- ESR في المكثفات
- قياس ESR في المكثفات
- كيف تؤثر ESR على أداء المكثف
- ESL في مكثف
- قياس ESL لمكثف
- كيف تؤثر ESL على إخراج المكثف
- الأهمية العملية لـ ESR و ESL
المكونات الإلكترونية الأكثر استخدامًا في أي تصميم إلكتروني هي المقاومات (R) والمكثفات (C) والمحثات (L). معظمنا على دراية بأساسيات هذه المكونات السلبية الثلاثة وكيفية استخدامها. من الناحية النظرية (في ظل الظروف المثالية) ، يمكن اعتبار المكثف مكثفًا نقيًا بخصائص سعوية فقط ، ولكن من الناحية العملية سيكون للمكثف أيضًا بعض الخصائص المقاومة والاستقرائية المقترنة به ، والتي نسميها المقاومة الطفيلية أو الحث الطفيلي. نعم ، تمامًا مثل الطفيلي ، توجد هذه المقاومة غير المرغوب فيها وخصائص الحث داخل مكثف تمنعه من التصرف كمكثف نقي.
ومن ثم ، أثناء تصميم دائرة ما ، يعتبر مهندسو الدارة في المقام الأول الشكل المثالي للمكون ، في هذه الحالة ، تعتبر السعة ثم معها المكونات الطفيلية (الحث والمقاومة) أيضًا متسلسلة معها. يُطلق على هذه المقاومة الطفيلية اسم مقاومة السلسلة المكافئة (ESR) ويطلق على الحث الطفيلي اسم سلسلة الحث المكافئة (ESL). ولكن في بعض التطبيقات عالية الطاقة أو عالية التردد ، يمكن أن تكون هذه القيمة حاسمة للغاية وإذا لم يتم النظر فيها فقد تقلل من كفاءة المكونات أو تنتج نتائج غير متوقعة.
في هذه المقالة سوف نتعلم المزيد عن ESR و ESL وكيفية قياسهما وكيف يمكن أن تؤثر على الدائرة. على غرار هذا ، سيكون للمحث أيضًا بعض الخصائص الطفيلية المرتبطة به تسمى DCR والتي سنناقشها في مقال آخر في وقت آخر.
ESR في المكثفات
يسمى المكثف المثالي المتسلسل مع المقاومة مقاومة السلسلة المكافئة للمكثف. مقاومة السلسلة المكافئة أو ESR في المكثف هي المقاومة الداخلية التي تظهر في سلسلة مع سعة الجهاز.
دعنا نرى الرموز أدناه ، والتي تمثل ESR للمكثف. يمثل رمز المكثف المكثف المثالي والمقاوم كمقاومة سلسلة مكافئة. المقاوم متصل على التوالي مع المكثف.
و مكثف المثالي هو ضياع ، وهذا يعني تهمة مخزن مكثف ويسلم على نفس القدر من تهمة كإخراج. لكن في العالم الحقيقي ، فإن المكثفات لها قيمة صغيرة من المقاومة الداخلية المحدودة. تأتي هذه المقاومة من مادة عازلة ، تسرب في عازل أو في الفاصل. إضافة إلى ذلك ، سيكون لمقاومة السلسلة المكافئة أو ESR قيم مختلفة في أنواع مختلفة من المكثفات بناءً على قيمة السعة والبناء. ومن ثم يتعين علينا قياس قيمة ESR عمليًا لتحليل الخصائص الكاملة للمكثف.
قياس ESR في المكثفات
يعد قياس ESR للمكثف أمرًا صعبًا بعض الشيء لأن المقاومة ليست مقاومة نقية للتيار المستمر. هذا يرجع إلى خاصية المكثفات. المكثفات تحجب التيار المستمر وتمرر التيار المتردد. لذلك ، لا يمكن استخدام مقياس أوم القياسي لقياس ESR. هناك عدادات ESR محددة متوفرة في السوق والتي يمكن أن تكون مفيدة لقياس ESR للمكثف. تستخدم هذه العدادات التيار المتردد ، مثل الموجة المربعة في تردد معين عبر المكثف. بناءً على التغيير في تردد الإشارة ، يمكن حساب قيمة ESR للمكثف. ميزة هذه الطريقة هي أنه نظرًا لأنه يتم قياس ESR مباشرة عبر طرفي مكثف ، يمكن قياسه دون فك اللحام من لوحة الدائرة.
هناك طريقة نظرية أخرى لحساب ESR للمكثف وهي قياس جهد التموج وتيار التموج للمكثف ومن ثم ستعطي نسبة كلاهما قيمة ESR في المكثف. ومع ذلك ، فإن نموذج قياس ESR الأكثر شيوعًا هو تطبيق مصدر التيار المتردد عبر المكثف بمقاومة إضافية. يتم عرض دائرة بدائية لقياس ESR أدناه
Vs هو مصدر الموجة الجيبية و R1 هي المقاومة الداخلية. المكثف C هو المكثف المثالي بينما R2 هو مقاومة السلسلة المكافئة للمكثف المثالي C. شيء واحد يجب تذكره وهو أنه في نموذج قياس ESR هذا ، يتم تجاهل محاثة الرصاص للمكثف ولا تعتبر جزءًا من الدائرة.
و نقل وظيفة من هذه الدائرة يمكن أن يصور في أدناه formula-
في المعادلة أعلاه ، تنعكس ميزة التمرير العالي للدائرة ؛ يمكن أيضًا تقييم تقريب وظيفة النقل على النحو التالي -
ح (ق) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1
التقريب أعلاه مناسب لعمليات التردد العالي. في هذه المرحلة ، تبدأ الدائرة في التوهين وتعمل كمخفف.
يمكن التعبير عن عامل التوهين على النحو التالي -
⍺ = R2 / (R2 + R1)
يمكن استخدام عامل التوهين هذا والمقاومة الداخلية لمولد الموجة الجيبية R1 لقياس المكثفات ESR.
R2 = ⍺ س R1
لذلك ، يمكن أن يكون مولد الوظيفة مفيدًا لحساب ESR للمكثفات.
عادةً ، تتراوح قيمة ESR من بضعة مللي أوم إلى عدة أوم. مكثفات الألومنيوم كهربائيا والتنتالوم لديها ESR عالية مقارنة مع نوع الصندوق أو المكثفات الخزفية. ومع ذلك ، فإن التقدم الحديث في تكنولوجيا تصنيع المكثفات يجعل من الممكن تصنيع مكثفات منخفضة للغاية من ESR.
كيف تؤثر ESR على أداء المكثف
تعتبر قيمة ESR للمكثف عاملاً حاسمًا في إخراج المكثف. يبدد مكثف ESR العالي الحرارة في تطبيق التيار العالي وينخفض عمر المكثف في النهاية ، مما يساهم أيضًا في حدوث خلل في الدوائر الإلكترونية. في مصادر الطاقة ، حيث يمثل التيار العالي مصدر قلق ، تكون مكثفات ESR المنخفضة مطلوبة لأغراض الترشيح.
ليس فقط في العمليات المتعلقة بإمدادات الطاقة ولكن قيمة ESR المنخفضة ، ضرورية أيضًا للدائرة عالية السرعة. في ترددات التشغيل العالية جدًا ، التي تتراوح عادةً من مئات MHz إلى عدة GHz ، تلعب ESR للمكثف دورًا حيويًا في عوامل توصيل الطاقة.
ESL في مكثف
تمامًا مثل ESR ، تعد ESL أيضًا عاملاً مهمًا للمكثفات. كما تمت مناقشته من قبل ، المكثفات ليست مثالية في الواقع. هناك مقاومة شاردة وكذلك محاثة ضالة. نموذجي نموذج ESL مكثف هو مبين أدناه. المكثف C هو المكثف المثالي والمحث L هو سلسلة الحث المتصلة في سلسلة مع المكثف المثالي.
في العادة ، يمكن الاعتماد على ESL بدرجة كبيرة في الحلقة الحالية ؛ تؤدي الزيادة في الحلقة الحالية أيضًا إلى زيادة ESL في المكثفات. تؤثر المسافة بين نهاية الرصاص ونقطة توصيل الدائرة (بما في ذلك الوسادات أو المسارات) أيضًا على ESL في المكثفات لأن زيادة مسافة الإنهاء تزيد أيضًا من الحلقة الحالية مما ينتج عنه محاثة سلسلة مكافئة عالية.
قياس ESL لمكثف
يمكن إجراء قياس ESL بسهولة من خلال مراقبة مخطط الممانعة مقابل التردد المقدم من ورقة بيانات الشركة المصنعة للمكثف. تتغير مقاومة المكثف عندما يتغير التردد عبر المكثف. أثناء الموقف ، عندما تكون المفاعلة السعوية والمفاعلة الحثية متساوية عند تردد معين ، يطلق عليها اسم "نقطة الركبة".
عند هذه النقطة ، يكون للمكثف صدى. يساهم ESR للمكثف في تسطيح مخطط الممانعة حتى يصل المكثف إلى نقطة "الركبة" أو عند تردد الرنين الذاتي. بعد نقطة الركبة ، تبدأ مقاومة المكثف في الزيادة بسبب ESL للمكثف.
الصورة أعلاه عبارة عن مخطط معاوقة مقابل تردد لـ MLCC (مكثف خزفي متعدد الطبقات). يتم عرض ثلاثة مكثفات ، فئة 100nF ، فئة 1nF X7R و 1nF من مكثفات فئة NP0. يمكن التعرف بسهولة على بقع "الركبة" عبر النقطة السفلية من قطعة الأرض على شكل V.
بمجرد تحديد تردد نقطة الركبة ، يمكن قياس ESL بالصيغة أدناه
التردد = 1 / (2π√ (ESL x C))
كيف تؤثر ESL على إخراج المكثف
يتدهور ناتج المكثفات بزيادة ESL ، مثل ESR. تساهم ESL المتزايدة في التدفق غير المرغوب فيه للتيار وتولد EMI ، مما يؤدي إلى مزيد من الأعطال في التطبيقات عالية التردد. في النظام المتعلق بإمداد الطاقة ، يساهم الحث الطفيلي في ارتفاع تموج الجهد. يتناسب جهد التموج مع قيمة ESL للمكثفات. يمكن أن تؤدي قيمة ESL الكبيرة للمكثف أيضًا إلى إحداث أشكال موجية رنين ، مما يجعل الدائرة تتصرف بشكل غريب.
الأهمية العملية لـ ESR و ESL
توفر الصورة أدناه النموذج الفعلي لـ ESR و ESL في المكثف.
هنا ، المكثف C هو مكثف مثالي ، والمقاوم R هو مقاومة سلسلة مكافئة والمحث L هو سلسلة الحث المكافئة. يتم الجمع بين هذه الثلاثة مكثف حقيقي.
لا تعد ESR و ESL من الخصائص الممتعة للمكثف ، والتي تسبب مجموعة متنوعة من انخفاض الأداء في الدوائر الإلكترونية ، خاصة في تطبيقات التردد العالي والتيار العالي. تساهم قيمة ESR العالية في ضعف الأداء بسبب فقدان الطاقة الناتج عن ESR ؛ يمكن حساب فقد القدرة باستخدام قانون الطاقة I 2 R حيث R هي قيمة ESR. ليس هذا فقط ، تحدث الضوضاء وانخفاض الجهد العالي أيضًا بسبب ارتفاع قيمة ESR وفقًا لقانون أوم. تقلل تقنية تصنيع المكثفات الحديثة من قيمة ESR و ESL للمكثف. يمكن ملاحظة تحسن كبير في إصدارات SMD الحالية من المكثفات متعددة الطبقات.
يُفضل استخدام مكثفات قيمة ESR و ESL المنخفضة كمرشحات إخراج في تبديل دوائر إمداد الطاقة أو تصميمات SMPS لأن تردد التبديل مرتفع في هذه الحالات ، وعادة ما يكون قريبًا من عدة MH z تتراوح من مئات كيلوهرتز. لهذا السبب ، يجب أن يكون مكثف الإدخال ومكثفات مرشح الخرج في قيمة ESR منخفضة بحيث لا يكون للتموجات منخفضة التردد أي تأثير على الأداء العام لوحدة إمداد الطاقة. يجب أيضًا أن يكون ESL للمكثفات منخفضًا ، بحيث لا تتفاعل مقاومة المكثف مع تردد تبديل مزود الطاقة.
في مصدر طاقة منخفض الضوضاء ، حيث يجب قمع الضوضاء ومراحل مرشح الإخراج يجب أن تكون منخفضة في الأرقام ، تكون ESR عالية الجودة منخفضة للغاية ومكثفات ESL المنخفضة مفيدة للإخراج السلس وتسليم الطاقة المستقر للحمل. في مثل هذا التطبيق ، تعد إلكتروليتات البوليمر اختيارًا مناسبًا ومفضلة بشكل شائع على مكثفات الألومنيوم كهربائياً.