Итак, что же такое это самое ESR и как оно измеряется? Несколько человек обратились ко мне по
электронной почте именно с этим вопросом. Видно их не удовлетворили несколько интернет - публикаций на эту тему. Но как же мне объяснить этот параметр простым "обывательским" языком, не прибегая к спецтерминологии и не приводя массу формул, которые начинающему радиолюбителю или ремонтнику абсолютно ничего не покажут? Да, это эквивалентное последовательное сопротивление, правильно. Нарисованы всякие там резисторы последовательно с конденсатором - ну это все и ежу понятно. А вот что это за резистор и какова его природа, суть и методы измерения - слабовато описано. Да и однобоко как-то. Из некоторых статей следует, что ESR - стабильный параметр. Я с этим совершенно не согласен. Если кто-то думает, что это просто резистор с определенным сопротивлением - нет. Не так все просто. Сейчас я попробую объяснить, что же это такое на примерах.
На основании чего я буду делать выводы? На основании своего более чем 25-ти летнего опыта ремонта радиотелеаппаратуры (уже пришлось подкорректировать, время бежит, скоро все эти ESRы у меня перестанут быть актуальны
А начинал я свою трудовую деятельность в телеателье радиомехаником на потоковом ремонте еще в эпоху товарища . Так что я не голословен. Это не научный труд, а просто результаты моих наблюдений за электролитическими конденсаторами со времен К50-6 армянского производства. Но в СССР тогда ESR еще не было
Хотя мы бились с ним вовсю и каких только прилад для выявления не придумывали к нашим орденоносным "Цэшкам".
Сначала эксперимент. Из моей "коллекции" взяты 35 заведомо неисправных конденсаторов производства зарубежных фирм из блоков строчной развертки и питания телевизоров. Все они стояли, как разделительные. Номиналы от 4,7 до 47 микрофарад на напряжение от 16 до 100 вольт.
Берем генератор звуковой частоты Г3-111 и дополняем его комплиментарным транзисторным буферным каскадом. Выход буфера подключаем к конденсатору через резистор 100 ом. Напряжение на резисторе конторолируем компьютерным осциллографом DSO 2100 с переодическим пересчетом параметров сигнала. Выставляем частотукГц, чтобы минимизировать реактивность конденсатора, и плавно увеличиваем амплитуду сигнала от 0 до 1В. Наблюдаем за током через конденсатор (по падению напряжения на резисторе) и по нему ориентируемся на значение ESR. Повторяем эксперимент с другими конденсаторами.
И что же мы видим? Ток через разные конденсаторы принимал совершенно непредсказуемые значения, по самым разнообразным кривым при разной амплитуде. Ток то рос, то вдруг рост останавливался до нового значения амплитуды сигнала, то снова начинал расти или падать. Это только то, что я увидел. Теперь немного порассуждаем.
Что такое электролитический конденсатор? Электронный элемент, обладающий электрической емкостью. Как устроен алюминиевый конденсатор? Три скрученных в рулон ленты: крайние – алюминиевые, а средняя – диэлектрик (либо две оксидированные).Они помещены в алюминиевый стакан, залиты электролитом и загерметизированы, а через слой герметика к алюминиевым лентам подведены и приштампованы электроды. Все! Просто, как картошка! А почему же от этих радиоэлементов столько зла? Штамповка (или клёпка) – процесс механический и ненадежный, когда речь идет об алюминии. И стоит только появиться микрозазору и слою окисла из-за плохой штамповки электродов к лентам-обкладкам – получите ESR. А при действии импульсного тока этот зазор растет, слой окисла тоже, соответственно увеличивается и ESR. А еще электрохимические процессы в электролите дополнительно разрушают контакт. Этот процесс можно сравнить с плохим контактом в вилке электроприбора. Начинается все с легкого нагревания, а через некоторое время смотришь – плавиться начала. Увеличилось сопротивление этого контакта – увеличилась и рассеиваемая контактом мощность. Если бы мы сказали “увеличилось ESR вилки”, то это было бы справедливо. Можно ли говорить о некоем стабильном сопротивлении такого контакта? Нет конечно. Это же утопия. Какое же может быть стабильное сопротивление у плохого контакта? Все зависит от условий измерений: среды, формы и амплитуды тока, и т. д. и т. п. Это все равно, что при нажатии кнопки с “дребезгом” сказать, что кнопка дает 4 импульса “дребезга”. И когда мы говорим о измерении ESR, то мы имеем ввиду только начальное его значение, при заданном нами токе. Именно начальное, а не вообще о ESR, как о стабильном параметре. Справедливости ради замечу, что вообще-то термином ESR за рубежом описывается сумма всех внутренних сопротивлений конденсатора, но в этой сумме доминирующую роль играет именно сопротивление плохого контакта, поэтому я рассказываю именно о нем. А когда я увидел на одном сайте таблицу допустимых значений ESR, то вообще был в шоке. Я теперь не удивлюсь, если рядом появится таблица с допустимым уровнем сгорания микросхем, это было бы логичное продолжение.
Примечание: тем, кому интересно более научное представление конструкции электролитического конденсатора, необходимо обратиться к узкоспециализированной технической литературе, на пальцах это объяснить невозможно, хотя я и попытался. В одном из форумов я прочитал реакцию одного крутонаучного всезнающего товарища на этот абзац, он назвал это "странным представлением". Его тоже пошлем на библиотеку, читать книжки с формулами.
Итак, итог этой части: ESR – совершенно непредсказуемый параметр и при разных условиях имеет разное значение, т. е. нельзя сказать, что у конденсатора ESR 5 ом, а надо уточнить, при каком напряжении, при какой форме и при какой частоте испытательного сигнала, потому что при других параметрах ESR будет другим. Другой важный вывод – измерительный генератор не может быть с “падающей” выходной характеристикой, т. к. ESR в большинстве случаев просто себя не проявит, если не достигло немыслимой величины. И аксиома: любое значение ESR, начиная с 1 ома – это неисправность конденсатора, особенно разделительного в импульсной цепи, и не надо никого путать бредом о допустимости значений. Другое дело, если конденсатор стоит в цепях фильтрации напряжения – здесь можно еще подумать, стоит или нет менять конденсатор с ESR 3 ом, ведь все равно конденсаторы фильтра ставятся с многократным запасом по емкости. И спросить себя конкретно, есть ли какая-нибудь разница между конденсатором с ESR в 2 ома и конденсатором с ESR в 3 ома. Скорее всего вы в душе просто пожмете плечами и это будет правильно . Конденсатор неисправен – это главное, т. к. он имеет повышенное значение ESR.
Теперь поговорим о методах измерения ESR. Измерение бывает двух видов: внутрисхемное – т. е. без выпайки конденсатора из схемы и внесхемное, т. е. с выпайкой. Первое организовать достаточно сложно вот почему: сигнал измерительного генератора не должен привышать значение 100мВ, а это требует при измерении очень высокой чувствительности и линейности детектора. Почему именно 100мВ? Потому, что уже при 100мВ открываются переходы германиевых диодов и транзисторов, а они все еще широко используются в составе микросборок, микросхем и как дискретные элементы в электронной аппаратуре, особенно с низковольтным питанием. Следом открываются кремниевые переходы. И если вы попытаетесь измерить начальное значение ESR прибором с напряжением на щупах более 100мВ – это будет не измерение значения ESR конкретного конденсатора, а измерение комплексного сопротивления цепи на переменном токе, т. е. полная фигня. Внесхемное измерение организовать куда проще.
Приборы для измерения ESR работают по одному и тому же принципу: измерительный генератор (у всяких дешовых поделок он вырабатывает “меандр”, а в дорогих измерителях – только правильную синусоиду для избежания резонансов цепей), детектор с усилителем и индикатор (стрелочный или светодиодный). Схема измерения организуется так:
--
Изображение
--
Или вот так:
-
Изображение
-
Большая часть приборов организована именно по первой схеме (кстати, спрашивали - отвечаю: измеритель "GLOS-Phantom" тоже). Как вы уже заметили, резистор и конденсатор образуют делитель напряжения. Частота генератора выбирается из соображений нейтрализации реактивного сопротивления измеряемого конденсатора и при 50 – 100 кГц реактивное сопротивление любого конденсатора, начиная с 1 мкФ близко к нулю.
Так что мы фактически имеем дело с чистым ESR. А далее, измеряя падение напряжения на нижнем плече делителя, получаем показания, пропорциональные (или обратнопропорциональные) ESR. А теперь представьте себе, что мы делаем внутрисхемное измерение при значении выходного напряжения измерительного генератора более 100 мВ. У конденсатора Cx, предположим, огромное ESR, но в связи с большим выходным напряжением измерительного генератора цепь, в которой работает конденсатор, его шунтирует и что мы получим в итоге? Правильно, достаточно низкое значение ESR по показаниям индикатора.
Подведем итог этой части: приборы, с напряжением на щупах более 100мВ и (или) генерирующие “меандр” не подходят для внутрисхемных измерений. Частота измерительного генератора не должна быть менее 50 кГц, т. к. в противном случае на результат измерения будет влиять реактивное сопротивление конденсатора. В подтверждение своих выводов могу привести такой факт: ни один внутрисхемный фирменный измеритель ESR не имеет напряжение на щупах более 100 мВ и абсолютно все содержат синусоидальный генератор с "жесткой" нагрузочной характеристикой. Да, приборы получаются достаточно сложными по схемотехнике и дорогими, но они и служат для того, чтобы зарабатывать деньги и всегда оправдывают свою стоимость.
Хочу еще заметить вот что, не в обиду будь сказано народным умельцам. Если вы держите в руках "нечто" и у этого "нечто" отклоняется по-разному стрелка (или загораются светодиоды) при подключении разных резисторов, то совершенно необязательно, что это "нечто" будет вам правильно показывать наличие или отсутствие ESR конденсатора. Просто надо задать себе вопрос: а что же это там кретины - разработчики в странах "развитого капитализма" так усложняют схемотехнику, когда можно все сделать чуть ли не на одной цифровой микросхеме? Но выводы делать вам, я - то их уже сделал, когда из чистого любопытства повторил пару конструкций и перемерял ими кучу неисправных конденсаторов. Да, в некоторой степени даже неправильно сконструированные приборы помогают выявить неисправность, как, например, неправильно показывающий напряжение вольтметр, но речь-то идет об "измерении", а не об "индикации" (знакомые с метрологией меня поймут, они знают, чем отличается измерительный прибор от индикатора). Просто на каком-то этапе у нас в стране эти два понятия перепутались.
Из своей практики ремонта скажу - один единственный маленький конденсатор с повышенным ESR способен испортить жизнь любому ремонтнику, вплоть до потери авторитета. В моей памяти немало случаев, когда даже "зубры" ремонта расписывались в своем бессилии при ремонте того или иного аппарата. Поэтому советую вот что - прежде чем заменить неисправный полупроводник, задайте себе вопрос - а почему он сгорел? Очень часто причиной неисправности окажется именно конденсатор с повышенным ESR.
Глашев Олег, “Техника и технологии”, 2003
