Простейший измеритель ESR электролитических конденсаторов

Что такое ESR (ЭПС)?

Мы уже привыкли к основным параметрам конденсатора: ёмкости и рабочему напряжению. Но в последнее время не менее важным параметром стало его эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС). Что же это такое и на что оно влияет?

Так как ЭПС наиболее сильно влияет на работу алюминиевых электролитических конденсаторов, то в дальнейшем речь пойдёт именно о них. Сейчас мы разберём электролитический конденсатор по косточкам и узнаем, какие же тайны он скрывает.

Любой электронный компонент не идеален. Это относится и к конденсатору. Совокупность его свойств показывает условная схема.

Как видим, реальный конденсатор состоит из ёмкости C, которую мы привыкли видеть на схемах в виде двух вертикальных полос. Далее резистор R_s, который символизирует активное сопротивление проволочных выводов, электролита и контактного сопротивления вывод – обкладка. На фото видно, как проволочные выводы крепятся к обкладкам методом заклёпочного соединения.

Так как любой, даже очень хороший диэлектрик имеет определённое сопротивление (до сотен мегаом), то параллельно обкладкам изображается резистор Rp. Именно через этот «виртуальный» резистор течёт так называемый ток утечки. Естественно, никаких резисторов внутри конденсатора нет. Это лишь для наглядности и удобного представления.

Из-за того, что обкладки у электролитического конденсатора скручиваются и устанавливаются в алюминиевый корпус, образуется индуктивность L.

Свои свойства эта индуктивность проявляет лишь на частотах выше резонансной частоты конденсатора. Приблизительное значение этой индуктивности – десятки наногенри.

Итак, из всего этого выделим то, что входит в ЭПС электролитического конденсатора:

• Сопротивление электролита. Вносит основную долю в величину ЭПС. Увеличивается из-за испарения растворителя и изменения химического состава электролита вследствие взаимодействия его с металлическими обкладками. Идеальная формула электролита пока не найдена, поэтому до сих пор аппаратуру выкашивает «конденсаторная чума» (англ. «Capacitor plague»);

• Сопротивление, которое вызвано потерями в диэлектрике из-за его неоднородности, примесей и наличия влаги;

• Омическое сопротивление проволочных выводов и обкладок. Активное сопротивление проводов;

• Контактное сопротивление между обкладками и выводами.

Все эти факторы суммируются и образуют сопротивление конденсатора, которое и назвали эквивалентным последовательным сопротивлением – сокращённо ЭПС, а на зарубежный манер ESR (Equivalent Serial Resistance).

Как известно, электролитический конденсатор в силу своего устройства может работать только в цепях постоянного и пульсирующего тока из-за своей полярности. Собственно, его и применяют в блоках питания для фильтрации пульсаций после выпрямителя. Запомним эту особенность конденсатора – пропускать импульсы тока.

А если ESR – это, по сути, сопротивление, то на нём при протекании импульсов тока будет выделятся тепло. Вспомните о мощности резистора. Таким образом, чем больше ЭПС – тем сильнее будет греться конденсатор.

Нагрев электролитического конденсатора – это очень плохо. Из-за нагрева электролит начинает закипать и испаряться, конденсатор вздувается. Наверное, уже замечали на электролитических конденсаторах защитную насечку на верхней части корпуса.

При длительной работе конденсатора и повышенной температуре внутри его электролит начинает испаряться, и давить на эту насечку. Со временем давление внутри возрастает настолько, что насечка разрывается, высвобождая газ наружу.

«Хлопнувший» конденсатор на плате блока питания (причина — превышение допустимого напряжения)

Защитная насечка также предотвращает (или ослабляет) взрыв конденсатора при превышении на его обкладках допустимого рабочего напряжения или при переполюсовке – подаче на него напряжения обратной полярности.

На практике бывает и наоборот – давление выталкивает изолятор со стороны выводов. Далее на фото показан конденсатор, который высох. Ёмкость его снизилась до 106 мкФ, а ESR при измерении составило 2,8Ω, тогда как нормальное значение ESR для нового конденсатора с такой же ёмкостью лежит в пределах 0,08 – 0,1Ω.

Электролитические конденсаторы выпускают на разную рабочую температуру. У алюминиевых электролитических конденсаторов нижняя граница температуры начинается с — 60°С, а верхняя ограничена +155°С. Но в большинстве своём такие конденсаторы рассчитаны на работу в температурном диапазоне от -25°С до 85°С и от -25°С до 105°С. На этикетке иногда указывается только верхний температурный предел: +85°С или +105°С.

Наличие ЭПС в реальном электролитическом конденсаторе влияет на его работу в высокочастотных схемах. И если для обычных конденсаторов это влияние не столь выражено, то вот для электролитических конденсаторов оно играет весьма важную роль. Особенно это касается их работы в цепях с высоким уровнем пульсаций, когда протекает существенный ток, и за счёт ESR выделяется тепло.

Взгляните на фото.

Вздувшиеся электролитические конденсаторы (причина — длительная работа при повышенной температуре)

Это материнская плата персонального компьютера, который перестал включаться. Как видим, на печатной плате рядом с радиатором процессора расположено четыре вздувшихся электролитических конденсатора. Длительная работа при повышенной температуре (внешний нагрев от радиатора) и приличный срок эксплуатации привёл к тому, что конденсаторы «хлопнули». Виной тому – нагрев и ESR. Плохое охлаждение отрицательно сказывается не только на работе процессоров и микросхем, но, как оказывается, и на электролитических конденсаторах!

Снижение температуры окружающей среды на 10°C продлевает срок службы электролитического конденсатора почти вдвое.

Аналогичная картина наблюдается в отказавших блоках питания ПК – электролитические конденсаторы также вздуваются, что приводит к просадке и пульсациям напряжения питания.

Неисправные конденсаторы в БП ПК ATX (причина — низкое качество конденсаторов)

Нередко из-за длительной работы импульсные блоки питания точек доступа, роутеров Wi-Fi, всевозможных модемов также выходят из строя по причине «хлопнувших» или потерявших ёмкость конденсаторов. Не будем забывать, что при нагреве электролит высыхает, а это приводит к снижению ёмкости. Пример из практики я описывал здесь.

Из всего сказанного следует, что электролитические конденсаторы, работающие в высокочастотных импульсных схемах (блоки питания, инверторы, преобразователи, импульсные стабилизаторы) работают в довольно экстремальных условиях и выходят из строя чаще. Зная это производители выпускают специальные серии конденсаторов с низким ESR и низким импедансом. На таких конденсаторах, как правило, присутствует надпись Low ESR или Low Impedance (Low Imp). Что, соответственно, означает, – низкое ЭПС, низкий импеданс. Также существуют серии с ультранизким ЭПС и ультранизким импедансом (Ultra Low ESR, Ultra Low Impedance).

Известно, что конденсатор обладает ёмкостным или реактивным сопротивлением, которое снижается с ростом частоты переменного тока.

Таким образом, с ростом частоты переменного тока, реактивное сопротивление конденсатора будет падать, но только до тех пор, пока оно не приблизится к величине эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). Его то и необходимо измерить. Поэтому многие приборы – измерители ESR (ESR-метры) измеряют ЭПС на частотах в несколько десятков – сотен килогерц. Это необходимо для того, чтобы «убрать» величину реактивного сопротивления из результатов измерения.

Стоит отметить, что на величину ESR конденсатора влияет не только частота пульсаций тока, но и напряжение на обкладках, температура окружающей среды, качество изготовления. Поэтому однозначно сказать, что ESR конденсатора, например, равно 3 омам, нельзя. На разной рабочей частоте величина ESR будет разной.

ESR-метр

При проверке конденсаторов, особенно электролитических, стоит обращать внимание на величину ESR. Для тестирования конденсаторов и измерения ESR существует немало серийно выпускаемых приборов. На фото универсальный тестер радиокомпонентов (LCR-T4 Tester) функционал которого поддерживает замер ESR конденсаторов.

В радиотехнических журналах можно встретить описания самодельных приборов и приставок к мультиметрам для измерения ESR. В продаже можно найти и узкоспециализированные ESR-метры, которые способны измерять ёмкость и ЭПС без выпайки конденсаторов из платы, а также разряжать их перед этим с целью защиты прибора от повреждения высоким остаточным напряжением. К таким приборам относятся, например, такие как ESR-micro v3.1, ESR-micro V4.0s, ESR-micro v4.0SI.

При ремонте электроники приходится часто менять электролитические конденсаторы. При этом для оценки их качества измеряются такие параметры, как ёмкость и ESR. Чтобы было с чем сравнивать, была составлена таблица ESR, в которой указано ЭПС новых электролитических конденсаторов разных ёмкостей. Данную таблицу можно использовать для оценки пригодности того или иного конденсатора для дальнейшей службы. Но, с одной оговоркой…

Не стоит забывать о том, что «эталонные» данные по величине ESR приводятся в даташитах на конкретную серию конденсаторов. Так что, иногда лучше свериться с информацией, полученной «из первых рук». Здесь лишь следует учесть то, что производители для замера ESR могут использовать иное оборудование, чем вы, и, поэтому, итоговые показания всё равно будут отличаться, пусть, и незначительно.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

• Свойства электролитических конденсаторов.

• Правильное соединение конденсаторов.

• Как узнать ёмкость конденсатора по его маркировке?

в Лига Радиолюбителей1 год назад

Всем привет, после моего поста про ремонт монитора мне начали задавать вопросы, мол с чего я решил, что поменянные конденсаторы неисправны? Ну что же, приступим.

Сегодня я буду рассматривать три конденсатора на 25в, два из которых на 1000мкф и один на 470мкф. Один конденсатор вздутый, второй внешне целый (как раз из поста про монитор), а один абсолютно новый. Вот они слева направо: новый, целый, но дохлый и вздутый

Проверять конденсаторы будем на ESR метре, вот таком:

При замере показаний будем руководствоваться таблицей ESR, которую я нашел в яндекс картинках.

Первый клиент: вздутый конденсатор 25в 1000мкф. Согласно таблице, его ESR должен быть равен 0.08 Ом. На практике допустимы и немного большие значения. Вздутый электролитический конденсатор показал нам ESR 1.4 Ом, 347 мкф (вместо заявленных 1000 мкф) и 9% потерь. Однозначно трупик.

Теперь давайте проверим конденсатор из прошлого поста. Напомню, с виду он целый, но монитор выключался после нескольких часов работы и более не включался. Этот кондёр на 25в 470 мкф и согласно таблице его ESR должен быть в районе 0.12 Ом. На практике его ESR оказался аж 1 Ом, процент потерь = 3.7, да и емкость меньше заявленной. Всего 409.2 мкф.

Теперь давайте проверим новый конденсатор на 25в 1000мкф. Напомню, что его ESR должен быть в пределах 0.08 Ом. Тестер показал нам 0.19 Ом, 0.9% потерь напряжения. Ёмкость даже немного выше заявленной, целых 1020 мкф.

Читайте меня в Zen

P.S. Баянометр показал целых две бабы с сиськами

ESR  – оно же эквивалентное последовательное сопротивление – это очень важный параметр конденсаторов. Для чего он нужен и как его определить, об этом мы как раз и поговорим в нашей статье.

Реальные параметры конденсатора

Думаю, все вы в курсе, что в нашем бесшабашном мире нет ничего идеального. То же самое касается и электроники. Радиоэлементы, каскады, радиоузлы также частенько дают сбои. Можно даже вспомнить недавнюю историю с космическим кораблем “Прогресс”. Сбой какого-то узла повлек гибель целого гиганта космической отрасли. Даже простой, на первый взгляд, радиоэлемент конденсатор, имеет в своем составе не только емкость, но и другие паразитные параметры. Давайте рассмотрим схему, из чего все-таки состоит наш реальный конденсатор?

где

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 простой безобидный конденсатор, особенно электролитический. Рассмотрим эти параметры более подробно:

r – сопротивление диэлектрика. Диэлектриком может быть электролит в электролитических конденсаторах, бумага или еще какая-нибудь дрянь). Также между выводами конденсатора находится его корпус. Он тоже обладает каким-то сопротивлением и тоже сделан из диэлектрика и относится сюда же.

С – емкость конденсатора, которая написана на самом конденсаторе плюс-минус некоторые отклонения, связанные с погрешностью.

ESI(ESL) – последовательная индуктивность – это собственная индуктивность обкладок и выводов. На низких частотах можно не учитывать. Почему? Читаем статью катушка индуктивности в цепи постоянного и переменного тока.

Где “прячется” ESR в конденсаторе

ESR представляет из себя сопротивление выводов и обкладок

Как вы знаете, сопротивление проводника можно узнать по формуле:

где

ρ – это удельное сопротивление проводника

l – длина проводника

S – площадь поперечного сечения проводника

Так что можете посчитать приблизительно сопротивление выводов конденсатора и заодно его обкладок 😉 Но, конечно же, так никто не делает. Для этого есть специальные приборы, которые умеют замерять этот самый параметр. Например, мой прибор с Алиэкспресса, который я недавно приобрел.

Почему вредно большое значение ESR

Раньше, еще когда только-только стали появляться первые электронные схемы, такой параметр, как ESR даже ни у кого не был на слуху. Может быть и знали, что есть это сопротивление, но оно никому не вредило. Но… с появлением первых импульсных блоков питания все чаще стали говорить о ESR. Чем же столь безобидное сопротивление не понравилось импульсным блокам питания?

На нулевой частоте (постоянный ток) и низких частотах, как вы помните из статьи конденсатор в цепи постоянного и переменного тока, конденсатор сам оказывает большое сопротивление электрическому току. В этом случае какие-то паразитные доли Ома сопротивления ESR не будут влиять на параметры электрической цепи. Все самое интересное начинается тогда, когда конденсатор работает в высокочастотных цепях (ВЧ).

Мы с вами знаем, что конденсатор пропускает через себя переменный ток. И чем больше частота, тем меньше сопротивление самого конденсатора. Вот вам формула, если позабыли:

где, Х_С  – это сопротивление конденсатора, Ом

П – постоянная и равняется приблизительно 3,14 

F – частота, измеряется в Герцах

С – емкость,  измеряется в Фарадах

Но, одно то мы не учли… Сопротивление выводов и пластин с частотой не меняется! Так… и если пораскинуть мозгами, то получается, что на бесконечной частоте сопротивление конденсатора будет равняться его ESRу? Получается, наш конденсатор превращается в резистор? А как ведет себя резистор в цепи переменного тока? Да точно также как и в цепи постоянного тока: греется! Следовательно на этом резисторе будет рассеиваться мощность P в окружающую среду. А как вы помните, мощность через сопротивление и силу тока выражается формулой:

P=I²xR

где

I – это сила тока, в Амперах

R – сопротивление резистора ESR, в Омах

Значит, если ESR будет больше, то и мощность рассеивания тоже будет больше! То есть этот резистор будет хорошенько нагреваться.

Догоняете о чем я вам толкую? 😉

Из всего выше сказанного можно сделать простенький вывод: конденсатор с большим ESR в высокочастотных цепях с большими токами будет нагреваться. Ну да ладно, пусть себе греется… Резисторы и микросхемы тоже ведь греются и ничего! Но весь косяк заключается в том, что с увеличением температуры конденсатора меняется и его емкость! Есть даже такой интересный параметр конденсатора,  как ТКЕ или Температурный Коэффициент Емкости. Этот коэффициент показывает, насколько поменяется емкость при изменении температуры. А раз уже “плавает” емкость, то вслед за ней “плывет” и схема.

ESR электролитических конденсаторов

В основном параметр ESR касается именно электролитических конденсаторов. Электролит, который там есть, теряет часть своих свойств при нагреве и конденсатор меняет свою емкость, что, конечно же, нежелательно. После приличного нагрева конденсатор начинает тупить, вздувается и быстро стареет.

У вздувшихся конденсаторов в первую очередь как раз ESR и растёт, тогда как ёмкость до определённого времени может оставаться практически номинальной ( ну той, которая написана на самом конденсаторе)

Чаще всего они вспухают в импульсных блоках питания и на материнках, обычно рядом с процессором (там выше на них нагрузка, да и тепло от процессора, вероятно, свою роль играет). Один из характерных симптомов: техника (комп, монитор) начинает включаться всё хуже и хуже. Либо с паузой (до нескольких часов после включения в сеть), либо с -дцатой попытки.

Ещё симптом: если отрубить питание на некоторое время (сетевой фильтр выключить, или из розетки выдернуть) – то снова начинает включаться не с первой попытки, или после паузы. А если не выключать питание, то комп может включаться сразу (но это тоже до поры, до времени, разумеется). Но бывает, что конденсаторы не вспухли, а ESR уже в десятки раз выше нормы. Тогда, понятно, заменяем. По опыту – очень частая проблема. И весьма легко диагностируемая (особенно, при наличии чудо-приборчика от китайских товарищей).

Таблица ESR

Как я уже сказал, ESR в основном проверяют именно у электролитических конденсаторов, потому что они используются в импульсных блоках питания. Вот небольшая табличка для максимально допустимых значений ESR для новых электролитических конденсаторов в зависимости от их рабочего напряжения:

Как измерить ESR

Давайте замеряем некоторые наши китайские конденсаторы на ESR. Для этого берем наш многофункциональный универсальный R/L/C/Transistor-metr и проведем несколько замеров:

Первым в бой идет конденсатор на 22 мкФ х 25 Вольт:

Емкость близка к номиналу. ESR=1,9 Ом. Если посмотреть по табличке, то максимальный ESR=2,1 Ом. Наш конденсатор вполне укладывается в этот диапазон. Значит его можно использовать в высокочастотных цепях.

Следующий конденсатор 100 мкФ х 16 Вольт

ESR=0,49 Ом, смотрим табличку… 0,7 максимальный. Значит тоже все ОК. Можно тоже использовать в ВЧ цепях.

И возьмем конденсатор емкостью побольше 220 мкФ х 16 Вольт

Максимальный ESR для него 0,33 Ом. У нас же высветило 0,42 Ома. Такой конденсатор уже не пойдет в ВЧ часть радиоаппаратуры. А в простые схемки, где гуляют низкие частоты (НЧ)  сгодится в самый раз! ;-).

Конденсаторы с низким ESR

В нашем бурно-развивающемся мире электроника все больше строится именно на ВЧ части. Импульсные блоки питания почти полностью одержали победу над громоздкими трансформаторными блоками питания. Это мы, радиолюбители, до сих пор пользуемся самопальными блоками питания, сделанные из трансформаторов, которые нашли на помойке.

Но раз почти вся техника уходит в ВЧ диапазон, то и разработчики радиокомпонентов тоже не спят. Они создают  конденсаторы, у которых низкий ESR и называются такие конденсаторы LOW ESR, что значит кондеры с низким ESR. На некоторых это пишут прямо на корпусе:

Отличительной чертой таких конденсаторов является то, что они вытянуты в длину. Также, по моим наблюдениям, на них чаще всего есть полоска золотого цвета:

Сейчас все чаще используют миниатюрные полимерные алюминиевые конденсаторы с низким ESR:

Где же их можно чаще всего увидеть?  Конечно же, разобрав свой персональный компьютер. Можно найти их в блоке питания, а также на  материнской плате компьютера.

На фото ниже мы видим материнскую плату компа , которая сплошь утыкана  конденсаторами с LOW ESR, некоторые из них я отметил в красном прямоугольнике:

Самым маленьким ESR обладают керамические и SMD-керамические конденсаторы

Заключение

Ну что еще можно сказать про ESR? В настоящее время идет битва среди производителей за рынок. Кто предложит конденсатор с минимальным ESR и хорошей емкостью, тот молоток ;-). Не поленитесь также купить или собрать прибор ESR-метр. Особенно он будет очень актуален для ремонтников радиоэлектронной аппаратуры. Мультиметр может показать вам емкость и ток утечки, но вот внутреннее сопротивление покажет именно ESR-метр.

Бывало очень много случаев, когда аппаратура ну никак не хотела работать, хотя все элементы в ней были целые. В этом случае просто замеряли ESR-метром конденсаторы и выявляли их сопротивление. После замены дефектных конденсаторов  с большим ESR на конденсаторы с низким ESR (LOW ESR), аппаратура оживала и работала долго и счастливо.

Используемые источники:

• https://go-radio.ru/esr-kondensatora.html
• https://pikabu.ru/story/dazhe_nevzdutyiy_kondyor_mozhet_okazatsya_neispravnyim_proveryaem_kondensatoryi_na_esrmetre_6509973
• https://www.ruselectronic.com/ekvivalentnoe-posledovatelnoe-soprotivlenie-kondensatora-esr/