แยกความจุและความต้านทานสูญเสียเมื่อตัวเก็บประจุรับริปเปิล

ตัวเก็บประจุสองตัวที่มีความจุเท่ากันอาจทำให้รางไฟตอบสนองต่อโหลดไม่เหมือนกัน เพราะตัวเก็บประจุจริงมีการสูญเสียและความเหนี่ยวนำแฝงร่วมอยู่ด้วย ความต้านทานอนุกรมสมมูลหรือ ESR เป็นหนึ่งในตัวแปรสำคัญ ทั้งต่อแรงดันริปเปิลและความร้อนภายใน การรู้ว่าค่าความจุกับ ESR ทำหน้าที่ต่างกันช่วยให้ตั้งคำถามจากรูปคลื่นได้ตรงประเด็น แทนการเพิ่มไมโครฟารัดไปเรื่อย ๆ โดยไม่รู้ว่ากำลังแก้ส่วนใด

แบบจำลองที่ใช้แยกผลแต่ละส่วน

ในช่วงความถี่ที่เหมาะสม เราอาจแทนตัวเก็บประจุจริงด้วยความจุอุดมคติต่ออนุกรมกับ ESR และความเหนี่ยวนำแฝง ESL ความจุทำให้แรงดันเปลี่ยนตามปริมาณประจุที่เข้าออก ESR ทำให้เกิดแรงดันตามกระแสทันทีในแบบจำลองอย่างง่าย ส่วน ESL ต้านการเปลี่ยนกระแสที่รวดเร็ว จึงไม่ควรเอายอดแหลมที่ขอบสัญญาณทั้งหมดมาหารกระแสแล้วเรียกผลว่า ESR โดยไม่ตรวจความเหนี่ยวนำของชิ้นส่วน ทางเดินลายวงจร และหัววัด

ESR ไม่ใช่ตัวต้านทานภายนอกที่มีค่าคงที่ทุกสภาวะ ค่าที่ระบุอาจเปลี่ยนตามความถี่ อุณหภูมิ และโครงสร้างของตัวเก็บประจุ เมื่อเปรียบเทียบสองรหัสจึงต้องเทียบเงื่อนไขเดียวกัน รวมทั้งแยก ESR ออกจากขนาดอิมพีแดนซ์ เพราะอิมพีแดนซ์มีทั้งส่วนความต้านทานและส่วนรีแอกแตนซ์ การพบข้อมูลอิมพีแดนซ์หนึ่งค่าในตารางไม่ได้ให้สิทธิ์นำไปใช้เป็น ESR ทุกความถี่

1. 1
   ESR

   กระแสเปลี่ยนทำให้แรงดันส่วนความต้านทานเปลี่ยนตาม ΔI × ESR

2. 2
   ความจุ

   ช่วงที่ประจุออกไปเลี้ยงโหลดทำให้แรงดันลดตาม I × Δt / C ในแบบจำลองช่วงสั้น

3. 3
   ESL และทางต่อ

   ขอบกระแสเร็วสร้างผลเหนี่ยวนำ จึงห้ามเหมาว่ายอดแหลมทั้งหมดเกิดจาก ESR

แรงดันกระโดด ความลาด และยอดแหลมอาจมีต้นเหตุคนละส่วน

สถานการณ์สมมติ: แรงดันกระโดดและลาดลงเป็นคนละส่วน

สมมติรางไฟบนบอร์ดสาธิต 5 โวลต์มีตัวเก็บประจุใช้งาน 100 ไมโครฟารัด และ ESR 0.20 โอห์ม เมื่อโหลดเพิ่มกระแส 0.10 แอมป์ และสมมติว่าตัวเก็บประจุรับภาระส่วนเพิ่มทั้งหมดในช่วงแรก แรงดันจาก ESR จะเปลี่ยนประมาณ 0.10 × 0.20 = 0.020 โวลต์ หรือ 20 มิลลิโวลต์ หากช่วงนั้นยาว 100 ไมโครวินาที ความจุจะทำให้แรงดันลดเพิ่ม 0.10 × 0.000100 / 0.000100 = 0.10 โวลต์

ในแบบจำลองที่ละเลย ESL และการตอบสนองแหล่งจ่าย ผลรวมจึงประมาณ 0.12 โวลต์ หากเปลี่ยนความจุเป็น 200 ไมโครฟารัดแต่ ESR ยัง 0.20 โอห์ม ส่วนลาดจะลดเหลือ 0.05 โวลต์ แต่ส่วนกระโดดยัง 0.02 โวลต์ ถ้าแทนด้วย ESR 0.05 โอห์มที่ความจุเดิม ส่วนกระโดดลดเหลือ 0.005 โวลต์ แต่ส่วนลาดยังประมาณ 0.10 โวลต์ ตัวอย่างนี้ทำให้เห็นว่าการเลือกเปลี่ยนค่าควรสัมพันธ์กับส่วนของรูปคลื่นที่ต้องการลด

กระแสริปเปิลเปลี่ยนเป็นความร้อนอย่างไร

สำหรับกระแสริปเปิลที่ใช้ค่า ESR เหมาะสมกับช่วงความถี่ การสูญเสียโดยประมาณคือ P = I_rms² × ESR สมมติกระแสริปเปิลมีค่าประสิทธิผล 0.20 แอมป์ และ ESR 0.20 โอห์ม กำลังร้อนคือ 0.20² × 0.20 = 0.008 วัตต์ ถ้ากระแสเพิ่มเป็น 0.40 แอมป์โดยค่า ESR เดิม กำลังเพิ่มเป็น 0.032 วัตต์หรือสี่เท่า ไม่ใช่สองเท่า กระแสเฉลี่ยผ่านตัวเก็บประจุอาจเป็นศูนย์แต่ยังมีความร้อน เพราะกระแสสลับทิศไม่ได้หักล้างกำลังสูญเสียที่ขึ้นกับกำลังสอง

เมื่อรูปคลื่นมีหลายความถี่และ ESR เปลี่ยนตามความถี่ การใช้ค่าเดียวเป็นการประมาณ ต้องอ่านวิธีปรับพิกัดริปเปิลจากผู้ผลิตหรือแยกผลแต่ละองค์ประกอบความถี่ตามความเหมาะสม และค่ากำลังร้อนเพียงอย่างเดียวก็ยังไม่บอกอุณหภูมิภายในหากไม่ทราบเส้นทางระบายความร้อน อุณหภูมิผิวที่ดูไม่สูงจึงไม่ใช่หลักฐานว่าทุกรหัสชิ้นส่วนรับกระแสริปเปิลนั้นได้ตลอดอายุใช้งาน

1. 1
   ส่วน ESR

   0.10 × 0.20 = 0.020 โวลต์ หรือ 20 มิลลิโวลต์

2. 2
   ส่วนความจุ

   0.10 × 100 ไมโครวินาที / 100 ไมโครฟารัด = 0.10 โวลต์

3. 3
   รวมโดยประมาณ

   0.020 + 0.100 = 0.120 โวลต์ เมื่อไม่คิด ESL และการตอบสนองแหล่งจ่าย

4. 4
   เพิ่ม C เท่าตัว

   C 200 ไมโครฟารัดทำให้ส่วนลาดเหลือ 50 มิลลิโวลต์ แต่ส่วน ESR ยัง 20 มิลลิโวลต์ถ้า ESR เดิม

C 100 ไมโครฟารัด ESR 0.20 โอห์ม รับกระแสเพิ่ม 0.10 แอมป์นาน 100 ไมโครวินาที

วิธีนำไปใช้เลือกตัวเก็บประจุให้ตรงหน้าที่

1. หาความจุใช้งานขั้นต่ำและช่วง ESR ที่วงจรต้องการจากข้อมูลของตัวควบคุมแรงดันหรือหน้าที่วงจร
2. อ่านพิกัดกระแสริปเปิลพร้อมอุณหภูมิและความถี่อ้างอิงของชิ้นส่วน ไม่ใช้พิกัดแรงดันแทนพิกัดกระแส
3. คำนวณส่วนแรงดันจาก ESR และจากความจุแยกกัน โดยระบุขนาดโหลดและช่วงเวลาที่สมมติ
4. วางชิ้นส่วนและจุดวัดให้ทางเดินกระแสสั้นตามการออกแบบ เพื่อไม่ให้ลายวงจรหรือสายวัดครองรูปคลื่น
5. ทดลองกับโหลดจำกัดบนรางแรงดันต่ำ แล้วบันทึกทั้งรูปคลื่น อุณหภูมิ และสภาพการจ่ายไฟ

ข้อผิดพลาดของการวัด ESR และการเปลี่ยนชนิดชิ้นส่วน

เครื่องวัด ESR ที่อ่านบนบอร์ดอาจเห็นเส้นทางขนานของตัวเก็บประจุหลายตัว จึงบอกไม่ได้แน่ชัดว่าตัวที่แตะวัดมี ESR ต่ำเองหรือมีตัวอื่นช่วยอยู่ ถ้าต้องแยกชิ้นส่วนต้องตัดไฟ ตรวจว่าคายประจุแล้ว และใช้วิธีถอดที่เหมาะกับบอร์ด การวัดความจุผ่านแต่ ESR ผิดปกติเป็นไปได้ เช่นเดียวกับการวัด ESR ดูดีแต่ความจุไม่พอ ทั้งสองคุณสมบัติเป็นข้อมูลคนละด้านของสภาพชิ้นส่วน

ค่า ESR ต่ำกว่าเดิมไม่ได้ดีกว่าเสมอเมื่อวงจรควบคุมต้องอาศัยช่วง ESR เพื่อเสถียรภาพ การแทนอิเล็กโทรไลต์ด้วยเซรามิกจึงต้องตรวจข้อกำหนดของตัวควบคุมและความจุขณะมีไบอัสใหม่ด้วย หากมีการสั่นต่อเนื่องหลังเปลี่ยนชิ้นส่วน อย่ารีบเพิ่มความจุเพื่อกลบอาการ เพราะการสั่นอาจเป็นเรื่องการป้อนกลับ ซึ่งต้องอ่านเงื่อนไขเอาต์พุตและรูปแบบการจัดวางตามผู้ผลิต

ตรวจสอบผลโดยทำให้เงื่อนไขเปรียบเทียบเหมือนเดิม

เมื่อทดลองตัวเลือกสองชุด ให้ใช้ขนาดและความเร็วการเปลี่ยนโหลดเท่าเดิม วัดตำแหน่งเดียวกัน และใช้การต่อหัววัดเหมือนเดิม แยกช่วงขอบเร็ว ช่วงลาด และช่วงที่แหล่งจ่ายเริ่มดึงแรงดันกลับ หากเปลี่ยนทุกอย่างพร้อมกันจะระบุไม่ได้ว่าผลดีขึ้นจาก ESR ความจุ หรือทางเดินกระแส หลักฐานที่เหมาะสมคือรูปคลื่นที่อธิบายแต่ละช่วงได้ร่วมกับค่าที่คำนวณและอุณหภูมิภายใต้ภาระจริง โดยไม่ขยายผลการสาธิตไปเป็นการรับรองชิ้นส่วนสำหรับกล่องรถ