- 커패시터의 ESR
- 커패시터에서 ESR 측정
- ESR이 커패시터 성능에 미치는 영향
- 커패시터의 ESL
- 커패시터의 ESL 측정
- ESL이 커패시터 출력에 미치는 영향
- ESR 및 ESL의 실질적인 중요성
모든 전자 설계에서 가장 많이 사용되는 전자 부품은 저항기 (R), 커패시터 (C) 및 인덕터 (L)입니다. 우리 중 대부분은이 세 가지 수동 구성 요소의 기본 사항과 사용 방법에 익숙합니다. 이론적으로 (이상적인 조건에서) 커패시터는 용량 성 특성 만있는 순수 커패시터로 간주 될 수 있지만 실제로 커패시터는 일부 저항 및 유도 특성이 결합되어 있으며이를 기생 저항 또는 기생 인덕턴스라고합니다. 예, 기생충처럼이 원치 않는 저항 및 인덕턴스 속성은 커패시터 내부에 위치하여 순수한 커패시터처럼 작동하지 않습니다.
따라서 회로를 설계하는 동안 엔지니어는 주로 이상적인 형태의 구성 요소를 고려합니다.이 경우 커패시턴스와 함께 기생 구성 요소 (인덕턴스 및 저항)도 직렬로 연결된 것으로 간주됩니다. 이 기생 저항을 ESR (등가 직렬 저항) 이라고하고 기생 인덕턴스는 ESL (등가 직렬 인덕턴스)이라고합니다. 이 인덕턴스와 저항의 값은 매우 작아서 단순한 설계에서는 무시할 수 있습니다. 그러나 일부 고전력 또는 고주파 애플리케이션에서는 이러한 값이 매우 중요 할 수 있으며 고려하지 않을 경우 구성 요소 효율성을 저하 시키거나 예상치 못한 결과를 출력 할 수 있습니다.
이 기사에서는이 ESR 및 ESL, 측정 방법 및 회로에 미치는 영향에 대해 자세히 알아 봅니다. 이와 유사하게 인덕터에는 DCR 이라고하는 일부 기생 속성이있을 것입니다.이 속성 은 다른 기사에서 나중에 논의 할 것입니다.
커패시터의 ESR
저항과 직렬로 연결된 이상적인 커패시터를 커패시터의 등가 직렬 저항 이라고합니다. 커패시터의 등가 직렬 저항 또는 ESR은 장치의 커패시턴스와 직렬로 나타나는 내부 저항입니다.
커패시터의 ESR을 나타내는 아래 기호를 보겠습니다. 커패시터 기호는 이상적인 커패시터와 저항을 등가 직렬 저항으로 나타냅니다. 저항은 커패시터와 직렬로 연결됩니다.
이상적인 커패시터 무손실 커패시터 저장 전하를 의미하고, 출력으로 동일한 충전 량을 제공한다. 그러나 현실에서 커패시터는 유한 내부 저항 값이 작습니다. 이 저항은 유전체 재료, 절연체 또는 분리기의 누출에서 비롯됩니다. 여기에 추가하여 등가 직렬 저항 또는 ESR은 커패시턴스 값과 구성에 따라 다른 유형의 커패시터에서 다른 값을 갖습니다. 따라서 커패시터의 완전한 특성을 분석하려면이 ESR의 값을 실질적으로 측정해야합니다.
커패시터에서 ESR 측정
커패시터의 ESR을 측정하는 것은 저항이 순수한 DC 저항이 아니기 때문에 약간 까다 롭습니다. 이것은 커패시터의 특성 때문입니다. 커패시터는 DC를 차단하고 AC를 통과시킵니다. 따라서 표준 저항계는 ESR을 측정하는 데 사용할 수 없습니다. 커패시터의 ESR을 측정하는 데 유용 할 수있는 특정 ESR 미터 가 시장에 나와 있습니다. 이 미터 는 커패시터에 걸쳐 특정 주파수의 구형파 와 같은 교류를 사용 합니다. 신호의 주파수 변화에 따라 커패시터의 ESR 값을 계산할 수 있습니다. 이 방법의 장점은 ESR이 커패시터의 두 단자에서 직접 측정되기 때문에 회로 기판에서 납땜을 제거하지 않고도 측정 할 수 있다는 것입니다.
커패시터의 ESR을 계산하는 또 다른 이론적 방법은 커패시터 의 리플 전압과 리플 전류 를 측정하는 것입니다. 그러면 둘의 비율이 커패시터의 ESR 값을 제공합니다. 그러나 더 일반적인 ESR 측정 모델 은 추가 저항으로 커패시터에 교류 소스를 적용하는 것입니다. ESR을 측정 하는 대략적인 회로 는 다음과 같습니다.
Vs는 사인파 소스이고 R1은 내부 저항입니다. 커패시터 C는 이상적인 커패시터 인 반면 R2는 이상적인 커패시터 C의 등가 직렬 저항입니다. 한 가지 기억해야 할 점은이 ESR 측정 모델에서 커패시터의 리드 인덕턴스가 무시되고 일부로 간주되지 않는다는 것입니다. 회로.
이 회로 의 전달 함수 는 아래 공식으로 나타낼 수 있습니다.
위의 방정식에서 회로의 고역 통과 기능이 반영됩니다. 전달 함수의 근사는 다음과 같이 추가로 평가할 수 있습니다.
H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1
위의 근사치는 고주파 작동에 적합합니다. 이 시점에서 회로는 감쇠를 시작하고 감쇠기 역할을합니다.
감쇠 계수는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.
⍺ = R2 / (R2 + R1)
이 감쇠 계수와 사인파 발생기의 내부 저항 R1을 사용하여 커패시터 ESR을 측정 할 수 있습니다.
R2 = ⍺ x R1
따라서 함수 발생기는 커패시터의 ESR을 계산하는 데 유용 할 수 있습니다.
일반적으로 ESR 값의 범위는 수 밀리 옴에서 수 옴입니다. 알루미늄 전해 및 탄탈 커패시터는 박스형 또는 세라믹 커패시터에 비해 ESR이 높습니다. 그러나 커패시터 제조 기술의 현대적 발전으로 초저 ESR 커패시터를 제조 할 수 있습니다.
ESR이 커패시터 성능에 미치는 영향
커패시터의 ESR 값은 커패시터 출력에 중요한 요소입니다. 높은 ESR 커패시터 는 고전류 애플리케이션에서 열 을 발산 하고 커패시터 수명이 결국 감소하여 전자 회로의 오작동에 기여합니다. 고전류가 문제가되는 전원 공급 장치에서는 여과를 위해 낮은 ESR 커패시터가 필요합니다.
전원 관련 동작뿐만 아니라 낮은 ESR 값도 고속 회로에 필수적입니다. 일반적으로 수백 MHz에서 수 GHz에 이르는 매우 높은 작동 주파수에서 커패시터의 ESR은 전력 전달 요소에서 중요한 역할을합니다.
커패시터의 ESL
ESR과 마찬가지로 ESL도 커패시터의 중요한 요소입니다. 앞서 논의했듯이 실제 상황에서 커패시터는 이상적이지 않습니다. 표유 저항과 표유 인덕턴스가 있습니다. 아래에 표시된 커패시터 의 일반적인 ESL 모델입니다. 커패시터 C는 이상적인 커패시터이고 인덕터 L은 이상적인 커패시터와 직렬로 연결된 직렬 인덕턴스입니다.
일반적으로 ESL은 전류 루프에 크게 의존합니다. 전류 루프가 증가하면 커패시터의 ESL도 증가합니다. 리드 종단과 회로 연결 지점 (패드 또는 트랙 포함) 사이의 거리도 커패시터의 ESL에 영향을줍니다. 종단 거리가 증가하면 전류 루프가 증가하여 등가 직렬 인덕턴스가 높아집니다.
커패시터의 ESL 측정
ESL의 측정은 커패시터 제조업체의 데이터 시트에서 제공하는 임피던스 대 주파수 플롯을 관찰하여 쉽게 수행 할 수 있습니다. 커패시터의 임피던스는 커패시터의 주파수가 변경되면 변경됩니다. 이 상황에서 특정 주파수에서 용량 성 리액턴스와 유도 성 리액턴스가 같을 때 '니 포인트'라고 합니다.
이 시점에서 커패시터는 자체 공진합니다. 커패시터의 ESR은 커패시터가 '니 (knee)'지점 또는 자체 공진 주파수에 도달 할 때까지 임피던스 플롯을 평탄화하는 데 기여합니다. 니 포인트 이후에는 커패시터의 ESL로 인해 커패시터 임피던스가 증가하기 시작합니다.
위 이미지는 MLCC (다층 세라믹 커패시터) 의 임피던스 대 주파수 플롯 입니다. 3 개의 커패시터, 100nF, 1nF X7R 클래스 및 1nF의 NP0 클래스 커패시터가 표시됩니다. '무릎'지점은 V 자형 플롯의 하단 지점에서 쉽게 식별 할 수 있습니다.
니 포인트 주파수가 확인되면 아래 공식으로 ESL을 측정 할 수 있습니다.
주파수 = 1 / (2π√ (ESL x C))
ESL이 커패시터 출력에 미치는 영향
커패시터 출력은 ESR과 마찬가지로 ESL이 증가함에 따라 저하됩니다. 증가 된 ESL 은 원치 않는 전류 흐름에 기여하고 EMI를 생성하여 고주파 애플리케이션에서 오작동을 추가로 생성합니다. 전원 관련 시스템에서 기생 인덕턴스는 높은 리플 전압에 기여합니다. 리플 전압은 커패시터의 ESL 값에 비례합니다. 커패시터의 큰 ESL 값은 링잉 파형을 유도 하여 회로가 이상하게 작동하도록 할 수도 있습니다.
ESR 및 ESL의 실질적인 중요성
아래 이미지는 커패시터에서 ESR 및 ESL 의 실제 모델을 제공합니다.
여기서 커패시터 C는 이상적인 커패시터이고 저항 R은 등가 직렬 저항이고 인덕터 L은 등가 직렬 인덕턴스 입니다. 이 세 가지를 결합하여 실제 커패시터가 만들어집니다.
ESR 및 ESL은 특히 고주파 및 고전류 응용 분야에서 전자 회로의 다양한 성능 저하를 유발하는 커패시터의 그다지 즐거운 특성이 아닙니다. 높은 ESR 값은 ESR로 인한 전력 손실로 인해 성능 저하에 기여합니다. 전력 손실은 전력 법칙 I 2 R을 사용하여 계산할 수 있습니다. 여기서 R은 ESR 값입니다. 뿐만 아니라 옴 법칙에 따라 높은 ESR 값으로 인해 노이즈 및 고전압 강하가 발생합니다. 최신 커패시터 제조 기술은 커패시터의 ESR 및 ESL 값을 줄입니다. 오늘날 SMD 버전의 다층 커패시터에서 엄청난 개선을 볼 수 있습니다.
낮은 ESR 및 ESL 값 커패시터는 스위칭 전원 공급 장치 회로 또는 SMPS 설계의 출력 필터로 선호됩니다. 이러한 경우 스위칭 주파수가 높기 때문에 일반적으로 수백 kHz 범위의 수 MH z에 가깝습니다. 이 때문에 저주파 리플이 전원 공급 장치의 전체 성능에 영향을 미치지 않도록 입력 커패시터와 출력 필터 커패시터가 낮은 ESR 값에 있어야합니다. 커패시터의 ESL도 낮아야 커패시터의 임피던스가 전원 공급 장치 스위칭 주파수와 상호 작용하지 않습니다.
노이즈를 억제해야하고 출력 필터 단계가 적어야하는 저잡음 전원 공급 장치에서 고품질의 초저 ESR 및 저 ESL 커패시터는 원활한 출력과 부하에 안정적인 전력 공급을 위해 유용합니다. 이러한 응용 분야에서 폴리머 전해질이 적합한 선택이며 일반적으로 알루미늄 전해 커패시터보다 선호됩니다.