Enkel ESR-mätarkrets

Inlägget diskuterar en enkel ESR-mätarkrets som kan användas för att identifiera dåliga kondensatorer i en elektronisk krets utan att ta bort dem praktiskt taget från kretskortet. Idén begärdes av Manual Sofian

Tekniska specifikationer

Har du ett schema över ESR-mätaren. Tekniker rekommenderar att jag först kontrollerar elektrolysen varje gång jag kommer med en död krets, men jag vet inte hur man mäter den.

Tack på förhand för ditt svar.

Vad är ESR

ESR som står för Equivalent Series Resistance är ett försumbart litet motståndsvärde som normalt blir en del av alla kondensatorer och induktorer och visas i serie med deras faktiska enhetsvärden, men i elektrolytkondensatorer, särskilt på grund av åldrande, kan ESR-värdet fortsätta att öka till onormala nivåer som påverkar den inblandade kretsens övergripande kvalitet och respons negativt.

ESR som utvecklas i en viss kondensator kan gradvis öka från så lite som några milliohm till så högt som 10 ohm, vilket påverkar kretsresponsen allvarligt.

Ovanstående förklarade ESR kan dock inte nödvändigtvis betyda att kondensatorns kapacitans också skulle påverkas, i själva verket kan kapacitansvärdet förbli intakt och bra, men ändå har kondensatorns prestanda försämrats.

Det beror på detta scenario att en normal kapacitansmätare helt inte upptäcker en dålig kondensator som påverkas med högt ESR-värde och en tekniker tycker att kondensatorerna är OK när det gäller dess kapacitansvärde vilket i sin tur gör felsökning extremt svårt.

Där normala kapacitansmätare och Ohm-mätare blir helt ineffektiva för att mäta eller upptäcka onormal ESR i defekta kondensatorer, blir en ESR-mätare extremt användbar för att identifiera sådana vilseledande enheter.

Skillnad mellan ESR och kapacitans

I grund och botten indikerar en kondensatorns ESR-värde (i ohm) hur bra kondensatorn är ..

Ju lägre värde desto högre kondensatorns arbetsprestanda.

Ett ESR-test ger oss en snabb varning om kondensatorfel och är mycket mer användbart jämfört med ett kapacitansprov.

I själva verket kan flera defekta elektrolytiker uppvisa OKAY när de undersöks med en standardkapacitansmätare.

På senare tid har vi pratat med många individer som inte stöder betydelsen av ESR och i exakt vilken uppfattning det är unikt från kapacitans.

Därför tycker jag att det är värt att tillhandahålla ett klipp från en teknisk nyhet på en ansedd tidskrift författad av Doug Jones, presidenten för Independence Electronics Inc. Han behandlar ESR: s oro effektivt. 'ESR är en kondensatorns aktiva naturliga motstånd mot en växelströmssignal.

Högre ESR kan leda till tidskonstant komplikationer, kondensatoruppvärmning, ökning av kretsbelastningen, total fel i systemet etc.

Vilka problem kan ESR orsaka?

En strömbrytare med hög ESR-kondensator kanske inte startar optimalt eller helt enkelt inte startar alls.

En TV-skärm kan snedställas från sidorna / topp / botten på grund av en hög ESR-kondensator. Det kan också leda till för tidiga diod- och transistorfel.

Alla dessa och många fler problem induceras vanligtvis av kondensatorer med rätt kapacitans men stor ESR, som inte kan detekteras som en statisk siffra och av den anledningen inte kan mätas med en standardkapacitansmätare eller en DC ohmmeter.

ESR visas bara när en växelström är ansluten till en kondensator eller när en kondensatorns dielektriska laddning ständigt växlar.

Detta kan ses som kondensatorns totala växelströmsmotstånd i fas kombinerat med kondensatorledarnas likströmsmotstånd, likströmsmotståndet för sammankopplingen med kondensatorns dielektrikum, kondensatorns plattmotstånd och det dielektriska materialets växelström i fas motstånd i en viss frekvens och temperatur.

Alla element som orsakar bildandet av ESR kan ses som ett motstånd i serie med en kondensator. Detta motstånd existerar inte riktigt som en fysisk enhet, varför en omedelbar mätning över 'ESR-motståndet' inte är genomförbar. Om å andra sidan ett tillvägagångssätt som hjälper till att korrigera resultaten av kapacitiv reaktans är tillgängligt och överväger att alla motstånd är i fas, skulle ESR kunna bestämmas och testas med användning av den grundläggande elektronikformeln E = I x R!

UPPDATERA ett enklare alternativ

Den op-amp-baserade kretsen nedan ser utan tvekan komplex ut, därför kunde jag efter att ha funderat på den enkla idén för att snabbt utvärdera ESR för valfri kondensator.

Men för detta måste du först Beräkna hur mycket motstånd den specifika kondensatorn har idealiskt med hjälp av följande formel:

Xc = 1 / [2 (pi) fC]

• där Xc = reaktans (resistans i Ohm),
• pi = 22/7
• f = frekvens (ta 100 Hz för denna applikation)
• C = kondensatorvärde i Farads

Xc-värdet ger dig motsvarande motstånd (idealvärde) för kondensatorn.

Hitta sedan strömmen genom Ohms lag:

I = V / R, här kommer V att vara 12 x 1,41 = 16,92V, R kommer att ersättas med Xc som uppnås med ovanstående formel.

När du väl har hittat kondensatorns ideala strömvärde kan du sedan använda följande praktiska krets för att jämföra resultatet med det ovan beräknade värdet.

För detta behöver du följande material:

• 0-12V / 220V transformator
• 4 dioder 1N4007
• 0-1 amp FSD rörlig spolmätare, eller vilken standardmätare som helst

Ovanstående krets ger en direkt avläsning av hur mycket ström kondensatorn kan leverera genom den.

Anteckna strömmen uppmätt från ovanstående inställning och den ström som uppnås från formeln.

Slutligen använd Ohms lag igen för att utvärdera motståndet från de två nuvarande (I) avläsningarna.

R = V / I där spänningen V kommer att vara 12 x 1,41 = 16,92, 'I' kommer att vara enligt avläsningarna.

Att snabbt uppnå idealvärde för en kondensator

I exemplet ovan om du inte vill gå igenom beräkningarna kan du använda följande riktvärde för att få den ideala reaktansen hos en kondensator för jämförelsen.

Enligt formeln är den ideala reaktansen för en 1 uF kondensator cirka 1600 Ohm vid 100 Hz. Vi kan ta detta värde som måttstock och utvärdera värdet på vilken önskad kondensator som helst genom en enkel invers korsmultiplikation som visas nedan.

Antag att vi vill få det idealiska värdet av en 10uF kondensator, helt enkelt skulle det vara:

1/10 = x / 1600

x = 1600/10 = 160 ohm

Nu kan vi jämföra detta resultat med det resultat som erhålls genom att lösa ammeterströmmen i Ohms-lag. Skillnaden kommer att berätta om kondensatorns effektiva ESR.

OBS: Spänningen och frekvensen som används i formeln och den praktiska metoden måste vara identiska.

Använda en op-förstärkare för att skapa en enkel ESR-mätare

En ESR-mätare kan användas för att bestämma hälsan hos en tveksam kondensator vid felsökning av en gammal elektronisk krets eller enhet.

Dessutom är det bra med dessa mätinstrument att det kan användas för att mäta kondensatorns ESR utan att behöva ta bort eller isolera kondensatorn från kretskortet vilket gör det ganska enkelt för användaren.

Följande bild visar en enkel ESR-mätarkrets som kan byggas och användas för de föreslagna mätningarna.

Kretsschema

Hur det fungerar

Kretsen kan förstås på följande sätt:

TR1 tillsammans med den bifogade NPN-transistorn bildar en enkel återkopplingsutlöst blockerande oscillator som oscillerar med mycket hög frekvens.

Svängningarna inducerar en proportionerlig spänningsstorlek över transformatorns 5 varv sekundär och denna inducerade högfrekventa spänning appliceras över kondensatorn i fråga.

En opamp kan också ses ansluten med ovanstående lågspännings högfrekvensmatning och är konfigurerad som en strömförstärkare.

Utan ESR eller i fallet med en ny bra kondensator är mätaren inställd för att indikera en fullskaleböjning som indikerar ett minimum ESR över kondensatorn som proportionellt kommer ner mot noll för olika kondensatorer som har olika mängder ESR-nivåer.

Lägre ESR orsakar att relativt högre ström utvecklas över den inverterande avkänningsingången på opampen som motsvarande visas i mätaren med en högre grad av avböjning och vice versa.

Den övre BC547-transistorn introduceras som ett gemensamt samlingsspänningsregulatorsteg för att manövrera oscillatorsteget med en lägre 1,5 V så att den andra elektroniska anordningen i kretskortet runt kondensatorn som testas hålls under nollspänning från testfrekvensen från ESR-mätaren.

Mätarens kalibreringsprocess är lätt. Om du håller testledningarna kortslutna justeras 100k-förinställningen nära uA-mätaren tills en fullskaladeflektion uppnås på mätarvredet.

Efter detta kunde olika kondensatorer med höga ESR-värden verifieras i mätaren med motsvarande lägre avböjningsgrader som förklaras i föregående avsnitt i denna artikel.

Transformatorn är byggd över vilken ferritring som helst, med vilken tunn magnetkabel som helst med det visade antalet varv.

Ytterligare en enkel ESR-testare med en LED

Kretsen ger ett negativt motstånd för att avsluta kondensatorns ESR som testas, vilket skapar en kontinuerlig serieresonans genom en fast induktor. Figuren nedan visar esr-mätarens kretsschema. Det negativa motståndet genereras av IC Ib: Cx indikerar kondensatorn som testas och L1 är positionerad som den fasta induktorn.

Grundläggande arbete

Pot VR1 underlättar det negativa motståndet som kan justeras. För att testa, fortsätt helt enkelt att vrida VR1 tills svängningen bara slutar. När detta är klart kan ESR-värdet kontrolleras från en skala fäst bakom VR1-ratten.

Kretsbeskrivning

I frånvaro av ett negativt motstånd fungerar L1 och Cx som en serieresonanskrets som undertrycks av L1: s motstånd och Cx: s ESR. Denna ESR-krets börjar svänga så snart den drivs via en spänningsutlösare. IC1 a fungerar som en oscillator för att generera en kvadratvågsignalutgång med en viss låg frekvens i Hz. Denna speciella utgång är differentierad för att skapa spänningspiggar (impulser) som utlöser den anslutna resonanskretsen.

Så snart kondensatorns ESR tillsammans med motståndet hos R1 tenderar att avslutas med det negativa motståndet, blir den ringande svängningen till en konstant svängning. Därefter tänds lysdioden D1. Så snart svängningen stoppas på grund av det negativa motståndets nedgång, slår LED-lampan AV.

Upptäcka en kortsluten kondensator

Om en kortsluten kondensator detekteras vid Cx tänds lysdioden med ökad ljusstyrka. Under den period resonanskretsen svänger, tänds lysdioden enbart genom de positiva kantade halvcyklerna i vågformen: vilket gör att den bara tänds med 50% av dess totala ljusstyrka. IC 1d levererar en halvmatningsspänning som används som referens för IC1b.

S1 kan användas för att justera förstärkningen av ICIb, vilket i sin tur ändrar det negativa motståndet för att möjliggöra breda ESR-mätområden över 0-1, 0-10 och 0-100 Ω.

Dellista

L1 Konstruktion

Induktorn L1 är gjord genom att lindas direkt runt de inre fyra pelarna i höljet som kan användas för att skruva in kretskortshörn.

Antalet varv kan vara 42 med 30 SWG super emaljerad koppartråd. Skapa L1 tills du har ett motstånd på 3,2 Ohm över lindningsändarna, eller cirka 90uH induktansvärde.

Trådtjockleken är inte avgörande, men motstånds- och induktansvärdena måste vara som anges ovan.

Testresultat

Med lindningsdetaljerna som beskrivs ovan bör en 1000uF kondensator testad i Cx-kortplatserna generera en frekvens på 70 Hz. En kondensator på 1 pF kan orsaka en ökning av denna frekvens till cirka 10 kHz.

Under undersökningen av kretsen kopplade jag upp ett kristallörsnäcka genom en 100 nF kondensator vid R19 för att testa frekvensnivåerna. Klickningen av en kvadratvågfrekvens var snyggt hörbar medan VR1 justerades långt ifrån den plats som fick svängningarna att upphöra. När VR1 justerades mot sin kritiska punkt kunde jag börja höra det rena ljudet av en lågspännings sinusvågfrekvens.

Hur man kalibrerar

Ta en högkvalitativ kondensator på 1 000 µF med en spänning på minst 25 V och sätt in den i Cx-punkterna. Variera VR1 gradvis tills du hittar LED-lampan helt avstängd. Markera den här specifika punkten bakom pannans skalvred som 0,1 Ω.

Därefter fäster du ett känt motstånd i serie med den befintliga Cx som testas, vilket kommer att leda till att lysdioden tänds, justera nu igen VR1 tills lysdioden bara släcks.

Markera nu VR1-ratten med det nya totala motståndsvärdet. Det kan vara att föredra att arbeta med steg om 0,1 Ω i 1 Ω-intervallet och lämpligt större steg i de andra två områdena.

Tolka resultaten

Diagrammet nedan visar standard ESR-värden enligt tillverkarens register och med hänsyn till det faktum att ESR beräknat vid 10 kHz i allmänhet är 1/3 av det som testats vid 1 kHz. ESR-värdena med 10V standardkondensatorer kan vara 4 gånger högre än de med låg ESR 63V-typer.

Därför, när en kondensator av låg ESR-typ försämras till en nivå där dess ESR är ungefär som för en typisk elektrolytkondensator, kommer dess interna uppvärmningsförhållanden att öka 4 gånger högre!

Om du ser att det testade ESR-värdet är större än två gånger värdet som visas i följande bild, kan du anta att kondensatorn inte längre är i sitt bästa skick.

ESR-värden för kondensatorer med olika spänningsvärden än de som anges nedan kommer att ligga mellan de tillämpliga linjerna i diagrammet.

ESR-mätare med IC 555

Inte så typiskt, men den här enkla ESR-kretsen är extremt exakt och lätt att bygga. Den använder mycket vanliga komponenter som en IC 555, en 5V DC-källa, några andra passiva delar.

Kretsen är byggd med en CMOS IC 555, inställd med en arbetsfaktor på 50:50.
Arbetscykeln kan ändras genom motståndet R2 och r.
Även en liten förändring i värdet på r som motsvarar ESR för kondensatorn i fråga orsakar en signifikant variation i IC: ns utfrekvens.

Utfrekvensen löses med formeln:

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

I denna formel representerar C kapacitansen, R bildas av (R1 + R2 + r), r betecknar ESR för kondensator C, medan k är positionerad som faktorn lika med:

k = (R2 + r) / R.

För att säkerställa att kretsen fungerar korrekt får faktor k-värdet inte vara över 0,333.

Om den höjs över detta värde kommer IC 555 att bli okontrollerat oscillerande läge vid en extremt hög frekvens, som enbart kommer att kontrolleras av chipets utbredningsfördröjning.

Du hittar en exponentiell fras i utgångsfrekvensen för IC med 10X, som svar på en ökning av faktorn k från 0 till 0,31.

Eftersom den ökar ytterligare från 0,31 till 0,33, orsakar utmatningsfrekvensen att öka med ytterligare 10X.

Förutsatt att R1 = 4k7, R2 = 2k2, en minimal ESR = 0 för C, bör k-faktorn eb runt 0,3188.

Antag nu att vi har ESR-värdet på cirka 100 ohm, skulle få k-värdet att öka med 3% vid 0,3886. Detta tvingar nu IC 555 att svänga med en frekvens som är 3 gånger större jämfört med den ursprungliga frekvensen vid r = ESR = 0.

Detta visar att när r (ESR) ökar orsakar en exponentiell ökning av frekvensen för IC-utgången.

Hur man testar

Först måste du kalibrera kretsresponsen med en högkvalitativ kondensator med försumbar ESR, och med ett kapacitansvärde som är identiskt med det som behöver testas.

Du bör också ha en handfull olika motstånd med exakta värden från 1 till 150 ohm.

Rita nu ett diagram över utfrekvens vs. r för kalibreringsvärdena,

Anslut därefter kondensatorn som behöver testas för ESR och börja analysera dess ESR-värde genom att jämföra motsvarande IC 555-frekvens och motsvarande värde i det ritade diagrammet.

För att säkerställa en optimal upplösning för lägre ESR-värden, till exempel under 10 ohm, och för att bli av med frekvensskillnader, rekommenderas att man lägger till ett motstånd mellan 10 ohm och 100 ohm i serie med kondensatorn som testas.

När r-värdet har erhållits från diagrammet har du bara subtraherat det fasta motståndsvärdet från detta r för att få ESR-värdet.