Resistência de série equivalente - Equivalent series resistance

Capacitores e indutores práticos usados ​​em circuitos elétricos não são componentes ideais com apenas capacitância ou indutância . No entanto, eles podem ser tratados, em um grau de aproximação muito bom, como sendo capacitores e indutores ideais em série com uma resistência ; esta resistência é definida como a resistência em série equivalente ( ESR ). Se não for especificado de outra forma, o ESR é sempre uma resistência AC , o que significa que é medido em frequências especificadas, 100 kHz para componentes de fonte de alimentação de modo comutado, 120 Hz para componentes de fonte de alimentação linear e em sua frequência auto-ressonante para geral -componentes de aplicação. Além disso, os componentes de áudio podem relatar um " fator Q ", incorporando ESR, entre outras coisas, a 1000 Hz.

Visão geral

A teoria do circuito elétrico lida com resistores , capacitores e indutores ideais , cada um assumindo que contribui apenas com resistência, capacitância ou indutância para o circuito . No entanto, todos os componentes têm um valor diferente de zero para cada um desses parâmetros. Em particular, todos os dispositivos físicos são construídos de materiais com resistência elétrica finita , de modo que os componentes físicos tenham alguma resistência além de suas outras propriedades. As origens físicas do ESR dependem do dispositivo em questão. Uma maneira de lidar com essas resistências inerentes na análise de circuito é usar um modelo de elemento concentrado para expressar cada componente físico como uma combinação de um componente ideal e um pequeno resistor em série, o ESR. O ESR pode ser medido e incluído na ficha técnica de um componente . Até certo ponto, pode ser calculado a partir das propriedades do dispositivo.

O fator Q , que está relacionado ao ESR e às vezes é um parâmetro mais conveniente do que o ESR para usar em cálculos de desempenho não ideal de alta frequência de indutores reais, é citado em folhas de dados de indutores.

Capacitores, indutores e resistores geralmente são projetados para minimizar outros parâmetros. Em muitos casos, isso pode ser feito em uma extensão suficiente para que a capacitância parasita e a indutância de um resistor, por exemplo, sejam tão pequenas que não afetem a operação do circuito. No entanto, em algumas circunstâncias, os parasitas tornam-se importantes e até dominantes.

Modelos de componentes

Capacitores e indutores puros não dissipam energia; qualquer componente que dissipa energia deve ser tratado em um modelo de circuito equivalente que incorpore um ou mais resistores. Os componentes de dois terminais passivos reais podem ser representados por alguma rede de indutores, capacitores e resistores ideais concentrados e distribuídos, no sentido de que o componente real se comporta como a rede. Alguns dos componentes do circuito equivalente podem variar com as condições, por exemplo, frequência e temperatura.

Se acionado por uma onda senoidal periódica ( corrente alternada ), o componente será caracterizado por sua impedância complexa Z (ω) = R + j X (ω); a impedância pode envolver várias resistências menores, indutâncias e capacitâncias, além da propriedade principal. Esses pequenos desvios do comportamento ideal do dispositivo podem se tornar significativos sob certas condições, normalmente de alta frequência, onde a reatância de pequenas capacitâncias e indutâncias pode se tornar um elemento significativo da operação do circuito. Modelos de menor ou maior complexidade podem ser usados, dependendo da precisão necessária. Para muitos propósitos, um modelo simples com uma indutância ou capacitância em série com um ESR é bom o suficiente.  

Esses modelos, por mais simples ou complexos que sejam, podem ser inseridos em um circuito para calcular o desempenho. Ferramentas de computador estão disponíveis para circuitos complexos; por exemplo, o programa SPICE e suas variantes.

Indutores

Um indutor consiste em uma bobina de fio condutor isolada geralmente enrolada em torno de um núcleo ferromagnético. Os indutores têm resistência inerente ao condutor de metal, citada como DCR nas planilhas de dados . Esta resistência metálica é pequena para pequenos valores de indutância (normalmente abaixo de 1 Ω ). A resistência do fio CC é um parâmetro importante no projeto do transformador e indutor geral porque contribui para a impedância do componente, e a corrente que flui através dessa resistência é dissipada como calor residual e energia é perdida do circuito. Ele pode ser modelado como um resistor em série com o indutor, geralmente fazendo com que a resistência DC seja chamada de ESR. Embora este não seja um uso precisamente correto, os elementos sem importância do ESR são freqüentemente negligenciados na discussão do circuito, uma vez que é raro que todos os elementos do ESR sejam significativos para uma aplicação particular.  

Um indutor usando um núcleo para aumentar a indutância terá perdas como histerese e corrente parasita no núcleo. Em altas frequências, também há perdas nos enrolamentos devido à proximidade e efeitos de pele . Estes são adicionais à resistência do fio e levam a um ESR mais alto.

Capacitores

Em um capacitor não eletrolítico e em capacitores eletrolíticos com eletrólito sólido, a resistência metálica dos cabos e eletrodos e as perdas no dielétrico causam o ESR. Os valores normalmente cotados de ESR para capacitores de cerâmica estão entre 0,01 e 0,1 ohms. ESR de capacitores não eletrolíticos tende a ser razoavelmente estável ao longo do tempo; para a maioria dos propósitos, capacitores não eletrolíticos reais podem ser tratados como componentes ideais.

Capacitores eletrolíticos de alumínio e tântalo com eletrólito não sólido têm valores de ESR muito mais altos, até vários ohms; eletrolíticos de maior capacitância têm menor ESR. O ESR diminui com a frequência até a frequência auto-ressonante do capacitor. Um problema muito sério, particularmente com eletrolíticos de alumínio, é que a ESR aumenta com o tempo com o uso; ESR pode aumentar o suficiente para causar mau funcionamento do circuito e até mesmo danos aos componentes, embora a capacitância medida possa permanecer dentro da tolerância . Embora isso aconteça com o envelhecimento normal, as altas temperaturas e grandes ondulações agravam o problema. Em um circuito com corrente ondulada significativa, um aumento na ESR aumentará o acúmulo de calor, acelerando assim o envelhecimento.

Capacitores eletrolíticos classificados para operação em alta temperatura e de qualidade superior do que as peças básicas de consumo são menos suscetíveis a se tornarem prematuramente inutilizáveis ​​devido ao aumento de ESR. Um capacitor eletrolítico barato pode durar menos de 1000 horas a 85 ° C. (Um ano equivale a 8760 horas.) As peças de nível superior são normalmente avaliadas em alguns milhares de horas na temperatura nominal máxima, como pode ser visto nas planilhas dos fabricantes. Se a ESR for crítica, a especificação de uma peça com classificação de temperatura mais alta, "baixa ESR" ou capacitância maior do que a exigida pode ser vantajosa. Não há um padrão para a classificação do capacitor "baixo ESR".

Os capacitores de polímero geralmente têm ESR mais baixo do que os eletrolíticos úmidos de mesmo valor e estáveis ​​sob variação de temperatura. Portanto, os capacitores de polímero podem lidar com correntes de ondulação mais altas. Por volta de 2007, tornou-se comum para placas-mãe de computador de melhor qualidade usar apenas capacitores de polímero onde eletrolíticos úmidos haviam sido usados ​​anteriormente.

O ESR de capacitores maiores do que cerca de 1 μF é facilmente medido no circuito com um medidor ESR .

Valores típicos de ESR para capacitores
Modelo 22   µF 100   µF 470   µF
Alumínio padrão 7–30   Ω 2–7   Ω 0,13-1,5   Ω
Alumínio de baixo ESR 1–5   Ω 0,3-1,6   Ω
Alumínio sólido 0,2–0,5   Ω
Sanyo OS-CON 0,04–0,07   Ω 0,03–0,06   Ω
Tântalo sólido padrão 1,1–2,5   Ω 0,9-1,5   Ω
Tântalo de baixa ESR 0,2-1   Ω 0,08–0,4   Ω
Tântalo de folha úmida 2,5–3,5   Ω 1,8–3,9   Ω
Película de papel alumínio empilhado <0,015   Ω
Cerâmica <0,015   Ω

Veja também

Referências

links externos