ИЗМЕРИТЕЛЬ ESR

Для проверки конденсаторов, решил собрать так называемый "измеритель ESR”. Ведь с испытанием диодов и резисторов проблем не возникает, а вот с конденсаторами сложнее. Как известно, ESR - это сокращение от Equivalent Serial Resistance, - означает "эквивалентное последовательное сопротивление”. Объясним проще. В упрощенном виде электролитический конденсатор представляет собой две алюминиевые ленточные обкладки, разделенные прокладкой из пористого материала, пропитанного электролитом (отсюда и название электролитический). 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, который находится в самом конденсаторе. Зарядные и разрядные токи вызывают нагрев этого "резистора”, что еще больше усиливает разрушительный процесс. Другая причина выхода из строя электролитического конденсатора - это "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. (Если включить, например, последовательно с конденсатором фильтра выпрямителя резистор сопротивлением десяток Ом, на выходе последнего резко возрастут пульсации выпрямленного напряжения). Особенно сильно сказывается повышенное значение ESR конденсаторов (причем всего до пары Ом) на работе импульсных блоков питания.

Принцип работы данного измерителей ESR основан на измерении емкостного сопротивления конденсатора, т.е., по сути, это омметр, работающий на переменном токе.

Как известно, Xс=1/2πfC , где

Xс - емкостное сопротивление, Ом;
f - частота, Герц;
С - емкость, Фарад.

На микросхеме DD1 собран генератор прямоугольных импульсов (элементы D1.1, D1.2), буферный усилитель (элементы D1.3, D1.4) и усилительный каскад на транзисторах. Частота генерации определяется элементами С1 и R1 и равна 100 кГц. Прямоугольные импульсы через разделительный конденсатор С2 подаются на первичную обмотку повышающего трансформатора Т1. Во вторичную обмотку после выпрямителя на диоде включен микроамперметр, 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 емкостному сопротивлению конденсатор зашунтирует обмотку, и стрелка измерителя приблизится к нулю. При наличии же в измеряемом дефекта, 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.

Трансформатор наматывают на ферритовом кольце с внешним диаметром 10...15 мм. Первичная обмотка содержит 10 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,5 мм, вторичная - 200 витков ПЭВ-2 диаметром 0,1 мм. Диод обязательно должен быть германиевым, например Д9, Д310, Д311, ГД507. Кремниевые диоды имеют большое пороговое напряжение открывания (0,5...0,7 В), что приведет к сильной нелинейности шкалы измерителя в области измерения малых сопротивлений. Градуируют измеритель ESR с помощью нескольких резисторов сопротивлением 1 Ом. Замкнув щупы, отмечают, где будет нулевая отметка шкалы. Из-за наличия сопротивления в соединительных проводах, она может не совпадать с положением стрелки при выключенном питании. Поэтому провода, идущие к щупам, должны быть по возможности короткими. Далее подключают два параллельно соединенных резистора на 1 Ом и отмечают положение стрелки, соответствующее измеряемому сопротивлению 0,5 Ом. Затем подключают резисторы на 1, 2, 3, 5 и 10 Ом и отмечают положения стрелки при измерении этих сопротивлений. На этом можно остановиться, так как электролитические конденсаторы емкостью более 4,7 мкФ с ESR больше 10 Ом хотя и могут работать, но уже не долго:)

ESR метр своими руками . Есть широкий перечень поломок аппаратуры, причиной которых как раз является электролитический . Главный фактор неисправности электролитических конденсаторов, это знакомое всем радиолюбителям «высыхание», которое возникает по причине плохой герметизации корпуса. В данном случае увеличивается его емкостное или, иначе говоря, реактивное сопротивление в следствии уменьшения его номинальной емкости.

Помимо этого, в ходе работы в нем проходят электрохимические реакции, которые разъедают точки соединения выводов с обкладками. Контакт ухудшается, в итоге образуется «контактное сопротивление», доходящее иногда до нескольких десятков Ом. Это точно также, если к исправному конденсатору последовательно подключить резистор, и к тому же этот резистор размещен внутри него. Такое сопротивление еще именуют «эквивалентное последовательное сопротивление» или же ESR.

Существование последовательного сопротивления отрицательно влияет на работу электронных устройств, искажая работу конденсаторов в схеме. Чрезвычайно сильное влияние оказывает повышенное ESR (порядка 3…5 Ом) на работоспособность , приводя к сгоранию дорогих микросхем и транзисторов.

Ниже в таблице приведены средние величины ESR (в миллиоммах) для новых конденсаторов различной емкости в зависимости от напряжения, на которое они рассчитаны.

Не секрет, что реактивное сопротивление уменьшается с повышением частоты. К примеру, при частоте 100кГц и емкости 10мкФ емкостная составляющая будет не более 0,2 Ом. Замеряя падение переменного напряжения имеющего частоту 100 кГц и выше, можно полагать, что при погрешности в районе 10…20% итогом замера будет активное сопротивление конденсатора. Поэтому совсем не сложно собрать .

Описание ESR метра для конденсаторов

Генератор импульсов, имеющий частоту 120кГц, собран на логических элементах DD1.1 и DD1.2. Частота генератора определяется RC-цепью на элементах R1 и C1.

Для согласования введен элемент DD1.3. Для увеличения мощности импульсов с генератора в схему введены элементы DD1.4…DD1.6. Далее сигнал проходит через делитель напряжения на резисторах R2 и R3 и поступает на исследуемый конденсатор Сх. Блок измерения переменного напряжения содержит диоды VD1 и VD2 и мультиметр, в качестве измерителя напряжения, к примеру, М838. Мультиметр необходимо перевести в режим измерения постоянного напряжения. Подстройку ESR метра осуществляют путем изменения величины R2.

Микросхему DD1 — К561ЛН2 можно поменять на К1561ЛН2. Диоды VD1 и VD2 германиевые, возможно использовать Д9, ГД507, Д18.

Радиодетали ESR метра расположены на , которую можно изготовить своими руками. Конструктивно устройство выполнено в одном корпусе с элементом питания. Щуп Х1 выполнен в виде шила и прикреплен к корпусу устройства, щуп X2 – провод не более 10 см в длину на конце которого игла. Проверка конденсаторов возможна прямо на плате, выпаивать их не обязательно, что существенно облегчает поиск неисправного конденсатора во время ремонта.

Настройка устройства

1, 5, 10, 15, 25, 30, 40, 60, 70 и 80 Ом.

К щупам X1 и X2 необходимо подсоединить резистор в 1 Ом и вращением R2 добиться, чтобы на мультиметре было 1мВ. Затем вместо 1 Ом подключить следующий резистор (5 Ом) и не изменяя R2 записать показание мультиметра. То же самое проделать и с оставшимися сопротивлениями. В результате этого получится таблица значений, по которой можно будет определять реактивное сопротивление.

Наиболее слабым местом в любой радиосхеме являются электролитические конденсаторы, которые подвержены постоянному высыханию. И чем большие токи проходят через них — тем этот процесс быстрее. Обычным омметром определить плохой конденсатор не получится, поэтому необходим спецприбор — esr измеритель.

Схема электрическая esr измерителя конденсаторов

Печатные платы — рисунок

В типичной схеме, может быть 10 или даже 100 конденсаторов. Выпаивать каждый для тестирования очень утомительно и существует большой риск повреждения платы. Этот тестер использует низкое напряжение (250 мВ) высокой частоты (150 кГц), и он способен мерять ESR конденсаторов прямо в схеме. Напряжение выбрано достаточно низкими, чтобы другие окружающие радиоэлементы схемы не влияли на результаты замеров. А если вам случайно доведется испытать заряженный конденсатор — не беда. Этот измеритель выдерживает до 400В заряда на конденсаторе. Опыт показал, что ЭПС метр выявляет около 95% конденсаторов с потенциальными проблемами.

Особенности работы прибора

• Тест электролитических конденсаторов > 1 мкФ.
• Полярность не важна для тестирования.
• Переносит заряд конденсаторов до 400В.
• Низкий ток потребления от батареи — около 25 мА.
• Легко читать данные аналогового измерителя.
• Меряет ЭПС в диапазоне от 0-75 Ом по расширенной шкале с помощью омметра.

Будьте осторожны, если вы тестируете высоковольтные конденсаторы. Имейте в виду, что высоковольтные конденсаторы могут нести сильный заряд в течение нескольких дней, в зависимости от схемы.

Как использовать ESR метр

Включаете прибор. Убедитесь, что проверяемая схема находится не под напряжением. Разрядите конденсатор перед тестированием — ЭПС метр не делает этого автоматически. Замкните выводы конденсатора и удерживайте их так в течение нескольких секунд. С помощью вольтметра убедитесь, что конденсатор полностью разряжен. Вольтметр должен показывать нулевое значение. Прикоснитесь щупами ESR метра к конденсатору. Определите сопростивление ESR. Является ли значение ESR приемлемым узнаём путем сравнения измеренного ESR с эталонными данными. Посмотреть эту таблицу .

Каждому, кто регулярно занимается ремонтом электронной техники, известно, какой процент неисправностей выпадает на долю дефектных электролитических конденсаторов. При этом если существенную потерю емкости удается диагностировать при помощи обычного мультиметра, то такой весьма характерный дефект как возрастание эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС, англ. ESR) обнаружить без специальных устройств принципиально невозможно.

Долгое время при проведении ремонтных работ мне удавалось обходиться без специализированных приборов для проверки конденсаторов путем подстановки параллельно «подозреваемым» конденсаторам заведомо исправных, в звуковой аппаратуре использовать проверку тракта прохождения сигнала на слух при помощи наушников, а также использовать методы косвенного дефектирования, основанные на личном опыте, накопленной статистике и профессиональной интуиции. Когда же пришлось приобщиться к массовому ремонту компьютерной техники, в которой на совести электролитических конденсаторов оказывается добрая половина всех неисправностей, необходимость контроля их ЭПС стала без преувеличения стратегической задачей. Существенным обстоятельством явился также тот факт, что в процессе ремонта неисправные конденсаторы очень часто приходится заменять не новыми, а демонтированными из других устройств, и их исправность совсем не гарантирована. Поэтому неизбежно наступил момент, когда пришлось всерьез задуматься о том, чтобы разрешить эту проблему обзаведшись, наконец, ЭПС-метром. Поскольку о покупке подобного прибора по ряду причин речь заведомо не шла, напрашивался однозначный выход – собрать его самостоятельно.

Анализ схемотехнических решений построения ЭПС-метров, имеющихся на просторах Сети, показал, что спектр подобных устройств чрезвычайно широк. Они отличаются функциональностью, напряжением питания, применяемой элементной базой, частотой генерируемых сигналов, наличием/отсутствием моточных элементов, формой отображения результатов измерений и т.п.

Основными критериями выбора схемы являлись ее простота, низкое напряжение питания и минимальное количество моточных узлов.

С учетом всей совокупности факторов было принято решение повторить схему Ю. Куракина, опубликованную в статье из журнала «Радио» (2008 г., №7, с.26-27). Ее отличает целый ряд положительных особенностей: предельная простота, отсутствие высокочастотных трансформаторов, малый потребляемый ток, возможность питания от одного гальванического элемента, низкая частота работы генератора.

Детали и конструкция. Собранный на макете прибор заработал сразу и после нескольких дней практических экспериментов со схемой было принято решение о его окончательной конструкции: прибор должен быть предельно компактным и представлять собой нечто вроде тестера, позволяющего максимально показательно отображать результаты измерений.

С этой целью в качестве измерительной головки был использован стрелочный индикатор типа М68501 от магниторадиолы «Сириус-324 пано» с током полного отклонения 250 мкА и оригинальной шкалой, отградуированной в децибелах, который оказался под рукой. Позднее в Сети мною было обнаружены сходные решения с применением магнитофонных индикаторов уровня в исполнении других авторов, что подтвердило правильность принятого решения. В качестве корпуса прибора был использован корпус от неисправного зарядного устройства для ноутбука LG DSA-0421S-12, идеально подходящий по габаритам и имеющий, в отличие от многих своих собратьев, легкоразборный корпус, скрепляющийся шурупами.

В устройстве использованы исключительно общедоступные и широкораспространенные радиоэлементы, имеющиеся в хозяйстве любого радиолюбителя. Итоговая схема полностью идентична авторской, исключение составляют лишь номиналы некоторых резисторов. Сопротивление резистора R2 в идеале должно составлять 470 кОм (в авторском варианте – 1МОм, хотя при этом примерно половина хода движка все равно не используется), но резистора такого номинала, имеющего необходимые габариты, у меня не нашлось. Однако этот факт позволил доработать резистор R2 таким образом, чтобы он одновременно являлся и выключателем питания при повороте его оси в одно из крайних положений. Для этого достаточно соскрести острием ножа часть резистивного слоя у одного из крайних контактов «подковки» резистора, по которой скользит его средний контакт, на участке длиной примерно 3…4 мм.

Номинал резистора R5 подбирается исходя из тока полного отклонения используемого индикатора таким образом, чтобы даже при глубоком разряде элемента питания ЭПС-метр сохранял свою работоспособность.

Тип применяемых в схеме диодов и транзисторов абсолютно некритичен, поэтому предпочтение было отдано элементам, имеющим минимальные габариты. Гораздо более важен тип применяемых конденсаторов – они по возможности должны быть максимально термостабильны. В качестве С1…С3 были использованы импортные конденсаторы, которые удалось отыскать в плате от неисправного ИБП компьютера, обладающие очень малым ТКЕ и имеющие гораздо меньшие габариты в сравнении с отечественными К73-17.

Дроссель L1 выполнен на ферритовом кольце с магнитной проницаемостью 2000НМ, имеющем размеры 10×6×4,6 мм. Для частоты генерации 16 кГц необходимо 42 витка провода ПЭВ-2 диаметром 0,5 мм (длина проводника для намотки составляет 70 см) при индуктивности дросселя 2,3 мГн. Разумеется, можно использовать любой другой дроссель с индуктивностью 2…3,5 мГн, что будет соответствовать частотному диапазону 16…12 кГц, рекомендованному автором конструкции. У меня при изготовлении дросселя была возможность воспользоваться осциллографом и измерителем индуктивности, поэтому необходимое количество витков я подобрал экспериментальным путем исключительно из соображений вывести генератор точно на частоту 16 кГц, хотя практической необходимости в этом, конечно же, не было.

Щупы ЭПС-метра выполнены несъемными – отсутствие разъемных соединений не только упрощает конструкцию, но и делает ее более надежной, устраняя потенциальную возможность нарушения контактов в низкоомной измерительной цепи.

Печатная плата устройства имеет габариты 27×28 мм, ее чертеж в формате.LAY6 можно скачать по ссылке https://yadi.sk/d/CceJc_CG3FC6wg . Шаг сетки – 1,27 мм.

Компоновка элементов внутри готового устройства приведена на фото.

Результаты испытаний. Отличительной особенностью примененного в устройстве индикатора явилось то, что диапазон измерения ЭПС составил от 0 до 5 Ом. При проверке конденсаторов значительной емкости (100 мкФ и более), наиболее характерных для фильтров цепей питания материнских плат, блоков питания компьютеров и телевизоров, зарядных устройств ноутбуков, преобразователей сетевого оборудования (коммутаторов, маршрутизаторов, точек доступа) и их выносных адаптеров этот диапазон чрезвычайно удобен, поскольку шкала прибора является максимально растянутой. На основании усредненных экспериментальных данных для ЭПС электролитических конденсаторов различной емкости, приведенных в таблице, отображение результатов измерений оказывается очень наглядным: конденсатор можно считать исправным лишь в том случае, если стрелка индикатора при измерении располагается в красном секторе шкалы, соответствующем положительным значениям децибелов. Если стрелка располагается левее (в черном секторе), конденсатор из указанного выше диапазона емкостей является неисправным.

Разумеется, прибором можно тестировать и конденсаторы малой емкости (примерно от 2,2 мкФ), при этом показания прибора будут находиться в пределах черного сектора шкалы, соответствующего отрицательным значениям децибелов. У меня получилось примерно следующее соответствие ЭПС заведомо исправных конденсаторов из стандартного ряда емкостей градуировке шкалы прибора в децибелах:

Прежде всего, эту конструкцию следует рекомендовать начинающим радиолюбителям, еще не имеющим достаточного опыта в конструировании радиоаппаратуры, но осваивающим азы ремонта электронной техники. Низкая цена и высокая повторяемость данного ЭПС-метра выгодно отличают его от более дорогих промышленных устройств аналогичного назначения.

Основными достоинствами ЭПС-метра можно считать следующие:

— чрезвычайная простота схемы и доступность элементной базы для ее практической реализации при сохранении достаточной функциональности устройства и его компактности, отсутствие необходимости в высокочувствительном регистрирующем приборе;

— отсутствие необходимости в наладке, требующей наличия специальных измерительных приборов (осциллографа, частотомера);

— низкое напряжение питания и, соответственно, дешевизна его источника (не требуется дорогостоящая и малоемкая «Крона»). Устройство сохраняет свою работоспособность при разряде источника даже до 50% его номинального напряжения, то есть имеется возможность использовать для его питания элементы, которые уже не способны нормально функционировать в других устройствах (пультах ДУ, часах, фотоаппаратах, калькуляторах и т.п.);

— низкий ток потребления – около 380 мкА в момент измерения (зависит от используемой измерительной головки) и 125 мкА в режиме ожидания, что существенно продлевает срок эксплуатации источника питания;

— минимальное количество и предельная простота моточных изделий – в качестве L1 можно использовать любой подходящий дроссель или легко изготовить его самостоятельно из подручных материалов;

— сравнительно низкая частота работы генератора и возможность ручной установки нуля, позволяющие использовать щупы с проводами практически любой разумной длины и произвольного сечения. Это преимущество является неоспоримым в сравнении с универсальными цифровыми тестерами элементов, использующими для подключения проверяемых конденсаторов ZIF-панель с глубоким расположением контактов;

— визуальная наглядность отображения результатов тестирования, позволяющая быстро оценить пригодность конденсатора для дальнейшего использования без необходимости точной численной оценки величины ЭПС и ее соотнесения с таблицей значений;

— удобство эксплуатации — возможность выполнения непрерывных измерений (в отличие от цифровых ESR-тестеров, требующих нажатия кнопки измерения и выдержки паузы после подключения каждого поверяемого конденсатора), что существенно ускоряет работу;

— необязательность предварительной разрядки конденсатора перед измерением ЭПС.

К недостаткам прибора можно отнести:

— ограниченную функциональность в сравнении с цифровыми ESR-тестерами (отсутствие возможности измерения емкости конденсатора и процента его утечки);

— отсутствие точных численных значений результатов измерений в омах;

— сравнительно узкий диапазон измеряемых сопротивлений.