Характеристику, зображену на рис. 12.1, можна зв’язати з низько добротним резонансним контуром, утвореним послідовним з’єднанням ємності, індуктивності та опору. (Див. також рис. 12.2.) Оскільки ці залежності були побудовані на підставі вимірів, проведених з електролітичним конденсатором, можна зробити висновок, що окрім ємності конденсатор містить індуктивність і опір. І в міру підвищення частоти, зрештою, починає переважати індуктивний опір фольги і сполучних проводів конденсатора. Тому послідовна ланцюг, зображена на рис. 12.2, досить точно відображає властивості електролітичного конденсатора. Аналогічно можна представити більшість інших компонент; наприклад, випробувальний генератор з індикатором в ланцюзі сітки покаже, що невеликі керамічні конденсатори з короткозамкненими висновками поводяться як резонансні ZC-ланцюга, індуктивність яких визначається висновками конденсатора, а гострота резонансу залежить від внутрішнього опору.

Еквівалентні послідовні R і L відповідальні за такі небажані ефекти в ПІП:

– Форма і величина пульсуючого напруги відрізняються від тих, які були б отримані при ідеальної ємності.

– Розраховувати ПІП важче, тому що пульсації на виході цих джерел є одним з конструктивних параметрів при оптимізації частоти перемикань, тривалості робочого циклу і котушки індуктивності.

– Фазова і частотна характеристики, що визначають стабільність петлі зворотного зв’язку, можуть змінитися так, що призведуть до нестійкості через «не конденсаторного» поведінки фази на високих частотах.

– Хоча багато зроблено для покращення стабілізації постійної напруги в джерелах живлення, звичайно потрібні стабілізовані джерела, що мають низький повний опір для змінного струму в широкому діапазоні частот. Присутність послідовно включених еквівалентних R і L перешкоджає реалізації цієї вимоги.

– Величину опору R визначити не просто, і воно може сильно змінюватися в залежності від якості конденсатора і з часом. Це ускладнює виробництво конденсаторів відповідно до жорстко заданими технічними умовами.

– Висока вартість, властива ПІП пов’язана з використанням конденсаторів з дуже низькими значеннями Rn L.

– Послідовне еквівалентний опір R змінюється з температурою, що додатково ускладнює розрахунок і використання ІІП.

Рис. 12.3. Результати застосування заходів, що знижують ESR та ESL в вихідних конденсаторах фільтра. (А) Крива повного опору алюмінієвого електролітичного конденсатора ємністю 1500 мкФ. (В) Поліпшення, спостережуване при паралельному включенні декількох конденсаторів однакової ємності при повній ємності 1500 мкФ. (С) Результат використання чотиришарового «пакетованого» конденсатора. (D) Звичайний характер поліпшення при застосуванні танталового конденсатора щодо малої місткості, включеного паралельно конденсатору 1500 мкФ. Для зменшення ESL в мегагерцовому діапазоні, крім того, використовуються тефлонові або керамічні конденсатори.

Інтерпретація повного опору і фази

На рис. 12.1 видно, що падіння повного опору відбувається приблизно до частоти 33 кГц, де зсув фаз дорівнює нулю. Відбувається це не випадково, оскільки для будь-якого послідовного коливального контуру є резонансна частота, яка визначається цією умовою. Повний опір при резонансі називається послідовним еквівалентним опором (ESR) електролітичного конденсатора. На рис. 12.1 ESR – приблизно дорівнює 0,055 Ома. Як правило, конденсатор з більш низьким ESR краще підходить для використання в вихідному фільтрі ПІП.

Повний опір конденсатора носить ємнісний характер до частот близько 10 кГц. Потім, в повному опорі все більш і більш переважною стає активна складова, а на резонансній частоті, близько 33 кГц, опір стає чисто активним. Потім, на частотах вище 300 кГц, починає домінувати індуктивність висновків і конструкції конденсатора.

Хоча такий спосіб оцінки параметрів електролітичних конденсаторів не новий, для лінійних стабілізованих джерел він не мав такого великого значення, як для ІІП. Велике значення для ІІП мають не тільки типові характеристики, зображені на рис. 12.1, а й область, де відбувається вигин кривої повного опору – від 10 до 100 кГц. Припустимо, наприклад, що такий конденсатор використовується у вихідному фільтрі ПІП, що працює на частоті 20 кГц. Для численних гармонік 20 кГц, які утворюються в процесі перемикання, ефективність цього конденсатора значно зменшується, оскільки його здатність послаблювати ці гармоніки залежить від того, наскільки добре він шунтує їх. Це ситуація особливо несприятлива тому, що ПІП являє собою джерело великого числа високочастотних гармонік, і ці гармоніки в якості перешкод на виході не тільки порушують роботу зовнішніх пристроїв, але впливають також на внутрішню ланцюг зворотного зв’язку, яка використовується для стабілізації вихідної напруги.

Оцінка послідовного еквівалентного опору

Оскільки послідовне еквівалентний опір (ESR) значно впливає на повний опір конденсатора в діапазоні від 10 до 100 кГц (область оптимальних характеристик і максимального к.к.д. для багатьох ІІП), цей параметр слід визначити як тільки стають відомими номінальну напругу і ємність конденсатора. Все більш і більш звичайним для виробників стає публікація цієї інформації у технічній літературі, але вона не завжди буває доступна. Більш поширений метод оцінки ESR використовує співвідношення: ESR = Pd/ 1k f С, де PD – Коефіцієнт розсіювання, / – частота вимірювання в герцах і С – ємність у Фарада. Коефіцієнт розсіювання довго використовувався як показник якості конденсаторів і зазвичай вимірювався на частоті 60 або 120 Гц для конденсаторів фільтра або на частоті 1000 Гц для конденсаторів зв’язку (частота виміру / повинна бути відома до обчислення ESR). Хоча коефіцієнт PD зручний для оцінки ESR конденсатора, він марний при оцінці ESL, яка може бути визначальним фактором на частоті перемикання.

Зі збільшенням температури величина ESR зменшується. Ця температурна залежність, як показано на рис. 12.4А, особливо сильна при негативних температурах. Цей факт, разом із зменшенням ємності (рис. 12.4В), порушує розрахункові характеристики багатьох ПІП, які добре працювали в лабораторії і від яких чекали тих же результатів при більш важких умовах навколишнього середовища.

Джерело: І.М.Готтліб Джерела живлення. Інвертори, конвертори, лінійні і імпульсні стабілізатори. Москва: Постмаркет, 2002. – 544 с.