Измеритель ESR оксидных конденсаторов.

    Для контроля работоспособности оксидных конденсаторов очень важно знать их параметры.Одним из таких параметров является эквивалентное последовательное сопротивление  ESR  (Equivalent Serial Resistance). Прибор, описанный в данной статье позволяет быстро оценить значение ESR.
 
ESRk
 
 
 
   В упрощенном виде электролитический (оксидный) конденсатор представляет собой две алюминиевые ленточные обкладки, разделенные прокладкой из пористого материала, пропитанного специальным составом – электролитом. Диэлектриком в таких конденсаторах является очень тонкая оксидная пленка, образующаяся на поверхности алюминиевой фольги при подаче на обкладки напряжения определенной полярности. К этим ленточным обкладкам присоединяются проволочные выводы.Ленты сворачиваются в рулон, и все это помещается в герметичный корпус. Благодаря очень малой толщине диэлектрика и большой площади обкладок оксидные конденсаторы при малых габаритах имеют большую емкость.
 
   В процессе работы внутри конденсатора протекают электрохимические процессы, разрушающие место соединения вывода с обкладками. Контакт нарушается, и в результате появляется так называемое переходное сопротивление, достигающее значения десятков ом и более, что эквивалентно включению последовательно с конденсатором резистора, причем последний находится в самом конденсаторе.
 
   Зарядные и разрядные токи вызывают нагрев этого “резистора”,что еще больше усугубляет разрушительный процесс. Другая причина выхода из строя электролитического конденсатора – это известное радиолюбителям “высыхание”, когда из за плохой герметизации происходит испарение электролита. В этом случае возрастает реактивное емкостное (Хс) сопротивление конденсатора, так как емкость последнего уменьшается. Наличие последовательного сопротивления негативно сказывается на работе устройства, нарушая логику работы конденсатора в схеме (eсли включить, например, последовательно с конденсатором фильтра выпрямителя резистор сопротивлением 10...20 Ом, на выходе последнего резко возрастут пульсации выпрямленного напряжения). Особенно сильно сказывается повышенное значение ESR конденсаторов (причем всего до 3...5 Ом) на работе импульсных блоков питания, выводя из строя более дорогостоящие транзисторы или микросхемы.
 
   Принцип работы описываемых измерителей ESR основан на измерении емкостного сопротивления конденсатора, т.е., по сути, это омметр, работающий на переменном токе. Из курса радиотехники известно, что
 
Xс=1/2πfC,  (1)
 
   где Xс – емкостное сопротивление, Ом; f –частота, Гц; С – емкость, Ф. Например, конденсатор емкостью 10 мкФ на частоте 100 кГц будет иметь ёмкостное сопротивление 0,16 Ом, 100 мкФ – 0,016Ом и т.д. В реальном конденсаторе это значение будет несколько выше из за наличия паразитной индуктивности (сопротивления потерь), однако для наших целей особая точность измерений не нужна. Выбор частоты измерения 100 кГц обусловлен тем,что многие фирмы, производящие конденсаторы с низким ESR, максимальный импеданс конденсатора (т.е. ESR) задают именно на этой частоте. Следует отметить, что формула (1) справедлива для переменного тока синусоидальной формы, описываемый же измеритель работает с генератором прямоугольных импульсов. Но нам нужна не точность измерений, а возможность различать конденсаторы с ESR, например 0,5 и 5 Ом. Рассмотрим работу схему измерителя ESR, показанную на рисунке:
 
ESRsh
   На микросхеме DD1 собран генератор прямоугольных импульсов. Из за низкой нагрузочной способности элементов КМОП на выходе генератора в качестве буферного усилителя пришлось включить пару дополнительных ИМС. Реально на плате микросхемы DD2 и DD3 запаяны “ножка в ножку” одна над другой, поэтому конструктивно добавляется как бы одна микросхема – буферный усилитель с 8 ю параллельно включенными инверторами. Потребляемый прибором ток при Uп=3 В составляет примерно 2,5 мА. Частота генерации определяется элементами С1 и R1 и приблизительно равна 100 кГц. Прямоугольные импульсы через разделительный конденсатор С2 и резистор R2 подаются на первичную обмотку повышающего трансформатора Т1. Во вторичную обмотку после выпрямителя на диоде VD1 включен микроамперметр РА1, по шкале которого отсчитывают значение ESR. Конденсатор С3 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. При включении питания стрелка микроамперметра отклоняется на конечную отметку шкалы (добиваются подбором резистора R2).Такое ее положение соответствует значению“бесконечность” измеряемого ESR.
 
   Если подключить исправный оксидный конденсатор параллельно обмотке I трансформатора Т1, то благодаря низкому ёмкостному сопротивлению (помните, при С=10 мкФ,Хс=0,16 Ом на частоте 100 кГц) конденсатор зашунтирует обмотку, и стрелка измерителя приблизится к нулю. При наличии же в измеряемом конденсаторе какого либо из описанных выше дефектов, в нем повышается значение ESR. Часть переменного тока потечет через обмотку, и стрелка будет все меньше отклоняться от значения “бесконечность”. Чем больше ESR, тем больший ток протекает через обмотку и меньший через конденсатор, и тем ближе к положению“бесконечность” находится стрелка. Шкала прибора нелинейная и напоминает шкалу омметра обычного тестера. В качестве измерительной головки можно использовать любой микроамперметр на ток до 500 мкА, хорошо подходят головки от индикаторов уровня записи магнитофонов.
 
   Градуировать шкалу не обязательно, достаточно засечь, где будет находиться стрелка, подключая калибровочные резисторы. Благодаря разделительному повышающему трансформатору напряжение на измерительных щупах прибора не превышает значения 0,05...0,1 В, при котором еще не открываются переходы полупроводниковых приборов. Это дает возможность проверять конденсаторы, не выпаивая их из схемы.
 
   В верхнем положении контактoв переключателя S1; (как показано на схеме) прибор работает как измеритель ESR, истрелка измерительной головки отклоняется под воздействием выпрямленного напряжения генератора. В нижнем же положении контактов переключателя S1 стрелка измерителя отклоняется под воздействием постоянного напряжения источника питания, а измеряемый конденсатор подключают параллельно головке.
   Процедура измерения выглядит так: подключают щупы к измеряемому конденсатору и наблюдают за стрелкой. Допустим, стрелка приблизилась к нулю, по части ESR конденсатор исправен. Переключают S1 в нижнее положение. При исправном конденсаторе стрелка измерительного прибора должна вернуться в положение “бесконечность”, так как конденсаторы не проводят (вернее, не должны проводить) постоянный ток. Пробитый же конденсатор зашунтирует головку,и стрелка измерителя останется в нулевом положении. Отклонения стрелки на конечную отметку шкалы на постоянном токе (в нижнем положении S1) добиваются подбором резистора R3. Для защиты измерительной головки от механических повреждений импульсом разрядного тока (при случайном подключении измерительных щупов к заряженному конденсатору) служат кремниевые диоды VD2, VD3. Заряженный конденсатор будет разряжаться через обмотку I трансформатора Т1.
 
   Детали. Трансформатор Т1 наматывают на ферритовом кольце с внешним диаметром 10...15 мм и магнитной проницаемостью 600...2000 (значения некритичны). Первичная обмотка содержит 10 витков провода ПЭВ 2 диаметром 0,4...0,5 мм, вторичная –200 витков провода ПЭВ 2 диаметром 0,1...0,15 мм. В качестве провода для первичной обмотки идеально подходит монтажный провод марки МГТФ 0,5 или одножильный провод в ПВХ изоляции (“кроссировка”). Диод VD1 обязательно должен быть германиевым, например, типов Д9, Д310, Д311, ГД507. Кремниевые диоды имеют большое пороговое напряжение открывания (0,5...0,7 В), что приведет к сильной нелинейности шкалы прибора в области измерения малых сопротивлений. Германиевые же диоды начинают проводить ток при прямом напряжении 0,1...0,2 В. Налаживание прибора такое же, как и для описанных выше: отклонения стрелки измерителя на конечную отметку шкалы в положении “ESR” переключателя S1 добиваются, вращая движок подстроечного резистора R3, а в положении “Пробой” – движок резистора R4. Достоинством схемы является низкое напряжение питания и малый потребляемый ток. Двух батареек питания хватит на много месяцев работы.
 

   Источник: 
1. Воличенко Г. В., Измеритель ESR оксидных конденсаторов, Радиоматор  2006г., №8, стр. 20.

Вход на сайт