Esr конденсатора что это

8

Эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора

Мы уже привыкли к основным параметрам конденсатора: ёмкости и рабочему напряжению. Но в последнее время не менее важным параметром стало его эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС). Что же это такое и на что оно влияет?

Так как ЭПС наиболее сильно влияет на работу алюминиевых электролитических конденсаторов, то в дальнейшем речь пойдёт именно о них. Сейчас мы разберём электролитический конденсатор по косточкам и узнаем, какие же тайны он скрывает.

Любой электронный компонент не идеален. Это относится и к конденсатору. Совокупность его свойств показывает условная схема.

Как видим, реальный конденсатор состоит из ёмкости C, которую мы привыкли видеть на схемах в виде двух вертикальных полос. Далее резистор R_s, который символизирует активное сопротивление проволочных выводов, электролита и контактного сопротивления вывод – обкладка. На фото видно, как проволочные выводы крепятся к обкладкам методом заклёпочного соединения.

Так как любой, даже очень хороший диэлектрик имеет определённое сопротивление (до сотен мегаом), то параллельно обкладкам изображается резистор Rp. Именно через этот «виртуальный» резистор течёт так называемый ток утечки. Естественно, никаких резисторов внутри конденсатора нет. Это лишь для наглядности и удобного представления.

Из-за того, что обкладки у электролитического конденсатора скручиваются и устанавливаются в алюминиевый корпус, образуется индуктивность L.

Свои свойства эта индуктивность проявляет лишь на частотах выше резонансной частоты конденсатора. Приблизительное значение этой индуктивности – десятки наногенри.

Итак, из всего этого выделим то, что входит в ЭПС электролитического конденсатора:

Сопротивление электролита. Вносит основную долю в величину ЭПС. Увеличивается из-за испарения растворителя и изменения химического состава электролита вследствие взаимодействия его с металлическими обкладками. Идеальная формула электролита пока не найдена, поэтому до сих пор аппаратуру выкашивает «конденсаторная чума» (англ. «Capacitor plague»);

Сопротивление, которое вызвано потерями в диэлектрике из-за его неоднородности, примесей и наличия влаги;

Омическое сопротивление проволочных выводов и обкладок. Активное сопротивление проводов;

Контактное сопротивление между обкладками и выводами.

Все эти факторы суммируются и образуют сопротивление конденсатора, которое и назвали эквивалентным последовательным сопротивлением – сокращённо ЭПС, а на зарубежный манер ESR (Equivalent Serial Resistance).

Как известно, электролитический конденсатор в силу своего устройства может работать только в цепях постоянного и пульсирующего тока из-за своей полярности. Собственно, его и применяют в блоках питания для фильтрации пульсаций после выпрямителя. Запомним эту особенность конденсатора – пропускать импульсы тока.

А если ESR – это, по сути, сопротивление, то на нём при протекании импульсов тока будет выделятся тепло. Вспомните о мощности резистора. Таким образом, чем больше ЭПС – тем сильнее будет греться конденсатор.

Нагрев электролитического конденсатора – это очень плохо. Из-за нагрева электролит начинает закипать и испаряться, конденсатор вздувается. Наверное, уже замечали на электролитических конденсаторах защитную насечку на верхней части корпуса.

При длительной работе конденсатора и повышенной температуре внутри его электролит начинает испаряться, и давить на эту насечку. Со временем давление внутри возрастает настолько, что насечка разрывается, высвобождая газ наружу.

«Хлопнувший» конденсатор на плате блока питания (причина — превышение допустимого напряжения)

Защитная насечка также предотвращает (или ослабляет) взрыв конденсатора при превышении на его обкладках допустимого рабочего напряжения или при переполюсовке – подаче на него напряжения обратной полярности.

На практике бывает и наоборот – давление выталкивает изолятор со стороны выводов. Далее на фото показан конденсатор, который высох. Ёмкость его снизилась до 106 мкФ, а ESR при измерении составило 2,8Ω, тогда как нормальное значение ESR для нового конденсатора с такой же ёмкостью лежит в пределах 0,08 – 0,1Ω.

Электролитические конденсаторы выпускают на разную рабочую температуру. У алюминиевых электролитических конденсаторов нижняя граница температуры начинается с — 60°C, а верхняя ограничена +155°C. Но в большинстве своём такие конденсаторы рассчитаны на работу в температурном диапазоне от -25°C до 85°C и от -25°C до 105°C. На этикетке иногда указывается только верхний температурный предел: +85°C или +105°C.

Наличие ЭПС в реальном электролитическом конденсаторе влияет на его работу в высокочастотных схемах. И если для обычных конденсаторов это влияние не столь выражено, то вот для электролитических конденсаторов оно играет весьма важную роль. Особенно это касается их работы в цепях с высоким уровнем пульсаций, когда протекает существенный ток, и за счёт ESR выделяется тепло.

Взгляните на фото.

Вздувшиеся электролитические конденсаторы (причина — длительная работа при повышенной температуре)

Это материнская плата персонального компьютера, который перестал включаться. Как видим, на печатной плате рядом с радиатором процессора расположено четыре вздувшихся электролитических конденсатора. Длительная работа при повышенной температуре (внешний нагрев от радиатора) и приличный срок эксплуатации привёл к тому, что конденсаторы «хлопнули». Виной тому – нагрев и ESR. Плохое охлаждение отрицательно сказывается не только на работе процессоров и микросхем, но, как оказывается, и на электролитических конденсаторах!

Снижение температуры окружающей среды на 10°C продлевает срок службы электролитического конденсатора почти вдвое.

Аналогичная картина наблюдается в отказавших блоках питания ПК – электролитические конденсаторы также вздуваются, что приводит к просадке и пульсациям напряжения питания.

Неисправные конденсаторы в БП ПК ATX (причина — низкое качество конденсаторов)

Нередко из-за длительной работы импульсные блоки питания точек доступа, роутеров Wi-Fi, всевозможных модемов также выходят из строя по причине «хлопнувших» или потерявших ёмкость конденсаторов. Не будем забывать, что при нагреве электролит высыхает, а это приводит к снижению ёмкости. Пример из практики я описывал здесь.

Из всего сказанного следует, что электролитические конденсаторы, работающие в высокочастотных импульсных схемах (блоки питания, инверторы, преобразователи, импульсные стабилизаторы) работают в довольно экстремальных условиях и выходят из строя чаще. Зная это производители выпускают специальные серии конденсаторов с низким ESR и низким импедансом. На таких конденсаторах, как правило, присутствует надпись Low ESR или Low Impedance (Low Imp). Что, соответственно, означает, – низкое ЭПС, низкий импеданс. Также существуют серии с ультранизким ЭПС и ультранизким импедансом (Ultra Low ESR, Ultra Low Impedance).

Известно, что конденсатор обладает ёмкостным или реактивным сопротивлением, которое снижается с ростом частоты переменного тока.

Таким образом, с ростом частоты переменного тока, реактивное сопротивление конденсатора будет падать, но только до тех пор, пока оно не приблизится к величине эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). Его то и необходимо измерить. Поэтому многие приборы – измерители ESR (ESR-метры) измеряют ЭПС на частотах в несколько десятков – сотен килогерц. Это необходимо для того, чтобы «убрать» величину реактивного сопротивления из результатов измерения.

Стоит отметить, что на величину ESR конденсатора влияет не только частота пульсаций тока, но и напряжение на обкладках, температура окружающей среды, качество изготовления. Поэтому однозначно сказать, что ESR конденсатора, например, равно 3 омам, нельзя. На разной рабочей частоте величина ESR будет разной.

ESR-метр

При проверке конденсаторов, особенно электролитических, стоит обращать внимание на величину ESR. Для тестирования конденсаторов и измерения ESR существует немало серийно выпускаемых приборов. На фото универсальный тестер радиокомпонентов (LCR-T4 Tester) функционал которого поддерживает замер ESR конденсаторов.

В радиотехнических журналах можно встретить описания самодельных приборов и приставок к мультиметрам для измерения ESR. В продаже можно найти и узкоспециализированные ESR-метры, которые способны измерять ёмкость и ЭПС без выпайки конденсаторов из платы, а также разряжать их перед этим с целью защиты прибора от повреждения высоким остаточным напряжением. К таким приборам относятся, например, такие как ESR-micro v3.1, ESR-micro V4.0s, ESR-micro v4.0SI.

При ремонте электроники приходится часто менять электролитические конденсаторы. При этом для оценки их качества измеряются такие параметры, как ёмкость и ESR. Чтобы было с чем сравнивать, была составлена таблица ESR, в которой указано ЭПС новых электролитических конденсаторов разных ёмкостей. Данную таблицу можно использовать для оценки пригодности того или иного конденсатора для дальнейшей службы. Но, с одной оговоркой.

Не стоит забывать о том, что «эталонные» данные по величине ESR приводятся в даташитах на конкретную серию конденсаторов. Так что, иногда лучше свериться с информацией, полученной «из первых рук». Здесь лишь следует учесть то, что производители для замера ESR могут использовать иное оборудование, чем вы, и, поэтому, итоговые показания всё равно будут отличаться, пусть, и незначительно.

ESR конденсатора

ESR — оно же эквивалентное последовательное сопротивление

— это очень важный параметр конденсаторов. Для чего он нужен и как его определить, об этом мы как раз и поговорим в нашей статье.

Думаю, все вы в курсе, что в нашем бесшабашном мире нет ничего идеального. То же самое касается и электроники. Радиоэлементы, каскады, радиоузлы также частенько дают сбои. Можно даже вспомнить недавнюю историю с космическим кораблем «Прогресс». Сбой какого-то узла повлек гибель целого гиганта космической отрасли. Даже простой, на первый взгляд, радиоэлемент конденсатор, имеет в своем составе не только емкость, но и другие паразитные параметры. Давайте рассмотрим схему, из чего все-таки состоит наш реальный конденсатор?

r — это сопротивление диэлектрика и корпуса между обкладками конденсатора

С — собственно сама емкость конденсатора

ESR — эквивалентное последовательное сопротивление

ESI (чаще его называют ESL) — эквивалентная последовательная индуктивность

Вот на самом деле из чего состоит простой безобидный конденсатор, особенно электролитический. Рассмотрим эти параметры более подробно:

r — сопротивление диэлектрика. Диэлектриком может быть электролит в электролитических конденсаторах, бумага или еще какая-нибудь дрянь). Также между выводами конденсатора находится его корпус. Он тоже обладает каким-то сопротивлением и тоже сделан из диэлектрика и относится сюда же.

С — емкость конденсатора, которая написана на самом конденсаторе плюс-минус некоторые отклонения, связанные с погрешностью.

ESI(ESL) — последовательная индуктивность — это собственная индуктивность обкладок и выводов. На низких частотах можно не учитывать. Где «прячется» ESR в конденсаторе

ESR представляет из себя сопротивление выводов и обкладок

Как вы знаете, сопротивление проводника можно узнать по формуле:

ρ — это удельное сопротивление проводника

l — длина проводника

S — площадь поперечного сечения проводника

Так что можете посчитать приблизительно сопротивление выводов конденсатора и заодно его обкладок Но, конечно же, так никто не делает. Для этого есть специальные приборы, которые умеют замерять этот самый параметр. Например, мой прибор с Алиэкспресса, который я недавно приобрел.

Почему вредно большое значение ESR

Раньше, еще когда только-только стали появляться первые электронные схемы, такой параметр, как ESR даже ни у кого не был на слуху. Может быть и знали, что есть это сопротивление, но оно никому не вредило. Но… с появлением первых импульсных блоков питания все чаще стали говорить о ESR. Чем же столь безобидное сопротивление не понравилось импульсным блокам питания?

На нулевой частоте (постоянный ток) и низких частотах, как вы помните из статьи конденсатор в цепи постоянного и переменного тока, конденсатор сам оказывает большое сопротивление электрическому току. В этом случае какие-то паразитные доли Ома сопротивления ESR не будут влиять на параметры электрической цепи. Все самое интересное начинается тогда, когда конденсатор работает в высокочастотных цепях (ВЧ).

Мы с вами знаем, что конденсатор пропускает через себя переменный ток. И чем больше частота, тем меньше сопротивление самого конденсатора. Вот вам формула, если позабыли:

где, ХС — это сопротивление конденсатора, Ом

П — постоянная и равняется приблизительно 3,14

F — частота, измеряется в Герцах

С — емкость, измеряется в Фарадах

Но, одно то мы не учли… Сопротивление выводов и пластин с частотой не меняется! Так… и если пораскинуть мозгами, то получается, что на бесконечной частоте сопротивление конденсатора будет равняться его ESRу? Получается, наш конденсатор превращается в резистор? А как ведет себя резистор в цепи переменного тока? Да точно также как и в цепи постоянного тока: греется! Следовательно на этом резисторе будет рассеиваться мощность P в окружающую среду. А как вы помните, мощность через сопротивление и силу тока выражается формулой:

I — это сила тока, в Амперах

R — сопротивление резистора ESR, в Омах

Значит, если ESR будет больше, то и мощность рассеивания тоже будет больше! То есть этот резистор будет хорошенько нагреваться.

Из всего выше сказанного можно сделать простенький вывод: конденсатор с большим ESR в высокочастотных цепях с большими токами будет нагреваться. Ну да ладно, пусть себе греется… Резисторы и микросхемы тоже ведь греются и ничего! Но весь косяк заключается в том, что с увеличением температуры конденсатора меняется и его емкость! Есть даже такой интересный параметр конденсатора, как ТКЕ или Температурный Коэффициент Емкости. Этот коэффициент показывает, насколько поменяется емкость при изменении температуры. А раз уже «плавает» емкость, то вслед за ней «плывет» и схема.

Обучение

Чтобы разобраться с ЭПС эквивалентном последовательном сопротивлением конденсатора, напомню конструкцию электролитического конденсатора.

На фотографии показаны разобранные электролитические конденсаторы. Внутри стакана находится виток, в котором смотаны обкладки конденсатора.

Этот размотанный виток состоит из алюминиевой фольги — фольга выполняет роль обкладок конденсатора. Между обкладками проложена бумага, которая пропитана электролитом. Выводы конденсатора к обкладкам крепиться с помощью заклепок.

Любой электронный компонент не идеален, в том числе и конденсатор. Электролитический конденсатор можно представить набором таких элементов,

где C — это емкость, собственно сам конденсатор, резистор Rp — это сопротивление диэлектрика в конденсаторе. Величина данного резистора составляет десятки и сотни МОм. Этот резистор влияет на ток утечки конденсатора. Так как обкладки конденсатора свернуты между собой, образуется индуктивность. Значение этой индуктивности составляет где-то примерно 10 нГн. Резистор Rc — это активное сопротивление конденсатора. На его значение влияет химический состав электролита, высох электролит или еще нет, сопротивление выводов конденсатора, а также сопротивление мест крепления к выводов конденсатора к собственно к обкладкам конденсатора. Значение сопротивление этого резистора больше всего оказывает влияние на значение величины эквивалентного последовательного сопротивления конденсатора.

Вот схема обычного выпрямителя.

Эквивалентное последнее сопротивление данного конденсатора исправного, нового оно очень мало и им можно пренебречь и обычно что и делают — пренебрегают. Эта схема нормально работает, конденсатор выполняет свою функцию сглаживает пульсации. Теперь в конденсаторе появилась сопротивление — появилось большое внутреннее активное сопротивление.

Что при этом происходит. Через это сопротивление течет ток, и соответственно, сопротивление нагревается, а поскольку оно находится внутри — греется сам конденсатор и происходит такое явление, как высыхании электролита. И со временем это сопротивление увеличивается. Электролит сохнет, емкость электролитического конденсатора уменьшается и соответственно он уже не выполняет свою функцию по фильтрации пульсаций в данном блоке питания. Конденсатор выходит из строя, и, собственно говоря, вся схема становится здесь неработоспособной. На выходе из данного выпрямителя будут большие пульсации. Вот такое вредное воздействие оказывает увеличение эквивалентного последовательного сопротивления конденсатора.

Таблицы максимальных значений ESR у электролитических конденсаторов

Мы уже привыкли к основным параметрам конденсатора: ёмкости и рабочему напряжению. Но в последнее время не менее важным параметром стало его эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС). Что же это такое и на что оно влияет?

Любой электронный компонент не идеален. Это относится и к конденсатору. Совокупность его свойств показывает условная схема.

Как видим, реальный конденсатор состоит из ёмкости C, которую мы привыкли видеть на схемах в виде двух вертикальных полос. Далее резистор Rs, который символизирует активное сопротивление проволочных выводов и контактного сопротивления вывод – обкладка.

Так как любой, даже очень хороший диэлектрик имеет определённое сопротивление (до сотен мегаом), то параллельно обкладкам изображается резистор Rp. Именно через этот «виртуальный» резистор течёт так называемый ток утечки. Естественно, никаких резисторов внутри конденсатора нет. Это лишь для наглядности и удобного представления.

Из-за того, что обкладки у электролитического конденсатора скручиваются и устанавливаются в алюминиевый корпус, образуется индуктивность L.

Свои свойства эта индуктивность проявляет лишь на частотах выше резонансной частоты конденсатора. Приблизительное значение этой индуктивности – десятки наногенри.

Итак, из всего этого выделим то, что входит в ЭПС электролитического конденсатора:

• Сопротивление, которое вызвано потерями в диэлектрике из-за его неоднородности, примесей и наличия влаги;
• Омическое сопротивление проволочных выводов и обкладок. Активное сопротивление проводов;
• Контактное сопротивление между обкладками и выводами;
• Сюда же можно включить и сопротивление электролита, которое увеличивается из-за испарения растворителя электролита и изменения его химического состава вследствие взаимодействия его с металлическими обкладками.

Все эти факторы суммируются и образуют сопротивление конденсатора, которое и назвали эквивалентным последовательным сопротивлением – сокращённо ЭПС, а на зарубежный манер ESR (Equivalent Serial Resistance).

Как известно, электролитический конденсатор в силу своего устройства может работать только в цепях постоянного и пульсирующего тока из-за своей полярности. Собственно, его и применяют в блоках питания для фильтрации пульсаций после выпрямителя. Запомним эту особенность конденсатора – пропускать импульсы тока.

Из всего сказанного следует, что электролитические конденсаторы, работающие в высокочастотных импульсных схемах (блоки питания, инверторы, преобразователи, импульсные стабилизаторы) работают в довольно экстремальных условиях и выходят из строя чаще. Зная это производители выпускают специальные серии с низким ESR. На таких конденсаторах, как правило, присутствует надпись Low ESR, что означает «низкое ЭПС».

При ремонте любой аппаратуры необходимо производить замеры ESR при помощи специального измерительного прибора — ESR-метра. Для тестирования конденсаторов и измерения ESR существует немало серийно выпускаемых приборов. На сегодняшний день самый доступный — это универсальный тестер радиокомпонентов LCR-T4 Tester, функционал которого поддерживает замер ESR конденсаторов. В радиотехнических журналах можно встретить описания самодельных приборов и приставок к мультиметрам для измерения ESR. В продаже можно найти и узкоспециализированные ESR-метры, которые способны измерять ёмкость и ЭПС без выпайки их из платы, а также разряжать их перед этим с целью защиты прибора от повреждения высоким остаточным напряжением конденсатора. К таким приборам относятся, например, такие как ESR-micro v3.1, ESR-micro V4.0s, ESR-micro v4.0SI.

Максимально допустимые значения ESR электролитических конденсаторов приведены в таблицах ниже.

Таблица ESR новых электролитических конденсаторов (тестер LCR T4).

В качестве образцов для измерения ESR (Таблица №1) использовались новые конденсаторы разных производителей. Преимущественно это конденсаторы Jamicon серии TK – с широким температурным диапазоном (значения выделены жирным шрифтом), а также ELZET, SAMWHA и GEMBIRD. Стоит отметить, что при проверке конденсаторы Jamicon показали более низкое значение ESR по сравнению с другими.

Отмечу и то, что производители выпускают конденсаторы с разными характеристиками и свойствами. Их делят на серии. В приведённой таблице приводится ESR обычных конденсаторов.

Кроме них выпускаются и конденсаторы Low ESR и Low Impedance, ЭПС которых, как правило, очень мал и порой составляет сотые доли ома.

Заносить величину ESR или импеданса таких конденсаторов в таблицу нет особого смысла, так как он очень мал и его легко узнать из документации на серию.

В колонке на 450V для ёмкости 82μF указано два значения ESR. Первое – среднее значение для конденсаторов SAMWHA (SD, 85 0 C(M)). Второе, выделенное цветом, это ESR конденсатора CapXon (LY, 105 0 C) для ЖК-телевизоров в вытянутом корпусе (13х50).

Отмечу ещё раз, что разные модели ESR-метров могут показывать разную величину ESR у одного и того же конденсатора. Как уже говорилось, эквивалентное последовательное сопротивление зависит от многих факторов, да и методика его измерения у различных приборов отличается. Поэтому здесь и указано, какой прибор применялся для измерений.

Для сравнения приведу ещё одну таблицу. Перед вами с ориентировочными значениями ESR для электролитических конденсаторов разной ёмкости. Данная таблица используется Бобом Паркером в разработанном им ESR-метре K7214.

Сводная таблица ESR конденсаторов Боба Паркера

При отсутствии нанесенных значений ESR на измерительном приборе большинство радиолюбителей рекомендуют пользоваться сводной таблицей Боба Паркера. Данные в этой таблице используются большинством производителей измерителей, как Китайских, так и европейских.

Таблица значений ESR, применяемая Бобом Паркером

Как видно, некоторые ячейки пусты. Для конденсаторов ёмкостью до 10 мкФ максимально допустимой величиной ESR приемлемо считать 4 – 5 Ом.

Не помешает помнить одно простое правило:

У любого исправного электролитического конденсатора ESR не превышает 20 Ом (Ω).

Измеритель ESR R/C/L и тестер полупроводников

Любому, кто работает с электроникой, требуется тестер радиоэлектронных компонентов. В большинстве случаев электронщики всех мастей обходятся цифровым мультиметром. Им можно проверить с достаточной точностью самые часто используемые электронные компоненты: диоды, биполярные транзисторы, конденсаторы, резисторы и пр.

Но, среди радиодеталей есть и такие, проверить которые рядовым мультиметром сложно, а порой и невозможно. К таким можно отнести полевые транзисторы (как MOSFET, так и J-FET). Также, обычный мультиметр не всегда имеет функцию замера ёмкости конденсаторов, в том числе и электролитических. И даже если таковая функция имеется, то прибор, как правило, не измеряет ещё один очень важный параметр электролитических конденсаторов – эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС или ESR).

С недавнего времени стали доступны по цене универсальные измерители R, C, L и ESR. Многие из них обладают возможностью проверки практически всех ходовых радиодеталей.

Давайте узнаем, какими возможностями обладает такой тестер. На фото универсальный тестер R, C, L и ESR — MTester V2.07 (QS2015-T4). Он же LCR T4 Tester. Приобрёл я его на Алиэкспресс. Не удивляйтесь, что прибор без корпуса, с ним он стоит куда дороже. Вот здесь вариант без корпуса, а вот здесь с корпусом.

Тестер радиодеталей собран на микроконтроллере Atmega328p. Также на печатной плате имеются SMD-транзисторы с маркировкой J6 (биполярный S9014), M6 (S9015), интегральный стабилизатор 78L05, TL431 — прецизионный регулятор напряжения (регулируемый стабилитрон), SMD-диоды 1N4148, кварц на 8,042 МГц. и «рассыпуха» — планарные конденсаторы и резисторы.

Прибор запитывается от батарейки на 9V (типоразмер 6F22). Впрочем, если такой нет под рукой, прибор можно запитать и от стабилизированного блока питания.

На печатной плате тестера установлена ZIF-панель. Рядом указаны цифры 1,2,3,1,1,1,1. Дополнительные клеммы верхнего ряда ZIF-панели (те, которые 1,1,1,1) дублируют клемму под номером 1. Это для того, чтобы было легче устанавливать детали с разнесёнными выводами. Кстати, стоит отметить, что нижний ряд клемм дублирует клеммы 2 и 3. Для 2 отведено 3 дополнительных клеммы, а для 3 уже 4. В этом можно убедиться, осмотрев разводку печатных проводников на другой стороне печатной платы.

Замер ёмкости и параметров электролитического конденсатора.

Для начала проверим электролитический конденсатор на 1000 мкФ * 16V. Подключаем один вывод электролита к выводу 1, а другой к выводу 3.

Можно подключит один из выводов к клемме 2. Прибор сам определит, к каким выводам подключен конденсатор. Далее жмём на красную кнопку.

На экране результат: ёмкость — 1004 мкФ (1004 μF); ЭПС — 0,05 Ом (ESR = 0,05Ω); Vloss = 1,4%. О параметре Vloss расскажу позднее.

Проверка танталового электролитического конденсатора 22 мкФ * 35в.

Результат: ёмкость — 24,4 мкФ; ЭПС — 0,2 Ом., Vloss = 0,4%

Тестер можно использовать и для замера ёмкости у обычных конденсаторов с ёмкостью где-то от 20 пикофарад (20pF). Если подключить к ZIF-Панели выносные щупы, то можно проверять и детали, выполненные в корпусах для поверхностного (SMT) монтажа. Я, например, с помощью этого тестера подбирал SMD-конденсаторы и резисторы.

Обращаю внимание! Перед тестированием конденсаторов, особенно электролитических, их необходимо разрядить! Иначе можно повредить прибор высоким остаточным напряжением. Особенно это относится к электролитам, выпаянным с плат.

Таинственный параметр Vloss.

При проверке конденсаторов, кроме ёмкости и ESR, универсальный тестер показывает ещё такой параметр, как Vloss. Что же он означает? К сожалению, точного и конкретного обоснования этого термина я не нашёл. Но, судя по всему, он косвенно указывает на уровень утечки конденсатора. Как известно, реальный конденсатор имеет сопротивление диэлектрика между обкладками. Благодаря этому сопротивлению конденсатор медленно разряжается из-за, так называемого, тока утечки.

Так вот, при заряде конденсатора коротким импульсом тока напряжение на его обкладках достигает определённого уровня. Но, как только заряд конденсатора прекращается, напряжение на заряженном конденсаторе падает на очень небольшую величину. Разность между максимальным напряжением на конденсаторе и тем, что наблюдается после завершения заряда и выражают как Vloss. Чтобы было удобней, Vloss выражают в процентах.

Падение напряжения на обкладках конденсатора объясняют как внутренним рассеиванием заряда, так и сопротивлением между обкладками, которое имеется у всех конденсаторов, так как любой диэлектрик имеет, пусть и большое, но сопротивление.

Для керамических и электролитических конденсаторов высокий показатель Vloss в несколько процентов свидетельствует о плохом качестве конденсатора.

Проверка диодов универсальным тестером.

Образец для испытаний — диод 1N4007.

Для диодов указывается падение напряжения на p-n переходе в открытом состоянии Uf. В техдокументации на диоды указывается как VF — Forward Voltage (иногда VFM). Замечу, что при разном прямом токе через диод величина этого параметра также меняется.

Для данного диода 1N4007: VF=677mV (0,677V). Это нормальное значение для низкочастотного выпрямительного диода. А вот у диодов Шоттки это значение ниже, поэтому их и рекомендуют применять в устройствах с низковольтным автономным питанием.

Кроме этого тестер замеряет и ёмкость p-n перехода (C=8pF).

Результат проверки диода КД106А. Как видим, ёмкость перехода у него во много раз больше, чем у диода 1N4007. Аж 184 пикофарады!

Если вместо диода установить светодиод и включить проверку, то во время тестирования он будет задорно помигивать.

Для светодиодов тестер показывает ёмкость перехода и минимальное напряжение, при котором светодиод открывается и начинает излучать. Конкретно для этого красного светодиода оно составило Uf = 1,84V.

Как оказалось, универсальный тестер справляется и с проверкой сдвоенных диодов, которые можно встретить в компьютерных блоках питания, преобразователях напряжения автоусилителей, всевозможных блоках питания.

Проверка сдвоенного диода MBR20100CT.

Тестер показывает падение напряжения на каждом из диодов Uf = 299mV (в даташитах указывается как VF), а также цоколёвку. Не забываем, что сдвоенные диоды бывают как с общим анодом, так и общим катодом.

Проверка биполярных транзисторов.

В качестве подопытного «кролика» возьмём наш КТ817Г. Как видим, у биполярных транзисторов измеряется коэффициент усиления hFE (он же h21э) и напряжение смещения Б-Э (открытия транзистора) Uf. Для кремниевых биполярных транзисторов напряжение смещения находится в пределах 0,6

0,7 вольт. Для нашего КТ817Г оно составило 0,615 вольт (615mV).

Составные биполярные транзисторы тоже распознаёт. Вот только параметрам на дисплее я бы верить не стал. Ну, действительно. Не может составной транзистор иметь коэффициент усиления hFE = 37. Для КТ973А минимальный hFE должен быть не менее 750.

Как оказалось, структуру для КТ973А (PNP) и КТ972А (NPN) определяет верно. Но вот всё остальное замеряет некорректно.

Стоит учесть, что если хотя бы один из переходов транзистора пробит, то тестер может определить его как диод.

Изделия с низким ESR

Технологии непрерывно развиваются и сейчас большинство схем строятся на ВЧ части. Поэтому к конденсаторам выдвигаются особые требования. Именно поэтому все больше используются конденсаторы с маркировкой LOW ESR, которые так же могут выделяться золотым цветом.

На сегодняшний день наименьшим ESR обладают керамические и SMD — керамические конденсаторы.

Заключение

Ну что еще можно сказать про ESR? В настоящее время идет битва среди производителей за рынок. Кто предложит конденсатор с минимальным ESR и хорошей емкостью, тот молоток ;-). Не поленитесь также купить или собрать прибор ESR-метр. Особенно он будет очень актуален для ремонтников радиоэлектронной аппаратуры. Мультиметр может показать вам емкость и ток утечки, но вот внутреннее сопротивление покажет именно ESR-метр.

Бывало очень много случаев, когда аппаратура ну никак не хотела работать, хотя все элементы в ней были целые. В этом случае просто замеряли ESR-метром конденсаторы и выявляли их сопротивление. После замены дефектных конденсаторов с большим ESR на конденсаторы с низким ESR (LOW ESR), аппаратура оживала и работала долго и счастливо.

Esr конденсатора что это

Определение конденсатора и основные соотношения

Название прибора конденсатора происходит от слова condensatio – накоплять, то есть он является накопителем электрической энергии. Физически конденсатор представляет собой две пластины из токопроводящего материала, разделенные диэлектриком. Накопление энергии происходит как раз в электрическом поле диэлектрика. При этом обкладки приобретают определенный электрический заряд. Емкость конденсатора C , то есть мера вмещения в себя электрической энергии, численно равна отношению заряда Q на одной из его обкладок к вызываемой этим зарядом разности потенциалов между обкладками, то есть напряжению на конденсаторе V:

Из этого соотношения следует, что заряд находящийся «внутри» конденсатора равен произведению его емкости и напряжения на нем:

Поскольку заряд равен произведению силы тока I на время t, то мы получаем важное на практике соотношение:

которое, перепишем для лучшего понимания в виде:

Это соотношение означает, что при протекании через него тока I за время Δt напряжение на конденсаторе емкости C изменяется на величину ΔV. Это соотношение часто используется при практических расчетах тех или иных режимов работы конденсатора. Если ток изменяется во времени и при этом необходим расчет с «физико-математической точностью» то используют соотношение связывающее напряжение на конденсаторе, его емкость и ток:

V(0) – напряжение на конденсаторе в начальный момент времени (как правило всегда равно нулю);

V(t) – напряжение на конденсаторе в любой момент времени t;

– интеграл от тока I(t) по времени. Физически этот интеграл есть изменение заряда на обкладках.

С – собственно емкость конденсатора.

Энергия конденсатора W_C определяется как половина произведения емкости на квадрат напряжения:

Можно ли «закачивая» заряды на обкладки повышать напряжение на конденсаторе до бесконечности. Нет, этого делать нельзя, поскольку в некоторый момент времени напряженность поля в диэлектрике в некоторый момент времени превысит некоторое максимальное значение, называемое пробивной напряженностью поля. Таким образом, кроме емкости конденсатор характеризуется еще и другим параметром – максимальным рабочим напряжением — V_max. Емкость и максимальное рабочее напряжение являются основными параметрами любого конденсатора, и они обычно указываются на его корпусе.

Единица измерения электрической емкости – Фарада. В честь британца Майкла Фарадея.

Условное обозначение конденсатора:

Рисунок C.1 — Условное обозначение конденсатора

Свойство конденсатора накапливать электрический заряд на обкладках определяют его функциональное назначение:

— в качестве накопителя энергии;

— в составе времязадающих RC-цепочек;

— в составе резонансных LC-контуров;

— в качестве фильтрующего элемента входных и выходных цепей источников питания;

— в составе интегрирующих RC-цепочек и дифференцирующих RC-цепочек;

— в качестве токоограничивающего элемента в цепях переменного тока;

— в емкостных делителях напряжения;

— в умножителях напряжения;

— в качестве элемента, обеспечивающего развязку по постоянному току;

— в цепях компенсации реактивной мощности.

Как конденсатор пропускает ток. Реактивное сопротивление. Максимальный ток через конденсатор

Переменный ток, протекающий через конденсатор можно считать различными способами. Первый и более фундаментальный способ заключается в том, что ток протекающий через конденсатор пропорционален скорости изменения напряжения на нем dV/dt и собственно емкости конденсатора С:

Из этого фундаментального соотношения следует формула для действующего (среднеквадратичного значения) значения синусоидального тока через конденсатор:

V_rms – среднеквадратичное (действующее) синусоидального напряжения;

ω – круговая частота — мало используемое понятие, численно равное 2πf;

f – частота синусоидального напряжения.

По аналогии с законом Ома I=V/R из вышележащего соотношения находят так называемое реактивное сопротивление конденсатора Z_C :

где реактивное сопротивление:

Реактивное сопротивление конденсатора определяется его емкостью и зависит от частоты. В ряде случаев по величине реактивного сопротивления рассчитывается ток, протекающий через конденсатор.

Рисунок С.2 — К вопросу, почему конденсатор не проводит постоянный ток и проводит переменный (:-))

Существует ли максимальный ток, который можно пропускать через конденсатор? Да. Для силовых конденсаторов существует такой параметр как максимальная реактивная мощность. Единица её измерения – вольт-ампер реактивный – ВАр, но так как конденсаторы силовые, то более распространена единица киловольт-ампер реактивный – кВАр (kvar – по международным обозначениям). Каждый тип силовых конденсаторов имеет максимальное значение проходящей через них реактивной мощности.

Максимальная реактивная мощность P_Z определяется аналогично тепловой мощности резистора (см. раздел «Резисторы»):

Максимальный ток , проходящий через конденсатор, (а точнее его среднеквадратичное значение), определяется его максимальной реактивной мощностью:

Физически это означает, что если мы знаем кВАр-ность конденсатора P_Z и его емкость C, то мы можем рассчитать его максимальный ток для каждого конкретного значения частоты f. Здесь I_{rms_max} – максимальное действующее значение тока, проходящего через конденсатор. Оно зависит от формы импульсов тока через конденсатор (формулы представлены в разделе «Резисторы»).

Паразитные параметры конденсатора. Тангенс угла диэлектрических потерь

На высоких частотах проявляются паразитные параметры конденсатора:

L – паразитная последовательная индуктивность. Распространённый международный термин — ESL (Equivalent Series Inductance);

R – паразитное последовательное сопротивление. Распространённый международный термин — ESR (Equivalent Series Resistance);

r – сопротивление утечки (Leakage Resistance).

Эквивалентная схема конденсатора представлена на рисунке C.3.

Рисунок C.3 — Эквивалентная схема конденсатора

Паразитная индуктивность L определяется конструкцией и габаритами конденсатора. Так, конденсаторы с ленточными обкладками, свернутыми в цилиндр имеют наибольшее значение индуктивности. Дисковые и SMD-конденсаторы – наименьшее. Индуктивность возрастает с увеличением габаритов конденсатора.

Последовательное сопротивление R определяется сопротивлением обкладок конденсатора. Конденсаторы с ленточными обкладками, как правило, имеют большее значение последовательного сопротивления по сравнению с дисковыми и SMD. В свою очередь конденсаторы с ленточными обкладками в виде фольги имеют меньшее последовательное сопротивление по сравнению с обкладками, полученными металлизацией. Сокращенное обозначение последовательного сопротивления – ESR. Этот параметр часто используется при расчете работы импульсных схем. В частности он оказывает существенное влияние на работу емкостных фильтров-накопителей.

Параллельное сопротивление r целиком определяется параметрами диэлектрика, находящегося между обкладками конденсатора. Оно определяет утечку или саморазряд конденсатора. Именно возможность использования в качестве межобкладочного материала различных типов диэлектриков и определяют многообразие типов конденсаторов.

Индуктивность L и последовательное сопротивление R оказывают существенное влияние при высоких частотах и при импульсных режимах работы. Параллельное сопротивление, определяет потери конденсатора на постоянном напряжении и низких частотах.

Понятие тангенса угла диэлектрических потерь tg δ пришло из классической электротехники в которой оперируют векторными диаграммами. В идеальном конденсаторе угол сдвига фаз между током и напряжением составляет 90% (при синусоидальной форме напряжения – ток максимален в момент, когда напряжение на конденсаторе равно нулю и равен нулю, когда конденсатор заряжается до максимального значения). Но в реальном конденсаторе по причине параллельного эквивалентного сопротивления r (сильное влияние на низких частотах) и последовательного эквивалентного сопротивления R (сильное влияние на высоких частотах) угол сдвига фаз между током и напряжением не добирает до 90° некоторыйугол δ – смотри упрощенные эквивалентные схемы, представленные на рисунке C.4. Таким образом, тангенса угла диэлектрических потерь – это некоторый интегральный параметр, характеризующий потери в конденсаторе. При этом он различается для высоких и для низких частот.

Для низких частот физически тангенс этого угла tg δ равен отношению резистивного тока I_rпроходящего через параллельное сопротивление потерь r к емкостному току I_C, проходящему собственно через емкость:

Для высоких частот более существенные потери вносит последовательное сопротивление. В этом случае тангенс этого угла tg δ равен отношению падения напряжения V_Rна последовательном сопротивлении R к падению напряжения на собственно на емкости V_C :

Рисунок C.4 – К пониманию тангенса угла потерь — эквивалентные схемы конденсатора (слева – характерные для низких частот, справа – характерные для высоких частот) и векторные диаграммы тока и напряжения

Поскольку в тангенс угла потерь входят емкостной ток и напряжение, то сравнение тангенса угла различных типов конденсаторов имеет смысл только при определенной равной частоте. Как правило, для большинства диэлектриков тангенс потерь измеряется на частоте 1 кГц, однако для высокочастотных диэлектриков (полипропилен, фторопласт, NPO) приводятся измерения на частотах 1 МГц и выше.

В более общем понимании, применимом к конденсатору в целом тангенс угла потерь определяет отношение между активной R_C и реактивной Z_C составляющими импеданса конденсатора [Керамические конденсаторы MLCC: особенности применения — http://www.compel.ru/lib/articles/keramicheskie-kondensatoryi-mlcc-osobennosti-primeneniya/]:

Рисунок C.5 – тангенс угла потерь конденсатора на различных частотах [DATASHEETSURFACE-MOUNT CERAMIC MULTILAYER CAPACITORS Introduction. YAGEO Phicomp. ProductSpecification – Dec 06, 2010 V.11]

Таким образом, в реальных конденсаторах понятие тангенса угла потерь имеет сложный характер (рисунок C.5) и определяется не только типом диэлектрика, но и паразитными последовательным сопротивлением и индуктивностью.

Иными словами необходимо понимать различие понятий тангенса угла потерь конденсатора и тангенса угла потерь диэлектрика. Тангенс угла потерь диэлектрика определяет потери конденсатора на низких и средних частотах. На высоких частотах определяющим является вклад паразитных индуктивности и последовательного сопротивления.

Тангенса угла потерь конденсатора определяет его нагрев. Тепловая мощность, выделяемая в объеме конденсатора определяется суммарной мощностью потерь в диэлектрике и на сопротивлении обкладок. Тангенс угла потерь конденсатора определяет все эти различные составляющие и тепловая мощность нагрева конденсатора равна:

Другие параметры реальных конденсаторов

Кроме паразитных параметров каждый конкретный тип конденсаторов характеризуется еще и такими характеристиками как:

— номинальная точность емкости, определяющая максимальное отклонение от номинального значения;

— температурный коэффициент емкости (ТКE) характеризующий изменение емкости при изменении температуры на 1%. Для конденсаторов с сильной зависимостью емкости от температуры (например керамических) указывают относительное изменение емкости в процентах;

— эффект смещения при постоянном токе (DC-bias) определяющий относительное изменение емкости конденсатора от приложенного напряжения. Уменьшение емкости с ростом напряжения характерно для керамических конденсаторов;

— диэлектрическая абсорбция – появление напряжения между обкладками конденсаторов после быстрого разряда. Эффект обусловлен тем, что реальный конденсатор в данном случае можно представить параллельным соединением множества последовательных RC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность диэлектрической абсорбции главным образом зависит от свойств диэлектрика конденсатора (наиболее сильно проявляется эффект для электролитических конденсаторов, наименее заметно – для конденсаторов на основе неполярных диэлектриков (фторопласт, полистирол, полипропилен).

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) показывает относительное изменение емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус кельвина:

ΔC – изменение емкости конденсатора С;

ΔT – изменение температуры, вызвавшее изменение емкости ΔC.

Понятие температурного коэффициента емкости (ТКЕ) имеет смысл только для конденсаторов с диэлектриком имеющим линейную температурную зависимость.

Типовые номиналы емкостей конденсаторов

Для большинства практических случаев используется диапазон значений емкости конденсатора 1 пФ (пикофарад) – 10000 мкФ (микрофарад). Этот диапазон разбит на несколько рядов. Для конденсаторов наиболее распространенным является ряд E6. Значения номиналов рядов приведены в таблице C.1.

Таблица C.1. Значения наиболее распространенных номиналов рядов емкостей конденсаторов.

Параллельное и последовательное включение конденсаторов

Емкость параллельно соединенных конденсаторов равно сумме емкостей каждого из конденсаторов:

Емкость последовательно соединенных конденсаторов есть величина обратная сумме обратных величин емкостей конденсаторов каждого из конденсаторов:

Параллельное соединение конденсаторов используют для:

— увеличения суммарной емкости;

— увеличения запасаемой энергии;

— уменьшения уровня пульсаций на конденсаторах фильтра;

— снижения эффективного последовательного сопротивления (ESR) конденсаторной батареи. По этой причине параллельное соединение часто используется при построении емкостных фильтров на основе «электролитов». Так два-четыре параллельно соединенных «электролита» обеспечивают меньшие пульсации, чем один большой при равной ёмкости.

— уменьшения суммарного реактивного сопротивления;

— увеличения максимальной реактивной мощности (кВАр – ности) конденсаторной батареи, что необходимо в случаях работы с большими токами.

— снижения паразитной индуктивности;

— получения точного номинала ёмкости.

Последовательное соединение конденсаторов используют для:

— увеличения максимального рабочего напряжения – при условии равных емкостей рабочие напряжения складываются;

— увеличения запасаемой энергии (при условии одновременного повышения напряжения);

— увеличения максимальной реактивной мощности (кВАр – ности) конденсаторной батареи, за счет увеличения рабочего напряжения.

— увеличения суммарного реактивного сопротивления;

— построения емкостных делителей напряжения;

— получения точного номинала ёмкости.

На практике при параллельном и последовательном соединении конденсаторов особенно в импульсных и работающих на переменном токе схемах целесообразно использовать конденсаторы одного типа. При использовании конденсаторов разных типов возможны перенапряжения из-за различия паразитных параметров конденсаторов. Дополнительно при последовательном соединении конденсаторов, особенно «электролитов» необходимо использовать уравновешивающие резисторы (см. схему на рисунке C.6).

Рисунок C.6 — Последовательное соединение конденсаторов совместно с уравновешивающими резисторами

Конструкции конденсаторов

Тип конденсатора определяется двумя базовыми параметрами – формой и содержанием:

— форма = геометрия обкладок и диэлектрика;

— содержание = тип материала диэлектрика и обкладок.

Рулонная конструкция

Рулонная конструкция конденсатора (рисунок C.7) является одной из наиболее распространенных. Причиной этого является её технологичность и простота. Особенно широко используется при создании конденсаторов с большой ёмкостью. Практически все электролитические конденсаторы, полипропиленовые конденсаторы большой емкости, бумажные конденсаторы имеют рулонную конструкцию. К недостаткам конструкции относят: значительное последовательное сопротивление и большую паразитную индуктивность. При прочих равных параметрах с увеличением емкости данные паразитные параметры возрастают.

По типу корпуса и/или организации выводных электродов можно провести еще ряд градаций:

– аксиального или радиального типа;

– тубулярные или овальные по форме;

– индуктивные и неиндуктивные;

– боксовые или залитые (компаундом)

Рисунок C.7 — Рулонная конструкция конденсатора

Конструкция многослойного конденсатора

Конденсаторы многослойной конструкции (рисунок C.8) распространены несколько меньше, сложнее технологически и, по сравнению с рулонными, имеют существенно меньшую максимальную емкость. Преимуществами многослойных конденсаторов являются малые значения паразитных параметров – последовательного сопротивления и индуктивности.

Рисунок C.8 — Конструкция многослойного конденсатора

Дисковый конденсатор

Дисковые конденсаторы (рисунок C.9), как правило, имеют высокое рабочее напряжение, малую емкость (10 нФ и менее) и используются в высокочастотных и импульсных цепях. Значения последовательного сопротивления и паразитной индуктивности крайне малы. Высоковольтные высокочастотные конденсаторы имеют дисковую конструкцию.

Рисунок C.9 — Конструкция дискового конденсатора

Другие типы геометрии конденсаторов

Существуют и другие, менее распространенные типы геометрии конденсаторов – трубчатые, сферические и т.д. Однако они используются достаточно редко и поэтому здесь исключены из рассмотрения.

Взаимосвязь типа конструкции и тангенса угла потерь

Рулонная конструкция имеет существенно большую индуктивность рассеяния и большее последовательное сопротивление по сравнению с дисковой и многослойной конструкциями. Таким образом, по влиянию типа конструкции на тангенс угла потерь можно привести следующий ряд (по возрастанию потерь):

(Дисковая конструкция ≈ Многослойная конструкция) < Рулонная конструкция.

Типы диэлектриков и обкладок

В конденсаторах в качестве диэлектрика используется большое количество различных типов диэлектриков.

Тип диэлектрика определяет такие базовые параметры конденсатор как:

— сопротивление утечки (правда оно зависит еще и от толщины диэлектрика, то есть уменьшается с ростом рабочего напряжения);

— тангенс угла потерь;

— плотность запасаемой энергии;

— температурный коэффициент емкости – TKE;

— эффект смещения при постоянном токе;

По конструктиву и, «априори», типу диэлектрика, конденсаторы делятся на три больших класса:

В пленочных конденсаторах традиционно используются следующие полимерные диэлектрики (в скобках указаны ориентировочные значения тангенса угла потерь):

Фторопласт (0,0005) < Полистирол (0,001) < Полипропилен (0,0015) < Сульфид полифенилена (0,0015) < Поликарбонат (0,003) < Полиэтилентерефталат (0,015)

В керамических конденсаторах используются различные керамические материалы:

— диоксид титана TiO₂, цирконат кальция CaZrO₃, титанат бария BaTiO₃.

В электролитических конденсаторах в качестве диэлектрика используется тонкий слой окисной пленки:

— оксид алюминия Al₂O₃ (алюминиевые электролитические) или оксид тантала Ta₂O₅(танталовые электролитические).

Тип обкладок (напыленные, фольговые, цельнометаллические) определяет такой параметр конденсатора как последовательное сопротивление, которое входит в общее соотношение для тангенса угла потерь. Обкладки конденсаторов рулонной и многослойной конструкций могут быть выполнены как из металлической фольги, так и представлять собой металлическую пленку, напыленную на диэлектрик. Фольговые конденсаторы имеют большие габариты по сравнению с металлопленочными, но при прочих равных условиях их последовательное эквивалентное сопротивление существенно ниже. Это позволяет рекомендовать для использования в сильноточных цепях преимущественно фольговые конденсаторы. В керамических конденсаторах дисковой конструкции обкладки могут представлять собой медные пластины.

Подробно описание реальных типов конденсаторов дано ниже.

Типы конденсаторов

Пленочные конденсаторы

В пленочных конденсаторах в качестве диэлектрика используется пленка того или иного полимерного материала, а в качестве обкладок – фольга или тонкий слой металла, нанесенный на пленку. Пленочные конденсаторы имеют рулонную и многослойную конструкцию.

Таблица C.2. Сводные характеристики диэлектриков пленочных конденсаторов [VorlesungElektronische Bauelemente. Prof. Dr. H. Gesch. FH Landshut. Fachbereich Elektrotechnik, p. 21. WS2003/2004 г., «ПЭТФ, полипропилен, полистирол – пленочные конденсаторы широкого применения от JB Capacitors», В. Гавриков, Новости Электроники №4, 2013 г.].

Полистирольные конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного, переменного, пульсирующего тока и в импульсных режимах. Характерные значения емкости 1 нФ – 10 мкФ, рабочего напряжения – до 1000 В. Имеют высокую временную и температурную стабильность. Хорошо подходят для высокочастотных и прецизионных схемотехнических решений. Максимальная рабочая температура +85 °С. Используется преимущественно рулонная конструкция.

Полпропиленовые конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного, переменного, пульсирующего тока и в импульсных режимах. Характерные значения емкости 0,0022 мкФ — 100 мкФ, рабочего напряжения – до 2500 В. Низкие потери на высоких частотах. Существую так называемые металлизированные полипропиленовые конденсаторы, которые предназначены для существенно меньших рабочих токов в отличие от фольговых конденсаторов [Film Capacitors — Metallized Polypropylene Film Capacitors (MKP), Series/Type: B32674 . B32678, EPCOS AG 2015, EPCOS AG is a TDK Group Company ; Film Capacitors — General Technical Information. Vishay Roederstein, Document Number: 26033, 2012]

— конденсаторы для компенсации реактивной мощности;

— конденсаторы для индукционного нагрева;

Для полипропиленовых конденсаторах распространены рулонная и многослойная конструкции. В некоторых типах полипропиленовых конденсаторов используется технология самолечения, повышающая их надёжность.

Полиэтилентерефталатные конденсаторы (лавсановые конденсаторы, Polyethylene naphthalate — PEN) предназначены для работы в цепях постоянного, переменного, пульсирующего токов и импульсных режимах. Характерные значения емкости 0,001 мкФ — 1 мкФ, рабочего напряжения – до 1000 В. Достаточно большое значение тангенса угла потерь, что вызывает большие потери на высоких частотах. Конденсаторы металлизированные полиэтилентерефталатные являются одним из наиболее распространенных типов конденсаторов, что обусловлено малыми габаритами при высокой емкости.

— импульсные блоки питания;

— конденсаторы, блокирующие постоянное напряжение.

Фторопластовые конденсаторы предназначены для работы в цепях переменного и пульсирующего токов. Характерные значения емкости 560 пФ – 0,47 мкФ, рабочего напряжения – до 1000 В. Очень малые диэлектрические потери. Сверхмалые тока утечки. Высокая рабочая температура – до + 200 °С. Используются преимущественно в звукотехнике высокого уровня и измерительной аппаратуре. Даже при малых значениях емкости имеют достаточно большие габариты.

Сульфидполифениленовые конденсаторы (PPS) предназначены для работы в цепях переменного и пульсирующего токов. Характерные значения емкости 100 пФ – 100 мкФ, рабочего напряжения – до 400 В. Используются преимущественно в звукотехнике. Преимущественно используется многослойная конструкция и SMD-корпуса.

Поликарбонатные конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного, переменного, пульсирующего токов и в импульсных режимах. Характерные значения емкости 10 нФ – 47 мкФ, рабочего напряжения – до 400 В. Используются как фильтрующие, времязадающие и интегрирующие конденсаторы. Поликарбонатные конденсаторы имеют несколько меньшие потери, чем полиэтилентерефталатные.

Керамические конденсаторы

В пленочных конденсаторах в качестве диэлектрика используется керамический диэлектрик, а в качестве обкладок – тонкий слой металла или, реже, фольга. Керамические конденсаторы имеют многослойную или дисковую конструкцию. Наибольшее распространение получили многослойные керамические конденсаторы (Multilayer Ceramic Capacitors, MLCC) используемые как в SMD-корпусах, так и в корпусе с выводами. Основными преимуществами керамических конденсаторов являются высокая удельная емкость, широкий диапазон емкостей и рабочих напряжений, возможность работы на высоких частотах. Кроме этого керамические конденсаторы устойчивы к значительным перенапряжениям.

В качестве диэлектрика используются различные керамические материалы:

— диоксид титана (TiO₂) – условное обозначение NPO (NME);

— цирконат кальция CaZrO₃ – условное обозначение NPO;

— титанат бария BaTiO₃ – условное обозначение X7R, X5R, Y5V.

Тип используемого диэлектрика и конструктивные особенности и определяют характеристики конденсаторов.

Таблица C.3. Типы керамических диэлектриков конденсаторов [http://www.avx.com/resources/technical-info-papers/general/]

Конденсаторы на основе диэлектрика X7R. X7R — стабильный диэлектрик с предсказуемой температурной, частотной и временной зависимостью. Конденсаторы на основе X7R имеют малые габариты, низкое значение паразитной индуктивности. Характерные значения емкости 100 пФ – 4,7 мкФ, рабочего напряжения – 10-2000 В. Основные области использования конденсаторов на основе X7R:

— времязадающие цепей, дифференцирующие и интегрирующие цепочки;

— помехоподавляющие и фильтрующие конденсаторы (bypass);

Конденсаторы на основе диэлектрика X5R. X5R — керамический диэлектрик используемый в цепях общего применения, где не требуется высокая стабильность емкости. Конденсаторы на основе X5R имеют высокое значение емкости, сильную температурную зависимость (большую индуктивность). Характерные значения емкости 10 нФ – 47 мкФ, рабочего напряжения – 6,3-25 В. Конденсаторы на основе X5R используются как конденсаторы общего значения в бытовой радиоаппаратуре, а также в качестве помехоподавляющие и фильтрующих конденсаторов;

Конденсаторы на основе керамических диэлектриков Y5V и Z5U. Y5V и Z5U используются в цепях общего и промышленного применения, где не предъявляется особых требований к температурной стабильности емкости. Конденсаторы на основе Y5V и Z5U имеют высокое значение емкости, и значительную температурную зависимость. Характерные значения емкости 10 нФ – 22 мкФ, рабочего напряжения – 25-50 В. Конденсаторы на основе Y5V и Z5U используются в качестве помехоподавляющие и фильтрующих конденсаторов;

Конденсаторы на основе диэлектрика NP0(C0G). Диэлектрик NP0(C0G) — высокостабильный диэлектрик, используемый в прецизионных цепях. Емкость конденсаторов на основе NP0(C0G) практически не изменяется под действием температуры, напряжения и времени (в пределах рабочего диапазона). Конденсаторы на основе NP0(C0G) имеют сравнительно высокие габариты и стоимость. Характерные значения емкости 0,47 пФ – 22 нФ, рабочего напряжения – 16-4000 В. Основные области использования конденсаторов на основе NP0(C0G):

— времязадающие цепи, дифференцирующие и интегрирующие цепочки;

Использование конденсаторов на основе диэлектрика NP0(C0G) в качестве помехоподавляющих или фильтрующих (bypass) неоправданно по причине высокой их стоимости и достаточно больших габаритов.

Электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы – конденсаторы, в которых в качестве диэлектрика используется тонкий слой окисной пленки на одном из обкладок — электродов. Другой обкладкой фактически является электролит, контактирующий с металлической фольгой играющей роль токосъема. Именно по причине присутствия электролита в составе конденсатора они и называются электролитическими. Для предотвращения электрического контакта оксидированной обкладки и токосъемной обкладки фольги между ними располагают тонкий слой бумаги или полимерной пористой мембраны, одновременной являющийся носителем электролита. Электролитические конденсаторы обладают высокой удельной емкостью, что обусловлено малой толщиной пленки оксида – порядка 1 мкм. Толщина этого слоя определяет прямое рабочее напряжение. Обратное же напряжение не должно превышать 1,5-2 В иначе произойдет нарушение оксидного слоя и выход конденсатора из строя.

В зависимости от типа используемого диэлектрика электролитические конденсаторы подразделяются на:

— алюминиевые электролитические – диэлектрик оксид алюминия Al₂O₃;

— танталовые электролитические – диэлектрик оксид тантала Ta₂O₅;

В зависимости от типа применяемого электролита конденсаторы подразделяются:

— жидко-электролитические — обычные электролитические конденсаторы в которых в качестве электролита используется электропроводная жидкость;

— твердотельные – в которых электролитом является токопроводящий органический полимер (PEDT или Polypyrrole).

Алюминиевые электролитические конденсаторы с органическим полупроводниковым материалом имеют меньшие значения последовательного сопротивления ESR, более широкий частотный диапазон, высокую стабильность и срок службы по сравнению с обычными электролитическими конденсаторами с жидким электролитом.

Подавляющее большинство алюминиевых электролитических конденсаторов имеют рулонную конструкцию, а танталовые – многослойную. Поэтому большинство электролитов имеют выводную конструкцию, а танталовые выполняются в SMD-корпусах.

Специфические параметры электролитических конденсаторов

Как было сказано ранее, тип диэлектрика и электролита определяют основные параметры конденсатора. В дополнение к обычным конденсаторным параметрам у электролитов особо выделяют ряд параметров:

— гарантированный срок службы;

— последовательное сопротивление (ESR);

— импеданс (полное сопротивление);

— максимальный ток пульсаций.

Гарантированный срок службы. Да, да, они не вечны. Используемый в электролитических конденсаторах жидкий электролит со временем высыхает. Применяя научную терминологию происходит диффузия электролита через изолятор. Особенно быстро это происходит при повышенной температуре. С высыханием электролита уменьшается ёмкость конденсатора, увеличивается ESR и соответственно изменяются характеристики устройства, в котором он используется. Можно сказать, что электролиты являются бомбами замедленного действия. И они реально взрываются. По этой причине одним из важнейших параметров электролитических конденсаторов является время гарантированной работы — гарантированный срок службы, составляющий от 1000 до 15 000 часов для алюминиевых конденсаторов с жидкими электролитом. По этому параметру особо выделяются долговечные электролитические конденсаторы имеющие 5000-15000 часов гарантированной работы. При этом необходимо, чтобы были обеспечены нормальные условия работы – номинальное напряжение, номинальный пульсирующий ток, номинальная температура.

Для каждого типа конденсатора фирмы изготовители предлагают методики расчет прогнозируемого срока службы в зависимости от условий эксплуатации. Эти методики, как правило, содержат номограммы срока службы индивидуальные для каждого из типов конденсаторов. Если при проектировании схем существует задача обеспечения длительного срока службы то можно использовать конденсатор с большим значением рабочего напряжения, облегчить температурный режим. Для снижения тепловой нагрузки на конденсатор можно применять несколько приемов:

— использовать принудительное охлаждение (обдув);

— вместо одного использовать несколько конденсаторов, желательно длинных и узких;

— отдалить конденсаторы от внешних источников тепла – радиаторы, трансформаторы и т.д. На практике это одна из наиболее часто встречающихся проблем при проектировании источников питания.

Кстати именно выход из строя электролитов является одной из наиболее распространенных поломок бытовой радиоэлектронной аппаратуры.

Конденсаторы с диэлектриком в виде проводящего полимера, органического и неорганического полупроводника (полимерные и твердотельные) конденсаторы имеют значительно больший срок службы – до 50000 часов. Их недостатки – большая цена и малые рабочие напряжения (до 50 В).

Последовательное сопротивление ( ESR ). Является одними из важнейших параметром электролитов для задач силовой электроники. Для различных подтипов электролитов она изменяется в широких пределах от 10 мОм до 1 Ом. Выделяется отдельный класс конденсаторов с низким ESR.

Полный импеданс конденсатора. Величина общего импеданса определяется компонентами схемы замещения (рисунки C.3, C.4). В области низких частот импеданс в основном определяется емкостной составляющей, в области средних частот – преимущественно ESR, в области высоких частот начинает оказывать влияние последовательная индуктивность ESL.

Рисунок C.10 – Полный импеданс конденсатора Z складывается из резистивной R, емкостной Z_C и индуктивной Z_L составляющих [Алюминиевые электролитические конденсаторы Samwha. С. Швецов. Новости Электроники №11, 2008]

Максимальный ток пульсаций. Во многих устройствах силовой электроники например электронных балластах, зарядных устройствах, и т.д. через электролитические конденсаторы протекают значительные импульсы тока. Это, в свою очередь, приводит к нагреву конденсатора, высыханию электролита и выходу из строя до завершения гарантированного срока службы.

Кроме представленных параметров отдельно выделяют диапазон рабочих температур. Так существуют типы электролитических конденсаторов предназначенных для эксплуатации в широком температурном диапазоне – до 155 °С.

При выборе электролитических конденсаторов для сильноточных цепей мощных преобразователей следует уделить особое внимание параметрам ESL и ESR, определяющим электрический и тепловой режимы работы конденсаторов.

Причины выхода из строя электролитических конденсаторов

Отрицательные напряжения. При последовательном соединении электролитов разница в емкости может привести к отрицательному напряжению на одном из них обладающего меньшей емкостью, для предотвращения этого использую схему включения с защитными диодами и выравнивающими резисторами (рисунок C.11). При параллельном соединении электролитов необходимо, чтобы паразитная индуктивность соединения между ними была минимальной. Для этого необходимо минимизировать расстояние между ними на плате. Несоблюдение этого условия может привести к перенапряжениям за счет колебательного процесса вызванного паразитными LC-контуром [Особенности применения электролитических конденсаторов. А. Колпаков. Схемотехника № 1,2,3 2000]. Для кардинального уменьшения паразитной индуктивности конденсаторной батареи можно использовать двустороннюю печатную плату с токопроводящими шинами-дорожками с каждой и сторон платы: например верхняя сторона для положительной полярности, нижняя сторона – для отрицательной. При таком расположении площадь токовой петли будет минимальной. В справочных листках на конденсаторы указывается информация об допускаемой амплитуде выбросов обратного напряжения (например до –1.5 В для конденсаторов EPCOS [Алюминиевые электролитические конденсаторы EPCOS. Справочник — http://www.platan.ru/docs/library/ALCAP_EPCOS.pdf]).

Рисунок C.11. Схема последовательного включения электролитических конденсаторов с защитными диодами и выравнивающими резисторами

Температурная память. При переохлаждении конденсатора до низкой температуры (-40 С°) и повышение температуры выше максимальной приводят к резкому росту ESR и уменьшению емкости.

Работа при напряжении близком к максимальному. При напряжениях на конденсаторе близких к максимальному рабочему имеет место выделение тепла обусловленного током утечки (параллельное паразитное сопротивление r), что уменьшает срок службы конденсаторов. При этом необходимо понимать, что ток утечки значительно возрастает с ростом температуры.

Протекание высокочастотной составляющей тока. Протекание высокочастотной составляющей тока сопровождается выделением тепла, что существенно влияет на срок службы конденсаторов.

Механические вибрации. Механические вибрации могут стать причиной разгерметизации корпуса конденсатора, что в свою очередь приводит к быстрому высыханию электролита и выходу конденсатора из строя.

Влияние ESR на амплитуду пульсаций напряжения емкостного фильтра

Одним из наиболее распространенных применений электролитических конденсаторов в силовой электронике являются емкостные фильтры напряжения. Электролиты стоят во входных цепях импульсных источников питания сразу после выпрямителя сетевого напряжения, электролиты используют и в выходных цепях источников питания. Одним из основных параметров емкостных фильтров является коэффициент пульсаций. Коэффициент пульсаций с одной стороны определяется процессом разряда емкости током нагрузки. Амплитуда пульсаций, вызванная разрядом-зарядом емкости конденсатора равна:

I_load – ток разряда;

С – емкость конденсатора;

Δt – время между импульсами зарядного тока (определяется частотой питания ёмкостного фильтра).

Эту составляющую пульсаций можно снизить до очень малой величины увеличивая емкость и частоту.

Другая составляющая пульсаций определяется падением напряжения на внутреннем сопротивлении конденсатора ESR_C и равна:

I_load – ток разряда;

ESR_C – внутреннее последовательное сопротивление конденсатора.

Множитель 2 показывает удвоение амплитуды поскольку при заряде напряжение на нагрузке выше на величину I_load · ESR_C, а при разряде меньше на величину I_load · ESR_C (меняется направление тока, проходящего через конденсатор).

Эта составляющая пульсаций не зависит от емкости частоты, а определяется только током нагрузки и внутренним сопротивлением конденсатора.

Для выходных каскадов импульсных высокочастотных источников питания типична ситуация когда пульсации вызванные падением напряжения на внутреннем сопротивлении конденсатора, выше пульсаций обусловленных разрядом-зарядом емкости выходного конденсатора:

Рисунок C.12 – Пульсации напряжения на конденсаторе с малым и большим ESR при их одинаковой емкости

О параллельном включении керамических конденсаторов и электролитов

В схемотехнике выходных фильтров источников питания часто встречается последовательное соединение электролитического конденсатора и керамического (либо пленочного) малой емкости. Вопреки распространенному мнению, такое решение практически не снижает коэффициент пульсаций, но способствует подавлению высокочастотных помех, вызываемых коммутацией ключевых элементов. Для уменьшения коэффициента пульсаций используют LC-фильтры.

Рисунок C.13 – Параллельное включение электролитических и керамических конденсаторов

О монтаже электролитических конденсаторов

Не следует сильно загибать выводы электролитических конденсаторов непосредственно у корпуса – это может привести к нарушению герметичности и уменьшению срока службы.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Как следует из названия, диэлектриком в данных конденсаторах является пленка оксида алюминия. Алюминиевые электролитические конденсаторы с жидким электролитом наиболее распространены среди электролитических конденсаторов. Это обусловлено высокой удельной емкостью, низкой стоимостью и широким диапазоном рабочих напряжений (15-450 В) и ёмкостей (1 мкФ — 1 Ф). Столь высокие значения удельной емкости достигаются за счет увеличения эффективной площади конденсаторов путем травления анодной фольги. Алюминиевые электролитические конденсаторы допускают кратковременные импульсные перенапряжения не более чем 10-15 % от рабочего напряжения.

Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют параллельное сопротивление, уменьшающееся с ростом напряжения на конденсаторе. То есть с увеличением напряжения ток разряда конденсатора будет нелинейно возрастать [Алюминиевые электролитические конденсаторы EPCOS. Справочник — http://www.platan.ru/docs/library/ALCAP_EPCOS.pdf]. Электролитические конденсаторы – устройства полярные и могут работать только при одной полярности напряжения, максимальное обратное напряжение на электролитах не должно превышать величину порядка 1,5 В. Следует быть осторожным при использовании стандартных алюминиевых «электролитов» в схемах, которые должны работать «долго и счастливо». Реально срок их службы составляет несколько десятков тысяч часов и зависит от температурного и токового режима работы.

Уменьшение температуры приводит к снижению (на 10-15 %) ёмкости алюминиевых электролитических конденсаторов в пределах рабочего температурного диапазона. Это необходимо учитывать при проектировании схем работающих в «уличных» условиях.

Для электролитических конденсаторов принято считать, что потери определяются только потерями, обусловленными эквивалентным последовательным сопротивлением. Это обусловлено тем, что на высоких частотах «электролиты» попросту не используются. При таком подходе ESR связано с тангенсом угла потерь соотношением [Алюминиевые электролитические конденсаторы EPCOS. Справочник — http://www.platan.ru/docs/library/ALCAP_EPCOS.pdf]:

tg δ – тангенс угла потерь;

f – частота на которой выполнено измерение tg δ;

C – емкость конденсатора.

Зная значение тангенса угла потерь и частоту, на которой он был измерен можно рассчитать величину ESR.

Танталовые электролитические конденсаторы

Танталовые конденсаторы по сравнению с алюминиевыми имеют большую удельную емкость и соответственно меньшие размеры. Кроме этого у них лучшая температурная стабильность, малые утечки, шире диапазон рабочих температур, значительно больший срок службы. И существенно большая стоимость. Именно по этим причинам танталовые конденсаторы являются атрибутом элитной электроники. Характерные значения емкости – 1-470 мкФ, рабочего напряжения – 4-50 В. В цепях помехоподавления танталовые электролитические конденсаторы могут быть заменены на неполярные многослойные керамические конденсаторы большой емкости имеющие меньшие значения ESR, ток утечки и стоимость.

Рисунок C.14 – Танталовые конденсаторы

Особые требования к конденсаторам в источниках питания

Входные конденсаторы

К входным конденсаторам импульсных стабилизаторов и преобразователей предъявляются особые требования по входному импедансу, в первую очередь к ESL (EffectiveSeries Inductance) и во вторую очередь к ESR (Equivalent Series Resistance). Даже сравнительно малая последовательная индуктивность входных конденсаторов может стать причиной выбросов напряжения и паразитных осцилляций на входных цепях преобразователей, что в свою очередь может привести к пробою коммутационных элементов. Традиционным решением является использование на входе преобразователя в дополнение к основным, как правило, электролитическим конденсаторам конденсаторов малой емкости, но обладающих низким ESL (как правило, пленочных или керамических). Эти конденсаторы располагают в непосредственной близости к силовому контуру коммутации. [Switching Regulator Fundamentals. Application Report SNVA559A–September 2012–Revised September 2016. Texas Instruments Incorporated. http://www.ti.com/lit/an/snva559a/snva559a.pdf].

Выходные конденсаторы

К выходным конденсаторам, которые выполняют роль фильтров и накопителей энергии в импульсных источниках питания предъявляются требования в первую очередь к их ESR. При этом особое внимание нужно обращать на диапазон частот, для которого изготовитель указывает ESR. Часто, для конденсаторов общего применения указывается ESR для частоты 120 Гц. На высоких частотах 20-100 кГц значение может сильно измениться. Поэтому необходимо точно знать ESR для частоты соответствующей рабочей частоте преобразователя. Кроме этого ESR обычных алюминиевых электролитических конденсаторов может изменяться более чем в 40 раз при изменении температуры в диапазоне от -40 до +25 °С. [Switching Regulator Fundamentals. Application Report SNVA559A–September 2012–Revised September 2016. Texas Instruments Incorporated. http://www.ti.com/lit/an/snva559a/snva559a.pdf]. ESR выходных конденсаторов является основной причиной пульсаций напряжения на выходе источников питания. Традиционным является параллельное включение конденсаторов с меньшей емкостью, при этом их ESR оказываются включенными параллельно.

Шунтирующие конденсаторы (bypass capacitors)

Шунтирующие конденсаторы используют для подавления (шунтирования) пульсаций и высокочастотных наводок по цепям питания микросхем. Традиционно для данных целей используются керамические конденсаторы.

Типоразмеры основных типов конденсаторов

Керамические SMD-конденсаторы

Рисунок C.15 – К типоразмерам керамических SMD-конденсаторов

Таблица C.4 – Типоразмеры и маркировка керамических SMD-конденсаторов

Танталовые SMD-конденсаторы

Рисунок C.16 – Габаритные размеры танталовых чип-конденсаторов

Таблица C.5 – Типоразмеры и маркировка рабочих напряжений танталовых SMD-конденсаторов

ESR конденсатора

ESR — оно же эквивалентное последовательное сопротивление — это очень важный параметр конденсаторов. Для чего он нужен и как его определить, об этом мы как раз и поговорим в нашей статье.

Реальные параметры конденсатора

Думаю, все вы в курсе, что в нашем бесшабашном мире нет ничего идеального. То же самое касается и электроники. Радиоэлементы, каскады, радиоузлы также частенько дают сбои. Можно даже вспомнить недавнюю историю с космическим кораблем «Прогресс». Сбой какого-то узла повлек гибель целого гиганта космической отрасли. Даже простой, на первый взгляд, радиоэлемент конденсатор, имеет в своем составе не только емкость, но и другие паразитные параметры. Давайте рассмотрим схему, из чего все-таки состоит наш реальный конденсатор?

r — это сопротивление диэлектрика и корпуса между обкладками конденсатора

С — собственно сама емкость конденсатора

ESR — эквивалентное последовательное сопротивление

ESI (чаще его называют ESL) — эквивалентная последовательная индуктивность

Вот на самом деле из чего состоит простой безобидный конденсатор, особенно электролитический. Рассмотрим эти параметры более подробно:

r — сопротивление диэлектрика. Диэлектриком может быть электролит в электролитических конденсаторах, бумага или еще какая-нибудь дрянь). Также между выводами конденсатора находится его корпус. Он тоже обладает каким-то сопротивлением и тоже сделан из диэлектрика и относится сюда же.

С — емкость конденсатора, которая написана на самом конденсаторе плюс-минус некоторые отклонения, связанные с погрешностью.

ESI(ESL) — последовательная индуктивность — это собственная индуктивность обкладок и выводов. На низких частотах можно не учитывать. Почему? Читаем статью катушка индуктивности в цепи постоянного и переменного тока.

Где «прячется» ESR в конденсаторе

ESR представляет из себя сопротивление выводов и обкладок

Как вы знаете, сопротивление проводника можно узнать по формуле:

ρ — это удельное сопротивление проводника

S — площадь поперечного сечения проводника

Так что можете посчитать приблизительно сопротивление выводов конденсатора и заодно его обкладок 😉 Но, конечно же, так никто не делает. Для этого есть специальные приборы, которые умеют замерять этот самый параметр. Например, мой прибор с Алиэкспресса, который я недавно приобрел.

Почему вредно большое значение ESR

Раньше, еще когда только-только стали появляться первые электронные схемы, такой параметр, как ESR даже ни у кого не был на слуху. Может быть и знали, что есть это сопротивление, но оно никому не вредило. Но… с появлением первых импульсных блоков питания все чаще стали говорить о ESR. Чем же столь безобидное сопротивление не понравилось импульсным блокам питания?

На нулевой частоте (постоянный ток) и низких частотах, как вы помните из статьи конденсатор в цепи постоянного и переменного тока, конденсатор сам оказывает большое сопротивление электрическому току. В этом случае какие-то паразитные доли Ома сопротивления ESR не будут влиять на параметры электрической цепи. Все самое интересное начинается тогда, когда конденсатор работает в высокочастотных цепях (ВЧ).

Мы с вами знаем, что конденсатор пропускает через себя переменный ток. И чем больше частота, тем меньше сопротивление самого конденсатора. Вот вам формула, если позабыли:

где, Х_С — это сопротивление конденсатора, Ом

П — постоянная и равняется приблизительно 3,14

F — частота, измеряется в Герцах

С — емкость, измеряется в Фарадах

Но, одно то мы не учли… Сопротивление выводов и пластин с частотой не меняется! Так… и если пораскинуть мозгами, то получается, что на бесконечной частоте сопротивление конденсатора будет равняться его ESRу? Получается, наш конденсатор превращается в резистор? А как ведет себя резистор в цепи переменного тока? Да точно также как и в цепи постоянного тока: греется! Следовательно на этом резисторе будет рассеиваться мощность P в окружающую среду. А как вы помните, мощность через сопротивление и силу тока выражается формулой:

I — это сила тока, в Амперах

R — сопротивление резистора ESR, в Омах

Значит, если ESR будет больше, то и мощность рассеивания тоже будет больше! То есть этот резистор будет хорошенько нагреваться.

Догоняете о чем я вам толкую? 😉

Из всего выше сказанного можно сделать простенький вывод: конденсатор с большим ESR в высокочастотных цепях с большими токами будет нагреваться. Ну да ладно, пусть себе греется… Резисторы и микросхемы тоже ведь греются и ничего! Но весь косяк заключается в том, что с увеличением температуры конденсатора меняется и его емкость! Есть даже такой интересный параметр конденсатора, как ТКЕ или Температурный Коэффициент Емкости. Этот коэффициент показывает, насколько поменяется емкость при изменении температуры. А раз уже «плавает» емкость, то вслед за ней «плывет» и схема.

ESR электролитических конденсаторов

В основном параметр ESR касается именно электролитических конденсаторов. Электролит, который там есть, теряет часть своих свойств при нагреве и конденсатор меняет свою емкость, что, конечно же, нежелательно. После приличного нагрева конденсатор начинает тупить, вздувается и быстро стареет.

У вздувшихся конденсаторов в первую очередь как раз ESR и растёт, тогда как ёмкость до определённого времени может оставаться практически номинальной ( ну той, которая написана на самом конденсаторе)

Чаще всего они вспухают в импульсных блоках питания и на материнках, обычно рядом с процессором (там выше на них нагрузка, да и тепло от процессора, вероятно, свою роль играет). Один из характерных симптомов: техника (комп, монитор) начинает включаться всё хуже и хуже. Либо с паузой (до нескольких часов после включения в сеть), либо с -дцатой попытки.

Ещё симптом: если отрубить питание на некоторое время (сетевой фильтр выключить, или из розетки выдернуть) — то снова начинает включаться не с первой попытки, или после паузы. А если не выключать питание, то комп может включаться сразу (но это тоже до поры, до времени, разумеется). Но бывает, что конденсаторы не вспухли, а ESR уже в десятки раз выше нормы. Тогда, понятно, заменяем. По опыту — очень частая проблема. И весьма легко диагностируемая (особенно, при наличии чудо-приборчика от китайских товарищей).

Таблица ESR

Как я уже сказал, ESR в основном проверяют именно у электролитических конденсаторов, потому что они используются в импульсных блоках питания. Вот небольшая табличка для максимально допустимых значений ESR для новых электролитических конденсаторов в зависимости от их рабочего напряжения:

Как измерить ESR

Давайте замеряем некоторые наши китайские конденсаторы на ESR. Для этого берем наш многофункциональный универсальный R/L/C/Transistor-metr и проведем несколько замеров:

Первым в бой идет конденсатор на 22 мкФ х 25 Вольт:

Емкость близка к номиналу. ESR=1,9 Ом. Если посмотреть по табличке, то максимальный ESR=2,1 Ом. Наш конденсатор вполне укладывается в этот диапазон. Значит его можно использовать в высокочастотных цепях.

Следующий конденсатор 100 мкФ х 16 Вольт

ESR=0,49 Ом, смотрим табличку… 0,7 максимальный. Значит тоже все ОК. Можно тоже использовать в ВЧ цепях.

И возьмем конденсатор емкостью побольше 220 мкФ х 16 Вольт

Максимальный ESR для него 0,33 Ом. У нас же высветило 0,42 Ома. Такой конденсатор уже не пойдет в ВЧ часть радиоаппаратуры. А в простые схемки, где гуляют низкие частоты (НЧ) сгодится в самый раз! ;-).

Конденсаторы с низким ESR

В нашем бурно-развивающемся мире электроника все больше строится именно на ВЧ части. Импульсные блоки питания почти полностью одержали победу над громоздкими трансформаторными блоками питания. Это мы, радиолюбители, до сих пор пользуемся самопальными блоками питания, сделанные из трансформаторов, которые нашли на помойке.

Но раз почти вся техника уходит в ВЧ диапазон, то и разработчики радиокомпонентов тоже не спят. Они создают конденсаторы, у которых низкий ESR и называются такие конденсаторы LOW ESR, что значит кондеры с низким ESR. На некоторых это пишут прямо на корпусе:

Отличительной чертой таких конденсаторов является то, что они вытянуты в длину. Также, по моим наблюдениям, на них чаще всего есть полоска золотого цвета:

Сейчас все чаще используют миниатюрные полимерные алюминиевые конденсаторы с низким ESR:

Где же их можно чаще всего увидеть? Конечно же, разобрав свой персональный компьютер. Можно найти их в блоке питания, а также на материнской плате компьютера.

На фото ниже мы видим материнскую плату компа , которая сплошь утыкана конденсаторами с LOW ESR, некоторые из них я отметил в красном прямоугольнике:

Самым маленьким ESR обладают керамические и SMD-керамические конденсаторы

Интересное видео по теме:

Заключение

Ну что еще можно сказать про ESR? В настоящее время идет битва среди производителей за рынок. Кто предложит конденсатор с минимальным ESR и хорошей емкостью, тот молоток ;-). Не поленитесь также купить или собрать прибор ESR-метр. Особенно он будет очень актуален для ремонтников радиоэлектронной аппаратуры. Мультиметр может показать вам емкость и ток утечки, но вот внутреннее сопротивление покажет именно ESR-метр.

Бывало очень много случаев, когда аппаратура ну никак не хотела работать, хотя все элементы в ней были целые. В этом случае просто замеряли ESR-метром конденсаторы и выявляли их сопротивление. После замены дефектных конденсаторов с большим ESR на конденсаторы с низким ESR (LOW ESR), аппаратура оживала и работала долго и счастливо.