Ich bin daran interessiert, die Grenzfrequenz eines Kondensators in einer einfachen RC-Schaltung abzuschätzen. Kann ich den ESR-Wert einfach zum Widerstandswert addieren, da der Kondensator und der Widerstand in Reihe geschaltet sind?
Wenn zum Beispiel der ESR 0,5 Ω beträgt und meine Last 1 kΩ beträgt, beträgt der R-Wert in meiner Berechnung dann 1000,5 Ω?
Ist der ESR in diesem Fall vernachlässigbar? Oder gibt es einen Nachtrag "Eigentlich in der Praxis ..."?
Antworten:
Wenn Sie versuchen, einen RC-Filter herzustellen, sollte Ihr absichtliches R viel größer sein als der ESR (äquivalenter Serienwiderstand) des Kondensators. Andernfalls treten andere Effekte auf, die Ihre Schaltung ohnehin durcheinander bringen. Ja, theoretisch fügen Sie den ESR wie in Ihrem Beispiel zu Ihrem externen Widerstand hinzu. Aber wenn dies tatsächlich wichtig ist, sind Sie zu nahe am Limit. Ihr Beispiel ist insofern gut, als es zeigt, dass der ESR deutlich unter dem Geräuschpegel liegt. Sie haben in anderen Bereichen viel mehr Steigung als durch das 1/2 Ohm dargestellt, das zu den externen 1 kΩ hinzugefügt wird.
Werfen Sie einen Blick auf ein gutes Kondensator-Datenblatt und Sie werden sehen, dass jeder Kondensator nur bis zu einer bestimmten Frequenzgrenze ordnungsgemäß funktioniert. Bei Keramiken mit kleiner Oberflächenmontage liegt diese normalerweise bei einigen 100 MHz. Oft wird dies als Impedanzdiagramme gezeigt, wobei die Kondensatorimpedanzgröße als Funktion der Frequenz gezeigt wird. Für den idealen Kondensator wäre dies für immer umgekehrt proportional zur Frequenz. Für reale Kondensatoren gibt es eine niedrige Impedanzgrenze, dann beginnt die Impedanz mit zunehmender Frequenz wieder anzusteigen.
Im Impedanzdiagramm werden alle Arten von Effekten berücksichtigt. Dazu gehören Angaben zur dielektrischen, unvermeidbaren parasitären Induktivität und wahrscheinlich nur in begrenztem Umfang zur ESR. Denken Sie an das "Äquivalent" in ESR. Das meiste davon ist aufgrund der Konstruktion der Kappe kein echter Serienwiderstand, sondern eine vereinfachte Möglichkeit, eine Vielzahl anderer Effekte darzustellen, insbesondere Details, die im Dielektrikum auftreten.
Kurz gesagt, etwas so Einfaches wie eine einzelne ESR-Nummer gilt nicht mehr, wenn Sie sich der Mindestimpedanzfrequenz und darüber hinaus oder der Eigenresonanzfrequenz nähern. Wenn Sie sich weit genug von diesen entfernt halten, ist ESR ein Rauschen für einen RC-Filter. Wenn Sie dagegen feststellen, dass das kleine bisschen ESR tatsächlich einen signifikanten Unterschied bewirken würde, ist dies ein solider Hinweis darauf, dass Sie die Obergrenze in einem Regime setzen, in dem es sich nicht mehr nur um einen Kondensator handelt. Denken Sie daran, dass selbst gute Kappen ± 10% betragen. Ein ESR, der 1% des absichtlichen externen Widerstands beträgt, spielt also keine Rolle, da Sie sonst ohnehin ein Toleranzproblem in Ihrem Schaltkreis haben.
Es gibt zwei gemeinsame Stellen, an denen ESR eine Rolle spielt, von denen keine viel mit RC-Filtern zu tun hat. Der erste besteht darin, die Stabilität eines Linearreglers zu bewirken, wenn sich die Kappe über ihrem Ausgang befindet. Alte LDOs wurden unter der Annahme entworfen, dass der Ausgang eine elektrolytische oder möglicherweise Tantalkappe aufweist. Man kann sich darauf verlassen, dass diese einen endlichen ESR haben. Dieser ESR wurde bei der Kompensation des Regelkreises im Regler berücksichtigt. Ohne sie werden einige Regulierungsbehörden instabil. Moderne LDOs werden unter der Annahme von Keramikkappen am Ausgang entwickelt, die einen sehr niedrigen ESR aufweisen. Diese Regler sind speziell für eine Ausgangskapazität von bis zu 0 ESR ausgelegt. Dies ist der einzige Typ, bei dem Sie sicher eine Keramikkappe auf den Ausgang setzen können, da Sie im Allgemeinen nicht mit einem garantierten Mindest-ESR rechnen können. Die Datenblätter garantieren im Allgemeinen nur die maximale ESR,
Der zweite Platz ist, wenn plötzlich große Stromimpulse auf eine Kappe geleitet werden, wie dies bei vielen Schaltnetzteilen der Fall ist. Die aktuellen Zeiten des ESR stellen einen momentanen scheinbaren Anstieg der Kappenspannung dar, der häufig sorgfältig abgewogen werden muss.