ESR. Способы измерения
Этот проект был задуман как способ проверки пригодности конденсатора к работе. Я покупаю много старых радиоэлектронных устройств старше 25-60 лет и состояние электролитических конденсаторов бывает подозрительным. Мне требовался быстрый способ проверки конденсаторов.
Что такое ESR?
"ESR" означает эквивалентное последовательное сопротивление. ESR является одной из характеристик, которые определяют производительность электролитического конденсатора. Чем ниже ESR конденсатора, тем лучше, так как при высоком ESR конденсатор разогревается при прохождении тока через него, а это разрушает его. Со временем ESR конденсатора может увеличиться от 10 до 30 раз, либо конденсатор вообще перестанет пропускать ток. Типичный срок службы электролитических конденсаторов 2000-15000 часов и очень сильно зависит от температуры окружающей среды. Когда ESR увеличивается, конденсатор начинает хуже работать и в конечном итоге схема не работает.
Почему
ESR
метр так полезен?
Большинство ESR метров требует, чтобы конденсатор был выпаян из схемы. Когда конденсаторов в схеме много, это очень утомительно, и есть риск повредить плату. Этот тестер использует низкое напряжение (250 мВ) высокой частоты (150 кГц) для измерения конденсаторов. Измерение без выпаивания из схемы возможно из-за низкого напряжения, которого хватает конденсатору, но для других деталей мало, поэтому они не мешают измерению. Большинство ESR метров будут повреждены, если вы измерите ими заряженный конденсатор. Эта схема выдерживают до 400V заряда на конденсаторе (Это напряжение опасно для жизни. Будьте осторожны!
). Мой опыт показал, что ESR метр распознает около 95% негодных конденсаторов.
Характеристики ESR измерителя:
- измерение электролитических конденсаторов емкостью > 1мкФ
- полярность конденсатора не важна
- допускает подключение заряженных конденсаторов до 400В
- низкий уровень энергопотребления (около 25 мА), что дает около 20 часов автономной работы при использовании 4 батареек АА
- измерение ESR в диапазоне 0-75 Ом.
Описание схемы
Схема начинается с 150 кГц генератора на одном элементе 74hc14. Остальные элементы используются для увеличения напряжения идущего в фильтр низких частот. Фильтр низких частот необходим, потому что прямоугольный сигнал содержит много помех и гармоник. Сигнал с фильтра идет на 10Ом резистор, который обеспечивает низкий уровень сигнала при измерении конденсатора. Диоды D5 и D6 защищают цепь от разряда при подключении заряженного конденсатора. R18 является гасящим резистором для C5. C5 защищает цепь от постоянного тока напряжением до 400В.
Остальная часть схемы является транзисторным усилителем с коэффициентом усиления около 10.5. Это усиливает сигнал, пришедший с конденсатора, до нескольких вольт в амплитуде. Усиленное напряжение должно быть достаточно большим, чтобы преодолеть 2 диода, после чего шкала начнет реагировать. Правильное функционирование схемы можно проверить, подключая на вход резисторы разного сопротивления (1 Ом - около 90% от полной шкалы, 10 Ом - около 40% шкалы и 47 Ом - около 10% шкалы). Показания тестера могут немного меняться в зависимости от температуры. Ниже можно скачать фотографии и рисунок ПП.
Файлы проекта:
Сборочный чертеж - esrbuildit.png
ПП вид снизу - esrpcb.png
ПП вид снизу - esrxray.png
ПП и схема в формате - ESR meter.zip
/SWCadiii - esr.asc
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| IC1 | ИС буфера, драйвера | CD74HC14 | 1 | В блокнот | ||
| Q1 | Биполярный транзистор | 2N2222 | 1 | В блокнот | ||
| D1-D4 | Выпрямительный диод | 1N4148 | 4 | В блокнот | ||
| D5, D6 | Выпрямительный диод | 1N4004 | 2 | В блокнот | ||
| С1-С3 | Конденсатор | 0.01 мкФ | 3 | В блокнот | ||
| С4 | Конденсатор | 0.047 мкФ | 1 | В блокнот | ||
| С5 | Конденсатор | 0.47 мкФ 400 В | 1 | В блокнот | ||
| С6 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 1 | В блокнот | ||
| С7 | Электролитический конденсатор | 10 мкФ | 1 | В блокнот | ||
| R1 | Резистор | 1 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R2-R6 | Резистор | 680 Ом | 5 | В блокнот | ||
| R7, R8 | Резистор | 10 Ом | 2 | В блокнот | ||
| R9 | Резистор | 100 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R10 | Подстроечный резистор | 25 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R11 | Резистор | 2.2 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R12 | Резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | ||
| R17 | Резистор |
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
Как очень просто узнать значение ESR любого конденсатора при ремонтах, используя подручные приборы мы сейчас и разберёмся. Конденсатор, как все знают, имеет такой параметр как ESR (эквивалентное последовательное сопротивление - ЭПС) и измерения его очень полезны при диагностике проблем с электропитаниям. Например в линейных источниках питания, высокий ESR конденсатора фильтра может привести к чрезмерной пульсации тока и далее к перегреву конденсатора с последующим выходом из строя. В общем сейчас мы расскажем, как измерить ESR (ЭПС) конденсатора без - с помощью обычного звукового генератора и мультиметра.
Немного теории про конденсатор
Типичный конденсатор может быть смоделирован как идеальный конденсатор последовательно с резистором - эквивалентное последовательное сопротивление. Если мы приложим напряжение переменного тока на конденсатор при тестировании через токоограничивающий резистор, получим следующую схему:
Схему можно рассматривать как простой резисторный делитель, если частота источника переменного тока достаточно высока, поскольку реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте практически для любой емкости. Таким образом, мы можем использовать значение измеряемого напряжения на конденсаторе для расчета ESR:
Для ESR получаем такую вышеприведённую формулу. Если использовать генератор с 50 омным выходом, то можно подключить конденсатор при тестировании непосредственно к выходу функционального генератора и измерить напряжение переменного тока на конденсаторе, после чего рассчитать ESR с помощью вышеприведенного уравнения.
Какое напряжение использовать для проверки
Так как электролитические конденсаторы являются поляризованными, мы можем либо использовать напряжение переменного тока с фиксированным значением постоянного тока или просто использовать переменное напряжение достаточно низкого уровня, так чтоб емкости на тесте не превышали максимальное обратное напряжение (обычно меньше 1 В). Большинство ESR метров используют именно этот второй подход, поскольку он прост в реализации и не нужно беспокоиться о полярности измерения. Здесь выберем 100 мВ предел измерения напряжения. Это напряжение выбирается потому, что оно ниже прямого напряжения на p/n-переходе (от 0,2 до 0,7 вольт в зависимости от типа полупроводника) так что можно выполнить измерения ESR прямо в схеме - не выпаивая конденсатор.
На приведенном ниже графике показано расчетное значение ESR в зависимости от измеряемого напряжения при использовании 100 мВ сигнала от 50 Ом источника ЗЧ.
Вообще расчет до сих пор основывался на допущении, что реактивное сопротивление конденсатора близко к нулю. Поэтому для того, чтобы получить наиболее точный результат, важно выбрать частоту измерения на основе значения параметров конденсатора так, чтоб реактивное сопротивление игнорировалось. Напомним, что реактивное сопротивление конденсатора равно:
Если мы игнорируем это и зафиксируем реактивное сопротивление - получим зависимость емкости от частоты. На приведенном ниже графике показаны такие отношения для трех значений (0.5, 1, 2 Ом).
Этот график служит для определения минимальной частоты, необходимой для измерения данной емкости для того, чтобы реактивное сопротивление было ниже заданного значения. Например, если есть конденсатор 10 мкф, минимальная частота на 2 Ома примерно 8 кГц. Если мы хотим, чтобы реактивное сопротивление было меньше 1 Ом, то минимальная частота нужна примерно 16 кГц. И если мы хотим снизить реактивное сопротивление еще до 0,5 Ом, нужно будет задать частоту генератора выше 30 кГц.
Выбор частоты для измерения ЭПС
С одной стороны более высокие частоты лучше для измерения ЭПС из-за снижения реактивного сопротивления, но не всегда желательно. Реактивное сопротивление за счет индуктивности в цепи возрастает пропорционально частоте входного сигнала и эта реактивность может значительно исказить результат измерения. Так что на больших конденсаторах фильтров БП, используемая частота обычно составляет от 1 до 5 кГц, а для небольших конденсаторов на высоких частотах может быть использована от 10 до 50 кГц. Таким образом мы узнали теоретические основы измерения эквивалентного последовательного сопротивления конденсаторов и практический метод домашней проверки ЭПС без применения специальных .
Какой главный параметр для оценки исправности конденсаторов? Конечно их ёмкость. Но по мере распространения импульсной высоковольтной техники, стало очевидно, что надо обратить внимание на ещё один параметр, от которого зависит надёжность и качество работы импульсных преобразователей - это эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, по англ. ESR - equivalent series resistance ). Применение конденсаторов с увеличенным значением ЭПС приводит к росту пульсаций выходного напряжения по сравнению с расчётными значениями, и бстрому выходу их из строя из-за повышенного нагрева за счёт выделения тепла на ЭПС, нередки даже случаи закипания электролита, деформация корпуса, а также взрывы конденсаторов. Особая выраженность негативного влияния ЭПС именно в силовых импульсных преобразователях вызвана, работой на больших токах заряда-разряда, а также тем, что с ростом рабочей частоты ЭПС возрастает. Наличие ESR объясняется конструкцией оксидного конденсатора и обусловлена сопротивлением обкладок, сопротивлением выводов, переходным сопротивлением контактов между обкладками и выводами, а также потерями в материале диэлектрика. С течением времени ESR конденсатора возрастает, что совсем не хорошо.ESR конденсаторов разных типов
Естественно, проконтролировать обычным Омметром эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора невозможно - тут нужен специальный прибор. В интернете есть несколько простых конструкций ESR-метров , но при желании, можно собрать более точный и удобный измеритель на микроконтроллере. Например из журнала Радио 7-2010.
Схема измерителя ESR конденсаторов на
Attiny2313
Все необходимые файлы и прошивки - в архиве . После сборки и включения крутим регулятор контрастности до появления на экране LCD надписи в две строки. Если её нет - проверяем монтаж и правильность прошивки МК ATtiny2313. Если всё ОК - нажимаем кнопку "Калибровка" - в прошивку внесётся поправка на скорость срабатывания входной части измерителя. Далее понадобится несколько новых электролитических конденсаторов высокого качества ёмкостью 220...470 мкФ разных партий, лучше всего - на разные напряжения. Подключаем любой из них к входным гнёздам прибора и начинаем подбирать резистор R2 в пределах 100...470 ом (у меня получилось 300 ом; можно применить временно цепочку постоянный+подстроечный) так, чтобы значение ёмкости на экране ЖКИ примерно было похоже на номинал конденсатора. К большой точности пока что стремиться не стОит - ещё будет корректироваться; затем проверить и с другими конденсаторами.
Для настройки измерителя ESR нужна таблица с типовыми значениями этого параметра для разных конденсаторов. Эту табличку рекомендуется приклеить на корпус прибора под дисплеем.
В следующей табличке указаны максимальные значения эквивалентного последовательного сопротивления для электролитических конденсаторов. Если у измеряемого конденсатора оно будет выше, то его уже нельзя использовать для работы в сглаживающем фильтре выпрямителя:
Подключаем конденсатор 220 мкФ и, незначительным подбором сопротивления резисторов R6, R9, R10 (на схеме и на моём сборочном чертеже обозначены со звёздочками), добиваемся показаний Esr, близких к указанным в таблице. Проверяем на всех имеющихся заготовленных эталонных конденсаторах, в т.ч. уже можно использовать и конденсаторы от 1 до 100 мкФ.
Так как для измерения ёмкости конденсаторов от 150 мкФ и для измерителя ESR применяется один и тот же участок схемы, после подбора сопротивления этих резисторов несколько изменится точность показаний измерителя ёмкости. Теперь можно подстроить ещё сопротивление резистора R2, чтобы эти показания стали точнее. Другими словами, нужно подбирая сопротивление R2 - уточнить показания измерителя ёмкости, подстраивая резисторы в делителе компараторов - уточнить показания ESR-метра. Причём, приоритет надо отдавать измерителю внутреннего сопротивления.
Теперь надо настроить измеритель ёмкости конденсаторов диапазона 0,1...150 мкФ. Так как для этого в схеме предусмотрен отдельный источник тока, измерение ёмкости таких конденсаторов можно сделать очень точным. Подключаем конденсаторы малой ёмкости к входным гнёздам прибора и, подбором сопротивления R1 в пределах 3,3...6,8 кОм добиваемся максимально точных показаний. Этого можно достичь, если в качестве эталонных применить не электролитические, а высокоточные конденсаторы К71-1 ёмкостью 0,15 мкФ с гарантированным отклонением 0,5 или 1%.
Когда собрал данный измеритель ESR - схема завелась сразу, понадобилась только калибровка. Этот измеритель много раз помогал при ремонте БП, так что устройство рекомендуется к сборке. Схему разработал - DesAlex , собрал и испытал: sterc .
Обсудить статью ИЗМЕРИТЕЛЬ ESR НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ
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.
