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:)

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.

Часто при ремонте электроники приходится менять вздувшиеся конденсаторы. Если конденсатор вздулся, это говорит об уменьшении его ёмкости и увеличении эквивалентного последовательного сопротивления(ESR). Бывает, что конденсатор не вздулся, а его ESR больше нормы, на этот случай я собрал приборчик от МастерКит и ним проверял подозрительные конденсаторы. В определённый момент стало интересно, что же он на самом деле измеряет и как он это делает.
Что такое ESR.
Эквивалентная упрощённая схема конденсатора состоит из резистора и конденсатора, величину этого сопротивления и измеряет прибор. Осталось разобраться как он это делает.

Давайте подключим к конденсатору генератор сигналов, его эквивалентная схема изображена на рисунке, она состоит из генератора и последовательно включённого резистора, равного выходному сопротивлению генератора.

Не смотря на то, что большинство современных мультиметров оснащены функцией измерения , в том числе и электролитических, однако возможность замерить ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) на самом деле является большой редкостью.

В данной конструкции генератор собран на одном логическом элементе (DD1.1) микросхемы 74HC14N (инвертирующий Шмитта) и RC-цепи R1 и С1, которая определяет частоту работы генератора. В данном случае это около 100 кГц. Сигнал с генератора усиливается оставшимися пятью элементами микросхемы DD1 до амплитуды в районе 250мВ, который потом поступает на исследуемый Cx.

Исследуемый конденсатор подключается к контактам X1 и X2 ESR измерителя. Для защиты тестера от заряда, имеющегося в конденсаторе Cx, предусмотрена линия защиты состоящая из С4, R8, VD1 и VD2 (). Измеряемый сигнал после прохождения через конденсатор Cx усиливается T1 (), далее выпрямляется четырьмя D3-D6 (), а затем отфильтровывается конденсатором С6.

К выводам X3 и X4 через R14 подключается микроамперметр со шкалой полного отклонения около 50мкA. Значение, отображаемое на индикаторе в основном пропорционально значению ESR конденсатора. Конечно, необходимо путем калибровки связать значение ESR и емкость нового конденсатора, чтобы можно было обнаружить несоответствие с неисправным конденсатором.

Калибровка ESR измерителя

Правильно собранный и проверенный на ошибки ESR-метр должен заработать при первом же включении. В качестве источника питания можно порекомендовать блок питания на . После подачи питания прибор должен сразу показать величину ESR. Для получения более точных значений можно вместо постоянного резистора R14 подключить на 25 кОм.

Настройка выполняется просто — вместо исследуемого конденсатора необходимо по очереди подключать резисторы с малым сопротивлением. Разметка шкалы должна быть примерно такой: при подключении резистора 1 Ом отклонение стрелки должно быть более 90%, при сопротивлении резистора 10 Ом отклонение в районе 40% и при 47 Ом только 10%.

К сведению, реальное сопротивление (ESR) рабочего электролитического конденсатора не должно превышать 10 Ом.

Этот проект был задуман как способ проверки пригодности конденсатора к работе. Я покупаю много старых радиоэлектронных устройств старше 25-60 лет и состояние электролитических конденсаторов бывает подозрительным. Мне требовался быстрый способ проверки конденсаторов.

Что такое ESR?
"ESR" означает эквивалентное последовательное сопротивление. ESR является одной из характеристик, которые определяют производительность электролитического конденсатора. Чем ниже ESR конденсатора, тем лучше, так как при высоком ESR конденсатор разогревается при прохождении тока через него, а это разрушает его. Со временем ESR конденсатора может увеличиться от 10 до 30 раз, либо конденсатор вообще перестанет пропускать ток. Типичный срок службы электролитических конденсаторов 2000-15000 часов и очень сильно зависит от температуры окружающей среды. Когда ESR увеличивается, конденсатор начинает хуже работать и в конечном итоге схема не работает.

Почему ESR метр так полезен?
Большинство ESR метров требует, чтобы конденсатор был выпаян из схемы. Когда конденсаторов в схеме много, это очень утомительно, и есть риск повредить плату. Этот тестер использует низкое напряжение (250 мВ) высокой частоты (150 кГц) для измерения конденсаторов. Измерение без выпаивания из схемы возможно из-за низкого напряжения, которого хватает конденсатору, но для других деталей мало, поэтому они не мешают измерению. Большинство ESR метров будут повреждены, если вы измерите ими заряженный конденсатор. Эта схема выдерживают до 400V заряда на конденсаторе (Это напряжение опасно для жизни. Будьте осторожны! ). Мой опыт показал, что ESR метр распознает около 95% негодных конденсаторов.

Характеристики ESR измерителя:
- измерение электролитических конденсаторов емкостью > 1мкФ
- полярность конденсатора не важна
- допускает подключение заряженных конденсаторов до 400В
- низкий уровень энергопотребления (около 25 мА), что дает около 20 часов автономной работы при использовании 4 батареек АА
- измерение ESR в диапазоне 0-75 Ом.

Описание схемы
Схема начинается с 150 кГц генератора на одном элементе 74hc14. Остальные элементы используются для увеличения напряжения идущего в фильтр низких частот. Фильтр низких частот необходим, потому что прямоугольный сигнал содержит много помех и гармоник. Сигнал с фильтра идет на 10Ом резистор, который обеспечивает низкий уровень сигнала при измерении конденсатора. Диоды D5 и D6 защищают цепь от разряда при подключении заряженного конденсатора. R18 является гасящим резистором для C5. C5 защищает цепь от постоянного тока напряжением до 400В.

Остальная часть схемы является транзисторным усилителем с коэффициентом усиления около 10.5. Это усиливает сигнал, пришедший с конденсатора, до нескольких вольт в амплитуде. Усиленное напряжение должно быть достаточно большим, чтобы преодолеть 2 диода, после чего шкала начнет реагировать. Правильное функционирование схемы можно проверить, подключая на вход резисторы разного сопротивления (1 Ом - около 90% от полной шкалы, 10 Ом - около 40% шкалы и 47 Ом - около 10% шкалы). Показания тестера могут немного меняться в зависимости от температуры. Ниже можно скачать фотографии и рисунок ПП.

Файлы проекта:
Сборочный чертеж - esrbuildit.png
ПП вид снизу - esrpcb.png
ПП вид снизу - esrxray.png
ПП и схема в формате - ESR meter.zip
/SWCadiii - esr.asc

Список радиоэлементов