ИЗМЕРИТЕЛЬ ESR
Для проверки конденсаторов, решил собрать так называемый "измеритель ESR”. Ведь с испытанием диодов и резисторов проблем не возникает, а вот с конденсаторами сложнее. Как известно, ESR - это сокращение от Equivalent Serial Resistance, - означает "эквивалентное последовательное сопротивление”. Объясним проще. В упрощенном виде электролитический конденсатор представляет собой две алюминиевые ленточные обкладки, разделенные прокладкой из пористого материала, пропитанного электролитом (отсюда и название электролитический). Диэлектриком в таких конденсаторах является очень тонкая оксидная пленка, образующаяся на поверхности алюминиевой фольги при подаче на обкладки напряжения определенной полярности. К этим ленточным обкладкам присоединяются проволочные выводы. Ленты сворачиваются в рулон, и все это помещается в герметичный корпус. Благодаря очень малой толщине диэлектрика и большой площади обкладок оксидные конденсаторы при малых габаритах имеют большую емкость.
В процессе работы внутри конденсатора протекают электрохимические процессы, разрушающие место соединения вывода с обкладками. Контакт нарушается, и в результате появляется так называемое переходное сопротивление, достигающее значения десятков ом и более, что эквивалентно включению последовательно с конденсатором резистора, который находится в самом конденсаторе. Зарядные и разрядные токи вызывают нагрев этого "резистора”, что еще больше усиливает разрушительный процесс. Другая причина выхода из строя электролитического конденсатора - это "высыхание”, когда из-за плохой герметизации происходит испарение электролита. В этом случае возрастает реактивное емкостное (Хс) сопротивление конденсатора, так как емкость последнего уменьшается. Наличие последовательного сопротивления негативно сказывается на работе устройства, нарушая логику работы конденсатора в схеме. (Если включить, например, последовательно с конденсатором фильтра выпрямителя резистор сопротивлением десяток Ом, на выходе последнего резко возрастут пульсации выпрямленного напряжения). Особенно сильно сказывается повышенное значение ESR конденсаторов (причем всего до пары Ом) на работе импульсных блоков питания.
Принцип работы данного измерителей ESR основан на измерении емкостного сопротивления конденсатора, т.е., по сути, это омметр, работающий на переменном токе.
Как известно, Xс=1/2πfC , где
Xс - емкостное сопротивление, Ом;
f - частота, Герц;
С - емкость, Фарад.
На микросхеме DD1 собран генератор прямоугольных импульсов (элементы D1.1, D1.2), буферный усилитель (элементы D1.3, D1.4) и усилительный каскад на транзисторах. Частота генерации определяется элементами С1 и R1 и равна 100 кГц. Прямоугольные импульсы через разделительный конденсатор С2 подаются на первичную обмотку повышающего трансформатора Т1. Во вторичную обмотку после выпрямителя на диоде включен микроамперметр, по шкале которого отсчитывают значение ESR. Конденсатор С3 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. При включении питания стрелка микроамперметра отклоняется на конечную отметку шкалы (добиваются подбором резистора R2). Такое ее положение соответствует значению "бесконечность” измеряемого ESR. Если подключить исправный оксидный конденсатор параллельно обмотке I трансформатора Т1, то благодаря низкому емкостному сопротивлению конденсатор зашунтирует обмотку, и стрелка измерителя приблизится к нулю. При наличии же в измеряемом дефекта, в нем повышается значение ESR. Часть переменного тока потечет через обмотку, и стрелка будет все меньше отклоняться от значения "бесконечность”. Чем больше ESR, тем больший ток протекает через обмотку и меньший через конденсатор, и тем ближе к положению "бесконечность” находится стрелка.
Трансформатор наматывают на ферритовом кольце с внешним диаметром 10...15 мм. Первичная обмотка содержит 10 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,5 мм, вторичная - 200 витков ПЭВ-2 диаметром 0,1 мм. Диод обязательно должен быть германиевым, например Д9, Д310, Д311, ГД507. Кремниевые диоды имеют большое пороговое напряжение открывания (0,5...0,7 В), что приведет к сильной нелинейности шкалы измерителя в области измерения малых сопротивлений. Градуируют измеритель ESR с помощью нескольких резисторов сопротивлением 1 Ом. Замкнув щупы, отмечают, где будет нулевая отметка шкалы. Из-за наличия сопротивления в соединительных проводах, она может не совпадать с положением стрелки при выключенном питании. Поэтому провода, идущие к щупам, должны быть по возможности короткими. Далее подключают два параллельно соединенных резистора на 1 Ом и отмечают положение стрелки, соответствующее измеряемому сопротивлению 0,5 Ом. Затем подключают резисторы на 1, 2, 3, 5 и 10 Ом и отмечают положения стрелки при измерении этих сопротивлений. На этом можно остановиться, так как электролитические конденсаторы емкостью более 4,7 мкФ с ESR больше 10 Ом хотя и могут работать, но уже не долго:)
Мы уже привыкли к основным параметрам конденсатора: ёмкости и рабочему напряжению. Но в последнее время не менее важным параметром стало его эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС). Что же это такое и на что оно влияет?
Так как ЭПС наиболее сильно влияет на работу электролитических конденсаторов, то в дальнейшем речь пойдёт именно о них. Сейчас мы разберём электролитический конденсатор по косточкам и узнаем, какие же тайны он скрывает.
Любой электронный компонент не идеален. Это относится и к конденсатору. Совокупность его свойств показывает условная схема.
Как видим, реальный конденсатор состоит из ёмкости C , которую мы привыкли видеть на схемах в виде двух вертикальных полос. Далее резистор R s , который символизирует активное сопротивление проволочных выводов и контактного сопротивления вывод - обкладка. На фото видно, как проволочные выводы крепятся к обкладкам методом заклёпочного соединения.
Так как любой, даже очень хороший диэлектрик имеет определённое сопротивление (до сотен мегаом), то параллельно обкладкам изображается резистор Rp . Именно через этот «виртуальный» резистор течёт так называемый ток утечки. Естественно, никаких резисторов внутри конденсатора нет. Это лишь для наглядности и удобного представления.
Из-за того, что обкладки у электролитического конденсатора скручиваются и устанавливаются в алюминиевый корпус, образуется индуктивность L .
Свои свойства эта индуктивность проявляет лишь на частотах выше резонансной частоты конденсатора. Приблизительное значение этой индуктивности - десятки наногенри.
Итак, из всего этого выделим то, что входит в ЭПС электролитического конденсатора:
Сопротивление, которое вызвано потерями в диэлектрике из-за его неоднородности, примесей и наличия влаги;
Омическое сопротивление проволочных выводов и обкладок. Активное сопротивление проводов;
Контактное сопротивление между обкладками и выводами;
Сюда же можно включить и сопротивление электролита, которое увеличивается из-за испарения растворителя электролита и изменения его химического состава вследствие взаимодействия его с металлическими обкладками.
Все эти факторы суммируются и образуют сопротивление конденсатора, которое и назвали эквивалентным последовательным сопротивлением - сокращённо ЭПС, а на зарубежный манер ESR (E quivalent S erial R esistance).
Как известно, электролитический конденсатор в силу своего устройства может работать только в цепях постоянного и пульсирующего тока из-за своей полярности. Собственно, его и применяют в блоках питания для фильтрации пульсаций после выпрямителя. Запомним эту особенность конденсатора - пропускать импульсы тока.
А если ESR - это, по сути, сопротивление, то на нём при протекании импульсов тока будет выделятся тепло. Вспомните о мощности резистора . Таким образом, чем больше ЭПС - тем сильнее будет греться конденсатор.
Нагрев электролитического конденсатора - это очень плохо. Из-за нагрева электролит начинает закипать и испаряться, конденсатор вздувается. Наверное, уже замечали на электролитических конденсаторах защитную насечку на верхней части корпуса.
При длительной работе конденсатора и повышенной температуре внутри его электролит начинает испаряться, и давить на эту насечку. Со временем давление внутри возрастает настолько, что насечка разрывается, высвобождая газ наружу.
"Хлопнувший" конденсатор на плате блока питания (причина - превышение допустимого напряжения)
Также защитная насечка предотвращает (или ослабляет) взрыв конденсатора при превышении допустимого напряжения или изменении его полярности.
На практике бывает и наоборот - давление выталкивает изолятор со стороны выводов. Далее на фото показан конденсатор, который высох. Ёмкость его снизилась до 106 мкФ, а ESR при измерении составило 2,8Ω, тогда как нормальное значение ESR для нового конденсатора с такой же ёмкостью лежит в пределах 0,08 - 0,1Ω.
Электролитические конденсаторы выпускают на разную рабочую температуру. У алюминиевых электролитических конденсаторов нижняя граница температуры начинается с - 60 0 С, а верхняя ограничена +155 0 С. Но в большинстве своём такие конденсаторы рассчитаны на работу в температурном диапазоне от -25 0 С до 85 0 С и от -25 0 С до 105 0 С. На этикетке иногда указывается только верхний температурный предел: +85 0 С или +105 0 С.
Наличие ЭПС в реальном электролитическом конденсаторе влияет на его работу в высокочастотных схемах. И если для обычных конденсаторов это влияние не столь выражено, то вот для электролитических конденсаторов оно играет весьма важную роль. Особенно это касается их работы в цепях с высоким уровнем пульсаций, когда протекает существенный ток и за счёт ESR выделяется тепло.
Взгляните на фото.
Вздувшиеся электролитические конденсаторы (причина - длительная работа при повышенной температуре)
Это материнская плата персонального компьютера, который перестал включаться. Как видим, на печатной плате рядом с радиатором процессора расположено четыре вздувшихся электролитических конденсатора. Длительная работа при повышенной температуре (внешний нагрев от радиатора) и приличный срок эксплуатации привёл к тому, что конденсаторы «хлопнули». Виной тому - нагрев и ESR. Плохое охлаждение отрицательно сказывается не только на работе процессоров и микросхем, но, как оказывается, и на электролитических конденсаторах!
Снижение температуры окружающей среды на 10 0 C продлевает срок службы электролитического конденсатора почти вдвое.
Аналогичная картина наблюдается в отказавших блоках питания ПК - электролитические конденсаторы также вздуваются, что приводит к просадке и пульсациям напряжения питания.
Неисправные конденсаторы в БП ПК ATX (причина - низкое качество конденсаторов)
Нередко из-за длительной работы импульсные блоки питания точек доступа, роутеров Wi-Fi, всевозможных модемов также выходят из строя по причине «хлопнувших» или потерявших ёмкость конденсаторов. Не будем забывать, что при нагреве электролит высыхает, а это приводит к снижению ёмкости. Пример из практики я описывал .
Из всего сказанного следует, что электролитические конденсаторы, работающие в высокочастотных импульсных схемах (блоки питания, инверторы, преобразователи, импульсные стабилизаторы) работают в довольно экстремальных условиях и выходят из строя чаще. Зная это производители выпускают специальные серии с низким ESR. На таких конденсаторах, как правило, присутствует надпись Low ESR , что означает "низкое ЭПС".
Известно, что конденсатор обладает ёмкостным или реактивным сопротивлением, которое снижается с ростом частоты переменного тока.
Таким образом, с ростом частоты переменного тока, реактивное сопротивление конденсатора будет падать, но только до тех пор, пока оно не приблизится к величине эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). Его то и необходимо измерить. Поэтому многие приборы - измерители ESR (ESR-метры) измеряют ЭПС на частотах в несколько десятков - сотен килогерц. Это необходимо для того, чтобы «убрать» величину реактивного сопротивления из результатов измерения.
Стоит отметить, что на величину ESR конденсатора влияет не только частота пульсаций тока, но и напряжение на обкладках, температура окружающей среды, качество изготовления. Поэтому однозначно сказать, что ESR конденсатора, например, равно 3 омам, нельзя. На разной рабочей частоте величина ESR будет разной.
ESR-метр
При проверке конденсаторов , особенно электролитических, стоит обращать внимание на величину ESR. Для тестирования конденсаторов и измерения ESR существует немало серийно выпускаемых приборов. На фото универсальный тестер радиокомпонентов (LCR-T4 Tester) функционал которого поддерживает замер ESR конденсаторов.
В радиотехнических журналах можно встретить описания самодельных приборов и приставок к мультиметрам для измерения ESR. В продаже можно найти и узкоспециализированные ESR-метры, которые способны измерять ёмкость и ЭПС без выпайки их из платы, а также разряжать их перед этим с целью защиты прибора от повреждения высоким остаточным напряжением конденсатора. К таким приборам относятся, например, такие как ESR-micro v3.1, ESR-micro V4.0s, ESR-micro v4.0SI.
При ремонте электроники приходится часто менять электролитические конденсаторы. При этом для оценки их качества измеряются такие параметры, как ёмкость и ESR. Чтобы было с чем сравнивать, была составлена таблица ESR , в которой указано ЭПС новых электролитических конденсаторов разных ёмкостей. Данную таблицу можно использовать для оценки пригодности того или иного конденсатора для дальнейшей службы.
Электролитический конденсатор - необходимая в хозяйстве радиолюбителя вещь. Часто оказывается, что нету под рукой столь нужной маленькой копеечной детальки - из-за такой ерунды приходится ехать в магазин. В целях избежать такой ситуации решил обзавестись такой коробочкой.
Сама коробочка продается в этом магазине - - стоит 2.2$ Так что наш восточный сосед насыпал нам кучку конденсаторов на 3$. Очень неплохая цена для 200 конденсаторов. В конце концов содержимое можно отдать (выкинуть, разобрать в познавательных целях, бусы сплести и т.д.) - а в коробочку в 15 ячеек что-то положить.
Дошло все за 2 недели внезапно.
Фото упаковки (в пленке была)
Размеры:
Есть вешалка на гвоздь:-)
В коробке находятся 200 электролитических конденсатора таких номиналов:
От транспортировки конденсаторы в коробочке почти не перемешались. Чтобы не путаться, я подписал номиналы (почему продавец так не делает сам - не понятно)
Измерения конденсаторов проводил популярным тут тестером (версия в коробочке)
Прибор измеряет емкость, ESR, Vloss. С емкостью более менее все понятно.
Описание Vloss стырил отсюда - :
… он косвенно указывает на уровень утечки конденсатора. Как известно, реальный конденсатор имеет сопротивление диэлектрика между обкладками. Благодаря этому сопротивлению конденсатор медленно разряжается из-за, так называемого, тока утечки.Т.е. если он меньше 5% значит все ок.Так вот, при заряде конденсатора коротким импульсом тока напряжение на его обкладках достигает определённого уровня. Но, как только заряд конденсатора прекращается, напряжение на заряженном конденсаторе падает на очень небольшую величину. Разность между максимальным напряжением на конденсаторе и тем, что наблюдается после завершения заряда и выражают как Vloss. Чтобы было удобней, Vloss выражают в процентах.
Про ESR (ЭПС) - Equivalent series resistance(эквивалентное последовательное сопротивление) - тут можно почитать про параметр и способ измерения - .
Определяют по таблице:
Для маленьких емкостей до 5 Ом. Если сильно больше номинала таблицы - то такой кондер лучше выкинуть.
Пациент №1
0.1мкФ; 50В; 4х7 мм; 15 штук; Фирма NCK
Пациент №2
0.22 мкФ; 50 В; 15 штук; 5х11 мм; фирма Chang
ESR должен быть 5. Тут скорее всего прибор не умеет мерить нормально на маленьких емкостях.
Пациент №3
0.47 мкФ; 50 В; 15 штук; 5х11 мм; фирма Chang
ESR должен быть 5.Тут скорее всего прибор не умеет мерить нормально на маленьких емкостях.
Пациент №4
1 мкФ; 50 В; 15 штук; 5х11 мм; фирма Chang
ESR по таблице должен быть 4.5. Тут скорее всего прибор не умеет мерить нормально на маленьких емкостях
Пациент №5
2.2 мкФ; 50 В; 15 штук; 5х10 мм; фирма Chang
ESR по таблице должен быть 4.5 Тут скорее всего прибор не умеет мерить нормально на маленьких емкостях
Пациент №6
3.3 мкФ; 50 В; 15 штук; 5х10 мм; фирма Chang
ESR по таблице должен быть 4.7 Тут скорее всего прибор не умеет мерить нормально на маленьких емкостях
Пациент №7
4.7 мкФ; 50 В; 15 штук; 5х11 мм; фирма Chang
ESR по таблице должен быть 3.0 Тут скорее всего прибор не умеет мерить нормально на маленьких емкостях
Пациент №8
10 мкФ; 25 В; 15 штук; 5х11 мм; фирма Chang
ESR по таблице должен быть 5.3 Тут все ок с ESR
Пациент №9
22 мкФ; 25 В; 15 штук; 5х10 мм; фирма Chang
Что-то судя по таблице пичально тут с ESR
Пациент №10
22 мкФ; 16 В; 15 штук; 5х11 мм; фирма Chang
ESR по таблице должен быть 3.6 Тут с ESR все ок
Пациент №11
47 мкФ; 16 В; 10 штук; 5х10 мм; фирма Jackcon
По таблице ESR должен быть около 1. Сами все видите.
Пациент №12
47 мкФ; 25 В; 10 штук; 5х10 мм; фирма Chang
По таблице ES
Собственно, как я уже когда-то очень давно обещал, расскажу про простейший измеритель ESR. В дальнейшем буду писать не ESR, а ЭПС(эквивалентное последовательное сопротивление), поскольку лень переключать раскладку. И так, кратко, что же такое ЭПС.
ЭПС можно представить в виде резистора, включенного последовательно с кондесатором.
На данной картинке - R. Собственно, у исправного конденсатора этот показатель измеряется долями Ома, для конденсаторов малой емкости (до 100мкф) может достигать 2-3 Ом. Более подробно значения ЭПС для исправных конденсаторов можно найти в справочных данных производителей. Со временем, из-за испарения электролита, это сопротивление увеличивается, что приводит к повышению мощности потерь. Как результат конденсатор сильнее нагревается, что еще сильнее ускоряет процесс испарения электролита и приводит к потере емкости.
На практике ремонта точное измерение ЭПС не нужно. Достаточно считать любой конденсатор с ЭПС выше 1-2 Ом неисправным. Можно считать это спорным утверждением, в интернете достаточно легко найти целые таблицы с значениями ЭПС для конденсаторов различной емкости. Однако я убеждался неоднократно, что приблизительной оценки вполне достаточно. Не говоря уже о том, что результаты измерения ЭПС одних и тех же конденсаторов(новых), одного и того же производителя сильно разнятся в зависимости от партии, времени года и фазы луны.
Я использую простой измеритель на копеечной микросхеме. Разработал его Manfred Mornhinweg . 
Конструкция довольно простая, но привлекательна своей нетребовательностью к трансформатору. Из недостатков - шкала получается «широкая», в моем случае 0-20ом. Соответственно, нужна большая измерительная головка, т.н. «магнитофонные» (из индикаторов уровня магнитофонов), не подойдут - будет неудобно работать.
В качестве трансформатора автор намотал две обмотки 400 и 20 витков на ферритном кольце 19х16х5мм 2000НМ. Однако можно поступить значительно проще - использовать трансформатор дежурки из любого ATX блока питания. Достаточно заменить R8 на подстроечный многооборотный резистор 3296W сопротивлением 51к. При помощи этого резистора можно будет увеличить коэффициент усиления измерительного усилителя и компенсировать недостаточный коэффициент трансформации. LM7805 необходимо заменить на LM1117-5, это снизит потребляемый ток, плюс нижний порог напряжения питания опустится примерно до 6.5В. Стабилизатор обязателен, иначе шкала будет плавать в зависимости от напряжения питания. Для питания я использовал обычную «Крону». Саму микросхему обязательно поставьте в панельку!
Настройка прибора сводится к установке «нуля» и калибровке шкалы. Для калибровки шкалы используются низкоомные резисторы с допусками 0.5% и сопротивлениями от 0 до 2-5 Ом. Калибровка производится следующим образом - снимаем защитное стекло с индикаторной головки. Включаем прибор и измеряем сопротивление эталонных резисторов. Смотрим, куда отклоняется стрелка и ставим в этом месте на шкале метку с соответствующим сопротивлением. Так размечаем шкалу.
Измеряемые низковольтные конденсаторы(до 50-80 вольт без проблем) разряжаются резисторами R5, R6 и первичной обмоткой трансформатора. «Сетевые» емкости(те, которые после диодного моста в импульсных БП) я предварительно разряжаю приспособой, сделанной из резистора 510 Ом/1Вт, иглы от шприца, крокодила и корпуса гелевой ручки. В теории цепочка R5-R6 должна разрядить и такие емкости, но на практике, выбивает TL062:) Именно поэтому ее надо ставить в панельку -чтобы быстро заменить. Но надежнее - предварительно разрядить «сетевую» емкость.
В целом - очень удачный прибор - дешев, прост, не требователен к трансформатору.
Схема электрическая esr измерителя конденсаторов
Печатные платы - рисунок
В типичной схеме, может быть 10 или даже 100 конденсаторов. Выпаивать каждый для тестирования очень утомительно и существует большой риск повреждения платы. Этот тестер использует низкое напряжение (250 мВ) высокой частоты (150 кГц), и он способен мерять ESR конденсаторов прямо в схеме. Напряжение выбрано достаточно низкими, чтобы другие окружающие радиоэлементы схемы не влияли на результаты замеров. А если вам случайно доведется испытать заряженный конденсатор - не беда. Этот измеритель выдерживает до 400В заряда на конденсаторе. Опыт показал, что ЭПС метр выявляет около 95% конденсаторов с потенциальными проблемами.
Особенности работы прибора
- Тест электролитических конденсаторов > 1 мкФ.
- Полярность не важна для тестирования.
- Переносит заряд конденсаторов до 400В.
- Низкий ток потребления от батареи - около 25 мА.
- Легко читать данные аналогового измерителя.
- Меряет ЭПС в диапазоне от 0-75 Ом по расширенной шкале с помощью омметра.
Как использовать ESR метр
Включаете прибор. Убедитесь, что проверяемая схема находится не под напряжением. Разрядите конденсатор перед тестированием - ЭПС метр не делает этого автоматически. Замкните выводы конденсатора и удерживайте их так в течение нескольких секунд. С помощью вольтметра убедитесь, что конденсатор полностью разряжен. Вольтметр должен показывать нулевое значение. Прикоснитесь щупами ESR метра к конденсатору. Определите сопростивление ESR. Является ли значение ESR приемлемым узнаём путем сравнения измеренного ESR с эталонными данными. Посмотреть эту таблицу
