Low esr конденсаторы что это

11

Конденсаторы Low ESR и Low Impedance. В чём разница?

Электролитические конденсаторы с низким ЭПС и низким импедансом

В настоящее время в продаже имеется огромное количество электролитических конденсаторов с разными эксплуатационными характеристиками. Те, кто имеет дело с электроникой, возможно уже слышали или даже сталкивались с обозначениями вроде Low ESR или Low Imp.

Если с Low ESR всё вполне понятно, достаточно знать, что такое эквивалентное последовательное сопротивление, то вот с Low Imp у многих возникают вполне обоснованные вопросы.

Забегая вперёд, скажу, что конденсаторы Low ESR и Low Impedance, это почти одно и тоже.

Чтобы разобраться, в чём разница между ними, вспомним некоторые известные факты об устройстве алюминиевого электролитического конденсатора.

Из-за скручивания анодной и катодной обкладок в рулон образуется паразитная индуктивность. Величина этой индуктивности составляет 20. 200 нГн. Чтобы как-то учесть "паразитную" индуктивность конденсатора стали использовать такой показатель, как ESL (Equivalent Series Inductance) – эквивалентная последовательная индуктивность. В технической литературе обычно применяется именно аббревиатура ESL, а не ESI, хотя можно встретить и то, и то.

Так как электролит, катодная и анодная обкладка, а также переходные соединения и выводы обладают активным сопротивлением, то всё это "собрали вместе" и назвали эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR – Equivalent Series Resistance).

Важное замечание!

Стоит понимать, что ESR зависит от температуры, напряжения и частоты! И, хотя, ESR считается активной составляющей полного сопротивления (импеданса, Z), которое по идее не должно зависеть ни от ёмкости, ни от частоты, но из-за того, что основной вклад в ESR вносит сопротивление электролита, то величина ESR подвержена изменению под действием разных факторов.

Теперь, давайте разберёмся с импедансом или по-другому полным сопротивлением (Z). На зарубежный манер это Impedance, а сокращённо Imp.

Импеданс включает как активное, так и реактивное сопротивление (ёмкостное X_C и индуктивное X_L), которое зависит от частоты. С наличием ёмкостного сопротивления всё понятно, ведь речь идёт о конденсаторе. А вот индуктивное сопротивление – это уже следствие наличия ESL (паразитной индуктивности), которая образуется из-за намотки алюминиевой фольги.

Формула расчёта импеданса для последовательной цепи выглядит так:

где, R – активное сопротивление цепи, Ом (Ω);

В случае с электролитическим конденсатором R ≈ ESR. Получаем вот такую формулу:

Электролитические конденсаторы полярны и способны работать только в цепях с постоянным или пульсирующим напряжением.

Так как через него протекают импульсные токи высокой частоты, то, в силу своего конструктивного исполнения, на разной частоте он будет оказывать разное сопротивление.

Теперь взглянем на график. На нём показано, как меняется величина ESR (R), X_C, X_L, Z в зависимости от частоты.

Как видим, с ростом частоты ESR (R) постепенно уменьшается. Также стоит отметить, что с ростом температуры ESR тоже уменьшается, так как удельная электропроводность электролита растёт.

Ёмкостное сопротивление X_C с ростом частоты (пульсаций) также стремительно падает и в конечном итоге становится меньше того самого ESR (R).

С индуктивным сопротивлением X_L, которое обусловлено наличием ESL, всё обстоит наоборот. С ростом частоты оно увеличивается. Реактивное сопротивление индуктивности начинает проявлять себя на частотах выше 100 – 1000 кГц. Это приводит к тому, что на высоких частотах конденсатор всё меньше представляет собой ёмкость.

Из этого следует вывод, что чем больше ESL, тем ниже частота, до которой конденсатор ведёт себя как ёмкость. Таким образом, ESL влияет на способность конденсатора работать в цепях с высокой частотой пульсации тока (импульсных источниках питания, цифровых системах и пр.).

Так как индуктивное сопротивление (из-за ESL) является частью полного сопротивления Z (импеданса), также, как и ESR, то конденсаторы, которые имеют низкий ESL и ESR, называют конденсаторами Low Impedance (сокр. Low Imp).

Таким образом, конденсаторы, которые имеют низкий импеданс ещё лучше тех, что имеют низкий ESR, так как могут работать ещё и на более высоких частотах.

Производители делят конденсаторы на серии. Каждая серия обладает разными свойствами и эксплуатационными характеристиками.

Чтобы узнать, какими свойствами обладает конденсатор можно найти даташит на серию, к которой он принадлежит.

Как правило, серию указывают на виниловой оболочке рядом с номинальной ёмкостью и рабочим напряжением. На фото показаны конденсаторы Jamicon серии TX.

В справочной документации (даташите) величину импеданса приводят для частоты 100 кГц и температуры +20°C.

Стоит отметить, что на частоте 100 кГц, которая считается типичной для импульсных источников питания, величина импеданса и ESR отличается незначительно. Поэтому разницы между Low Impedance и Low ESR конденсаторами практически нет. Другое дело, если тот будет работать в более высокочастотной цепи. В таком случае, Low Impedance конденсатор подойдёт лучше.

На скриншоте далее показана часть таблицы из даташита на конденсаторы Jamicon серии TX, которые имеют низкий импеданс и высокое рабочее напряжение.

Аналогично обстоит дело и с ESR. Его величину также указывают для частоты 100 кГц (температура +20°C).

Не секрет, что высокий ESR плохо сказывается на сроке службы электролитического конденсатора. При любом изменении напряжения на обкладках конденсатора через него протекает импульс тока, так называемый Ripple current – пульсация тока (R.C.).

При этом на ESR выделяется тепло, которое разогревает электролит и способствует его испарению. Со временем это приводит к снижению ёмкости конденсатора и его полной неработоспособности.

Заглянем в даташит на конденсаторы Jamicon серии MZ, которые заточены под импульсные источники питания. Это низковольтные Low ESR конденсаторы. Их рабочее напряжение не превышает 25V (6,3. 25V). Идеально подойдут для ремонта компьютерных блоков питания.

Кроме всего прочего, в таблице указана максимальная величина тока пульсации (R.C.), на которую рассчитан конденсатор. Чем больше значение R.C., тем больший импульсный ток сможет выдержать конденсатор длительное время. Указанный производителем импульсный ток (R.C.) не рекомендуется превышать, так как конденсатор будет перегреваться и, как следствие, раньше выйдет из строя.

Также можно встретить конденсаторы со сверхмалым импедансом (Ultra low impedance), например, такие, как Jamicon серии WJ. Они заточены под использование специально в компьютерных материнских платах и способны работать в широком частотном диапазоне. Такие конденсаторы имеют как низкий ESR, так и ESL (малую паразитную индуктивность).

Чтобы как-то снизить импеданс конденсаторов производителям приходиться всячески уменьшать паразитную индуктивность и использовать электролит, которой обладает высокой удельной электропроводностью в широком диапазоне температур.

С развитием цифровой электроники, работающей на высоких тактовых частотах, а также широким внедрением импульсных источников питания, требования к современным электролитическим конденсаторам резко возросли. При конструировании и ремонте необходимо обращать внимание на такие параметры, как ЭПС конденсатора и его импеданс, так как это напрямую влияет на качество и длительность его работы.

Многих интересует вопрос, каким должно быть значение ESR, чтобы считать конденсатор пригодным? Для тех, кто внимательно прочитал приведённый материал ответ напросится сам собой.

Если удаётся определить серию конденсатора, то все необходимые данные можно найти в даташите. Данные ЭПС или импеданса из таблиц даташита можно считать "эталонными", наподобие таблицы ESR.

Ну, а далее нужно иметь под рукой универсальный тестер электронных компонентов, который замеряет в том числе и ESR. Сравнив результаты замеров с данными из таблицы легко понять, насколько конденсатор пригоден для дальнейшей работы.

Тут стоит помнить, что полученные данные будут отличаться от табличных, так как величина ЭПС зависит от температуры и частоты измерения. В любом случае разница не должна быть слишком большой.

Что такое ESR?

ESR — Equivalent Series Resistance — один из параметров конденсатора, характеризующий его активные потери в цепи переменного тока. В эквиваленте его можно представить, как включенный последовательно с конденсатором резистор, сопротивление которого определяется, главным образом, диэлектрическими потерями, а так же сопротивлением обкладок, внутренних контактных соединений и выводов. В русскоязычной аббревиатуре — Эквивалентное Последовательное Сопротивление — ЭПС.

Потери в диэлектрике, обусловленные особенностями его поляризации, составляют основную часть потерь в конденсаторе и определяются материалом, а так же толщиной слоя диэлектрика.

Поляризация — ограниченное смещение связанных зарядов диэлектрика в электрическом поле.

Рассматривать детально процессы всех видов поляризации здесь нет необходимости, но вкратце это можно пояснить следующим образом:
Частицы диэлектрика, обладающие зарядом, под воздействием переменного электрического поля вынуждены совершать непроизвольные механические колебания, обусловленные их переориентацией и смещением (поляризацией).
В слоях диэлектрика, близких к обкладкам, заряды, не покидая своих связей, активно участвуют во всех процессах формирования напряжения и тока в конденсаторе, как и проводники. По сути, уменьшается толщина слоя реального диэлектрика.
В результате существенно повышается ёмкость конденсатора но, по причине инертности и внутреннего трения связанных частиц, процессы сопровождаются выделением тепла и потерями энергии в токопроводящих слоях диэлектрика. То есть, эти поляризованные слои обладают активным сопротивлением электрическому току.
С увеличением частоты, диэлектрические потери пропорционально возрастают по той же причине — механической инертности поляризованных зарядов.

Сопротивление токопроводящих слоёв диэлектрика последовательно складывается с сопротивлением обкладок, выводов и контактных соединений. В итоге образуется общее активное сопротивление R — Equivalent Series Resistance (ESR). По сути оно представляет собой резистор, включенный последовательно с конденсатором.

В этом случае угол сдвига фаз между током и напряжением будет не 90°, как в идеальном конденсаторе, а несколько меньше.
Тангенс угла δ, составляющего эту разницу с 90°, называют тангенсом угла потерь.

Тангенс угла определится отношением активного сопротивления к реактивному R/Xc, как тригонометрическая функция отношения двух катетов треугольника сопротивлений, показанного на рисунке выше.

В электролитических конденсаторах значимой частью ESR является сопротивление жидкого электролита, который используется в качестве одной из обкладок для обеспечения максимальной площади соприкосновения с диэлектриком.
Активное сопротивление электролита в реальных конденсаторах обычно соизмеримо с десятыми или даже с сотыми долями Ома при 20°C, но для конденсаторов большой ёмкости, используемых в фильтрах выпрямителей ИИП на рабочей частоте порядка 100 кГц, когда его реактивное сопротивление измеряется тысячными долями Ома, эта величина может составлять основные потери, и будет значительно уменьшаться по мере прогрева.
При рабочей температуре величина диэлектрических потерь на таких частотах обычно оказывается в несколько раз больше.

Сопротивление электролита зависит от температуры по причине изменения степени его вязкости и подвижности ионов.

В процессе работы происходит нагрев диэлектрика и электролита переменным током, в связи с чем существенно уменьшается сопротивление электролита, тогда ESR конденсатора будет определяться преимущественно его диэлектрическими потерями, которые продолжат греть конденсатор в допустимых расчётами пределах.
Но, в случаях разогрева до температуры кипения, электролит утрачивает свои первоначальные свойства и при последующем охлаждении становится более вязким, что ухудшает подвижность ионов и повышает активное сопротивление. Дальнейшая эксплуатация будет вызывать ещё больший разогрев и ухудшение качества электролита, что в последствии приведёт к непригодности конденсатора для дальнейшей работы.
Неисправные конденсаторы, в которых кипел электролит, обычно определяются визуально по вздувшемуся и разгерметизированному корпусу.

Для надёжности работы электролитических конденсаторов очень важен правильный выбор его типа, номинала и максимального напряжения в зависимости от режимов и условий эксплуатации.
Для фильтров выпрямителей в преобразователях, работающих на частотах десятков или сотен килогерц, производители выпускают специальные конденсаторы с малым ESR и указывают полное сопротивление переменному току (импеданс Z) для всех номиналов в таблицах.
Тип таких конденсаторов сопровождается пометкой в технической документации — Low impedance или Low ESR.

Для анализа состояния электролита и внутренних соединений электролитических конденсаторов применяются измерители или пробники ESR, которые могут быть выполнены исходя из разных принципов измерений и требований к погрешностям.
Большая часть простых ESR-пробников и тестеров основана на принципе измерения импеданса. У них есть свой существенный плюс — низкоомный вход, что позволяет проверять конденсаторы, не выпаивая их из платы.
Подробнее о способах измерения можно ознакомиться на страничке — измерение ESR.

Наряду с ухудшением качества электролита, часто активное сопротивление в конденсаторах возрастает по причине ухудшения контактов обкладок с выводами, вплоть до полного обрыва. В электролитических это происходит чаще, в металлокерамических реже, телевизионным мастерам все эти случаи хорошо знакомы. А ремонтники старшего поколения, кто застал советские ламповые телевизоры, хорошо помнят бумажные конденсаторы, которые иногда поджимали пассатижами для уплотнения контактных соединений внутри, и они какое-то время ещё работали.

Таблица ESR

Для чего нужна таблица?
Большинство пробников и тестеров, обычно светодиодные или стрелочные, измеряют импеданс — общее сопротивление конденсатора (активное и реактивное). Активное отдельно замерить сложнее, но оно и есть потери — значение ESR.
При измерении ёмкостей менее 100 микрофарад, реактивная составляющая уже оказывается соизмеримой, а иногда больше значения ESR, и существенно влияет на результат. А в конденсаторах менее 10 мкф и вовсе значение ESR во много раз меньше и его доля незначительна в общем показании. Точно замерить ESR у них невозможно такими пробниками, но выявить неисправные конденсаторы можно.
Другими словами, реактивное сопротивление в показаниях таких приборов — неудобная погрешность, зависимая от ёмкости конденсатора. Её надо учитывать при оценке качества конденсатора для разных ёмкостей.
К тому же ESR зависит от толщины слоя электролита и диэлектрика. Для высоковольтных и крупногабаритных конденсаторов эти значения учитываются производителями в зависимости от области применения.
Никакой пропорциональной зависимости ESR от других параметров конденсатора не существует, поэтому для оценки его качества в практике используются таблицы.

Все существующие таблицы — условны и не всегда объективно определяют допустимые значения для всех измерителей. Публикуют их часто для популяризации сайтов, поэтому важно понимать суть значений в таблицах.
Тем более, разные пробники работают на разных принципах или частотах (от 10 до 100 кГц), разница показаний в 5 или 10 раз может отличаться от табличных лишь по этой причине.
Очень полезно самому замерить значения ESR у новых конденсаторов разных производителей и составить свою таблицу для своего пробника. Это уже будут реальные показатели. Тогда их можно сравнить с неисправными конденсаторами и со значениями их реактивных сопротивлений, чтоб сделать какие-то выводы о критичности.
В преобразователях блоков питания греют конденсатор паразитные десятые, иногда сотые доли Ома и, если их сможет показать Ваш измеритель, уже неплохо. Импульсный ток в конденсаторах достигает десятков Ампер и активные десятые доли Ома для 10 Ампер — это уже реальные Ватты — нагрев.
Габариты конденсатора тоже имеют существенное значение, они будут охлаждать электролит, это надо учитывать при выборе типа конденсатора в мощных преобразователях.
Практика показала, тонкие конденсаторы Low ESR, установленные при замене в блоках питания вместо крупногабаритных обычных, частенько долго там не живут, перегреваются, закипают и вздуваются иногда уже через несколько месяцев работы.

Для самого популярного в ИИП конденсатора 1000мкф x 25в часто в таблицах указывают 0.08 Ом, как норму. А в других таблицах 0.8 Ом. Какой прибор что мерит, кто и для каких цепей определил ему норму — загадки.
Проверьте для сравнения своим прибором этот конденсатор новый от разных производителей, в том числе с пометкой Low ESR, тогда оценка будет объективнее.

Таблица Боба Паркера для ESR-метра K7214

Рассчитаем округлённо реактивное сопротивление для популярных номиналов при усреднённой частоте пробников 20 кГц, чтобы иметь представление хотя бы о порядке их идеальных значений.

Ещё раз напомню, никакой пропорции между ESR и этими значениями быть не может. Тем более, с учётом конструктивных особенностей электролитических конденсаторов для разных габаритов и вольтажа.
Повторюсь. Это лишь реактивное сопротивление, которое имеет большее значение при измерении конденсаторов меньшей ёмкости, как реальная погрешность для пробников, основанных на измерении импеданса.
То есть, чистое значение ESR у конденсатора 100 мкф и 1 мкф может быть одинаковым, а прибор покажет разницу в десятки раз, ибо добавит ёмкостное значение, которое будет решающим для показаний прибора на измеряемой частоте у малых ёмкостей.

Реактивное сопротивление конденсаторов, частота 20кГц:
1000 мкф — 0.008 Ом.
470 мкф — 0.017 Ом.
220 мкф — 0.036 Ом.
100 мкф — 0.08 Ом.
47 мкф — 0.17 Ом.
22 мкф — 0.36 Ом.
10 мкф — 0.8 Ом.
4.7 мкф — 1.7 Ом.
2.2 мкф — 3.6 Ом.
1 мкф — 8 Ом.
0.47 мкф — 17 Ом.
Поможет калькулятор расчёта реактивного сопротивления конденсаторов.

Более сложные цифровые приборы способны замерить точные значения во время заряда конденсатора постоянным током, рассчитать его ёмкость и ESR без реактивной составляющей.
Но измерение постоянным током не учитывает диэлектрические потери, которые напрямую зависят от частоты. Кроме того, конденсаторы нужно выпаивать из платы для таких замеров.

Пробниками обычно быстро проверяют конденсаторы на неисправность, не выпаивая их, а это существенный выигрыш в оперативности для мастера — ремонтника. Ему не всегда нужны точные показания сложных приборов, чаще бывает важно своевременно и правильно выявить неисправную деталь в устройстве. К погрешностям на реактивность в практике мастера просто привыкают, когда годами пользуются одним и тем же пробником.

Конденсаторы LowESR – свойства и применение

Конденсатор – электронный компонент, определённым образом пропускающий переменный ток и не пропускающий постоянный ток. Кроме того, конденсатор способен накапливать электрический заряд.

В промышленности применяется множество различных конденсаторов, имеющих разные свойства. Для получения такого разнообразия свойств, используются очень разные технологии изготовления конденсаторов. Одной их таких технологий является технология производства электролитических конденсаторов.

Электролитические конденсаторы упрощённо устроены таким образом. Одной из обкладок является тонкая металлическая фольга. Диэлектриком служит тонкий слой оксида на поверхности фольги. То есть, тот электрод, который образован фольгой, со всех сторон полностью изолирован оксидом. Фольга свёрнута в рулон и погружена в «стакан» с электролитом, который представляет собой вторую обкладку конденсатора. Отсюда и название конденсатора «электролитический». Сама фольга имеет очень «шершавую» поверхность. Такая поверхность называется «развитой» и её площадь намного превышает площадь листа фольги, использованного для изготовления обкладки.

В результате такая конструкция имеет положительные свойства:

• Большая площадь пластин. Чем больше эта площадь, тем больше ёмкость конденсатора.
• Маленькая толщина диэлектрика. Чем толщина диэлектрика меньше, тем ёмкость конденсатора больше.
• Между обкладками и диэлектриком происходит абсолютное прилегание – между ними отсутствуют какие бы то ни было воздушные или иные зазоры. В результате эффективность пластин равна 100%.
• Обычно обкладки алюминиевые. А диэлектрик – оксид алюминия, обладающий очень хорошими диэлектрическими свойствами.
• Достаточно просто получать диэлектрик различной толщины. Поэтому достаточно просто изготовить электролитический конденсатор на любое необходимое максимальное рабочее напряжение.

Поэтому электролитические конденсаторы обладают наибольшей удельной ёмкостью.

Недостатки у них тоже имеются:

• Конденсаторы довольно-таки низкотемпературные. При повышении температуры электролит вскипает и конденсатор разрушается. Это же может произойти и при превышении тока через конденсатор.
• У электролитических конденсаторов очень большая утечка (по сравнению с конденсаторами других типов). То есть, через конденсатор протекает заметный постоянный ток. И соответственно у такого конденсатора довольно большой саморазряд.
• Электролитические конденсаторы имеют большой разброс ёмкости, и их ёмкость сильно зависит от температуры.
• При разрушении конденсатора из него вытекает электролит, который может вызвать замыкание в тех деталях, на которые он попадёт.
• Разрушение конденсатора может сопровождаться небольшим взрывом, что опасно. Современные конденсаторы делают более взрывобезопасными.
• Электролитические конденсаторы полярные, то есть могут работать, только если ним приложено постоянное напряжение в определённом направлении (один из выводов «плюс», другой – «минус»). Это постоянное напряжение смещения должно превышать по своей величине то переменное напряжение, с которым работает конденсатор.
• При протекании через электролитический конденсатор тока, в нём происходят различные ионные процессы, которые обычно ухудшают некоторые его свойства.

Тем не менее, все эти недостатки электролитических конденсаторов теряются перед их главным достоинством – большой ёмкостью.

Технологии электролитических конденсаторов постоянно улучшаются, но даже самые современные электролитические конденсаторы заметно проигрывают по ряду показателей конденсаторам других типов (практически по всем показателям, кроме ёмкости).

Принято считать, что у конденсатора активное (омическое) сопротивление равно нулю, а реактивное (ёмкостное) сопротивление монотонно уменьшается с ростом частоты. Так, что на какой-нибудь очень высокой частоте сопротивление конденсатора становится очень маленьким. Реактивное сопротивление конденсатора в зависимости от частоты тока, протекающего через конденсатор, вычисляется по формуле:

Xc – реактивное сопротивление конденсатора (для переменного тока), Ом;

f – частота тока, Гц;

C – ёмкость конденсатора, Ф.

В реальности это справедливо только на сравнительно низких частотах. На самом деле с ростом частоты сопротивление конденсатора сначала уменьшается пропорционально росту частоты (в соответствии с теорией), а затем снижение сопротивления прекращается. В некотором частотном диапазоне сопротивление конденсатора перестаёт зависеть от частоты. На более высоких частотах сопротивление конденсатора с ростом частоты может даже увеличиваться! Зависимость модуля полного сопротивления (импеданса) от частоты для идеального конденсатора показана на рис. 1 линией 1. Сравните с частотной характеристикой реального электролитического конденсатора той же ёмкости – линия 2 на рис. 1. Линии начинают расходиться уже на частоте 200 Гц! Судя по рисунку, электролитические конденсаторы весьма низкочастотные! А выше частоты 100 кГц сопротивление реального конденсатора действительно растёт.

Рис. 1. Зависимость модуля полного сопротивления (импеданса) конденсатора от частоты. 1 – идеальный конденсатор, 2 – реальный электролитический конденсатор.

Импеданс – это модуль полного сопротивления. Он вычисляется по формуле:

В этой формуле буквы с чёрточками и точками – это комплексные числа, использующиеся для обозначения переменного тока с учётом его фазы. Или, если речь идёт о модулях – значениях без учёта фазы – то величина напряжения делится на величину тока.

Строго говоря, эту величину нельзя называть просто «сопротивлением». Потому что на переменном токе сопротивление образуется из трёх совершенно разных составных частей: «обычного» активного (резистивного, омического) сопротивления, ёмкости и индуктивности. А модуль импеданса – это всё вместе, все виды сопротивлений присутствующие в конденсаторе и действующие одновременно. Но, если не придираться сильно к терминам, то к этой величине применять термин «сопротивление» всё же можно. С некоторой натяжкой (правильное название: модуль полного сопротивления). Возможно, что я его буду иногда применять для упрощения речи.

Такая частотная характеристика конденсатора – следствие его неидеальности. Потому, что реальный конденсатор содержит в себе не только ёмкость, но также активное сопротивление и индуктивность. Для того чтобы учесть влияние неидеальности конденсатора, используют схему замещения, показанную на рис. 2. Это на самом деле упрощённая схема замещения, не учитывающая некоторых других свойств конденсатора, отличающих его от идеального.

Рис.2. Наиболее распространённая упрощённая схема замещения реального конденсатора.

• C – собственно сам конденсатор.
• Rs – эквивалентное последовательное активное (омическое) сопротивление конденсатора – ESR. Активное сопротивление – это сопротивление обычного резистора, одинаковое и для постоянного и для переменного тока. ESR конденсатора – это сопротивление его проводников, обкладок, а также электролита, являющегося одной из обкладок конденсатора. Величина эквивалентного последовательного сопротивления определяет потери энергии в конденсаторе.
• Ls – эквивалентная последовательная индуктивность. Это индуктивность проводников конденсатора и его обкладок. Возможно, что электрохимические процессы, происходящие в электролите, также имеют индуктивный характер.
• Rp – Эквивалентное параллельное сопротивление конденсатора. Оно моделирует неидеальность диэлектрика, который не является идеальным изолятором, поэтому в малых количествах пропускает постоянный ток. Rp моделирует все виды утечек в сумме: как внутри конденсатора, так и по его корпусу. Величина сопротивления Rp очень большая, и не влияет на работу конденсатора при прохождении через него переменного тока звуковых частот и выше. Поэтому нас это сопротивление интересовать не будет.

В теоретической электротехнике и в ряде практических применений активное последовательное сопротивление конденсатора характеризуют не значением ESR, а особой величиной, называемой тангенсом угла потерь конденсатора – tg δ. Мы ею пользоваться не будем, так как для её понимания нужно привлекать математику. Кроме того, зависимость величины тангенса угла потерь конденсатора от частоты более сложная и не такая наглядная.

В результате, мы будем рассматривать сопротивление конденсатора как состоящее из трёх частей: ёмкостного, активного и индуктивного. Их совместное влияние хорошо видно по фазочастотной характеристике. В идеале в конденсаторе фаза тока опережает фазу напряжения на 90 градусов. Поэтому фазочастотная характеристика идеального конденсатора должна представлять собой горизонтальную прямую линию, проходящую через значение -90 градусов – линия 1 на рис. 3. Знак «минус» означает, что в конденсаторе ток опережает, а напряжение отстаёт по фазе.

Рис. 3. Фазочастотная характеристика конденсатора. 1 – идеальный конденсатор, 2 – реальный конденсатор.

Линия 2 на рис. 3 – фазочастотная характеристика реального конденсатора. Как видно, даже на низкой частоте, где ёмкостное сопротивление конденсатора велико, сдвиг фаз меньше 90 градусов. То есть влияние ESR конденсатора на этих частотах уже достаточно большое. На более высоких частотах сдвиг фаз уменьшается – конденсатор «теряет свои ёмкостные свойства». Всё в большей степени проявляется влияние индуктивности. На частоте f0 сдвиг фаз становится равным нулю – индуктивное сопротивление конденсатора скомпенсировало его ёмкостное сопротивление. Произошёл резонанс. На частоте f0 конденсатор с точки зрения его электрических свойств является резистором. На более высоких частотах сдвиг фаз становится положительным – индуктивная составляющая конденсатора «победила» его ёмкостную составляющую, и конденсатор проявляет свойства катушки индуктивности.

То, насколько вредна или опасна работа конденсатора на частотах выше резонансной частоты f0, рассмотрим ниже. А сейчас вернёмся к зависимости сопротивление конденсатора от частоты.

Зависимость сопротивления конденсатора от частоты

Для удобства анализа рассмотрим отдельно частотные зависимости реактивного (ёмкостного и/или индуктивного) и активного (омического) сопротивлений. То есть одна из линий на графике показывает зависимость от частоты фактически соотношения ёмкость-индуктивность. А другая линия показывает зависимость от частоты величины ESR конденсатора. На самом деле эти составляющие существуют одновременно, мы их можем разделить только математически. Но анализировать их раздельно гораздо удобнее.

Для того чтобы получить наибольшую наглядность результатов, будем рассматривать модуль реактивного сопротивления |Xs|. Буквой «X» обозначается реактивное сопротивление, индекс «s» означает, что используется последовательное включение (series) этого эквивалентного сопротивления. Как показано на рис. 2 – конденсатор, соединённый последовательно с катушкой. При вычислении модуля реактивного сопротивления все резисторы игнорируются.

Если рассматривать Xs в чистом виде, то при ёмкостном режиме работы конденсатора это сопротивление отрицательно, а при индуктивном режиме это сопротивление положительно. Режиму резонанса, когда ёмкостное и индуктивное сопротивления равны и взаимно компенсируются, соответствует значение Xs=0.

При последовательном соединении элементов их сопротивления складываются. Но за счёт противоположных знаков (у катушки плюс, у конденсатора минус) на самом деле происходит вычитание сопротивлений. Ёмкостное и индуктивное сопротивления как раз и компенсируются потому, что имеют противоположные знаки.

Знак реактивного сопротивления – математическая абстракция, вызванная использованием комплексных чисел для описания колебательных процессов. Тем не менее, такой подход правильно передаёт физическую суть процессов и является очень удобным для теоретических построений.

При использовании модуля реактивного сопротивления |Xs| значение сопротивления всегда положительно. Его удобнее строить на графиках. А ещё такой график имеет хорошо знакомую нам форму резонансной кривой. На нём очень хорошо заметен резонанс. И очень наглядно видно, где ёмкостный режим работы конденсатора, а где уже индуктивный.

Пример зависимости модуля реактивного сопротивления |Xs| электролитического конденсатора от частоты показан на рис. 4. На частоте f0 происходит резонанс, на более низких частотах конденсатор имеет ёмкостный характер сопротивления, а на частотах выше f0 конденсатор электрически уже является индуктивностью.

Рис. 4. Зависимость модуля реактивного сопротивления |Xs| конденсатора от частоты.

При резонансе реактивное сопротивление идеальной цепи (не учитывающей активное сопротивление) становится равным нулю. Но на рис. 4 минимальное сопротивление равно 0,00055 ом. Это происходит потому, что графики строились по конечному количеству измеренных значений (для этих графиков обычно 200 точек), и «глубина» резонансного пика зависит от того, насколько близко к резонансу находится точка, в которой производилось измерение. А также от погрешности измерительной системы. Так что «глубина» резонанса (минимальное значение сопротивления) на графиках не имеет большого значения.

График становится гораздо более информативным, если указать величину ESR прямо на нём. Активное сопротивление конденсатора не является постоянной величиной, а зависит от частоты тока, протекающего через конденсатор. Скорее всего, это связано с тем, что в электролитическом конденсаторе одной из обкладок является электролит, в котором протекают сложные электрохимические процессы. На рис. 5 показаны частотные характеристики как модуля реактивного сопротивления |Xs|, так и величины Rs = ESR для реального конденсатора.

Рис.5. Зависимость модуля реактивного сопротивления |Xs| и Rs = ESR реального электролитического конденсатора от частоты.

На рис. 5 кроме зависимости от частоты активного и реактивного сопротивлений ещё показана точка А и соответствующая ей максимальная эффективная частота fmax (это название условное). На частоте fmax реактивное сопротивление конденсатора Xs (его модуль) становится равным активному сопротивлению ESR. С точки зрения электротехники, это частота среза фильтра, образованного ёмкостью и собственным сопротивлением конденсатора. Выше частоты fmax конденсатор теряет ёмкостные свойства и превращается в резистор. Причём индуктивность конденсатора в этом случае непричём.

Если не учитывать влияние индуктивности, то при повышении частоты выше fmax полное сопротивление (импеданс) конденсатора практически не уменьшается. Импеданс снизится максимум в 1,4 раза. В результате, можно считать, что выше частоты fmax свойства конденсатора перестают изменяться. И конденсатор превращается в резистор с сопротивлением, равным ESR. Выше частоты fmax свойства конденсатора практически не улучшаются.

Поэтому частоту fmax на которой модуль реактивного сопротивления |Xs| = ESR можно считать верхней эффективной частотой конденсатора. На более высоких частотах конденсатор не работает эффективнее. Он работает точно также, а на очень высокой частоте даже хуже.

Обратите внимание, частота fmax всегда ниже частоты резонанса f0. Они равны только для идеального конденсатора, у которого ESR = 0. Вывод: индуктивность конденсатора ограничивает его частотные свойства.

Но в ещё большей степени частотные свойства конденсатора ограничивает его ESR.

Как работает конденсатор в таких условиях описано ниже.

На рис. 6 показана зависимость от частоты как полного сопротивления конденсатора (его импеданса |Z|), так и его составных частей: модуля реактивного сопротивления |Xs| и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) Rs.

Рис. 6. Частотные зависимости импеданса |Z| и его составляющих: модуля реактивного сопротивления |Xs| и эквивалентного последовательного сопротивления Rs для реального электролитического конденсатора.

Как видно из рис 6, все три линии графика взаимосвязаны. Импеданс вычисляется по формуле:

Поэтому, когда одна из составляющих сопротивления конденсатора (Rs или Xs) заметно больше другой, импеданс численно равен наибольшей из этих составляющих. На частоте fmax, где Rs = Xs, импеданс больше каждой из них в корень из двух раз.

Импеданс показывает полное (общее) сопротивление конденсатора, то, которое определяет величину тока через конденсатор.

Так что на низких частотах, где преобладает ёмкостное сопротивление, и на высоких частотах, где преобладает индуктивное сопротивление, импеданс равен значению Xs. На «средних» частотах – в области резонанса, импеданс равен значению Rs. Чем меньше эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора, тем на более высоких частотах он способен работать.

Обратите внимание, что импеданс конденсатора, характеристики которого приведены на рис. 6, не опускается ниже значения 0,1 Ом. То есть, сопротивление этого конденсатора переменному току всегда больше чем 0,1 Ом. На всех частотах! И это надо учитывать во всех расчётах цепей, в которых используется этот конденсатор.

Кроме того, величина ESR определяет некоторые другие свойства цепи, содержащей конденсатор. Например, конденсатор имеет некоторое минимальное сопротивление. Поэтому делитель напряжения, содержащий конденсатор, будет ослаблять сигнал не до бесконечности, а в некоторое (не такое уж и большое) число раз, определяемое величиной ESR. Кроме того, нагрев конденсатора протекающим током также определяется величиной ESR – чем оно больше, тем сильнее нагревается конденсатор.

Поэтому промышленностью выпускаются конденсаторы с пониженной величиной ESR. Они называются LowESR, или Low impedance.

Конденсаторы LowESR

LowESR и Low impedance – это коммерческие названия. Вполне возможно, что технология их изготовления и различается. Но для пользователя LowESR и Low impedance – одно и то же.

На рис. 7 показаны частотные характеристики импеданса различных электролитических конденсаторов как «обычных» (стандартных – std), так и низкоимпедансных – LowESR.

Рис. 7. Частотные характеристики импеданса электролитических конденсаторов ёмкостью 100 мкФ (1), 220 мкФ (2) и 470 мкФ (3) стандартных – std, и низкоимпедансных – LowESR.

Как видно из рис. 7, импеданс конденсаторов LowESR с ростом частоты продолжает уменьшаться, тогда как для стандартных конденсаторов снижение импеданса уже прекратилось. И само минимальное значение импеданса у конденсаторов типа LowESR значительно меньше, чем у «стандартных».

Рассмотрим составляющие импеданса конденсатора по отдельности, рис. 8…10.

Рис. 8. Зависимость от частоты |Xs| и Rs стандартного и низкоимпедасного электролитического конденсатора одинаковой ёмкости.

Из рис. 8 хорошо видно, что действительно, значения ESR конденсаторов заметно различаются. Вместе с ними различаются и значения максимальной эффективной частоты. Для «стандартного» конденсатора она составляет 4,2 кГц, для низкоимпедасного – 12 кГц. Разница практически в три раза! Аналогично и у остальных конденсаторов.

Рис. 9. Зависимость от частоты |Xs| и Rs стандартного и низкоимпедасного электролитического конденсатора одинаковой ёмкости.

Рис. 10. Зависимость от частоты |Xs| и Rs стандартного и низкоимпедасного электролитического конденсатора одинаковой ёмкости.

Интересно, что резонансная частота f0 у конденсаторов LowESR ниже, чем у «стандартных». Возможно, что существует правило «чем меньше ESR, тем больше индуктивность конденсатора». Но резонансная частота не важна. На этой частоте активное сопротивление конденсатора (ESR) уже намного больше реактивного, и на работу конденсатора его реактивное сопротивление не влияет. Мы же помним, что главное – это значение частоты fmax.

Конденсаторы LowESR кроме пониженного сопротивления также имеют однозначно лучшие реальные частотные свойства. Их максимальная эффективная частота fmax существенно выше, чем у «стандартных».

Особенности применения конденсаторов

На самом деле большинство нужных для нас свойств конденсатора сохраняется на всех частотах, вплоть до самых высоких:

1. На всех частотах конденсатор сохраняет способность отделять переменный ток от постоянного.
2. На всех частотах конденсатор сохраняет способность накапливать заряд. Имеется в виду, что одновременно с переменным напряжением, на конденсатор поступает и постоянное напряжение.

Индуктивность электролитического конденсатора практически никогда не является помехой для его применения. Индуктивность важна, если мы применяем конденсатор в колебательном контуре. Тогда смена свойств с ёмкости на индуктивность нарушит его работу. Но электролитические конденсаторы в колебательных контурах не применяют, так что такая проблема не возникает. Поэтому то, на какой частоте у конденсатора происходит резонанс, то есть само значение частоты f0 не важно.

В тех применениях электролитических конденсаторов, с которыми мы сталкиваемся, конденсатор может работать на частотах выше f0 достаточно эффективно.

Хотя работу электролитических конденсаторов в кроссоверах аудио колонок может быть стоит рассмотреть подробнее.

Другой вариант влияния индуктивности конденсатора: индуктивность ограничивает скорость заряда и разряда конденсатора. А вот это является важным для построения источников питания:

— В импульсных источниках питания накопительные конденсаторы с высокой индуктивностью не успевают заряжаться и разряжаться, поэтому не обеспечивают требуемую фильтрацию напряжения. По этой причине в импульсных блоках питания используют конденсаторы небольшой ёмкости, включённые параллельно. У таких конденсаторов меньше индуктивность и они более быстродействующие. Имеется в виду работа с токами высокой частоты – 50…200 кГц с крутыми фронтами, когда скорость заряда или разряда конденсатора должна быть действительно высокой.

— При питании звуковых усилителей мощности. Звуковой сигнал имеет импульсный характер, поэтому выходной ток усилителя может резко возрасти за короткий промежуток времени. Вспомните, что одним из параметров усилителя является скорость нарастания выходного напряжения, равная 8…20 вольт в микросекунду. То есть, ток нагрузки в принципе может возрастать со скоростью несколько ампер в микросекунду, и блок питания должен обеспечить возможность протекания такого тока. Если источник питания конструктивно выполнен отдельно от усилителя, то индуктивность проводов, идущих к блоку питания, не позволит получить такую скорость возрастания тока. Поэтому в высококачественных усилителях на плате усилителя недалеко от выходных транзисторов (чтобы снизить индуктивность монтажа) в цепь питания устанавливают накопительные конденсаторы. И именно эти конденсаторы должны обеспечить резкий скачок выходного тока усилителя. То есть, должны быстро отдать большой ток. Если конденсатор имеет большую индуктивность, то скорость роста отдаваемого им тока ограничена, и усилитель не сможет обеспечить в нагрузке требуемый ток. Современные конденсаторы в этой позиции работают более-менее хорошо.

Во всех вышеперечисленных случаях совместно с индуктивностью действует ESR конденсатора, ограничивая скорость его работы и величину отдаваемого тока. Какой из этих параметров влияет сильнее? Величина ESR является более важной.

На самом деле электролитические конденсаторы, применяемые в цепях питания усилителей, имеют слишком большую индуктивность. В результате эта индуктивность в цепи питания может привести к самовозбуждению усилителя – возникновению паразитной генерации (осцилляций). Поэтому электролитические конденсаторы шунтируют (подключают параллельно им) плёночными конденсаторами. Гораздо реже керамическими. Плёночные конденсаторы более быстродействующие, чем электролитические и позволяют на высоких частотах поддерживать ёмкостный характер шины питания. Если конечно эти плёночные конденсаторы имеют достаточную ёмкость и соответствующее качество. Здесь имеется в виду не «звучание конденсаторов», а их измеряемые электрические параметры.

Параллельное соединение плёночного и электролитического конденсатора – наилучший вариант для размещения на плате усилителя. Плёночный конденсатор обеспечит ёмкостный характер шины питания на высоких частотах («подавит» индуктивность электролитического конденсатора), а электролитический конденсатор большой ёмкости обеспечит требуемую длительность разряда большим током. Это примерно как установка в колонках мидвуфера и твиттера позволяет им совместно обеспечить качественную работу в широком диапазоне частот.

Активное сопротивление ESR влияет на работу конденсатора в электронных устройствах по-разному. Главным образом важен тот факт, что полное сопротивление (импеданс) конденсатора не может быть как угодно малым. Более того,

минимально возможное сопротивление конденсатора может оказалься даже слишком большим по сравнению с нашими ожиданиями!

Конденсаторы для фильтрации шумов в мини-коптерах

Конденсаторы помогут сделать видеосигнал более чистым, а коптер будет летать лучше. В этом руководстве мы расскажем о разных типах low-ESR конденсаторов, объясним, почему low-ESR — это важно; и покажем куда конденсаторы нужно ставить.

Где купить конденсаторы?

Вот несколько надежных продавцов Low-ESR конденсаторов:

Припаиваемые на разъем XT60:

• 1000 мкФ 35 В (4S, 5S) – Amazon | GetFPV
• 1000 мкФ 50 В (6S) – Amazon
• 640 мкФ 35 В – GetFPV

Припаиваемые к регуляторам скорости:

• 470 мкФ 35 В – Amazon | GetFPV
• 330 мкФ 35 В – Amazon
• 330 мкФ 50 В (6S) – Amazon

Что за «шум» и что его вызывает?

Шум (или помехи) появляется от скачков напряжения, тока и частоты в разных электронных цепях, даже плавно вращающиеся моторы могут вызвать такие скачки.

Если подумать об том, в каких режимах работают моторы в коптерах, то станет ясно, что электрическое окружение, в котором находится электроника коптера, можно описать как «враждебное». Чтобы ваш полетный контроллер, видеопередатчик, камера и другая периферия работали стабильно, им нужно стабильное окружение, а они работают по сути среди врагов.

С развитием технологий, моторы и регуляторы становятся всё более и более мощными, поэтому проблема с электрическими шумами/помехами только обостряется.

Проблема с помехами очень серьезная, если помех нет, то мы можем получить отличный коптер для FPV полетов; а с ними — что-то ужасное, на чем летать невозможно.

Почему именно Low-ESR конденсаторы так важны для мини-коптеров?

Добавление конденсатора может помочь очистить питание от шумов, что даст вам вот такие преимущества:

• уменьшатся помехи на видео с курсовой камеры
• уменьшение электрических помех, которые могут повредить мотор, регулятор и радиосигнал
• улучшение летных характеристик, при помощи «очистки» питания гироскопов
• можно даже спасти электронику от повреждения скачками напряжения, вызванными работой активного торможения (Damped Light)

Мы предпочитаем Low-ESR конденсаторы. ESR означает «Equivalent Series Resistance» (эквивалентное последовательное сопротивление). Конденсаторы с более низким ESR лучше фильтруют электрический шум (это показано в видео, англ).

LC-фильтры тоже часто используются в FPV оборудовании для борьбы с помехами, но они защищают системы после того, как помеха уже появилась. Добавление конденсатора около источника питания/помехи наоборот защищает всю систему от шумов.

Вот пример, показывающий на сколько улучшается видео с камеры после установки конденсатора около разъема XT60.

Нужен ли конденсатор в моем коптере?

Конденсаторы устанавливать необязательно, но все же рекомендуется.

Если вы заметили вибрации (колебания коптера, сложность настройки PID) или есть шум на видео, то первое что бы я сделал — поставил бы конденсатор.

Вот так можно определить, что коптер слишком шумный и нужно ставить конденсатор:

• Слушаем моторы и смотрим, есть ли колебания, которые вы не можете убрать при помощи настройки PID коэффициентов
• Моторы будут горячими
• Шумный видеосигнал с курсовой камеры — симптом наличия помех в линии питания
• В редких случаях можно заметить рассинхрон работы регулей/моторов и «ролл смерти» — неожиданный ролл, из-за которого вы врезаетесь в землю. Помеха ведь может повлиять и на управляющий сигнал регуляторов.

Даже если этих симптомов нет, то все равно конденсатор лучше поставить. Лучше перебдеть, так ведь? �� Гнутые и покоцаные пропеллеры также добавят шуму вашему коптеру.

Куда ставить конденсаторы в миникоптерах?

В первую очередь, запомните, что нужные нам конденсаторы имеют полярность. Если вы перепутаете полярность, то конденсатор как минимум не заработает, как максимум — взорвется, так что будьте осторожны! На картинке ниже более короткая нога — это «минус», на корпусе конденсатора она обозначена соответствующим знаком.

Чтобы эффект от конденсатора был максимальным, нужно подключить его к одному из трех «правильных» мест в коптере. Учтите, что ставить нужно только в одном месте!

1. На PDB, там, где припаивает провод питания.

2. Там, где провода питания регуляторов припаиваются к PDB

3. Или там, где питание подается на каждый из регуляторов (ИМХО это лучший вариант).

Чем ближе конденсатор к источнику помех, тем эффективнее он работает. Идеальное место — контакты на регуляторах, куда подается питание (вариант 3). Однако в этом случае нужно ставить 4 конденсатора, по одному на регуль; зато можно поставить небольшие конденсаторы, примерно на 330 мкФ.

Если конденсаторы у регуляторов занимают слишком много места, тогда припаяйте 1 или 2 более емких на PDB (1000 мкФ или 2 по 470 мкФ). Возможно это менее эффективное решение, т.к. мы удаляем конденсаторы от источника помех, но я уже неоднократно так делал, и это рабочий способ.

Чтобы уменьшить сопротивление, ножки конденсатора должны быть как можно короче, тоненькие проводки плохо подходят для больших токов.

Если места для конденсатора рядом с платой недостаточно, то ножки можно удлинить толстым проводом, например, 20AWG, такой провод не сильно повлияет на сопротивление.

Добавляем небольшой конденсатор к гироскопам

Если добавление конденсаторов около разъема XT60 не помогло избавиться от колебаний коптера, тогда есть смысл подумать о небольшом конденсаторе на шину питания гироскопов. Так мы можем уменьшить помехи, попадающий на гироскопы через стабилизатор.

Это решение подойдет только опытным пользователям. Найти место куда следует припаять конденсатор очень сложная задача, кроме того, нужно уметь хорошо паять.

Добавляем конденсатор на шину 3.3 вольта

Гироскопы в полетных контроллерах питаются от линейного регулятора напряжения (LDO) на 3.3 вольта, так что конденсатор можно припаять на ножку питания микросхемы гироскопов или на выход питания с LDO. Другую ножку припаиваем к земле.

Чтобы получить наилучший результат — конденсатор должен располагаться как можно ближе к гироскопам.

Только очень немногие ПК имеют одну шину питания для гироскопов и приемников, но именно в них можно поставить конденсатор на контактную площадку для разъема. На мой взгляд это не очень хорошо — использовать один стабилизатор для питания и гироскопов и периферии, но зато добавить конденсатор очень просто.

Добавляем конденсатор на шину питания 5 вольт

LDO на 3.3 вольта для гироскопов получает питание с линии 5 вольт, так что некоторые пользователи ставят конденсатор по питанию 5 вольт, что тоже помогает снизить влияние шума на гироскопы. Это не всегда работает, но попробовать стоит.

Тут подойдут танталовые конденсаторы на 6 вольт 220 — 400 мкФ.

А точно нужно добавлять конденсаторы на шину питания гироскопов?

Если проблем с колебаниями коптера нет, то и не надо думать про конденсаторы. Если колебания есть, то вначале попробуйте более простые способы снизить шум.

В любом случае, я бы хотел, чтобы производители полетных контроллеров подумали над улучшением фильтрации линии питания гироскопов. Хорошо, что во многих современных ПК конденсаторы около гироскопов уже есть. Так что в будущем может и не придется что-либо допаивать.

Выбор конденсатора с низким ESR

В начале статьи я дал несколько ссылок на нормальные конденсаторы.

Ниже отличный список конденсаторов с низким ESR взятый из гугла, в таблице также указан размер и вес, так что вы легко сможете подобрать подходящий.

Конденсаторы, рассчитанные на 25 вольт подойдут для коптеров с 4S LiPo, хотя есть смысл выбрать конденсаторы на 35 вольт, чтобы был запас, т.к. скачки напряжения могут быть больше 25 вольт. Для коптеров с 5S и 6S LiPo напряжение должно быть ещё выше.

Дайте мне знать, где вы купили конденсаторы, и я добавлю их в эту статью.