Los condensadores e inductores que se utilizan en circuitos eléctricos no son componentes ideales que solo tengan capacidad o inductancia . Sin embargo, se pueden considerar, 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 ). A menos que se especifique 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 en modo conmutado, 120 Hz para componentes de fuente de alimentación lineal y a su frecuencia de autorresonancia para componentes de aplicación general. Además, los componentes de audio pueden informar un " factor Q ", que incorpora la ESR, entre otras cosas, a 1000 Hz.
La teoría de circuitos eléctricos se ocupa de resistencias , condensadores e inductores ideales , cada uno de los cuales se supone que aporta solo resistencia, capacitancia o inductancia al circuito . Sin embargo, todos los componentes tienen un valor distinto de cero de 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 tratar estas resistencias inherentes en el análisis de circuitos es utilizar un modelo de elementos concentrados para expresar cada componente físico como una combinación de un componente ideal y una pequeña resistencia en serie, la 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 el ESR y a veces es un parámetro más conveniente que el ESR para usar en los cálculos de rendimiento no ideal de alta frecuencia de inductores reales, se cita en las hojas de datos de inductores.
Los condensadores, inductores y resistencias suelen diseñarse para minimizar otros parámetros. En muchos casos, esto se puede hacer en la medida suficiente para que la capacidad y la inductancia parásitas de una resistencia, por ejemplo, sean tan pequeñas que no afecten al funcionamiento del circuito. Sin embargo, en algunas circunstancias, las parásitas se vuelven importantes e incluso dominantes.
Los capacitores e inductores puros no disipan energía; cualquier componente que disipe energía debe ser tratado en un modelo de circuito equivalente que incorpore uno o más resistores. Los componentes pasivos reales de dos terminales pueden representarse mediante una red de inductores, capacitores y resistores 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 con las condiciones, por ejemplo, la frecuencia y la temperatura.
Si se acciona mediante una onda senoidal 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 en ciertas condiciones, típicamente de alta frecuencia, donde la reactancia de pequeñas capacitancias e inductancias puede convertirse en un elemento significativo 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. Existen herramientas informáticas para circuitos complejos, como 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, que se cita 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 descuidan en la discusión del circuito, ya que es raro que todos los elementos de ESR sean significativos 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 hay pérdidas en los devanados debido a la proximidad y los efectos peliculares . Estos se suman a la resistencia del cable y dan lugar a una ESR más alta.
En un condensador no electrolítico y en condensadores electrolíticos con electrolito sólido, la resistencia metálica de los conductores y electrodos y las pérdidas en el dieléctrico causan la ESR. Los valores de ESR que se suelen citar para los condensadores cerámicos están entre 0,01 y 0,1 Ω. La ESR de los condensadores no electrolíticos tiende a ser bastante estable a lo largo del tiempo; para la mayoría de los propósitos, los condensadores no electrolíticos reales pueden considerarse componentes ideales.
Los condensadores electrolíticos de aluminio y tantalio con electrolito no sólido tienen valores de ESR mucho más altos, 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 en los componentes, aunque la capacitancia medida puede permanecer dentro de la tolerancia . Si bien esto sucede con el envejecimiento normal, las altas temperaturas y la gran corriente de rizado exacerban el problema. En un circuito con una corriente de rizado significativa, un aumento en la ESR aumentará la acumulación de calor, acelerando así el envejecimiento.
Los condensadores electrolíticos diseñados para funcionar 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 vida útil 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 resultar ventajoso especificar una pieza con una temperatura nominal más alta, una "ESR baja" o una capacidad mayor que la requerida en otros casos. No existe ningún estándar para la clasificación de condensadores de "ESR baja".
Los condensadores de polímero suelen tener una ESR menor que los electrolíticos húmedos del mismo valor y son estables a temperaturas variables. Por lo tanto, los condensadores de polímero pueden soportar una corriente de rizado más alta. A partir de 2007, se hizo común que las placas base de computadoras de mejor calidad usaran solo condensadores de polímero donde antes se habían usado electrolíticos húmedos. [2] [3]
La ESR de capacitores mayores a aproximadamente 1 μF se mide fácilmente en el circuito con un medidor de ESR .