Kondensatory elektrolityczne – pomiar rezystancji szeregowej ESR

Kondensatory elektrolityczne – pomiar rezystancji szeregowej ESR
Kondensatory elektrolityczne – pomiar rezystancji
szeregowej ESR
Andrzej Brzozowski
Parametr ESR (Equivalent Series Resistance) okreœla zastêpcz¹ rezystancjê szeregow¹ kondensatora. Na rysunku 1
przedstawiono schemat zastêpczy kondensatora.
C
ESR
Rys.1. Schemat zastêpczy kondensatora
Ka¿dy kondensator ma rezystancjê ESR. Rezystancja ta
sk³ada siê z rezystancji metalowych koñcówek kondensatora,
rezystancji p³ytek i rezystancji po³¹czeñ. Kondensatory elektrolityczne maj¹ dodatkowo rezystancjê elektrolitu i rezystancjê warstwy aluminium. Na rysunku 2 przedstawiono budowê
kondensatora elektrolitycznego.
• pracuj¹cych na du¿ych czêstotliwoœciach,
• pracuj¹cych z du¿ymi pr¹dami.
Na rysunku 3 przedstawiono przyk³ad zastosowania kondensatora elektrolitycznego jako kondensatora blokuj¹cego
wyjœcie w uk³adzie wzmacniacza mocy fonii.
Na rys.4 przedstawiono jak moc wyjœciowa uk³adu z rys.3
zmienia siê w funkcji czêstotliwoœci dla dwóch ró¿nych kondensatorów 100µF – pierwszy z nich ma ESR = 0, drugi ESR = 6R.
Moc wyjœciowa [W]
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
po³¹czenia
wyprowadzenia
aluminiowa p³ytka
ujemna
aluminiowa p³ytka
dodatnia
elektrolit
warstwa dielektryka
Rys.2. Budowa kondensatora elektrolitycznego
Rezystancja wyprowadzeñ i p³ytek kondensatora jest bardzo ma³a i mo¿na j¹ pomin¹æ.
Najwa¿niejszymi elementami ESR s¹:
• rezystancja po³¹czeñ,
• rezystancja elektrolitu.
W przypadku kondensatorów elektrolitycznych rezystancja elektrolitu zwiêksza siê w czasie – wynika to z procesu
wysychania elektrolitu.
Po³¹czenia kondensatora elektrolitycznego wykonane s¹ z
miedzi. Po³¹czenie miedzi i aluminium wykonywane jest metod¹ spawania lub ³¹czenia mechanicznego – poprzez zaciskanie. Problemy zwi¹zane z ka¿d¹ z tych metod powoduj¹, ¿e
rezystancja po³¹czeñ ma znacz¹cy wp³yw na ESR kondensatora elektrolitycznego.
ESR kondensatorów elektrolitycznych ma najwiêksze znaczenie w dwóch typach uk³adów:
Wzmacniacz
mocy fonii
ICxxx
100µF
Rys.3. Przyk³ad zastosowania kondensatora elektrolitycznego we wzmacniaczu mocy fonii
ESR=0
ESR=6
10
100
1k 10k 100k
Czêstotliwoœæ [Hz]
Rys.4. Charakterystyki mocy wyjœciowej wzmacniacza
fonii w funkcji czêstotliwoœci dla kondensatorów
z ró¿nym wspó³czynnikiem ESR
Na czêstotliwoœci 60Hz moc wyjœciowa dla obu kondensatorów jest porównywalna: 1.7W dla kondensatora 1 i 1.3W
dla kondensatora 2. Wynika z tego, ¿e kondensator o wiêkszym ESR pracuje poprawnie jako filtr napiêcia zasilania.
Na czêstotliwoœci 1kHz moc wyjœciowa uk³adu z „dobrym”
kondensatorem wynosi 10W, a moc wyjœciowa z kondensatorem o gorszym ESR wynosi 5.6W. Dla wiêkszych czêstotliwoœci ró¿nice w mocy wyjœciowej s¹ jeszcze wiêksze.
Przyczyn¹ tego efektu jest zale¿noœæ pomiêdzy ESR a pojemnoœciow¹ reaktancj¹ kondensatora Xc. Reaktancja Xc wyra¿a siê wzorem:
Xc=1/(2×Π×f×C)
gdzie:
• f oznacza czêstotliwoœæ,
• C oznacza pojemnoœæ kondensatora.
Dla idealnego kondensatora pracuj¹cego na okreœlonej czêstotliwoœci Xc reprezentuje jego rezystancjê na tej czêstotliwoœci. Im czêstotliwoœæ jest wy¿sza, tym rezystancja Xc jest
mniejsza. Na du¿ych czêstotliwoœciach kondensator dzia³a jak
zwarcie.
ESR powoduje, ¿e kondensator stanowi dzielnik rezystancyjny z rezystorami: ESR i Xc. Na niskich czêstotliwoœciach
ESR w tym dzielniku odgrywa ma³¹ rolê, poniewa¿ Xc jest dla
ma³ych czêstotliwoœci du¿o wiêksze ni¿ ESR.
Na du¿ych czêstotliwoœciach Xc d¹¿y do zera, a dominuj¹cym elementem dzielnika staje siê ESR. Na rezystancji ESR
powstaj¹ wówczas straty sygna³u.
SERWIS ELEKTRONIKI
Kondensatory elektrolityczne – pomiar rezystancji szeregowej ESR
ESR kondensatorów elektrolitycznych powoduje wiele problemów w uk³adach pracuj¹cych na ma³ych czêstotliwoœciach,
ale z du¿ymi pr¹dami. Przyk³adem takiego uk³adu mo¿e byæ
zasilacz, gdzie kondensator elektrolityczny jest zbiornikiem
energii.
Rozwa¿my uk³ad gdzie kondensator 20 000µF filtruje pr¹d
5A na czêstotliwoœci 50Hz. Kondensator jest do³adowywany
przez prostownik i roz³adowywany przez obci¹¿enie w czasie,
gdy prostownik nie przewodzi. Pr¹d 5A (“ripple current”) na
przemian p³ynie do i z kondensatora. Je¿eli kondensator ma
ESR = 0.5R, wydziela siê na nim 12.5W mocy, która podgrzewa kondensator. Wydzielone ciep³o powoduje wysychanie elektrolitu. Jednoczeœnie rezystancja szeregowa powoduje powstawanie têtnieñ napiêcia wyjœciowego. Je¿eli rozwa¿any uk³ad
wytwarza napiêcie 5V, to têtnienia napiêcia wyjœciowego wynosz¹ oko³o 2V co stanowi 40% napiêcia wyjœciowego.
Zasilacze impulsowe to uk³ady, gdzie kondensatory elektrolityczne pracuj¹ na du¿ych czêstotliwoœciach i z du¿ymi pr¹dami. W tych uk³adach ESR stanowi powa¿ny problem.
Zwykle kondensatory o mniejszej pojemnoœci maj¹ mniejsz¹ rezystancjê ESR. Dlatego te¿ w zasilaczach pracuj¹cych z
du¿ymi pr¹dami, w filtrach wyjœciowych stosuje siê kilka kondensatorów elektrolitycznych o mniejszej pojemnoœci po³¹czonych równolegle. Dodatkowo, aby zmniejszyæ ESR kondensatora elektrolitycznego, równolegle stosowany jest kondensator ceramiczny o wartoœci oko³o 10nF ÷ 100nF.
Przy naprawach serwisowych bardzo istotny staje siê pomiar wartoœci kondensatorów ESR.
Jak mierzyæ ESR?
Pomiaru ESR nie mo¿na wykonaæ zwyk³ym omomierzem,
poniewa¿ kondensator blokuje sk³adow¹ sta³¹. Pomiar ESR
dokonywany jest przy wykorzystaniu sygna³u zmiennego.
Mierniki rezystancji szeregowej ESR musz¹ dokonywaæ
pomiaru ignoruj¹c inne parametry kondensatora ³¹cznie z jego
reaktancj¹ pojemnoœciow¹, która na okreœlonej czêstotliwoœci
stanowi rezystancjê.
Jednym ze sposobów pomiaru jest okreœlenie ESR na pod-
stawie analizy kszta³tu sygna³u na kondensatorze ³adowanym
i roz³adowywanym ze Ÿród³a napiêcia sta³ego.
Na rysunku 5 przedstawiono schemat uk³adu wykorzystywanego do pomiaru.
W uk³adzie zastosowano Ÿród³o napiêcia sta³ego V o znanej rezystancji wyjœciowej R. W³¹czenie napiêcia V powoduje, ¿e kondensator C zaczyna siê ³adowaæ ze sta³¹ czasow¹ RC.
Napiêcie na idealnym kondensatorze powinno narastaæ od zera
do wartoœci V, któr¹ osi¹ga po czasie równym oko³o piêciu
sta³ym czasowym RC. Na rysunku 6 przedstawiono napiêcie
na kondensatorze idealnym (ESR = 0) ³adowanym ze Ÿród³a
napiêcia sta³ego w funkcji czasu.
Napiêcie na kondensatorze C
V
0
T0
T1
T2
T3
T4
T5
Sta³a czasowa
Rys.6. Napiêcie na kondensatorze idealnym (ESR=0)
³adowanym ze Ÿród³a napiêcia sta³ego w funkcji
czasu
Na rysunku 7 przedstawiono kszta³t napiêcia na kondensatorze z ESR ró¿nym od zera.
Napiêcie na kondensatorze C
V+VESR
a) Kondensator C idealny (ESR=0)
ród³o napiêcia V
VESR
R
+
C
V
-
R
V
-
ESR
C
Rys.5. Uk³ad do pomiaru parametru ESR
T0
T1
T2
T3
T4
T5
Sta³a czasowa
Rys.7. Napiêcie na kondensatorze z ESR ró¿nym od
zera
b) Kondensator C nieidealny (ESR=0)
ród³o napiêcia V
+
0
Pomiar
Pomiar
Napiêcie w pierwszym momencie narasta do wartoœci wynikaj¹cej z dzielnika R, ESR, a nastêpnie kondensator jest ³adowany ze sta³¹ czasow¹ (R+ESR)×C. Im wiêkszy jest ESR, tym
wy¿sze jest napiêcie pocz¹tkowe ³adowania kondensatora.
Mierz¹c wartoœæ pocz¹tkow¹ napiêcia na kondensatorze,
w ci¹gu kilku mikrosekund po w³¹czeniu ³adowania mo¿na
okreœliæ wartoœæ ESR kondensatora.
Im wy¿sze jest napiêcie VESR, tym wy¿sze jest ESR mierzonego kondensatora.
}
SERWIS ELEKTRONIKI