- ESR en condensadores
- Medición de ESR en condensadores
- Cómo afecta la ESR al rendimiento del condensador
- ESL en condensador
- Medición de ESL de un condensador
- Cómo afecta el ESL a la salida del condensador
- Importancia práctica de ESR y ESL
Los componentes electrónicos más utilizados en cualquier diseño electrónico son las resistencias (R), los condensadores (C) y los inductores (L). La mayoría de nosotros estamos familiarizados con los conceptos básicos de estos tres componentes pasivos y cómo usarlos. Teóricamente (en condiciones ideales) un capacitor puede considerarse como un capacitor puro con solo propiedades capacitivas, pero en la práctica un capacitor también tendrá algunas propiedades resistivas e inductivas acopladas a él, lo que llamamos resistencia parásita o inductancia parásita. Sí, al igual que un parásito, estas propiedades de inductancia y resistencia no deseadas se encuentran dentro de un capacitor evitando que se comporte como un capacitor puro.
Por lo tanto, al diseñar un circuito, los ingenieros consideran principalmente la forma ideal del componente, en este caso la capacitancia y luego junto con ella los componentes parásitos (inductancia y resistencia) también se considera que están en serie con él. Esta resistencia parásita se denomina resistencia en serie equivalente (ESR) y la inductancia parásita se denomina inductancia en serie equivalente (ESL) El valor de esta inductancia y resistencia será muy pequeño, por lo que puede despreciarse en diseños simples. Pero en algunas aplicaciones de alta potencia o alta frecuencia, estos valores pueden ser muy cruciales y, si no se consideran, pueden reducir la eficiencia del componente o generar resultados inesperados.
En este artículo aprenderemos más sobre este ESR y ESL, cómo medirlos y cómo pueden afectar a un circuito. Similar a esto, un inductor también tendrá algunas propiedades parasitarias asociadas llamadas DCR que discutiremos en otro artículo en otro momento.
ESR en condensadores
Un capacitor ideal en serie con resistencia se llama resistencia en serie equivalente del capacitor. La resistencia en serie equivalente o ESR en un capacitor es la resistencia interna que aparece en serie con la capacitancia del dispositivo.
Veamos los siguientes símbolos, que representan la ESR del condensador. El símbolo del condensador representa el condensador ideal y la resistencia como una resistencia en serie equivalente. La resistencia está conectada en serie con el condensador.
Un capacitor ideal no tiene pérdidas, lo que significa que el capacitor almacena la carga y entrega la misma cantidad de carga que la salida. Pero en el mundo real, los condensadores tienen un valor pequeño de resistencia interna finita. Esta resistencia proviene del material dieléctrico, fuga en un aislante o en el separador. Sumado a esto, la resistencia en serie equivalente o ESR tendrá diferentes valores en diferentes tipos de condensadores en función de su valor de capacitancia y construcción. De ahí que tengamos que medir el valor de esta ESR prácticamente para analizar las características completas de un condensador.
Medición de ESR en condensadores
Medir la ESR de un condensador es un poco complicado porque la resistencia no es una resistencia de CC pura. Esto se debe a la propiedad de los condensadores. Los condensadores bloquean la CC y pasan la CA. Por lo tanto, no se puede utilizar un medidor de ohmios estándar para medir la ESR. Hay medidores de ESR específicos que están disponibles en el mercado y que pueden ser útiles para medir la ESR de un capacitor. Estos medidores usan corriente alterna, como una onda cuadrada en una frecuencia específica a través del capacitor. Basándose en el cambio de frecuencia de la señal, se puede calcular el valor ESR del condensador. Una ventaja de este método es que, dado que la ESR se mide directamente a través de los dos terminales de un condensador, se puede medir sin desoldarlo de la placa de circuito.
Otra forma teórica de calcular la ESR del condensador es medir el voltaje de ondulación y la corriente de ondulación del condensador y luego la relación de ambos dará el valor de ESR en el condensador. Sin embargo, un modelo de medición de ESR más común es aplicar una fuente de corriente alterna a través del capacitor con una resistencia adicional. A continuación se muestra un circuito crudo para medir la ESR
Vs es la fuente de onda sinusoidal y R1 es la resistencia interna. El capacitor C es el capacitor ideal mientras que el R2 es la resistencia en serie equivalente del capacitor ideal C.Una cosa que se debe recordar es que en este modelo de medición de ESR, la inductancia del cable del capacitor se ignora y no se considera como parte de el circuito.
La función de transferencia de este circuito se puede representar en la siguiente fórmula:
En la ecuación anterior, se refleja la característica de paso alto del circuito; la aproximación de la función de transferencia se puede evaluar además como:
H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1
La aproximación anterior es adecuada para operaciones de alta frecuencia. En este punto, el circuito comienza a atenuarse y actúa como atenuador.
El factor de atenuación se puede expresar como:
⍺ = R2 / (R2 + R1)
Este factor de atenuación y la resistencia interna R1 del generador de onda sinusoidal pueden utilizarse para medir la ESR de los condensadores.
R2 = ⍺ x R1
Por tanto, un generador de funciones puede resultar útil para calcular la ESR de los condensadores.
Normalmente, el valor de ESR varía desde unos pocos miliohmios hasta varios ohmios. Los condensadores electrolíticos y de tantalio de aluminio tienen una ESR alta en comparación con los condensadores cerámicos o tipo caja. Sin embargo, el avance moderno en la tecnología de fabricación de condensadores hace posible la fabricación de condensadores ESR superbajos.
Cómo afecta la ESR al rendimiento del condensador
El valor de ESR del capacitor es un factor crucial para la salida del capacitor. El condensador de alta ESR disipa el calor en aplicaciones de alta corriente y la vida útil del condensador disminuye eventualmente, lo que también contribuye al mal funcionamiento de los circuitos electrónicos. En las fuentes de alimentación, donde la alta corriente es una preocupación, los condensadores de baja ESR son necesarios para fines de filtración.
No solo en las operaciones relacionadas con la fuente de alimentación, sino también en un valor de ESR bajo, también es esencial para el circuito de alta velocidad. En frecuencias de funcionamiento muy altas, que suelen oscilar entre cientos de MHz y varios GHz, la ESR del condensador juega un papel vital en los factores de suministro de energía.
ESL en condensador
Al igual que ESR, ESL también es un factor crucial para los condensadores. Como se discutió antes, en situaciones reales los capacitores no son ideales. Hay una resistencia parásita así como una inductancia parásita. A continuación se muestra un modelo típico de condensador ESL. El capacitor C es el capacitor ideal y el inductor L es la inductancia en serie conectada en serie con el capacitor ideal.
Normalmente, ESL depende en gran medida del circuito de corriente; El aumento del bucle de corriente también aumenta el ESL en los condensadores. La distancia entre la terminación del cable y el punto de conexión del circuito (incluidas las almohadillas o pistas) también influye en el ESL en los condensadores porque una mayor distancia de terminación también aumenta el bucle de corriente, lo que da como resultado una alta inductancia en serie equivalente.
Medición de ESL de un condensador
La medición de ESL se puede realizar fácilmente observando la gráfica de impedancia versus frecuencia proporcionada por la hoja de datos del fabricante del capacitor. La impedancia del condensador cambia cuando se cambia la frecuencia a través del condensador. Durante la situación, cuando en una frecuencia específica, la reactancia capacitiva y la reactancia inductiva son iguales, se le llama "punto de inflexión".
En este punto, el condensador resuena por sí mismo. La ESR del condensador contribuye a aplanar el gráfico de impedancia hasta que el condensador alcanza el punto de "rodilla" o en la frecuencia de autorresonación. Después del punto de inflexión, la impedancia del capacitor comienza a aumentar debido al ESL del capacitor.
La imagen de arriba es un gráfico de impedancia frente a frecuencia de un MLCC (condensador cerámico multicapa). Se muestran tres condensadores, 100nF, 1nF clase X7R y 1nF de clase NP0. Los puntos de 'rodilla' se pueden identificar fácilmente en el punto inferior de la parcela en forma de V.
Una vez que se identifica la frecuencia del punto de inflexión, el ESL se puede medir con la siguiente fórmula
Frecuencia = 1 / (2π√ (ESL x C))
Cómo afecta el ESL a la salida del condensador
La salida de los condensadores se degrada al aumentar el ESL, al igual que el ESR. El aumento de ESL contribuye al flujo no deseado de corriente y genera EMI, lo que crea aún más fallas en las aplicaciones de alta frecuencia. En el sistema relacionado con la fuente de alimentación, la inductancia parásita contribuye al alto voltaje de ondulación. La tensión de ondulación es proporcional al valor de ESL de los condensadores. Un gran valor de ESL del condensador también puede inducir formas de onda de timbre, haciendo que el circuito se comporte de manera extraña.
Importancia práctica de ESR y ESL
La siguiente imagen proporciona el modelo real de ESR y ESL en condensador.
Aquí, el condensador C es un condensador ideal, la resistencia R es la resistencia en serie equivalente y el inductor L es la inductancia en serie equivalente. Combinando estos tres se hace el condensador real.
ESR y ESL no son características tan agradables de un capacitor, que causan una variedad de reducción del rendimiento en circuitos electrónicos, especialmente en aplicaciones de alta frecuencia y alta corriente. Un valor alto de ESR contribuye al bajo rendimiento debido a las pérdidas de potencia causadas por ESR; la pérdida de potencia se puede calcular utilizando la ley de potencia I 2 R donde R es el valor de ESR. No solo esto, también se producen ruidos y caídas de voltaje debido al alto valor de ESR según la ley de Ohmios. La tecnología moderna de fabricación de condensadores reduce el valor de ESR y ESL del condensador. Se puede ver una gran mejora en las versiones SMD de condensadores multicapa actuales.
Se prefieren condensadores de valor ESR y ESL más bajos como filtros de salida en circuitos de suministro de energía de conmutación o diseños SMPS porque la frecuencia de conmutación es alta en estos casos, por lo general cercana a varios MH z que van desde cientos de kHz. Debido a esto, el condensador de entrada y los condensadores del filtro de salida deben tener un valor de ESR bajo para que las ondulaciones de baja frecuencia no tengan efectos en el rendimiento general de la unidad de fuente de alimentación. El ESL de los condensadores también debe ser bajo, de modo que la impedancia del condensador no interactúe con la frecuencia de conmutación de la fuente de alimentación.
En una fuente de alimentación de bajo ruido, donde los ruidos deben suprimirse y las etapas del filtro de salida deben ser bajas en número, los condensadores de ESR superbajo y ESL de alta calidad son útiles para una salida suave y una entrega de energía estable a la carga. En tal aplicación, los electrolitos poliméricos son una opción adecuada y comúnmente preferidos sobre los condensadores electrolíticos de aluminio.