ESR конденсатора. Принципы и методы измерения.
ESR — Equivalent Series Resistance (Эквивалентное Последовательное Сопротивление — ЭПС), как один из значимых паразитных параметров электролитических конденсаторов,
в последние годы приобрёл широкую популярность среди ремонтников электронной аппаратуры.
Измерители и пробники ESR для многих мастеров стали прибором первой необходимости наряду с тестером или мультиметром.
Увеличение ESR конденсатора на несколько Ом, а иногда на несколько десятых долей Ома, может являться причиной неработоспособности устройства,
в котором он установлен, что иногда невозможно выявить существующими измерителями ёмкости, не способными учитывать другие параметры конденсатора.
Обычно в ремонтной практике не требуется особой точности в измерении ESR, поэтому ощутимая погрешность пробников чаще не вызывает неудобств
в отыскании неисправных элементов, а определение состояния конденсатора пробником может упрощаться до оценки его качества по принципу –
годен или не годен для работы в конкретном узле устройства.
На рисунке можно увидеть, что в диапазоне рабочих частот преобразователей (нескольких десятков кГц) реактивное сопротивление конденсатора большой ёмкости и паразитной индуктивности в последовательной цепи имеют значения на порядок меньше ESR и полного сопротивления переменному току (импеданса) . Следовательно, практически весь ток, который в импульсе может достигать десятков ампер, будет выделять активную мощность на сопротивлении (ESR), разогревая диэлектрик и электролит конденсатора.
Тангенс угла потерь, указываемый в технической документации производителей электролитических конденсаторов для частоты 120 Гц (типовое значение 0.1-0.22),
теряет свою актуальность на рабочих частотах преобразователей ИИП и для конденсаторов фильтров их вторичных выпрямителей будет на порядки больше.
Для работы в таких режимах производители изготавливают низкоимпедансные конденсаторы (Low impedance) и
указывают для них значение импеданса, измеренного на частоте 100 кГц для каждого номинала в таблицах.
Значение активной составляющей (ESR) тогда можно вычислить по формуле R = √(Z² — X²)
Например, для конденсатора Jamicon 1000uF 25V серии WL значение Z указано 0.04 Ом, учитывая его реактивное сопротивление Xc = 0.0016 Ом для указанной частоты, можно посчитать значение ESR. В миллиомах это будет примерно 39.97 мOм, что практически не отличается от значения Z= 40 мОм.
Тангенс угла потерь для данного случая R/Xc составит 39.97/1.6 приблизительно 25. Паразитная индуктивность здесь в расчётах не используется, но в отдельных случаях она может иметь существенное значение.
Большинство популярных и применяемых в ремонтной практике приборов и пробников ESR основаны на измерении полного сопротивления переменному току на частоте 40 — 100 кГц.
На частотах этого порядка для электролитических конденсаторов больших номиналов такие приборы покажут значения,
максимально близкие к величине ESR, которая составит основную часть импеданса на этих частотах.
Тогда прибор покажет значение импеданса, а реальное значение ESR может быть в несколько раз меньше.
Одним из требований в плане практичности использования ESR-пробников является возможность производить замеры без выпаивания конденсатора из платы. Следовательно, процесс измерения должен происходить при достаточно низком падении напряжения на проверяемом конденсаторе, исключая отпирание переходов полупроводниковых элементов схемы.
В большинстве случаев такие нехитрые измерители импеданса мастера собирают самостоятельно по схемам, широко распространённым в интернете,
но кто-то применяет и свои разработки с учётом личных предпочтений в плане удобства пользования или точности измерений.
В продаже существуют как простые пробники со светодиодной или стрелочной индикацией, так и измерители с цифровой шкалой различной степени сложности.
Подробно останавливаться на принципах и методах измерения импеданса нет необходимости, таких обсуждений и описаний существует достаточно много и их нетрудно найти в интернете. Но некоторые особенности отдельных конструкций всё же могут заслуживать внимания.
В этой статье предлагается рассмотреть один из способов измерения ESR и ёмкости, как отдельных параметров конденсатора.
Достаточно точный и несложный метод, который используется во многих любительских и промышленных приборах, реализован в измерителе Micro, популярном среди мастеров – участников ремонтных форумов monitor.net.ru и monitor.espec.ws.
Если испытываемый конденсатор ёмкостью C заряжать от источника постоянного тока I, напряжение на его выводах будет линейно нарастать от значения UR по закону:
C dU/dt = I = const.
UR – падение напряжения на активном сопротивлении конденсатора (ESR).
В таком случае ёмкость конденсатора будет определяться выражением:
C = I dt/dU.
Если посчитать время заряда для двух фиксированных значений напряжения U1 и U2, взяв значение U2 вдвое большим U1, расчёт ёмкости будет таким:
Посчитать UR для вычисления ESR можно несколькими способами, например, составив уравнение прямой по двум точкам и найти координату Y для нулевого значения X, либо геометрически, исходя из соотношения сторон подобных треугольников …
Активное сопротивление конденсатора (ESR) в таком случае составит:
Для реализации такого метода нет необходимости в применении АЦП, пороговые значения напряжений для управления таймером устанавливаются компараторами, а математические вычисления ёмкости и ESR производятся микроконтроллером с выводом информации на ЖК дисплей.
В некоторых подобных конструкциях для измерения ESR используется более простой, но менее точный способ.
Производится измерение уровня напряжения UR посредством АЦП в начальный момент времени.
Несмотря на то, что измерительный импульс достаточно короткий (1-2 uS), конденсаторы меньшей ёмкости успевают зарядиться до большего значения, чем конденсаторы большой ёмкости, что создаёт некоторую погрешность
в измерении ESR разных номиналов конденсаторов.
Следует учитывать, что ESR, измеренный постоянным током, является относительным показателем качества электролитического конденсатора.
Значимой составляющей ESR являются диэлектрические потери, которые существенно меняются с изменением частоты переменного тока.
Существуют более сложные и точные методики и способы измерений, основанные на анализе сдвига фаз в конденсаторе. В этом случае ESR определится произведением импеданса и тангенса угла потерь.
Замечания и предложения принимаются и приветствуются!
РадиоКот :: Измеритель LOW ESR конденсаторов
РадиоКот >Схемы >Аналоговые схемы >Измерения >Измеритель LOW ESR конденсаторов
Что такое ЭПС, или по английскому ESR все знают. Существуют множество пробников по выявлению неисправных или некачественных конденсаторов (если покупаете на рынке). А вот как определить некачественный конденсатор с низким внутренним сопротивлением LOW ESR, которые все чаще устанавливаются в различной технике, компьютерах, и т д.? Очень часто неисправности плат возникают из-за повышенных пульсаций питающего напряжения, а в цепях питания почти всегда присутствуют электролитические конденсаторы. Именно они в первых рядах имеют самую низкую надежность. Практика показывает, что большинство материнских плат, работающих с внезапными перезагрузками и выключениями, а также нестабильностью работы, связаны в большинстве случае неисправностью электролитических конденсаторов. Например, глючит видеокарта, вы снимаете её ставите заведомо исправную и все работает. Тогда начинаете ближе разбираться с неисправной в надежде возобновить исправную работу. Визуально все нормально, конденсаторы все как новые ровные, не надутые. Но ведь даже у визуально не вспухшего конденсатора может быть недопустимо высокий ESR — 0,10 ом! Такой конденсатор ощутимо разогревается, и может протечь на плату, попортив переходные отверстия электролитом. Для работы в ШИМ-преобразователях он просто не годится. Предельно допустимое значение для LOW ESR конденсаторов в ответственных и нагруженных цепях — 0,04 Ом, а лучше до 0,03 и менее.
Внешний вид устройства. В данный момент на фото запечатлен найденный неисправный конденсатор, который, если очень внимательно рассмотреть слегка надут в отличие от рядом стоящего.
Это и была настоящая неисправность, из-за которой видеокарту подвергли не нужному прогреву чипа, накручиванию большого радиатора и, в конце концов, она была доломана и отдана мне на детали (но было уже поздно, на платформе чипа прокрутили саморезом дорожки, при установке еще большего радиатора на не греющийся чип : ) )…..
А это показания исправного конденсатора:
Общий вид измерителя
Цели, которые достигались при проектировании измерителя:
— максимальная простота
— высокая надежность
— измерение на частоте 100 — 110 кГц
— измерение низким напряжением (до 0,2 вольт)
— точность измерения
— растянутая шкала в диапазоне до 0,5 Ома
— низкое энергопотребление
— работа от одного аккумулятора напряжением 1,2 вольта
— длительная работа без зарядки аккумулятора
— отсутствие неудобных проводов витой пары
— мощные щупы для пробивания окислов и лака
— минимум корректирующих настроек
— повторяемость
— минимальная стоимость
Было собрано несколько вариантов измерителей. Варианты, когда схема с измерителем и микроамперметром находятся в коробке, а щупы выведены проводами крайне не удобна, так как провода необходимо плотно скручивать вместе, и они не могут быть длинными. При частоте 100 кГц даже слегка раскрутившийся провод, дает ухудшение показаний и исправный конденсатор может быть ошибочно забракован, а реальная неисправность не найдена. Фото старого варианта исполнения измерителя:
Решено было перенести схему с высокочастотной частью и питанием в отдельный блок в виде пинцета, а микроамперметр отдельно. Так как микроамперметр питается постоянным напряжением, то провода к нему не нужно скручивать и они могут быть любой длинны.
Для особо пугливых к трансформаторам, то предупрежу заранее, ничего мотать не придется, просто берутся готовые трансформаторы ТМС, со старых CRT мониторов, которые сейчас все выбрасывают (про трансы расскажу дальше).
Схема измерителя безупречно проста, и полностью соответствует цели, которая была поставлена в начале статьи.
Приведу структурную схему устройства для более понятного назначения каждого компонента:
Схема состоит из автоколебательного блокинг – генератора,
собранного на транзисторе VTI, выпаянном из серверной материнки:
Но можно и любой другой например аналог КТ3102 в smd корпусе.
Генератор выполнен по традиционной и хорошо зарекомендовавшей себя на практике схеме «индуктивной трехточки». Имеет эмиттерную RC-цепочку, задающую режим работы транзистора по постоянному току. Для создания обратной связи в генераторе от катушки индуктивности есть отвод (из-за того что трансы готовые, то он сделан от середины). Нестабильность работы генераторов на биполярных транзисторах обусловлена заметным шунтирующим влиянием самого транзистора на колебательный контур. При изменении температуры и/или напряжения питания свойства транзистора заметно изменяются, поэтому частота генерации незначительно меняется. Но нам для наших нужд данный момент не страшен.
Далее идет мост сопротивлений или Мост Уинстона (мост Уитстона, мостик Витстона) через развязывающий конденсатор (он же резонансный, входит в контур), устройство для измерения электрического сопротивления, предложенное в 1833 Самуэлем Хантером Кристи, и в 1843 году усовершенствованное Чарльзом Уитстоном. Принцип измерения основан на взаимной компенсации сопротивлений двух звеньев, одно из которых включает измеряемое сопротивление. В качестве индикатора обычно используется чувствительный гальванометр, показания которого должны быть равны нулю в момент равновесия моста. Работает как на постоянном токе, так и на переменном.
Далее идет согласующий трансформатор повышающий сопротивление и выходное напряжение для работы удвоителя и микроамперметра.
О трансформаторах.
В схеме используются трансформаторы типа ТМС (трансформатор межкаскадный строчный) используемый в CRT мониторах, коих великое множество пошло на разбор и детали.
Стоит он обычно около выходного строчного транзистора
Довольно часто он собран на Ш-образном железе. Он то нам и надо. Только вот у него по схеме включения нет отвода от середины. Нужно выбрать для ТР1 такой, у которого этот отвод есть, но вывод укорочен и не используется в самом мониторе. Его необходимо подпаять до нормальной длинны.
Для ТР2 можно ставить без выведенного отвода (таких большинство).
Наконечники пинцета выполнены из латунного клемника от счетчика электроэнергии, и заточены на наждаке.
При проверке конденсаторов, для лучшего контакта необходимо с усилием надавливать на наконечники, поэтому они сделаны с обратной стороны широкими, что бы было удобно нажимать пальцами, и не соскальзывал пинцет.
Некоторые фото проведенных измерений:
Установка в ноль проводится замыканием пинцета с усилием, для обеспечения хорошего контакта.
Шкалу не затирал, а просто дописал значения выше. Фото шкалы.
Настройка:
Заключается в установке режимов работы по постоянному току и устойчивому возбуждению на 100 кГц, а не на 2-3 мГц.
Для этого вместо R1, R2 впаиваем переменное сопротивление (только не проволочное) сопротивлением 4,7к или 10к. бегунок на базу, 1 конец на + 1,2 в, 2 конец на -1,2 вольта. Выставляем на середину. Замыкаем пинцет, (запаиваем проволочку). Подключаем микроамперметр. Резистор установки 0 в минимальное сопротивление. Включаем вместо включателя миллиамперметр на предел 200мА. далее вращая переменное сопротивление в сторону уменьшения части, которая относилась к R1 и смотрим за потребляемым током и отклонением микроамперметра. Показания будут расти, а затем падать, а ток потребления расти, а потом резко увеличится. Выставить такое положение когда показания почти на максимуме, но немного меньше, то есть не переходят за порог их уменьшения. Ток при этом примерно будет 50 — 70 мА. Теперь резисторы замерять и впаять постоянные. Далее настроим С2 по максимуму отклонения стрелки микроамперметра. Всё, далее настраиваем 0 и берем низкоомные сопротивления, и тарируем деления на шкале. Использовать магазин сопротивлений нельзя, также нельзя использовать проволочные сопротивления. Если нет микроамперметра на 50 мкА, то можно использовать на 100 мкА, но питание надо поднять до 2,4 вольт, (от двух аккумуляторов) и провести настройку на данное напряжение заново как написано выше.
Сигналы на эмиттере могут принимать самые причудливые формы. Но на выходе пинцета будет такой или похожий почти всегда.
Как видно амплитудное напряжение не превышает 0,2 вольт. Поэтому никакой полупроводник не откроется, и измерения можно проводить вполне безопасно.
Также было проведено испытание на устойчивость к заряженному от сеи конденсатору.
Была небольшая искра, потом измерение. Током не бьет, хотя держу руками контакты площадок. Диоды VD1, VD2 защищают вход схемы и ваши пальцы.
Желаю побольше отремонтированных вами устройств с помощью данного измерителя, и больше прибыли, а также больше свободного времени, которое поможет высвободить данный пинцетик!
P.S. Так же не забывать про «черный список» (GSC, G-Luxon, Licon (или Li-con, или Lycon), Jackcon, JPcon, D.S VENT, Chssi, OST) конденсаторов, которые надо менять не зависимо от их состояния всегда, что бы устранить проблемы в будущем.
Плату еще оптимизирую, и выложу на форум. (хотя она очень простая).
800
Файлы:
31.jpg — площадка
01.rar — ESR
Все вопросы в Форум.
Как вам эта статья? | Заработало ли это устройство у вас? |
ИЗМЕРЕНИЕ ЭПС (ESR) КОНДЕНСАТОРОВ
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 специальных тестеров — 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 тестеров и пробников.
Справочники радиодеталейПростейший измеритель ESR электролитических конденсаторов / Habr
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.
Как измерить ESR конденсатора с помощью осциллографа и генератора сигналов.
Часто при ремонте электроники приходится менять вздувшиеся конденсаторы. Если конденсатор вздулся, это говорит об уменьшении его ёмкости и увеличении эквивалентного последовательного сопротивления(ESR). Бывает, что конденсатор не вздулся, а его ESR больше нормы, на этот случай я собрал приборчик от МастерКит и ним проверял подозрительные конденсаторы. В определённый момент стало интересно, что же он на самом деле измеряет и как он это делает.Что такое ESR.
Эквивалентная упрощённая схема конденсатора состоит из резистора и конденсатора, величину этого сопротивления и измеряет прибор. Осталось разобраться как он это делает.
Давайте подключим к конденсатору генератор сигналов, его эквивалентная схема изображена на рисунке, она состоит из генератора и последовательно включённого резистора, равного выходному сопротивлению генератора.
Для эксперимента нам потребуется меандр с частотой примерно 200 KHz и напряжением 1 V. Может возникнуть вопрос почему выбрана именно такая частота. В идеале было бы использовать частоту, на которой реактивное сопротивление конденсатора меньше 1 Ohm, что позволило бы проверять конденсаторы малой емкости. Но с увеличением частоты на измерения начнут влиять паразитные параметры схемы. Кстати, напряжение 1 V подходит для проверки выпаянного конденсатора, для проверки в схеме лучше понизить его до 200—300 mV.
Начнём, для начала подключимся осциллографом к генератору сигналов, установим частоту и напряжение.
Теперь подключим исправный конденсатор емкостью 470uF и посмотрим, что покажет осциллограф.
Конденсатор с последовательно включённым резистором образуют RC цепочку, поэтому нарастание и спад сигнала будет происходить по экспоненциальному закону. Амплитуда постоянной составляющей равна 12,8mV, также видны выбросы, возникающие из-за несогласованности линии и паразитной индуктивности входящей в состав конденсатора.
А теперь подключим вздувшийся конденсатор той же ёмкости и тем же максимально допустимым напряжением.
Что изменилось? Правильно увеличилась амплитуда, которую измеряет прибор, а за её значение отвечает последовательно включённое сопротивление в эквивалентной схеме конденсатора.
Давайте попробуем его рассчитать. Считается эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора, как обычный делитель. Реактивным сопротивлением конденсатора можно пренебречь так, как длительность импульса значительно меньше тау.
Посчитаем значение ESR для исправного конденсатора, оно равно 0,65 Ohm. Давайте сравним его с тем что показывает прибор от МастерКит, точность этого прибора невысокая, но для примерной оценки пойдёт.
Зажёгся первый светодиод, переключатель стоит в положении 1:1, смотрим на таблицу, сопротивление равно 1,3 Ohm.
Теперь посмотрим, что покажет прибор при проверке неисправного конденсатора, его расчетное сопротивление равно 8,8 Ohm.
Зажёгся седьмой светодиод, переключатель стоит в положении 1:1, сопротивление равно 10,6 Ohm. Как уже писал раньше точность прибора невысокая, но с нашими расчетами сходится.
Теперь мы знаем как померить ESR, пользуясь осциллографом и генератором сигналов. В следующей статье, мы узнаем как измерить ёмкость и индуктивность с помощью осциллографа.
RLC и ESR метр, или прибор для измерения конденсаторов, индуктивностей и низкоомных резисторов.
В последнее время выход из стоя электролитических конденсаторов стал одной из основных причин поломок радиоаппаратуры. Но для правильной диагностики не всегда достаточно иметь только измеритель емкости, поэтому сегодня мы поговорим об еще одном параметре — ESR.Что это, на что влияет и чем измеряют, я попробую рассказать в этом обзоре.
Для начала скажу, что этот обзор будет кардинально отличаться от предыдущего, хотя оба этих обзора об измерительных приборах радиолюбителя.
1. В этот раз не конструктор, а скорее «полуфабрикат»
2. Паять в этом обзоре я ничего не буду.
3. Схемы в этом обзоре также не будет, думаю что к концу обзора будет понятно, почему.
4. Данный прибор очень узконаправленный, в отличии от предыдущего «многостаночника».
5. Если о предыдущем приборе знало очень много людей, то этот почти никому неизвестен.
6. Обзор будет маленьким
Для начала, как всегда, упаковка.
К упаковке прибора претензий не возникло, простенько и компактно.
Комплектация совсем спартанская, в комплекте только сам прибор и инструкция, щупы и батарейка в комплект не входят.
Инструкция также не блещет информативностью, общие фразы и картинки.
Технические характеристики прибора, указанные в инструкции.
Ну и более понятным языком.
Сопротивление
Диапазон — 0,01 — 20 Ом
Точность — 1% + 2 знака.
Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR)
Диапазон — 0,01 — 20 Ом, работает в диапазоне конденсаторов от 0.1мкФ
Точность — 2% + 2 знака
Емкость
Диапазон — 0,1мкФ — 1000мкФ (3-1000 мкФ измеряются на частоте 3КГц, 0.1-3мкФ — 72КГц)
Точность — зависит от частоты измерения, но составляет около 2% ± 10 знаков
Индуктивность
Диапазон — 0-60 мкГн на частоте 72КГц и 0-1200 мкГн на частоте 3КГц.
Точность — 2% + 2 знака.
Для начала я расскажу что же это такое — ESR.
Многие довольно часто слышали слово — конденсатор, а некоторые даже их видели 🙂
Если не видели, то на фото ниже наиболее часто встречающиеся в технике представители.
Внешне конденсатор это обычно деталька с двумя выводами, но на самом деле все компоненты выглядят сложнее, чем кажутся на первый взгляд.
Начнем с того, что все детали неидеальны и кроме своего основного параметра еще имеют кучу «паразитных».
Так как мы говорим о конденсаторах, то для примера его и рассмотрим внимательнее.
В реальной жизни эквивалентная схема конденсатора выглядит примерно так, как показано на рисунке ниже.
На картинке показаны —
C — эквивалентная емкость, r — сопротивление утечки, R — эквивалентное последовательное сопротивление, L — эквивалентная индуктивность.
А если упрощенно, то
Эквивалентная емкость — это конденсатор в «чистом» виде, т.е. без недостатков.
Сопротивление утечки — это то сопротивление, которое разряжает конденсатор помимо внешних цепей. Если провести аналогию с бочкой воды, то это естественное испарение. Оно может быть больше, может быть меньше, но оно будет всегда.
Эквивалентная индуктивность — Можно сказать что это дроссель, включенный последовательно с конденсатором. Например это обкладки конденсатора свернутые в рулон. Этот параметр мешает конденсатору при работе на высоких частотах и чем выше частота, тем больше влияние.
Эквивалентное последовательное сопротивление, ESR — Вот и тот параметр, который мы и рассматриваем.
Его можно представить как резистор, включенный последовательно с идеальным конденсатором.
Это сопротивление выводов, обкладок, физические ограничения и т.д.
В самых дешевых конденсаторах это сопротивление обычно выше, в более дорогих LowESR ниже, а ведь есть еще Ultra LowESR.
А если просто (но очень утрированно), то это все равно, что набирать воду в бочку через короткий и толстый шланг или через тонкий и длинный. Заправится бочка в любом случае, но чем тоньше шланг, тем это будет происходить дольше и с большими потерями во времени.
Из-за этого сопротивления невозможно конденсатор мгновенно разрядить или зарядить, кроме того при работе на высоких частотах именно это сопротивление греет конденсатор.
Но самое плохое то, что обычный измеритель емкости его не измеряет.
У меня часто были случаи, когда при измерении плохого конденсатора прибор показывал нормальную емкость (и даже выше), но устройство не работало. При измерении ESR-метром сразу становилось понятно, что внутреннее сопротивление у него очень высокое и работать нормально он не может (по крайней мере там, где стоял до этого).
Некоторые наверняка видели вспухшие конденсаторы. Если отсечь случаи, когда конденсаторы пухли просто лежа на полке, то остальное будет являться следствием повышения внутреннего сопротивления. При работе конденсатора постепенно увеличивается внутреннее сопротивление, происходит это от неправильного режима работы или от перегрева.
Чем больше внутреннее сопротивление, тем больше начинает греться конденсатор изнутри, чем больше нагрев изнутри, тем больше растет сопротивление. В итоге электролит начинает «кипеть» и из-за повышения внутреннего давления конденсатор вспухает.
Но вспухает конденсатор не всегда, иногда на вид он абсолютно нормальный, емкость в порядке, а нормально не работает.
Подключаешь его к ESR метру, а у него вместо привычных 20-30мОм уже 1-2 Ома.
Я пользуюсь в работе самодельным ESR метром, собранным много лет назад по схеме с форума ProRadio, автор конструкции — Go.
Этот ESR метр попадается в моих обзора довольно часто и меня часто спрашивают о нем, но когда я увидел в новых поступлениях магазина уже готовый прибор, то решил заказать его для пробы.
Еще подогревало интерес то, что информации по этому прибору я нигде не нашел, ну тем интереснее 🙂
Внешне прибор выглядит как «полуфабрикат», т.е. собранная конструкция, но без корпуса.
Правда для удобства производитель установил всю эту конструкцию на такие вот пластиковые «ножки», даже гаечки пластиковые 🙂
С правого торца прибора расположены клеммы для подключения измеряемого элемента.
К сожалению схема подключения двухпроводная, а значит что чем длиннее будут провода щупов (если их использовать) тем больше будет погрешность показаний.
В более правильных конструкциях используется четырехпроводное подключение, по одной паре конденсатор заряжается/разряжается, по другой происходит измерение напряжения на конденсаторе. в таком варианте провода можно сделать хоть метр длиной, глобальной разницы в показаниях не будет.
Также рядом с клеммами находятся два контакта печатной платы, они используются при калибровке прибора (это я понял уже потом).
Снизу предусмотрено место для установки батареи питания типа 6F22 9 Вольт (Крона).
Прибор также может питаться и от внешнего источника питания, подключаемого посредством разъема MicroUSB. при подключении питания к этому разъему батарея отключается автоматически. при частом использовании я бы советовал питать прибор от USB разъема, так как батареи разражаются довольно ощутимо.
На фото также видно, что стяжка, при помощи которой крепится батарея, многоразовая. Замок стяжки имеет язычок, при нажатии на который ее можно открыть.
В собранном виде конструкция выглядит как то так.
Включается и управляется прибор всего одной кнопкой.
Включение — нажатие дольше 1 сек.
Нажатие в рабочем режиме переключает прибор между измерениями L и С-ESR.
Выключение — нажатие кнопки более чем 2 секунды.
При включении прибора высвечивается сначала название и версия прошивки, затем идет надпись, предупреждающая о том, что конденсаторы надо обязательно разрядить перед проверкой.
При удержании кнопки более двух секунд высвечивается надпись — Выключение питания и при отпускании кнопки прибор отключается.
Как я выше писал, прибор имеет два рабочих режима.
1. измерение индуктивности
2. измерение емкости, сопротивления (или ESR).
В обоих режима на экране отображается напряжение питания прибора.
Естественно посмотрим что из себя представляет начинка этого прибора.
На вид она заметно сложнее чем у предыдущего тестера транзисторов, что косвенно говорит либо о непродуманности схемы либо о лучших характеристиках, мне кажется что в данном случае скорее второй вариант.
Ну дисплей особо описывать смысла нет, классический 1602 вариант. Единственно что удивило — черный цвет текстолита.
Общее фото печатной платы я сделал в двух вариантах, со вспышкой и без, вообще прибор очень не хотел фотографироваться, мешая мне всеми возможными способами, потому заранее приношу извинение за качество.
На всякий случай напоминаю, что все фото в моих обзорах кликабельны.
«сердцем» прибора является микроконтроллер 12le5a08s2, информации по конкретно этому контроллеру я не нашел, но в даташите другой его версии проскакивала информация что он собран на ядре 8051.
Измерительная часть содержит довольно много элементов, кстати заявлено что процессор имеет 12 бит АЦП, который используется для измерения. Вообще такая разрядность весьма неплохая, скорее интересно насколько это реально.
Изначально думал начертить схему всего этого «безобразия», но потом понял, что особого смысла это не имеет, так как характеристики прибора в плане диапазона измерения не очень большие. Но если кому интересно, то можно попробовать перечертить.
Также в измерительной схеме задействован операционный усилитель, как по мне довольно неплохой, я такой использовал в усилителе сигнала с токового шунта электронной нагрузки.
Судя по всему это узел переключения питания между батареей и USB разъемом.
Снизу платы почти ничего интересного, кроме кнопки компонентов никаких нет 🙁
Но я нашел интересное даже на пустой печатной плате :)))
Дело в том, что когда я получил прибор и игрался с ним, то категорически не мог заставить его отображать емкость конденсатора выше 680мкФ, он упорно показывал OL и все.
Осматривая плату я не мог не заметить три пары контактов для подключения кнопок (судя по маркировке).
Сначала я ткнул key2, на что получил на экране — калибровка нуля (вольный перевод) — ОК.
Ха, думаю, ну щаззз мы тебя.
А вот и нет, калибровка заняла у меня уйму времени, так как из-за редкости прибора информации по нему нет, вообще. Единственное упоминание со словом калибровка было здесь.
Замыкание других пар контактов выводит на экран значения констант (судя по всему).
причем были еще варианты, с другими буквами, а также иногда при замыкании key3 проскакивала надпись — Сохранено ОК (на англ ессно).
Но вернемся к калибровке.
Прибор сопротивлялся всем своими силами.
Для начала я попробовал коротнуть клеммы пинцетом и калибровать так, но прибор в итоге показывал правильную емкость и отрицательное сопротивление у конденсаторов.
После этого я коротнул два тестовых пятачка на плате, прибор стал показывать корректное сопротивление, но диапазон измерения емкости сузился до 220-330 мкФ.
И уже после долгих поисков в инете я наткнулся на фразу (ссылка есть чуть выше) — Use 3cm thick copper wire for short circuit to clear
В переводе это означало — используйте медный провод толщиной 3см. я подумал что толщина в 3см это как то круто и скорее всего имелось в виду 3см длины.
Отрезал кусочек провода длиной около 3см и коротнул патчки на плате, стало работать гораздо лучше, но все равно не так.
Взял провод подлиннее раза в два и повторил операцию. После этого прибор стал работать уже вполне нормально и дальнейшие тесты я проводил уже после этой калибровки.
Для начала я подобрал разных компонентов, при помощи которых буду проверять как работает прибор.
На фото они уложены в соответствии с порядком тестирования, только дроссели лежат наоборот.
Все компоненты проверялись от меньшего номинала к большему.
Перед тестами я посмотрел осциллографом что выдает прибор на свои измерительные клеммы.
Судя по показаниям осциллографа частота установлена примерно на 72КГц.
В плане измерения индуктивности показания вполне сошлись с указанными на компонентах.
1. индуктивность 22мкГн
2. индуктивность 150мкГн
Кстати, в процессе калибровки я заметил, что никакие манипуляции не влияли на точность измерения емкости и индуктивности, а отражались только на точности измерения сопротивления.
С индуктивностью 150мкГн форма сигнала на клеммах выглядела так
С конденсаторами небольшой емкости также не возникло проблем.
1. 100нФ 1%
2. 0.39025 мкФ 1%
Форма сигнала при измерении конденсатора 0.39025 мкФ
Дальше пошли электролиты.
1. 4.7мкФ 63В
2. 10мкФ 450В
3. 470мкФ 100 Вольт
4. 470мкФ 25 В lowESR
Отдельно скажу насчет конденсатора 10мкФ 450 Вольт. Меня очень удивили показания и это не дефект конкретного элемента, так как конденсаторы новые и у меня их два одинаковых. показания также были одинаковые у обоих и другие приборы показывали именно емкость около 10мкФ. мало того, даже на этом приборе пару раз проскочили показания со значением около 10мкФ. почему так, мне непонятно.
1. 680мкФ 25 Вольт низкоимпедансный
2. 680мкФ 25 Вольт lowESR.
3. 1000мкФ 35 Вольт обычный Samwha.
4. 1000мкФ 35 Вольт Samwha RD серия.
Форма сигнала на контактах при тестировании обычного 1000мкФ 35 Вольт Samwha.
По идее, при измерении емких электролитов, частота должна была упасть до 3КГц, но на осциллограмме явно видно, что частота не менялась в процессе всех тестов и составляла около 72КГц.
1000мкФ 35 Вольт Samwha RD серии иногда выдавал и такой результат, проявлялось это при плохом контакте выводов с измерительными клеммами.
Уже после того как сделал групповое фото, измерил и сложил детали по своим местам я вспомнил, что забыл измерить сопротивление резисторов.
Для измерения я взял пару резисторов
1. 0.1 Ома 1%
2. 0.47 Ома 1%
Сопротивление второго резистора несколько завышено и явно вылазит за предел 1%, скорее даже ближе к 10%. но я думаю что это скорее сказывается то, что измерение проходит на переменном токе и влияет индуктивность проволочного резистора, так как мелкий резистор на 2.4 Ома показал сопротивление 2.38 Ома.
Когда искал информацию по прибору, то пару раз натыкался на фото этого прибора, где показано одновременное измерение с разными частотами, но мой прибор такое не выводит, опять же непонятно почему 🙁
То ли другая версия, то ли еще что, но разница есть. У меня вообще сложилось впечатление, что измеряет он только на частоте 72КГц.
Высокая частота измерения это хорошо, но всегда удобно иметь альтернативу.
Резюме
Плюсы
В работе прибор показал довольно неплохую точность (правда после калибровки)
Если не учитывать то, что мне пришлось его калибровать, то можно сказать что конструкция готова к работе «из коробки», но допускаю что это мне так «повезло».
Двойное питание.
Минусы
Полное отсутствие информации по калибровке прибора
Узкий диапазон измерения
У меня прибор нормально начал работать только после калибровки.
Мое мнение. Если честно, то у меня создалось стойкое двоякое впечатление о приборе. С одной стороны я получил вполне неплохие результаты, а с другой я получил больше вопросов чем ответов.
Например я так на 100% и не понял как его правильно калибровать, также не понял почему мой конденсатор на 10мкФ отображается как 2.3, ну и кроме того непонятно, почему измерение проходит только на 72КГц.
Я даже не знаю, рекомендовать его или нет. Если паять совсем не хочется, то можно использовать этот или транзистор тестер из прошлого обзора, а если хочется лучших характеристик (в основном в сторону расширения диапазона) и не нужно измерять индуктивности, то можно собрать C-ESR метр от Go.
Очень расстроил верхний диапазон измерения емкости в 1000мкФ, хотя я спокойно измерял и 2200 мкФ, но точность прибора падала, он начинал явно завышать показания емкости.
В общем на этом пока все, очень буду рад любой информации по прибору и с удовольствием добавлю ее в обзор. Допускаю что у кого нибудь он тоже есть, хотя и очень маловероятно, так как я не нашел по нему ничего, хотя часто все приборы являются повторением каких то уже известных конструкций.
Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.
Измерение ESR конденсаторов
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.
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
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 который я уже упоминал в одной из моих статей
И корпус для него:
Все эти приборы универсальны и удобны в использовании.
Всем свежей канифоли! Буду рад вашим комментариям)
