Внутреннее сопротивление конденсатора электролитического: таблица. ESR конденсатора, что это за параметр и почему он так важен для конденсатора

Как измерить ESR конденсатора при помощи FNIRSI DSO-TC2 / Хабр

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”.

наш герой

Измерение ESR или ЭПС – эквивалентное последовательное сопротивление, Краснодар, Белецкий А. И.

Повышение ESR или ЭПС – внутреннего сопротивления конденсатора, происходит из – за разрушения контакта ножек с фольгой. В электролитических конденсаторах, медные ножки выводов соединяются с алюминиевой фольгой электродов, методом обжимки. Со временем, при воздействии термоЭДС и окисляющих факторов поверхности деталей в местах соединений разрушаются, и электрический контакт соединений пропадает. Повышение ESR или ЭПС, чаще происходит в миниатюрных электролитических конденсаторах.

В них, кроме малой толщины соединительных деталей, добавляется малый размер. Чем меньше размеры деталей, тем технологически сложнее производить качественную обжимку ножек выводов фольгой обкладок. По этому, из – за технологических ограничений в миниатюрных электролитах получается больший процент брака, а в нормальных, по причине малой площади контакта, гораздо быстрее происходит разрушение контактной области что ведет к увеличению внутреннего динамического сопротивления – ESR или ЭПС.

Увеличение внутреннего сопротивления электролитических конденсаторов, приводит к их сильному внутреннему нагреву в токовых цепях и эквивалентно потери емкости в сигнальных цепях.

Пригодность к эксплуатации электролитического конденсатора, определяется двумя основными параметрами.

Внутренним сопротивлением переменному току.
Собственной емкостью.

При длительной эксплуатации и повышенной температуре происходит потеря емкости, а так же повышается внутреннее сопротивление переменному току. При чем, эти два процесса никак не связаны между собой.

Уменьшение емкости происходит потому, что при воздействии высокой температуры, из электролита испаряется влага.

Причины увеличения ESR или ЭПС, описаны в верхнем абзаце.

Эти факторы вызывают различные сбои в работе, отказы, неисправности радиоэлектронной аппаратуры. Для их выявления существуют измерительные приборы. В последнее время, с развитием микропроцессорных технологий измерение емкости и ESR или ЭПС начали объединять в один прибор.

В радиолюбительской литературе существует множество различных схем измерителей ESR или ЭПС. Все приводимые приборы – это измерители сопротивления на переменном токе 30-100кГц., чтобы при работе прибора не было слышно звукового сигнала.

Конструкции измерителей ESR или ЭПС можно разделить на три вида.

Измеритель ESR или ЭПС без гальванической развязки измерительных и измеряемых цепей.

   

Измеритель ESR или ЭПС с частичной гальванической развязкой измерительных и измеряемых цепей.

   

Измеритель ESR или ЭПС с полной гальванической развязкой измерительных и измеряемых цепей.

   

Есть интересный вариант – измеритель ESR или ЭПС с синхронным детектором.

   

С ув. Белецкий А. И.       09.09.2012г.     Кубань Краснодар.

Что такое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR)?

Что такое эквивалентное последовательное сопротивление?

Эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора — это внутреннее сопротивление, которое появляется последовательно с емкостью устройства. Почти все конденсаторы проявляют это свойство в той или иной степени в зависимости от конструкции, диэлектрических материалов, качества и надежности конденсатора.

Значения эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) находятся в диапазоне от нескольких миллиом до нескольких Ом и приводят к потерям мощности, снижению эффективности и нестабильности цепей источников питания и регуляторов.

Источник изображения

Алюминиевые электролитические конденсаторы и танталовые имеют более высокие ESR, чем керамические конденсаторы той же емкости и номинального напряжения. Конденсаторы из полипропилена и полиэстера находятся между ними, но обычно не используются в импульсных источниках питания из-за их больших физических размеров.

Основные части ESR

• Металлическое сопротивление
• Электролитическая и бумажная стойкость, зависящая от частоты и температуры
• Диэлектрик, зависящий от частоты

Факторы, повышающие значение ESR

1. Плохие электрические соединения; – Соединение между медными выводами и алюминиевыми пластинами в конденсаторе обычно выполняется сваркой или механическим обжимом. Этот тип соединения вводит некоторое последовательное сопротивление и используется, потому что алюминий нельзя паять.
2. Сушка раствора электролита конденсатора. По мере высыхания жидкой составляющей электролита из-за повышенных температур электрическое сопротивление увеличивается.
3. СОЭ увеличивается с повышением температуры и частоты. В источниках питания с большими токами рассеивание мощности, связанное с ESR, может еще больше увеличить температуру и привести к выходу из строя конденсатора.

Влияние частоты на ESR

ERS — это часть импеданса конденсатора, вызывающая общие реальные потери мощности. Это зависит от частоты, как видно из приведенного ниже уравнения:

Где DFR — коэффициент рассеяния, связанный с контактным сопротивлением, DFL — с потерями утечки, а DFD — диэлектрические потери.

Сверху утечки и диэлектрические потери уменьшаются с увеличением частоты до тех пор, пока контактное сопротивление не станет преобладающим до определенной точки. За пределами этой точки ESR становится очень высоким на более высоких частотах, в основном из-за скин-эффекта сигнала переменного тока.

Минимизация ESR в цепях

• В высокопроизводительных устройствах используются конденсаторы с низким ESR, такие как твердотельные полимерные конденсаторы с низким ESR, танталовые конденсаторы и многослойные керамические конденсаторы (MLCC).
• Конденсаторы соединены параллельно в таких местах, как сглаживающие цепи питания. Конденсаторы малой емкости подключаются параллельно, в отличие от подключения одного большого конденсатора. Это снижает эффективный ESR в дополнение к уменьшению напряжения пульсаций и позволяет схеме работать с более высокими токами с меньшими потерями.

Параллельное соединение конденсаторов

Источник изображения

Производители конденсаторов предоставляют графики ESR в определенном диапазоне частот, и можно легко определить ESR на предполагаемой частоте. Иногда они не указывают ESR, а вместо этого указывают коэффициент рассеяния. В таком случае СОЭ рассчитывается из:

Где DF — общий коэффициент рассеяния от всех элементов потерь конденсатора.

Измерение эквивалентного последовательного сопротивления

Измерители ESR используются для измерения последовательного сопротивления как в цепи, так и вне ее. Во время измерения некоторые измерители сначала выполняют контролируемый разряд заряженных конденсаторов перед измерением ESR и емкости.

ERS обычно выражается как максимальное значение при 120 Гц и 100 кГц для танталовых и алюминиевых электролитических конденсаторов и при 100 кГц для пленочных конденсаторов.

Преимущества конденсаторов с низким ESR

Преимущество конденсаторов с низким ESR заключается в минимизации потерь в конденсаторах, повышении эффективности и стабильности источника питания при одновременном снижении пульсаций выходного напряжения. Некоторые характеристики, которые приводят к более низкому ESR, включают большую емкость, низкий коэффициент рассеяния и низкое напряжение на конденсаторе.

Характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов — United Chemi-Con

перейти к содержанию Характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов

Алюминиевый электролитический конденсатор состоит из анодной фольги, катодной фольги и разделительной бумаги, которые намотаны вместе и пропитаны электролитом. Анодная фольга имеет слой оксида алюминия, выполняющий роль диэлектрика. После электрохимического травления тонкой алюминиевой фольги (от 65 до 100 микрон) для увеличения площади поверхности пластины путем анодного окисления на ее поверхности получают диэлектрик. Катодная фольга, как правило, не использует процесс окисления.

Радиальный вывод (тип VB)	Большая банка
A Провод	G Алюминиевая заклепка
B Алюминиевый язычок	Н Терминал
C Уплотнительная резина	I Резина
D Втулка	J Фенольный
E Банка	K Алюминиевый язычок
F Элемент	Л Элемент
	M Лента
	Н Банка
	О Втулка
	P Заливочный материал
	Q Торцевой изолирующий диск

Эквивалентная схема
Эквивалентная схема алюминиевого электролитического конденсатора показана ниже. Из-за физических элементов конструкции и конструкции конденсатор имеет не только емкость, но также последовательное сопротивление и индуктивность, а также параллельное сопротивление, обеспечивающее протекание тока.

R _ESR = эквивалентное последовательное сопротивление
R _DCL = ток утечки
C = емкость
L _ESL = эквивалентная последовательная индуктивность

Емкость
Емкость алюминиевых электролитических конденсаторов, а также других конденсаторов выражается следующим уравнением:

Где:
E = диэлектрическая проницаемость
S = площадь поверхности диэлектрика (см 2 9021 2 )
д = Толщина диэлектрика (см)

Большая емкость может быть получена, когда:

1. высокая диэлектрическая проницаемость
2. площадь поверхности большая
3. диэлектрик тонкий

В алюминиевых электролитических конденсаторах диэлектрическая проницаемость составляет всего 8-10, но диэлектрический слой оксида алюминия очень тонкий (около 15 Å на вольт). Фольга с высоким коэффициентом усиления, полученная электрохимическим травлением, создает увеличение поверхности или усиление в 100 раз для фольги низкого напряжения и в 20–25 раз для фольги высокого напряжения.

Таким образом, алюминиевый электролитический конденсатор может обеспечить большую емкость по сравнению с другими типами конденсаторов того же объема.

Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR)
Критически важным компонентом при производстве конденсатора, который всегда необходимо учитывать, является эквивалентное последовательное сопротивление. Именно это сопротивление приводит к выделению тепла в конденсаторе при подаче переменного тока. Эквивалентное уравнение для ESR показано ниже.

R _ESR = R ₁ + R ₂ + R ₃

Где:

• Длина фольги rl
• Вкладка
• Отводящие провода
• Омическое контактное сопротивление

R ₁ = Сопротивление за счет толщины оксида алюминия
R ₂ = Сопротивление за счет комбинации электролит/прокладка
R ₃ = Сопротивление за счет материалов

Количество тепла, выделяемого пульсирующим током, зависит от ESR конденсатора. Чтобы иметь низкое ESR, необходимо контролировать характеристики электролита, разделительной бумаги, выравнивание обмотки элемента, положение выступов, а также увеличение и конструкцию ямок протравленной фольги. Все это влияет на ESR конденсатора.

Ток утечки (DCL)
Диэлектрик конденсатора имеет очень высокое сопротивление, которое препятствует протеканию постоянного тока. Однако в диэлектрике есть области, которые пропускают небольшое количество тока, называемого током утечки. Области, допускающие протекание тока, обусловлены очень маленькими участками примесей фольги, которые не являются однородными, а диэлектрик, образованный на этих примесях, не создает прочной связи. Когда конденсатор подвергается воздействию высоких напряжений постоянного тока или высоких температур, эти связи разрушаются, и ток утечки увеличивается. Ток утечки также определяется следующими факторами:

1. Значение емкости
2. Приложенное напряжение в зависимости от номинального напряжения
3. Предыдущая история

Ток утечки пропорционален емкости и уменьшается по мере уменьшения приложенного напряжения. Если конденсатор находился при повышенных температурах без подачи напряжения в течение длительного времени, может произойти некоторая деградация оксидного диэлектрика, что приведет к более высокому току утечки. Обычно это повреждение устраняется при повторной подаче напряжения.

Эквивалентная последовательная индуктивность (ESL)
Индуктивность конденсатора является постоянной величиной и в основном зависит от расстояния между выводами конденсатора. Индуктивность составляет от 4 нГн для миниатюрных радиальных конденсаторов до 34 нГн для больших цилиндрических конденсаторов. Вообще говоря, индуктивность не влияет на общий импеданс, если только конденсатор не работает на очень высоких частотах.

Полное сопротивление
Полное сопротивление — это сопротивление, противодействующее протеканию переменного тока определенной частоты. Это связано с емкостью и индуктивностью через емкостное и индуктивное реактивное сопротивление, а также с сопротивлением. Значение импеданса выражается в Омах.

Факторы, влияющие на значение импеданса:

1. Емкостное реактивное сопротивление (емкость) – низкое
   Диапазон частот: X _C = ½(Pi)fC
2. ESR (сопротивление) — средний диапазон частот
3. Индуктивное реактивное сопротивление (индуктивность) – высокий
   Диапазон частот: X _L = 2(Pi)fL

Обычно предпочтительнее более низкое значение импеданса в среднем диапазоне частот. Следовательно, сочетание более низкого значения импеданса и более низкого значения ESR приводит к лучшим характеристикам конденсатора. Из-за физической конструкции конденсатора при одном и том же заданном напряжении конденсатор с меньшим размером корпуса имеет более высокое значение ESR. И при одном и том же заданном значении емкости более высоковольтный конденсатор имеет более низкое значение ESR (за исключением высоковольтных диапазонов).

Номинальное напряжение
Номинальное (или рабочее) напряжение представляет собой сумму постоянного напряжения и наложенного переменного напряжения, которое может непрерывно прикладываться к конденсатору. Снижение приложенного напряжения снизит частоту отказов конденсатора.

Пульсирующий ток
Пульсирующий ток — это выраженное в амперах среднеквадратичное значение переменного тока, протекающего через конденсатор. Чтобы обеспечить срок службы алюминиевых электролитических конденсаторов, максимально допустимый пульсирующий ток должен быть рассчитан по следующей формуле:

Где:
T _МАКС. = температура центра конденсатора
T _a = температура окружающей среды )
B = Постоянная теплопередачи
A = Площадь поверхности банки
Дельта T = Повышение температуры, вызванное внутренним нагревом (T _MAX – T _a )

Где:
Если приложенный пульсирующий ток выше указанного максимально допустимого пульсирующего тока, рассчитанного по уравнению выше , срок службы конденсатора сокращается (поскольку подаваемый пульсирующий ток вызывает выделение тепла), а в крайних случаях вентиляционное отверстие конденсатора разрывается.