I metodi e problemi della misura dell’ESR dei Condensatori

Ci sono molti vari tipi di condensatori con molti parametri diversi; ciascuno è adatto a una vasta gamma di applicazioni. Come il requisito di frequenza operativa aumenta, i sistemi elettronici si ridimensionano e l’utilizzo della potenza diventa più critico; i più importanti parametri sono il fattore di qualità (Q) e la resistenza in serie equivalente (ESR). La Misura e caratterizzazione dei condensatori ceramici multistrato (MLCC) per questi parametri è impegnativa, e con la limitata standardizzazione dei metodi di test, il confronto di gamme o concorrenti è difficile. In questo articolo, Knowles affronta la misura di ESR di MLCC con  alto Q, probabilmente il parametro più richiesto,  descrivendo i metodi di test in uso e come misurare i dati pubblicati nei datasheet dell’azienda.

Q, ESR, Potenza

Q è il fattore di qualità, il reciproco del fattore di dissipazione (DF), e rappresenta le perdite del condensatore.

Più alto è il Q, minore è il DF e minore è la perdita. ESR è la resistenza in serie equivalente (RS), che rappresenta la resistenza effettiva della corrente RF. L’ESR comprende le proprietà di perdita sia del dielettrico che degli elettrodi.

in cui f è la frequenza (Hz), C la capacità (F) e XC (Ω) la reattanza capacitiva. Poi,

La potenza dissipata nel condensatore (W) è dato da

dove I (A) è la corrente RMS che scorre nel condensatore.
Conoscere il valore di ESR è importante perché determina l'idoneità del componente per l'uso in applicazioni di potenza RF. Se il valore della ESR è troppo alto, l'auto-riscaldamento a causa di perdite I2R sarà troppo grande, e il componente si surriscalderà e si guasterà. L'ESR consente inoltre di calcolare  il livello massimo di corrente del componente.  A titolo di esempio, si consideri una stazione base di telefonia cellulare che opera nella banda GSM900 a 940 MHz. Un condensatore di 47 pF con alto Q, con un ESR di circa 0,088 Ω a 940 MHz, viene utilizzato come condensatore di accoppiamento in questo sistema a 50 Ω. La potenza RF incidente sul condensatore è 40 W. Utilizzando  P = I2R, dove R = Z + ESR, per trovare la corrente di cortocircuito, si ricava 0.89 A. Per trovare la potenza dissipata nel condensatore, mettiamo questo valore di corrente di nuovo in P = I2 R, dove R = ESR, si ricava 70 mW. La potenza dissipata nel condensatore è semplicemente derivata dal rapporto fra ESR e l’impedenza totale del circuito moltiplicato per la potenza del sistema:

Per valori di ESR significativamente inferiori al valore di Z, vi è una trascurabile modifica dell’impedenza complessiva del circuito; essa può essere ignorata, lasciando

Utilizzando gli stessi calcoli con 47 pF, ultra-basso ESR, con ESR = 0,07 Ω a 940 MHz, la potenza dissipata nel condensatore è di 56 mW, una riduzione del 20 per cento. Questo condensatore permette al sistema di funzionare più freddo o a potenza superiore.
Diverse combinazioni di dielettrici ed elettrodi comporteranno diversi livelli di Q e ESR. Alle frequenze più basse, il materiale dielettrico è il fattore dominante; le perdite del metallo diventano più importanti a frequenze più elevate. I materiali X7R sono utilizzati a basse frequenze e tipicamente hanno un DF da circa 1 a 2 per cento, misurato a 1 kHz, che corrisponde ad un Q da 50 a 100. Materiali C0G/NP0 hanno Q tra 600 e 1000, misurato a 1MHz. In condizioni di laboratorio, la misura di Q a 1 MHz può mostrare valori più alti di 10.000 o superiore.
Tuttavia, per scopi pratici, il limite per il test al 100 per cento in apparati ad alta velocità è circa 2000. La misura al 100 percento di Q non è pratica sopra 1 MHz. ponti di capacità e misuratori LCR non sono abbastanza precisi e, quando combinati con i cavi e contatti, una veloce misura ad alta frequenza non è possibile. Essa, però, è necessaria per valutare Q e ESR intorno alla frequenza operativa. Inoltre, esiste il rischio di variazioni nei test e problemi di precisione che possono causare problemi di interpretazione dei dati. [...]

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