Low ESR

Zależność ESR i impedancji Z od częstotliwości

Low ESR – oznaczenie występujące na niektórych kondensatorach elektrolitycznych. W niektórych podzespołach komputerowych wykorzystywane są powszechnie kondensatory elektrolityczne niskoimpedancyjne, a ściślej low ESR (Equivalent Series Resistance), tj. kondensatory z niską zastępczą rezystancją szeregową. ESR odpowiada szeregowo wpiętemu do pojemności rezystorowi (na rezystancję składają się, w danej częstotliwości napięcia zmiennego, opór elektrolitu, dielektryka, okładek, przewodów wyprowadzających). Kondensatory low ESR zazwyczaj specyfikowane są dla 100kHz, a oznaczone jako Low Impedance mogą być używane w paśmie audio. Kondensator elektrolityczny „idealny” nie posiada żadnej rezystancji, jedynie pojemność. Jednak w rzeczywistości materiał, z którego zbudowano kondensator, posiada niezerowy opór. Kondensatory low ESR mają niski opór i dzięki temu m.in. mniej się nagrzewają i nie wprowadzają do układu zbędnej, nadmiernej rezystancji. Kondensatory elektrolityczne low ESR mają zazwyczaj mniejsze wymiary niż zwykłe kondensatory elektrolityczne o tej samej pojemności i na to samo napięcie. Kondensatory z dużym ESR wlutowane tam, gdzie powinny być kondensatory low ESR (np. warunki pracy powyżej 100 kHz), będą się silnie nagrzewać, poziom prądów tętnień będzie nieakceptowalny i szybko ulegną uszkodzeniu.

ESR jest odwrotnie proporcjonalny do pojemności kondensatora, tzn. im większa pojemność, tym niższy ESR. Kondensatory na wyższe napięcie mają niższą wartość ESR w porównaniu z taką samą pojemnością na niższe napięcie. Zazwyczaj także kilka kondensatorów połączonych równolegle ma niższy ESR od jednego o sumarycznej pojemności, a ponadto zwykle mają większy dopuszczalny prąd tętnień (ripple current). W przybliżeniu moc wydzielana na dwóch mniejszych oporach ESR każdej z osobna pojemności to pierwiastek z prądu, który przy zwielokrotnieniu na kilka pojemności jest kilkakrotnie mniejszy.

Częstotliwość i ESR są ze sobą powiązane. Na wykresie przedstawiona jest zależność między innymi ESR i $Z$ od częstotliwości. Z wykresu wynika m.in., że chcąc osiągnąć mniejszy ESR potrzebny jest kondensator o większej pojemności lub mniejszym $D_f$ (dielektryk).

Budowa kondensatora

Kondensator można przedstawić jako złożenie (obwód zastępczy) kilku elementów szeregowo: ESR (ang. equivalent series resistance – zastępcza rezystancja szeregowa); równolegle pojemność $C$ i rezystancja upływu $R_p;$ ESL (ang. equivalent series inductance – zastępcza indukcyjność szeregowa):

$\mathrm{E}\mathrm{S}\mathrm{R}=D_f{X}_C=\frac{D_f}{2\pi fC},$

gdzie:

$f$ – częstotliwość,

$D_f$ – współczynnik rozproszenia,

$X_C$ – reaktancja pojemnościowa.

Natomiast impedancja kondensatora równa jest:

$Z=\sqrt{{\mathrm{E}\mathrm{S}\mathrm{R}}^2+{(ESL-X_C)}^2}.$

Pomiar ESR

Idealny kondensator ma swoją reaktancję $X_C,$ która jest składową impedancji $Z.$ Dla szeregowego połączenia rezystora oraz kondensatora moduł $Z$ wynosi:

$|Z|=\sqrt{R^2+{X_C}^2}.$

Reaktancję X_c wylicza się ze wzoru:

$X_C=-\frac{1}{2\pi fC}.$

Moduł $|Z|$ można wyznaczyć z prawa Ohma, zasilając kondensator napięciem sinusoidalnie zmiennym. $|Z|$ mierzy się dla konkretnej częstotliwości napięcia zasilającego. Korzystając z zależności $|Z|=\sqrt{R^2+{X_C}^2},$ można obliczyć ESR.