等效串聯電阻
編輯電路中使用的實際電容器和電感器不是僅具有電容或電感的理想元件。但是,它們可以非常近似地視為與電阻串聯的理想電容器和電感器。該電阻定義為等效串聯電阻(ESR)。如果沒有特別說明,ESR始終是一個交流電阻,這意味著它是在指定頻率下測量的,開關模式電源組件為100kHz,線性電源組件為120Hz,一般在其自諧振頻率下測量-應用程序組件。此外,音頻組件可能會以1000Hz報告Q因子,其中包括ESR。
概述
編輯電路理論處理理想的電阻器、電容器和電感器,假設每一個都只對電路貢獻電阻、電容或電感。但是,所有組件都具有這些參數中的每一個的非零值。特別是,所有物理設備都是由具有有限電阻的材料構成的,因此物理組件除了具有其他特性外,還具有一定的電阻。ESR的物理起源取決于所討論的設備。在電路分析中處理這些固有電阻的一種方法是使用集總元件模型將每個物理元件表示為理想元件和串聯小電阻器的組合,即ESR。ESR可以測量并包含在組件的數據表中。在某種程度上,它可以從設備屬性中計算出來。Q因子與ESR相關,有時是比ESR更方便的參數,用于計算實際電感器的高頻非理想性能,在電感器數據表中引用。電容器、電感器和電阻器通常設計為盡量減少其他參數。在許多情況下,這可以做到足夠大,例如,電阻器的寄生電容和電感小到不會影響電路操作。然而,在某些情況下,寄生效應變得很重要,甚至占主導地位。
組件模型
編輯純電容和電感不耗能;任何耗散能量的組件都必須在包含一個或多個電阻器的等效電路模型中進行處理。實際的無源兩端組件可以由一些集總和分布式理想電感器、電容器和電阻器組成的網絡來表示,從某種意義上說,實際組件的行為與網絡一樣。等效電路的某些組件可能會隨條件而變化,例如頻率和溫度。如果由周期性正弦波(交流電)驅動,則組件的特征在于其復阻抗Z(ω)=R+jX(ω);除了主要屬性外,阻抗還可能涉及幾個較小的電阻、電感和電容。這些與器件理想行為的微小偏差在某些條件下會變得很重要,通常是高頻,其中小電容和電感的電抗可能成為電路操作的重要元素。取決于所需的精度,可以使用更小或更大復雜性的模型。對于許多用途,一個電感或電容與ESR串聯的簡單模型就足夠了。這些模型無論多么簡單或復雜,都可以插入到電路中來計算性能。計算機工具可用于復雜電路;例如,SPICE程序及其變體。
電感器
電感器由通常纏繞在鐵磁芯上的導電絕緣線線圈組成。電感器在金屬導體中具有固有的電阻,在數據表中引用為DCR。對于小電感值(通常低于1Ω),該金屬電阻很小。直流線電阻是變壓器和一般電感器設計中的一個重要參數,因為它會影響組件的阻抗,流過該電阻的電流會作為廢熱耗散,并且能量會從電路中損失掉。它可以建模為與電感器串聯的電阻器,通常導致直流電阻被稱為ESR。雖然這不是完全正確的用法,但ESR的不重要元素在電路討論中經常被忽略,使用磁芯增加電感的電感器會在磁芯中產生磁滯和渦流等損耗。在高頻下,由于接近效應和集膚效應,繞組中也會有損耗。這些是線電阻之外的,并導致更高的ESR。
電容器
在非電解電容器和帶有固體電解質的電解電容器中,引線和電極的金屬電阻以及電介質中的損耗會導致ESR。陶瓷電容器的典型ESR值在0.01和0.1歐姆之間。非電解電容的ESR隨著時間的推移趨于相當穩定;在大多數情況下,真正的非電解電容器可以被視為理想元件。采用非固體電解質的鋁和鉭電解電容器具有更高的ESR值,可達數歐姆;較高電容的電解液具有較低的ESR。ESR隨頻率降低至電容器的自諧振頻率。一個非常嚴重的問題,尤其是鋁電解液,是ESR隨著使用時間的推移而增加。盡管測得的電容可能保持在容差范圍內,但ESR可能會增加到足以導致電路故障甚至組件損壞。雖然這發生在正常老化時,但高溫和大紋波電流會加劇問題。在具有顯著紋波電流的電路中,ESR的增加會增加熱量積累,從而加速老化。額定用于高溫操作且質量高于基本消費級部件的電解電容器不易因ESR增加而過早無法使用。便宜的電解電容器在85°C下的額定壽命可能少于1000小時。(一年是8760小時。)從制造商的數據表中可以看出,較高等級的部件通常在最高額定溫度下額定為幾千小時。如果ESR很關鍵,那么指定具有比其他要求更高的額定溫度、低ESR或更大電容的部件可能是有利的。低ESR電容器額定值沒有標準。聚合物電容器的ESR通常低于相同值的濕電解電容器,并且在變化的溫度下保持穩定。因此,聚合物電容器可以處理更高的紋波電流。大約從2007年開始,對于質量更好的計算機主板來說,只使用以前使用過濕式電解液的聚合物電容器變得很普遍。大于約1μF的電容器的ESR很容易用ESR計在電路中測量。
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