Эквивалентное последовательное сопротивление

Эквивалентное последовательное сопротивление
Rs
Единицы измерения
СИ	Ом

Эквивале́нтное после́довательное сопротивле́ние (сокр.: ЭПС; англ.: ESR: англ. Equivalent series resistance) — внутреннее сопротивление пассивного двухполюсника. Обычно определяется для электрических конденсаторов и катушек индуктивности.

Для конденсаторов ЭПС возникает из-за электрического сопротивления материала обкладок и выводов конденсатора и контактов между его выводами и обкладками, а также учитывает потери в диэлектрике. Обычно ЭПС возрастает с увеличением частоты тока, протекающего через конденсатор, вследствие поверхностного эффекта.

Обзор

Эквивалентная электрическая схема реального конденсатора. $R_{Isol},\ R_{Leak}$ — сопротивление утечки и сопротивление, обусловленное проводимостью диэлектрика, ESR — эквивалентное последовательное сопротивление или $R_{s},$ ESL — эквивалентная паразитная последовательная индуктивность конденсатора. Во многих практических применениях при анализе схем сопротивлениями утечек $R_{Isol},\ R_{Leak}$ можно пренебречь, также, на низких частотах, когда реактивное сопротивление эквивалентной паразитной последовательной индуктивности мало ею также пренебрегают.

Векторная диаграмма реального конденсатора с учётом ЭПС. $jX_{C}$ — реактивная составляющая импеданса конденсатора.

В теории электрических цепей абстрактно рассматриваются «идеальные» резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, при этом предполагается, что эти двухполюсники вносят в электрическую цепь чисто только сопротивление, ёмкость или индуктивность соответственно. Однако все реальные компоненты имеют ненулевое значение побочных, паразитных параметров. В частности, все реальные физические устройства изготовлены из материалов с конечным электрическим сопротивлением, поэтому физические компоненты обладают некоторым сопротивлением в дополнение к своим другим параметрам. Физическое происхождение ЭПС зависит от рассматриваемого устройства. Один из способов учесть внутреннее сопротивление при анализе электрических схем — использовать модель двухполюсника в виде цепи из сосредоточенных элементов (модель реального конденсатора показана на рисунке), чтобы представить каждый физический компонент в виде комбинации идеального реактивного компонента и небольшого последовательного резистора — ЭПС. ЭПС может быть измерено и указано в техническом описании компонента. В какой-то степени, его можно рассчитать по свойствам устройства.

Для катушек индуктивности вводится понятие добротности, которая связана с ЭПС и иногда является более удобным параметром характеристики компонента, чем ЭПС и используется при расчетах высокочастотных неидеальных характеристик реальных катушек индуктивности. Добротность часто указывается в технических спецификациях катушек индуктивности.

Наиболее часто под ЭПС подразумевается ЭПС конденсаторов, так как увеличение этого параметра является основной и наиболее частой причиной отказов электронных приборов.

Для конденсаторов часто используют такой параметр как тангенс угла потерь $\rho .$ Если пренебречь другими паразитными параметрами конденсатора кроме ЭПС, векторная диаграмма импеданса конденсатора для этого случая приведена на рисунке, то импеданс $Z_{C}$ конденсатора будет:

$Z_{C}=R_{s}+jX_{C}=R_{s}+1/j\omega C,$

где $R_{s}$ — ЭПС;

$X_{C}$ — реактивное сопротивление конденсатора;

$\omega$ — частота;

$C$ — ёмкость конденсатора.

Тангенс угла потерь — это величина обратная добротности конденсатора $Q$ и равен отношению активного сопротивления конденсатора к реактивному сопротивлению:

$\operatorname {tg} \rho =1/Q=R_{s}/X_{C}=R_{s}/j\omega C.$

Таким образом, добротность конденсатора зависит от частоты тока и уменьшается при увеличении частоты, так как ЭПС мало зависит от частоты и её можно считать постоянной.

Конденсаторы, катушки индуктивности и резисторы обычно сконструированы таким образом, чтобы свести к минимуму их паразитные параметры. Во многих случаях это может быть осуществлено в достаточной степени, чтобы, например, паразитная ёмкость и индуктивность резистора были настолько малы, чтобы не влиять значимо на работу электрической схемы. Однако, в некоторых применениях «паразитные» параметры становятся важными и даже доминирующими.

Наиболее часто под ЭПС подразумевается ЭПС конденсаторов, так как увеличение этого параметра является основной и наиболее частой причиной отказов электронных приборов.

Критичность параметра

В большинстве практических случаев этим параметром можно пренебречь, но иногда (например, в случае использования электролитических конденсаторов в фильтрах импульсных блоков питания) достаточно малое его значение существенно для надёжности и устойчивости работы устройства. В электролитических конденсаторах, где одна из обкладок конденсатора является электролитом, этот параметр при эксплуатации со временем деградирует вследствие испарения растворителя из жидкого электролита и изменения его химического состава, вызванного взаимодействием с металлическими обкладками, что происходит относительно быстро в низкокачественных изделиях (явление называемое «конденсаторной чумой»).

Некоторые схемы (например, стабилизаторы напряжения) критичны к диапазону изменения ЭПС конденсаторов в своих цепях. Это связано с тем, что при проектировании таких устройств инженеры учитывают этот параметр в фазочастотной характеристике (ФЧХ) обратной связи стабилизатора. Существенное изменение со временем ЭПС применённых конденсаторов изменяет ФЧХ, что может привести к снижению запаса устойчивости контуров авторегулирования и даже к самовозбуждению.

Измерениe

Если особо не оговорено, то ЕПС всегда определяется как сопротивление переменному току и измеряется на определённых частотах: например, на частоте 100 кГц для компонентов импульсных источников питания, 120 Гц для линейных цепей источников питания и на собственной резонансной частоте для компонентов общего применения. Кроме того, компоненты, применяемые в аудиоаппаратуре могут характеризоваться «добротностью» и значением ЭПС на частоте 1000 Гц.

Существуют специальные приборы (ESR-метр) для измерения этого достаточно важного параметра конденсатора, по величине которого можно часто определить пригодность для его дальнейшего использования в конкретных целях. Этот параметр, кроме ёмкости (ёмкость — это основной параметр), часто имеет решающее значение в исследовании состояния старого конденсатора и принятия решения, стоит ли использовать его в определённой схеме или его параметры вскоре прогнозируемо выйдут за пределы допустимых значений и он требует замену.

Значение ЭПС конденсаторов, с ёмкостью превышающей примерно 1 мкФ, легко измеряется в цепи с помощью измерителя ЭПС.

Конденсаторы

В неэлектролитическом конденсаторе и электролитических конденсаторах с твердым электролитом металлическое сопротивление выводов и электродов и потери в диэлектрике вызывают ЭПC. Обычно указанные значения ЭПС для керамических конденсаторов составляют от 0,01 до 0,1 Ом. ЭПC неэлектролитических конденсаторов, как правило, довольно стабилен с течением времени; для большинства целей реальные неэлектролитические конденсаторы можно рассматривать как идеальные компоненты.

Алюминиевые и танталовые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом имеют значительно более высокие значения ЭПС, вплоть до нескольких Ом; электролитические конденсаторы большей ёмкости имеют более низкое ЭПС. ЭПC уменьшается с увеличением частоты вплоть до частоты собственного резонанса конденсатора. Очень серьёзная проблема, особенно с алюминиевыми электролитами, заключается в том, что ЭПC увеличивается со временем использования; ЭПC может увеличиться настолько, что приведёт к неисправности цепи и даже повреждению компонентов, хотя измеренная ёмкость может оставаться в пределах инженерного допуска. В то время, как это происходит при нормальном старении, высокие температуры и большие пульсирующие токи ускоряют увеличение ЭПС. В цепи со значительными пульсациями тока, увеличение ЭПС приведет к увеличению выделения тепла, тем самым ещё более ускоряя старение конденсатора.

Электролитические конденсаторы, рассчитанные на работу при высоких температурах и имеющие более высокое качество, чем основные детали потребительского класса, менее подвержены преждевременному отказу из-за увеличения ЭПС. Дешёвый электролитический конденсатор может быть рассчитан на срок службы менее 1000 часов при температуре 85 °C. (в году 8760 часов). Компоненты более высокого качества обычно рассчитаны на срок службы в несколько тысяч часов при максимальной рабочей температуре, как заявляется в технических спецификациях производителей конденсаторов. Если ЭПС критично в конкретном применении, то может оказаться выгодным использование конденсатора с более высокой рабочей температурой, «низким ЭПС» или большей ёмкостью, чем требуется. Стандартов для конденсаторов по параметру «низкий ЭПС» не существует.

Полимерные конденсаторы обычно имеют более низкое ЭПС, чем конденсаторы с жидким электролитом с той же ёмкостью, и стабильны при повышенной температуре. Следовательно, полимерные конденсаторы могут выдерживать более высокие пульсации тока. Примерно с 2007 года в компьютерных материнских платах повышенного качества обычно используются только конденсаторы с полимерным диэлектриком там, где ранее применялись конденсаторы с жидким электролитом.

Типичные значения ЭПС для конденсаторов разных типов

Типовое значение ЭПС для конденсаторов в омах

Тип	22 мкФ	100 мкФ	470 мкФ
Стандартный алюминиевый	7—30	2—7	0,13—1,5
Алюминиевые со сниженным ЭПС	1—5	0,3—1,6
Алюминиевые с твёрдым электролитом	0,2—0,5
Тип OS-CON от фирмы Sanyo	0,04—0,07	0,03—0,06
Стандартный танталовый с твёрдым электролитом	1,1—2,5	0,9—1,5
Танталовый со сниженным ЭПС	0,2—1	0,08—0,4
Фольговый танталовый	2,5—3,5	1,8—3,9
Многослойный фольговый	<0,015
С керамическим диэлектриком	<0,015

См. также

• Электрический конденсатор#Эквивалентное последовательное сопротивление — Rs
• ESR-метр
• Твердотельный конденсатор
• Конденсаторная чума

Ссылки

• Эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора // Что такое ESR (ЭПС)?
• Determining the Equivalent Series Resistance (ESR) of Capacitors
• Application note of ESR of capacitors
• «Capacitors: Equivalent Series Resistance (ESR)», General Atomics Engineering Bulletin, pp. 2-9
• ESR Calculator
• ESR конденсатора.