Low ESR Kondansatör Nedir?

Konu başlığımıza ismini veren, spesifik bir kondansatör çeşidi olan low ESR kondansatörlere giriş yapmadan önce kondansatörün kısaca tanımını, türlerini ve önemli özelliklerini ele alalım.

 

Kondansatör

 

Kondansatör, enerjiyi bir elektrik alanında elektrostatik olarak depolamak için kullanılan pasif, iki terminalli bir elektrik bileşenidir. Kondansatörler gerçekte çeşitli formlara sahiptir, ancak hepsi bir dielektrik (yani yalıtkan) ile ayrılmış en az iki elektrik iletkeni (plaka) içerir. İletkenler ince metal filmler, alüminyum folyo veya diskler vb. olabilir. Dielektrik, kondansatörün yük kapasitesini artırmaya yönelik davranır.

İletkenler arasında potansiyel bir fark olduğunda, dielektrik boyunca bir elektrik alanı oluşur. Böylece bir plaka üzerinde pozitif yük (+Q) ve diğer plaka üzerinde negatif yük (-Q) toplanmasına neden olur.

 

Kondansatörler doğru akım (DC) iletmezler, ancak alternatif akımı (AC) iletme özelliğine sahiptirler. Bu özelliklerine dayanarak çoğu devrede farklı amaçlar için kullanılırlar. Güç kaynağı devrelerinde filtreleme, rezonans devrelerinde istenilen frekansın üretilmesi, enerji iletim hatlarında gerilim regülasyonu ve güç akışının kontrolü için kullanılırlar.

 

Şekil 1. Çeşitli kondansatör türleri

 

Kondansatör çeşitleri aşağıda listelenmiştir:

• Seramik Kondansatörler: Yüksek stabilite performansları için kullanılırlar ve kayıpların düşük olduğu cihazlarda bulunurlar.
  
• Elektrolitik Kondansatörler: Büyük kapasitansları ve küçük boyutları nedeniyle dalgalanma gerilimini azaltmaya yardımcı olmak veya kuplaj/dekuplaj uygulamaları için kullanılırlar.
• Tantal Kondansatörler: Hacim başına düşen yüksek kapasitansları (daha küçük boyutlara izin verir), düşük eşdeğer seri dirençleri (ESR) ve yüksek stabiliteleri için kullanılırlar. 
• Mika Kondansatör: Kararlılıkları, güvenilirlikleri ve küçük değerleri için kullanılırlar. Yüksek frekanslı uygulamalarda düşük kayıplı mika kondansatörlerin kullanılması göz önünde bulundurulur. 
• Trimer Kondansatörler: Bir devredeki osilatör frekans değerlerini, gecikme sürelerini, yükselme ve düşme sürelerini ve diğer değişkenleri başlangıçta ayarlamak için kullanılırlar. Kapasiteleri ayarlanabilir. 
• Süper Kondansatörler: Süper kondansatörler, birçok hızlı şarj/deşarj döngüsü gerektiren uygulamalarda kullanılır. 12kF (12.000 Farad) gibi çok yüksek kapasite değerlerine sahip olabilen kondansatörlerdir.

 

Şekil 2. Alüminyum elektrolitik kondansatörün iç yapısı

 Kondansatör seçiminde dikkat edilmesi gereken teknik değerler aşağıda listenmiştir:

• Kapasitans Derecesi: Kondansatörler çoğunlukla 1 pF ila 0.1 F aralığında üretilir. Gerekli değerler devrenin ihtiyacına bağlıdır ve hesaplanmalıdır. 
• Çalışma Voltajı: Genel kural, her zaman kullanıldığı devreden daha yüksek çalışma voltajına sahip bir kondansatör kullanmaktır. Bu, özellikle yüksek değerli elektrolitik kondansatörlü güç kaynağı devrelerinde önemlidir. Çalışma voltajı her zaman devrenin tepe çalışma voltajını minimum %20 oranında aşmalıdır.
• Polarizasyon: Polarize kondansatörler pozitif ve negatif terminallerle işaretlenmiştir. Bu kutuplar devreye bağlanırken referans alınır. 
• Tolerans: Osilatör devreleri gibi yüksek hassasiyetle oluşturulmuş devreler, tam değerini sağlayabilecek kondansatörler ile kullanılmalıdır. Aksi takdirde devre istenilen çıkışı vermeyebilir. 
• Sıcaklık Katsayısı: Tüm fiziksel devre elemanları gibi kondansatörlerin değerleri de sıcaklığa bağlı olarak değişir. Bu değişiklik ppm/°C olarak ifade edilir. Kapasite sıcaklığa bağlı olarak artabilirken, tersi de söz konusu olabilir. 
• Kaçak Akım: Bazı kondansatör tiplerinde dielektrik malzemeden belirli bir miktar kaçak akım geçer ve bu nedenle normal deşarj süresinden daha kısa sürede deşarj olabilir. Tantal kondansatörler düşük kaçak akımla üretilebilir ve zamanlama devrelerinde bu tip kondansatör tercih edilir.

 

Eşdeğer Seri Direnç (ESR)

 

Gerçek bir kondansatör, ideal olmayan bir bileşendir. Devre modeli, seri endüktans (ESL) ve seri direnç (ESR) içerir. Eşdeğer seri direnç, devre modellerinde genellikle sabit bir değer olarak gösterilse de, çalışma koşullarına bağlı olarak değişiklik gösterir. ESR, belirli çalışma koşulları altında enerji kaybı mekanizmalarının bir kombinasyonundan kaynaklanan dirençtir.

 

Hemen hemen tüm kondansatörler, kondansatörün yapısına, dielektrik malzemelerine, kalitesine ve güvenilirliğine bağlı olarak değişen derecelerde ESR özelliği gösterir. Eşdeğer seri direnç (ESR) değerleri birkaç miliohmdan birkaç ohm'a kadar değişir ve güç kayıplarına, verimliliğin düşmesine ve güç kaynakları ve regülatör devrelerinin kararsızlığına neden olur.

Şekil 3. Kondansatör eşdeğer devresi

Çeşitli kayıpların ve kapasitans değerinin birleştirilmesi kapsamında ESR, kondansatörün şarj ve deşarj edilmesi için bir zaman sabitini tanımlar. Dolayısıyla kondansatörün voltaj/akım değişiklikleri/dalgalanma üzerine ne kadar hızlı tepki vereceğini de tanımlamış olur. Gerçek yumuşatma (smoothing) uygulamalarında kondansatör teknolojileri paralel olarak birleştirilir; burada yüksek kapasitanslı parçalar bulk filtrelemeyi (alüminyum veya tantal kondansatörler) ve düşük ESR'lı küçük MLCC kondansatörleri hızlı, yüksek frekans artışlarını halleder.

 

ESR ölçülebilir ve bir bileşenin datasheet dokümanına dahil edilebilir. Bir dereceye kadar cihaz özelliklerinden  hesaplanabilir.

Tablo 1. Farklı kondansatör tipleri için tipik ESR değerleri

Elektrolitik olmayan bir kondansatörde ve solid elektrolitli elektrolitik kondansatörlerde, iletkenlerin ve elektrotların metalik direnci ve dielektrikteki kayıplar ESR'a neden olur. Seramik kondansatörler için tipik olarak belirtilen ESR değerleri 0,01 ile 0,1 ohm arasındadır. Elektrolitik olmayan kondansatörlerin ESR'ı zaman içinde oldukça kararlı olma eğilimindedir; çoğu amaç için gerçek elektrolitik olmayan kondansatörler ideal bileşenler olarak kabul edilebilir.

 

Şekil 4. Low ESR kondansatör

Non-solid elektrolitli alüminyum ve tantal elektrolitik kondansatörler, birkaç ohm'a kadar çıkabilen yüksek ESR değerlerine sahiptir; daha yüksek kapasitanslı elektrolitikler daha düşük ESR'a sahiptir. ESR, kondansatörün self-rezonans frekansına kadar frekansla azalır. Özellikle alüminyum elektrolitiklerle ilgili çok ciddi bir sorun, ESR'ın kullanımla birlikte zamanla artmasıdır. Bu nedenle ESR, devre arızasına ve hatta bileşen hasarına neden olacak kadar artabilir, ancak aynı esnada ölçülen kapasitans tolerans dahilinde kalabilir. Bu normal bir yaşlanma sürecinde gerçekleşirken, yüksek sıcaklıklar ve büyük dalgalı akım sorunu daha da kötüleştirir. Kayda değer dalgalanma akımına sahip bir devrede, ESR'daki bir artış ısı birikimini artıracak ve böylece yaşlanmayı hızlandıracaktır.

 

 

 

 

 ESR ile ilgili dikkat edilmesi gereken hususlar aşağıda sıralanmıştır:

• Elektrolitik kondansatörlerin ESR'ı diğer tip kondansatörler arasında en yüksek olandır ve ESR'ı hem sıcaklık hem de frekans ile değişir.
• Elektrolitik kondansatörlerin ESR'ı, kullanım ömürleri boyunca kademeli olarak artar. ESR, bileşen tasarımı sırasında elektrolit miktarı artırılarak azaltılabilir; ancak bu, yüksek sıcaklıklarda daha kısa bir kondansatör ömrü ile sonuçlanır.
• Kapasitif empedansın ESR'dan çok daha yüksek olduğu düşük frekanslar için, güç kaybı hesabı dışında ESR analizi çok önemli değildir. 
• ESR'ın sıcaklıkla değişimi, EMC testlerinde doğrudan karşılaşabileceğiniz bir durumdur. Ürün, ısınırken testi geçer ancak başlangıçta testte başarısız olursa, bunun nedeni yüksek ESR'a sahip bir elektrolitik kondansatör olabilir.
• DC-DC dönüştürücülerde çıkış filtresi olarak kullanıldığında ESR, fazladan bir dalgalanma voltajı oluşturur. Paralel kondansatörler veya düşük ESR'lı bir seriye geçiş çözüm olabilir. 
• Giriş filtresinde kullanıldığında gürültü gerilimi oluşturur.

 

ESR Modelleme

 

Devre uygulamaları gerçekleştirilirken en önemli konulardan biri gerçek hayatla uyumluluktur. Bir ESR her durumda 20Ω ile modellenmemelidir. Bu nedenle bu noktadan hareketle gerçek parazitik değerlere sahip bileşenler örnek alınarak aşağıdaki örnek oluşturulmuştur. Bu makale için aynı temel parametrelere sahip seramik, polimer ve elektrolitik 10uF 16V kondansatörler seçilmiştir. Bileşenler ve ilgili bilgileri aşağıdaki gibidir:

 

Tablo 2. Farklı formlarda üretilen 10uF 16V kondansatörler

Birçok uygulama için ESR'ı ideal kondansatör ile seri olarak sabit bir dirençle modellemek yeterlidir. Seramik, polimer ve elektrolitik kondansatörlerin gerçek ESR değerlerinin eklendiği modeller aşağıdadır:

 

Şekil 5. 10uF kondansatörler ve eşdeğer devreleri

 
Bu modeller kullanılarak oluşturulan empedans eğrileri aşağıdaki grafiktedir. Ayrıca, karşılaştırma kolaylığı açısından ideal kondansatörün empedans eğrisi eklenmiştir. Bu eğrilerden çıkarılabilecek birkaç anlam vardır. İlk olarak, kondansatör tipi, tüm eğriler üst üste gittiği için düşük frekans bölgesinde ise bir fark göstermez. Ancak frekans arttıkça grafikler bozulmaya başlar. İlk olarak, elektrolitik kondansatör 10 kHz civarında sabit bir değere bükülür. Daha sonra polimer 2 MHz civarında ve seramik kondansatör 8 MHz civarında sabit bir değere yerleşir. İdeal kondansatörün empedansı süresiz olarak azalmaya devam eder. Burada eğrilerin sabitlendiği noktalar bize ESR değerini verir. Başka bir deyişle ESR, kondansatörlerin düşebileceği minimum empedansı belirler.

 

Grafikte kondansatörler için temsil edilen renkler aşağıda listelenmiştir:  

• Mavi: Seramik Kondansatör  
• Kırmızı: Polimer Kondansatör  
• Siyah: Elektrolitik Kondansatör  
• Camgöbeği: İdeal Kondansatör 
  

 

Şekil 6. 10uF kondansatörler için ESR (y ekseni) ve frekans (x ekseni) grafiği

Bir ESR'nin ana etmenleri: 

• Metalik direnç 
• Frekans ve sıcaklığa bağlı elektrolitik ve kağıt direnci 
• Frekansa bağlı dielektrik

 

ESR değerini artıran faktörler: 

• Kötü elektrik bağlantıları: Kondansatördeki bakır uçlar ve alüminyum plakalar arasındaki bağlantı, genellikle kaynak yapılarak veya mekanik kıvrımlar kullanılarak yapılır. Bu tip bağlantılar alüminyumun lehimlenememesinden dolayı kullanılır ve bazı seri dirençlerin oluşumuna yol açar.
• Kondansatör elektrolit çözeltisinin kurutulması: Elektrolitin sıvı bileşeni yüksek sıcaklıklardan dolayı kurudukça elektrik direnci artar.
• Sıcaklık ve frekans: Yüksek akımlı güç kaynaklarında, ESR ile ilişkili güç kaybı, sıcaklığı daha da artırabilir ve kondansatör arızasına neden olabilir. 

 

Devrelerde ESR'ı en aza indirme:

• Yüksek performanslı uygulamalar; düşük ESR'lı solid polimer kondansatörler, tantal kondansatörler ve çok katmanlı seramik kondansatörler (MLCC) gibi düşük ESR'lı kondansatörleri kullanır.
• Güç kaynağı yumuşatma (smoothing) devreleri gibi yerlerde kondansatörler paralel bağlanır. Küçük değerli kondansatörler, tek bir büyük kondansatör bağlamak yerine paralel bağlanır. Bu, dalgalanma voltajını düşürmenin yanı sıra etkin ESR'ı da azaltır ve devrenin daha az kayıpla daha yüksek akımları işlemesine izin verir.

 

Tan(δ) ile Kondansatörün ESR Değerini Hesaplama

Kondansatör eşdeğer seri direnci (ESR), genellikle parametrik verilerde veya cihaz datasheet dokümanında doğrudan belirtilmeyen bir özelliktir. Bu durumlarda genellikle bir cihazın kayıp açısı (δ) (loss angle) hakkında bilgi mevcut olur ve bu da bir ESR değerinin hesaplanmasına olanak tanır.

 

Bir kondansatörün toplam empedansı, gerçek bir bileşenin (ESR) ve ideal kondansatörü temsil eden kompleks (reaktif) bir bileşenin vektör toplamı olarak gerçek bir karmaşık düzlemde temsil edilir. Toplam empedans ile karmaşık bileşeni arasındaki açıya kayıp açısı (loss angle) denir ve bu şekil, bir kondansatörün genel empedansının ideal ve ideal olmayan bileşenleri arasındaki oranı özetlemek için kullanılır.

 

Kayıp açısının tanjantı (tan(δ)) genellikle datasheet dokümanları tarafından sağlanır ve böylece işler bir miktar basitleşir. İdeal bir kondansatörün empedansı formülünü alarak ve biraz cebirsel işlemde bulunarak, datasheet dokümanından elde edilen bu değeri  2π, test frekansı ve kondansatör değerine bölerek bir ESR değerinin elde edilebilmesi mümkündür.

 

Şekil 7. Kondansatör Kayıp Açısı (δ) Grafiği

ESR'ın hesaplanması için ilgili karmaşık düzlemsel operasyonlar aşağıda listelenmiştir:

 

Frekansın ESR Üzerindeki Etkisi

 

ESR, kondansatör empedansının gerçek güç kayıplarına neden olan kısmıdır. Bu, aşağıdaki denklemden görülebileceği gibi frekansa bağlıdır:

 

Burada DFR temas direnci ile ilişkili dağılma faktörü, DFL sızıntı kayıpları ve DFD dielektrik kayıplardır.

 

Temas direnci belirli bir noktaya kadar hakim olana dek frekanstaki artışla kaçak ve dielektrik kayıplar azalır. Bu noktanın ötesinde, büyük ölçüde AC sinyalinin yüzey katmanı etkisi (skin effect) nedeniyle ESR daha yüksek frekanslarda çok yükselir.

 

Kondansatör üreticileri, belirli bir frekans aralığında ESR'ın çizimlerini sağlar ve böylece ESR'ın amaçlanan frekansta kolayca belirlenmesi sağlanır. Bazı durumlarda ESR direkt olarak belirtilmeyebilir ve bunun yerine dağılma faktörü (dissipation factor) sağlanır. Böyle bir durumda, ESR şu şekilde hesaplanır:

Burada DF, kondansatörün tüm kayıp elementlerinin toplam kayıp faktörüdür.

 

Low (Düşük) ESR Kondansatör

Düşük ESR kondansatörler genellikle yüksek frekanslı devrelerde kullanılırlar. Avantajları, kondansatör kayıplarını en aza indirmek ve daha etkili ve daha kararlı bir çıkış sağlamaktır. İç yapısı, adından da anlaşılacağı gibi (eşdeğer seri direnç), bir kondansatör ve direncin seri bağlantısıdır. Başka bir deyişle ESR, kondansatörün çalışması sırasında farklı fiziksel etkilerden kaynaklanan kayıpları temsil etmek için yerleştirilmiş bir dirençtir. Aslında, kayıpların büyük çoğunluğu rezistif değildir. Bu nedenle, daha yüksek ESR değerleri nedeniyle bir kondansatörün seri direncinin arttığı sonucuna varılmamalıdır. Ancak, farklı fiziksel etkilerden dolayı bu kondansatörün kayıplarının arttığı sonucuna varılabilir.

 

Düşük ESR'lı elektrolitikler, genellikle SMPS anahtarından sonra oluşan dalgalanma değerini azaltmak için kullanılır. Frekans onlarca kHz olduğundan, yalnızca düşük ESR'a sahip bir kondansatör yüksek frekanslı iletim hattını baz alınan devreye akıtabilir.

 

Düşük ESR'ın bir diğer önemli yararı, kondansatörün daha az ısınmasıdır. Çalışma sırasında kondansatörden yüksek akımlar geçerse (örneğin doğrultmadan (rectification) sonra gelen filtre kondansatörü), yüksek ESR'a sahip bir kondansatör çok daha fazla ısınır. Isınan kondansatör de daha hızlı kurur ve ömrünü daha kısa sürede tüketir. Anahtarlamalı güç kaynaklarında (yüksek frekanslı devrelerde) kullanılmadığında yerine filtre eklenmelidir.

 

Motor sürücülerinde görülen yan yana yerleştirilmiş büyük kondansatörlerin amacı ESR değerini düşürerek 20kHz üstü frekanslarda dalgalanmadan kaynaklanan kondansatör kayıplarını en aza indirmek, kondansatörün ve cihazın ömrünü artırmaktır. Aynı zamanda anlık yüksek güç gerektiren tasarımlarda düşük ESR nedeniyle çekilebilecek maksimum akım daha yüksek olacaktır.

 

Güç Elektroniği Örnek Uygulaması

 

Düşük ESR kondansatörler, kondansatör kayıplarını en aza indirme ve çıkış dalgalanma voltajını azaltırken güç kaynağının verimliliğini ve kararlılığını artırma avantajına sahiptir. Daha düşük ESR'a yol açan bazı parametreler: Daha büyük bir kapasitans, düşük dağılma faktörü ve düşük kondansatör voltajı.

 

Daha önce bahsedildiği gibi kondansatörleri paralel bağlayarak ESR değerini minimize etmek mümkündür:

 

Şekil 8. Paralel formda ESR hesaplaması

İlgili formüller aşağıda listelenmiştir:

Örnek: ESR1 = ESR2 = ESR3 = ESR4 = 0.120Ω (120mΩ), I = 1A

 

ESRtotal = 0.030Ω = 30mΩ

Ripple Voltage = 1A x 0.030Ω = 0.030V (30mV)

 

Bu başlıktaki güç elektroniği örnek uygulaması için Power Integrations tarafından hazırlanan "100 W Refrigeration Power Supply Using TOP260EN" örnek tasarım raporu kullanılmıştır.

 

Tablo 3. Rapor Özeti

Tablo 4. Proje BOM Listesi

Malzeme listesi (BOM) tablosunda görüldüğü üzere; C4, C5, C6, C11, C13 ve C14 kondansatörleri düşük ESR kondansatörleri olarak belirtilmiştir. Devre, bir anahtarlamalı güç kaynağı olarak Flyback dönüştürücü topolojisini oluşturduğundan, bu kondansatörler, çıkış dalgalanma voltajını azaltırken güç kaynağı için verimlilik ve kararlılık sağlamak için kullanılır.

 

Şekil 9. 100 W buzdolabı güç kaynağının devre şeması

• C4 kondansatörü, doğrultulmuş AC dalga formu için bir filtreleme kondansatörü ve ayrıca güç kaynağı için enerji depolama elemanı olarak görev yapar.  
• Çıkıştaki LC filtreleri (L1-C6) dalgalanmayı azaltır.
• C13 ve C14 kondansatörleri, çıkışta filtreleme işlevi görür.
• C5, L1 ve C6 birlikte çıkış tarafında bir “Pi Filtresi” oluşturur.

Pi filtresi, geleneksel iki elemanlı pasif filtrelere nazaran temel olarak üç bileşenden oluşan bir pasif filtre türüdür. Tüm bileşenlerin yapı düzeni Yunanca pi (π) harfinin şeklini andırdığından dolayı ilgili filtre bölümüne adını verir.

 

Şekil 10. Low-pass Pi Filtresi

Bu devrede pi filtre alçak geçiren (low pass) konfigürasyonundadır. Bir pi filtresinin low-pass versiyonunun yüksek frekanslı gürültüyü ortadan kaldırma şekli, regüle edilmemiş bir güç kaynağı için güçlü bir filtre olarak kullanılmasına izin verir. Low-pass versiyon, bir voltaj regülatör devresinde giriş filtresi olarak da kullanılabilir.

 

Kaynakça

• DER-218 - 100 W Refrigeration Power Supply
• Calculating Capacitor ESR from Tan(δ)
• Equivalent Series Resistance (ESR) by Sunpower Electronics