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)

Еще записи по теме

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.
Но, следует отметить, для конденсаторов, работающих при больших импульсных токах, например, в фильтрах преобразователей, иногда требуется более объективная оценка качества, а погрешность в десятые и даже сотые доли Ома может иметь существенное значение.

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.

Недостатком такого способа является значительная погрешность при измерении малых номиналов ёмкостей (менее 10 uF), когда реактивное сопротивление конденсатора на данной частоте соизмеримо и может превышать ESR.
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 U_R по закону:

C dU/dt = I = const.

U_R – 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 U_R 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 U_R 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!

Простейший 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.

Схема и измерения емкости конденсатора

В лабораториях и на промышленных предприятиях используется измеритель ёмкости конденсаторов. Работая с двухполюсниками, возникает необходимость точного определения электрической ёмкости. Для этого доступны различные инструменты, необходимо учитывать их принцип работы и особенности.

Что такое конденсатор

Прежде чем переходить к измерительным приборам, необходимо разобрать понятие конденсатора. Элементы называют двухполюсниками, они накапливают в себе заряд. Поскольку они содержат энергию, есть возможность определить электрическую ёмкость.

Измеритель ёмкости конденсаторов

В электроприборах конденсатор выступает электронным компонентом, который состоит из пластин.

Важно! Внутри корпуса они находятся в диэлектрике и таким образом являются изолированными. Распространенными считаются компоненты цилиндрической формы.

Картинка 2 Вид конденсатора

Принцип работы

Принцип работы конденсатора построен на контроле тока саморазряда. Когда на цепь подаётся электричество, заряд двухполюсника понижается. Уровень саморазряда также понижается, однако проводимость диэлектрика растет. В такой среде напряжение повышается согласно экспоненциальному закону. Определяющим фактором является уровень сопротивления двухполюсника.

Интересный факт! Если в цепи используются конденсаторы высокой емкости, в ней процесс саморазряда отнимает больше времени и на этом можно сыграть.

Измерения с помощью формул электротехники

Для расчёта емкости двухполюсника используется формула:

Rс =1/6,28*f*C

В формуле f — это средняя частота в цепи, а C — уровень сопротивления. Значение «6,28» взято из расчёта математической постоянной.

Картинка 3 Проверка емкости

Измерения с помощью приборов

Чтобы измерить емкость конденсатора, необходимо использовать мультиметр. Варианты на выбор:

• мультиметр;
• прибор ESR;
• С — метр.

Приборы отличаются по конструкции и принципу действия. При рассмотрении оборудования учитываются характеристики, правила использования.

Картинка 4 Тестеры в электронике

Мультиметр

Если требуется узнать точную ёмкость конденсатора, используется мультиметр. В научной среде по-другому он может называться авометром. Электроизмерительный прибор сочетает в себе вольтметр, а также амперметр. Стандартная модель изготавливается с двумя щупами. Встречаются цифровые и аналоговые приборы, которые отличаются по принципу действия.

Учитывается параметр погрешности, точности и разрядности. Цифровой аппарат работает по принципу отслеживания сопротивления. При подключении к цепи постоянного, переменного тока происходит улавливание частоты и периода. Через плату управления удаётся определить показатель ёмкости элемента.

Картинка 5 Мультиметр

Интересно! Аналоговые приборы имеют массу недостатков, однако используются в промышленной среде. Основной проблемой считается низкая точность измерений.

По структуре используется набор резисторов, шунт и магнитоэлектрический элемент. Принцип работы построен на реагировании колебаний электрического тока. Низкоомный резистор подаёт сигналы на катушку, их улавливает проводник. Через диоды происходит преобразование в импульс, и стрелка мультиметра отклоняется в сторону.

Прибор ESR

Для измерения емкости двухполюсников разработан измерительный прибор ESR. Преимущество кроется в том, что его можно использовать без отключения элементов из цепи. Он прост в обслуживании, подходит для лабораторного тестирования.

Картинка 6 Прибор ESR

Принцип работы строится на электролитических свойствах конденсатора. Учитывается уровень нежелательного сопротивления, а также пропускная способность элемента. Прибор способен отслеживать электрический ток в определенном периоде времени, и рассчитывается уровень разряда. Полученное напряжение делится на ток, на цифровом дисплее отображается емкость конденсатора.

Недостаток кроется в том, что прибор подходит для использования лишь в цепи с переменным током. Измерители этого типа изготавливаются в Америке и Европе. Тестер активно используется радиолюбителями. Современные модели способны определить следующие параметры:

• средняя частота;
• характеристики транзистора;
• проводимость диода;
• сопротивление отдельных компонентов.

За основу у многих моделей взят микроконтроллер ATmega 328. Он отличается низким разрядом, способен долго прослужит. Выключение происходит после трех минут режима ожидания. Для определения рабочей частоты используется частотомер, который генерирует импульсы.

Картинка 7 Прибор частотомер

Важно!Современные модификации функционируют в режиме самотестирования, производя самодиагностику. Таким образом, калибровка не отнимает много времени. Модели поставляются с дисплеями, есть возможность выбирать единицы измерения.

Тестеры могут быть установлены на стол, планку. В комплекте к некоторым товарам предоставляется площадка. Чтобы определить показатель напряжения, необходимо подключить клеммники. Перед использованием прибор калибруется. В меню предусмотрены опции на выбор. С целью замыкания контактов используются перемычки. Устройства отличаются по параметру памяти, точности.

Картинка 8 Работа тестера

Учитывается рабочий температурный диапазон и проводимость. В качестве источника питания могут использоваться аккумуляторы типа «Крона». Средний показатель напряжение на блоках питания 9 вольт. Востребованными остаются варианты со штекером и без него.

С — метр

LC-метра подходят не только для измерения емкости конденсаторов, но и определения уровня индуктивности. По внешнему виду они схожи с мультиметром, однако отличаются принципом работы. Когда тестер замыкает цепь, отслеживается показатель напряжения. Измеряемая ёмкость вычисляется с высокой погрешностью, за счет использования выпрямителя.

Картинка 9 LC-метр

Даже работая с импортными конденсаторами, расчёт производится с учетом применения любого электролита. Сигнал о частоте напряжения и токе поступает на катушку индуктивности. Прибор является универсальным, однако есть недостаток. Для определения ёмкости двухполюсника требуется снять конденсатор. Распространенным вариантом является товар MY6243, это продукция китайского производителя. Она имеет следующие особенности:

• высокая допустимая емкость;
• большая стабильность;
• батарея 9 вольт;
• ручной выбор диапазона;
• имеется экран.

Устройство способно определить индуктивность низкого заряда. Модель является узкоспециализированной и востребована в лабораториях и промышленной среде. У нее используется защищенный корпус, на панели расположен круговой переключатель. На экране виден текущий режим, разрешается изменять функции.

Картинка 10 Экран тестера

Прибор автономен, используется емкостный аккумулятор. В комплекте товара предусмотрена батарея, инструкция и щупы. Также продаются высокоточные приборы класса LC200А. У них высокая разрядность, предусмотрена функция автовыключения. Гарантия на продукцию — 3 месяца, используется защищенный корпус.

Минимальная тестовая частота — от 10 Герц. Показатель ёмкости двухполюсника появляется на экране. С целью подключения измерительного прибора к технике, предусмотрен порт mini-USB. В комплекте предоставляется паспорт, кабель USB и зажимы.

Схема измерения емкости

Схема измерителя емкости электролитических конденсаторов включает множество элементов:

• переключатель;
• тумблер;
• подстроечный резистор;
• батарея питания.

Картинка 11 Схема измерителя

Также распространенными являются схемы с микросхемой К140УД608. У варианта с тестером используются биполярные транзисторы, набор диодов. Есть светодиоды, батарея питания. По схеме имеется два переключателя, предусмотрен микроамперметр.

Выше описаны измерители емкости конденсаторов. Рассмотрено понятие двухполюсника и формула нахождения значения. Также раскрыт принцип работы мультиметра, прибора ESR, LC-метра.

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 радиодеталей