Capacitor ESR, Fator de Dissipação, Tangente de Perda e Q
Parâmetros importantes associados aos capacitores incluem: ESR – resistência em série equivalente, fator de dissipação, tangente de perda e Q.
_______________________________________________________________________
O tutorial de capacitância inclui:
Capacitância | Fórmulas de capacitores | Reatância capacitiva | Capacitores Paralelos e Série | Constante dielétrica e permissividade relativa | Fator de dissipação, tangente de perda, ESR | Tabela de conversão de capacitores
_______________________________________________________________________
ESR ou a resistência em série equivalente do capacitor, seu DF ou fator de dissipação, tangente de perda e Q ou fator de qualidade são fatores importantes na especificação de qualquer capacitor.
Fatores como ESR, fator de dissipação, tangente de perda e Q são importantes em muitos aspectos da operação de um capacitor e podem determinar os tipos de aplicação para os quais o capacitor pode ser usado.
Como os quatro parâmetros estão interligados, ESR, DF, tangente de perda e Q serão abordados nesta página.
ESR, DF e Q são todos aspectos do desempenho de um capacitor que afetarão seu desempenho em áreas como operação de RF. No entanto, ESR e DF também são particularmente importantes para capacitores operando em fontes de alimentação onde um alto ESR e fator de dissipação, DF resultará em uma grande quantidade de energia sendo dissipada no capacitor.
CAPACITOR ESR, RESISTÊNCIA EM SÉRIE EQUIVALENTE
A resistência em série equivalente ou ESR de um capacitor tem impacto em muitas áreas onde os capacitores podem ser usados.
O resistor em série equivalente atua como qualquer outro resistor dando origem a quedas de tensão e dissipando calor. Isso significa que o capacitor não é o capacitor perfeito que muitos de nós poderíamos esperar que fosse.
O ESR do capacitor é responsável pela energia dissipada na forma de calor e é diretamente proporcional ao DF. Ao analisar um circuito completamente, um capacitor deve ser descrito como seu circuito equivalente, incluindo o capacitor ideal, mas também com sua série ESR.
A resistência em série equivalente é causada por vários fatores, incluindo as perdas ôhmicas nos terminais e nas próprias placas, bem como perdas no material dielétrico usado entre as placas do capacitor.
Embora possa haver um foco na resistência em série equivalente ou tanδ de um capacitor, também vale a pena lembrar que o circuito equivalente de um capacitor também inclui outros valores de componentes eletrônicos equivalentes. Pode incluir uma indutância em série equivalente, bem como uma resistência em paralelo.
Em muitos casos, esses outros componentes podem não ser aplicáveis e podem complicar as considerações e a ESR pode ser abordada por conta própria, embora vale a pena lembrar que os outros elementos do circuito eletrônico também existem.
Capacitores com altos valores de ESR dissiparão energia como calor. Para alguns circuitos com apenas valores baixos de corrente, isso pode não ser um problema, no entanto, em muitos circuitos, como circuitos de suavização de fontes de alimentação, onde os níveis de corrente são altos, os níveis de potência dissipados pelo ESR podem resultar em um aumento significativo da temperatura.
Isso precisa estar dentro dos limites operacionais do capacitor, caso contrário, podem ocorrer danos e isso precisa ser incorporado ao projeto do circuito. Se o aumento de temperatura for muito alto, o capacitor pode ser danificado permanentemente ou até mesmo destruído.
Para capacitores eletrolíticos que tendem a ser os tipos usados em aplicações de corrente mais alta, aumentos significativos de temperatura aumentam os efeitos do envelhecimento e, portanto, reduzem a vida útil esperada, mesmo que não resultem em danos ou destruição reais. Isso demonstra a necessidade de estar ciente do ESR ao selecionar o componente eletrônico certo para um determinado projeto de circuito eletrônico
Verifica-se que quando a temperatura de um capacitor aumenta, geralmente o ESR aumenta, embora de maneira não linear. O aumento da frequência também tem um efeito semelhante.
Obviamente, o ESR de um capacitor precisa ser o mais baixo possível para todos os projetos de circuitos eletrônicos, para que a operação do capacitor seja o mais próximo possível do ideal. No entanto, em circuitos eletrônicos, como capacitores de suavização em fontes de alimentação, onde os níveis de corrente podem ser altos e as resistências da fonte precisam ser baixas, o ESR pode ser um fator significativo na seleção do componente eletrônico correto.
FATOR DE DISSIPAÇÃO E TANGENTE DE PERDA
Embora a figura ESR de um capacitor seja mencionada com mais frequência, o fator de dissipação e a tangente de perda também são amplamente utilizados e intimamente associados ao capacitor ESR.
Embora o fator de dissipação e a tangente de perda sejam efetivamente os mesmos, eles adotam visões ligeiramente diferentes que são úteis ao projetar diferentes tipos de circuito. Normalmente, o fator de dissipação é usado em frequências mais baixas, enquanto a tangente de perda é mais aplicável para aplicações de alta frequência.
DEFINIÇÕES DE FATOR DE DISSIPAÇÃO E TANGENTE DE PERDA
Para entender melhor tanto o fator de dissipação quanto a tangente de perda é necessário fornecer definições concisas para esses termos.
Primeiro, vamos ver a definição do fator de dissipação:
Definição do fator de dissipação:
O fator de dissipação é definido como o valor da tendência dos materiais dielétricos de absorver parte da energia quando um sinal AC é aplicado.
A partir disso, pode-se ver que o fator de dissipação do capacitor olha mais para a maneira como o dielétrico, especialmente, do capacitor absorve energia.
A tangente de perda aborda a mesma questão, mas do ponto de vista do ângulo de fase questões relacionadas à absorção de energia. Esta figura tende a ser usada mais amplamente em cenários de projeto de circuitos de RF.
Definição de tangente de perda:
A tangente de perda é definida como a tangente da diferença do ângulo de fase entre a tensão do capacitor e a corrente do capacitor em relação ao valor teórico de 90 graus antecipado, sendo esta diferença causada pelas perdas dielétricas dentro do capacitor. O valor δ (letra grega delta) também é conhecido como ângulo de perda.
A partir do diagrama e definição da tangente de perda do capacitor, pode-se ver que a seguinte equação pode ser derivada.
Onde:
δ = ângulo de perda (letra grega delta)
DF = fator de dissipação
Q = fator de qualidade
ESR = resistência série equivalente
X c = reatância do capacitor em ohms.
CAPACITOR Q
É conveniente definir o Q ou Fator de Qualidade de um capacitor. É uma expressão fundamental das perdas de energia em um sistema ressonante. Essencialmente para um capacitor é a razão entre a energia armazenada e a dissipada por ciclo.
Pode-se ainda deduzir que o Q pode ser expresso como a razão da reatância capacitiva para o ESR na frequência de interesse:
Onde
Q = o fator de qualidade do capacitor te
X c = a reatância capacitiva do capacitor em Ohms
ESR = resistência série equivalente em Ohms
Como Q pode ser medido com bastante facilidade e fornece medições repetíveis, é um método ideal para quantificar a perda em componentes de baixa perda.
O capacitor Q é um parâmetro importante para circuitos como filtros e osciladores. Nesses circuitos, quaisquer perdas resultarão em Q reduzido para o próprio capacitor e para todo o circuito ressonante do filtro ou oscilador. Isso pode resultar em desempenho reduzido.
EFEITOS DA ESR
A resistência em série equivalente é geralmente associada a capacitores eletrolíticos e, muitas vezes, a capacitores de tântalo, porque esses componentes eletrônicos geralmente têm valores mais altos de capacitância e a construção desses capacitores leva a valores relativamente altos de resistência em série.
Os capacitores eletrolíticos são frequentemente usados como reservas de energia em fontes de alimentação, etc., para armazenar energia que será fornecida quando a forma de onda de tensão retificada cair em valor em partes do ciclo, etc.
Eles também podem ser usados em reguladores de comutação para remover picos de comutação, etc.
Em ambos os casos, as perdas devido ao ESR reduzirão a capacidade do capacitor de fornecer ou absorver carga rapidamente.
Para circuitos eletrônicos em que o capacitor é usado na entrada, o ESR aumenta o ruído de alta frequência no capacitor e isso diminui a eficácia da filtragem do capacitor. Se o capacitor for usado para suavização de saída, etc., um ESR mais alto causará mais ondulação, pois o capacitor não poderá afundar e fornecer a quantidade necessária de corrente.
O ESR de um capacitor é particularmente importante em projetos de circuitos eletrônicos que possuem baixo ciclo de trabalho com pulsos de corrente de alta frequência. Nesses casos, a tensão de ondulação resultante do nível mais alto de ESR será maior do que o esperado com base apenas na capacitância.
Também pode ser encontrado que o ESR diminuirá com o aumento da temperatura e isso pode significar que a ondulação diminui à medida que o conjunto aquece.
Outro problema em alguns casos é que o elemento resistivo no que pode ser assumido como um circuito puramente reativo pode levar a mudanças inesperadas na resposta de fase, e isso pode afetar a estabilidade de alguns projetos de circuitos eletrônicos.
ESPECIFICAÇÕES ESR
A resistência em série equivalente é importante em muitos projetos de circuitos eletrônicos e, portanto, alguns capacitores são fabricados especificamente para fornecer um baixo ESR. Embora o ESR seja importante, nem sempre parece haver uma maneira consistente de especificar o ESR e isso pode dificultar a comparação de um capacitor com outro.
Como a ESR depende da temperatura de operação e da frequência, existem várias variáveis na especificação. É aqui que a forma como os diferentes fabricantes apresentam as suas especificações é diferente.
A especificação mais comum é para o ESR a 25°C e uma frequência de 100Hz, que é o dobro da frequência de alimentação da linha na Europa, etc. Às vezes, uma fórmula é apresentada para permitir que o ESR seja calculado em outras frequências.
Outros fabricantes de capacitores podem fornecer os dados de outras maneiras, embora algumas vezes forneçam métodos para calcular o ESR nos pontos de operação necessários. Em tudo isso pode se tornar um pouco confuso.
Também é interessante notar que para capacitores de tamanho e capacitância-tensão comparáveis, classificação CV, verifica-se que o componente eletrônico com maior capacitância e menor tensão nominal terá menor ESR. Além disso, o ESR tende a ser menor para capacitores eletrolíticos de alumínio com caixas longas e finas, porque a resistência da folha é reduzida.
Um outro ponto a ser observado é que os capacitores com tamanhos gerais de caixa maiores às vezes podem ter um ESR menor, pois a espessura da folha pode ser maior.
Capacitor ESR, fator de dissipação, tangente de perda e Q são aspectos importantes da perda dentro de um capacitor. Eles estão todos ligados e essencialmente diferentes métodos de olhar para o mesmo problema. No entanto, eles são usados em diferentes áreas do projeto de circuito, como capacitores ESR, fator de dissipação, tangente de perda e Q são vistos nas folhas de especificações, mas para diferentes capacitores usados em diferentes áreas.
0 Comentários