Prosty obwód miernika ESR

Wypróbuj Nasz Instrument Do Eliminowania Problemów





W poście omówiono prosty obwód miernika ESR, który można wykorzystać do identyfikacji uszkodzonych kondensatorów w obwodzie elektronicznym bez konieczności ich praktycznie wyjmowania z płytki drukowanej. Pomysł został zgłoszony przez Manual Sofian

Specyfikacja techniczna

Czy masz schemat na temat miernika ESR. Technicy zalecają mi sprawdzenie elektrolitu za każdym razem, gdy pojawi się martwy obwód, ale nie wiem, jak go zmierzyć.



Z góry dziękuję za odpowiedź.

Co to jest ESR

ESR, co oznacza Equivalent Series Resistance, to pomijalnie mała wartość rezystancji, która normalnie staje się częścią wszystkich kondensatorów i cewek i pojawia się szeregowo z ich rzeczywistymi wartościami jednostkowymi, jednak w szczególności w kondensatorach elektrolitycznych, ze względu na starzenie, wartość ESR może nadal rosnąć do nieprawidłowych poziomów, co niekorzystnie wpływa na ogólną jakość i reakcję danego obwodu.



Rozwijający się ESR w konkretnym kondensatorze może stopniowo wzrastać od zaledwie kilku miliomów do nawet 10 omów, poważnie wpływając na odpowiedź obwodu.

Jednak wyjaśnione powyżej ESR niekoniecznie musi oznaczać, że pojemność kondensatora również zostanie naruszona, w rzeczywistości wartość pojemności może pozostać nienaruszona i dobra, ale sprawność kondensatora pogorszy się.

Jest to spowodowane tym scenariuszem, normalny miernik pojemności całkowicie nie wykrywa złego kondensatora, na który ma wpływ wysoka wartość ESR, a technik stwierdza, że ​​kondensatory są w porządku pod względem wartości pojemności, co z kolei bardzo utrudnia rozwiązywanie problemów.

Tam, gdzie zwykłe mierniki pojemności i omomierze stają się całkowicie nieskuteczne w pomiarze lub wykrywaniu nieprawidłowego ESR w uszkodzonych kondensatorach, miernik ESR staje się niezwykle przydatny do identyfikacji takich wprowadzających w błąd urządzeń.

Różnica między ESR i Capacitance

Mówiąc krótko, wartość ESR kondensatora (w omach) wskazuje, jak dobry jest kondensator.

Im niższa wartość, tym wyższa wydajność robocza kondensatora.

Test ESR zapewnia nam szybkie ostrzeżenie o awarii kondensatora i jest o wiele bardziej pomocny w porównaniu z testem pojemności.

W rzeczywistości kilka wadliwych elektrolitów może wykazywać OK podczas badania za pomocą standardowego miernika pojemności.

Ostatnio rozmawialiśmy z wieloma osobami, które nie popierają znaczenia ESR i dokładnie w jakiej percepcji jest ona wyjątkowa od pojemności.

Dlatego myślę, że warto zamieścić fragment z nowości technologicznych w renomowanym magazynie autorstwa Douga Jonesa, prezesa Independence Electronics Inc. Skutecznie porusza problem ESR. „ESR to aktywna naturalna rezystancja kondensatora wobec sygnału prądu przemiennego.

Wyższy ESR może prowadzić do komplikacji związanych ze stałą czasową, nagrzewaniem się kondensatorów, wzrostem obciążenia obwodu, ogólną awarią systemu itp.

Jakie problemy może powodować ESR?

Zasilacz impulsowy z kondensatorami o wysokiej ESR może nie uruchamiać się optymalnie lub po prostu nie uruchamiać się w ogóle.

Ekran telewizora może być przekrzywiony z boków / góry / dołu z powodu wysokiego kondensatora ESR. Może również prowadzić do przedwczesnych awarii diod i tranzystorów.

Wszystkie te i wiele innych problemów są zwykle wywoływane przez kondensatory o odpowiedniej pojemności, ale dużym ESR, którego nie można wykryć jako liczby statycznej iz tego powodu nie można go zmierzyć za pomocą standardowego miernika pojemności lub omomierza prądu stałego.

ESR pojawia się tylko wtedy, gdy prąd przemienny jest podłączony do kondensatora lub gdy ładunek dielektryczny kondensatora stale zmienia stany.

Można to postrzegać jako całkowitą rezystancję prądu przemiennego w fazie kondensatora w połączeniu z rezystancją prądu stałego przewodów kondensatora, rezystancją stałoprądową połączenia z dielektrykiem kondensatora, rezystancją płytową kondensatora i prądem przemiennym w fazie materiału dielektryka rezystancja w określonej częstotliwości i temperaturze.

Wszystkie elementy powodujące powstawanie ESR można uznać za rezystor połączony szeregowo z kondensatorem. Ten rezystor tak naprawdę nie istnieje jako jednostka fizyczna, dlatego natychmiastowy pomiar przez „rezystor ESR” jest po prostu niewykonalny. Jeśli, z drugiej strony, podejście, które pomaga korygować wyniki reaktancji pojemnościowej jest dostępne i biorąc pod uwagę, że wszystkie rezystancje są w fazie, ESR można określić i przetestować przy użyciu podstawowego wzoru elektronicznego. E = I x R!

AKTUALIZACJA prostszej alternatywy

Podany poniżej obwód oparty na wzmacniaczu operacyjnym wygląda bez wątpienia na złożony, dlatego po pewnym zastanowieniu mogłem wymyślić ten prosty pomysł na szybką ocenę ESR dowolnego kondensatora.

Jednak do tego będziesz musiał najpierw Oblicz ile rezystancji ma idealnie dany kondensator, korzystając z następującego wzoru:

Xc = 1 / [2 (pi) fC]

  • gdzie Xc = reaktancja (rezystancja w omach),
  • pi = 22/7
  • f = częstotliwość (weź 100 Hz dla tej aplikacji)
  • C = wartość kondensatora w faradach

Wartość Xc daje równoważną rezystancję (idealną wartość) kondensatora.

Następnie znajdź prąd według prawa Ohma:

I = V / R, tutaj V będzie wynosić 12 x 1,41 = 16,92 V, R zostanie zastąpione przez Xc, jak uzyskano z powyższego wzoru.

Po znalezieniu idealnej wartości prądu znamionowego kondensatora można użyć następującego praktycznego obwodu, aby porównać wynik z wyżej obliczoną wartością.

Do tego potrzebne będą następujące materiały:

  • Transformator 0-12 V / 220 V.
  • 4 diody 1N4007
  • Miernik FSD 0-1 A z ruchomą cewką lub dowolny standardowy amperomierz

Powyższy obwód zapewni bezpośredni odczyt, ile prądu jest w stanie dostarczyć kondensator.

Zanotuj prąd zmierzony z powyższej konfiguracji i prąd uzyskany ze wzoru.

Na koniec ponownie użyj prawa Ohma, aby ocenić opory z dwóch bieżących odczytów (I).

R = V / I, gdzie napięcie V będzie wynosić 12 x 1,41 = 16,92, „I” będzie zgodne z odczytami.

Szybkie uzyskanie idealnej wartości kondensatora

W powyższym przykładzie, jeśli nie chcesz przechodzić przez obliczenia, możesz użyć następującej wartości odniesienia, aby uzyskać idealną reaktancję kondensatora do porównania.

Zgodnie ze wzorem idealna reaktancja kondensatora 1 μF wynosi około 1600 omów przy 100 Hz. Możemy przyjąć tę wartość jako miarę i oszacować wartość dowolnego pożądanego kondensatora poprzez proste odwrotne mnożenie krzyżowe, jak pokazano poniżej.

Załóżmy, że chcemy uzyskać idealną wartość kondensatora 10uF, po prostu byłoby to:

1/10 = x / 1600

x = 1600/10 = 160 omów

Teraz możemy porównać ten wynik z wynikiem uzyskanym przez rozwiązanie prądu amperomierza w prawie Ohma. Różnica powie nam o efektywnej ESR kondensatora.

UWAGA: Napięcie i częstotliwość użyte we wzorze i metoda praktyczna muszą być identyczne.

Korzystanie ze wzmacniacza operacyjnego do wykonania prostego miernika ESR

Miernika ESR można użyć do określenia stanu wątpliwego kondensatora podczas rozwiązywania problemów ze starym obwodem elektronicznym lub zespołem.

Ponadto dobrą rzeczą w tych przyrządach pomiarowych jest to, że mogą być używane do pomiaru ESR kondensatora bez potrzeby wyjmowania lub izolowania kondensatora od płytki drukowanej, co jest dość łatwe dla użytkownika.

Poniższy rysunek przedstawia prosty obwód miernika ESR, który można zbudować i wykorzystać do proponowanych pomiarów.

Schemat obwodu

Obwód miernika ESR

Jak to działa

Obwód można rozumieć w następujący sposób:

TR1 wraz z dołączonym tranzystorem NPN tworzy prosty oscylator blokujący wyzwalany sprzężeniem zwrotnym, który oscyluje z bardzo wysoką częstotliwością.

Oscylacje indukują proporcjonalną wielkość napięcia na 5 zwojach wtórnych transformatora, a to indukowane napięcie o wysokiej częstotliwości jest przykładane do rozważanego kondensatora.

Można również zobaczyć wzmacniacz operacyjny podłączony z powyższym zasilaniem niskonapięciowym o wysokiej częstotliwości i jest skonfigurowany jako wzmacniacz prądu.

W przypadku braku ESR lub w przypadku nowego dobrego kondensatora miernik jest ustawiony tak, aby wskazywał odchylenie w pełnej skali, wskazując minimalne ESR na kondensatorze, które proporcjonalnie spada do zera dla różnych kondensatorów o różnych poziomach ESR.

Niższy ESR powoduje wytwarzanie stosunkowo wyższego prądu na wejściu czujnika odwracającego wzmacniacza operacyjnego, co jest odpowiednio wyświetlane w mierniku przy wyższym stopniu odchylenia i odwrotnie.

Górny tranzystor BC547 jest wprowadzony jako wspólny stopień regulatora napięcia kolektora, aby zasilać stopień oscylatora z dolnym 1,5 V, tak aby inne urządzenie elektroniczne na płytce drukowanej wokół testowanego kondensatora było utrzymywane pod zerowym naprężeniem z częstotliwości testowej od miernik ESR.

Proces kalibracji miernika jest łatwy. Trzymając przewody pomiarowe zwarte razem, ustawienie wstępne 100k w pobliżu miernika uA jest regulowane, aż do uzyskania pełnego odchylenia na tarczy miernika.

Następnie w mierniku można było zweryfikować różne kondensatory o wysokich wartościach ESR przy odpowiednio niższych stopniach odchylenia, jak wyjaśniono w poprzedniej części tego artykułu.

Transformator jest zbudowany na dowolnym pierścieniu ferrytowym, przy użyciu dowolnego cienkiego drutu magnetycznego o pokazanej liczbie zwojów.

Kolejny prosty tester ESR z jedną diodą LED

Obwód zapewnia ujemną rezystancję, która kończy testowany ESR kondensatora, tworząc ciągły rezonans szeregowy przez stałą cewkę. Poniższy rysunek przedstawia schemat obwodu miernika esr. Ujemna rezystancja jest generowana przez IC 1b: Cx wskazuje testowany kondensator, a L1 jest ustawiony jako stała cewka.

Podstawowa praca

Pot VR1 ułatwia modyfikację ujemnego oporu. Aby przetestować, po prostu obracaj VR1, aż oscylacja się zatrzyma. Po wykonaniu tej czynności wartość ESR można sprawdzić na skali umieszczonej za tarczą VR1.

Opis obwodu

W przypadku braku ujemnej rezystancji, L1 i Cx działają jak szeregowy obwód rezonansowy, który jest tłumiony przez rezystancję L1 i ESR Cx. Ten obwód ESR zacznie oscylować, gdy tylko zostanie zasilony przez wyzwalacz napięcia. IC1 a działa jak oscylator generując sygnał wyjściowy o kształcie fali prostokątnej z pewną niską częstotliwością w Hz. To konkretne wyjście jest różnicowane, aby tworzyć skoki napięcia (impulsy), które wyzwalają dołączony obwód rezonansowy.

Gdy tylko ESR kondensatora wraz z rezystancją R1 mają tendencję do kończenia się rezystancją ujemną, oscylacja dzwonienia zmienia się w oscylację stałą. Następnie włącza się dioda LED D1. Gdy tylko oscylacja zostanie zatrzymana z powodu spadku ujemnej rezystancji, powoduje wyłączenie diody LED.

Wykrywanie zwartego kondensatora

W przypadku wykrycia zwartego kondensatora w Cx dioda LED zapala się ze zwiększoną jasnością. W okresie, w którym obwód rezonansowy oscyluje, dioda LED jest włączana wyłącznie przez półcykle o dodatnich krawędziach przebiegu: co powoduje, że świeci tylko przy 50% całkowitej jasności. IC 1 d dostarcza połowę napięcia zasilania, które jest używane jako odniesienie dla IC1b.

S1 może być użyty do regulacji wzmocnienia ICIb, co z kolei zmienia ujemną rezystancję, umożliwiając szerokie zakresy pomiarowe ESR, w zakresie 0-1, 0-10 i 0-100 Ω.

Lista części

Konstrukcja L1

Cewkę indukcyjną L1 wykonuje się poprzez nawinięcie bezpośrednio wokół wewnętrznych 4 słupków obudowy, które można wykorzystać do przykręcenia narożników PCB.

Liczba zwojów może wynosić 42, używając 30 super emaliowanego drutu miedzianego SWG. Utwórz L1, aż uzyskasz rezystancję 3,2 Ohm na końcach uzwojenia lub około wartości indukcyjności 90uH.

Grubość drutu nie jest kluczowa, ale wartości rezystancji i indukcyjności muszą być takie, jak podano powyżej.

Wyniki testu

Ze szczegółami uzwojenia, jak opisano powyżej, kondensator 1000 uF testowany w gniazdach Cx powinien generować częstotliwość 70 Hz. Kondensator 1 pF może spowodować wzrost tej częstotliwości do około 10 kHz.

Podczas badania obwodu podłączyłem kryształową słuchawkę przez kondensator 100 nF na R19, aby sprawdzić poziomy częstotliwości. Ładnie słyszalne było klikanie częstotliwości fali prostokątnej, podczas gdy VR1 było regulowane daleko od miejsca, które spowodowało ustanie oscylacji. Gdy VR1 był regulowany w kierunku punktu krytycznego, mogłem zacząć słyszeć czysty dźwięk o częstotliwości sinusoidalnej o niskim napięciu.

Jak skalibrować

Weź wysokiej klasy kondensator 1000 µF o napięciu znamionowym co najmniej 25 V i włóż go w punkty Cx. Stopniowo zmieniaj VR1, aż dioda LED zostanie całkowicie wyłączona. Oznacz ten konkretny punkt za tarczą skali potencjometru jako 0,1 Ω.

Następnie podłącz znany rezystor szeregowo z istniejącym testowanym Cx, co spowoduje zaświecenie diody LED, teraz ponownie wyreguluj VR1, aż dioda LED zostanie właśnie wyłączona.

W tym momencie zaznacz na skali VR1 świeżą całkowitą wartość rezystancji. Dość korzystniejsza może być praca z przyrostami co 0,1 Ω na zakresie 1 Ω i odpowiednio większymi przyrostami w pozostałych dwóch zakresach.

Interpretacja wyników

Poniższy wykres przedstawia standardowe wartości ESR, zgodnie z dokumentacją producenta i biorąc pod uwagę fakt, że ESR obliczony przy 10 kHz jest na ogół 1/3 wartości testowanej przy 1 kHz. Stwierdzono, że wartości ESR z kondensatorami o standardowej jakości 10 V są 4 razy wyższe niż w przypadku typów o niskim ESR 63 V.

Dlatego za każdym razem, gdy kondensator typu low-ESR degraduje się do poziomu, w którym jego ESR jest bardzo podobna do tego z typowego kondensatora elektrolitycznego, jego wewnętrzne warunki nagrzewania wzrosną 4-krotnie!

W przypadku, gdy zobaczysz, że testowana wartość ESR jest większa niż 2-krotność wartości pokazanej na poniższym rysunku, możesz założyć, że kondensator nie jest już w najlepszym stanie.

Wartości ESR dla kondensatorów o napięciu znamionowym innym niż podane poniżej będą między odpowiednimi liniami na wykresie.

Miernik ESR wykorzystujący IC 555

Nie jest to takie typowe, ale ten prosty obwód ESR jest niezwykle dokładny i łatwy w budowie. Wykorzystuje bardzo zwykłe komponenty, takie jak IC 555, źródło 5 V DC i kilka innych części pasywnych.

Obwód jest zbudowany przy użyciu układu CMOS IC 555, ustawionego przy współczynniku wypełnienia 50:50.
Cykl pracy można zmienić za pomocą rezystora R2 i r.
Nawet niewielka zmiana wartości r, która odpowiada ESR rozpatrywanego kondensatora, powoduje znaczną zmianę częstotliwości wyjściowej układu scalonego.

Częstotliwość wyjściową rozwiązuje wzór:

f = 1 / 2CR1n (2 - 3k)

W tym wzorze C oznacza pojemność, R jest utworzone przez (R1 + R2 + r), r oznacza ESR kondensatora C, podczas gdy k jest ustawione jako współczynnik równy:

k = (R2 + r) / R.

Aby zapewnić prawidłowe działanie obwodu, wartość współczynnika k nie może przekraczać 0,333.

Jeśli wzrośnie powyżej tej wartości, IC 555 przejdzie w niekontrolowany tryb oscylacyjny przy bardzo wysokiej częstotliwości, która będzie kontrolowana wyłącznie przez opóźnienie propagacji chipa.

Znajdziesz wykładnicze zwiększenie częstotliwości wyjściowej układu scalonego o 10x w odpowiedzi na wzrost współczynnika k od 0 do 0,31.

Gdy wzrasta jeszcze bardziej od 0,31 do 0,33, powoduje wzrost frquecny wyjściowego o kolejne 10X wielkości.

Zakładając, że R1 = 4k7, R2 = 2k2, minimalna ESR = 0 dla C, współczynnik k powinien spaść około 0,3188.

Teraz załóżmy, że mamy wartość ESR około 100 omów, co spowodowałoby wzrost wartości k o 3% przy 0,3286. To teraz zmusza IC 555 do oscylacji z częstotliwością, która jest 3 razy większa w porównaniu z częstotliwością pierwotną przy r = ESR = 0.

Pokazuje to, że wraz ze wzrostem r (ESR) powoduje wykładniczy wzrost częstotliwości wyjścia układu scalonego.

Jak testować

Najpierw trzeba będzie skalibrować odpowiedź obwodu przy użyciu wysokiej jakości kondensatora o pomijalnej wartości ESR i takiej samej pojemności, jak ta, którą należy przetestować.

Powinieneś także mieć garść różnych rezystorów o dokładnych wartościach w zakresie od 1 do 150 omów.

Teraz wykreśl wykres częstotliwość wyjściowa vs r dla wartości kalibracyjnych,

Następnie podłącz kondensator, który ma być przetestowany pod kątem ESR i zacznij analizować jego wartość ESR, porównując odpowiednią częstotliwość IC 555 i odpowiadającą jej wartość na wykresie.

Aby zapewnić optymalną rozdzielczość dla niższych wartości ESR, na przykład poniżej 10 omów, a także pozbyć się różnic częstotliwości, zaleca się dodanie rezystora między 10 a 100 omów szeregowo z testowanym kondensatorem.

Po uzyskaniu wartości r z wykresu wystarczy odjąć od niej stałą wartość rezystora r aby uzyskać wartość ESR.




Poprzedni: 3-fazowy bezszczotkowy obwód sterownika silnika (BLDC) Dalej: Obwód regulatora prędkości pedału dla pojazdów elektrycznych