ESR مخفف Equivalent series resistance است در واقع مقاومت سری معادل گفته میشود.رفتار عملکردی ان هم به صورت یک مقاومت سری است به همین دلیل این نام برای ان انتخاب شده است.

esr در واقع مقاومت خازن در برابر مولفه یا جریان AC هست. نشان دهنده تلفات اهمی خازن است.باید مقدار ان صفر باشد اما در واقعیت اینطور نیست. یک خازن ایده آل بدون تلفات است، این به این معنی که خازن شارژ را ذخیره می کند و همان مقدار شارژ(بار الکتریکی) را در پایه ها ارائه می دهد.مقاومت esr از خصوصیات غیر ایده آل یک خازن است که ممکن است باعث ایجاد  انواع مشکلات عملکردی در مدارهای الکترونیکی بشود.این مقاومت مجموع مقاومت های دی الکتریک ، صفحه هادی ، مایع الکترولیتی و پایه های خازن در یک فرکانس خاص هست.

esr وابسته به دما و فرکانس است.معمولا شرکت های سازنده esr رو عموما در یک فرکانس خاص معمولا  100 کیلو هرتز و یا 120 هرتز مشخص میکنند(در دمای معین حدود 20 درجه).

چرا esr برای ما مهم است؟

طبق قانون اهم، جریان الکتریکی وقتی از مقاومت عبور می کند باعث کاهش ولتاژ می شود. هنگامی که یک خازن شارژ یا تخلیه می شود، مقداری از انرژی را از دست میدهد (به شکل گرما) که این موجب گرم شدن خازن می شود.

esr بالا سبب اتلاف انرژی در خازن، کاهش عملکرد و پایداری،کاهش راندمان خازن،کاهش ظرفیت خازن، تاثیر مخرب بر میزان شارژ و دشارژ خازن( تغییر ثابت زمانی خازن)،تغییر فاز نامطلوب ،افزایش دمای خازن و در نهایت باعث معیوب شدن خازن و کاهش طول عمر ان میگردد.علت خرابی خازن نیز بیشتر وابسته به esr بالای ان است که با  افزایش کارکرد خازن و در طول زمان افزایش میابد.esr بالای خازن،در فرکانس های بالا، می تواند باعث اتلاف انرژی شده و بر پایداری و پاسخ مدار تأثیر منفی بگذارد.

نکته بسیار مهم این هست که خشک شدن و تبخیر شدن مایع الکترولیتی درون خازن در طول زمان و بر اثر گرما، باعث کاهش رسانایی شده و سبب عدم توانایی خازن برای ذخیره انرژی شده و نتجه ان کاهش ظرفیت خازن و افزایش مقاومت esr  است. به همین دلیل استفاده از یک خازن با کیفیت و با esr کم در مداراتی مانند مدارات رادیویی،امپلیی فایر ها،فیلتر ها، و…، فراتر از میزان پارامتر ولتاژ کاری و ظرفیت برای ما اهمیت دارد.علاوه بر این خشک شدن مایع الکترولیت باعت افزایش جریان نشتی خازن شده که خود مسبب عدم عمکلرد درست خازن میشود.

اثر esr در منابع تغذیه :

در منابع تغذیه، عملکرد خازن در ریپل گیری ولتاژ کاهش میابد و سبب افزایش نویز فرکانس بالا شده و درنتیجه موجب کاهش اثر بخشی فیلتر خروجی و  نیز کاهش راندمان و توان خروجی منبع تغذیه میگردد. همچنین esr موجب نوسان ولتاژ خروجی منبع تغذیه و نیز موجب کاهش جریان خروجی به دلیل تلفات خواهد شد.در منابع تغذیه میتوان اثر  esr را کاهش داد و ان هم  با موازی کردن خازن ها میباشد.با موازی کردن خازن ها esr کل کاهش میابد!(افزایش ESR خازن های الکترولیتی شایع ترین علت خرابی در منابع تغذیه سوئیچینگ است.)

اثر esr در مدارات فیلتر فرکانس:

در مدارات فیلتر فرکانس،esr بالا باعث نویز ناخواسته در مدار شده، همچنین موجب تغییر فاز ولتاژ و جریان و عدم عملکرد صحیح مدار فیلتر در فرکانس مدنظر ما میشود.

نمونه تست خازن خراب:

در تصویر زیر تست یک خازن رو میبینید.ظاهر خازن مثل روز اول بود اما حال روز ان را ببینید.مقاومت سری معادل 1.5 کیلو اهم(فوق العاده زیاد!) و کم شدن ظرفیت از 220 میکرو فاراد به 127 میکرو فاراد!

نکته:خازن های وارداتی غیر برند اکثرا هم esr بالایی دارند و نیز ظرفیت ان ها در حالت نو از ظرفیت نوشته شده بر روی ان کمتر است!!!!بارها شده بررسی شده که خازن کهنه اما سالم رو برد از نظر ظرفیت و esr وضعیت بهتری از خازن نو داخل بازار دارد.

******یکی از مشکوک ترین قطعات در برد های الکترونیکی خازن بوده،به همین علت است بعضی خازن ها علارغم ظاهر سالم خازن، در هنگام کارکرد و درفرکانس کاری ان بخش از مدار که خازن قرار گرفته، esr ان ها تغییر کرده و سبب عدم عملکرد درست دستگاه میشود.برای همین  بعضی از تعمیرکاران برای صرفه جویی در وقت و همچین احیای کامل برد((جلوگیری از برگشت برد بعد تعمیر در اینده، تمامی خازن ها برد رو یکدست تعویض مینماید(بستگی به نوع برد دارد))

ضعف طراحی:جایگاه قرار گیری خازن بسیار مهم است بعضی مدارها برای ارزانی فشرده تر طراحی شده و خازن ها در کنار منابع تولید حرارت قرار گرفته و این خازن ها زودتر خراب میشوند(مثلا خازن هایی که در کنار رگولاتور ها یا ترانزیستور های سویچینگ و یا خازن هایی که کنار ترانس هستند)

نحوه رفتار خازن:

به زبان ساده و به طور کلی یک خازن در فرکانس های مختلفی 3 نوع رفتار مختلف(مقاومتی(خطی)،سلفی،خازنی)دارد،در زیر فرکانس تشدید مطابق انتظار عمل میکند(عملکرد خازنی) در فرکانس تشدید  به عنوان یک مقاومت عمل میکند و در بالاتر از فرکانس تشدید  به عنوان یک سلف عمل میکند.به همین دلیل در طراحی مدار باید رفتار خازن در ان فرکانس خاص مورد بررسی و محاسبه قرار بگیرد.که در انجا فارغ از esr باید به پارامتر esl بپردازیم که در ادامه توضیح داده شده است.

بررسی پارامترهای موثر بر esr:

اثر دما بر esr:

جالب است بدانیم که با افزایش دما در خازن های الکترولیت esr کاهش پیدا میکند!مقاومت داخلی خازن با دما نسبت معکوس دارد، بنابراین دمای بالاتر مقاومت کمتری ایجاد می کند ان هم به دلیل تغییرات شیمایی مایع الکترولیت درون خازن است.خازن به صورت نرمال با esr بالا، گرمای بیشتری ایجاد میکند و این گرما مسبب خشک شدن مایع الکترولیت میشود و کاهش طول عمر و خرابی خازن میگردد.و این نکته جالب هم قابل توجه هست که  میبینیم دستگاه الکترونیکی، در ابتدای کار و روشن شدن ابتدایی دچار مشکل است وبه درستی کار نمیکند، اما پس از مدت زمانی نسبتا کوتاه دستگاه دوباره به کار می افتد،علت ان همین موضوع است.

**نکته تعمیراتی:بعضی تعمیرکاران برای شناسایی خازن خراب با هیتر به خازن موقت گرما میدهند این باعث افزایش ظرفیت خازن و کاهش esr(موقت) میشود و ممکن است دستگاه به کار افتد و با این کار خازن معیوب تشخیص داده میشود!

در این گراف اثر دما بر esr مشهود است،در گراف دوم اثر دما بر ظرفیت خازن!

 

در گراف پایین در دمای پایین ظرفیت پایین است و با افزایش دما افزایش می یابد!تلرانس خازن ها معمولا 10 تا 20 درصد است

 

 

اثر فرکانس بر esr:

با افزایش فرکانس esr کاهش میابد اما صبرکنید! در یک فرکانس خاص این رابطه معکوس شده و با افزایش بیشتر فرکانس،esl افزایش میابد.(در واقع در فرکانس بالا، پای پارامتر esl بر روی کار میاید(رفتار خازن به مانند سلف میشود)

ESR در واقع مقاومتی است که یک خازن در مرز بین رفتار و سلفی نشان می دهد. افزایش فرکانس تا قبل از فرکانس تشدید (فرکانس رزونانس خازن Self resonance frequency (SRF)) موجب کاهش esr می شود، اما افزایش بیشتر از فرکانس تشدید،باعث افزایش امپدانس سلفی esl می شود، یعنی خازن رفتاری به مانند سلف خواهد داشت.

به بیان ساده خازن در زیر فرکانس تشدید از فرمول امپدانس خازنی  و در فرکانس بالای تشدید از فرمول امپدانس سلفی پیروی میکند.

فرمول فرکانس رزونانس:

ویا به عبارتی:

این به ان علت است که اندوکتانس سلفی رابطه مستقیم با فرکانس و راکتانس خازنی رابطه معکوس با فرکانس دارد!فرمول های زیر:

فرمول راکتانس خارنی:

 

فرمول اندوکتانس سلفی:

 

*در گراف فوق رفتار انواع خازن در برابر فرکانس های مختلف و esr  مشاهده می کنید.

پس امپدانس کل ما(Z) در خازن شامل 3 پارامترESR،XL،XC خواهد بود:

کدام خازن ها esr کمتری دارند؟

با افزایش ضخامت دی الکتریک ، ESR نیز افزایش می یابد. با افزایش سطح صفحه ذخیره کننده بار الکتریکی ، در صورت باقی ماندن ضخامت صفحه ، ESR پایین می رود. به همین دلیل خازن هایی با ظرفیت بالا esr کمتری دارند.

به طور معمول مقادیر ESR برای خازنهای سرامیکی بین 0.01 و 0.1 اهم و در خازن های الکترولیتی در حد اهم می باشد.که بستگی به تکنولوژی ساخت و کیفیت ساخت دارد.به همین دلیل همیشه توصیه میشود از خازن های برند و با کیفیت استفاده شود.

مثلا در مادر برد ها قبلا از خازن های الکترولیت مایع معمولی استفاده میشد.که شاهد پکیدن انها بودیم.اما تقریبا از سال 2007 استفاده از خازن های پلیمری جامد اجباری شد. این خازن ها دارای esr کمتر و پایداری ،طول عمر زیادی هستند.

 

صرفه نظر از ولتاژ کاری خازن و ظرفیت،ESR ،پارامتر های زیر نیز بسیار مهم هستند:

1.ضریب اتلاف خازن (df)TAN δ) Capacitor Dissipation Factor) که به صورت درصد یا درجه بیان میشود.

2.esl خازن effective series inductance که بر حسب هانری بیان میشود.

3.مقاومت در برابر ولتاژ dc خازن (dcr)(قابل اندازه گیری با تستر های lcr متر)

4.جریان نشتی (leakage current) براساس میکرو امپر(که در یک فرکانس ثابت اندازه گیری میشود)(توجه شود جریان نشتی خازن در فرکانس های مختلف متفاوت است همچنین جریان نشتی وابسته به دما و ولتاژ اعمالی به خازن است.

به طور مثال در گراف زیر اثر افزایش جریان نشتی بر دما رو میبینیم.

5.  ریپل جریان خازن(Rated Ripple (mArms))  که معمولا در دمای حدودا 125 درجه و فرکانس 100 کیلو هرتز بررسی میگردد(که در هر فرکانس متفاوت هست بوده و بعضی از کارخانه ها جدولی کامل از ریپل جریان در برابر فرکانس های مختلف میگذارند تا مصرف کننده انتخاب دقیق تری داشته باشد)

****ضریب اتلاف خازن،esl خازن،جریان نشتی،ریپل جریان خازن از پارامترهای بسیار مهم دیگر خازن هستند.

 

بررسی خازن های الکترولیتی یک برند و مشخصات ان:

به طور مثال برند jwco چین که در ایران عمومیت دارد، رو بررسی میکنیم:

 

 

 

همانطور که مشاهده میکنید سری های مختلفی با کیفیت های مختلف تولید شده اند که با رنگ کاور متفاوت تولید میشوند.مثلا خازن های ابی رنگ تولید شده این کارخانه نسبت به خازن های رنگ مشکلی 5 برابر طول عمر بیشتری دارند! و نکته بعدی که در تصویر مشاهده میشود تفاوت دمای کاری است،برای سایر پارامتر ها هم باید به دیتاشیت تولید کننده مراجعه کنیم.

جدول esr خازن:

 esr خازن ها  باید طبق  دیتاشیت کمپانی سازنده بررسی گردد یا با خازن نو در دسترس مقایسه شود.با این حال جدولی وجود دارد که به صورت کلی میتوان ان را ملاک قرار داد.این جدول یک جدول متداول هست که تعمیرکاران به ان اعتکا میکنند.

همانطور که در جدول بالا و گراف پایین میبینید مقدار esr  در خازن هایی که ظرفیت بیشتری دارند کمتر است.

چه خازنی الکترولیتی انتخاب کنیم؟

بحث ولتاژکاری خازن:

اگر خازن مشابه با همان ظرفیت رو داشتیم اما ولتاژ کاری ان بیشتر بود این مورد مشکلی ندارد و میتوانیم خازن با همان ظرفیت اما ولتاژ بالاتر انتخاب کنیم.مثلا در بعضی از سویچینگ ها از خازن 16 ولت به جای 25 ولت به دلیل قیمت پایین تر استفاده شده و اگر ولتاژ  منبع تغذیه سویچینگ  روی 15 ولت  تنظیم باشد به دلیل اینکه خازن ها در پیک ولتاژ کاری کار میکند زودتر خراب خواهند شد.پس خازن ولتاژ بالا مشکلی ندارد اما هرگز نباید ولتاژ پایین تر انتخاب شود چون  ولتاژ عبوری از خازن بیشتر بوده و با جایگزینی خازن با ولتاژ کمتر،خازن منفجر شود!

بحث ظرفیت:

برای جایگزین کردن خازن دقیقا باید ظرفیت ها یکسان باشد  البته این بستگی به جایگاه قرار گیری خازن دارد مثلا اگر خازن در خروجی تغذیه قرار میگیرد خوب چون نقش صافی و کاهش ریپل را خازن ایفا میکند، انتخاب ظرفیت بالاتر مشکلی ایجاد نمیکند.در سایر موارد ظرفیت باید کاملا یکسان انتخاب گردد.

بحث esr:

یک پارامتر که باعث طول عمر پایین خازن میشود esr بالا ان است.در بخش صافی خروجی ترانس ها یا منابع تغذیه سویچینگ میتوان با جایگذاری خازن با ظرفیت بالاتر اثر esr رو کمتر کرد و طول عمر خازن نسبت به قبل بیشتر میشود.گزینه بعدی  استفاده از خازن هایی که عبارت lowesr بر روی ان درج شده یا طبق کارخانه سازنده رنگ کاور ان متفاوت هست یا سری حروف خاصی بر روی ان درج شده که نشان میدهد این خازن ها esr کمتری دارند و سری خازن های با کیفیت کارخانه سازنده هستند که نتیجه ان طول عمر بالاتر حازن هست

نکته:با موازی کردن خازن ها با هم esr کل کاهش میابد!(به همین دلیل در خروجی صافی منابع تغذیه از چندین خازن استفاده میشود ،این موجب کاهش ریپل خروجی،esr پایین تر و همچنین تلفات کمتر در زمان جریان کشی بالاتر از منبع تغذیه شود.

بحث کیفیت و طول عمر:

با توجه به خازن های متفرقه و بی کیفیت بهتر است برای جلوگیری از برگشتی دستگاه  تعمیر شده،بهتر است از خازن های برند ژاپنی استفاده شود.در غیر اینصورت باید از خازن هایی چینی که عبارت long life بر روی ان درج شده  و یا رنگ کاور ان ها با توجه به شرکت سازنده متفاوت است، جز خازن هایی با طول عمر بالاتر هستند باید انتخاب گردد.طول عمر تخمینی سازنده با توجه به کیفیت ساخت بین 1000 تا 10000 ساعت است .(هر چه دمای محیط کمتر باشد طول عمر خازن بیشتر خواهد شد)خازن های عادی حدود 1000 تا 2000 ساعت طول عمر داشته و longlife ها بین 5000 تا 10000 ساعت،خازن های longlife معمولا esr نصف خازن های معمولی دارند و یکی از علت های عمر دو برابر این خازن ها همین موضوع میباشد.

بحث دما:

با توجه به شرایط کاری که برد دستگاه خواهد داشت میتوان از خازن هایی که تحمل شرایط سخت رو داشته باشند انتخاب کرد.خازن هایی ساخته شده اند که از رنج -55 تا 150 درجه را تحمل کنند.اگر دمای محیط بالاست میتوان از خازن هایی که تحمل درجه حرارت بالا تری داشته باشند انتخاب نمود تا خارن در دمای بالاتر بتواند عملکرد خود را حفظ کند.

باید گفت خازن در برابر دما ظرفیت ان دستخوش تغییر میشود با افزایش دما ظرفیت ان افزایش میبابد این هم به دلیل اینست که به دلیل وجود مایع الکترولیت درون خازن،رسانایی ان افزایش میابد.

بحث تلرانس:

خازن ها عموما 15 تا 20 درصد از نظر ظرفیت تلرانس دارند.و در فرکانس 120 هرتز و دمای 25 درجه گفته میشود(که وابسته به دما نیز میباشد) این نکته هم در طراحی و استفاده باید به ان توجه کرد.

 

معرفی برند های معروف تولید کننده خازن:

برند های ژاپنی:(با کیفیت ترین خازن ها)

Nippon

Rubycon

Elna

Nichicon

Hitachi

Panasonic

Marcon 

Sanyo/Sancon

Tdk

برند های امریکایی:

Avx

Kemet

Vishay

برند های کره ای:

Samwha

Daewoo

Samxon

Samyoung

برند های تایوانی:

Capxon

Elite

Jamicon

Teapo

Gemcon

Taicon

G-luxon

برند های چینی:

Jwco

Chengx

Hitano

LTEC

Jianghai

 

لطفا هر گونه نظری دارید ما را همراه کنید.

بنده سعی کردم تمامی مواردی که مهم هست بیان شود.

این پست به روز رسانی میشود…..