Elco aluminium tidak berperilaku seperti kapasitor ideal. Foil, elektrolit, tab, dan sambungan internalnya menambahkan resistansi yang dalam model sederhana dinyatakan sebagai equivalent series resistance, atau ESR. Ketika arus ripple AC melewati resistansi ini, sebagian daya listrik benar-benar berubah menjadi panas di dalam elco.

Pada rangkaian filter catu daya, mekanisme ini dapat sama pentingnya dengan kapasitansi dan rating tegangan. Sebuah elco bisa memiliki nilai mikrofarad yang sesuai tetapi tetap terlalu panas jika ESR-nya terlalu tinggi untuk arus ripple yang dipaksakan oleh rangkaian.

ESR menambahkan rugi resistif di dalam elco

Model orde pertama yang berguna adalah kapasitor ideal yang diseri dengan sebuah resistor:

terminal ── ESR ── kapasitor ideal ── terminal

ESR bukan resistor fisik terpisah yang dipasang di dalam kaleng elco. ESR adalah parameter ekuivalen yang mewakili berbagai rugi internal.

Ketika arus melewati ESR, rugi resistifnya dapat diperkirakan dengan:

P = Irms² × ESR

dengan:

  • P sebagai disipasi daya internal,
  • Irms sebagai arus ripple RMS,
  • ESR sebagai equivalent series resistance pada kondisi operasi yang relevan.

Hubungan kuadrat ini penting. Jika ESR tetap, menggandakan arus ripple membuat pemanasan akibat ESR menjadi empat kali lebih besar.

Panduan aplikasi Nichicon untuk kapasitor elektrolit aluminium menggunakan hubungan yang sama untuk rugi AC dan menjelaskan bahwa pemanasan akibat arus ripple meningkatkan suhu internal kapasitor.

ESR kecil tetap dapat menghasilkan panas yang berarti

Misalkan sebuah elco membawa arus ripple 1,5 A RMS dengan ESR 80 mΩ:

ESR = 0.08 Ω
Irms = 1.5 A

P = 1.5² × 0.08
  = 0.18 W

Rugi 180 mW terlihat kecil dibandingkan daya yang ditangani seluruh converter, tetapi panas tersebut dihasilkan di dalam komponen yang relatif kecil dan umur pakainya sangat dipengaruhi suhu.

Jika arus ripple naik menjadi 3 A sementara ESR tetap 80 mΩ:

P = 3² × 0.08
  = 0.72 W

Arus hanya naik dua kali, tetapi disipasi internal menjadi empat kali lebih besar.

Inilah salah satu alasan elco yang terlihat memadai berdasarkan kapasitansi dan tegangan saja dapat menjadi panas di switching power supply.

Arus ripple tidak sama dengan arus beban

Beban dapat menarik arus beberapa ampere tanpa berarti elco membawa arus RMS dengan nilai yang sama. Arus ripple pada kapasitor adalah komponen bolak-balik yang terus mengisi dan mengosongkan kapasitor.

Bentuk gelombangnya bergantung pada topologi rangkaian.

Pada penyearah yang diikuti reservoir capacitor, elco dapat menerima pulsa pengisian sempit di sekitar puncak gelombang AC, lalu memasok beban di antara puncak-puncak tersebut.

Pada buck converter, output capacitor membawa selisih antara arus induktor dan arus beban:

Icapacitor = Iinductor - Iload

Arus rata-rata kapasitor pada kondisi steady state dapat mendekati nol, sementara arus ripple RMS-nya tetap cukup besar.

Karena itu, pemilihan elco sebaiknya menggunakan bentuk gelombang arus kapasitor yang diperkirakan atau perhitungan converter yang sudah tervalidasi, bukan sekadar menyalin nilai arus DC beban.

ESR berubah terhadap frekuensi dan suhu

ESR bukan satu nilai tetap untuk semua kondisi.

Datasheet kapasitor elektrolit aluminium biasanya menetapkan impedance atau ESR pada frekuensi dan suhu tertentu. Nilainya dapat berubah ketika salah satu kondisi tersebut berubah.

Panduan aplikasi produsen mencatat bahwa ESR umumnya meningkat pada suhu rendah. Frekuensi juga memengaruhi equivalent resistance dan perhitungan allowable ripple current.

Ada dua konsekuensi praktis.

Pertama, elco yang memadai pada suhu ruang dapat berperilaku berbeda saat cold start.

Kedua, nilai ESR yang diukur pada satu frekuensi tidak boleh otomatis digunakan untuk komponen ripple pada frekuensi yang sangat berbeda tanpa dukungan datasheet atau kurva impedance.

Switching converter juga dapat memiliki beberapa komponen frekuensi ripple sekaligus. Elco akhirnya menerima bentuk gelombang arus gabungan, bukan satu gelombang sinus ideal.

ESR ikut menentukan output ripple voltage

ESR tidak hanya menghasilkan panas. Arus ripple yang melewati ESR juga membentuk komponen tegangan:

Vesr = Iripple × ESR

Karena itu, output ripple pada switching converter tidak ditentukan oleh kapasitansi saja. Gambaran sederhananya setidaknya mencakup:

ripple kapasitif + ripple ESR + efek induktif/parasitik

Panasonic mencatat bahwa pada sebagian output switching power supply yang memakai kapasitor elektrolit aluminium, ESR dapat menjadi faktor dominan pada ripple voltage ketika kapasitansinya sudah cukup besar.

Hal ini menjelaskan mengapa mengganti elco rusak dengan komponen lain yang memiliki kapasitansi dan rating tegangan sama belum tentu menghasilkan performa yang setara. Pengganti dengan ESR jauh lebih tinggi dapat meningkatkan ripple voltage sekaligus pemanasan internal.

Rating arus ripple merupakan batas termal

Datasheet biasanya menetapkan rated ripple current pada kondisi tertentu, misalnya suhu dan frekuensi tertentu.

Angka ini tidak sebaiknya diperlakukan sebagai spesifikasi arus yang berdiri sendiri. Nilainya berkaitan erat dengan pemanasan internal dan kenaikan suhu yang diizinkan.

Melewati rated ripple current dapat menaikkan suhu elemen melampaui kondisi yang digunakan untuk menentukan umur pakai kapasitor.

Beroperasi di bawah rating ripple current juga tidak membuat suhu lingkungan menjadi tidak penting. Suhu ambient, aliran udara, komponen panas di dekatnya, layout PCB, suhu enclosure, dan rugi ESR elco sendiri semuanya ikut menentukan suhu internal.

Karena itu, elco yang dipasang di dekat heatsink atau power semiconductor dapat bekerja pada kondisi termal yang jauh lebih berat dibandingkan komponen yang sama pada bagian PCB yang lebih dingin.

Pemanasan dan penuaan saling memperkuat

Kapasitor elektrolit aluminium menua ketika elektrolit dan struktur internalnya berubah seiring waktu. Suhu tinggi mempercepat proses tersebut.

Ketika elco menua, ESR dapat meningkat. ESR yang lebih tinggi kemudian menghasilkan panas lebih besar untuk arus ripple yang sama:

ESR meningkat
   ↓
rugi I²R meningkat
   ↓
suhu internal meningkat
   ↓
degradasi lebih cepat

Umpan balik ini menjadi salah satu alasan elco yang menua sering memperlihatkan gejala seperti ripple catu daya yang meningkat, perilaku converter yang tidak stabil, atau pembengkakan fisik pada kondisi yang sudah parah.

Panduan aplikasi Panasonic secara spesifik memperingatkan bahwa degradasi ESR dalam penggunaan jangka panjang dapat meningkatkan pemanasan internal akibat arus ripple.

Kapasitansi dan rating tegangan hanya sebagian dari pemilihan

Untuk elco yang berada pada jalur daya, beberapa parameter berikut dapat relevan:

  • kapasitansi,
  • rated voltage,
  • ESR atau impedance,
  • rated ripple current,
  • operating temperature,
  • endurance atau expected lifetime,
  • ukuran fisik dan kondisi termal.

Polaritas juga tetap mendasar. Sebagian besar kapasitor elektrolit aluminium konvensional bersifat polarized dan harus digunakan sesuai polaritas serta batas tegangan yang ditetapkan produsen.

Tegangan puncak pada elco, termasuk komponen ripple yang menumpang pada tegangan DC, juga harus tetap berada dalam batas yang dinyatakan produsen.

Pemeriksaan praktis saat mengganti elco

Misalkan sebuah catu daya awalnya memakai elco 1000 µF, 25 V. Menggantinya dengan sembarang elco 1000 µF, 25 V belum tentu setara.

Perbandingan yang lebih berguna adalah:

kapasitansi:           kompatibel?
rated voltage:         sama atau lebih tinggi sesuai kebutuhan?
ESR/impedance:         sesuai untuk rangkaian?
ripple-current rating: cukup pada frekuensi dan suhu operasi?
temperature rating:    sesuai lingkungan?
ukuran mekanis:        kompatibel?

Pada switching power supply, bagian ESR dan ripple-current rating dapat menentukan apakah elco pengganti tetap dingin dan mampu menjaga output ripple dalam rentang yang diinginkan.

Jadi, fungsi elco tidak berhenti pada menyimpan muatan dan meratakan tegangan. Dalam rangkaian nyata, resistansi internalnya mengubah arus ripple menjadi panas. Mekanisme termal ini menghubungkan ESR, output ripple, umur elco, dan pola kegagalannya, sehingga keempatnya perlu dinilai bersama saat memilih atau mendiagnosis komponen.

Elektronika Kapasitor ESR Arus Ripple