Измеритель ESR электролитических конденсаторов

Все мастера хорошо знают, как часто причиной неисправности является “высохший” электролитический конденсатор. В ряде случаев обычный измеритель емкости не помогает его выявить, поскольку проблема не в потере емкости, а в увеличении паразитного активного сопротивления конденсатора. Автор предлагает простой прибор, позволяющий без демонтажа конденсатора измерить этот параметр и найти “отказника”.

Область применения оксидных (электролитических) конденсаторов весьма обширна. С их влиянием на надежность и качество работы радиотехнических систем сталкиваются специалисты в различных областях электроники. Конденсаторы имеют множество показателей для определения их качества и назначения. Достаточно достоверными параметрами, позволяющими оценить их работоспособность и области применения, служат: емкость, рабочее напряжение, ток утечки и массогабаритные характеристики.

С течением времени выросли мощности и частоты, на которых применяются оксидные емкости. Частота современных импульсных преобразователей, к ним относятся и блоки питания, и системы разверток, составляет десятки кГц, мощность – десятки Вт. Это привело к росту токов, протекающих через конденсаторы, соответственно повысились требования к их параметрам. Вследствие нарушения технологии при массовом производстве качественные показатели конденсаторов не всегда соответствуют стандартам. Особенно это сказывается на значении такого параметра, как “эквивалентное последовательное сопротивление”, или ESR. Следует отметить, что эта проблема слабо освещена, по крайней мере, в доступной, популярной литературе.

Не претендуя на высокую достоверность и глубокий анализ при описании вопросов, попытаюсь все же объяснить суть проблемы читателю, не знакомому с причинами повышения ESR и характером связанных с этим неприятностей.

Физически оксидный конденсатор – это две алюминиевые ленточные обкладки, на одну из которых нанесен оксидный слой. В местах, определенных требованиями технологии, к металлическим лентам обкладок крепятся алюминиевые контакты. Затем к ним различными способами крепят выводы для распайки. Все это сворачивают в цилиндр и помещают в корпус. Через герметичный изолятор выводят контакты наружу.

Не будем забывать, что в конденсаторе протекают электрохимические процессы, разрушающие контакты в зоне соединения. В результате сопротивление в этом месте повышается до десятков Ом. Это эквивалентно включению последовательно с конденсатором резистора, что, естественно, влияет на характер зарядно-разрядных процессов. Кроме того, на этом резисторе рассеивается тепловая мощность, вызывающая разогрев конденсатора и активизацию электрохимических процессов в зоне контактов.

Наиболее знакомо мастерам проявление эффекта повышенного ESR в блоках питания телевизоров. По статистике в импульсных блоках питания конденсаторы выходят из строя с высокой вероятностью, что влечет за собой более серьезные последствия. По причине увеличения ESR печально известных конденсаторов емкостью 10 и 47 мкФ, в недорогих китайских телевизорах выходит из строя не только блок питания, но и блок разверток. Причем измерение емкости этих конденсаторов с использованием широко распространенных приборов приводит к положительным результатам: ESR до 5…15 Ом не влияет на точность измерения емкости, и конденсаторы диагностируются как исправные.

Для измерения ESR применимы, в частности, мостовые измерители сопротивления по переменному току. Для исключения влияния емкости на общее сопротивление измеряемой цепи частота питания моста должна находится в диапазоне 40…80 кГц. На этой частоте прибор определит активное сопротивление в области контакта с обкладками, так как реактивное сопротивление емкости на этих частотах имеет практически нулевое значение. Разумеется, использование моста – “академический” способ, он занимает время и требует демонтажа конденсатора. За рубежом продаются измерители ESR, позволяющие проверить исправность оксидных конденсаторов непосредственно в схеме, что значительно сокращает время на ремонт и упрощает поиск типовых неисправностей. Стоимость таких приборов относительно высока: $150…300, не все они достаточно компактны и удобны в работе. Недорогие модели часто выходят из строя при попытке проверить неразряженный конденсатор.

Предлагаемый прибор – это одна из разновидностей омметра, работающего на переменном токе. Относительно высокая частота измерительного сигнала позволяет измерять ESR независимо от емкости конденсаторов, а малое значение его амплитуды позволяет проверять конденсаторы без демонтажа, поскольку p-n-переходы на основе кремния при напряжениях ниже 400 мВ не открываются. Принципиальная схема прибора приведена на рисунке. На D1.1, D1.2 собран генератор импульсов с частотой 60…65 кГц, на D1.3 – промежуточный усилитель, на остальных трех элементах той же микросхемы – усилитель мощности. Сигнал с его выхода поступает на делитель C3, R3, снижающий напряжение до уровня 200…300 мВ. Для повышения чувствительности измерительного прибора перед детектором включен повышающий трансформатор с соотношением витков 3:1. Трансформатор не только позволяет простым способом облегчить детектирование сигналов малой амплитуды и повысить линейность шкалы измерителя, но и обеспечивает надежную защиту стрелочного прибора при подключении к заряженному конденсатору.

Особых требований к деталям нет. В схеме использована микросхема CD74HCT04E, содержащая 6 инверторов. Защитные диоды – VD1 и VD2 типа 1N4001, но можно применить любые другие с рабочим током не ниже 1 А. Конденсатор С4 с рабочим напряжением не менее 250 В обеспечивает гальваническую развязку при наличии напряжения на измеряемом конденсаторе. Детекторный диод VD3 германиевый, типа Д9. Измерительный прибор любого типа, с током отклонения 50 мкА. Трансформатор наматывается на ферритовом кольце с наружным диаметром 12…20 мм и проницаемостью 2000. Обмотка I содержит 50 витков проводом 0,35…0,5 мм, обмотка II – 150 витков проводом 0,09…0,12 мм.

После сборки прибора надо подбором R2 добиться формы импульсов, близкой к меандру. Затем, замкнув выводы ESR_Х и зафиксировав в среднем положении потенциометр R4, подбором резистора R3 установить стрелку измерительного прибора в крайнее правое положение.

Для калибровки прибора к выводам ESR_X подключают наборы резисторов сопротивлением 1, 2, 5, 10, 20 Ом и отмечают положение стрелки на шкале. Перед измерением ESR надо замкнуть выводы щупов и резистором R4 установить стрелку в положение “0 Ом”. После этого прибор готов к работе.

При проверке конденсаторов емкостью ниже 4,7 мкФ и на напряжение выше 100 В прибор может показать повышенное, до 4…8 Ом, значение ESR – это является нормой для приборов такого типа.