Перейти к содержанию

ESR — эквивалентное последовательное сопротивление

ESR — сопротивление, которое реальный конденсатор добавляет последовательно со своей ёмкостью. От него зависят пульсации на выходе импульсного источника, нагрев и срок службы электролитических конденсаторов и устойчивость стабилизаторов.

Обновлено Редакция GAW

ESR (equivalent series resistance, эквивалентное последовательное сопротивление) — активное сопротивление, которое в модели реального конденсатора включено последовательно с идеальной ёмкостью. Оно складывается из сопротивления выводов и обкладок, а у электролитических конденсаторов — главным образом из сопротивления электролита и потерь в диэлектрике. ESR зависит от частоты и температуры, поэтому в каталогах его или полное сопротивление конденсатора указывают для определённой частоты и температуры.

Где ESR важен

  • Пульсации импульсного источника. Пульсации тока дросселя ΔIL проходят через выходной конденсатор, и на ESR падает напряжение ESR · ΔIL. По Microchip AN1207 ёмкость выходного конденсатора понижающего преобразователя:
CO=ΔIL⋅Df⋅(Uпульс−RESR⋅ΔIL)C_O = \frac{\Delta I_L \cdot D}{f \cdot (U_\text{пульс} - R_\text{ESR} \cdot \Delta I_L)}

Чем больше ESR, тем меньшая доля допустимых пульсаций остаётся на ёмкость и тем больший конденсатор нужен. Пошаговый расчёт с примером — в статье о понижающем преобразователе, для своих данных — в калькуляторе DC-DC.

  • Нагрев и срок службы. Ток пульсаций выделяет на ESR мощность I² · ESR, и электролитический конденсатор нагревается изнутри. Как этот перегрев и температура сокращают срок службы, считает калькулятор срока службы конденсатора по методикам Chemi-Con и Jianghai.

  • Устойчивость стабилизаторов. У линейных стабилизаторов выходной конденсатор входит в цепь коррекции обратной связи, и устойчивость зависит от его ESR. Современные LDO, такие как LDL1117, рассчитаны на керамику X5R или X7R 4,7 мкФ; для стабилизаторов старых серий даташит задаёт допустимую область ESR.

Как уменьшить ESR

Поставить конденсатор серии с низким ESR, несколько конденсаторов параллельно (их ESR делится) или добавить керамику рядом с электролитом: у керамических конденсаторов ESR намного меньше, и на высоких частотах пульсации проходят через них.

Частые вопросы

Как ESR влияет на пульсации импульсного источника?

Пульсации тока дросселя ΔIL проходят через выходной конденсатор и создают на его ESR падение ESR · ΔIL — оно складывается с пульсациями от заряда-разряда ёмкости. В примере понижающего преобразователя 12 → 5 В с пульсациями тока 0,2 А конденсатор с ESR 50 мОм даёт 10 мВ из допустимых 50 мВ, и на ёмкость остаётся только 40 мВ.

Почему электролитический конденсатор с большим ESR греется и быстрее выходит из строя?

Ток пульсаций выделяет на ESR мощность I² · ESR, и сердцевина конденсатора нагревается выше окружающего воздуха; по данным Chemi-Con перегрев растёт с квадратом тока. Срок службы электролита сильно зависит от температуры, поэтому лишний нагрев его сокращает. По мере старения электролит уходит, ESR растёт — и нагрев становится ещё больше.

Можно ли ставить керамический конденсатор вместо электролитического на выход стабилизатора?

Только если стабилизатор на это рассчитан: выходной конденсатор входит в цепь коррекции его обратной связи, и устойчивость зависит от ESR. Современные LDO, например LDL1117, рассчитаны на керамику X5R или X7R 4,7 мкФ. Старым стабилизаторам с биполярным выходом нужен ESR в заданных пределах, и керамика с очень малым ESR может вызвать возбуждение.

Источники

  1. Microchip. AN1207: Switch Mode Power Supply (SMPS) Topologies (Part II) (DS01207B) — уравнения 16–18: пульсации выхода понижающего преобразователя от ESR и ёмкости, выбор выходного конденсатора
  2. Nippon Chemi-Con. Lifetime of Aluminum Electrolytic Capacitors (FAQ «Lifetime and Reliability») — тепловыделение током пульсаций на ESR, перегрев растёт с квадратом тока, частотные коэффициенты допустимого тока
  3. Analog Devices. MT-101: Decoupling Techniques — модель реального конденсатора: ESR, ESL и собственный резонанс
  4. STMicroelectronics. LDL1117: 1.2 A low quiescent current LDO with reverse current protection (DS12022 Rev 7) — входной конденсатор не меньше 1 мкФ, на выходе — керамика X5R или X7R 4,7 мкФ

Нашли ошибку?

Смотрите также