Resistencia en serie equivalente - Equivalent series resistance

Los condensadores e inductores prácticos que se utilizan en los circuitos eléctricos no son componentes ideales con solo capacitancia o inductancia . Sin embargo, pueden tratarse, en un muy buen grado de aproximación, como condensadores e inductores ideales en serie con una resistencia ; esta resistencia se define como la resistencia en serie equivalente ( ESR ). Si no se especifica lo contrario, la ESR es siempre una resistencia de CA , lo que significa que se mide a las frecuencias especificadas, 100 kHz para los componentes de la fuente de alimentación de modo conmutado, 120 Hz para los componentes de la fuente de alimentación lineal y en su frecuencia de resonancia automática para los -componentes de aplicación. Además, los componentes de audio pueden informar un " factor Q ", incorporando ESR, entre otras cosas, a 1000 Hz.

Descripción general

La teoría del circuito eléctrico se ocupa de resistencias , condensadores e inductores ideales , y se supone que cada uno de ellos contribuye únicamente con la resistencia, la capacitancia o la inductancia al circuito . Sin embargo, todos los componentes tienen un valor distinto de cero de cada uno de estos parámetros. En particular, todos los dispositivos físicos están construidos con materiales con resistencia eléctrica finita , de modo que los componentes físicos tienen cierta resistencia además de sus otras propiedades. Los orígenes físicos de la ESR dependen del dispositivo en cuestión. Una forma de lidiar con estas resistencias inherentes en el análisis de circuitos es usar un modelo de elementos agrupados para expresar cada componente físico como una combinación de un componente ideal y una pequeña resistencia en serie, la ESR. La ESR se puede medir e incluir en la hoja de datos de un componente . Hasta cierto punto, se puede calcular a partir de las propiedades del dispositivo.

El factor Q , que está relacionado con la ESR y a veces es un parámetro más conveniente que la ESR para usar en los cálculos del rendimiento no ideal de alta frecuencia de los inductores reales, se cita en las hojas de datos de los inductores.

Los condensadores, inductores y resistencias suelen estar diseñados para minimizar otros parámetros. En muchos casos, esto se puede hacer en la medida suficiente para que la capacitancia e inductancia parásitas de una resistencia, por ejemplo, sean tan pequeñas que no afecten al funcionamiento del circuito. Sin embargo, en algunas circunstancias, los parásitos se vuelven importantes e incluso dominantes.

Modelos de componentes

Los condensadores e inductores puros no disipan energía; cualquier componente que disipa energía debe tratarse en un modelo de circuito equivalente que incorpore una o más resistencias. Los componentes reales pasivos de dos terminales se pueden representar mediante alguna red de inductores, condensadores y resistencias ideales agrupados y distribuidos, en el sentido de que el componente real se comporta como lo hace la red. Algunos de los componentes del circuito equivalente pueden variar con las condiciones, por ejemplo, frecuencia y temperatura.

Si es impulsado por una onda sinusoidal periódica ( corriente alterna ), el componente se caracterizará por su impedancia compleja Z (ω) = R + j X (ω); la impedancia puede involucrar varias resistencias, inductancias y capacitancias menores además de la propiedad principal. Estas pequeñas desviaciones del comportamiento ideal del dispositivo pueden volverse significativas bajo ciertas condiciones, típicamente de alta frecuencia, donde la reactancia de pequeñas capacitancias e inductancias puede convertirse en un elemento significativo de la operación del circuito. Se pueden utilizar modelos de menor o mayor complejidad, dependiendo de la precisión requerida. Para muchos propósitos, un modelo simple con una inductancia o capacitancia en serie con una ESR es suficientemente bueno.  

Estos modelos, por simples o complejos que sean, se pueden insertar en un circuito para calcular el rendimiento. Hay herramientas informáticas disponibles para circuitos complejos; por ejemplo, el programa SPICE y sus variantes.

Inductores

Un inductor consiste en una bobina de alambre conductor aislado generalmente enrollado alrededor de un núcleo ferromagnético. Los inductores tienen una resistencia inherente al conductor metálico, citada como DCR en las hojas de datos . Esta resistencia metálica es pequeña para valores de inductancia pequeños (normalmente por debajo de 1 Ω ). La resistencia del cable de CC es un parámetro importante en el diseño de transformadores e inductores en general porque contribuye a la impedancia del componente, y la corriente que fluye a través de esa resistencia se disipa como calor residual y se pierde energía del circuito. Se puede modelar como una resistencia en serie con el inductor, lo que a menudo lleva a que la resistencia de CC se denomine ESR. Aunque este no es un uso exactamente correcto, los elementos sin importancia de ESR a menudo se descuidan en la discusión del circuito, ya que es raro que todos los elementos de ESR sean importantes para una aplicación en particular.  

Un inductor que usa un núcleo para aumentar la inductancia tendrá pérdidas como histéresis y corrientes parásitas en el núcleo. A altas frecuencias también hay pérdidas en los devanados debido a la proximidad y los efectos de la piel . Estos son adicionales a la resistencia del cable y conducen a una ESR más alta.

Condensadores

En un condensador no electrolítico y condensadores electrolíticos con electrolito sólido, la resistencia metálica de los cables y electrodos y las pérdidas en el dieléctrico provocan la ESR. Los valores habituales de ESR para condensadores cerámicos están entre 0,01 y 0,1 ohmios. La ESR de los condensadores no electrolíticos tiende a ser bastante estable a lo largo del tiempo; para la mayoría de los propósitos, los condensadores no electrolíticos reales pueden tratarse como componentes ideales.

Los condensadores electrolíticos de aluminio y tantalio con electrolito no sólido tienen valores de ESR mucho más altos, hasta varios ohmios; los electrolíticos de mayor capacitancia tienen menor ESR. La ESR disminuye con la frecuencia hasta la frecuencia autorresonante del capacitor. Un problema muy serio, particularmente con los electrolíticos de aluminio, es que la ESR aumenta con el tiempo con el uso; La ESR puede aumentar lo suficiente como para causar un mal funcionamiento del circuito e incluso daños en los componentes, aunque la capacitancia medida puede permanecer dentro de la tolerancia . Si bien esto sucede con el envejecimiento normal, las altas temperaturas y la gran ondulación de la corriente agravan el problema. En un circuito con una corriente de ondulación significativa, un aumento en la ESR aumentará la acumulación de calor, acelerando así el envejecimiento.

Los condensadores electrolíticos clasificados para funcionamiento a alta temperatura y de mayor calidad que las piezas básicas de consumo son menos susceptibles de volverse inutilizables prematuramente debido al aumento de la ESR. Un condensador electrolítico económico puede tener una vida útil de menos de 1000 horas a 85 ° C. (Un año equivale a 8760 horas). Las piezas de calidad superior normalmente se clasifican en unos pocos miles de horas a la temperatura nominal máxima, como se puede ver en las hojas de datos de los fabricantes. Si la ESR es crítica, la especificación de una pieza con una clasificación de temperatura más alta, "ESR baja" o una capacitancia mayor que la requerida de otro modo puede ser ventajosa. No existe un estándar para la clasificación del capacitor de "ESR baja".

Los condensadores de polímero generalmente tienen una ESR más baja que los electrolíticos húmedos del mismo valor y son estables a diferentes temperaturas. Por lo tanto, los condensadores de polímero pueden manejar una corriente de ondulación más alta. Desde aproximadamente 2007, se hizo común que las placas base de computadora de mejor calidad usaran solo capacitores de polímero donde anteriormente se habían usado electrolíticos húmedos.

La ESR de los condensadores de más de aproximadamente 1 μF se mide fácilmente en el circuito con un medidor de ESR .

Valores típicos de ESR para condensadores
Tipo 22   µF 100   µF 470   µF
Aluminio estándar 7–30   Ω 2-7   Ω 0,13–1,5   Ω
Aluminio de baja ESR 1–5   Ω 0,3–1,6   Ω
Aluminio macizo 0,2–0,5   Ω
Sanyo OS-CON 0.04–0.07   Ω 0.03–0.06   Ω
Tántalo sólido estándar 1,1–2,5   Ω 0,9–1,5   Ω
Tantalio de baja ESR 0,2-1   Ω 0,08-0,4   Ω
Tántalo de lámina húmeda 2,5–3,5   Ω 1,8–3,9   Ω
Película de lámina apilada <0,015   Ω
Cerámico <0,015   Ω

Ver también

Referencias

enlaces externos