कैपेसिटर में esr और esl को समझना

किसी भी इलेक्ट्रॉनिक डिजाइन में सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रॉनिक्स घटक रेसिस्टर्स (आर), कैपेसिटर (सी), और इंडक्टर्स (एल) हैं। हम में से अधिकांश इन तीन निष्क्रिय घटकों की मूल बातों से परिचित हैं और उनका उपयोग कैसे करें। सैद्धांतिक रूप से (आदर्श परिस्थितियों में) एक संधारित्र को केवल कैपेसिटिव गुणों के साथ एक शुद्ध संधारित्र माना जा सकता है, लेकिन व्यवहार में एक संधारित्र में कुछ प्रतिरोधक और प्रेरक गुण भी शामिल होंगे, जिन्हें हम परजीवी प्रतिरोध या परजीवी इंडक्शन कहते हैं। हां, एक परजीवी की तरह यह अवांछित प्रतिरोध और प्रेरण गुण एक संधारित्र के अंदर बैठता है जो इसे शुद्ध संधारित्र की तरह व्यवहार करने से रोकता है।

इसलिए सर्किट इंजीनियरों को डिजाइन करते समय मुख्य रूप से घटक के आदर्श रूप पर विचार किया जाता है, इस मामले में समाई और फिर इसके साथ परजीवी घटकों (प्रेरण और प्रतिरोध) को भी इसके साथ श्रृंखला में माना जाता है। इस परजीवी प्रतिरोध को समतुल्य श्रृंखला प्रतिरोध (ESR) के रूप में कहा जाता है और परजीवी प्रेरण को समतुल्य श्रृंखला Inductance (ESL) के रूप में कहा जाता है इस प्रेरण और प्रतिरोध का मूल्य बहुत छोटा होगा, कि इसे सरल डिजाइनों में उपेक्षित किया जा सकता है। लेकिन कुछ उच्च शक्ति या उच्च आवृत्ति अनुप्रयोग में ये मूल्य बहुत महत्वपूर्ण हो सकते हैं और यदि नहीं माना जाता है तो घटक दक्षता या आउटपुट अप्रत्याशित परिणामों को कम कर सकते हैं।

इस लेख में हम इस ईएसआर और ईएसएल के बारे में अधिक जानेंगे , उन्हें कैसे मापें और वे एक सर्किट को कैसे प्रभावित कर सकते हैं । इसके समान एक Inductor में DCR नामक कुछ परजीवी गुण भी होंगे जिन्हें हम किसी अन्य लेख में कुछ अन्य समय में चर्चा करेंगे।

कैपेसिटर में ईएसआर

प्रतिरोध के साथ श्रृंखला में एक आदर्श संधारित्र को संधारित्र के समतुल्य श्रृंखला प्रतिरोध कहा जाता है । एक संधारित्र में समतुल्य श्रृंखला प्रतिरोध या ESR आंतरिक प्रतिरोध है जो श्रृंखला में डिवाइस के समाई के साथ दिखाई देता है।

आइए नीचे दिए गए प्रतीकों को देखें , जो संधारित्र के ईएसआर का प्रतिनिधित्व कर रहे हैं । कैपेसिटर प्रतीक एक आदर्श श्रृंखला प्रतिरोध के रूप में आदर्श संधारित्र और रोकनेवाला का प्रतिनिधित्व कर रहा है। रोकनेवाला संधारित्र के साथ श्रृंखला में जुड़ा हुआ है।

एक आदर्श संधारित्र दोषरहित है, जिसका अर्थ है कि संधारित्र स्टोर चार्ज और आउटपुट के रूप में समान मात्रा में चार्ज करता है। लेकिन वास्तविक दुनिया में, कैपेसिटर में परिमित आंतरिक प्रतिरोध का एक छोटा मूल्य होता है । यह प्रतिरोध ढांकता हुआ सामग्री, एक इन्सुलेटर में रिसाव या विभाजक से आता है। इसे जोड़ने पर, समतुल्य श्रृंखला प्रतिरोध या ESR के समाई मान और निर्माण के आधार पर विभिन्न प्रकार के कैपेसिटर में अलग-अलग मान होंगे। इसलिए हमें संधारित्र की संपूर्ण विशेषताओं का विश्लेषण करने के लिए व्यावहारिक रूप से इस ईएसआर के मूल्य को मापना होगा।

कैपेसिटर में ईएसआर को मापना

संधारित्र के ईएसआर को मापना थोड़ा मुश्किल है क्योंकि प्रतिरोध एक शुद्ध डीसी प्रतिरोध नहीं है। यह कैपेसिटर की संपत्ति के कारण है। कैपेसिटर डीसी को ब्लॉक करते हैं और एसी पास करते हैं। इसलिए, ESR को मापने के लिए मानक ओम मीटर का उपयोग नहीं किया जा सकता है। विशिष्ट ईएसआर मीटर हैं जो बाजार में उपलब्ध हैं जो एक संधारित्र के ईएसआर को मापने के लिए उपयोगी हो सकते हैं। ये मीटर अल्टरनेटिंग करंट का इस्तेमाल करते हैं, जैसे कि कैपेसिटर के पार एक विशिष्ट फ्रीक्वेंसी में स्क्वायर वेव । संकेत की आवृत्ति में परिवर्तन के आधार पर संधारित्र के ईएसआर मूल्य की गणना की जा सकती है। इस विधि के साथ एक फायदा यह है कि, चूंकि ESR एक संधारित्र के दो टर्मिनलों के पार सीधे मापा जाता है, इसे सर्किट बोर्ड से डी-सोल्डर किए बिना मापा जा सकता है।

संधारित्र के ईएसआर की गणना करने का एक और सैद्धांतिक तरीका है संधारित्र के तरंग वोल्टेज और तरंग वर्तमान को मापना और फिर दोनों का अनुपात संधारित्र में ईएसआर का मूल्य देगा। हालांकि, एक अधिक सामान्य ईएसआर माप मॉडल एक अतिरिक्त प्रतिरोध के साथ संधारित्र में वैकल्पिक चालू स्रोत को लागू करना है। ईएसआर को मापने के लिए एक कच्चा सर्किट नीचे दिखाया गया है

बनाम साइन लहर स्रोत है और आर 1 आंतरिक प्रतिरोध है। संधारित्र C आदर्श संधारित्र है जबकि R2 आदर्श संधारित्र C. का समतुल्य श्रृंखला प्रतिरोध है। एक बात याद रखने की आवश्यकता है कि इस ESR माप मॉडल में, संधारित्र के प्रमुख उपपादन को अनदेखा किया जाता है और इसे एक भाग के रूप में नहीं माना जाता है सर्किट।

हस्तांतरण समारोह इस सर्किट के formula- नीचे में चित्रित किया जा सकता

उपरोक्त समीकरण में, सर्किट की उच्च पास सुविधा परिलक्षित होती है; अंतरण समारोह के सन्निकटन का मूल्यांकन इस प्रकार किया जा सकता है -

H (s) / R2 / (R2 + R1) R R2 / R1

उपरोक्त सन्निकटन उच्च-आवृत्ति संचालन के लिए उपयुक्त है। इस बिंदु पर, सर्किट एटेन्यूएटर के रूप में कार्य करने और करने के लिए शुरू होता है।

क्षीणन कारक के रूप में व्यक्त किया जा सकता है -

⍺ = आर 2 / (आर 2 + आर 1)

इस क्षीणन कारक और साइन लहर जनरेटर के आंतरिक प्रतिरोध आर 1 का उपयोग कैपेसिटर ईएसआर को मापने के लिए किया जा सकता है।

आर 2 = R एक्स आर 1

इसलिए, कैपेसिटर के ईएसआर की गणना करने के लिए एक फ़ंक्शन जनरेटर उपयोगी हो सकता है।

आम तौर पर, ईएसआर मूल्य कुछ मिलीमीटर से लेकर कई ओम तक होता है। बॉक्स प्रकार या सिरेमिक कैपेसिटर की तुलना में एल्यूमीनियम इलेक्ट्रोलाइटिक और टैंटलम कैपेसिटर में उच्च ईएसआर होता है। हालांकि, संधारित्र निर्माण प्रौद्योगिकी में आधुनिक उन्नति सुपर कम ESR कैपेसिटर का निर्माण करना संभव बनाती है।

ESR कैपेसिटर के प्रदर्शन को कैसे प्रभावित करता है

संधारित्र का ईएसआर मूल्य संधारित्र उत्पादन के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है। उच्च ईएसआर संधारित्र उच्च वर्तमान अनुप्रयोग में गर्मी को नष्ट कर देता है और संधारित्र जीवन अंततः कम हो जाता है, जो इलेक्ट्रॉनिक्स सर्किट में खराबी में भी योगदान देता है। बिजली की आपूर्ति में, जहां उच्च धारा एक चिंता का विषय है, निस्पंदन प्रयोजनों के लिए कम ईएसआर कैपेसिटर की आवश्यकता होती है।

न केवल बिजली की आपूर्ति से संबंधित संचालन में बल्कि कम ईएसआर मूल्य, उच्च गति सर्किट के लिए भी आवश्यक है। बहुत उच्च परिचालन आवृत्तियों में, आमतौर पर सैकड़ों मेगाहर्ट्ज से लेकर कई गीगाहर्ट्ज तक, संधारित्र का ईएसआर बिजली वितरण कारकों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

संधारित्र में ईएसएल

ESR की तरह ही, ESL भी कैपेसिटर के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है। जैसा कि पहले चर्चा की गई है, वास्तविक स्थिति में कैपेसिटर आदर्श नहीं हैं। एक आवारा प्रतिरोध के साथ-साथ आवारा प्रेरण भी है। संधारित्र का एक विशिष्ट ईएसएल मॉडल नीचे दिखाया गया है। संधारित्र C आदर्श संधारित्र है और प्रारंभ करनेवाला L श्रृंखला संधारित्र श्रृंखला है जो आदर्श संधारित्र के साथ श्रृंखला में जुड़ा हुआ है।

आम तौर पर, ईएसएल वर्तमान लूप पर अत्यधिक भरोसेमंद है; वर्तमान लूप में वृद्धि से कैपेसिटर में ईएसएल भी बढ़ता है। लीड टर्मिनेशन और सर्किट कनेक्टिंग पॉइंट (पैड या ट्रैक सहित) के बीच की दूरी भी कैपेसिटर में ईएसएल को प्रभावित करती है क्योंकि समाप्ति की दूरी बढ़ने से वर्तमान लूप भी बढ़ जाता है जिसके परिणामस्वरूप उच्च समतुल्य श्रृंखला इंडक्शन होता है।

संधारित्र का ईएसएल मापना

ESL की माप कैपेसिटर निर्माता की डेटशीट द्वारा दिए गए प्रतिबाधा बनाम आवृत्ति प्लॉट को देखकर आसानी से किया जा सकता है। संधारित्र की बाधा तब बदल जाती है जब संधारित्र में आवृत्ति बदल जाती है। स्थिति के दौरान, जब एक विशिष्ट आवृत्ति पर कैपेसिटिव रिएक्शन और इंडक्टिव रिएक्शन बराबर होते हैं, तो इसे 'घुटने' कहा जाता है ।

इस बिंदु पर, संधारित्र स्वयं प्रतिध्वनित होता है। संधारित्र का ESR संधारित्र को 'घुटने' के स्थान पर या स्व-प्रतिध्वनि आवृत्ति तक पहुंचने तक प्रतिबाधा की साजिश को समतल करने में योगदान देता है। घुटने के बिंदु के बाद, संधारित्र के ईएसएल के कारण संधारित्र प्रतिबाधा बढ़ने लगती है।

उपरोक्त छवि एक एमएलसीसी (मल्टी लेयर सिरेमिक कैपेसिटर) का इम्पीडेंस बनाम फ्रीक्वेंसी प्लॉट है। तीन कैपेसिटर, 100nF, 1nF X7R क्लास और NPN क्लास कैपेसिटर के 1nF दिखाए गए हैं। वी के आकार के भूखंड के निचले बिंदु पर 'घुटने' के धब्बे आसानी से पहचाने जा सकते हैं।

एक बार घुटने के बिंदु की आवृत्ति की पहचान करने के बाद, ईएसएल को नीचे के सूत्र द्वारा मापा जा सकता है

आवृत्ति = 1 / (2π√ (ESL x C))

ईएसएल कैपेसिटर आउटपुट को कैसे प्रभावित करता है

कैपेसिटर का उत्पादन बढ़े हुए ESL से घटता है, जैसे ESR। बढ़ा हुआ ईएसएल वर्तमान के अवांछित प्रवाह में योगदान देता है और ईएमआई उत्पन्न करता है, जो उच्च आवृत्ति अनुप्रयोगों में खराबी पैदा करता है। बिजली की आपूर्ति संबंधित प्रणाली में, परजीवी अधिष्ठापन उच्च तरंग वोल्टेज में योगदान देता है। रिपल वोल्टेज कैपेसिटर के ईएसएल मूल्य के लिए आनुपातिक है। कैपेसिटर का बड़ा ईएसएल मूल्य भी रिंगिंग तरंगों को प्रेरित कर सकता है, जिससे सर्किट को अजीब व्यवहार करना पड़ता है।

ईएसआर और ईएसएल का व्यावहारिक महत्व

नीचे की छवि संधारित्र में ईएसआर और ईएसएल का वास्तविक मॉडल प्रदान करती है ।

यहां, कैपेसिटर सी एक आदर्श संधारित्र है, रोकनेवाला आर समतुल्य श्रृंखला प्रतिरोध है और प्रारंभ करनेवाला एल समतुल्य श्रृंखला प्रेरण है । इन तीनों को मिलाकर वास्तविक संधारित्र बनाया जाता है।

ईएसआर और ईएसएल एक संधारित्र की इतनी सुखद विशेषताएं नहीं हैं, जो इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में विशेष रूप से उच्च आवृत्ति और उच्च वर्तमान अनुप्रयोगों में प्रदर्शन में कमी का कारण बनती हैं। ESR के कारण होने वाले बिजली के नुकसान के कारण उच्च ESR मूल्य खराब प्रदर्शन में योगदान देता है; बिजली हानि की गणना पावर लॉ I ² R का उपयोग करके की जा सकती है जहां R ESR मान है। यही नहीं, ओम कानून के अनुसार उच्च ईएसआर मूल्य के कारण शोर और उच्च वोल्टेज ड्रॉप भी होता है। आधुनिक संधारित्र विनिर्माण प्रौद्योगिकी संधारित्र के ईएसआर और ईएसएल मूल्य को कम करती है। मल्टीलेयर कैपेसिटर के आज के एसएमडी संस्करणों में भारी सुधार देखा जा सकता है।

लोअर ईएसआर और ईएसएल मूल्य कैपेसिटर को बिजली की आपूर्ति सर्किट या एसएमपीएस डिज़ाइन में आउटपुट फ़िल्टर के रूप में पसंद किया जाता है क्योंकि इन मामलों में स्विचिंग आवृत्ति उच्च होती है, आमतौर पर सैकड़ों kHz से लेकर कई MH _{z के} करीब होती है । इस वजह से इनपुट संधारित्र और आउटपुट फिल्टर कैपेसिटर को कम ESR मूल्य में होना चाहिए ताकि कम-आवृत्ति तरंगों का बिजली आपूर्ति इकाई के समग्र प्रदर्शन में कोई प्रभाव न हो। कैपेसिटर का ईएसएल भी कम होना चाहिए, ताकि कैपेसिटर की बाधा बिजली की आपूर्ति स्विचिंग आवृत्ति के साथ बातचीत न करें।

कम शोर बिजली की आपूर्ति में, जहां शोर को दबाने की आवश्यकता होती है और आउटपुट फिल्टर चरणों की संख्या कम होनी चाहिए, उच्च गुणवत्ता वाले सुपर कम ESR और कम ESL कैपेसिटर लोड के लिए चिकनी आउटपुट और स्थिर बिजली वितरण के लिए उपयोगी होते हैं। इस तरह के एक आवेदन में, बहुलक इलेक्ट्रोलाइट्स एक उपयुक्त विकल्प हैं और आमतौर पर एल्यूमीनियम इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर पर पसंद किया जाता है।