Ekvivalentný sériový odpor (ESR – Equivalent Series Resistance) je jedným z kľúčových parametrov kondenzátorov, najmä v spínaných zdrojoch, vysokofrekvenčných aplikáciách a audio obvodoch. Tento parameter vyjadruje energetické straty spôsobené odporom vnútorných vodičov, elektrolytu a ďalších materiálov použitých v kondenzátore. ESR ovplyvňuje efektívnosť filtračných obvodov, kvalitu zvuku v audio aplikáciách a stabilitu spínaných zdrojov.

Hoci existuje množstvo tabuliek, ktoré poskytujú približné hodnoty ESR pre rôzne druhy kondenzátorov podľa ich kapacity (C) a napätia (U), tieto údaje sú často nepresné alebo zavádzajúce. Chýba v nich špecifikácia testovacích podmienok, ako sú presná frekvencia testovania, veľkosť prúdu a metóda merania. ESR totiž nie je konštantná hodnota, ale dynamicky sa mení v závislosti od prevádzkových podmienok. Preto je pri návrhu elektronických obvodov dôležité vychádzať zo špecifikácií výrobcu alebo priameho merania pri relevantných prevádzkových parametroch.

Ako sa meria ESR a prečo je frekvencia kľúčová?

ESR nie je konštantná hodnota; mení sa v závislosti od frekvencie, teploty a dokonca aj veľkosti prúdu, ktorým je kondenzátor zaťažovaný. Táto variabilita je spôsobená fyzikálnymi vlastnosťami materiálov a parazitnými efektmi, ktoré sa prejavujú pri rôznych prevádzkových podmienkach. Napríklad pri nižších frekvenciách dominujú straty spôsobené elektrolytickým odporom a ionickou vodivosťou elektrolytu, zatiaľ čo pri vyšších frekvenciách sa začína prejavovať parazitná indukčnosť a kožný efekt vodičov. Pri meraní ESR sa najčastejšie používajú nasledujúce frekvencie:

1. 100 Hz – 120 Hz – Používané hlavne pri meraní ESR elektrolytických kondenzátorov pre sieťové aplikácie a audio obvody.
2. 1 kHz – 10 kHz – Používané pri niektorých laboratórnych meraniach a pre keramické a tantalové kondenzátory.
3. 100 kHz – Najčastejšie používaná frekvencia pre meranie ESR v spínaných zdrojoch a vysokofrekvenčných aplikáciách, kde sa prejavuje vplyv parazitných vlastností kondenzátora.

Každá z týchto frekvencií vedie k inej nameranej hodnote ESR. Napríklad, elektrolytický kondenzátor môže mať ESR 1Ω pri 100 Hz, ale len 0.1Ω pri 100 kHz. Keramické kondenzátory majú zvyčajne veľmi nízke ESR aj pri vysokých frekvenciách, často v rádoch miliOhmov, avšak v závislosti od typu dielektrika môže byť ich ESR stále ovplyvnené prevádzkovou frekvenciou. Tantalové kondenzátory majú ESR nižšie ako bežné elektrolytické, ale vyššie ako keramické kondenzátory a ich ESR sa výrazne mení v závislosti od frekvencie a teploty. Filmové kondenzátory majú extrémne nízke ESR, ktoré sa len minimálne mení s frekvenciou, čo ich robí ideálnymi pre aplikácie vyžadujúce stabilné parametre pri širokom frekvenčnom rozsahu. Pre komplexné pochopenie toho, čo ESR si môžete pozrieť aj tento článok - klikni

Prečo sú tabuľkové hodnoty ESR zavádzajúce?

1. Chýbajúca špecifikácia frekvencie merania – Väčšina dostupných tabuliek neuvádza, pri akej frekvencii boli údaje namerané. ESR sa totiž mení s frekvenciou, a ak sú hodnoty uvedené pre nesprávne podmienky, môžu byť v praxi nepresné alebo nepoužiteľné. Napríklad ESR pri 100 Hz môže byť oveľa vyšší ako pri 100 kHz, čo má zásadný vplyv na výkon v obvodoch so spínanými zdrojmi.
2. Nezohľadnenie prúdu merania – ESR sa správa nelineárne pri rôznych úrovniach prúdu. Niektoré meracie prístroje používajú nízkoenergetické testovacie signály, ktoré môžu ukazovať odlišné hodnoty ESR ako v reálnej prevádzke, kde kondenzátor zažíva vyššie prúdové impulzy. To je obzvlášť dôležité v napájacích zdrojoch a zosilňovačoch.
3. Teplotná závislosť – ESR elektrolytických kondenzátorov sa výrazne mení s teplotou. Pri nízkych teplotách (napr. -20 °C) môže byť niekoľkonásobne vyšší ako pri izbovej teplote, zatiaľ čo pri vysokých teplotách (napr. 85 °C a viac) môže klesnúť. Preto je dôležité merať ESR v podmienkach blízkych prevádzkovým teplotám danej aplikácie.
4. Odlišné výrobné technológie a materiály – Výrobcovia kondenzátorov používajú rôzne konštrukčné techniky, odlišné elektrolytické zmesi a interné štruktúry, čo vedie k veľkým rozdielom v ESR medzi produktmi rovnakej kapacity a napätia. Napríklad nízko-ESR elektrolytické kondenzátory môžu mať hodnoty niekoľkonásobne nižšie ako štandardné verzie rovnakej kapacity.

V dôsledku týchto faktorov môžu byť tabuľkové hodnoty ESR iba orientačné a nemusia presne zodpovedať skutočným podmienkam v obvode.

Ako správne merať a hodnotiť ESR?

• Použiť presný merací prístroj – Ideálne LCR meter s nastaviteľnou frekvenciou merania.
• Overiť hodnotu v datasheete výrobcu – Ak je dostupný datasheet, ESR bude uvedené pri presnej testovacej frekvencii.
• Merať pri relevantnej frekvencii – Ak pracujete so spínaným zdrojom, merajte ESR pri frekvencii blízkej prevádzkovej frekvencii obvodu.
• Zohľadniť teplotné podmienky – Ak bude kondenzátor pracovať v extrémnych teplotách, odporúča sa merať pri podobných podmienkach.

Záver

Tabuľkové hodnoty ESR môžu poskytnúť iba veľmi hrubý orientačný prehľad, no pre presnú analýzu sú nedostatočné. Preto  pozor, pokiaľ takúto tabuľku z netu používate aj vy - nerobte to. Hlavným problémom je absencia špecifikácie testovacích podmienok – bez uvedenia konkrétnej frekvencie, testovacieho prúdu, frekvencie a ďalších faktorov môžu byť tieto hodnoty v praxi výrazne odlišné od reálnej prevádzky. To môže viesť k nesprávnym záverom pri návrhu obvodov, kde je ESR kritický parameter, napríklad v spínaných napájacích zdrojoch alebo audio filtroch. Preto je najlepším riešením vždy merať ESR za podmienok, ktoré čo najviac zodpovedajú reálnej aplikácii – či už ide o prevádzkovú teplotu, frekvenciu alebo typické zaťaženie kondenzátora.