- ESR di Kapasitor
- Mengukur ESR di Kapasitor
- Bagaimana ESR mempengaruhi Kinerja Kapasitor
- ESL dalam kapasitor
- Mengukur ESL kapasitor
- Bagaimana ESL mempengaruhi Output Kapasitor
- Kepentingan praktis ESR dan ESL
Komponen elektronik yang paling banyak digunakan dalam desain elektronik adalah Resistor (R), Kapasitor (C), dan Induktor (L). Sebagian besar dari kita sudah familiar dengan dasar-dasar ketiga komponen pasif ini dan cara menggunakannya. Secara teoritis (dalam kondisi ideal) kapasitor dapat dianggap sebagai kapasitor murni dengan hanya sifat kapasitif, tetapi dalam praktiknya kapasitor juga akan memiliki beberapa sifat resistif dan induktif yang digabungkan dengannya, yang kami sebut sebagai resistansi parasit atau induktansi parasit. Ya, seperti parasit, resistansi dan induktansi yang tidak diinginkan ini berada di dalam kapasitor yang mencegahnya berperilaku seperti kapasitor murni.
Oleh karena itu, ketika merancang sebuah sirkuit, para insinyur terutama mempertimbangkan bentuk ideal dari komponen, dalam hal ini kapasitansi dan kemudian bersamaan dengan itu komponen parasit (Induktansi dan resistansi) juga dianggap seri dengannya. Resistensi parasit ini disebut sebagai Equivalent Series Resistance (ESR) dan induktansi parasit disebut sebagai Equivalent series Inductance (ESL). Nilai induktansi dan resistansi ini akan sangat kecil, sehingga dapat diabaikan dalam desain sederhana. Tetapi dalam beberapa aplikasi daya tinggi atau frekuensi tinggi, nilai ini dapat menjadi sangat penting dan jika tidak dipertimbangkan dapat mengurangi efisiensi komponen atau mengeluarkan hasil yang tidak diharapkan.
Pada artikel ini kita akan mempelajari lebih lanjut tentang ESR dan ESL ini, cara mengukurnya dan bagaimana pengaruhnya terhadap rangkaian. Mirip dengan ini, Induktor juga akan memiliki beberapa sifat parasit yang terkait dengannya yang disebut DCR yang akan kita bahas di artikel lain di lain waktu.
ESR di Kapasitor
Kapasitor yang ideal secara seri dengan resistansi disebut resistansi seri ekivalen dari kapasitor. Resistansi seri yang setara atau ESR dalam kapasitor adalah resistansi internal yang muncul secara seri dengan kapasitansi perangkat.
Mari kita lihat simbol di bawah ini , yang mewakili ESR kapasitor. Simbol kapasitor mewakili kapasitor ideal dan resistor sebagai resistansi seri ekivalen. Resistor dihubungkan secara seri dengan kapasitor.
Sebuah kapasitor ideal adalah lossless, yang berarti biaya toko kapasitor dan memberikan jumlah yang sama biaya sebagai output. Tetapi di dunia nyata, kapasitor memiliki nilai resistansi internal terbatas yang kecil. Hambatan ini berasal dari bahan dielektrik, kebocoran di isolator atau di separator. Selain itu, resistansi seri setara atau ESR akan memiliki nilai yang berbeda dalam berbagai jenis kapasitor berdasarkan nilai kapasitansi dan konstruksinya. Karenanya kita harus mengukur nilai ESR ini secara praktis untuk menganalisis karakteristik lengkap sebuah kapasitor.
Mengukur ESR di Kapasitor
Mengukur ESR kapasitor agak rumit karena resistansinya bukan resistansi DC murni. Ini karena properti kapasitor. Kapasitor memblokir DC dan melewatkan AC. Oleh karena itu, ohm meter standar tidak dapat digunakan untuk mengukur ESR. Ada meter ESR khusus yang tersedia di pasaran yang dapat berguna untuk mengukur ESR kapasitor. Meter ini menggunakan arus bolak -balik, seperti gelombang persegi dalam frekuensi tertentu di kapasitor. Berdasarkan perubahan frekuensi sinyal, nilai ESR kapasitor dapat dihitung. Keuntungan dengan metode ini adalah, karena ESR diukur secara langsung di dua terminal kapasitor, ESR dapat diukur tanpa melepasnya dari papan sirkuit.
Cara teoritis lain untuk menghitung ESR kapasitor adalah dengan mengukur tegangan Ripple dan arus Ripple kapasitor dan kemudian rasio keduanya akan memberikan nilai ESR pada kapasitor. Namun, model pengukuran ESR yang lebih umum adalah menerapkan sumber arus bolak-balik melintasi kapasitor dengan resistansi tambahan. Sirkuit kasar untuk mengukur ESR ditunjukkan di bawah ini
Vs adalah sumber gelombang sinus dan R1 adalah resistansi internal. Kapasitor C adalah kapasitor Ideal sedangkan R2 adalah Resistansi Seri Setara dari kapasitor ideal C.Satu hal yang perlu diingat adalah bahwa pada model pengukuran ESR ini, induktansi timbal kapasitor diabaikan dan tidak dianggap sebagai bagian dari sirkuit.
Fungsi transfer rangkaian ini dapat digambarkan dalam rumus di bawah ini-
Dalam persamaan di atas, fitur high pass dari rangkaian direfleksikan; perkiraan dari fungsi transfer selanjutnya dapat dievaluasi sebagai -
H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1
Perkiraan di atas cocok untuk operasi frekuensi tinggi. Pada titik ini, rangkaian mulai menipis dan bertindak sebagai peredam.
Faktor atenuasi dapat dinyatakan sebagai -
⍺ = R2 / (R2 + R1)
Faktor atenuasi ini dan resistansi internal generator gelombang sinus R1 dapat digunakan untuk mengukur ESR kapasitor.
R2 = ⍺ x R1
Oleh karena itu, generator fungsi dapat berguna untuk menghitung ESR kapasitor.
Biasanya, nilai ESR berkisar dari beberapa miliohms hingga beberapa ohm. Kapasitor aluminium elektrolitik dan tantalum memiliki ESR yang tinggi dibandingkan dengan kapasitor tipe kotak atau keramik. Namun, kemajuan modern dalam teknologi pembuatan kapasitor memungkinkan pembuatan kapasitor ESR super rendah.
Bagaimana ESR mempengaruhi Kinerja Kapasitor
Nilai ESR kapasitor merupakan faktor penting untuk keluaran kapasitor. Kapasitor ESR tinggi menghilangkan panas dalam aplikasi arus tinggi dan umur kapasitor berkurang pada akhirnya, yang juga berkontribusi pada kerusakan sirkuit elektronik. Dalam catu daya, di mana arus tinggi menjadi perhatian, kapasitor ESR rendah diperlukan untuk tujuan filtrasi.
Tidak hanya dalam operasi terkait catu daya tetapi nilai ESR rendah, juga penting untuk sirkuit berkecepatan tinggi. Dalam frekuensi operasi yang sangat tinggi, biasanya berkisar dari ratusan MHz hingga beberapa GHz, ESR kapasitor memainkan peran penting dalam faktor pengiriman daya.
ESL dalam kapasitor
Sama seperti ESR, ESL juga merupakan faktor penting untuk kapasitor. Seperti dibahas sebelumnya, dalam situasi nyata kapasitor tidak ideal. Ada resistansi yang menyimpang serta induktansi yang menyimpang. Model kapasitor ESL khas yang ditunjukkan di bawah ini. Kapasitor C adalah kapasitor ideal dan induktor L adalah induktansi seri yang dihubungkan secara seri dengan kapasitor ideal.
Biasanya, ESL sangat bergantung pada loop arus; peningkatan loop arus juga meningkatkan ESL pada kapasitor. Jarak antara terminasi timbal dan titik penghubung sirkuit (termasuk bantalan atau trek) juga memengaruhi ESL di kapasitor karena jarak terminasi yang meningkat juga meningkatkan loop arus yang menghasilkan induktansi seri Ekuivalen tinggi.
Mengukur ESL kapasitor
Pengukuran ESL dapat dilakukan dengan mudah dengan memperhatikan plot impedansi versus frekuensi yang diberikan oleh lembar data pabrikan kapasitor. Impedansi kapasitor berubah ketika frekuensi melintasi kapasitor berubah. Dalam situasi tersebut, ketika pada frekuensi tertentu reaktansi kapasitif dan reaktansi induktif sama, itu disebut sebagai 'titik lutut'.
Pada titik ini, kapasitor beresonasi sendiri. ESR kapasitor berkontribusi untuk meratakan plot impedansi sampai kapasitor mencapai titik 'lutut' atau pada frekuensi beresonansi sendiri. Setelah titik lutut, impedansi kapasitor mulai meningkat karena ESL kapasitor.
Gambar di atas adalah plot Impedansi vs Frekuensi dari MLCC (Kapasitor keramik multi layer). Tiga kapasitor, 100nF, kelas 1nF X7R dan 1nF kapasitor kelas NP0 ditampilkan. Bintik 'lutut' dapat dengan mudah diidentifikasi di sepanjang titik bawah plot berbentuk V.
Setelah frekuensi titik lutut diidentifikasi, ESL dapat diukur dengan rumus di bawah ini
Frekuensi = 1 / (2π√ (ESL x C))
Bagaimana ESL mempengaruhi Output Kapasitor
Output kapasitor menurun dengan peningkatan ESL, sama seperti ESR. ESL yang ditingkatkan berkontribusi pada aliran arus yang tidak diinginkan dan menghasilkan EMI, yang selanjutnya menciptakan malfungsi dalam aplikasi frekuensi tinggi. Dalam sistem terkait catu daya, induktansi parasit berkontribusi pada tegangan riak tinggi. Tegangan riak sebanding dengan nilai ESL kapasitor. Nilai ESL kapasitor yang besar juga dapat menyebabkan bentuk gelombang dering, membuat rangkaian berperilaku aneh.
Kepentingan praktis ESR dan ESL
Gambar di bawah ini memberikan model aktual ESR dan ESL di kapasitor.
Di sini, Kapasitor C adalah kapasitor ideal, resistor R adalah Resistansi Seri Setara dan induktor L adalah Induktansi Seri Setara. Menggabungkan ketiga kapasitor asli dibuat.
ESR dan ESL bukanlah karakteristik kapasitor yang begitu menyenangkan, yang menyebabkan berbagai penurunan kinerja pada rangkaian elektronik, terutama pada aplikasi frekuensi tinggi dan arus tinggi. Nilai ESR yang tinggi berkontribusi pada kinerja yang buruk karena kehilangan daya yang disebabkan oleh ESR; kehilangan daya dapat dihitung menggunakan Hukum Daya I 2 R di mana R adalah nilai ESR. Tidak hanya itu, kebisingan dan penurunan tegangan tinggi juga terjadi karena nilai ESR yang tinggi sesuai dengan hukum Ohm. Teknologi pembuatan kapasitor modern mengurangi nilai ESR dan ESL kapasitor. Peningkatan besar dapat dilihat pada kapasitor multilayer versi SMD saat ini.
Kapasitor dengan nilai ESR dan ESL yang lebih rendah lebih disukai sebagai filter keluaran dalam rangkaian catu daya switching atau desain SMPS karena frekuensi switching tinggi dalam kasus ini, biasanya mendekati beberapa MHz mulai dari ratusan kHz. Karena itu kapasitor input dan kapasitor filter output harus memiliki nilai ESR rendah sehingga riak frekuensi rendah tidak berpengaruh pada kinerja keseluruhan unit catu daya. ESL kapasitor juga harus rendah, sehingga impedansi kapasitor tidak berinteraksi dengan frekuensi switching catu daya.
Dalam catu daya dengan kebisingan rendah, di mana kebisingan perlu ditekan dan tahap filter keluaran harus berjumlah rendah, ESR super rendah berkualitas tinggi dan kapasitor ESL rendah berguna untuk kelancaran keluaran dan pengiriman daya yang stabil ke Beban. Dalam aplikasi seperti itu, elektrolit polimer adalah pilihan yang sesuai dan biasanya lebih disukai daripada kapasitor Elektrolit Aluminium.