Los condensadores e inductores utilizados en los circuitos eléctricos no son componentes ideales que sólo tengan capacitancia o inductancia . Sin embargo, pueden considerarse, con un muy buen grado de aproximación, como condensadores e inductores ideales en serie con una resistencia ; esta resistencia se define como la resistencia en serie equivalente ( ESR ). Si no se especifica lo contrario, la ESR es siempre una resistencia de CA , lo que significa que se mide a frecuencias específicas, 100 kHz para componentes de fuente de alimentación de modo conmutado, 120 Hz para componentes de fuente de alimentación lineal y a su frecuencia de autorresonancia para componentes generales. -componentes de la aplicación. Además, los componentes de audio pueden informar un " factor Q ", incorporando ESR, entre otras cosas, a 1000 Hz.
La teoría de circuitos eléctricos trata sobre resistencias , condensadores e inductores ideales , cada uno de los cuales se supone que contribuye únicamente con resistencia, capacitancia o inductancia al circuito . Sin embargo, todos los componentes tienen un valor distinto de cero en cada uno de estos parámetros. En particular, todos los dispositivos físicos están construidos con materiales con resistencia eléctrica finita , de modo que los componentes físicos tienen cierta resistencia además de sus otras propiedades. Los orígenes físicos de la ESR dependen del dispositivo en cuestión. Una forma de abordar estas resistencias inherentes en el análisis de circuitos es utilizar un modelo de elementos agrupados para expresar cada componente físico como una combinación de un componente ideal y una pequeña resistencia en serie, el ESR. La ESR se puede medir e incluir en la hoja de datos de un componente . Hasta cierto punto, se puede calcular a partir de las propiedades del dispositivo.
El factor Q , que está relacionado con la ESR y a veces es un parámetro más conveniente que la ESR para usar en cálculos de rendimiento no ideal de alta frecuencia de inductores reales, se cita en las hojas de datos de los inductores.
Los condensadores, inductores y resistencias suelen estar diseñados para minimizar otros parámetros. En muchos casos, esto se puede hacer hasta el punto de que la capacitancia y la inductancia parásitas de una resistencia, por ejemplo, sean tan pequeñas que no afecten el funcionamiento del circuito. Sin embargo, en algunas circunstancias los parásitos se vuelven importantes e incluso dominantes.
Los condensadores e inductores puros no disipan energía; cualquier componente que disipe energía debe ser tratado en un modelo de circuito equivalente que incorpore una o más resistencias. Los componentes pasivos reales de dos terminales pueden representarse mediante alguna red de inductores, condensadores y resistencias ideales agrupados y distribuidos, en el sentido de que el componente real se comporta como lo hace la red. Algunos de los componentes del circuito equivalente pueden variar según las condiciones, por ejemplo, frecuencia y temperatura.
Si es impulsado por una onda sinusoidal periódica ( corriente alterna ), el componente se caracterizará por su impedancia compleja Z (ω) = R + j X (ω); La impedancia puede implicar varias resistencias, inductancias y capacitancias menores además de la propiedad principal. Estas pequeñas desviaciones del comportamiento ideal del dispositivo pueden volverse significativas bajo ciertas condiciones, típicamente alta frecuencia, donde la reactancia de pequeñas capacitancias e inductancias puede convertirse en un elemento importante del funcionamiento del circuito. Se pueden utilizar modelos de menor o mayor complejidad, dependiendo de la precisión requerida. Para muchos propósitos, un modelo simple con una inductancia o capacitancia en serie con un ESR es suficiente.
Estos modelos, por simples o complejos que sean, se pueden insertar en un circuito para calcular el rendimiento. Hay herramientas informáticas disponibles para circuitos complejos; por ejemplo, el programa SPICE y sus variantes.
Un inductor consiste en una bobina de alambre conductor aislado generalmente enrollada alrededor de un núcleo ferromagnético. Los inductores tienen una resistencia inherente al conductor metálico, citada como DCR en las hojas de datos . Esta resistencia metálica es pequeña para valores de inductancia pequeños (normalmente por debajo de 1 Ω ). La resistencia del cable de CC es un parámetro importante en el diseño de transformadores e inductores generales porque contribuye a la impedancia del componente, y la corriente que fluye a través de esa resistencia se disipa como calor residual y se pierde energía del circuito. Se puede modelar como una resistencia en serie con el inductor, lo que a menudo lleva a que la resistencia de CC se denomine ESR. Aunque este no es un uso precisamente correcto, los elementos sin importancia de ESR a menudo se pasan por alto en la discusión de circuitos, ya que es raro que todos los elementos de ESR sean importantes para una aplicación particular.
Un inductor que utiliza un núcleo para aumentar la inductancia tendrá pérdidas como histéresis y corrientes parásitas en el núcleo. A altas frecuencias también se producen pérdidas en los devanados por proximidad y efectos cutáneos . Estos se suman a la resistencia del cable y conducen a una ESR más alta.
En un capacitor no electrolítico y en capacitores electrolíticos con electrolito sólido, la resistencia metálica de los cables y electrodos y las pérdidas en el dieléctrico causan la ESR. Los valores típicos de ESR para condensadores cerámicos están entre 0,01 y 0,1 Ω. La ESR de los condensadores no electrolíticos tiende a ser bastante estable con el tiempo; Para la mayoría de los propósitos, los condensadores no electrolíticos reales pueden tratarse como componentes ideales.
Los condensadores electrolíticos de aluminio y tantalio con electrolito no sólido tienen valores de ESR mucho más altos, de hasta varios ohmios ; Los electrolíticos de mayor capacitancia tienen menor ESR. La ESR disminuye con la frecuencia hasta la frecuencia de autorresonancia del condensador. Un problema muy grave, particularmente con los electrolíticos de aluminio, es que la ESR aumenta con el tiempo debido a la evaporación y, lo que es más importante, al agotamiento del oxígeno en el electrolito con el uso. [1] La ESR puede aumentar lo suficiente como para causar un mal funcionamiento del circuito e incluso daños a los componentes, aunque la capacitancia medida puede permanecer dentro de la tolerancia . Si bien esto sucede con el envejecimiento normal, las altas temperaturas y las grandes corrientes onduladas exacerban el problema. En un circuito con una corriente de ondulación significativa, un aumento en la ESR aumentará la acumulación de calor, acelerando así el envejecimiento.
Los condensadores electrolíticos clasificados para funcionamiento a alta temperatura y de mayor calidad que las piezas básicas de consumo son menos susceptibles de quedar inutilizables prematuramente debido al aumento de la ESR. Un condensador electrolítico barato puede tener una vida útil de menos de 1000 horas (6 semanas) a 85 °C. Las piezas de mayor calidad suelen tener una duración de unos pocos miles de horas a la temperatura nominal máxima, como se puede ver en las hojas de datos de los fabricantes. Si la ESR es crítica, puede ser ventajosa la especificación de una pieza con una clasificación de temperatura más alta, "baja ESR" o una capacitancia mayor que la requerida de otro modo. No existe un estándar para la clasificación de condensadores de "baja ESR".
Los condensadores de polímero generalmente tienen una ESR más baja que los electrolíticos húmedos del mismo valor y son estables bajo temperaturas variables. Por lo tanto, los condensadores de polímero pueden soportar una corriente de ondulación más alta. Aproximadamente desde 2007, se volvió común que las placas base de computadora de mejor calidad usaran solo condensadores de polímero donde anteriormente se habían usado electrolíticos húmedos. [2] [3]
La ESR de condensadores de más de 1 μF se mide fácilmente en el circuito con un medidor de ESR .