Esr метр своими руками

Характеристики и свойства

К параметрам конденсатора, которые используют для создания и ремонта электронных устройств, относят:

1. Ёмкость — С. Определяет количество заряда, которое удерживает прибор. На корпусе указывается значение номинальной ёмкости. Для создания требуемых значений элементы включают в цепь параллельно или последовательно. Эксплуатационные величины не совпадают с расчетными.
2. Резонансная частота — fр. Если частота тока больше резонансной, то проявляются индуктивные свойства элемента. Это затрудняет работу. Чтобы обеспечить расчетную мощность в цепи, конденсатор разумно использовать на частотах меньше резонансных значений.
3. Номинальное напряжение — Uн. Для предупреждения пробоя элемента рабочее напряжение устанавливают меньше номинального. Параметр указывается на корпусе конденсатора.
4. Полярность. При неверном подключении произойдет пробой и выход из строя.
5. Электрическое сопротивление изоляции — Rd. Определяет ток утечки прибора. В устройствах детали располагаются близко друг к другу. При высоком токе утечки возможны паразитные связи в цепях. Это приводит к неисправностям. Ток утечки ухудшает емкостные свойства элемента.
6. Температурный коэффициент — TKE. Значение определяет, как ёмкость прибора меняется при колебаниях температуры среды. Параметр используют, когда разрабатывают устройства для эксплуатации в тяжелых климатических условиях.
7. Паразитный пьезоэффект. Некоторые типы конденсаторов при деформации создают шумы в устройствах.

Принцип работы конденсаторов

При подсоединении цепи к источнику электрического тока через конденсатор начинает течь электрический ток. В начале прохождения тока через конденсатор его сила имеет максимальное значение, а напряжение – минимальное. По мере накопления устройством заряда сила тока падает до полного исчезновения, а напряжение увеличивается.

В процессе накопления заряда электроны скапливаются на одной пластинке, а положительные ионы – на другой. Между пластинами заряд не перетекает из-за присутствия диэлектрика. Так устройство накапливает заряд. Это явление называется накоплением электрических зарядов, а конденсатор –накопителем электрического поля.

Характеристики конденсатора

Помимо ёмкости, существуют другие параметры и характеристики конденсаторов. Наиболее важные из них такие:

• номинальное напряжение;
• тип конденсатора;
• допустимое отклонение номинала;
• эквивалентное последовательное сопротивление (ESR);
• полярность;
• и более десятка других менее важных характеристик.

Превышать рабочее напряжение конденсатора категорически нельзя. В идеале лучше подбирать ёмкость с запасом по вольтажу в 1,5-2 раза.

Электрические ёмкости изготавливаются из огромного перечня различных материалов: алюминий, тантал, керамика и очень многое другое. В результате имеется большое разнообразие этих приборов: электролитические, плёночные, «флажки», фарфоровые, полимерные и др.

В некоторых схемах важно применить точную ёмкость, в других – допустимо существенное отклонение этого параметра. Поэтому конденсаторы бывают с различными допустимыми погрешностями: от +/-20% вплоть до +/-0,05%. ESR (equivalent series resistance) – сравнительно новое понятие

Оно указывает на внутреннее сопротивление конденсатора в контексте переменного и импульсного тока

ESR (equivalent series resistance) – сравнительно новое понятие. Оно указывает на внутреннее сопротивление конденсатора в контексте переменного и импульсного тока.

У электролитических конденсаторов есть полярность, т.е., подключая их, нужно учитывать где «+», а где «-». У большинства остальных накопителей заряда такого свойства нет.

Дополнительная информация. О высоком уровне ESR конденсаторов в лампочке со светодиодами можно судить по её мерцанию. LED светильник с исправными ёмкостями должен давать сплошной свет.

ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМ

   В импульсных режимах могут быть использованы конденсаторы, специально сконструированные для этих целей и общего применения. Однако в любом случае при выборе конденсаторов должны быть учтены особенности их работы при импульсных нагрузках. При оценке возможности работы конденсаторов в импульсном режиме необходимо учитывать, что при малых длительностях формируемых импульсов даже малая собственная индуктивность конденсатора представляет большое индуктивное сопротивление, что сказывается на форме импульса. 

   Влияние на форму импульса, а также на коэффициент полезного действия устройства, в котором установлен конденсатор, могут оказывать потери энергии в диэлектрике и арматуре конденсатора. Поэтому при выборе конденсаторов для импульсных режимов следует учитывать их температурно-частотные зависимости емкости, тангенса угла потерь и полного сопротивления. Для решения вопроса о том, не является ли данный импульсный режим разрушающим для конденсаторов, необходимо учитывать явления, связанные с нагревом конденсатора за счет импульсных токов, с ионизационным старением диэлектриков и пр. Указанные явления могут привести к нарушению электрической прочности конденсатора и выходу его из строя. Поэтому допустимая импульсная нагрузка на конденсаторе определяется исходя из следующих параметров импульсного режима: значений положительных и отрицательных пиков напряжения и тока, размаха переменного напряжения на конденсаторе, длительности нарастания и спада напряжения, периода и частоты следования импульсов, наличия постоянной составляющей.

   При применении полярных конденсаторов с оксидным диэлектриком в импульсных режимах и при пульсирующем напряжении необходимо учитывать, что постоянная составляющая напряжения должна иметь значение, исключающее возможность появления на конденсаторе напряжения обратной полярности, а сумма постоянного и амплитуды переменного или импульсного напряжения не должна превышать номинального напряжения.

Доработанная схема измерителя

Схема, показанная на рис. 1, вполне работоспособна, однако имеет один существенный недостаток. Нетрудно заметить, что если к схеме подключить неисправный конденсатор, имеющий пробой диэлектрика, стрелка прибора так же, как и в случае проверки исправного конденсатора, приблизится к нулевой отметке. Для устранения указанного недостатка в схему введен переключатель S1 (рис.2).

Рис. 2. Модернизированная схема измерителя ESR для оксидных конденсаторов.

В верхнем положении контактов переключателя (как показано на схеме) прибор работает как измеритель ESR, и стрелка 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.

Будьте внимательны, не подключайте щупы к заряженному конденсатору! Автор как-то подключил прибор к конденсатору на 220 мкФх400 В в схеме компьютерного монитора, только что отключенного от сети. Прибор выдержал, но щупы приварились к выводам конденсатора. Пришлось менять «цыганские» иголки, которые служили щупами.

Естественно, подключать щупы к измеряемому конденсатору нужно в верхнем положении переключателя S1, чтобы он разрядился через обмотку трансформатора, в противном случае можно сжечь головку и диоды! Чтобы не задумываться, в каком положении находится переключатель, в качестве S1 лучше применить кнопку (или переключатель типа П2К) без фиксации. Подключают щупы, измеряют ESR, конденсатор разрядился, затем нажимают кнопку и проверяют конденсатор на пробой.

Наличие переключателя S1 дает возможность «прозванивать» проводники печатной платы, позволяя выявлять обрывы, микротрещины или случайные замыкания между дорожками.

На переменном токе этого сделать нельзя, так как, например, из-за наличия в схеме блокировочного конденсатора прибор покажет замыкание между общим проводом и проводником питания.

Существуют и другие области применения прибора. С его помощью, благодаря наличию генератора импульсов, можно проверять исправность трактов РЧ и ПЧ радиоприемников и телевизоров, а также видеоусилители, формирователи импульсов и т.д.

Спектр гармоник сигнала прямоугольной формы генератора, работающего на частоте 100 кГц, простирается вплоть до сотен мегагерц. Телевизор реагирует на подключение щупов прибора даже к антенному входу ДМВ диапазона! В диапазоне МВ на экране телевизора отчетливо просматриваются горизонтальные полосы.

Измерительные приборы

Как и любую радиодеталь, ёмкостной элемент можно измерить. Для этого используются измерительные приборы: омметр или мультиметр. В ходе работы неисправный конденсатор можно определить на вид ещё до того, как выпаивать из платы.

Проверка конденсатора мультиметром

Выявить обрыв детали по снижению или полному отсутствию ёмкости можно мультиметром с опцией измерителя емкости электролитических конденсаторов. Если в результате проверки ёмкость отсутствует или понижена, элемент цепи не исправен.

Когда ёмкость детали больше 20 мкФ, то проверку поможет провести любой тестер в режиме омметра. Выставляется предел измерения «200 кОм». После выпаивания для снятия остаточного заряда выводы детали кратковременно закорачиваются между собой.

На выводах измеряется сопротивление, которое будет расти в зависимости от ёмкости. Чем она меньше, тем быстрее растёт величина сопротивления и достигает бесконечности. Бесконечность показывает полностью заряженный конденсатор. Если этого не происходит, а на дисплее сразу значение бесконечности, значит, у детали есть обрыв.

Важно! При значении ёмкости менее 20 мкФ такой способ не годится. Увеличение сопротивления до бесконечной величины в этом случае происходит быстро, его невозможно заметить

Измерение фактических емкостных значений

Пробой между пластинами происходит в результате внутреннего короткого замыкания. Измерение емкости омметром при этом показывает ноль или некоторое сопротивление, которое не растёт. Даже если чуть увеличивается, то не достигает бесконечности.

При внешнем осмотре такие элементы заметны. У электролитических конденсаторов на верхней части корпуса имеются насечки крестом. При коротком замыкании пластин электролит внутри закипает и выделяет газ. Газ пытается выйти наружу и в этом месте раскрывает деталь. Верхушки неисправных элементов разорваны или вспучены.

Измерение прибором ESR

Для измерения емкости конденсатора для определения увеличения внутреннего сопротивления применяют особый прибор – ESR. При его использовании деталь выпаивать не обязательно.

При заряде или разряде неисправного конденсатора увеличение этого параметра указывает на снижение пикового тока через элемент. Картина такая, как будто в цепи с измеряемым элементом находится последовательно подключенный резистор и вносит задержку.

Это называется эквивалентное последовательное сопротивление – ЭПС. В английском языке – ESR.

Самодельный С – метр

Собрать простой измеритель емкости конденсаторов своими руками можно на интегральной микросхеме серии 155ЛА3.

Схема измерителя ёмкости на микросхемах серии 155ЛА3

На самодельную печатную плату устанавливается микросхема К155ЛА3. Плату предварительно отмывают от грязи и флюса, которые останутся после изготовления. Используемые детали:

• микросхема К155ЛА3;
• диоды КД 509;
• подобранные резисторы 47 кОм;
• резисторы 11 кОм;
• конденсатор 0,1 мкФ;
• подобранные ёмкости: С1 0-50 пФ, С2 0-500 пФ, С3 0-5000 пФ, С4 0-0,05 мкФ.

К выводам присоединяется питание 5 В. На вывод 7 – минус, на вывод 14 – плюс. Выводы считаются от ключа, нанесённого на корпус. Источник питания – 5 В при токе 0.1 А.

Проводники, которые соединяют резисторы с переключателем, выполняются по возможности короче. Переменные резисторы после подбора заменяются постоянными эквивалентами. Настройку выполняют с измерительным прибором, который будет использоваться.

Регулировка сводится к установке максимальных границ каждого диапазона при помощи подбора резисторов 47 К.

Что такое тестер конденсаторов

Конденсатор представляет собой радиодеталь, состоящую из двух обкладок, сделанных из проводников и диэлектрического слоя между ними. Электрическая емкость элемента измеряется в фарадах. Эта величина очень большая, поэтому на практике используются микрофарады или пикофарады.

Выполнение измерения емкости

Конденсаторы обычно бывают электролитическими или пленочными. В последних параметры мало меняются с течением времени. У электролитических ситуация другая. Жидкий состав, находящийся внутри, постепенно высыхает, и деталь теряет свои полезные свойства. Часто по внешнему виду нельзя судить по его исправности. Для проверки его нужно выпаивать.

Другая ситуация, когда важно проверить емкость, — это нарушение его работы от различных причин случайного характера — скачков напряжения или работы в условиях повышенной температуры. Неисправный элемент может послужить причиной неисправной работы всего устройства

Чтобы изучить ситуацию, необходимо определить, соответствует ли емкость конденсатора номинальному значению. Для этой цели применяют тестеры конденсаторов.

Они могут быть цифровыми или аналоговыми. Во время проверки может определяться емкость или ESR, параметр, который представляет собой последовательное эквивалентное сопротивление.

Высокоточное измерение

В некоторых мультиметрах имеется возможность непосредственной проверки емкости.

ESR-измерители производят определение эквивалентного последовательного сопротивления. Здесь речь идет о реактивном сопротивлении, которое обусловлено емкостью. Оно может существенно возрастать при увеличении частоты. Этот параметр оценивают с помощью сложных алгоритмов. Если он принимает слишком большую величину, то в некоторых ситуациях может быть нарушен температурный режим работы элемента. Это особенно опасно для электролитических элементов.

Вам это будет интересно Особенности инструментов для обжима

Существуют специальные измерители емкости.

Аналоговое устройство

ESR-метр

Такой измерительный прибор оснащен жидкокристаллическим дисплеем. У него имеются 2 щупа: красный и черный. Первый считается положительным, второй — отрицательным. Перед тем, как проверять, элемент разряжают, закорачивая выводы друг на друга. Чтобы провести измерение, щупы соединяют с выводами конденсатора. Если используется полярная модель, необходимо при этом учитывать полярность щупов.

Затем прибор включают и через несколько секунд на экране появляются величины емкости и параметра ESR.

Измеритель емкости

Мультиметр

Для определения исправности конденсатора мультиметр можно перевести в режим определения сопротивления. Переключатель нужно установить на 2 МОм или 200 Ком. Нужно подобрать этот параметр таким образом, чтобы зарядка происходила не сразу, а в течение нескольких секунд.

К его выводам элемента, который нужно выпаять из схемы, подключают красный и черный щупы. Теперь необходимо следить за данными на дисплее. Если там 0, то это означает обрыв контактов или другое механическое повреждение. Если tester показывает увеличивающиеся цифры и в конце концов появляется 1, то это говорит о работоспособности детали. Если сразу появляется единица, то это означает, что в конденсаторе произошел пробой.

При использовании аналогового прибора у исправной детали можно будет увидеть постепенное движение стрелки. Мгновенная установка минимального значения говорит об обрыве, а максимального — свидетельствует о пробое.

В мультиметре предусмотрена возможность непосредственного измерения емкости. Для этого нужно установить переключатель аппарата для ее измерения и выбрать наиболее подходящую шкалу. Обычно для контактов конденсатора предусматриваются особые клеммы. Если их нет, надо воспользоваться красным и черными щупами. В последнем случае необходимо воспользоваться такими же клеммами, как при измерении сопротивления.

Если значение емкости равно или близко к номинальному, то элемент исправен и может быть использован. В противном случае он неработоспособен. Считается, что совпадение с разницей не более 20% говорит о радиотехнической пригодности детали.

Протечка электролита

Свойства и параметры конденсаторов

Главным параметром приборов этой категории является емкость (С). Она определяет накопительные свойства изделия. Принцип работы базируется на переходе электронов на соответствующую пластину при подключении источника питания. В зависимости от полярности на соответствующем электроде появляются положительные (отрицательные) заряды.

Величина емкости зависит от нескольких параметров:

• размеров пластин (площади обкладок);
• расстояния между ними;
• диэлектрических свойств материала в промежутке.

Напряженность плоского конденсатора вычисляют по формуле:

E = q/(e*e0*S),

где:

• q – заряд;
• e – диэлектрическая проницаемость;
• S – рабочая площадь.

Из этого выражения несложно сделать вывод о взаимном влиянии электрических и конструкционных параметров. Емкость определяют следующим образом:

С= (e*e0*S)/ d = q/U,

где:

• d – расстояние между пластинами;
• U – напряжение.

Для удобства применяют удельный показатель:

Суд=С/V,

где V – объем изделия.

По нему делают вывод о том, насколько эффективно выполняет основные функции конденсатор. При высокой удельной емкости разрядка занимает больше времени, если подключают аналогичную нагрузку.

Классом точности или процентным отклонением обозначают допуск от номинальной емкости (значения указаны ± в %):

1. 5;
2. 10;
3. 15;
4. от -20 до +30;
5. от -20 до +50.

Потребительские параметры диэлектрика характеризуют электрической прочностью. Как правило, на корпусе изделия указывают номинал напряжения в длительном рабочем режиме для определенных условий с учетом диапазонов:

• температуры;
• относительной влажности;
• давления.

В подробной документации указывают напряжение пробоя.

Индуктивность (собственная) изменяет напряженность поля конденсатора. Эта реактивная составляющая «помогает» изделию разрядиться быстрее или медленнее, по сравнению с расчетной скоростью процесса. Подобные паразитные воздействия искажают рабочие характеристики колебательного контура. Их надо учитывать при проектировании частотно зависимых цепей.

Потери оценивают по электрическому сопротивлению изоляционных слоев. Если соответствующим образом подключить мультиметр, можно уточнить действительный ток утечки. Этот параметр измеряют на протяжении определенного времени. Следует запомнить, что сопротивление зависит от температуры и влажности.

К сведению. Слюдяные конденсаторы будут разряжаться медленнее, по сравнению с бумажными в равных условиях, так как токи утечки отличаются на порядок.

Для комплексного сравнения разных деталей этой категории проверяют стабильность. Этот показатель характеризует постоянство рабочих параметров. Как правило, учитывают влияние температуры. Специализированный коэффициент (ТКЕ) показывает соответствующие изменения при увеличении (снижении) на 1°С.

Как разрядить конденсатор, чтобы минимизировать остаточное напряжение? Ответ на этот вопрос поможет получить изучение абсорбционных процессов в диэлектрическом слое. Соответствующие параметры характеризуют поправочным коэффициентом (Ка). Он увеличивается вместе с повышением температуры.

Рабочий цикл измерения абсорбции

Снижение напряжения пробоя конденсатора

Снижение максимально возможного напряжения – это так называемый обратимый пробой. Его не определить тестером. Но в схеме при работе при номинально допустимом значении напряжения элемент ведёт себя как пробитый. При этом он будет измеряться тестером как рабочий.

Определить можно постепенной подачей напряжения от отдельного источника питания до величины, указанной на корпусе. У неисправного конденсатора пробой будет происходить раньше этой величины. Электролит закипит, и корпус начнёт греться.

Внимание! Если на маркировке стоит значение «60V», то при плавной подаче напряжения на выводы от нуля до 50V элемент должен вести себя нормально. Пробоя быть не должно

Измерение ёмкости конденсаторов с помощью измерительных приборов заводского изготовления или самодельных устройств позволяет производить ремонт и наладку электронных схем. Выявление неисправного конденсатора путём измерения его физических ёмкостных значений сохранит работоспособность электронного устройства и снизит время, затраченное на ремонт.

Что такое конденсатор?

Прибор, который накапливает электроэнергию в виде электрических зарядов, называется конденсатором.

Количество электричества или электрический заряд в физике измеряют в кулонах (Кл). Электрическую ёмкость считают в фарадах (Ф).

Уединенный проводник электроёмкостью в 1 фараду — металлический шар с радиусом, равным 13 радиусам Солнца. Поэтому конденсатор включает в себя минимум 2 проводника, которые разделяет диэлектрик. В простых конструкциях прибора — бумага.

Работа конденсатора в цепи постоянного тока осуществляется при включении и выключении питания.Только в переходные моменты меняется потенциал на обкладках.

Конденсатор в цепи переменного тока перезаряжается с частотой, равной частоте напряжения источника питания. В результате непрерывных зарядов и разрядов ток проходит через элемент. Выше частота — быстрее перезаряжается прибор.

Сопротивление цепи с конденсатором зависит от частоты тока. При нулевой частоте постоянного тока величина сопротивления стремится к бесконечности. С увеличением частоты переменного тока сопротивление уменьшается.

Ссылки

1. Amaral A.M.R., Cardoso A.J.M.: An experimental technique for estimating the ESR and reactance intrinsic values of aluminium electrolytic capacitors. Proc. Instrumentation and Measurement Technology Conf., IMTC 2006, April 2006, pp. 1820–1825.
2. Sankaran V.A., Rees F.L., Avant C.S.: Electrolytic capacitor life testing and prediction. Proc. 32nd Annual Meeting IEEE Industry Applications Society, October 1997, vol. 2, pp. 1058–1065
3. Venet P., Perisse F., El-Husseini M.H., Rojat G.: Realization of a smart electrolytic capacitor circuit, IEEE Ind. Appl. Mag., 2002, 8, (1), pp. 16–20
4. Chen Y.-M., Chou M.-W., Wu H.-C.: Electrolytic capacitor failure prediction of LC filter for switching-mode power converters. Proc. 40th Annual Meeting IEEE Industry Applications Society, October 2005, vol. 2, pp. 1464–1469.
5. Amaral A.M.R., Cardoso A.J.M.: An ESR meter for high frequencies. Proc. Int. Conf. on Power Electronics and Drives Systems, PEDS, 2005, pp. 1628–163
6. D.W. Hart, «Power electronics,» Mc Graw Hill, 2010.
7. N. Mohan,T. M. Undeland , W. P. Robbins, «Power Electronics: Converters, Applications and Design,» John Wiley and Sons, 2002.
8. R.W. Ericson, D. Maksimovic, «Fundamental of power electronics,» Springer, 2001.
9. A.M.R. Amaral, A.J.M Cardoso: «An ESR meter for high frequencies». Proc. Int. Conf. on Power Electronics and Drives Systems, PEDS, 2005, pp. 1628–1633.
10. R. Chen, J.D.V. Wyk, S. Wang, W.G. Odendaal: Improving the characteristics of integrated EMI filters by embedded conductive layers. IEEE Trans. Power Electron., 2005, pp. 611–619.
11. A.M.R. Amaral, A.J.M Cardoso: An experimental technique for estimating the ESR and reactance intrinsic values of aluminium electrolytic capacitors. Proc. Instrumentation and Measurement Technology Conf., IMTC 2006, April 2006, pp. 1820–1825.

Цветовая кодировка электролитических конденсаторов.

Что касается малогабаритных электролитических конденсаторов, то их номинальная емкость кодируется с помощью двух полосок и одного цветового пятна. Первая и вторая полоска определяет число, а пятно — множитель. Цветовая кодировка первых двух полосок у электролитических конденсаторов полностью соответствует маркировке конденсаторов керамических. Необходимо учитывать, лишь то, что величина емкости у «электролитов» получается в микрофарадах, а не пикофарадах как у керамических конденсаторов. Цвета пятна, означающего множитель: черный — 1; коричневый — 10; красный — 100; серый — 0,01; белый — 0,1; Например, цвет первой полоски голубой( цифра 6), второй — оранжевый( цифра 3), при коричневом цвете пятна( множитель — 10). Это означает 63*10= 630 микрофарада. Если у электролитического конденсатора присутствует третья полоска, то она определяет его номинальное напряжение: белый цвет — 3 вольта; желтый — 6,3 вольт; черный — 10 вольт; зеленый — 16 вольт; голубой — 20 вольт; серый — 25 вольт; розовый — 35 вольт.

Плюсовой вывод в таких электролитических конденсаторах — более толстый, чем минусовой.

Цветовая маркировка отечественных радиоэлементов

При производстве линий с так называемыми автоматическими видами монтажа появилось и цветное нанесение, а также его непосредственное значение во всей системе.

На сегодняшний день больше всего используют нанесение с помощью четырех цветов. В данном случае прибегли к применению четырех полос. Итак, первая полоска вместе со второй представляют собой значение емкости в так называемых пикофарадах. Третья полоса означает отклонение, которое можно позволить. А четвертая полоса в свою очередь означает напряжение номинального типа.

Приводим для вас пример как обозначается тот или иной элемент — емкость – 23*106 пикофарад (24 F), допустимое отклонение от номинала – ±5%, номинальное напряжение – 57 В.