Comprendre l'ESR et l'ESL dans les condensateurs

Les composants électroniques les plus utilisés dans toute conception électronique sont les résistances (R), les condensateurs (C) et les inductances (L). La plupart d'entre nous connaissent les bases de ces trois composants passifs et comment les utiliser. Théoriquement (dans des conditions idéales) un condensateur peut être considéré comme un condensateur pur avec uniquement des propriétés capacitives, mais en pratique, un condensateur aura également des propriétés résistives et inductives couplées avec lui, que nous appelons la résistance parasite ou l'inductance parasite. Oui, tout comme un parasite, ces propriétés indésirables de résistance et d'inductance se trouvent à l'intérieur d'un condensateur, l'empêchant de se comporter comme un condensateur pur.

Par conséquent, lors de la conception d'un circuit, les ingénieurs considèrent principalement la forme idéale du composant, dans ce cas, la capacité, puis avec elle les composants parasites (inductance et résistance) est également considérée comme étant en série avec elle. Cette résistance parasite est appelée résistance en série équivalente (ESR) et l'inductance parasite est appelée inductance en série équivalente (ESL) La valeur de cette inductance et de cette résistance sera très faible, ce qui peut être négligée dans les conceptions simples. Mais dans certaines applications à haute puissance ou à haute fréquence, ces valeurs peuvent être très cruciales et si elles ne sont pas prises en compte, elles peuvent réduire l'efficacité des composants ou produire des résultats inattendus.

Dans cet article, nous en apprendrons plus sur ces ESR et ESL, comment les mesurer et comment ils peuvent affecter un circuit. Similaire à cela, un inducteur aura également des propriétés parasites qui lui sont associées, appelées DCR, dont nous discuterons dans un autre article une autre fois.

ESR dans les condensateurs

Un condensateur idéal en série avec résistance est appelé résistance série équivalente du condensateur. La résistance série équivalente ou ESR dans un condensateur est la résistance interne qui apparaît en série avec la capacité de l'appareil.

Voyons les symboles ci-dessous , qui représentent l'ESR du condensateur. Le symbole du condensateur représente le condensateur idéal et la résistance comme une résistance série équivalente. La résistance est connectée en série avec le condensateur.

Un condensateur idéal est sans perte, ce qui signifie que la charge de stockage du condensateur et délivre la même quantité de charge que la sortie. Mais dans le monde réel, les condensateurs ont une petite valeur de résistance interne finie. Cette résistance provient du matériau diélectrique, d'une fuite dans un isolant ou dans le séparateur. En plus de cela, la résistance série équivalente ou ESR aura des valeurs différentes dans différents types de condensateurs en fonction de sa valeur de capacité et de sa construction. Par conséquent, nous devons mesurer la valeur de cette ESR pratiquement pour analyser les caractéristiques complètes d'un condensateur.

Mesure de l'ESR dans les condensateurs

Mesurer l'ESR d'un condensateur est un peu délicat car la résistance n'est pas une pure résistance CC. Cela est dû à la propriété des condensateurs. Les condensateurs bloquent le CC et passent le CA. Par conséquent, un ohms-mètre standard ne peut pas être utilisé pour mesurer l'ESR. Il existe des compteurs ESR spécifiques disponibles sur le marché qui peuvent être utiles pour mesurer l'ESR d'un condensateur. Ces compteurs utilisent un courant alternatif, tel qu'une onde carrée à une fréquence spécifique à travers le condensateur. Sur la base du changement de fréquence du signal, la valeur ESR du condensateur peut être calculée. Un avantage de cette méthode est que, puisque l'ESR est mesuré directement aux deux bornes d'un condensateur, il peut être mesuré sans le souder de la carte de circuit.

Une autre façon théorique de calculer l'ESR du condensateur est de mesurer la tension d'ondulation et le courant d'ondulation du condensateur, puis le rapport des deux donnera la valeur de l'ESR dans le condensateur. Cependant, un modèle de mesure ESR plus courant consiste à appliquer une source de courant alternatif à travers le condensateur avec une résistance supplémentaire. Un circuit brut pour mesurer l'ESR est illustré ci-dessous

Le Vs est la source d'onde sinusoïdale et R1 est la résistance interne. Le condensateur C est le condensateur idéal tandis que le R2 est la résistance en série équivalente du condensateur idéal C.Il faut se rappeler que dans ce modèle de mesure ESR, l'inductance du conducteur du condensateur est ignorée et n'est pas considérée comme faisant partie de le circuit.

La fonction de transfert de ce circuit peut être représentée dans la formule ci-dessous:

Dans l'équation ci-dessus, la caractéristique passe-haut du circuit est reflétée; l'approximation de la fonction de transfert peut en outre être évaluée comme -

H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1

L'approximation ci-dessus convient aux opérations à haute fréquence. À ce stade, le circuit commence à s'atténuer et à agir comme un atténuateur.

Le facteur d'atténuation peut être exprimé par -

⍺ = R2 / (R2 + R1)

Ce facteur d'atténuation et la résistance interne R1 du générateur d'onde sinusoïdale peuvent être utilisés pour mesurer l'ESR des condensateurs.

R2 = ⍺ x R1

Par conséquent, un générateur de fonctions peut être utile pour calculer l'ESR des condensateurs.

Normalement, la valeur ESR varie de quelques milliohms à plusieurs ohms. Les condensateurs électrolytiques en aluminium et au tantale ont une ESR élevée par rapport aux condensateurs de type boîte ou en céramique. Cependant, les progrès modernes de la technologie de fabrication de condensateurs permettent de fabriquer des condensateurs à très faible ESR.

Comment l'ESR affecte les performances du condensateur

La valeur ESR du condensateur est un facteur crucial pour la sortie du condensateur. Le condensateur ESR élevé dissipe la chaleur dans les applications à courant élevé et la durée de vie du condensateur finit par diminuer, ce qui contribue également au dysfonctionnement des circuits électroniques. Dans les alimentations électriques, où un courant élevé est un problème, les condensateurs à faible ESR sont nécessaires à des fins de filtration.

Non seulement dans les opérations liées à l'alimentation électrique, mais une faible valeur ESR, est également essentielle pour le circuit à grande vitesse. Dans des fréquences de fonctionnement très élevées, allant généralement de centaines de MHz à plusieurs GHz, l'ESR du condensateur joue un rôle essentiel dans les facteurs de fourniture de puissance.

ESL dans le condensateur

Comme pour l'ESR, l'ESL est également un facteur crucial pour les condensateurs. Comme indiqué précédemment, en situation réelle, les condensateurs ne sont pas idéaux. Il existe une résistance parasite ainsi qu'une inductance parasite. Un modèle de condensateur ESL typique illustré ci-dessous. Le condensateur C est le condensateur idéal et l'inductance L est l'inductance série connectée en série avec le condensateur idéal.

Normalement, ESL est hautement fiable sur la boucle de courant; l'augmentation de la boucle de courant augmente également l'ESL dans les condensateurs. La distance entre la terminaison du fil et le point de connexion du circuit (y compris les plots ou les pistes) influence également l'ESL dans les condensateurs car une distance de terminaison accrue augmente également la boucle de courant, ce qui entraîne une inductance série équivalente élevée.

Mesure de l'ESL d'un condensateur

La mesure de l'ESL peut être effectuée facilement en observant le tracé d'impédance en fonction de la fréquence donné par la fiche technique du fabricant du condensateur. L'impédance du condensateur change lorsque la fréquence aux bornes du condensateur est modifiée. Pendant la situation, lorsque, à une fréquence spécifique, la réactance capacitive et la réactance inductive sont égales, on l'appelle le «point de coude».

À ce stade, le condensateur résonne automatiquement. L'ESR du condensateur contribue à aplatir le tracé d'impédance jusqu'à ce que le condensateur atteigne le point «genou» ou à la fréquence d'auto-résonance. Après le point de coude, l'impédance du condensateur commence à augmenter en raison de l'ESL du condensateur.

L'image ci-dessus est un tracé d' impédance en fonction de la fréquence d'un MLCC (condensateur céramique multicouche). Trois condensateurs, 100nF, classe 1nF X7R et 1nF de condensateurs de classe NP0 sont représentés. Les taches de «genou» peuvent être facilement identifiées à travers le point inférieur du tracé en forme de V.

Une fois la fréquence du point de coude identifiée, l'ESL peut être mesurée par la formule ci-dessous

Fréquence = 1 / (2π√ (ESL x C))

Comment ESL affecte la sortie du condensateur

La sortie des condensateurs se dégrade par augmentation de l'ESL, comme pour l'ESR. L'augmentation de l'ESL contribue au flux indésirable de courant et génère des interférences électromagnétiques, ce qui crée en outre des dysfonctionnements dans les applications haute fréquence. Dans le système lié à l'alimentation, l'inductance parasite contribue à la tension d'ondulation élevée. La tension d'ondulation est proportionnelle à la valeur ESL des condensateurs. Une grande valeur ESL du condensateur peut également induire des formes d'onde de sonnerie, ce qui rend le circuit bizarre.

Importance pratique de l'ESR et ESL

L'image ci-dessous fournit le modèle réel d'ESR et d'ESL dans le condensateur.

Ici, le condensateur C est un condensateur idéal, la résistance R est la résistance de série équivalente et l'inductance L est l'inductance de série équivalente. En combinant ces trois, le vrai condensateur est fait.

L'ESR et l'ESL ne sont pas des caractéristiques si agréables d'un condensateur, ce qui entraîne une variété de réduction des performances des circuits électroniques, en particulier dans les applications à haute fréquence et à courant élevé. Une valeur ESR élevée contribue aux performances médiocres dues aux pertes de puissance causées par l'ESR; la perte de puissance peut être calculée à l'aide de la loi de puissance I ² R où R est la valeur ESR. Non seulement cela, des bruits et des chutes de tension élevées se produisent également en raison de la valeur ESR élevée selon la loi d'Ohm. La technologie moderne de fabrication de condensateurs réduit la valeur ESR et ESL du condensateur. Une énorme amélioration peut être observée dans les versions SMD actuelles des condensateurs multicouches.

Des condensateurs de valeur ESR et ESL plus faibles sont préférés comme filtres de sortie dans les circuits d'alimentation à découpage ou les conceptions SMPS car la fréquence de commutation est élevée dans ces cas, typiquement proche de plusieurs MH _z allant de centaines de kHz. Pour cette raison, le condensateur d'entrée et les condensateurs de filtre de sortie doivent avoir une valeur ESR basse afin que les ondulations basse fréquence n'aient aucun effet sur les performances globales du bloc d'alimentation. L'ESL des condensateurs doit également être faible, de sorte que l'impédance du condensateur n'interagit pas avec la fréquence de commutation de l'alimentation.

Dans une alimentation à faible bruit, où les bruits doivent être supprimés et les étages de filtre de sortie doivent être en petit nombre, des condensateurs ESR super bas et bas ESL de haute qualité sont utiles pour une sortie fluide et une alimentation stable à la charge. Dans une telle application, les électrolytes polymères constituent un choix approprié et généralement préféré aux condensateurs électrolytiques en aluminium.