Circuito de Medidor ESR Simples

O post discute um circuito medidor ESR simples que pode ser usado para identificar capacitores defeituosos em um circuito eletrônico sem removê-los praticamente da placa de circuito. A ideia foi solicitada por Manual Sofian

Especificações técnicas

Você tem um esquema sobre o medidor ESR. Os técnicos recomendam que eu verifique o eletrolítico primeiro toda vez que obtenho um circuito morto, mas não sei como medi-lo.

Agradeço antecipadamente pela sua resposta.

O que é ESR

ESR, que significa Equivalent Series Resistance, é um valor de resistência insignificante que normalmente se torna uma parte de todos os capacitores e indutores e aparecem em série com seus valores de unidade reais, no entanto, especialmente em capacitores eletrolíticos, devido ao envelhecimento, o valor de ESR pode continuar aumentando a níveis anormais que afetam adversamente a qualidade geral e a resposta do circuito envolvido.

O ESR em desenvolvimento em um determinado capacitor pode aumentar gradualmente de apenas alguns miliohms até tão alto quanto 10 ohms, afetando severamente a resposta do circuito.

No entanto, o ESR explicado acima pode não significar necessariamente que a capacitância do capacitor também seria afetada; na verdade, o valor da capacitância poderia permanecer intacto e bom, mas ter o desempenho do capacitor deteriorando.

É devido a este cenário um medidor de capacitância normal falha totalmente em detectar um capacitor ruim afetado com alto valor ESR e um técnico acha que os capacitores estão OK em termos de seu valor de capacitância, o que torna a solução de problemas extremamente difícil.

Onde medidores de capacitância normais e medidores de Ohm se tornam totalmente ineficazes na medição ou detecção de ESR anormal em capacitores com defeito, um medidor de ESR torna-se extremamente útil para identificar tais dispositivos enganosos.

Diferença entre ESR e Capacitância

Basicamente falando, o valor ESR de um capacitor (em ohms) indica o quão bom o capacitor é ..

Quanto menor o valor, maior o desempenho de trabalho do capacitor.

Um teste ESR nos fornece um aviso rápido de mau funcionamento do capacitor e é muito mais útil quando comparado a um teste de capacitância.

Na verdade, vários eletrolíticos defeituosos podem exibir OKAY quando examinados com um medidor de capacitância padrão.

Recentemente, falamos com muitas pessoas que não apóiam a importância da ESR e em que percepção ela é única em relação à capacitância.

Portanto, acho que vale a pena fornecer um clipe de uma notícia tecnológica em uma revista de renome de autoria de Doug Jones, o presidente da Independence Electronics Inc. Ele aborda a preocupação da ESR de forma eficaz. 'ESR é a resistência natural ativa de um capacitor contra um sinal AC.

ESR mais alto pode levar a complicações constantes no tempo, aquecimento do capacitor, aumento na carga do circuito, falha geral do sistema etc.

Que problemas a ESR pode causar?

Uma fonte de alimentação comutada com capacitores ESR altos pode falhar ao iniciar de forma ideal ou simplesmente não iniciar de todo.

Uma tela de TV pode ficar inclinada nas laterais / superior / inferior devido a um capacitor ESR alto. Também pode levar a falhas prematuras de diodo e transistor.

Todos esses e muitos outros problemas são geralmente induzidos por capacitores com capacitância adequada, mas grande ESR, que não pode ser detectado como uma figura estática e por esse motivo não pode ser medido por meio de um medidor de capacitância padrão ou um ohmímetro DC.

ESR aparece apenas quando uma corrente alternada é conectada a um capacitor ou quando a carga dielétrica de um capacitor está constantemente mudando de estado.

Isso pode ser visto como a resistência AC em fase total do capacitor, combinada com a resistência DC dos condutores do capacitor, a resistência DC da interconexão com o dielétrico do capacitor, a resistência da placa do capacitor e AC em fase do material dielétrico resistência em uma freqüência e temperatura específicas.

Todos os elementos que causam a formação do ESR podem ser considerados um resistor em série com um capacitor. Este resistor não existe realmente como uma entidade física, portanto, uma medição imediata sobre o 'resistor ESR' simplesmente não é viável. Se, por outro lado, uma abordagem que ajude a corrigir os resultados da reatância capacitiva for acessível, e contemplando que todas as resistências estão em fase, o ESR pode ser determinado e testado empregando a fórmula eletrônica fundamental E = I x R!

ATUALIZANDO uma alternativa mais simples

O circuito baseado em amplificador operacional dado abaixo parece complexo, sem dúvida, portanto, depois de pensar um pouco, eu poderia ter essa ideia simples para avaliar o ESR de qualquer capacitor rapidamente.

Porém, para isso você terá que primeiro calcular a quanta resistência o capacitor particular possui idealmente, usando a seguinte fórmula:

Xc = 1 / [2 (pi) fC]

• onde Xc = reatância (resistência em Ohms),
• pi = 22/7
• f = frequência (tomar 100 Hz para esta aplicação)
• C = valor do capacitor em Farads

O valor Xc fornecerá a resistência equivalente (valor ideal) do capacitor.

Em seguida, encontre a corrente através da lei de Ohm:

I = V / R, aqui V será 12 x 1,41 = 16,92 V, R será substituído por Xc conforme obtido a partir da fórmula acima.

Depois de encontrar a corrente nominal ideal do capacitor, você pode usar o seguinte circuito prático para comparar o resultado com o valor calculado acima.

Para isso, você precisará dos seguintes materiais:

• Transformador 0-12V / 220V
• 4 diodos 1N4007
• Medidor de bobina móvel FSD de 0-1 amp, ou qualquer amperímetro padrão

O circuito acima fornecerá uma leitura direta sobre quanta corrente o capacitor é capaz de fornecer através dele.

Anote a corrente medida com a configuração acima e a corrente obtida com a fórmula.

Finalmente, use a lei de Ohm novamente, para avaliar as resistências das duas leituras de corrente (I).

R = V / I onde a tensão V será 12 x 1,41 = 16,92, 'I' será de acordo com as leituras.

Obtendo o valor ideal de um capacitor rapidamente

No exemplo acima, se você não deseja fazer os cálculos, pode usar o seguinte valor de benchmark para obter a reatância ideal de um capacitor, para comparação.

De acordo com a fórmula, a reatância ideal de um capacitor de 1 uF é em torno de 1600 Ohms a 100 Hz. Podemos tomar esse valor como padrão e avaliar o valor de qualquer capacitor desejado por meio de uma simples multiplicação cruzada inversa, conforme mostrado abaixo.

Suponha que desejamos obter o valor ideal de um capacitor de 10uF, simplesmente seria:

1/10 = x / 1600

x = 1600/10 = 160 ohms

Agora podemos comparar este resultado, com o resultado obtido resolvendo a corrente do amperímetro na lei de Ohms. A diferença nos dirá sobre o ESR efetivo do capacitor.

NOTA: A tensão e a frequência usadas na fórmula e no método prático devem ser idênticas.

Usando um amplificador operacional para fazer um medidor ESR simples

Um medidor ESR pode ser usado para determinar a integridade de um capacitor duvidoso ao solucionar um circuito eletrônico ou unidade antiga.

Além disso, a vantagem desses instrumentos de medição é que eles podem ser usados ​​para medir o ESR de um capacitor sem a necessidade de remover ou isolar o capacitor da placa de circuito, tornando as coisas muito fáceis para o usuário.

A figura a seguir mostra um circuito medidor ESR simples que pode ser construído e usado para as medições propostas.

Diagrama de circuito

Como funciona

O circuito pode ser entendido da seguinte maneira:

TR1 junto com o transistor NPN conectado forma um oscilador de bloqueio acionado por realimentação simples que oscila em alguma frequência muito alta.

As oscilações induzem uma magnitude proporcional de tensão nas 5 voltas secundárias do transformador, e essa tensão induzida de alta frequência é aplicada no capacitor em questão.

Um opamp também pode ser visto conectado com a alimentação de alta frequência de baixa tensão acima e é configurado como um amplificador de corrente.

Sem ESR ou no caso de um novo capacitor bom, o medidor é configurado para indicar uma deflexão de escala completa indicando um ESR mínimo através do capacitor que proporcionalmente desce em direção a zero para diferentes capacitores com diferentes quantidades de níveis de ESR.

ESR mais baixo faz com que uma corrente relativamente mais alta se desenvolva através da entrada de detecção inversora do amp op, que é correspondentemente exibida no medidor com um grau mais alto de deflexão e vice-versa.

O transistor BC547 superior é apresentado como um estágio regulador de tensão do coletor comum para operar o estágio do oscilador com 1,5 V inferior, de modo que o outro dispositivo eletrônico na placa de circuito ao redor do capacitor sob teste seja mantido sob tensão zero a partir da frequência de teste de o medidor ESR.

O processo de calibração do medidor é fácil. Mantendo os cabos de teste em curto, a predefinição de 100k perto do medidor uA é ajustada até que uma deflexão de escala total seja alcançada no mostrador do medidor.

Depois disso, diferentes capacitores com altos valores de ESR puderam ser verificados no medidor com graus de deflexão correspondentemente mais baixos, conforme explicado na seção anterior deste artigo.

O transformador é construído sobre qualquer anel de ferrite, usando qualquer fio magnético fino com o número de voltas mostrado.

Outro testador ESR simples com um LED

O circuito fornece uma resistência negativa para encerrar o ESR do capacitor que está sendo testado, criando uma ressonância em série contínua através de um indutor fixo. A figura abaixo mostra o diagrama do circuito do medidor ESR. A resistência negativa é gerada por IC 1b: Cx indica o capacitor em teste e L1 é posicionado como o indutor fixo.

Trabalho Básico

Pot VR1 facilita a resistência negativa a ser ajustada. Para testar, simplesmente continue girando VR1 até que a oscilação pare. Feito isso, o valor ESR pode ser verificado a partir de uma escala anexada atrás do dial VR1.

Descrição do Circuito

Na ausência de uma resistência negativa, L1 e Cx funcionam como um circuito ressonante em série que é suprimido pela resistência de L1 e ESR de Cx. Este circuito ESR começará a oscilar assim que for alimentado por um gatilho de tensão. IC1 a funciona como um oscilador para gerar uma saída de sinal de onda quadrada com alguma frequência baixa em Hz. Esta saída particular é diferenciada para criar os picos de tensão (impulsos) que acionam o circuito ressonante conectado.

Assim que o ESR do capacitor junto com a resistência de R1 tendem a terminar com a resistência negativa, a oscilação de toque torna-se uma oscilação constante. Em seguida, acende o LED D1. Assim que a oscilação for interrompida devido à queda da resistência negativa, o LED se DESLIGA.

Detectando um capacitor em curto

No caso de um capacitor em curto-circuito ser detectado em Cx, o LED acende com um brilho aumentado. Durante o período em que o circuito ressonante está oscilando, o LED é ligado apenas através dos semiciclos de borda positiva da forma de onda: o que faz com que ele acenda apenas com 50% de seu brilho total. IC 1 d fornece meia tensão de alimentação que é usada como referência para IC1b.

S1 pode ser usado para ajustar o ganho de ICIb, que por sua vez muda a resistência negativa para permitir amplas faixas de medição ESR, entre 0-1, 0-10 e 0-100 Ω.

Lista de Peças

Construção L1

O indutor L1 é feito enrolando-se diretamente em torno dos 4 pilares internos do invólucro que podem ser usados ​​para aparafusar os cantos do PCB.

O número de voltas pode ser 42, usando fio de cobre superesmaltado 30 SWG. Crie L1 até que você tenha uma resistência de 3,2 Ohm nas extremidades do enrolamento, ou cerca de 90uH de valor de indutância.

A espessura do fio não é crucial, mas os valores de resistência e indutância devem ser os indicados acima.

Resultado dos testes

Com os detalhes do enrolamento conforme descritos acima, um capacitor de 1.000uF testado nos slots Cx deve gerar uma frequência de 70 Hz. Um capacitor de 1 pF pode causar um aumento nesta frequência para cerca de 10 kHz.

Enquanto examinava o circuito, conectei um fone de ouvido de cristal através de um capacitor de 100 nF em R19 para testar os níveis de frequência. O clique de uma frequência de onda quadrada era bem audível enquanto VR1 era ajustado muito longe do local que causava a cessação das oscilações. Conforme o VR1 estava sendo ajustado para seu ponto crítico, pude começar a ouvir o som puro de uma frequência de onda senoidal de baixa tensão.

Como Calibrar

Pegue um capacitor de alto grau de 1.000 µF com uma tensão nominal de no mínimo 25 V e insira-o nos pontos Cx. Varie gradualmente o VR1 até encontrar o LED completamente desligado. Marque este ponto específico atrás do mostrador da escala do potenciômetro como 0,1 Ω.

Em seguida, conecte um resistor conhecido em série com o Cx existente sob teste que fará com que o LED acenda, agora ajuste novamente VR1 até que o LED seja desligado.

Neste ponto, marque a escala do dial VR1 com o valor de resistência total fresco. Pode ser bastante preferível trabalhar com incrementos de 0,1Ω na faixa de 1Ω e incrementos adequadamente maiores nas outras duas faixas.

Interpretando os resultados

O gráfico abaixo demonstra os valores de ESR padrão, de acordo com os registros dos fabricantes e levando em consideração o fato de que o ESR calculado em 10 kHz é geralmente 1/3 daquele testado em 1 kHz. Os valores de ESR com capacitores de qualidade padrão de 10 V podem ser 4 vezes maiores do que aqueles com tipos de 63 V de baixo ESR.

Portanto, sempre que um capacitor do tipo de baixo ESR se degrada a um nível em que seu ESR é muito parecido com o de um capacitor eletrolítico típico, suas condições de aquecimento interno aumentam 4 vezes mais!

No caso de você ver que o valor ESR testado é maior que 2 vezes o valor mostrado na figura a seguir, você pode assumir que o capacitor não está mais em sua melhor condição.

Os valores de ESR para capacitores com classificações de tensão diferentes dos indicados abaixo estarão entre as linhas aplicáveis ​​no gráfico.

Medidor ESR usando IC 555

Não é tão típico, mas este circuito ESR simples é extremamente preciso e fácil de construir. Ele emprega componentes muito comuns, como um IC 555, uma fonte de 5 Vcc e algumas outras peças passivas.

O circuito é construído usando um CMOS IC 555, definido com um fator de trabalho de 50:50.
O ciclo de trabalho pode ser alterado por meio do resistor R2 e r.
Mesmo uma pequena mudança no valor de r que corresponde ao ESR do capacitor em questão, causa uma variação significativa na freqüência de saída do IC.

A frequência de saída é resolvida pela fórmula:

f = 1 / 2CR1n (2 - 3k)

Nesta fórmula, C representa a capacitância, R é formado por (R1 + R2 + r), r denota a ESR do capacitor C, enquanto k é posicionado como o fator igual a:

k = (R2 + r) / R.

Para garantir que o circuito funcione corretamente, o valor do fator k não deve ser superior a 0,333.

Se for aumentado acima deste valor, o IC 555 se tornará o modo oscilante não controlado em uma frequência extremamente alta, que será controlada apenas pelo retardo de propagação do chip.

Você encontrará um aumento exponencial na frequência de saída do IC em 10X, em resposta a um aumento no fator k de 0 para 0,31.

À medida que aumenta ainda mais de 0,31 para 0,33, faz com que a frequência de saída aumente em outra magnitude 10X.

Assumindo R1 = 4k7, R2 = 2k2, um ESR mínimo = 0 para o C, o fator k deve diminuir em torno de 0,3188.

Agora, suponha que temos o valor ESR de cerca de 100 ohm, faria com que o valor k aumentasse 3% em 0,3286. Isso agora força o IC 555 a oscilar com uma frequência 3 vezes maior em comparação com a frequência original em r = ESR = 0.

Isso mostra que, à medida que r (ESR) aumenta, causa um aumento exponencial na frequência da saída do IC.

Como testar

Primeiro, você precisará calibrar a resposta do circuito usando um capacitor de alta qualidade com ESR desprezível e tendo um valor de capacitância idêntico ao que precisa ser testado.

Além disso, você deve ter um punhado de resistores variados com valores precisos variando de 1 a 150 ohms.

Agora, trace um gráfico de frequência de saída vs r para os valores de calibração,

Em seguida, conecte o capacitor que precisa ser testado para o ESR e comece a analisar seu valor ESR comparando a frequência IC 555 correspondente e o valor correspondente no gráfico plotado.

Para garantir uma resolução ideal para valores ESR mais baixos, por exemplo, abaixo de 10 ohms, e também para se livrar das disparidades de frequência, é recomendado adicionar um resistor entre 10 ohm e 100 ohm em série com o capacitor em teste.

Uma vez que o valor de r é obtido no gráfico, você apenas subtrai o valor do resistor fixo deste r para obter o valor ESR.