Medzi najpoužívanejšie elektronické komponenty v akomkoľvek elektronickom zapojení patria rezistory (R), kondenzátory (C) a indukčnosti (L). Väčšina z nás je oboznámená so základmi fungovania týchto troch pasívnych komponentov a s tým, ako ich používať. Teoreticky (za ideálnych podmienok) môžeme kondenzátor považovať za čistý kondenzátor s iba kapacitnými vlastnosťami, ale v praxi bude mať kondenzátor s ním spojené aj niektoré odporové a indukčné vlastnosti, ktoré nazývame parazitický odpor alebo parazitná indukčnosť. Áno, rovnako ako parazit tieto nežiaduce vlastnosti odporu a indukčnosti sedia vo vnútri kondenzátora, ktorý mu bráni správať sa ako čistý kondenzátor.

Preto pri samotnom obvodovom navrhovaní sa berie do úvahy primárne ideálna forma komponentu, v tomto prípade kapacita a spolu s ňou aj jej parazitné súčasti (indukčnosť a odpor). Táto parazitná rezistencia sa nazýva ekvivalentný sériový odpor (ESR) a parazitná indukčnosť sa nazýva ekvivalentná sériová indukčnosť (ESL). Hodnota tejto indukčnosti a odporu bude veľmi malá, takže ju možno v jednoduchých zapojeniach zanedbať. Ale v niektorých aplikáciách s vysokým výkonom alebo vysokou frekvenciou môže byť táto hodnota veľmi zásadná a ak sa nebude brať do úvahy, môže to znížiť účinnosť komponentu alebo dosiahnuť neočakávané výsledky.

V tomto článku sa dozvieme viac o týchto ESR a ESL, a o tom, ako ich merať a ako môžu ovplyvňovať samotný obvod. Podobne ako v tomto prípade bude mať indukcia aj niektoré parazitné vlastnosti s ňou spojené, ktoré sa nazývajú DCR, ale o tých si povieme niekedy inokedy a v inom článku.

ESR v kondenzátoroch

Ideálny kondenzátor v sérii s odporom sa nazýva Ekvivalentný sériový odpor kondenzátora. Ekvivalentný sériový odpor alebo ESR v kondenzátore je vnútorný odpor, ktorý sa objavuje v sérii s kapacitou zariadenia.

Pozrime sa na nasledujúce symboly, ktoré predstavujú ESR kondenzátora. Symbol kondenzátora predstavuje ideálny kondenzátor a odpor ako ekvivalentný sériový odpor. Rezistor je zapojený do série s kondenzátorom.

Ideálny kondenzátor je bezstratový, čo znamená, že kondenzátor ukladá náboj a dodáva rovnaké množstvo náboja na svoj výstup. Ale v skutočnom svete majú kondenzátory malú hodnotu konečného vnútorného odporu. Tento odpor pochádza z dielektrického materiálu, úniku v izolátore alebo v separátore. Okrem toho bude mať ekvivalentný sériový odpor alebo ESR rôzne hodnoty v rôznych typoch kondenzátorov na základe jeho kapacitnej hodnoty a konštrukcie. Preto musíme prakticky zmerať hodnotu tohto ESR, aby sme mohli analyzovať  úplné vlastnosti kondenzátora.

Meranie ESR v kondenzátoroch

Meranie ESR kondenzátora je trochu zložité, pretože tento odpor nie je čistý jednosmerný odpor. Preto nie je možné na meranie ESR použiť štandardný ohmmeter. Na trhu sú k dispozícii špecifické merače ESR, ktoré môžu byť užitočné na meranie ESR kondenzátora. Tieto merače používajú na meranie striedavý prúd, pomocou obdĺžnikový signál so špecifickou frekvenciou, ktorým sa nabíja meraný kondenzátor. Na základe zmeny frekvencie signálu je potom možné vypočítať hodnotu ESR kondenzátora. Výhodou tejto metódy je, že keďže ESR sa meria priamo na dvoch svorkách kondenzátora, je možné ho merať bez toho, aby sa musel meraný kondenzátor vyspájkovať z dosky plošných spojov.

Ešte ohľadom rôznych meračov ESR. Na trhu ich je nepreberné množstvo za veľmi lákavé ceny a dokonca aj s priloženou tabuľkou kapacita /ESR. Na to si však dajte pozor, pretože výrobca takéhoto merača nikde neuvádza meraciu frekvenciu signálu, ktorá sa používa premeranie kondenzátora, takže v konečnom dôsledku síce získate nejaký údaj, ale bez znalosti meranej frekvencie je vám tabuľka a aj nameraná hodnota prakticky k ničomu, nakoľko sa v žiadnom prípade nnejedná o relevantný údaj.

Ďalším teoretickým spôsobom, ako vypočítať ESR kondenzátora, je zmerať zvlnenie napätia a zvlnenie prúdu kondenzátora a potom vám pomer oboch hodnôt poskytne hodnotu ESR v kondenzátore. Najbežnejším spôsobom merania ESR je použitie zdroja striedavého prúdu pôsobiaceho na kondenzátor s ďalším odporom. Zjednodušený obvod pre meranie ESR je uvedený nižšie.

Us je sínusový zdroj a R1 je vnútorný odpor. Kondenzátor C je ideálny kondenzátor, zatiaľ čo R2 je ekvivalentný sériový odpor ideálneho kondenzátora C. Je potrebné pamätať na to, že v tomto modeli merania ESR je indukčnosť kondenzátora ignorovaná a nepovažuje sa za súčasť obvod.

Prenosová funkcia tohto obvodu môže byť znázornená v nasledujúcom vzorci :

Vo vyššie uvedenej rovnici sa odráža funkcia horného priechodu obvodu pričom aproximáciu prenosovej funkcie možno ďalej hodnotiť ako :

H(s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1

Vyššie uvedená aproximácia je vhodná pre vysokofrekvenčné operácie. V tomto okamihu začne obvod zoslabovať a bude pôsobiť ako zoslabovač.

Faktor útlmu možno vyjadriť ako :

⍺ = R2 / (R2 + R1)

Tento zoslabovací faktor a vnútorný odpor generátora sínusových vĺn R1 sa môžu použiť na meranie kondenzátorov ESR.

R2 = ⍺ x R1

Preto môže byť generátor signálu užitočný pre výpočet ESR kondenzátorov.

Normálne sa hodnota ESR pohybuje od niekoľkých miliohmov do niekoľkých ohmov. Hliníkové elektrolytické a tantalové kondenzátory majú vysoké ESR v porovnaní s krabicovými alebo keramickými kondenzátormi. Moderný pokrok v technológii výroby kondenzátorov však umožňuje vyrábať kondenzátory s veľmi nízkym ESR.

Ako ESR ovplyvňuje výkon kondenzátora

Hodnota ESR kondenzátora je rozhodujúcim faktorom pre výstup kondenzátora. Vysoký kondenzátor ESR odvádza teplo pri vysokonapäťových aplikáciách a životnosť kondenzátora sa nakoniec zníži, čo tiež prispieva k poruche elektronických obvodov. V napájacích zdrojoch, kde je problémom vysoký prúd, sú na účely filtrácie potrebné kondenzátory s nízkym ESR.

Pre vysokorýchlostný obvod je nevyhnutná nielen prevádzka napájania, ale aj nízka hodnota ESR. Pri veľmi vysokých pracovných frekvenciách, typicky v rozmedzí od stoviek MHz do niekoľkých GHz, hrá ESR kondenzátora zásadnú úlohu vo faktoroch dodávania energie.

ESL v kondenzátore

Rovnako ako ESR, aj ESL je rozhodujúcim faktorom pre kondenzátory. Ako už bolo uvedené, kondenzátory v reálnej situácii nie sú vôbec ideálne. Existuje rozptylný odpor aj rozptylová indukčnosť. Typický model kondenzátora ESL je uvedený nižšie. Kondenzátor C je ideálny kondenzátor a induktor L je sériová indukčnosť zapojená do série s ideálnym kondenzátorom.

Normálne je ESL veľmi spoľahlivý na prúdovej slučke; zvýšenie prúdovej slučky tiež zvyšuje ESL v kondenzátoroch. Vzdialenosť medzi zakončením elektródy a bodom spojenia obvodu (vrátane padov alebo stôp) ovplyvňuje aj ESL v kondenzátoroch, pretože zväčšená ukončovacia vzdialenosť tiež zvyšuje prúdovú slučku, čo vedie k vysokej ekvivalentnej sériovej indukčnosti.

Meranie ESL kondenzátora

Meranie ESL je možné ľahko vykonať sledovaním grafu impedancie voči frekvencii, ktorý je uvedený v údajovom liste výrobcu kondenzátora. Impedancia kondenzátora sa mení pri zmene frekvencie na kondenzátore. V situácii, keď sú na špecifickej frekvencii kapacitná reaktancia a indukčná reaktancia rovnaké, nazýva sa tento bod ako "bod ohybu".

V tomto okamihu kondenzátor sám rezonuje. ESR kondenzátora prispieva k vyrovnaniu grafu impedancie, kým kondenzátor nedosiahne bod "ohybu" alebo samotnú rezonančnú frekvenciu. Po bode ohybu sa impedancia kondenzátora začne zvyšovať v dôsledku ESL kondenzátora.

Vyššie uvedený obrázok je grafom impedancie a frekvencie MLCC (viacvrstvový keramický kondenzátor). Zobrazené sú tri kondenzátory, 100nF, 1nF triedy X7R a 1nF kondenzátorov triedy NP0. "Ohyby" možno ľahko identifikovať v dolnom bode grafu v tvare V.

Akonáhle je identifikovaná frekvencia bodu ohybu, môže sa ESL merať pomocou nižšie uvedeného vzorca :

Frekvencia = 1 / (2π√(ESL x C))

Ako ESL ovplyvňuje výstup kondenzátora

Výstup kondenzátorov sa zhoršuje zvýšeným ESL, rovnako ako ESR. Zvýšená hodnota ESL prispieva k nežiaducemu toku prúdu a generuje EMI, čo ďalej spôsobuje poruchy vo vysokofrekvenčných aplikáciách. V systéme spojenom s napájaním prispieva parazitická indukčnosť k vysokému zvlňovaniu napätia. Zvlnenie napätia je úmerné hodnote ESL kondenzátorov. Vysoká hodnota ESL kondenzátora môže tiež vyvolať rezonanciu frekvencie, čo spôsobí, že sa obvod bude správať neredvídateľne.

Praktický význam ESR a ESL

Nasledujúci obrázok poskytuje skutočný model ESR a ESL v kondenzátore.

Tu je kondenzátor C ideálnym kondenzátorom, odpor R je ekvivalentný sériový odpor a induktor L je ekvivalentná sériová indukčnosť. Kombináciou týchto troch sa vytvorí skutočný kondenzátor.

ESR a ESL nie sú príjemné vlastnosti kondenzátora, pretože spôsobujú rôzne znižovania výkonu elektronických obvodov, najmä pri vysokofrekvenčných a silnoprúdových aplikáciách. Vysoká hodnota ESR prispieva k zlému výkonu v dôsledku energetických strát spôsobených ESR a prejavuje sa často stratou výkonu, ktorý  je možné vypočítať pomocou vzorca pre výpočet výkonu I²R, kde R je hodnota ESR. Rovnako sa vyskytujúci šum a vysoký pokles napätia sú prítomné aj kvôli vysokej hodnote ESR odvodeného z Ohmovho zákona. Moderné výrobné technológie kondenzátorov sa snažia neustále znižovať hodnoty ESR a ESL v kondenzátoroch. Obrovské zlepšenie je možné vidieť v dnešných SMD verziách viacvrstvových kondenzátorov.

Kondenzátory s nižšou hodnotou ESR a ESL sa uprednostňujú ako výstupné filtre v spínacích napájacích obvodoch alebo v prevedeniach SMPS, pretože spínacia frekvencia je v týchto prípadoch vysoká, zvyčajne sa blíži k niekoľkým MHz v rozmedzí od stoviek kHz. Z tohto dôvodu musia byť vstupné kondenzátory a kondenzátory výstupných filtrov na nízkej hodnote ESR, aby nízkofrekvenčné zvlnenie nemalo žiadny vplyv na celkový výkon napájacieho zdroja. ESL hodnota kondenzátorov musí byť tiež na nízkej úrovni, aby impedancia kondenzátora nereagovala s frekvenciou spínania napájania.

V prípade napájacieho zdroja s nízkym šumom, kde je potrebné účinne potlačiť šum a počet výstupných filtrov by mal byť pomerne nízky, sú veľmi kvalitné vysokonapäťové kondenzátory ESR a ESL s nízkym šumom nutnosťou pre hladký výstup a stabilný prísun energie do záťaže. Pri takomto použití sú polymérové ​​elektrolyty vhodnou voľbou a bežne sa uprednostňujú pred hliníkovými elektrolytickými kondenzátormi.