- コンデンサのESR
- コンデンサのESRの測定
- ESRがコンデンサの性能にどのように影響するか
- コンデンサのESL
- コンデンサのESLの測定
- ESLがコンデンサ出力に与える影響
- ESRとESLの実用的な重要性
電子設計で最も使用されている電子部品は、抵抗（R）、コンデンサ（C）、およびインダクタ（L）です。私たちのほとんどは、これら3つの受動部品の基本とその使用方法に精通しています。理論的には（理想的な条件下で）コンデンサは容量性のみを備えた純粋なコンデンサと見なすことができますが、実際には、コンデンサには抵抗性と誘導性の特性が結合されており、寄生抵抗または寄生インダクタンスと呼ばれます。はい、寄生虫のように、この不要な抵抗とインダクタンスの特性はコンデンサの内部にあり、純粋なコンデンサのように動作するのを防ぎます。
したがって、回路を設計する際、エンジニアは主にコンポーネントの理想的な形状を検討します。この場合、静電容量とそれに伴う寄生コンポーネント（インダクタンスと抵抗）もそれと直列であると見なされます。この寄生抵抗は等価直列抵抗（ESR）と呼ばれ、寄生インダクタンスは等価直列インダクタンス（ESL）と呼ばれます。このインダクタンスと抵抗の値は非常に小さいため、単純な設計では無視できます。ただし、一部の高電力または高周波アプリケーションでは、これらの値が非常に重要になる可能性があり、考慮しないと、コンポーネントの効率が低下したり、予期しない結果が出力されたりする可能性があります。
この記事では、このESRとESL、それらを測定する方法、およびそれらが回路にどのように影響するかについて詳しく学びます。これと同様に、インダクタにもDCRと呼ばれるいくつかの寄生特性があります。これについては、別の記事で改めて説明します。
コンデンサのESR
抵抗と直列の理想的なコンデンサは、コンデンサの等価直列抵抗と呼ばれます。コンデンサの等価直列抵抗またはESRは、デバイスの静電容量と直列に現れる内部抵抗です。
コンデンサのESRを表す以下の記号を見てみましょう。コンデンサの記号は、理想的なコンデンサと抵抗を等価直列抵抗として表しています。抵抗はコンデンサと直列に接続されています。
理想的なコンデンサは無損失であるキャパシタストア電荷を意味し、出力としての電荷の同じ量を送達します。しかし、現実の世界では、コンデンサの内部抵抗は有限です。この抵抗は、誘電体、絶縁体またはセパレーターの漏れに起因します。これに加えて、等価直列抵抗またはESRは、その静電容量値と構造に基づいて、さまざまなタイプのコンデンサでさまざまな値を持ちます。したがって、コンデンサの完全な特性を分析するには、このESRの値を実際に測定する必要があります。
コンデンサのESRの測定
コンデンサのESRの測定は、抵抗が純粋なDC抵抗ではないため、少し注意が必要です。これはコンデンサの性質によるものです。コンデンサはDCをブロックし、ACを通過させます。したがって、標準の抵抗計を使用してESRを測定することはできません。コンデンサのESRを測定するのに役立つ、市場で入手可能な特定のESRメーターがあります。これらのメーターは、コンデンサーの両端の特定の周波数の方形波などの交流電流を使用します。信号の周波数の変化に基づいて、コンデンサのESR値を計算できます。この方法の利点は、ESRがコンデンサの2つの端子間で直接測定されるため、回路基板からはんだを除去せずに測定できることです。
コンデンサのESRを計算する別の理論的な方法は、コンデンサのリップル電圧とリップル電流を測定することです。次に、両方の比率がコンデンサのESRの値を示します。ただし、より一般的なESR測定モデルは、追加の抵抗を使用してコンデンサの両端に交流電流源を適用することです。粗製のESRを測定するための回路を以下に示します。
Vsは正弦波源であり、R1は内部抵抗です。コンデンサCは理想コンデンサですが、R2は理想コンデンサCの等価直列抵抗です。このESR測定モデルでは、コンデンサのリードインダクタンスは無視され、の一部とは見なされないことに注意してください。回路。
この回路の伝達関数は、次の式で表すことができます。
上記の式では、回路のハイパス機能が反映されています。伝達関数の近似は、さらに次のように評価できます–
H（s）≈R2/（R2 + R1）≈R2/ R1
上記の近似は、高周波動作に適しています。この時点で、回路は減衰を開始し、減衰器として機能します。
減衰係数は次のように表すことができます–
⍺ = R2 /（R2 + R1）
この減衰係数と正弦波発生器の内部抵抗R1を使用して、コンデンサのESRを測定できます。
R2 = ⍺ X R1
したがって、関数発生器はコンデンサのESRを計算するのに役立ちます。
通常、ESR値は数ミリオームから数オームの範囲です。アルミ電解コンデンサやタンタルコンデンサは、ボックスタイプやセラミックコンデンサに比べてESRが高くなっています。しかし、コンデンサ製造技術の最新の進歩により、超低ESRコンデンサの製造が可能になりました。
ESRがコンデンサの性能にどのように影響するか
コンデンサのESR値は、コンデンサ出力の重要な要素です。高ESRコンデンサは、高電流アプリケーションで熱を放散し、最終的にコンデンサの寿命が短くなります。これは、電子回路の誤動作の原因にもなります。大電流が懸念される電源では、ろ過のために低ESRコンデンサが必要です。
高速回路には、電源関連の動作だけでなく、ESR値の低さも不可欠です。通常、数百MHzから数GHzの範囲の非常に高い動作周波数では、コンデンサのESRが電力供給係数に重要な役割を果たします。
コンデンサのESL
ESRと同様に、ESLもコンデンサの重要な要素です。前に説明したように、実際の状況ではコンデンサは理想的ではありません。浮遊抵抗と浮遊インダクタンスがあります。以下に示すコンデンサの典型的なESLモデル。コンデンサCは理想的なコンデンサであり、インダクタLは理想的なコンデンサと直列に接続された直列インダクタンスです。
通常、ESLは現在のループに大きく依存します。電流ループが増加すると、コンデンサのESLも増加します。リード終端と回路接続ポイント（パッドまたはトラックを含む）の間の距離もコンデンサのESLに影響します。これは、終端距離が長くなると電流ループも大きくなり、等価直列インダクタンスが高くなるためです。
コンデンサのESLの測定
ESLの測定は、コンデンサメーカーのデータシートに記載されているインピーダンス対周波数のプロットを観察することで簡単に行うことができます。コンデンサの両端の周波数が変化すると、コンデンサのインピーダンスが変化します。この状況で、特定の周波数で容量性リアクタンスと誘導性リアクタンスが等しい場合、それは「ニーポイント」と呼ばれます。
この時点で、コンデンサは自己共振します。コンデンサのESRは、コンデンサが「ニー」スポットに到達するまで、または自己共振周波数でインピーダンスプロットを平坦化するのに役立ちます。ニーポイントの後、コンデンサのESLにより、コンデンサのインピーダンスが増加し始めます。
上の画像は、MLCC（多層セラミックコンデンサ）のインピーダンス対周波数のプロットです。100nF、1nF X7Rクラス、1nFのNP0クラスコンデンサの3つのコンデンサが示されています。「膝」スポットは、V字型プロットの下部ポイント全体で簡単に識別できます。
ニーポイント周波数が特定されると、ESLは次の式で測定できます。
周波数= 1 /（2π√（ESLx C））
ESLがコンデンサ出力に与える影響
コンデンサの出力は、ESRと同様に、ESLの増加によって低下します。ESLの増加は、不要な電流の流れに寄与し、EMIを生成します。これにより、高周波アプリケーションでさらに誤動作が発生します。電源関連システムでは、寄生インダクタンスが高いリップル電圧に寄与します。リップル電圧はコンデンサのESL値に比例します。コンデンサのESL値が大きいと、リンギング波形が発生し、回路の動作がおかしくなる可能性があります。
ESRとESLの実用的な重要性
以下の画像は、コンデンサのESRとESLの実際のモデルを示しています。
ここで、コンデンサCは理想的なコンデンサ、抵抗Rは等価直列抵抗、インダクタLは等価直列インダクタンスです。これら3つを組み合わせて実際のコンデンサを作ります。
ESRとESLはコンデンサの特性としてはそれほど快適ではないため、特に高周波および大電流のアプリケーションでは、電子回路のさまざまな性能が低下します。 ESR値が高いと、ESRによる電力損失が原因でパフォーマンスが低下します。電力損失は、べき乗則I 2 Rを使用して計算できます。ここで、RはESR値です。これだけでなく、オームの法則に従ってESR値が高いため、ノイズや高電圧降下も発生します。最新のコンデンサ製造技術は、コンデンサのESRおよびESL値を低減します。今日のSMDバージョンの多層コンデンサには大きな改善が見られます。
低いESR及びESL値のコンデンサは、スイッチング電源回路における出力フィルタとして好ましい、またはスイッチング周波数は、典型的に近いいくつかのMHに、これらの場合に高いためSMPSは設計Z数百kHzの範囲。このため、低周波リップルが電源ユニットの全体的な性能に影響を与えないように、入力コンデンサと出力フィルタコンデンサは低いESR値である必要があります。コンデンサのインピーダンスが電源のスイッチング周波数と相互作用しないように、コンデンサのESLも低くする必要があります。
ノイズを抑制し、出力フィルタ段の数を少なくする必要がある低ノイズ電源では、高品質の超低ESRおよび低ESLコンデンサが、スムーズな出力と負荷への安定した電力供給に役立ちます。このような用途では、ポリマー電解質が適切な選択であり、一般的にアルミニウム電解コンデンサよりも好まれます。