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. باید مقدار ان صفر باشد اما در واقعیت اینطور نیست. 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 ، محلول 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 ویا 120 هرتز مشخص میکنند(در دمای معین حدود 20 درجه).

چرا esr برای ما مهم است؟

esr بالا سبب اتلاف انرژی در خازن، کاهش عملکرد و پایداری،راندمان خازن،کاهش ظرفیت خازن، تاثیر مخرب بر میزان شارژ و دشارژ خازن(ثابت زمانی خازن) ،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، عملکرد خازن در ریپل گیری ولتاژ کاهش میابد و سبب افزایش نویز فرکانس بالا در منابع تغذیه می گردد و درنتیجه کاهش اثر بخشی فیلتر را خواهیم داشت.

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 باعث کاهش ظرفیت خازن و افزایش مقاومت esr میشود. به همین دلیل استفاده از یک خازن با کیفیت و با esr کم در مداراتی مانند مدارات رادیویی،فیلتر ها، و…، فراتر از میزان پارامتر ولتاژ کاری و ظرفیت برای ما اهمیت دارد.

همچین خشک شدن مایع الکترولیت باعت افزایش جریان نشتی خازن شده که خود مسبب عدم عمکلرد درست خازن 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 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 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 esr کاهش پیدا میکند!خازن به صورت نرمال با esr بالا، گرمای بیشتری ایجاد میکند و این گرما مسبب خشک شدن مایع الکترولیت میشود.و این نکته جالب هم قابل توجه هست که  میبینیم دستگاه در ابتدای کار دچار مشکل است اما پس از مدت زمانی نسبتا کوتاه دستگاه دوباره به کار می افتد.علت ان همین موضوع است.

 

در این گراف اثر دما بر esr مشهود است.همچنین، اثر فرکانس بر esr نیز مشخص شده که در ادامه توضیح خواهم داد.

 

اثر فرکانس بر esr:

با افزایش فرکانس esr کاهش میابد اما در یک فرکانس خاص این رابطه معکوس شده و با افزایش بیشتر فرکانس، esr افزایش میابد.(در واقع پای پارامتر esl بر روی کار میاید که در ادامه توضیح خواهم داد(رفتار خازن به صورت سلفی میشود)

طبق تصویر بالا تا قبل از فرکانس رزونانس ما رفتار خازنی داریم(esr رو به کاهش)،در فرکانس رزونانس و مرکز گراف، این رابطه خطی شده و با افزایش بیشتر فرکانس، رفتار سلفی داریم که esr افزایش میابد.

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.

***به همین دلیل خازن یکی از مشکوک ترین قطعات در بین تعمیرکاران میباشد!

 

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.

 

پارامتر esl  خازن چیست؟

مقدمات بالا بر این بود که  به  این پارامتر برسیم.ESL ،مخفف effective series inductance است میزان راکتانس  سلفی خارن است.

در واقع یک خازن واقعی شامل راکتانس خازنی بر حسب اهم و راکتانس سلفی براساس هانری(نانو و میکرو هانری) میباشد.

 

به طور مثال در تصویر زیر اثر فرکانس بر روی یک خازن 10 میکرو فاراد رو مشاهده میکنید که در برابر فرکانس های متفاوت امپدانس سلفی ان متفاوت هست.

پارامتر ضریب اتلاف (df)TAN δ) Capacitor Dissipation Factor) خازن  چیست؟

در حالت ایده ال باید خازن هیچ تلفاتی نداشته باشد اما در واقعیت اینگونه نیست. استنباط این تلفات به نام ضریب اتلاف خازن (df) Capacitor Dissipation Factor بیان میشود و معمولا در فرکانس 120 هرتز  توسط کارخانه های سازنده بیان و بررسی میشود.هر دو پارامتر esr و df به افت توان درخازن مربوط میشوند و از پارامترهای بسیار مهم هستند.

باید به این نکته اشاره کنیم که اختلاف فاز ولتاژ و جریان خازن 90- درجه است.یعنی جریان 90 درجه از ولتاژ عقب تر است.خوب ما این را با تتا (θ) بیان میکنیم.

*****در تستر های lcr متر این پارامتر قابل محاسبه است و با حرف θ نشان داده میشود.

 

اما به دلیل ایده ال نبودن خازن مخصوصا در فرکانس بالا این میزان انحراف و تغییر فازی که ایجاد میشود را با حرف یونانیTan delta (δ) بیان میکنند.

که به دلیل وجود همان esr ،esl،جنس دی الکتریک، میباشد.

 

 

ضریب اتلاف خازن به صورت مستقیم بر عملکرد خازن اثر گذار است و در واقع ضریب اتلاف خازن (DF)  پایین نشان دهنده این است که انرژی کمتری به صورت گرما هدر میرود،و هرچه کمتر باشد نشانه قابلیت پایداری،ثبات و دوام خازن و طول عمر بالای ان در اینده خواهد بود.ضریب اتلاف بالا  منجر به تولید گرمای بیشتری در خازن شده و میتواند تاثیر مستقیم بر شارژ و دشارژ خارن ایجاد کند و احتمال خرابی را افزایش بدهد.df معمولا به صورت اعشار یا درصد بیان می شود.

  • طبق فرمول، نسبت esr به راکتانس خازن میباشد.همانطور که در گراف پایین و فرمول میبنید با افزایش فرکانس ضریب اتلاف بالا میرود.

 

در چه مداراتی ضریب اتلاف اهمیت ویژه ای دارد؟

در مدارات صوتی،RF، الکترونیک قدرت،سویچینگ ها و مدارات فرکانس بالا بهتر است از خازنی با کمترین ضریب اتلاف استفاده شود.مثلا ضریب اتلاف بالا در مدارات صوتی موجب اعوجاج و نویز ناخواسته در خروجی  شده و کیفیت صدا و شفافیت ان را پایین می اورند،در منابع تغذیه سویچینگ،اینورتر ها و کانورتر ها، ضریب اتلاف بالا موجب کاهش کلی راندمان  و منجر به افزایش گرما بیش از حد میشود که به طور مستقیم میتواند طول عمر کل قطعات را کم کند.

در مدارات رادیویی و rf استفاده از خازن با ضریب اتلاف بسیار کم،برای حفظ خلوص سیگنال و تمیزی ان بسیار مهم است و نتیجه ان عدم ایجاد تضعیف و اعوجاج در فرکانس های بالا میباشد.

ضریب اتلاف وابسته به فرکانس است با افزایش فرکانس esr افزایش یافته و در نتیجه ضریب اتلاف خازن نیز بیشتر میشود.

برای مثال خازن jwco سری hgd کارخانه سازنده در دیتاشیت این خازن ضریب اتلاف را بیان کرده است:

*****در تستر های lcr متر بازار این پارامتر با حرف d نشان داده و با دستگاه قابل اندازه گیری در فرکانس های مختلف است(در این مورد در پستی مجزا توضیح خواهم داد)

 

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

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

2.طول عمر تخمینی سازنده با توجه به کیفیت ساخت(بین 1000 تا 10000 ساعت)(معمولا رنگ کاور ان خازن ها متفاوت هست)(و یا مدل ان ها با دو حرف بر روی خازن نوشته میشود)(هر چه دمای محیط کمتر باشد طول عمر خازن بیشتر خواهد شد)

3. دمای کاری خازن که از رنج حدودا  55- تا 150 درجه سانتی گراد ساخته شده اند.

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.

4.تلرانس که حدودا 15 تا 20 درصد هست و در فرکانس 120 هرتز و دمای 25 درجه گفته میشود(که وابسته به دما نیز میباشد)

5.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.

6.  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)

****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 مبینید مقدار esr با افزایش ظرفیت کاهش پیدا میکند.

 

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 سویچینگ زنبوری روی 15 ولت 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 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!)

بحث کیفیت:

با توجه به خازن های متفرقه و بی کیفیت بهتر است برای جلوگیری از برگشتی دستگاه 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.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 دوبرابر این خازن ها همین موضوع میباشد.

 

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…..