Эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора. Измерение эпс (esr) конденсаторов Нормы esr для конденсаторов

Электролитический конденсатор - необходимая в хозяйстве радиолюбителя вещь. Часто оказывается, что нету под рукой столь нужной маленькой копеечной детальки - из-за такой ерунды приходится ехать в магазин. В целях избежать такой ситуации решил обзавестись такой коробочкой.

Сама коробочка продается в этом магазине - - стоит 2.2$ Так что наш восточный сосед насыпал нам кучку конденсаторов на 3$. Очень неплохая цена для 200 конденсаторов. В конце концов содержимое можно отдать (выкинуть, разобрать в познавательных целях, бусы сплести и т.д.) - а в коробочку в 15 ячеек что-то положить.

Дошло все за 2 недели внезапно.

Фото упаковки (в пленке была)

Размеры:




Есть вешалка на гвоздь:-)

В коробке находятся 200 электролитических конденсатора таких номиналов:


От транспортировки конденсаторы в коробочке почти не перемешались. Чтобы не путаться, я подписал номиналы (почему продавец так не делает сам - не понятно)


Измерения конденсаторов проводил популярным тут тестером (версия в коробочке)

Прибор измеряет емкость, ESR, Vloss. С емкостью более менее все понятно.
Описание Vloss стырил отсюда - :

… он косвенно указывает на уровень утечки конденсатора. Как известно, реальный конденсатор имеет сопротивление диэлектрика между обкладками. Благодаря этому сопротивлению конденсатор медленно разряжается из-за, так называемого, тока утечки.

Так вот, при заряде конденсатора коротким импульсом тока напряжение на его обкладках достигает определённого уровня. Но, как только заряд конденсатора прекращается, напряжение на заряженном конденсаторе падает на очень небольшую величину. Разность между максимальным напряжением на конденсаторе и тем, что наблюдается после завершения заряда и выражают как Vloss. Чтобы было удобней, Vloss выражают в процентах.

Т.е. если он меньше 5% значит все ок.

Про ESR (ЭПС) - Equivalent series resistance(эквивалентное последовательное сопротивление) - тут можно почитать про параметр и способ измерения - .

Определяют по таблице:


Для маленьких емкостей до 5 Ом. Если сильно больше номинала таблицы - то такой кондер лучше выкинуть.

Пациент №1
0.1мкФ; 50В; 4х7 мм; 15 штук; Фирма NCK

Пациент №2
0.22 мкФ; 50 В; 15 штук; 5х11 мм; фирма Chang

ESR должен быть 5. Тут скорее всего прибор не умеет мерить нормально на маленьких емкостях.

Пациент №3
0.47 мкФ; 50 В; 15 штук; 5х11 мм; фирма Chang

ESR должен быть 5.Тут скорее всего прибор не умеет мерить нормально на маленьких емкостях.

Пациент №4
1 мкФ; 50 В; 15 штук; 5х11 мм; фирма Chang

ESR по таблице должен быть 4.5. Тут скорее всего прибор не умеет мерить нормально на маленьких емкостях

Пациент №5
2.2 мкФ; 50 В; 15 штук; 5х10 мм; фирма Chang

ESR по таблице должен быть 4.5 Тут скорее всего прибор не умеет мерить нормально на маленьких емкостях

Пациент №6
3.3 мкФ; 50 В; 15 штук; 5х10 мм; фирма Chang

ESR по таблице должен быть 4.7 Тут скорее всего прибор не умеет мерить нормально на маленьких емкостях

Пациент №7
4.7 мкФ; 50 В; 15 штук; 5х11 мм; фирма Chang

ESR по таблице должен быть 3.0 Тут скорее всего прибор не умеет мерить нормально на маленьких емкостях

Пациент №8
10 мкФ; 25 В; 15 штук; 5х11 мм; фирма Chang


ESR по таблице должен быть 5.3 Тут все ок с ESR

Пациент №9
22 мкФ; 25 В; 15 штук; 5х10 мм; фирма Chang

Что-то судя по таблице пичально тут с ESR

Пациент №10
22 мкФ; 16 В; 15 штук; 5х11 мм; фирма Chang

ESR по таблице должен быть 3.6 Тут с ESR все ок

Пациент №11
47 мкФ; 16 В; 10 штук; 5х10 мм; фирма Jackcon

По таблице ESR должен быть около 1. Сами все видите.

Пациент №12
47 мкФ; 25 В; 10 штук; 5х10 мм; фирма Chang

По таблице ES

Что такое ESR?

Теория

ESR - Equivalent Series Resistance - один из параметров конденсатора, характеризующий его активные потери в цепи переменного тока. В эквиваленте его можно представить, как включенный последовательно с конденсатором резистор, сопротивление которого определяется, главным образом, диэлектрическими потерями, а так же сопротивлением обкладок, внутренних контактных соединений и выводов конденсатора. В русскоязычной аббревиатуре - Эквивалентное Последовательное Сопротивление - ЭПС .

Потери в диэлектрике, обусловленные особенностями его поляризации, составляют основную часть потерь в конденсаторе и определяются материалом, а так же толщиной слоя диэлектрика. В электролитических конденсаторах значимой частью ESR является сопротивление жидкого электролита, который используется в качестве составляющей одной из обкладок для обеспечения максимальной площади соприкосновения с диэлектриком. Если сопротивление электролита в конденсаторе рассмотреть как проводник с поперечным сечением, равным площади одной из обкладок и длиной проводника, приблизительно равной толщине пропитанной бумаги, можно предположить, что эта величина будет относительно небольшой. В реальных конденсаторах средних размеров типовое значение составит 0.01Ом при 20°C. Но, следует учитывать, что для конденсаторов большой ёмкости, используемых в фильтрах выпрямителей ИИП на рабочей частоте порядка 100кГц, когда его реактивное сопротивление измеряется тысячными долями Ома, эта величина будет составлять достаточно большие потери. Величина диэлектрических потерь на таких частотах в электролитических конденсаторах фильтров ИИП обычно в несколько раз больше, и лишь в самых лучших случаях может быть примерно равна и даже меньше потерь в электролите.

Сопротивление электролита существенно зависит от температуры по причине изменения степени его вязкости и подвижности ионов. В процессе работы происходит нагрев диэлектрика и электролита переменным током, в связи с чем может существенно уменьшаться сопротивление электролита, тогда ESR конденсатора будет определяться, главным образом, его диэлектрическими потерями. В случаях разогрева до температуры кипения, электролит утрачивает свои первоначальные свойства и при последующем охлаждении становится более вязким, что значительно повышает его сопротивление. Дальнейшая эксплуатация будет вызывать ещё больший разогрев и ухудшение качества электролита, что в последствии приведёт к непригодности конденсатора для дальнейшей работы в устройстве. Обычно неисправные электролитические конденсаторы, в которых кипел электролит, определяются визуально по вздувшемуся и разгерметизированному корпусу.

Для надёжности работы электролитических конденсаторов очень важен правильный выбор его типа, номинала и максимального напряжения в зависимости от режимов. Для фильтров преобразователей, работающих на частотах десятков килогерц, производители выпускают специальные конденсаторы с малым ESR и указывают полное сопротивление переменному току (импеданс Z) для всех номиналов в таблицах. Тип таких конденсаторов сопровождается пометкой в технической документации - Low impedance или Low ESR .

Практика

Электролитические конденсаторы это навереное единственные электронные элементы, которые страдают от высыхания. Если у вас есть любые электронные устройства, которые на протяжении многих лет работали, но вдруг перестали исправно функционировать, имеются хорошие шансы, что один или несколько электролитических конденсаторов внутри него деградировали и стали причиной проблемы. Электролитические конденсаторы выходят из строя несколькими способами: они могут стать электрически проводящие, вызывая постоянный ток через них, что может даже их взорвать. Они могут уменьшаться в величине емкости. Но наиболее часто увеличивается их эквивалентное последовательное сопротивление, которое является очень нежелательным.

ESR электролитического конденсатора обычно составляет доли Ом для конденсаторов низкого напряжения (таких как 1000µF, 16V), и может быть два или три Ома для малой емкости и высокого рабочего напряжения (1uF, 450V). Когда конденсатор стареет, это сопротивление возрастает, и часто из-за этого оборудование полностью прекращает функционировать. Очень часто конденсаторы увеличивают сопротивление ESR до 100 раз от их нормального сопротивления, в то время как их емкость остается хорошей! На измерении емкости они покажут близкое к правильному значение, но они уже не годные! Для анализа состояния конденсатора применяются измерители и пробники ESR. ESR-метр может проверить конденсаторы, даже когда они находятся в цепи. Соединенные параллельно с ним другие детали будут иметь минимальное влияние на измерение. Сколько примерно должен иметь сопротивления тот или иной исправный конденсатор - смотрите в таблице . Таковы особенности, которые делают ESR-метр незаменимым прибором для диагностики и ремонта электронного оборудования.

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 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 - 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 .

ESR - Equivalent Series Resistance - один из параметров конденсатора, характеризующий его активные потери в цепи переменного тока. В эквиваленте его можно представить, как включенный последовательно с конденсатором резистор, сопротивление которого определяется, главным образом, диэлектрическими потерями, а так же сопротивлением обкладок, внутренних контактных соединений и выводов конденсатора. В русскоязычной аббревиатуре - Эквивалентное Последовательное Сопротивление - ЭПС.

Потери в диэлектрике, обусловленные особенностями его поляризации, составляют основную часть потерь в конденсаторе и определяются материалом, а так же толщиной слоя диэлектрика.

Поляризация - ограниченное смещение связанных зарядов диэлектрика в электрическом поле.

Рассматривать детально процессы всех видов поляризации здесь нет необходимости, но вкратце это можно пояснить следующим образом:
Частицы диэлектрика, обладающие зарядом, под воздействием переменного электрического поля вынуждены совершать непроизвольные механические колебания, обусловленные их переориентацией и смещением (поляризацией).
В слоях диэлектрика, близких к обкладкам, заряды, не покидая своих связей, активно участвуют в общем процессе перезаряда конденсатора. По сути уменьшается толщина реального диэлектрика. В результате существенно повышается ёмкость конденсатора но, по причине инертности и внутреннего трения связанных частиц, процессы сопровождаются выделением тепла и потерями энергии в токопроводящих слоях диэлектрика.
С увеличением частоты, диэлектрические потери пропорционально возрастают.

В результате угол сдвига фаз между током и напряжением составит не 90°, как в идеальном конденсаторе, а несколько меньше.
Тангенс угла δ , составляющего эту разницу с 90°, называют тангенсом угла диэлектрических потерь.
Аналогичный сдвиг происходит в цепи при последовательном включении конденсатора и резистора. В связи с этим для расчётов принято понятие последовательного эквивалентного сопротивления ESR, в котором диэлектрические потери суммируются с активным сопротивлением обкладок, соединений и выводов, представляя собой по сути резистор, подключенный последовательно с конденсатором.

Тангенс угла потерь определится соотношением R/Xc , как тригонометрическая функция отношения двух катетов треугольника сопротивлений, показанного на рисунке выше.

В электролитических конденсаторах значимой частью ESR является сопротивление жидкого электролита, который используется в качестве составляющей одной из обкладок для обеспечения максимальной площади соприкосновения с диэлектриком.
Если сопротивление электролита в конденсаторе рассмотреть как проводник с поперечным сечением, равным площади одной из обкладок и длиной проводника, приблизительно равной толщине пропитанной бумаги, можно предположить, что эта величина будет относительно малой. В реальных конденсаторах она обычно соизмерима с сотыми долями Ома при 20°C.
Но, следует учитывать, что для конденсаторов большой ёмкости, используемых в фильтрах выпрямителей ИИП на рабочей частоте порядка 100 кГц, когда его реактивное сопротивление измеряется тысячными долями Ома, эта величина может составлять основные потери, но будет значительно уменьшаться по мере прогрева.
Величина диэлектрических потерь на таких частотах в электролитических конденсаторах фильтров ИИП обычно в несколько раз больше, и лишь в самых лучших случаях может быть примерно равна и даже меньше потерь в электролите.

Сопротивление электролита существенно зависит от температуры по причине изменения степени его вязкости и подвижности ионов.

В процессе работы происходит нагрев диэлектрика и электролита переменным током, в связи с чем существенно уменьшается сопротивление электролита, тогда ESR конденсатора будет определяться, главным образом, его диэлектрическими потерями.
В случаях разогрева до температуры кипения, электролит утрачивает свои первоначальные свойства и при последующем охлаждении становится более вязким, что значительно повышает его сопротивление. Дальнейшая эксплуатация будет вызывать ещё больший разогрев и ухудшение качества электролита, что в последствии приведёт к непригодности конденсатора для дальнейшей работы в устройстве.
Обычно неисправные электролитические конденсаторы, в которых кипел электролит, определяются визуально по вздувшемуся и разгерметизированному корпусу.

Для надёжности работы электролитических конденсаторов очень важен правильный выбор его типа, номинала и максимального напряжения в зависимости от режимов.
Для фильтров преобразователей, работающих на частотах десятков или сотен килогерц, производители выпускают специальные конденсаторы с малым ESR и указывают полное сопротивление переменному току (импеданс Z) для всех номиналов в таблицах.
Тип таких конденсаторов сопровождается пометкой в технической документации - Low impedance или Low ESR.

Для анализа состояния конденсатора применяются измерители и пробники ESR, которые могут быть выполнены исходя из разных принципов измерений и требований к погрешностям. Большая часть ESR-метров и пробников основана на принципе измерения импеданса.
Подробнее о способах измерения можно ознакомиться на страничке - измерение ESR .

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!