Ficha de referência
ESR e ripple de capacitores
O quanto a ESR te custa, família por família
Guia de ESR e corrente de ripple de capacitores
Todo capacitor real tem uma pequena resistência em série com sua capacitância, vinda dos eletrodos, do eletrólito ou dielétrico, das conexões internas e dos terminais. Essa resistência é a ESR (Resistência Série Equivalente), e é uma especificação separada do valor de capacitância e da família de dielétrico tratada na ficha Tipos de capacitores - dois capacitores com as mesmas especificações de microfarad e tensão podem ter ESR muito diferentes conforme sua construção interna.
Num capacitor de acoplamento ou desacoplamento que passa um sinal pequeno, a ESR é quase irrelevante - as correntes envolvidas são minúsculas, então o aquecimento I ao quadrado R e a pequena queda de tensão em série que ela causa mal aparecem. No filtro de saída de uma fonte chaveada, o mesmo capacitor conduz continuamente toda a corrente de ripple do indutor, na frequência de chaveamento, geralmente de 100 kHz a alguns MHz. A ESR então faz duas coisas que importam: dissipa potência real como calor dentro do capacitor e acrescenta seu próprio degrau de tensão corrente-vezes-ESR sobre o ripple capacitivo, que em altas frequências de chaveamento costuma ser o maior dos dois contribuintes para a tensão de ripple na saída.
A especificação de corrente de ripple, geralmente dada em amperes ou miliamperes rms a uma frequência e temperatura ambiente indicadas, é a especificação complementar: é a corrente máxima que a peça suporta antes que o autoaquecimento eleve sua temperatura interna o suficiente para encurtar sua vida útil ou, no pior caso, causar fuga térmica. Ambos os valores pioram com a idade e o calor nos eletrolíticos úmidos, e os fabricantes geralmente publicam uma curva de derating da corrente de ripple versus frequência e temperatura em vez de um único número, então o valor de destaque de um datasheet deve ser lido no ponto de operação real, não nas condições de 1 kHz e 25 graus sob as quais provavelmente foi medido.
| Família de capacitor | ESR típica (~100 kHz, 25°C) | Capacidade de corrente de ripple | Nota prática |
|---|---|---|---|
| Eletrolítico de alumínio de uso geral | ~0.3–3 Ω para peças radiais comuns (varia muito com µF e tamanho do invólucro) | Baixa a moderada | A ESR sobe 2–3x à medida que o eletrólito seca com a idade e o calor - a causa clássica de uma SMPS que era silenciosa e agora zumbe ou esquenta |
| Eletrolítico de alumínio de baixa ESR / "para fontes chaveadas" | ~0.02–0.2 Ω | Moderada a alta (centenas de mA a alguns A) | Feito para filtragem de saída de SMPS; procure uma marcação "Low ESR" explícita, especificação de 105°C e um valor de ripple em mA-rms no datasheet |
| Alumínio polímero (ex. OS-CON, POSCAP) | ~0.005–0.05 Ω | Alta (vários A) | Eletrólito de polímero sólido, então a ESR permanece estável ao longo da vida útil e da temperatura; geralmente especificado até ≤25–35 V e custa mais que um eletrolítico úmido do mesmo µF |
| Tântalo (MnO2 sólido) | ~0.1–3 Ω, depende muito do tamanho do invólucro e da tensão nominal | Moderada | Reduza para cerca de 50% da tensão nominal em projetos reais - um tântalo com defeito tende a falhar em curto franco, às vezes com faísca, não com um ressecamento gradual como um eletrolítico |
| Tântalo polímero | ~0.01–0.1 Ω | Alta | Falha aberto ou em alta resistência com muito mais frequência do que o curto violento do tântalo MnO2; cada vez mais a escolha padrão onde se usa tântalo numa linha de alimentação |
| MLCC cerâmico (X7R / X5R) | ~0.002–0.02 Ω, praticamente desprezível | Muito alta | A própria capacitância pode cair 20–80% sob polarização DC - confira a curva de derating por polarização antes de contar com o µF impresso para uso com ripple; a ESR raramente é o fator limitante aqui |
| Cerâmico C0G / NP0 | Desprezível, semelhante ao X7R | Alta, mas só em valores pequenos (pF a poucos nF) | Não é uma peça de filtragem de ripple em massa - incluída aqui principalmente para descartá-la desse papel; usada em temporização e RF, não em filtragem de alimentação |
| Filme (polipropileno, PET) | ~0.01–0.1 Ω | Alta, muito estável com a idade e a temperatura | Mais volumoso e caro por µF que o eletrolítico; geralmente adicionado em paralelo com um eletrolítico de massa em vez de usado sozinho |
| Supercapacitor / EDLC | Baixa em DC ou 1 kHz, sobe bruscamente acima de alguns kHz | Ruim nas frequências de chaveamento | A ESR de baixa frequência do datasheet não é representativa a 100 kHz+ - é uma peça de armazenamento de energia, não um substituto para um capacitor de filtro de SMPS |
Os valores de ESR e corrente de ripple do datasheet são medidos a uma frequência e temperatura específicas - confira a curva de derating para sua frequência de chaveamento real e a pior temperatura ambiente, pois ambos os valores podem ser bem piores que a especificação de destaque. Quando a especificação de um único capacitor não é suficiente, colocar dois ou três menores em paralelo muitas vezes é melhor do que procurar uma peça maior: as ESR se combinam como resistores em paralelo e a corrente de ripple se divide entre eles, então os dois problemas diminuem de uma vez.
