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ESR与三相变频电源电路故障的关系到底有多大?

ESR是Equivalent Series Resistance三个单词的缩写,翻译过来就是“等效串联电阻”。

理论上,一个完美的电容,本身不会发作任何能量丢失,可是实践上,由于制作电容的资料有电阻,电容的绝缘介质有损耗,各种原因导致电容变得不“完美”。这个损耗在外部,体现为就像一个电阻跟电容串联在一起,所以就起了个姓名叫做“等效串联电阻”。

如果觉得仍是太笼统,给你个直观的解说。

任何一个电容都会存在ESR,在电容电极之间始终都存在着一个电气性的电阻,如金属引脚电阻、电极极板电阻、以及它们之间的衔接电阻等等。

铝电解电容还包含存在于湿的电解质溶液的电阻、以及含有高电平“水”的铝氧化物(水合氧化铝)中的电阻等。

下图表明了电解电容ESR的构成要素。

一般,为了便于剖析电容的ESR,多用下图的简化方法来表明:
ESR与三相变频电源电路故障的关系到底有多大?

导致ESR改变的要素

首要,管脚引脚和电容电极极板金属的电阻能够忽略,由于它们都十分小。
造成高ESR的两个常见要素是:
1)不良的电气衔接;
2)电解溶液的干燥。
关于1),新、旧电解电容都有可能呈现;
关于2)大都都是发作在旧电解电容上。

不良的电气衔接问题首要是由于衔接于电容内部的管脚引线不是铝金属资料,并且一直以来铝是不行焊的资料。

关于铝质的电极极板资料和铜质的管脚资料来说,其电气衔接首要选用所谓的“焊接”和机械压接方法。可是这两种方法都会发作较高的ESR。  

跟着电解液水分的蒸发,ESR也随之增大。

ESR与电解电容的漏电相关?

漏电是电容电极极板之间的并联电阻。而ESR仅仅是串联电阻,所以两者是彻底不同的,即ESR是与漏电无关的。

相反,当ESR足够大时还能够削减漏电电流。

ESR的影响

ESR的呈现导致电容的行为背离了原始的界说。

比方,我们以为电容上面电压不能骤变,当俄然对电容施加一个电流,电容由于本身充电,电压会从0开始上升。可是有了ESR,电阻本身会发作一个压降,这就导致了电容器两头的电压会发作骤变。无疑的,这会下降电容的滤波作用,所以许多高质量的电源啦一类的,都运用低ESR的电容器。

相同的,在振荡三相变频电源电路等场合,ESR也会引起三相变频电源电路在功能上发作改变,引起三相变频电源电路失效乃至损坏等严重后果。

所以在大都场合,低ESR的电容,往往比高ESR的有更好的体现。

ESR与频率之间的联系

下图是音响输出三相变频电源电路中所运用的直流隔直电容的状况(图中红圈是电容)。

下图是两个100微法电容(ESR分别为0和6欧姆)时其输出功率随输出频率改变的曲线。

在低频端(60Hz)时两者的不同不大,可是在高频端(1KHz)时两者就相差很大了。构成这一不同的首要要素就是ESR与电容的容抗之间的相关联系。

再进一步来说。

如假定角频率为ω,电容器的静电容量为C,则抱负状态下电容器(图1)的阻抗Z可用公式(1)表明。

图  抱负电容器
Z=1/jωC  (1)

由公式(1)可看出,阻抗巨细|Z|如下图所示,与频率呈反比趋势減少。由于抱负电容器中无损耗,故等价串联电阻(ESR)为零。
图  抱负电容器的频率特性

实践中,|Z|的频率特性如下图所示呈V字型(部分电容器可能会变为U字型)曲线,ESR也显示出与损耗值相应的频率特性。
图  实践电容器
图  实践电容器的|Z|/ESR频率特性(例)
|Z|和ESR变为曲线的原因如下:

低频率规模:低频率规模的|Z|与抱负电容器相同,都与频率呈反比趋势削减。ESR值也显示出与电介质分极推迟发作的介质损耗相应的特性。

共振点附近:频 率升高,则|Z|将受寄生电感或电极的比电阻等发作的ESR影响,违背抱负电容器(赤色虚线),显示最小值。|Z|为最小值时的频率称为自振频率,此 时|Z|=ESR。若大于自振频率,则元件特性由电容器转变为电感,|Z|转而添加。低于自振频率的规模称作容性范畴,反之则称作理性范畴。
   
ESR除了受介电损耗的影响,还受电极本身抵抗行程的损耗影响。

高频规模:共振点以上的高频率规模中的|Z|的特性由寄生电感(L)决议。高频规模的|Z|可由公式(2)近似得出,与频率成正比趋势添加。

ESR逐步体现出电极趋肤效应及挨近效应的影响。

重要的是,频率越高,就越不能忽视寄生成分ESR或ESL的影响。跟着电容器在高频范畴的运用越来越多,ESR和ESL与静电容量值一样,成为表明电容器功能的重要参数。

ESR与功率之间的联系

当电容需求承载很大电流的时分即便在作业频率较低的状况下也容易呈现问题。比方在一些大电流开关电源里。

例如,一只作业在60Hz、5A电源里的20000微法的电容,假定它的ESR为0.5欧姆,那么依照欧姆定律P=I×I×R,则电容内部将12.5W的功率耗费,由此而发作的热量将加速电解液的干燥并使得电容失效。

而ESR也会下降滤波作用。如5V的TTL供电回路里如果存在0.5欧姆的电阻的话,将会发作高达2V的纹波电压,相当于纹波电压到达40%的程度。
如果电容作业在高频高电流三相变频电源电路中,状况将更为严重。

ESR也有“正能量”

ESR也不一无可取,它也会被用来做有利的事。比方在稳压三相变频电源电路中,有必定ESR的电容,在负载发作瞬变的时分,会当即发作动摇而引发反应三相变频电源电路动作,这个快速的响应,以牺牲必定的瞬态功能为价值,获取了后续的快速调整才能,尤其是功率管的响应速度比较慢,并且电容器的体积/容量遭到严厉约束的时分。这种状况见于一些运用mos管做调整管的三端稳压或许相似的三相变频电源电路中。这时分,太低的ESR反而会下降整体功能。

ESR是等效“串联”电阻,意味着,将两个电容串联,会增大这个数值,而并联则会削减之。

实践上,需求更低ESR的场合更多,而低ESR的大容量电容价格相对贵重,所以许多开关电源采纳的并联的战略,用多个ESR相对高的铝电解并联,构成一个低ESR的大容量电容。牺牲必定的PCB空间,换来器材本钱的削减,许多时分都是合算的。

和ESR相似的别的一个概念是ESL,也就是等效串联电感。前期的卷制电容常常有很高的ESL,并且容量越大的电容,ESL一般也越大。ESL常常会成为ESR的一部分,并且ESL也会引发一些三相变频电源电路毛病,比方串联谐振等。可是相对容量来说,ESL的份额太小,呈现问题的几率很小,再加上电容制作工艺的前进,现在现已逐步忽略ESL,而把ESR作为除容量之外的首要参阅要素了。

趁便,电容也存在一个和电感相似的品质系数Q,这个系数反比于ESR,并且和频率相关,也比较少运用。

出产厂家为何不肯标明出来ESR呢?

以电解电容为例,电解液的电阻是铝电解电容器等效串联电阻(ESR)的首要部分。大都铝电解电容器出产厂商是不给出ESR数据的 首要原因首要是:相关于其它介质的电容器,铝电解电容器的ESR显得太大。如1μF/16V的一般铝电解电容器,其ESR一般在20Ω左右;100μF的 铝电解电容器,其ESR也是在1.5~2Ω之间。

试想,这样的数据写在数据手册里肯定会影响运用者的运用铝电解电容器的决心。因而,在某种以上说,运用铝电解电容器是一种无奈的挑选。会影响铝电解电容器的运用。

关于一般运用的铝电解电容器,大都铝电解电容器出产厂商是不给出ESR数据的,关于开关电源用的低ESR铝电解电容器或电容量比较大的插脚式铝电解电容器则给出这个数据。

其他
由ESR引发的三相变频电源电路毛病一般很难检测,并且ESR的影响也很容易在规划过程中被忽视。简略的做法是,在仿真的时分,如果无法挑选电容的详细参数,能够测验在电容上人为串联一个小电阻来模仿ESR的影响,一般的,钽电容的ESR一般都在100毫欧以下,而铝电解电容则高于这个数值,有些品种电容的ESR乃至会高达数欧姆。

ESR值与纹波电压的联系能够用公式V=R(ESR)×I表明。这个公式中的V就表明纹波电压,而R表明电容的ESR,I表明电流。能够看到,当电流增大的时分,即便在ESR坚持不变的状况下,纹波电压也会成倍进步。

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