Измерение ESR конденсаторов | Радиолюбитель — это просто

Опубликовано 28.02.202228.02.2022 автором Moldik

Конденсатор (есть такой радио элемент) это с одной стороны простое устройство, которое можно сделать в банке в прямом смысле слова, а с другой стороны, не так все просто.
Вот так выглядит схема конденсатора:

Другими словами у нас есть не только емкость , но сопротивление. Вот измерение этого сопротивления и есть цель. Существуют таблицы, для определения нормальной работоспособности конденсатора ESR должно соответствовать допустимым. Вот одна из таблиц:

Если вкратце, то для того, что бы убедится в работоспособности конденсатора, при ремонте радиоаппаратуры (или при использовании б/у запчастей), необходимо проверить емкость и соответствие значение ESR. Всю теорию я здесь приводить не буду, но расскажу как это сделать.

реклама

Теперь плавно переходим к практике, а именно к схемам устройств, с помощью которых можно испытать конденсаторы.

И давайте для правильной логики сделаем это от простого к сложному.

Простые устройства могут использовать для отображения результатов измерений как аналоговый вариант (измерительную головку или амперметр)

И тоже самое почти но на 555

реклама

Есть еще такой вариант, он позволяет проверять конденсаторы не выпаивая из схемы — напряжение на щупах не превышает 0,6В

Подобный прибор публиковался когда-то в журнале Радио №1 2011 год

И приборы с отображением информации с помощью светодиодов:

Этот прибор кода-то (а возможно и сейчас) продавался как набор и как готовое устройство компанией «МастерКит»:

Другой вариант такого устройства:

Есть приборы со звуковой индикацией, как к примеру этот:

Изначально схема генерирует звуковой тон с частотой около 500Гц.
При тестировании конденсаторов(без выпаивания из схемы), если ESR менее 1ома(что считается нормой), частота генерации снижается от 500 до 100Гц пропорционально емкости от 0. 1 до 1000Мкф и далее молчит.
Если ESR более 1ома, частота генерации начинает возрастать до (примерно) 5-7 кГц обратно пропорционально значению ESR.
Таким образом, если частота генерации начинает повышаться, или остается неизменной, то конденсатор (в большинстве случаев), следует заменить.

И наконец можно перейти к приборам, которые построены на микропроцессорах и отображают чаще всего все информацию: и емкость и ESR. Очень часто эти приборы универсальны, т.е. позволяют проверять практически весь спектр радиоэлементов от резистора до кварцевого резонатора. Выкладывать тут схемы, описания и прошивки я не буду, если кому-то интересно более детальное распределение ролей, пишите в комментариях и я сделаю детальный обзор по тому или иному прибору. А сейчас только покажу картинки))

И наконец прибор и корпус для него, который я уже упоминал в одной из моих статей

Все эти приборы универсальны и удобны в использовании.
Всем свежей канифоли! Буду рад вашим комментариям)

Тестеры

ESR, конденсатор, проверка, Тестеры

Частотные характеристики конденсаторов.

Импеданс и ESR

   Частотные характеристики конденсаторов являются важными параметрами, которые необходимы для разработки схем. Понимание частотных характеристик конденсатора позволит вам определить, например, какие шумы может подавлять конденсатор или какие флуктуации напряжения цепи питания он может контролировать. Эта статья описывает два типа частотных характеристик: |Z| (импеданс или полное сопротивление) и ESR (эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора).

   Импеданс Z идеального конденсатора определяется формулой 1, где ω — угловая частота, а C — емкость конденсатора.

Рисунок 1. Идеальный конденсатор

(1)

   Из формулы 1 видно, что с увеличением частоты импеданс конденсатора уменьшается. Это показано на рисунке 1. В идеальном конденсаторе нет потерь и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) равно нулю.

Рисунок 2. Частотная характеристика идеального конденсатора

   В реальном конденсаторе (рис. 3) существует некоторое сопротивление (ESR), вызванное диэлектрическими потерями, потерями на сопротивлении обкладок конденсатора и потерями связанные с сопротивлением утечки, а также паразитная индуктивность (ESL) выводов и обкладок конденсатора. В результате частотная характеристика импеданса принимает V образную форму (или U образную в зависимости от типа конденсатора), как показано на рисунке 4.Также на рисунке показана частотная характеристика ESR.

Рисунок 3. Реальный конденсатор

Рисунок 4. Пример частотной характеристики реального конденсатора

   Причина, по которой графики |Z| и ESR имеют такой вид как на рисунке 4, можно объяснить следующим образом.

Низкочастотная область

   |Z| в этой области уменьшается обратно пропорционально частоте, как и в идеальном конденсаторе. Значение ESR определяется диэлектрическими потерями в конденсаторе.

Область резонанса

   При повышении частоты ESR, в результате паразитной индуктивности, сопротивления электродов и других факторов, вызывает отклонение |Z| от идеальной характеристики (красная пунктирная линия) и достигает минимального значения. Частота, на которой |Z| достигает минимума, называется собственной резонансной частотой и на этой частоте |Z| = ESR. После превышения собственной частоты резонанса, характеристика элемента меняется с емкостной на индуктивную и |Z| начинает повышаться. Область ниже собственной резонансной частоты называется емкостной областью, а область выше — индуктивной.
   В области резонанса к диэлектрическим потерям добавляются потери на электродах.

Высокочастотная область

   При дальнейшем увеличении частоты характеристика |Z| определяется паразитной индуктивностью конденсатора. В высокочастотной области |Z| увеличивается пропорционально частоте, согласно формуле 2. Что касается ESR, в этой области начинают проявляться скин-эффект , эффект близости и другие.

(2)

   Итак, мы рассмотрели частотную характеристику реального конденсатора. Здесь важно запомнить, что c повышением частоты ESR и ESL уже нельзя игнорировать. Поскольку существуют большое количество приложений, в которых конденсаторы используются на высоких частотах, ESR и ESL становятся важными параметрами, характеризующими конденсатор помимо значения его емкости.

   Паразитные составляющие реальных конденсаторов имеют различное значение в зависимости от их типа. Давайте посмотрим на частотные характеристики разных конденсаторов. На рисунке 5 показаны графики |Z| и ESR для конденсаторов емкостью 10 мкФ. Все конденсаторы, кроме пленочных, планарные (SMD).

Рисунок 5. Частотные характеристики конденсаторов разных типов.

   Для всех типов конденсаторов |Z| ведет себя одинаково до частоты 1 кГц. После 1 кГц импеданс увеличивается сильнее в алюминиевых и танталовых электролитических конденсаторах, чем в монолитных керамических и пленочных конденсаторах.
   Это происходит из-за того, что алюминиевые и танталовые конденсаторы имеют высокое удельное сопротивление электролита и большое ESR. В пленочных и монолитных керамических конденсаторах используются металлические материалы для электродов и, следовательно, они обладают очень маленьким ESR.
   Монолитные керамические конденсаторы и пленочные показывают примерно одинаковые характеристики до точки собственного резонанса, но у монолитных керамических конденсаторов резонансная частота выше, а |Z| в индуктивной области ниже.
   Эти результаты показывают, что импеданс монолитных керамических конденсаторов SMD типа в широком диапазоне частот имеет небольшое значение. Это делает их наиболее подходящими для высокочастотных приложений.

   Существует также несколько типов монолитных керамических конденсаторов, изготовленных из различных материалов и имеющих различную форму. Давайте посмотрим, как эти факторы влияют на частотные характеристики.

ESR

   ESR в емкостной области зависит от диэлектрических потерь, вызванных материалом диэлектрика. 2-й класс диэлектрических материалов на основе сегнетоэлектриков имеет высокую диэлектрическую постоянную и, как правило, высокое ESR. 1-ый класс материалов — температурно-компенсированные материалы на основе параэлектриков — имеют низкие диэлектрические потери и низкое ESR.
На высоких частотах в области резонанса и индуктивной области, в дополнение к сопротивлению материала электродов, их форме и количеству слоев, ESR зависит от скин-эффекта и эффекта близости. Электроды часто делают из Ni, но для дешевых конденсаторов иногда применяют Cu, который тоже имеет низкое сопротивление.

ESL

   ESL монолитных керамических конденсаторов сильно зависит от внутренней структуры электродов. Если размеры внутренних электродов задаются длиной, шириной и толщиной, то индуктивность ESL может быть определена математически. Значение ESL уменьшается, когда электроды конденсатора короче, шире и тоньше.
   На рисунке 6 показана связь между номинальной емкостью и резонансной частотой различных типов монолитных керамических конденсаторов. Вы можете видеть, что при уменьшении размеров конденсатора собственная резонансная частота увеличивается, а ESL уменьшается для одинаковых значений емкости. Это означает, что небольшие конденсаторы короткой длины лучше подходят для высокочастотных приложений.

Рисунок 6.

   На рисунке 7 показан обратный LW конденсатор с короткой длиной L и большой шириной W. Из частотных характеристик, показанных на рисунке 8, можно увидеть, что LW конденсатор имеет меньший импеданс и лучшие характеристики, чем обычный конденсатор такой же емкости. С помощью LW конденсаторов можно достичь тех же характеристик, как у обычных конденсаторов, но меньшим числом компонентов. Уменьшение числа компонентов, позволяет сократить расходы и уменьшить монтажное пространство. 

Рисунок 7. Внешний вид обратного LW конденсатора.

Рисунок 8. |Z| и ESR обратного LW конденсатора и конденсатора общего назначения

По материалам фирмы Murata. 
Вольный перевод ChipEnable.Ru

5 вещей, которые вы должны знать

Источники питания для современных цифровых ИС предъявляют строгие требования к производительности, требуя высокой емкости и компактных конденсаторов, которые также являются экономически эффективными. Электролитические конденсаторы являются наиболее очевидным выбором, но при выборе этих устройств важно учитывать, как эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) повлияет на производительность.

Вот пять вещей, которые вы должны знать об ESR при выборе электролитического конденсатора для вашей конструкции источника питания ИС.

1.) ESR влияет на производительность конденсатора, а также на потери энергии

Все конденсаторы имеют эквивалентное последовательное сопротивление, даже если это сопротивление минимально. Как и при любом сопротивлении, когда через устройство протекает ток, часть энергии рассеивается в виде тепла. Количество рассеиваемой энергии будет зависеть от того, насколько велико ESR, поэтому конденсаторы с очень низким ESR могут помочь повысить эффективность источника питания, поскольку меньше энергии теряется в виде тепла.

Однако, помимо увеличения неэффективности, эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора (ESR) влияет на его характеристики несколькими способами. Во-первых, энергия, теряемая в виде тепла, нагревает устройство и его окрестности, что может быстро сократить срок службы некоторых типов электролитических конденсаторов.

Другие показатели производительности также затронуты. Чем выше ESR конденсатора, тем меньше он способен быстро заряжаться или заряжаться. Так как наша ИС для питания требует низких пульсаций, необходимо использовать электролитические конденсаторы с достаточной выходной емкостью в сочетании с низким ESR, так как ESR напрямую влияет на пульсации напряжения.

2.) ESR для «влажных» алюминиевых конденсаторов зависит от возраста, температуры и частоты. значения емкости и являются экономически эффективными. Имеют жидкий электролит, образующий катод; жидкость лучше контактирует с окисленной фольгой анода, поверхность которого шероховатая для увеличения площади поверхности. ESR имеет тенденцию быть лучше для больших размеров корпуса, а иногда и для более длинных/тонких форм корпуса.

Сопротивление материала жидкого катода зависит от температуры, при этом ESR конденсатора уменьшается с повышением температуры. Этот эффект может быть значительным даже в диапазоне температур, с которым сталкивается прикладная печатная плата в полевых условиях, поскольку некоторые компоненты выделяют тепло в систему, а конденсаторы нагреваются.

При этом сопротивление оксидированного анода зависит от частоты; она уменьшается с увеличением частоты.

Третьим эффектом, который необходимо учитывать, является старение. По прошествии некоторого времени жидкость, образующая катод, со временем начинает испаряться внутри банки, а также диффундировать в другие части конструкции. Поскольку объем жидкости меньше, ее меньше в контакте с анодом, поэтому емкость уменьшается, а ESR увеличивается. Этот эффект называется «высыхание» и происходит гораздо быстрее при повышенных температурах.

3.) ESR для гибридных алюминиевых конденсаторов ниже и в целом более стабильно.

Гибридные алюминиевые конденсаторы имеют твердый электролит, изготовленный из полимеризованного органического полупроводникового материала, который заменяет жидкость во влажных электролитических конденсаторах.

Гибриды имеют более низкое ESR, чем влажные типы, особенно при низких температурах, и ESR гораздо более стабильна во всем диапазоне рабочих температур. Их ESR по-прежнему зависит от частоты, но на высоких частотах оно ниже, чем у влажных алюминиевых конденсаторов, что делает их популярными для импульсных источников питания.

Как и Panasonic, гибридные электролитические конденсаторы превосходят влажные электролитические конденсаторы по ESR, особенно при низких температурах.

4.) ESR для танталовых конденсаторов в значительной степени зависит от частоты. и слой металла, такого как серебро, который припаивается к свинцу или корпусу. Это прекращение является основным виновником, когда речь идет о СОЭ. Преобладают потери в оксидном слое, который сильно зависит от частоты, причем наиболее значительные потери приходятся на низкочастотные сигналы. Эти потери уменьшаются с увеличением частоты и становятся гораздо менее значительными на очень высоких частотах.

ESR танталового конденсатора уменьшается на высокой частоте, как и у этого конденсатора AVX.

5.) ESR указывается непоследовательно

Иногда бывает сложнее, чем кажется, напрямую сравнить данные из спецификаций производителей, чтобы указать конденсатор для источника питания ИС, потому что ESR может быть указан в более чем в одну сторону. ESR при 25°C и 100 кГц часто указывается, но не всегда, а некоторые указывают совсем другую частоту. Некоторые дают только коэффициент рассеяния (tan d). Во всех этих случаях требуется расчет для определения ESR на рабочей частоте вашего конкретного приложения. Обращение за советом к опытному дистрибьютору, такому как Avnet Abacus, может облегчить процесс выбора.

Что такое импеданс/частотная характеристика ESR в конденсаторах?

В этой технической колонке объясняются основы конденсаторов.
Сегодняшняя колонка описывает частотные характеристики величины импеданса |Z| и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) в конденсаторах.

Понимание частотных характеристик конденсаторов позволяет определить, например, возможности подавления помех или возможности управления колебаниями напряжения в линии электропитания. Таким образом, частотные характеристики являются важными параметрами, необходимыми для проектирования схем. В этом столбце описываются два типа частотных характеристик: импеданс |Z| и СОЭ.

1. Частотные характеристики конденсаторов

Полное сопротивление Z идеального конденсатора (рис. 1) выражается формулой (1), где ω — угловая частота, а C — электростатическая емкость конденсатора.

Рисунок 1. Идеальный конденсатор

Из формулы (1) величина импеданса |Z| уменьшается обратно пропорционально частоте, как показано на рисунке 2. В идеальном конденсаторе потерь нет, а эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) равно нулю.

Рис. 2. Частотная характеристика идеального конденсатора

В реальных конденсаторах (рис. 3), однако, имеется некоторое сопротивление (ESR) из-за потерь из-за диэлектрических веществ, электродов или других компонентов в дополнение к компоненту емкости C и некоторой паразитной индуктивности (ESL) из-за электродов, выводов и другие компоненты. В результате частотные характеристики |Z| образуют V-образную кривую (или U-образную кривую в зависимости от типа конденсатора), как показано на рисунке 4, а ESR также показывает частотные характеристики для значений, эквивалентных потерям.

Рисунок 3. Фактический конденсатор Рисунок 4. Пример частотной характеристики |Z|/ESR реального конденсатора

Причина, по которой |Z| и кривые формы СОЭ, подобные показанным на рис. 4, можно объяснить следующим образом.

Область низких частот:

|З| в областях с низкой частотой уменьшается обратно пропорционально частоте, подобно идеальному конденсатору. ESR показывает значение, эквивалентное диэлектрическим потерям из-за задержки поляризации в диэлектрическом веществе.

Вблизи точки резонанса:

При повышении частоты ESR, возникающее из-за паразитной индуктивности, удельного сопротивления электродов и других факторов, приводит к |Z| поведение, чтобы отклониться от поведения идеального конденсатора (красная пунктирная линия) и достичь минимального значения. Частота, при которой |Z| это минимальное значение называется собственной резонансной частотой, и в это время |Z|=ESR. После превышения собственной резонансной частоты характеристика элемента меняется с конденсатора на катушку индуктивности, и |Z| начинает увеличиваться. Область ниже собственной резонансной частоты называется емкостной областью, а область выше — индуктивной областью.

На ESR влияют потери, вызванные электродом, в дополнение к диэлектрическим потерям.

Область высоких частот:

В частотных зонах даже выше точки резонанса |Z| характеристики определяются паразитной индуктивностью (L). |З| в области высоких частот приближается к формуле (2) и увеличивается пропорционально частоте.

Что касается СОЭ, начинают проявляться электродные скин-эффекты, эффекты близости и другие эффекты.

Выше было объяснение частотных характеристик реального конденсатора. Главное помнить, что при повышении частоты ESR и ESL нельзя игнорировать. По мере того, как растет число приложений, в которых конденсаторы используются на высоких частотах, ESR и ESL становятся важными параметрами, которые показывают рабочие характеристики конденсатора, в дополнение к значениям электростатической емкости.

2. Частотные характеристики конденсаторов разных типов

В предыдущем разделе объяснялось, что паразитные компоненты конденсаторов, такие как ESR и ESL, сильно влияют на их частотные характеристики. Поскольку типы паразитных компонентов зависят от типа конденсатора, давайте рассмотрим различные частотные характеристики конденсаторов разных типов.

На рис. 5 показано |Z| и частотные характеристики ЭПР различных конденсаторов с электростатической емкостью 10 мкФ. За исключением пленочного конденсатора, все конденсаторы относятся к типу SMD.

Рис. 5. Частотные характеристики |Z|/ ESR конденсаторов разных типов

Поскольку электростатическая емкость всех конденсаторов, показанных на рис. 5, составляет 10 мкФ, |Z| значение одинаково для всех типов в емкостной области на частотах до 1 кГц. Поднявшись выше 1 кГц, |Z| значения увеличиваются намного выше в алюминиевом электролитическом конденсаторе и танталовом электролитическом конденсаторе, чем в многослойном керамическом конденсаторе и пленочном конденсаторе. Это связано с высоким удельным сопротивлением материала электролита и большим ESR в алюминиевом электролитическом конденсаторе и танталовом электролитическом конденсаторе. Пленочный конденсатор и многослойный керамический конденсатор используют металлические материалы для своих электродов, и поэтому имеют очень минимальное ESR.

Многослойный керамический конденсатор и конденсатор со свинцовой пленкой показывают примерно одинаковые характеристики вплоть до точки резонанса, но собственная резонансная частота выше и |Z| в индуктивной области ниже у многослойного керамического конденсатора. Это связано с тем, что в свинцово-пленочных конденсаторах индуктивность настолько же велика, что и из-за подводящего провода.

Эти результаты показывают, что сопротивление многослойных керамических конденсаторов SMD-типа невелико в широком диапазоне частот, что делает их наиболее подходящими конденсаторами для высокочастотных приложений.

3. Частотные характеристики многослойных керамических конденсаторов

Существуют также различные типы многослойных керамических конденсаторов из разных материалов и различной формы. Рассмотрим, как эти факторы влияют на частотные характеристики.

(1) ЭСР
ESR в емкостной области зависит от диэлектрических потерь, вызванных диэлектрическим материалом. Материалы класса 2 с высокой диэлектрической проницаемостью, как правило, имеют более высокие уровни ESR, поскольку в них используются сегнетоэлектрики. В материалах для компенсации температуры класса 1 используются параэлектрики, поэтому они демонстрируют очень небольшие диэлектрические потери и имеют низкий уровень ESR.
В дополнение к удельному сопротивлению материала электрода, форма электрода (толщина, длина, ширина) и количество слоев, уровни ЭПР на высоких частотах от точки резонанса до индуктивной области также зависят от скин-эффекта и по эффекту близости. Ni часто используется в качестве материала электрода, но Cu с низким удельным сопротивлением иногда выбирают для конденсаторов с малыми потерями.

(2) английский как
ESL многослойных керамических конденсаторов сильно зависит от внутренней структуры электрода. Если размер внутреннего электрода показан как длина l, ширина w и толщина d, индуктивность ESL электрода может быть показана по формуле (3) согласно Ф. В. Гроверу.

Из этой формулы видно, что ESL уменьшается по мере того, как электроды конденсатора становятся короче, шире и толще.

На рис. 6 показано соотношение между номинальной емкостью и собственной резонансной частотой для многослойных керамических конденсаторов разных размеров. Вы можете видеть, что по мере уменьшения размера собственная резонансная частота увеличивается, а ESL уменьшается для той же емкости. Это означает, что небольшие конденсаторы с небольшой длиной l лучше всего подходят для высокочастотных приложений.

Рисунок 6. Соотношение между номинальной мощностью и собственная резонансная частота для разных размеров

На рис. 7 показан обратный конденсатор LW с малой длиной l и большой шириной w. Из частотных характеристик, представленных на рисунке 8, видно, что обратные конденсаторы LW имеют меньшее сопротивление и лучшие характеристики, чем обычный конденсатор той же емкости. Используя обратные конденсаторы LW, можно достичь той же производительности, что и у обычных конденсаторов, но с меньшим количеством элементов. Уменьшение количества блоков позволяет снизить затраты и уменьшить монтажное пространство.

Рис. 7. Внешний вид обратного конденсатора LW Рис. 8. |Z|/ESR обратного конденсатора LW и конденсатора общего назначения

4. Как получить данные о частотных характеристиках

Хотя данные о частотных характеристиках можно получить с помощью анализатора импеданса или векторного анализатора цепей, теперь такие данные доступны и на сайтах производителей комплектующих.

На рис. 9 показан вид экрана инструмента проектирования SimSurfing компании Murata. Характеристики можно отобразить, просто введя номер модели и элементы, которые вы хотите проверить. Кроме того, вы можете загрузить списки сетей SPICE и данные S2P в качестве данных для моделирования. Не стесняйтесь использовать их для проектирования всех типов электронных схем.

Рис. 9. Пример экрана средства проектирования SimSurfing. (Нажмите на изображение, чтобы увидеть увеличенное изображение)

См.