Измерители ЭПС и емкости электролитических конденсаторов. Как дефектовать электролитические конденсаторы.
Все эти приборы для измерения электрической проницаемости (ЭПС) позволяют проводить измерения напрямую на электронной плате без необходимости снятия электролитического конденсатора. Сейчас я расскажу о каждом из этих измерителей.
Я создал этот прибор еще в 2009 году, а схему взял из журнала «Радио» за 2008 год, в номере 7, на страницах 26-27. Статья называется «Индикатор электрической проницаемости оксидных конденсаторов».
Основные технические характеристики измерителя ЭПС:
Предел индикации ЭПС, Ом
0,1 — 23
Напряжение питания, В
1,25 — 1,6
Частота генерации, кГц<
Диапазон измерения электрофизических параметров, Ом:
Изготовленные мной измерители имеют корпуса из стали. Для каждого измерителя я изготовил комплект щупов в соответствии с требованиями. Платы были изготовлены с использованием метода ЛУТ.
В своих конструкциях я заменил разъемы типа «тюльпан» на разъемы BNC, поскольку они обладают большей надежностью. Для защиты дисплеев с жидкокристаллической индикацией я использовал затычку, изготовленную из пластиковой упаковки.
Мой измеритель электрических параметров и емкости конденсаторов, версия 2.0. от miron63.
В моем измерителе электрических параметров я заменил 9-вольтовую батарею, использованную автором, на металл-гидридный аккумулятор, который заряжаю с помощью 12-вольтового блока питания. В корпусе измерителя предусмотрено гнездо для подключения зарядного устройства. Аналогичная модификация применена в и в моей измерителе электрических параметров, версия 3.0.
Мой измеритель электрических параметров и емкости конденсаторов, версия 3.0. от miron63.
Основные характеристики конденсатора, такие как ёмкость и рабочее напряжение, уже стали привычными для нас. Однако последнее время важным параметром стало его эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС). Что же представляет собой ЭПС и какова его роль?
Поскольку ЭПС оказывает наибольшее влияние на работу алюминиевых электролитических конденсаторов, далее речь пойдет именно о них. Давайте посмотрим, как устроен электролитический конденсатор и какие секреты он скрывает.
Любой электронный компонент далек от совершенства, и это относится и к конденсатору. Комплекс свойств конденсатора может быть представлен в виде условной схемы.
Как видно из схемы, реальный конденсатор состоит из ёмкости C, которая часто изображается на схемах в виде двух вертикальных полос. Также есть резистор Rs, который представляет активное сопротивление проводов вывода, электролита и контактного сопротивления между выводом и обкладкой. На фото видно, как провода крепятся к обкладкам при помощи заклепок.
Поскольку даже самый хороший диэлектрик имеет некоторое сопротивление (до сотен мегаом), параллельно обкладкам в схеме изображен резистор Rp. Этот «виртуальный» резистор определяет ток утечки через конденсатор. Естественно, на самом деле внутри конденсатора нет резисторов, это просто для удобства представления и наглядности.
Из-за того, что обкладки электролитического конденсатора скручиваются и помещаются в алюминиевый корпус, там образуется индуктивность L.
Индуктивность проявляет свои свойства только на частотах, превышающих резонансную частоту конденсатора. Приближенное значение этой индуктивности десятки наногенри.
Итак, из всего этого можно выделить те компоненты, которые входят в состав ЭПС электролитического конденсатора:
Сопротивление электролита, которое вносит основной вклад в величину ЭПС. Оно возрастает из-за испарения растворителя и изменения химического состава электролита под воздействием металлических обкладок. Пока еще не найдено идеальной формулы электролита, поэтому происходит так называемая «конденсаторная чума» (англ. «Capacitor plague»);
Сопротивление, вызванное потерями в диэлектрике из-за его неоднородности, примесей и наличия влаги;
Сопротивление проводов вывода и обкладок конденсатора. Это активное сопротивление.
Контактное сопротивление между обкладками и выводами.
Все эти аспекты складываются вместе, образуя сопротивление конденсатора, которое известно как эквивалентное последовательное сопротивление — ЭПС (ESR — от англ. Equivalent Serial Resistance).
Как известно, электролитический конденсатор работает только в цепях постоянного и пульсирующего тока из-за своей полярности. Поэтому он применяется в блоках питания для фильтрации пульсаций после выпрямителя. Важно отметить, что конденсатор пропускает импульсы тока.
ESR, по своей сути, является электрическим сопротивлением и при прохождении импульсов тока выделяется тепло. Это можно сравнить с мощностью резистора. Таким образом, чем выше ЭПС, тем больше будет тепловыделение в конденсаторе.
Нагрев электролитического конденсатора является нежелательным явлением. При нагреве электролит начинает испаряться, и конденсатор может вздуться. Обратите внимание на защитную насечку на верхней части корпуса электролитического кондетатора.
Длительная работа конденсатора при повышенной температуре делает электролит подверженным испарению, что оказывает давление на защитную насечку. Временем давление возрастает до тех пор, пока насечка не повреждается, и газ высвобождается наружу.
На практике может быть и наоборот — давление выталкивает изолятор из кондесатора через выводы. На фотографии представлен конденсатор, который высох с течением времени. Его емкость уменьшилась до 106 мкФ, а ESR при измерении составил 2,8Ω, в то время как нормальное значение ESR для нового конденсатора такой же емкости ожидается в пределах 0,08-0,1Ω.
Наличие ЭПС в реальном электролитическом конденсаторе влияет на его работу в высокочастотных схемах. Влияние этого параметра на обычные конденсаторы не так выражено, но для электролитических кондоденсаторов оно имеет важное значение. Особенно это относится к их работе в цепях с высоким уровнем пульсаций, когда протекает значительный ток и происходит выделение тепла из-за ESR.
На этом изображении материнской платы компьютера, который перестал включаться, можно увидеть четыре вздувшихся электролитических конденсатора рядом с радиатором процессора. Длительная работа при повышенной температуре (из-за внешнего нагрева от радиатора) и большой срок службы привели к повреждению конденсаторов из-за нагрева и ESR. Плохое охлаждение отрицательно влияет не только на работу процессоров и микросхем, но, как всё оказывается, и на электролитические конденсаторы!
Уменьшение температуры окружающей среды на 10℃ увеличивает срок службы электролитического конденсатора почти в два раза.
Такая ситуация полностью повторяется с блоками питания компьютеров — электролитические конденсаторы также вздуваются, что вызывает провалы и пульсации в напряжении питания.
Часто импульсные блоки питания для точек доступа, роутеров Wi-Fi и других модемов выходят из строя из-за «взорвавшихся» или утративших ёмкость конденсаторов. Стоит помнить, что при нагреве электролит иссыхает, что приводит к понижению ёмкости. Я описал случай из практики здесь.
Из вышеизложенного следует, что электролитические конденсаторы, работающие в высокочастотных импульсных схемах (блоки питания, инверторы, преобразователи, импульсные стабилизаторы) работают в экстремальных условиях и выходят из строя чаще. В связи с этим производители выпускают специальные серии конденсаторов с низким ESR и низким импедансом. На таких конденсаторах обычно указывается Low ESR или Low Impedance (Low Imp).
Также существуют серии с ультранизким ESR и ультранизким импедансом (Ultra Low ESR, Ultra Low Impedance).
Известно, что конденсатор обладает ёмкостной или реактивной проводимостью, которая уменьшается с ростом частоты переменного тока.
Таким образом, с увеличением частоты переменного тока, реактивное сопротивление конденсатора будет падать, пока не сравняется с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). Его и нужно измерить. Измеритель ESR (ESR-метр) измеряет ESR в диапазоне нескольких десятков — сотен килогерц. Это необходимо для того, чтобы исключить величину реактивного сопротивления из измерения.
Стоит отметить, что ESR конденсатора зависит не только от частоты пульсаций тока, но и от напряжения на выводах, температуры окружающей среды и качества изготовления. Поэтому нельзя однозначно сказать, что ESR конденсатора равно, например, 3 омам. Значение ESR будет различаться при различных частотах работы.
ESR-метр
При осмотрове и проверке конденсаторов необходимо обратить внимание на значение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). За время существования на рынке было выпущено большое количество приборов, предназначенных для проверки и измерения ESR конденсаторов. На фото показан универсальный тестер рэдиокомпонентов, известный как LCR-T4. Конечно, обладает и функцией замера ESR конденсаторов.
Пользователи рэдиотехнических журналов могут найти описание самодельных приборов и созданный к addon -u периферическим приставкам для осуществления замера ESR. В продаже вы сможете найти такие специализирующийся ESR метры, которые позволят вам измерять емкость и эквивалентное последовательное сопротивление конденсаторов, не выпаивая из платы, а даже позволят их разряжать для предотвращения повреждения из-за хранящегося в конденсаторе высокого неиспользуемого напряжения. В качестве таких метров можно рассмотреть модели ESR-Micro v3.1, ESR-Micro v4.0s и ESR-Micro v4.0SI.
Нередко при ремонте электроники необходимо заменить электролитические конденсаторы. Чтобы оценить качество заменяемого компонента, проводится измерение таких параметров, как емкость и ESR. Чтобы сравнивать результаты, составлена таблица, в которой указаны значения ESR при новых электролитических конденсаторах различной емкости. Таблицу можно использовать для оценки пригодности конкретного конденсатора для продолжительного использования. Однако это нужно делать с оговоркой.
Никогда не забывайте, что <<референтные>> значения ESR указываются производителями для определенной серии конденсаторов. Иногда лучше проверить такую информацию у производителя напрямую. Стоит заметить, что в эту процедуру могут быть включены разные точки зрения по выбору оборудования, что может повлиять на полученные конечные показания, возарасты.
Потери в диэлектрике в конденсаторе обусловлены особенностями его поляризации и являются основной частью потерь, которые определяются как материалом, так и толщиной слоя диэлектрика.
В этом случае угол сдвига фазы между током и напряжением будет немного меньше 90°, чем в идеальном конденсаторе. Эту разницу с 90° называют тангенсом угла потерь.
Тангенс угла потерь определяется отношением активного сопротивления к реактивному, R/Xc, как тригонометрическая функция отношения двух катетов треугольника сопротивлений, показанного на рисунке.
В электролитических конденсаторах значительная часть ESR представляет собой сопротивление электролита, который используется как одна из обкладок для обеспечения максимальной площади контакта с диэлектриком. Активное сопротивление электролита в реальных конденсаторах обычно составляет несколько десятых или сотых долей Ома при 20°С, но для конденсаторов большой ёмкости, используемых в фильтрах выпрямителей ИИП на рабочей частоте около 100 кГц, когда реактивное сопротивление измеряется тысячными долями Ома, это значение может составлять основные потери и будет существенно снижаться с увеличением температуры. При рабочей температуре величина диэлектрических потерь на таких частотах обычно в несколько раз больше.
Сопротивление электролита зависит от температуры из-за изменения его вязкости и подвижности ионов.
В процессе работы конденсатора диэлектрик и электролит нагреваются периодическим током, что приводит к существенному снижению сопротивления электролита. В таком случае ESR конденсатора будет определяться преимущественно его диэлектрическими потерями, которые будут в пределах расчетной нагревать конденсатор. Однако, при разогреве до точки кипения электролит теряет свои свойства и при последующем охлаждении становится более вязким, что ухудшает подвижность ионов и увеличивает активное сопротивление. Дальнейшее использование такого конденсатора приведет к его неисправности. Неисправные конденсаторы, в которых происходил кипение электролита, часто можно определить визуально по вздувшемуся и расплывшемуся корпусу.
Помимо ухудшения качества электролита, активное сопротивление в конденсаторах часто возрастает из-за плохих контактов между обкладками и выводами, вплоть до полного разрыва. В электролитических конденсаторах это происходит чаще, чем в металлокерамических. Телевизионным мастерам хорошо известны все эти случаи, и ремонтники старшего поколения, кто помнит советские ламповые телевизоры, наверняка вспомнят бумажные конденсаторы, которые иногда поджимали пассатижами для улучшения контакта внутри и все еще продолжали работать некоторое время.
Таблица ESR
Таблица Боба Паркера для ESR-метра K7214
uF|V
10V
16V
25V
35V
50V
160V
250V
1 uF
14
16
18
20
2.2 uF
6
8
10
10
10
4.7 uF
15
7.5
4.2
2.3
5
10 uF
6
4
3.5
2.4
3
5
22uF
5.4
3.6
2.1
1.5
1.5
1.5
3
47 uF
2.2
1.6
1.2
0.5
0.5
0.7
0.8
100 uF
1.2
0.7
0.32
0.32
0.3
0.15
0.8
220 uF
0.6
0.33
0.23
0.17
0.16
0.09
0.5
470 uF
0.24
0.2
0.15
0.1
0.1
0.1
0.3
1000 uF
0.12
0.1
0.08
0.07
0.05
0.06
4700 uF
0.23
0.2
0.12
0.06
0.06
Рассчитаем примерное реактивное сопротивление для популярных номиналов при средней частоте пробников 20 кГц, чтобы иметь представление хотя бы о порядке их идеальных значений.
Ещё раз напомню, что нельзя строить пропорциональнось между ESR и этими значениями. Это особенно верно для электролитических конденсаторов разных габаритов и напряжений. Это реактивное сопротивление, которое имеет больше значение при измерении конденсаторов с маленькой ёмкостью, так как это реальная погрешность для пробников на основе измерения импеданса. То есть, у конденсатора ёмкостью 100 мкФ и 1 мкФ могут быть одинаковые значения ESR, но прибор покажет разницу в несколько раз, потому что добавит реактивное значение, которое будет решающим для показаний прибора на измеряемой частоте для малых ёмкостей.
Более сложные цифровые приборы способны измерить точные значения во время заряда конденсатора постоянным током, рассчитать его ёмкость и ESR без реактивной составляющей. Однако, измерение постоянным током не учитывает диэлектрические потери, которые прямо зависят от частоты. Кроме того, для таких измерений конденсаторы необходимо выпаивать из платы.
Благодарим вас за внимание!
Мы приветствуем и ждем ваши замечания и предложения!
ESR, или эквивалентное последовательное сопротивление, является критическим параметром конденсаторов. В данной статье мы подробно рассмотрим его значение и способы определения.
Реальные параметры конденсатора
Всем известно, что в нашем неидеальном мире ничто не совершенно. Это относится и к электронике. Компоненты, каскады, радиоузлы часто выходят из строя. Недавно была история с космическим кораблем «Прогресс», когда отказ одного из узлов привел к гибели всего космического гиганта. Даже простой радиоэлемент — конденсатор — помимо емкости имеет другие паразитные параметры. Рассмотрим схему, из которых состоит наш настоящий конденсатор?
r — это сопротивление диэлектрика и корпуса между обкладками конденсатора
С — собственно сама емкость конденсатора
ESR — эквивалентное последовательное сопротивление
ESI (чаще его называют ESL) — эквивалентная последовательная индуктивность
Вот на самом деле из чего состоит обычный конденсатор, особенно электролитический. Рассмотрим эти параметры подробнее:
r — сопротивление диэлектрика. Диэлектриком может быть электролит в электролитических конденсаторах, бумага или другой материал. Кроме того, между выводами конденсатора находится его корпус, который также обладает определенным сопротивлением и сделан из диэлектрика.
С — емкость конденсатора, указанная на самом конденсаторе с некоторой погрешностью.
ESI(ESL) — последовательная индуктивность, это собственная индуктивность обкладок и выводов. На низких частотах можно не учитывать. Почему? Читайте статью о катушках индуктивности в цепях постоянного и переменного тока.
Где «прячется» ESR в конденсаторе
ESR — это собственное значение сопротивления выводов и обкладок конденсатора
Совершенно очевидно, что сопротивление проводника можно вычислить путем использования специальной формулы:
ρ — это значение удельного проводимости
l — это длина проводника
S — это поперечное сечение проводника
Итак, теперь вы можете приблизительно оценить сопротивление выводов и обкладок конденсатора 😉, хотя, конечно же, так никто не делает. Для этого используются специальные приборы, которые способны измерить данный параметр. Я, например, недавно приобрел свой собственный прибор на Алиэкспрессе.
Почему вредно большое значение ESR
Ранее, при первом появлении электронных схем, никто даже не слышал о таком параметре, как ESR. Может быть, кому-то было известно о существовании этого сопротивления, но оно не причиняло вреда никому. Но… с появлением первых импульсных блоков питания все чаще стали упоминать об ESR. В чем же проблема с этим безобидным сопротивлением для импульсных блоков питания?
На постоянном токе и низкочастотных колебаниях, как известно из статьи о конденсаторе в цепи постоянного и переменного тока, конденсатор сам создает большое сопротивление электрическому току. В этом случае некоторое паразитное сопротивление ESR не будет влиять на параметры электрической цепи. Интересные вещи происходят тогда, когда конденсатор работает в высокочастотных цепях (ВЧ).
Мы знаем, что конденсатор пропускает переменный ток. И чем выше частота, тем меньше сопротивление самого конденсатора. Вот формула, если что:
где, ХС — это сопротивление конденсатора, Ом
П — постоянная, примерно равная 3,14
F — частота, измеряемая в Герцах
C — емкость, измеряемая в Фарадах
Но одно мы не учли… Сопротивление выводов и пластин не меняется с частотой! Если хорошенько подумать, то на бесконечно высоких частотах сопротивление конденсатора будет равно его ESR? Получается, наш конденсатор превращается в резистор? А как ведет себя резистор в цепи переменного тока? Точнее всего также, как и в цепи постоянного тока: нагревается! Следовательно, на этом резисторе будет рассеиваться мощность P в окружающую среду. И, как вы помните, мощность через сопротивление и силу тока выражается следующей формулой:
I — сила тока, Амперы
R — сопротивление ESR резистора, Омы
Значит, при большем ESR будет большая мощность рассеивания! Иначе говоря, этот резистор хорошенько нагреется.
Поняли, о чем я? 😉
Из сказанного выше можно сделать простой вывод: конденсатор с большим ESR в высокочастотных цепях с большими токами будет нагреваться. Хорошо, пусть греется… Резисторы и микросхемы тоже нагреваются, и ничего страшного! Однако вся проблема заключается в том, что с увеличением температуры конденсатора меняется его емкость! Даже существует такой интересный параметр конденсатора, как ТКЕ или Температурный Коэффициент Емкости. Этот коэффициент показывает, насколько изменяется емкость при изменении температуры. И поскольку емкость «плавающая», то и схема будет «плавать» вместе с ней.
ESR электролитических конденсаторов
Основной параметр ESR, как правило, относится именно к электролитическим конденсаторам. Теряет свои свойства часть электролита, находящегося внутри конденсатора, при его нагреве, что в конечном итоге приводит к изменению емкости конденсатора, что, конечно же, нежелательно. После значительного нагрева конденсатор начинает работать медленее, вздувается и быстро стареет.
У вздувшихся конденсаторов в первую очередь растет параметр ESR, тогда как емкость может в течение некоторого времени оставаться почти номинальной (т.е. соответствующей значению, указанному непосредственно на конденсаторе)
Еще один симптом: если на некоторое время отключить питание (выключить сетевой фильтр или выдернуть из розетки), то затем компьютер снова может включиться несразу, с задержкой. Но если не отключать питание, то компьютер может сразу включаться (но это тоже временно, конечно). Однако бывает так, что конденсаторы не вздулись, а параметр ESR уже в десятки раз превышает норму. Тогда, естественно, их требуется заменить. По опыту это очень распространенная проблема и довольно легко диагностируемая (особенно с помощью многофункционального прибора, производимого китайскими компаниями).
Таблица ESR
Так как я предварительно сказал, проверка на ESR в основном проводится для электролитических конденсаторов, так как они используются в импульсных источниках питания. Ниже приведена небольшая таблица с максимально допустимыми значениями ESR для новых электролитических конденсаторов, в зависимости от их рабочего напряжения:
Как измерить ESR
Давайте проведем измерения ESR наших китайских конденсаторов. Для этого используем многофункциональный R/L/C/Transistor-metr и выполним несколько измерений:
Первым будет конденсатор 22 мкФ х 25 Вольт:
Емкость близка к номиналу. ESR=1,9 Ом. Если сравнить с таблицей, то максимальный ESR=2,1 Ом. Наш конденсатор находится в пределах этого значения. Высокочастотные цепи смогут его использовать без проблем.
Следующий конденсатор — 100 мкФ х 16 Вольт
ESR=0,49 Ом, мы смотрим в таблицу… 0,7 максимальное значение. Значит все в порядке. Можно использовать в Высокочастотных (ВЧ) цепях.
Возьмем конденсатор с большей емкостью — 220 мкФ х 16 Вольт
Максимальное значение ESR для него — 0,33 Ом. У нас же показало 0,42 Ома. Такой конденсатор уже не подходит для частей радиоаппаратуры, работающих на ВЧ. Однако, он подходит для использования в низкочастотных (НЧ) схемах!
Конденсаторы с низким ESR
В нашем стремительно развивающемся обществе электроника все больше основана на высокочастотных (ВЧ) компонентах. Универсальные силовые блоки всё чаще выигрывают у громоздких трансформаторных силовых блоков. Однако радиолюбители, как мы, до сих пор используем самодельные блоки питания из отремонтированных на помойках трансформаторов.
Но поскольку почти все устройства работают в ВЧ-диапазоне, производители радиокомпонентов не остаются в стороне. Они разрабатывают конденсаторы с низким ESR (так называемые LOW ESR), которые отмечены на корпусах конденсаторов.
Некоторые из таких конденсаторов имеют вытянутую форму и часто украшены золотистой полоской:
\
В настоящее время все чаще используется миниатюрные полимерные алюминиевые конденсаторы с низким ESR:
Где же их можно увидеть наиболее часто? Конечно, расположены внутри персонального компьютера. Такие конденсаторы встречаются в блоках питания и на материнских платах.
Наименьшее сопротивление корпусники имеют керамические и SMD-керамические конденсаторы.
Рекомендуемое видео на тему:
Заключение
Есть много вариантов сказать о конденсаторах с ESR. Сейчас производители соревнуются за рынок, предлагая конденсаторы с низким ESR и большой емкостью. Если вы еще не имеете ESR-метра, я рекомендую купить или собрать его. Он будет особенно полезен для ремонта радиоэлектронной аппаратуры. Мультиметр может показывать емкость и ток утечки, но ESR-метр покажет именно внутреннее сопротивление.
Было много случаев, когда аппаратура не работала, хотя все её элементы были исправными. В таких случаях мы просто измеряли сопротивление конденсаторов ESR-метром. После замены дефектных конденсаторов с большим ESR на конденсаторы с низким ESR, аппаратура оживала и работала долго и счастливо.
