), сопротивление изоляции (IR) и коэффициент рассеяния (DF). Эти параметры взаимосвязаны с помощью следующей схемы

.

, где Rp — сопротивление изоляции, а Rs — ESR. Как и в случае с электролитическими конденсаторами, сопротивление изоляции и, следовательно, ток утечки в первую очередь зависят от поведения диэлектрика. Сопротивление изоляции керамических конденсаторов относительно высокое, что приводит к незначительному току утечки.СОЭ в первую очередь определяется поведением электролита. Физически импеданс (Z) представляет собой сумму всех сопротивлений конденсатора, включая сопротивления упаковки. Электрически Z представляет собой сумму ESR и либо емкостного реактивного сопротивления (XC) на низкой частоте, либо индуктивности (LESL) на высокой частоте (см. Ошибка! Опорный источник не найден). Коэффициент рассеяния — это отношение ESR к XC. Следовательно, низкий ESR имеет тенденцию давать низкий импеданс и низкий коэффициент рассеяния.

Функциональные параметры (указаны в паспорте)

Пример изменения функциональных параметров, которые могут быть указаны в технических паспортах производителей, указан ниже

Зависимость емкости от температуры

Хорошо известно, что диэлектрики

класса II имеют значения емкости, которые могут быть очень чувствительны к температуре (см. Рисунок 3). Поскольку Y5V является характеристикой EIA и не определяет конкретную смесь, поведение емкости в заданном температурном диапазоне может сильно варьироваться, оставаясь при этом в пределах требований + 22% / -82%.Некоторые характеристики емкости, показанные на рисунках 1–3, предполагают, что конденсаторы Y5V могут упасть ниже -82%, когда температура достигнет -40 ° C.

Однако, как только к этим конденсаторам приложено какое-либо значительное смещение, фактическая емкость резко падает, а изменение емкости при изменении температуры сводится к минимуму (см. Рисунок 4).

Сопротивление изоляции в зависимости от температуры

Как правило, сопротивление изоляции логарифмически уменьшается с увеличением температуры (см. Рисунок 5 и Рисунок 6).Есть некоторые вариации в том, как производители определяют сопротивление изоляции.

TDK и MuRata не указывают указанную температуру для значения сопротивления изоляции. Следовательно, значение, указанное в их таблицах данных, можно интерпретировать как то, что производитель гарантирует этот максимальный ток утечки в указанном диапазоне температур. Это также может объяснить, почему их значения сопротивления изоляции ниже, чем у Epcos, который четко указывает на значение сопротивления изоляции при 20 ° C, и Taiyo Yuden, который указывает, что все испытания проводятся в «стандартных условиях испытаний».

В то время как неспособность Epcos и Taiyo Yuden обеспечить сопротивление изоляции в указанном диапазоне температур действительно представляет определенный риск, обзор результатов испытаний в литературе, по-видимому, указывает на то, что уменьшение сопротивления изоляции более чем на один порядок величины от комнатной температуры до 85 ° C маловероятно. . Это все равно обеспечит сопротивление 100 M, которого должно хватить для большинства приложений. Кроме того, спецификации EIA требуют, чтобы величина RxC превышала 1000 Ом-Фарад (часто выражается как 1000 МОм-микрофарад) при 25 ° C и 100 Ом-Фарад при 125 ° C (10% значений таблицы G-1. (см. рисунок 7)).

Зависимость СОЭ от температуры

Производители керамических конденсаторов не указывают значение ESR в своих технических данных и не указывают максимальное изменение ESR в указанном диапазоне температур. Хотя это может показаться несколько разборчивым, значения ESR керамических конденсаторов обычно очень низкие (керамические конденсаторы часто выбираются в приложениях, требующих низкого ESR).

Тем не менее, показано поведение коэффициента рассеяния, на которое напрямую влияет ESR, в зависимости от температуры.

Зависимость коэффициента рассеяния от температуры

Сложность керамической микроструктуры и результирующие множественные точки Кюри совокупных поликристаллических компонентов в любой данной рецептуре не позволяют четко предсказать поведение DF в зависимости от температуры, за исключением того факта, что DF обратно пропорционален температуре. При повышенных температурах ниже точки Кюри DF относительно стабилен. Однако при низких температурах, особенно ниже 0 ° C, коэффициент рассеяния может увеличиваться в 5 раз по сравнению со спецификациями производителя (см. Рисунок 8 и Рисунок 9).

Однако, как и в случае с емкостью, это значительное увеличение сводится к минимуму при приложении любого значительного смещения.

Функциональные параметры (не указаны в спецификации)

Все функциональные параметры указаны в паспорте производителя

Электрическое перенапряжение1 (устойчивость)

Керамические конденсаторы

могут испытывать отказ от электрического перенапряжения из-за приложения чрезмерного напряжения или чрезмерного тока.

Номинальное напряжение

Изготовители конденсаторов не предоставляют никаких указаний на изменение прочности на пробой в зависимости от температуры.Однако два действия производителя, как правило, ограничивают любые опасения по поводу изменения номинального напряжения. Во-первых, стандартный промышленный экран должен подавать вдвое номинальное напряжение. Во-вторых, стандартные промышленные испытания на долговечность требуют испытаний при удвоенном номинальном напряжении и максимальной номинальной температуре в течение от 1000 до 2000 часов. Таким образом, конструкция конденсатора продемонстрировала устойчивость к пробою диэлектрика до крайних значений, указанных производителем.

Номинальная мощность или ток

Керамические конденсаторы

могут нагреваться из-за приложения повышенного тока или мощности.Производители конденсаторов часто устанавливают рекомендуемые ограничения на ток или мощность, чтобы предотвратить повышение температуры выше 20 ° C или температуры выше указанной максимальной температуры. Обзор существующих таблиц данных показал минимальную информацию о необходимости снижения номинальных характеристик за пределами MuRata и Syfer (см. Рисунок 10 и рисунок 11).

Поведение при износе

Износ керамических конденсаторов, ухудшение сопротивления изоляции из-за миграции вакансий, хорошо известны и отражены в стандартной модели износа

.

где t — время, V — напряжение, T — температура (K), n — постоянная (1.5-7), Ea — это энергия активации (от 1,3 до 1,5), а KB — постоянная Больцмана (8,62 x 10-5 эВ / K). Износ керамических конденсаторов обычно не был проблемой, но растущая миниатюризация привела к появлению материалов и архитектур конденсаторов, которые могут изнашиваться в течение 10 лет (см. Рисунок 12). Такое поведение зависит от отношения емкость / объем (C / V).

Обеспокоенное отношение C / V составляет примерно от 5 до 10 мкФ / мм3. Это соответствует толщине диэлектрика примерно от 2 до 3 микрон.К сожалению, большинство покупателей керамических конденсаторов часто не знают толщину компонентов, что не позволяет рассчитать C / V. Следовательно, альтернативный подход состоит в том, чтобы перечислить уровни емкости, вызывающие озабоченность, для данного размера корпуса и диэлектрического материала. Один из примеров — X5R в корпусе размера 0805. Оценки надежности следует проводить при уровне емкости 10 мкФ или выше.

Конденсаторы

также известны «старением», что со временем вызывает падение емкости (см. Рисунок 13). Диэлектрик Y5V изнашивается примерно на 5-7% за десятилетие.Количественная информация об изменении скорости старения в зависимости от температуры не была получена, но считается, что она относительно не зависит от температуры, поскольку движущая сила старения уменьшается с повышением температуры.

Заключение

Основной риск при использовании керамических конденсаторов сверх номинальных температур — это потенциальная недостаточная надежность керамических конденсаторов с увеличенным номиналом (высокое отношение C / V).

Рисунок

ОТКАЗ ОТ ОТВЕТСТВЕННОСТИ

DfR означает, что были предприняты разумные усилия для обеспечения точности и надежности информации в этом отчете.Тем не менее, DfR Solutions не дает никаких гарантий, явных или подразумеваемых, в отношении содержания этого отчета, включая, помимо прочего, наличие каких-либо скрытых или патентных дефектов, товарной пригодности и / или пригодности для конкретного использования. DfR не несет ответственности за потерю использования, выручку, прибыль или любые особые, случайные или косвенные убытки, возникшие в результате, связанные с информацией, представленной в этом отчете, или возникшие в результате ее использования.

(PDF) Как измерить и рассчитать эквивалентное последовательное сопротивление электрических двухслойных конденсаторов

Molecules 2019,24, 1452 8 из 9

4.Выводы

Из теоретического анализа модели канонической схемы было выведено омоподобное уравнение для

, определение эквивалентного последовательного сопротивления (R

ESR

) с использованием метода гальваностатического заряда-разряда

. Было подтверждено, что падение напряжения необходимо нормировать в два раза, чтобы получить

значимых результатов. В настоящей работе сравнивается применение метода спектроскопии электрохимического импеданса

(EIS) и метода гальваностатического заряда / разряда (GCD) для определения

значения эквивалентного последовательного сопротивления (R

ESR

), присутствующего в электрических цепях. двухслойные конденсаторы (EDLC).

Полученное уравнение было применено для получения RESR коммерческого суперконденсатора емкостью 200 Ф.

В принципе, теоретическая трактовка, представленная в этой работе, строго применима для EDLC, т.е. там, где

батареи-подобные реакции Фарадея отсутствуют. Таким образом, мы можем обнаружить расхождения при анализе

экспериментальных данных, полученных для псевдоконденсаторов (ПК), в которых протекают твердотельные поверхностные окислительно-восстановительные реакции

. Дальнейшие сложности также могут возникнуть в случае асимметричных конденсаторов, поскольку в

этих случаях положительный и отрицательный электроды не идентичны (т.е.е. состоят из

разнородных материалов).

Дополнительные материалы: Следующие материалы доступны в Интернете.

Вклад авторов:

R.V. вывел основные уравнения, подготовил все рисунки и эксперименты. E.P.C.J., W.G.N.

,

и Леонардо подтверждают теоретический анализ R.V., L.M.D.S. помог в разработке теоретического анализа

. L.M.D.S. и Х.З. координировать оформление и написание рукописи. T.A.A. подготавливает Рисунок 3

и моделирование.

Финансирование:

Авторы очень благодарны за финансовую поддержку бразильских финансовых агентств CNPq

(301486 / 2016-6 грант DT-2), FAPESP (2014 / 02163-7, 2017 / 011958-1), FAEPEX 2426/17 и КЕЙПС (1740195).

LM Da Silva благодарит «Fundaç

ã

o ao Amparo

à

Pesquisa do Estado de Minas Gerais – FAPEMIG»

(Project CEX-112-10), «Secretaria de Estado de Ci

ê

ncia, Tecnologia e Ensino Superior de Minas Gerais-SECTES / MG »

(поддержка лаборатории LMMA), и« Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient

í

ícoe Tecnol 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000

000 Tecnol. –CNPq »

(грант PQ-2).Авторы с благодарностью признают поддержку со стороны Shell и стратегическую важность поддержки

, предоставленной ANP (Национальное агентство Бразилии по нефти, природному газу и биотопливу) посредством регулирования сбора на НИОКР.

Благодарности: Мы хотим поблагодарить студента Ленона Х. Коста за все обсуждения, связанные с этой темой.

Конфликт интересов: Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Литература

1. Ю., А .; Шабо, В .; Чжан, Дж. Электрохимические суперконденсаторы для хранения и передачи энергии: основы и

Applications, 1-е изд.; CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 2013.

2.

Lu, M .; Beguin, F .; Фраковяк, Э. Суперконденсаторы: материалы, системы и приложения, 1-е изд .; Wiley-VCH:

Weinheim, Germany, 2013.

3.

Vicentini, R .; Costa, L.H .; Nunes, W .; Boas, O.V .; Soares, D.M .; Alves, T.A .; Real, C .; Bueno, C .; Peterlevitz, A.C .;

Занин, Х. Прямое выращивание мезопористого углерода на алюминиевой фольге для устройств суперконденсаторов. J. Mater. Sci.

Матер.Электрон. 2018,29, 10573–10582. [CrossRef]

4.

Conway, B.E. Электрохимические суперконденсаторы: научные основы и технологические применения;

Plenum Press: New York, NY, USA, 1999.

5.

Taberna, P.L .; Саймон, П .; Fauvarque, J.F. Исследования электрохимических характеристик и импедансной спектроскопии

углерод-углеродных суперконденсаторов. J. Electrochem. Soc. 2003,150, A292 – A300. [CrossRef]

6.

Таберна, П.L .; Portet, C .; Саймон, П. Обработка поверхности электродов и спектроскопия электрохимического импеданса

Исследование углеродных / углеродных суперконденсаторов. Прил. Phys. А 2006, 82, 639–646. [CrossRef]

7.

Basri, N.H .; Долах, Б.Н.М. Физические и электрохимические свойства электродов суперконденсаторов

, полученных из углеродных нанотрубок и углерода биомассы. Int. J. Electrochem. Sci. 2013,8, 257–273.

8.

Niu, Z .; Чжоу, Вт .; Chen, J .; Feng, G .; Li, H .; Ма, В.; Li, J .; Dong, H .; Ren, Y .; Zhao, D .; и другие. Суперконденсаторы

компактной конструкции, в которых используются отдельно стоящие однослойные углеродные нанотрубки. Environ. Sci.

2011

, 4, 1440–1446.

[CrossRef]

9.

Wang, Y .; Ши, З .; Huang, Y .; Мая.; Wang, C .; Chen, M .; Чен Ю. Суперконденсаторные устройства на основе материалов графена

. J. Phys. Chem. C 2009,113, 13103–13107. [CrossRef]

C. Конденсатор

C. Конденсатор

Названия символов: CAP, POLCAP

Синтаксис: Cnnn n1 n2 <емкость> [ic = <значение>]

+ [Rser = <значение>] [Lser = <значение>] [Rpar = <значение>]

+ [Cpar = <значение>] [m = <значение>]

+ [RLshunt = <значение>] [temp = <значение>]

Можно указать эквивалентное последовательное сопротивление, последовательную индуктивность, параллельное сопротивление и параллельную отключающую емкость.Эквивалентная схема приведена ниже:

Параметры экземпляра конденсатора

Имя	Описание
Рсер	Эквивалентное последовательное сопротивление
Лсер	Эквивалентная последовательная индуктивность
Rpar	Эквивалентное параллельное сопротивление
кпар	Эквивалентная параллельная емкость
RLшунт	Шунтирующее сопротивление через Lser
м	Количество параллельных блоков
темп.	Экземпляр температуры (для tempcos в соответствующем.описание модели)
ic	Начальное напряжение (используется, только если uic отмечен на карте .tran)

С вычислительной точки зрения лучше включать паразитные Rpar, Rser, RLshunt, Cpar и Lser в конденсатор, чем их явно просчитывать. LTspice использует запатентованную технологию моделирования схем для моделирования этой модели физического конденсатора без каких-либо внутренних узлов. Это делает матрицу моделирования меньше, быстрее решается и с меньшей вероятностью будет сингулярной на коротких временных шагах.

Обратите внимание, что, поскольку конденсаторный элемент включает в себя эти паразиты, он полезен для макромоделирования основы пьезоэлектрического кристалла.

Также доступен обычный нелинейный конденсатор. Вместо указания емкости пишут выражение для заряда.

LTspice скомпилирует это выражение и символически дифференцирует его по всем переменным, найдя частные производные, соответствующие емкостям.

Синтаксис: Cnnn n1 n2 Q = <выражение> [ic = <значение>] [m = <значение>]

Существует специальная переменная x, которая означает напряжение на устройстве. Следовательно, постоянная емкость 100 пФ может быть записана как

Cnnn n1 n2 Q = 100p * x

Емкость с резким изменением от 100p до 300p при нулевом напряжении можно записать как

Cnnn n1 n2 Q = x * если (x <0,100p, 300p)

Это устройство полезно для быстрой оценки поведения новой гипотетической модели заряда для, например.г., транзистор.

.