Вне всякого сомнения, проблема неидеальности параметров электролитических конденсаторов, использующихся в импульсных источниках электропитания, как, впрочем, и других силовых элементов, в настоящее время стоит достаточно остро. Выводы электролитических конденсаторов имеют собственную паразитную индуктивность, на которой могут возникать (и возникают) паразитные выбросы. Данная ситуация подробно рассмотрена на стр.141…145 моей книги в приложении к паразитной индуктивности монтажа. Естественно, выводы, содержащиеся в этой главе, можно применить и к частному случаю наличия у "электролитов" паразитной индуктивности (ESL) и паразитного сопротивления (ESR). Поэтому не совсем верно говорить о "выбросах на ESR". Скорее имеют место выбросы на эквивалентном последовательном импедансе конденсатора, куда входит и ESR, и ESL.

рис.1 Конденсаторы "Epcos"

Для борьбы с паразитными выбросами в последние годы разработаны и выпускаются специальные конденсаторы с короткими выводами и особой конструкцией обкладок, предназначенные к использованию, главным образом, в импульсных источниках электропитания. Такими конденсаторами являются, в частности, "электролиты" серий В41456, В41458, В41560, В41580, В41550, В41570, В41554, В43455, В43457, В43456, В43458, В43560, В43580, В43566, В43586, производимые фирмой "Epcos" (к сожалению, отечественных аналогов пока нет). Внешний вид конденсаторов показан на рис.1. Собственная индуктивность ESL у конденсаторов этих серий составляет порядка 10…20 нГн. Конденсаторы допускают значительную амплитуду пульсаций, что говорит об их устойчивости к тепловому нарушению параметров, работают в диапазоне температур - 40…+ 85 градусов Цельсия.

рис.2 Устройство конденсатора

Мы уже разобрались, чем чревато для конденсаторов высокое значение ESL. Разберемся теперь, чем чревато для них наличие ESR. Чтобы ответить на этот вопрос, давайте вспомним, как устроен классический электролитический конденсатор (рис.2). Как известно, в любом конденсаторе (независимо от его конструкции и физических принципов), имеются две обкладки с расположенным между ними диэлектриком. Чем меньше расстояние между обкладками, тем больше емкость конденсатора. Обычно диэлектриком служит керамика, бумага, слюда. Но в этом случае большую емкость при небольших габаритах получить просто не удастся. В электролитическом конденсаторе одной из обкладок является обычная алюминиевая фольга (поз. "3"), а вот другой - бумага, пропитанная специальной электролитической жидкостью (поз. "1"). Между фольгой и бумагой находится тонкий слой оксида алюминия (поз. "2"), собственно и представляющий собой диэлектрик. Толщина диэлектрика невелика, и соответственно, электролитические конденсаторы могут запасать большую величину заряда. Однако оксид алюминия имеет одностороннюю проводимость, поэтому "электролиты" боятся "переполюсовки".

Любой диэлектрик имеет так называемые "токи утечки", связанные с неидеальностью его структуры. Важно также отметить, что с ростом температуры токи утечки возрастают. Выводы конденсатора и алюминиевая фольга имеют конечное омическое сопротивление. Не нужно также забывать, что электролитическая жидкость - не сверхпроводник. Исходя из этого, эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора запишется так:

ESR в значительной степени зависит от частоты тока, проходящего через конденсатор. Например, на графике, приведенном в [1], показана типичная зависимость ESR от частоты (рис.3). В частности, из графика видно, что при частотах более 500 Гц значение ESR стабилизируется на некотором уровне.

рис.3 Зависимость ESR от частоты

С учетом составляющих ESL и ESR эквивалентная схема электролитического конденсатора будет выглядеть так, как показано на рис.4.

Какую опасность представляет собой ESR? Любое омическое сопротивление, как мы знаем, является источником выделения тепла. Конденсатор не пропускает постоянный ток, но пульсацию конденсатор пропустит, так как она представляет собой ток переменный. Если амплитуда пульсаций будет достаточно большой, на ESR начнет выделяться значительная мощность, которая приведет к разогреву "электролита". Температура конденастора не должна подниматься выше допустимой - это сокращает срок его службы и даже может привести к выходу из строя (пробою). Чтобы защититься от разогрева, зачастую в мощных источниках питания устанавливают не один конденсатор, а несколько - с меньшей емкостью - соединяя их в параллель. К сожалению, в таком случае растет ESL пакета конденсаторов, поэтому здесь тоже необходимо не "переборщить".

рис.4 Эквивалентная схема конденсатора с учетом ESL и ESR

Расчеты мощных импульсных блоков питания (тепловой режим конденсаторов, паразитные выбросы и т.д.) нужно производить с учетом ESL и ESR. Все необходимые соотношения приведены, например, в статье [1]. Там же имеются необходимые расчетные модели и рекомендации. Здесь нет смысла переписывать указанную статью (желающие разыщут ее в интернете), достаточно привести результаты исследования.

Итак, при параллельном соединении четырех конденсаторов емкостью 68 мкФ каждый, имеющих ESL порядка 200 нГн (стандартный конденсатор) и подаче импульса напряжения величиной 100 В, переходный процесс в местах соединения конденсаторов "поднимает" амплитуду напряжения более чем в два раза по сравнению с поданной, а также "забрасывает" напряжение в отрицательную область. Самое интересное, что пик напряжения не зависит от параметров нагрузки фильтра (конденсаторы "работают" в составе фильтра).

Паразитные выбросы опасны как для силовой части импульсного источника (они могут привести к потенциальному пробою силовых ключей), так и для самих конденсаторов. Поэтому необходимо выбирать конденсаторы с запасом по допустимому напряжению и, конечно, пользоваться типами с минимальными ESR и ESL. Не стоит забывать и о монтаже - стремиться делать связи между элементами как можно короче.

Литература
[1] А.И.Колпаков "В лабиринте силовой электроники. Электролитические конденсаторы. Особенности применения". С-Пб, 2000 г.