Необходимо заметить, что данный пост - это моё мнение, основанное на теоретических выкладках, проверить которые на практике я пока не удосужился.
ESR - Equivalent Series Resistance - один из параметров конденсатора, характеризующий его активные потери в цепи переменного тока. Для исправных конденсаторов этот параметр крайне мал. От единиц Ом до Миллиом. Для электролитических кондёров этот параметр со временем деградирует, что связано с подсыханием электролита.
Многие обзорщики отметили, что красивенький прибор от Fnirsi - DSO-TC2 не умеет измерять данный параметр, что вызвало сильное разочарование в этом, в общем-то, неплохом приборе начального уровня.
Заниматься его обзором я тут не буду, в инете очень много уже снято и, надеюсь, в ютубе никого не забанили. Отмечу лишь, что данный прибор содержит простенький осциллограф и встроенный генератор меандра.
Данный прибор будет полезен любителям-разработчикам и ремонтникам блоков питания небольшой мощности, трактов передачи звуковой частоты и всевозможным ардуинщикам.
Мои мысли основаны на переводной статье на радиопроге: https://radioprog.ru/post/757 авторства Farzin Asadi и Nurettin Abut (оригинал на https://www.electronicdesign.com/ мной не найден).
Итак, что будет, если соединить встроенные генератор меандра и осциллограф? - Последний покажет сигнал первого. А самое важное для нашей задачи - он покажет амплитуду данного сигнала в вольтах. Зачем нам это? - Воткнуть конденсатор между щупами. Что произойдет? - Амплитуда сигнала снизится обратно пропорционально сопротивлению конденсатора! Обратно пропорционально тому самому ESR.
Как узнать значение ESR? Провести поверку на резисторах заранее известного сопротивления.
Есть вероятность, что измерение будет неудачным, если внутреннее сопротивление выходного каскада генератора сигнала достаточно высоко. Могу предположить, что разработчик использовал на выходе MOSFET с очень низким сопротивлением. Но это требует проверки.
Почему я не проверил все эти выкладки сам? - Пока нет такой возможности. Я остался без единой деталюшки в результате релокации. А приборчик заказал уже в новую локацию (очень уж мне дизайн приглянулся, плюс, была скидка...). Несомненно, я потом проверю, но лапки сильно чешутся - поделиться своим мнением с сообществом.
P.S. Пока статья проходила модерацию кое-что проверил, а именно - ток короткого замыкания щупов и сопротивление прибора (мультиметра) при этой операции (на частоте 1kHz).
До замыкания через мультиметр мы имели Vpp = 5.16V, после - 0.15V, при токе 38 мА. Делим напряжение на ток 0.15/0.038 - получаем 3.947Ω - сопротивление мультиметра в режиме амперметра (и проводов, которыми я в дальнейшем пренебрегаю, т.к. короткое замыкание только на провода просаживает сигнал в ноль, значит их сопротивление настолько мало, что не может быть измерено подобным образом).
Теперь можно подсчитать сопротивление "источника питания" - генератора меандра. Ток мы знаем, падение напряжение на нагрузке 0.15V, остаток - падение на "источнике питания" - 5.16 - 0.15 = 5.01V. По закону Ома делим напряжение на ток - 5.01/0.038 - получаем 131.8Ω.
P.S.S. Уже после модерации раздобыл из старого дохлого устройства электролитический конденсатор на 470μF 6.3V Teapo SC серии, который в даташите помечен, как Low ESR. Прибор показывает, что кондёрчик аж на 510μF, но будем считать это погрешностью прибора и разбросом параметров самого конденсатора (по даташиту у него Capacitance Tolerance - ±20%). Ещё прибор показывает Vloss = 2.2%, что для старенького кондёра - предел мечтаний - можно сказать, что он "как новый".
Замыкаем генератор меандра на кондёр и измеряем падение напряжения - Vpp = 0.13V. Это меньше, чем при замыкании на мультиметр, значит и сопротивление (ESR) кондёра меньше, что уже хорошо. Но на Low ESR оно как-то не тянет. В даташите способ определения ожидаемого ESR достаточно запутанный и у меня вышло, что на частоте 1kHz он должен быть 0.07Ω, что сомнительно, но ладно.
Считаем, какой же реально вышел ESR. Напряжение, падающие на источнике тока: 5.16 - 0.13 = 5.03V, сопротивление его мы уже знаем - 131.8Ω (предполагаем, что оно не изменилось), значит, ток в цепи (по закону Ома): 0.0381517A. Ток во всей цепи одинаковый, значит, ESR конденсатора - 0.13V / 0.0381517A = 3.4Ω. Что для такого кондёрчика - уже на пределе допустимого, а скорее даже за пределами - подсох он чуток.
Чтобы не городить каждый раз расчёты достаточно сделать табличку с граничными значениями для отбора конденсаторов по критерию годен-негоден сразу по Vpp осциллографа.
Вот такое получилось у меня "мнение".
Комментарии (41)
Arhammon
05.02.2023 08:10+1Обычно меряют на 10-100кГц, это решает проблему реактивного сопротивления. Да и на практике у меня лично измерение ESR ни разу не пригодилось, даже с внутрисхемным низковольтным измерителем, всегда достаточно было глаз...
mikeveng73 Автор
05.02.2023 12:51-1Уже после написания последнего PSS я перемеривал на 10кГц и на 80кГц (больше приборчик не даёт). Порядок величин тот-же, но слегка меньше. Т.е. с частотой ESR всё-же падает. Не так значительно, как для реактивного сопротивления, но падает. Средний ESR для данного кондёра вышел порядка трёх Ом. Если не секрет, как именно "на глаз"? На что смотрели?
Arhammon
05.02.2023 16:15+1На симптомы неисправности или уже надувшийся конденсатор)
Исторически ESR метры делались на аналоговой головке и на низких частотах на фоне реактивного сопротивления небольших конденсаторов ESR будет просто не видно.
mikeveng73 Автор
05.02.2023 16:41-1Ну, надувшийся и неисправность - это зачастую слишком поздно ) Как я понимаю, измерялка ESR в современных условиях нужна чаще всего не при ремонте, а при "утилизации" старой техники (комп. блоков питания и т.п) радиолюбителями, с точки зрения - что бы из неё этакого полезного выпаять и дать ума в другом устройстве.
Arhammon
05.02.2023 19:59+1Ну пока оно не сломалось - все в порядке) Просто применимость трухольных компонентов в последнее время сократилась помоему даже у радиолюбителей, элементарно плату сделать под SMD проще и компактнее, сверлить не надо. При заказе плат - опять же площадь. Керамика и высокочастотные ШИМки вытеснили мелкие вечно дохнущие электролиты... А крупные чтоб померли - это надо постараться, вроде огромных нагрузок, засунуть конденсатор между радиаторами итп. Вот лежат советские, старше меня (те самые, которые по легендам с конвейера уже неисправны) выдранные из измериловки, по параметрам лучше новых TDK, Jamicon...
shkal
05.02.2023 22:43+2Вы меня простите, но ровно каждая написанная фраза - неверна.
1) Попробуйте на диджикее или маузере найти керамический смд конденсатор, скажем, 220uf 35V. Посмотрите цену ))
2) Причина выхода из строя почти 80% импульсных блоков питания - именно электролиты. Причём механизм саморазгоняющийся - у электролита больше esr, чем в среднем - больший нагрев - срок службы обратно пропорционален нагреву - имеем замену электролитов по кругу в БП через 3-5 лет вместо 10-15 по даташиту.mikeveng73 Автор
05.02.2023 23:06А, понял, вы оппонируете Arhammon. В том смысле, что натаскать дефицитных кондёрчиков проще с дохлых БП и проверить, не дохлые ли кондёрчики. Согласен. Заказывать и дольше и геморнее.
shkal
05.02.2023 23:48+1Нет, в том смысле, что измеритель ESR нужен в первую очередь для ремонта, когда я починяю импульсный БП, первое, что я делаю - измеряю ёмкость и ESR всех электролитов и сравниваю с даташитом. Превышение ESR в 2 раза и более - однозначно заменять.
mikeveng73 Автор
06.02.2023 00:54Я думаю, что профессионалам ремонтникам данный прибор будет абсолютно неинтересен. И осциллограф детский, и тестер недопиленный ) А вот всяким любителям - вполне зайдёт, как 2 в одном симпатишном корпусе. Ну а у любителей задачи другие и дохлая техника поступает не на лечение, а на вскрытие ))
VT100
05.02.2023 23:19В некоторых ATX видел шунтирование электолитов (по крайней мере — выходных) керамикой.
mikeveng73 Автор
06.02.2023 00:57+1Кстати, интересная тема - включение параллельно разных конденсаторов. В данном случае, полагаю, керамика нужна для поглощения ВЧ помех, которые электролит может и "не заметить" ) (гипотеза)
VT100
06.02.2023 08:43+1На мой взгляд — она берёт на себя часть пульсаций тока нагрузки (да, преимущественно на более высоких частотах) и снижает нагрев электролитов (Iripple² * ESR).
Arhammon
06.02.2023 08:58+1Преимущественно подавление помех, корекция ОС. Массовая, дешевая керамика на постоянном токе часто превращается в тыкву по емкости. Кстати даже керамика шунтируется керамикой, в реальном устройстве будет батарея конденсаторов, к примеру, 22/22(Y5V)/2(X7R)/0,2(NPO)мкф...
Arhammon
06.02.2023 06:541) Какой процент применимости 35 вольтовых конденсаторов в современной технике? И зачем на высокочастотной шимке 220мкф, нолик лишний?
2) Путаете причину и следствие, если кому то вдруг приходит гениальная идея заменить 90Вт БП, на 65Вт, а потом в 65Втном заменить входной конденсатор 120мкф450В на 100/400 и еще компактной серии в полностью закрытом, жарящимся в собственном соку, БП, то внезапно оказывается что БП и года может не прожить...
shkal
06.02.2023 10:54+1Боже, ну возьмите вы блок питания от монитора, например, и посмотрите, сколько в нём электролитов и каких номиналов.
Arhammon
06.02.2023 11:49-1Брал буквально неделю назад плату от своего моника, менял там лопнувший выходной 470на35. Там еще 2 таких, но они уже входные для понижающих преобразователей. Мне для того чтоб знать их состояние не нужен ESRметр...
Радиолюбитители практически не работают с такими конденсаторами. Они им не нужны, собрать импульсник с напряжениями 24 и выше всё таки требует каких-никаких знаний во избежание дырки в ключе. А линейному БП в общем пофиг на ESR.
В бытовой технике они и остались в мониках, да теликах. В тех же смартах не уверен, что даже 1 полимерник удастся найти, сплошь керамика.
Ну нет кейсов где ESR метр работает, да я знаю один случай на миллион где нашли неисправный полимерник с ESR на 0,01 больше чем у остальных и он был проблемой. Но это тот самый 1 случай на миллион. И тот требует уже довольно серьёзное оборудование.
shkal
06.02.2023 13:27Мне для того чтоб знать их состояние не нужен ESRметр...
И каким же образом вы их состояние определяете?
Arhammon
06.02.2023 13:55-1Эмпирически. Если 1 из 3 конденсаторов стоящих в одной цепи, одного номинала, одного производителя, одной даты выпуска ~15 лет назад, вскрылся, то остальные тоже свой ресурс отработали. Дальше 3 пути:
-забить на данный факт, поменять непосредственно неисправный.
-для зачистки совести померять что-нибудь, поменять по результату.
-заменить все.
В случае ремонтника, это больше вопросы моральные, бизнесовые. Кому-то норм брать с бабушки деньги каждый месяц, меняя по 1 диоду в подсветке, а кто-то купил пакет диодов, конденсаторов оптом и не заморачиваясь регламентно меняет всё...
Вот допустим в ситуации выше 1 конденсатор в обрыве, 1 штука ESR 0,5 ом 1 штука 0,15ом. Сколько конденсаторов поменяете?
shkal
06.02.2023 14:07+1Понятно. Вы никода не видели внешне абсолютно нормальных , "невскрытых" конденсаторов с завышенной ESR?
Arhammon
06.02.2023 15:05-1Когда-то давно собирал ESR метр и еле нашел ОДИН просто для проверки и тот с 5Ом прекрасно работал в устройстве... так что с кейсом выше, сколько менять будем?))
Если интересно, что было бы если конденсатор не вскрылся в ситуации когда на мониторе периодически исчезает изображение - то подрубил бы ослик на питач и по пульсациям было бы видно состояние...
shkal
06.02.2023 16:15+1Внешний блок звуковой карты EMU1616m, пришлось поменять штук 30 в каждом, 4-5 разных номиналов в шунтах питания ОУ, АЦП и ЦАП и фильтрации опоры, карта при этом работала, но например SFDR АЦП был -80дб вместо -110 по паспорту. Внешне все выглядели абсолютно нормально, при измерении ESR завышен в 2-3 раза, ёмкость занижена во столько же.
Импульсный БП какого-то самсунговского монитора, кроме вздувшихся основных банок на выходе вторичного питания, примерно 10-15 мелких электролитов в цепях управления, другой серии и ёмкости, такие-же. Перед началом любого ремонта взять в руки LCR-метер и проверить все электролиты на плате - сильно экономит время и деньги.
Arhammon
06.02.2023 16:48-1Ну ведь нашли бы то, что ОУ не хватает питания без измерения ESR? Просто у нас разные школы диагностики и ремонта, правильного варианта здесь по-моему нет. Можно и так и так...
shkal
06.02.2023 21:32Да с чего им не хватало-то? Стабы как работали, так и работают, локального шунтирования не было.
Ivanii
06.02.2023 21:46Сейчас еще китая заметно привалит, а у их не вздутых емкостей часто единственный признак дохлятины - завышенный ESR, у современных LowESR емкостей нормальный ESR 12 - 20 мОм для 10*20 мм корпуса.
mikeveng73 Автор
05.02.2023 16:48Да и ещё, если ESR на фоне Xc не видно - это замечтательно! Значит - кондёрчик рабочий ) А при указанном способе оценки по Vpp даже на 1кГц оно будет выглядеть, почти как КЗ - ровная линия. Жаль, но частоту генератора ниже 1кГц в режиме осциллографа установить не получается - ограничения интерфейса данного прибора.
shkal
05.02.2023 13:12+1Ничего подобного. Берём типичный. RLCmeter https://www.rlocman.ru/op/tovar.html?di=62513&/BR2822 и видим частоты 100, 120Гц, 1кГц, 10кГц. Мерить надо на частоте, близкой к рабочей для данного применения, если конденсатор стоит после мостика в линейном блоке питания - то на 100Гц, потому что ESR есть функция частоты. Измерения ESR нужны для определения исправности конденсаторов или в том случае, если не удалось найти даташит.
mikeveng73 Автор
05.02.2023 13:36Ага. Спасибо за информацию. 1кГц там есть, значит - уже хорошо. Лучше бы измерять синусоидой, но если цель - выяснить исправность, то задранный ESR будет видно и на меандере. Какая разница, если он окажется "неточным". Я тут глянул на нормативы, там указано, что ESR не должен быть больше 50% от Xc (для большинства случаев). Больше - уже устройство будет работать криво (или вообще не будет).
VT100
05.02.2023 21:30Коротить выход генератора на конденсатор:
- Моветон;
- Необходимость изготовления и поверки калибровочной таблицы к каждому прибору.
Про сдвиг фаз — написали в первом ответе.
grey_rat
07.02.2023 23:04+1Там где есть нагрев, обычный китайский конденсатор аля CapXon и пр. усыхает за пару лет. Даже 1 — 10мкф электролиты сохнут, при этом ёмкость у них может проседать на 10-20%, а ESR увеличиться до сотен ом, и внешне никаких признаков вздутия как правило не имеют. Например индукционные плитки, там под два десятка таких электролитических конденсаторов может быть.
Среди неисправностей импульсных блоков питания — конденсаторы и их ESR на первом месте.
shkal
Я вам открою страшный секрет - модуль сопротивления конденсатора не равно ESR )
mikeveng73 Автор
Вы про реактивное сопротивление (также реактанс)? Да. Этот момент я не учёл. А вообще, какова методика определения ESR? Если замерять реактанс на нескольких частотах, то они должны ложиться в одну кривую с известной формулой, и у этой кривой будет смещение на значение ESR вверх. Вроде как...
shkal
Если коротко, все Rlc meter измеряют комплексное сопротивление между двумя зажимами (модуль и фазу), и исходя из модели замещения конденсатора вычисляют С и ESR.
mikeveng73 Автор
"измеряют" - не объясняет "как".
shkal
Курите даташит http://www.cyrustek.com.tw/en/產品資訊/?main_type=LCR
mikeveng73 Автор
Похоже, что в микроконтроллерных аппаратах никто не заморачивается с измерением активной и реактивной мощности (как по научному бы надо), а измеряют по косвенным признакам, типа такого: https://studfile.net/preview/6215405/page:20/
mikeveng73 Автор
Кстати, посчитал Xc для данного конденсатора на частоте 1кГц = 1 / (2 * 3.1415 * 1000Hz * 0.00051F = 0.312Ом. Т.е. значительно меньше того, что вышло в эксперименте. Выходит, что это именно ESR стал настолько большим, что реактанс оставил далеко позади по значимости. Кстати, в даташите ESR считается через тангенс фи и он там порядка 20% от реактанса.
kuza2000
Наверное, только для определенной частоты?
И да, в меандре же не одна частота, а целый спектр.
mikeveng73 Автор
формула там одна. а вот тангенс фи может уже зависеть от частоты. для 1кГц tan fi (по даташиту) = 0.22