Как измерить ESR конденсатора при помощи FNIRSI DSO-TC2 / Хабр

Необходимо заметить, что данный пост — это моё мнение, основанное на теоретических выкладках, проверить которые на практике я пока не удосужился.

ESR — Equivalent Series Resistance — один из параметров конденсатора, характеризующий его активные потери в цепи переменного тока. Для исправных конденсаторов этот параметр крайне мал. От единиц Ом до Миллиом. Для электролитических кондёров этот параметр со временем деградирует, что связано с подсыханием электролита.

Многие обзорщики отметили, что красивенький прибор от Fnirsi — DSO-TC2 не умеет измерять данный параметр, что вызвало сильное разочарование в этом, в общем-то, неплохом приборе начального уровня.

Заниматься его обзором я тут не буду, в инете очень много уже снято и, надеюсь, в ютубе никого не забанили. Отмечу лишь, что данный прибор содержит простенький осциллограф и встроенный генератор меандра.

Данный прибор будет полезен любителям-разработчикам и ремонтникам блоков питания небольшой мощности, трактов передачи звуковой частоты и всевозможным ардуинщикам.

Мои мысли основаны на переводной статье на радиопроге: https://radioprog.ru/post/757 авторства Farzin Asadi и Nurettin Abut (оригинал на https://www.electronicdesign.com/ мной не найден).

Итак, что будет, если соединить встроенные генератор меандра и осциллограф? — Последний покажет сигнал первого. А самое важное для нашей задачи — он покажет амплитуду данного сигнала в вольтах. Зачем нам это? — Воткнуть конденсатор между щупами. Что произойдет? — Амплитуда сигнала снизится обратно пропорционально сопротивлению конденсатора! Обратно пропорционально тому самому ESR.

Как узнать значение ESR? Провести поверку на резисторах заранее известного сопротивления.

Есть вероятность, что измерение будет неудачным, если внутреннее сопротивление выходного каскада генератора сигнала достаточно высоко. Могу предположить, что разработчик использовал на выходе MOSFET с очень низким сопротивлением. Но это требует проверки.

Почему я не проверил все эти выкладки сам? — Пока нет такой возможности. Я остался без единой деталюшки в результате релокации. А приборчик заказал уже в новую локацию (очень уж мне дизайн приглянулся, плюс, была скидка…). Несомненно, я потом проверю, но лапки сильно чешутся — поделиться своим мнением с сообществом.

P.S. Пока статья проходила модерацию кое-что проверил, а именно — ток короткого замыкания щупов и сопротивление прибора (мультиметра) при этой операции (на частоте 1kHz).

До замыкания через мультиметр мы имели Vpp = 5.16V, после — 0.15V, при токе 38 мА. Делим напряжение на ток 0.15/0.038 — получаем 3.947Ω — сопротивление мультиметра в режиме амперметра (и проводов, которыми я в дальнейшем пренебрегаю, т.к. короткое замыкание только на провода просаживает сигнал в ноль, значит их сопротивление настолько мало, что не может быть измерено подобным образом).

Теперь можно подсчитать сопротивление «источника питания» — генератора меандра. Ток мы знаем, падение напряжение на нагрузке 0.15V, остаток — падение на «источнике питания» — 5. 16 — 0.15 = 5.01V. По закону Ома делим напряжение на ток — 5.01/0.038 — получаем 131.8Ω.

P.S.S. Уже после модерации раздобыл из старого дохлого устройства электролитический конденсатор на 470μF 6.3V Teapo SC серии, который в даташите помечен, как Low ESR. Прибор показывает, что кондёрчик аж на 510μF, но будем считать это погрешностью прибора и разбросом параметров самого конденсатора (по даташиту у него Capacitance Tolerance — ±20%). Ещё прибор показывает Vloss = 2.2%, что для старенького кондёра — предел мечтаний — можно сказать, что он «как новый».

Замыкаем генератор меандра на кондёр и измеряем падение напряжения — Vpp = 0.13V. Это меньше, чем при замыкании на мультиметр, значит и сопротивление (ESR) кондёра меньше, что уже хорошо. Но на Low ESR оно как-то не тянет. В даташите способ определения ожидаемого ESR достаточно запутанный и у меня вышло, что на частоте 1kHz он должен быть 0.07Ω, что сомнительно, но ладно.

Считаем, какой же реально вышел ESR. Напряжение, падающие на источнике тока: 5. 16 — 0.13 = 5.03V, сопротивление его мы уже знаем — 131.8Ω (предполагаем, что оно не изменилось), значит, ток в цепи (по закону Ома): 0.0381517A. Ток во всей цепи одинаковый, значит, ESR конденсатора — 0.13V / 0.0381517A = 3.4Ω. Что для такого кондёрчика — уже на пределе допустимого, а скорее даже за пределами — подсох он чуток.

Чтобы не городить каждый раз расчёты достаточно сделать табличку с граничными значениями для отбора конденсаторов по критерию годен-негоден сразу по Vpp осциллографа.

Вот такое получилось у меня «мнение».

наш герой

RE(CD287) 50В 33мкФ Low ESR , 2 000hrs 6х11мм, Sancon, Конденсаторы электролитические . Цена и наличие на складе у прямого поставщика Планар-СПб

Санкт-Петербург +7 812  329 44 61

Москва +7 495  230 44 61

Изображения товара на сайте являются простыми иллюстрациями к нему и могут отличаться от фактического внешнего вида.

Документация

Скачать даташит на Конденсатор электролитический Sancon RE(CD287) 50В 33мкФ Low ESR , 2 000hrs 6х11мм

Формат: PDF

• Характеристики
• Описание
• Применение

Характеристики

• Тип продукта Конденсатор электролитический
• Категория Низкоимпедансный
• Емкость 33 мкФ
• Напряжение, В 50
• Диаметр, мм 6
• Высота, мм 11
• Макс. температура, С 105

Описание

Конденсатор электролитический Sancon RE(CD287) 50В 33мкФ Low ESR , 2 000hrs 6х11мм. Конденсатор радиальный электролитический низкоимпендансный Low ESR ёмкостью 33 мкФ, напряжение 50 В, 105 градусов.

• Артикул 168166
• Норма упаковки 1000
• В наличии на складе 10000 шт

{{ isWholesalePrice ? ‘Оптовая’ : ‘Розничная’ }} цена: {{ prodInfo. priceFormatted }} Р

Итого: {{ getWholesalePrice() }} Р

• от 1 шт 1,54 Р
• от 100 шт 1,32 Р

Понимание ESR конденсатора в электролитических конденсаторах

Современные микропроцессорные системы требуют источников питания, обеспечивающих высокие токи и сверхбыстрые переходные характеристики с жесткой регулировкой. Это создает потребность в экономичных компактных конденсаторах с высокими значениями емкости.

Предпочтительным решением являются электролитические конденсаторы, но важно не только указывать емкость и напряжение, но и рассматривать эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) как показатель качества.

ESR: Легче определить, чем указать

Эквивалентная схема конденсатора состоит из четырех элементов (рис. 1, справа): емкость, эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) – сумма индуктивных элементов, включая выводы, цепь постоянного тока с высоким сопротивлением ( Rp) параллельно с емкостью, и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) – последовательное резистивное воздействие, объединенное в один элемент.

СОЭ зависит от частоты, температуры и изменяется по мере старения компонентов. Обычно это является важным фактором при выборе электролитических конденсаторов.

Изготовление конденсатора

«Мокрые» алюминиевые электролитические конденсаторы имеют анодную пластину, состоящую из алюминиевой фольги, полученной электрохимическим травлением, диэлектрика, сформированного в виде оксидного слоя на этой фольге, бумажной прокладки для удерживания проводящей жидкости, образующей катод, и вторая фольга, которая соединяет электролит и клемму устройства.

Жидкий электролит проникает в поры окисленной анодной фольги, поэтому площадь контакта и, следовательно, емкость максимальны. Зависимая от температуры проводимость электролита является основным фактором, влияющим на ESR. Омические потери, создаваемые слоем оксида алюминия, зависят от частоты и уменьшаются с увеличением частоты. Жидкий электролит со временем теряется в результате испарения и диффузии, что приводит к постепенному уменьшению количества проводящего материала, уменьшению площади контакта, увеличению ESR и уменьшению емкости.
Этот процесс «высыхания» зависит от температуры и ускоряется в компонентах, используемых при более высоких температурах или подверженных более высоким пульсирующим токам, которые рассеивают больше тепла в рамках своей функции цепи.

В алюминиевых электролитах ESR падает с повышением температуры – его влияние уменьшается по мере прогрева сборки.

Высыхание не имеет значения для твердых алюминиевых электролитов или «гибридных» конденсаторов, где жидкий электролит заменяется полимеризованным органическим полупроводниковым материалом. Эта технология демонстрирует удельную проводимость примерно в 10 000 раз больше, чем у жидкого электролита. Как показано на рис. 2, общее эквивалентное последовательное сопротивление существенно снижается, особенно при низких температурах.

Танталовая технология

Электролиты для танталовых конденсаторов имеют танталовые аноды либо из спеченного порошка, либо из простой или протравленной фольги. Изолятор представляет собой оксидный слой на поверхности анода. В устройствах из фольги вторым проводником является электролит, удерживаемый в прокладке. Отложение диоксида марганца покрывает оксидный слой в твердых вариантах.

Замыкания компонента вносят существенный вклад в ESR. В твердотельных конденсаторах диоксид марганца обычно покрывают углеродом, а затем металлом, например серебром, который припаивают к отрицательному проводу или корпусу. В стиле фольги положительное соединение представляет собой сварную никелевую или стальную проволоку, соединенную с танталовой проволокой на аноде.

Такие устройства также содержат вторую танталовую фольгу, контактирующую с электролитом.
На низких частотах потери оксида наиболее значительны. Но их вклад уменьшается обратно пропорционально частоте и в итоге становится малым по сравнению с сопротивлением материала контакта (рис. 3).

Рисунок 3: Типичная зависимость между ESR и частотой для танталовых конденсаторов (AVX)

Почему значение ESR важно?

Электролитические конденсаторы используются в качестве входных буферов для подачи энергии, когда входное напряжение сети слишком низкое, для хранения энергии, пока преобразователь переменного тока в постоянный адаптируется к новому уровню мощности, и для предотвращения попадания шума переключения от преобразователя в источник питания. На выходе преобразователя они действуют как фильтр и сток тока для индуктивных элементов, а при преобразовании DC/DC действуют как буфер энергии при изменении потребности в выходной мощности.

В обоих случаях потери из-за ESR снижают способность конденсатора быстро накапливать или накапливать заряд. На входе увеличение ESR увеличивает высокочастотный шум на конденсаторе, снижая эффективность фильтрации. На выходе более высокий ESR вызывает больше пульсаций, влияющих на стабильность контура управления.

ESR особенно важен в приложениях с низким коэффициентом заполнения и высокочастотными импульсами тока. Здесь напряжение пульсаций из-за ESR будет больше, чем ожидалось, исходя только из емкости, хотя отрицательная корреляция ESR с температурой означает, что пульсации уменьшаются по мере нагрева сборки.

Кроме того, введение резистивного элемента в чисто реактивную цепь, которую разработчики могут принять за чисто реактивную, может привести к неожиданным сдвигам фазовой характеристики, что опять-таки повлияет на стабильность.

Что можно сделать?

Некоторые конденсаторы разработаны специально для низкого ESR, но производители алюминиевых электролитических конденсаторов не всегда указывают ESR. Обычно указывается значение при 25°C и 100 кГц с формулой для расчета значения на рабочей частоте. Некоторые поставщики указывают частоту 120 Гц; другие предоставляют разработчику возможность рассчитать показатель на интересующей частоте из коэффициента рассеяния (tan∂) и заданного максимального пульсирующего тока. Кроме того, для конденсаторов сопоставимого размера и CV устройство с более высокой емкостью и более низким номинальным напряжением будет иметь более низкое ESR, а ESR, как правило, ниже для алюминиевых электролитических устройств с длинными тонкими корпусами, поскольку сопротивление фольги уменьшается. Большие габаритные размеры корпуса также могут снизить ESR.

Кроме того, несколько компонентов меньшей стоимости можно использовать параллельно для достижения более низкого высокочастотного ESR за счет места на плате.

Другие усовершенствования

Несколько производителей алюминиевых электролитических конденсаторов комбинируют твердые и жидкие электролиты для производства гибридных компонентов со сверхнизким ESR (низкие десятки мОм), с минимальным изменением температуры, при этом увеличивая выдерживаемое напряжение и обеспечивая высокую пульсацию текущий.

Поскольку ESR зависит от площади внешней поверхности, производители танталовых конденсаторов производят многоанодные устройства для высоконадежных рынков, которые могут указать путь к разработкам для более массовых приложений.

Но низкое ESR не всегда является первоочередным фактором, и в разработке, не относящейся к электролитическим устройствам, Murata фактически увеличила ESR некоторых своих многослойных керамических чип-конденсаторов, чтобы контролировать нежелательные резонансы, которые могут снизить эффективность развязки на пиковых частотах. .

Заключение

Никогда еще инженеры не могли выбирать из столь разнообразного ассортимента электролитических технологий. В частности, для силовых приложений данных, напечатанных на компоненте, редко бывает достаточно, чтобы сделать осознанный выбор. Обращение к независимому специалисту, который может предложить компоненты от крупнейших мировых производителей конденсаторов, — это самый надежный и быстрый путь к поиску наиболее подходящего устройства для любого конкретного применения.

Автор Адам Чидли Авнет Abacus European Senior Product Manager

Источник: AVNET ABACUS

Что такое СОЭ и почему это важно? Часть 1

Что такое СОЭ и почему это важно? Часть 1

Опубликовано Юсси Пиккарайнен — ​​23 августа 2016 г.

Поделиться на

Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), также известное как внутреннее сопротивление, представляет собой величину, представляющую потерю полезной энергии в простой электронной схеме, состоящей из резистора. и идеальный (идеальный) конденсатор.

С технической точки зрения энергия не теряется, а обычно рассеивается в виде нежелательного тепла. Тепло генерируется, когда электричество проходит через любой материал, включая материалы, из которых изготовлен ультраконденсатор: углерод, разделительная бумага, электролит и алюминий.

Контактное, поровое и общее сопротивление

Обычно измеряются три типа сопротивления: контактное, поровое и полное.

Контактное сопротивление — это сопротивление на пути прохождения электрического тока, который включает выводы конденсатора, токосъемник из алюминиевой фольги, микроскопический граничный зазор между углеродным слоем электрода и токосъемником из фольги, а также углеродную структуру электродов.

Прочтите вторую часть нашей серии сообщений в блоге ESR здесь, и вы узнаете почему ультраконденсаторы SkelCap лидируют

Сопротивление пор является результатом атомных сил между ионами электролита и углеродной структурой электродов, которые их удерживают на месте (также называемое «ловушкой»).

Наконец, общее сопротивление представляет собой просто сумму контактного сопротивления и сопротивления пор.

 

СОЭ ниже при более высоких температурах

Внутреннее сопротивление обратно пропорционально температуре, поэтому чем выше температура, тем меньше сопротивление. Это результат основной электрохимии ультраконденсатора.

Внутреннее сопротивление широко варьируется в зависимости от производителя и конструкции ультраконденсатора, в зависимости от того, настроены ли электроды на более высокую мощность (высокографитированные) или плотность энергии (высокопористый углерод).

 

Влияние ESR

Согласно закону Ома, электрический ток, протекающий через сопротивление, вызывает уменьшение напряжения. Когда ультраконденсатор заряжается или разряжается, часть энергии теряется за счет рассеивания мощности (обычно в виде тепла). Рассеиваемая мощность заставляет ультраконденсаторы нагреваться.

 

Хорошая конструкция дает тепловые преимущества

Повышение температуры пропорционально ESR, поэтому чем выше ESR, тем больше тепла. На практике хорошая конструкция означает, что требуется меньше системного охлаждения или ультраконденсаторы можно использовать в более теплых условиях без значительного ухудшения характеристик. Кроме того, более низкие температуры помогают избежать преждевременного выхода оборудования из строя.