Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) конденсатора. Прибор для измерения ESR

Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) - важный, но малоизученный параметр конденсаторов. От него зависит работоспособность устройств с конденсаторами. Далее мы разберемся с тем, что такое ESR, почему оно важно, как его измерить и какие конденсаторы лучше выбрать.

Что такое ESR конденсатора

ESR (equivalent series resistance) - эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора. Это сопротивление выводов и пластин конденсатора переменному току. Помимо основного параметра - емкости, конденсатор имеет и другие характеристики:

• r - сопротивление диэлектрика между обкладками
• ESR - сопротивление выводов и пластин конденсатора
• ESL - эквивалентная последовательная индуктивность выводов

На постоянном и низких частотах переменного тока ESR не имеет большого значения. Но в цепях высокой частоты конденсатор все больше ведет себя как резистор с сопротивлением ESR, выделяя тепло и теряя емкость.

Зачем нужно знать ESR конденсатора

Знать ESR конденсатора важно при проектировании радиоэлектронных устройств, особенно работающих на высоких частотах - источников питания, усилителей, генераторов. ESR влияет на тепловыделение конденсатора, его надежность и срок службы. Чем меньше ESR, тем:

1. Меньше нагрев конденсатора
2. Выше стабильность параметров конденсатора
3. Дольше срок службы конденсатора

Подбирая конденсатор с нужной емкостью, важно узнать и проверить значение ESR этого конденсатора. Иначе устройство может работать нестабильно или выйти из строя.

Таблица нормальных значений ESR для конденсаторов

Вот таблица нормальных значений ESR для электролитических конденсаторов разной емкости (в вольтах):

Для низкоомных конденсаторов Low ESR значение ESR может быть в 10-100 раз меньше указанных значений.

Какой прибор нужен для измерения ESR

Для измерения ESR конденсаторов используют специальные приборы - ESR-метры. Принцип действия ESR-метра основан на измерении импеданса конденсатора на высокой частоте 1-2 МГц. Существуют профессиональные и любительские ESR-метры. Профессиональные ESR-метры стоят около $100. Для любителей существуют DIY ESR метры - их можно собрать самому из доступных компонентов за 1000 рублей.

На форумах можно найти различные схемы DIY тестеров ESR. К примеру, схема на трансформаторе, транзисторе и стрелочном индикаторе позволит определить "плохой" или "хороший" конденсатор.

С помощью DIY ESR метра можно быстро протестировать все конденсаторы на плате, найти и заменить неисправные.

Как правильно измерять ESR конденсатора

При измерении ESR конденсатора следует учитывать, что результат может зависеть от частоты тестирования, емкости конденсатора, температуры. Для получения точных результатов рекомендуется:

• Использовать ESR метр с частотой 1-2 МГц
• Проводить измерения при комнатной температуре 20-25 °C
• Проверять конденсаторы схожих типов и емкостей
• Сравнивать результаты измерений с таблицей норм ESR

Перед измерением конденсатор следует полностью разрядить или выдержать без питания не менее 1 часа.

Какие конденсаторы имеют самый низкий ESR

Самым низким ESR обладают специальные конденсаторы Low ESR. Они выполняются в вытянутом корпусе с минимальными индуктивностью и сопротивлением выводов. Типичные значения ESR у конденсаторов:

• Электролитические - 0.1-1 Ом
• Керамические - 0.01-0.1 Ом
• Полимерные Low ESR - 0.001-0.01 Ом

Конденсаторы Low ESR широко используются в схемах импульсных источников питания, процессорах, усилителях. Они позволяют этим устройствам работать на высоких частотах с минимальными потерями.

Где используются конденсаторы с низким ESR

Конденсаторы Low ESR применяются:

1. В импульсных блоках питания компьютеров
2. На материнских платах компьютеров и ноутбуков
3. В стабилизаторах напряжения для радиоаппаратуры
4. В высокочастотных схемах передатчиков и приемников

Благодаря низкому ESR такие конденсаторы работают с минимальным нагревом, обеспечивая стабильные параметры схем.

Из-за более высокой стоимости конденсаторы Low ESR используют там, где критичны габариты и тепловыделение. В остальных случаях применяют дешевые электролитические конденсаторы.

Как выбрать конденсатор с нужным ESR

При выборе конденсатора для конкретного применения недостаточно учитывать только его емкость. Важно также знать максимально допустимое значение ESR и выбирать конденсатор с ESR значительно ниже этого значения.

Для расчета допустимого ESR можно использовать формулу:

ESRmax = Umax / (Imax * K)

где:

• Umax - максимальное напряжение в цепи
• Imax - максимальный ток через конденсатор
• K - коэффициент запаса (обычно 2-3)

Например, для цепи 5 В и тока 1 А с запасом 3 получим:

ESRmax = 5 В / (1 A * 3) = 1,6 Ом

Значит, нужно выбрать конденсатор с ESR не более 1-1,5 Ом.

Стоимость конденсаторов различных типов

Средняя ориентировочная цена конденсаторов различных типов при емкости 1000 мкФ и рабочем напряжении 10 В:

• Электролитические - около 5 рублей за штуку
• Керамические - около 15 рублей
• Пленочные - около 10 рублей
• Полимерные Low ESR - около 50 рублей

Как видно из цен, полимерные конденсаторы Low ESR стоят дороже обычных в 5-10 раз. Но зато они значительно надежнее и стабильнее в работе.

Проверка конденсаторов на плате с помощью измерителя ESR

При ремонте радиоаппаратуры одной из распространенных проблем являются высохшие или "утечные" конденсаторы. Найти их поможет измеритель ESR. Процесс проверки конденсаторов на плате заключается в следующем:

1. Отключить питание устройства и разрядить конденсаторы
2. Подключить щупы измерителя ESR к выводам конденсаторов по очереди
3. Сравнить показания ESR с максимально допустимыми значениями
4. Заменить конденсаторы с высоким ESR на новые

Такой метод позволяет быстро диагностировать неисправности, связанные с ухудшением параметров конденсаторов.

Конденсаторы большой емкости

Для хранения больших зарядов используют конденсаторы емкостью от нескольких тысяч до сотен тысяч микрофарад. Это так называемые силовые конденсаторы для импульсных источников питания, вспышек фотоаппаратов, электрошокеров. Чаще всего применяются алюминиевые электролитические конденсаторы 105°C большого габарита со стандартным ESR.

Для мощного LED освещения используют конденсаторы до 1-10 Фарад - они испускают очень яркий свет импульсами продолжительностью доли секунды. Такие большие емкости достигают при высоких напряжениях в сотни и тысячи вольт.

Продление срока службы электролитических конденсаторов

Электролитические конденсаторы со временем теряют емкость и увеличивают ESR. Чтобы продлить им срок службы, рекомендуется:

• Эксплуатировать при температуре не выше +70°С
• Избегать больших токов и перегрева
• Разряжать конденсатор перед выключением устройства
• Хранить в прохладном сухом месте

Следуя этим правилам, можно значительно увеличить срок службы электролитических конденсаторов.

Выбор электролитического конденсатора для оптимального ESR

При выборе электролитического конденсатора для новой схемы недостаточно учитывать только напряжение и емкость. Чтобы конденсатор надежно функционировал долгие годы и не повредил схему, надо также учесть температуру внутри корпуса и рассчитать оптимальное ESR.

Для обеспечения максимального срока службы электролитического конденсатора должно быть выполнено условие:

(Tmax - Twork) / 5 > ESR * I^2

Необходимо выбрать конденсатор с большим запасом по ESR.

Как искать конденсаторы с минимальным ESR

Для детального поиска на специализированных сайтах доступна расширенная фильтрация по ESR конденсатора:

• Меньше 0,01 Ом
• 0,01 – 0,1 Ом
• 0,1 – 5 Ом

Выбранный диапазон ESR поможет подобрать оптимальный вариант конденсатора с низкими потерями и минимальным тепловыделением.

Замена конденсаторов на материнской плате при высоком ESR

При длительной эксплуатации компьютера часто происходит увеличение ESR у электролитических конденсаторов на материнской плате. Обнаружить дефектные конденсаторы поможет ESR тестер.

Замена конденсаторов на материнской плате позволит:

• Повысить стабильность компьютера
• Снизить интервалы между включениями
• Уменьшить нагрузку на блок питания

Зачем учитывать ESR при покупке конденсатора

Покупая конденсатор, ориентироваться нужно не только на рабочее напряжение и емкость. Важно также проверить значение ESR для конкретной модели, так как это напрямую влияет на:

• Тепловыделение конденсатора
• Стабильность параметров
• Срок службы конденсатора
• Надежность работы устройства с этим конденсатором

Даже малая экономия на конденсаторах может обернуться серьезными проблемами в будущем, поэтому важно обращать внимание на параметр ESR.

Классы точности конденсаторов по ESR

В зависимости от допустимых отклонений значения ESR, конденсаторы делятся на несколько классов точности:

• Стандартные конденсаторы, допуск ESR -50%...+100%
• Конденсаторы повышенной точности, допуск ESR -20%...+50%
• Высокоточные конденсаторы, допуск ESR -10%...+20%

Более точный ESR позволяет увеличить стабильность параметров схемы. Но стоимость таких конденсаторов значительно выше обычных.

Влияние температуры на ESR конденсатора

ESR конденсатора зависит от температуры - при нагреве оно увеличивается. Это особенно критично для электролитических конденсаторов. Рост ESR приводит к дополнительному нагреву конденсатора.

Чтобы ограничить рост ESR от перегрева, применяют конденсаторы с более высоким максимально допустимым напряжением и температурой. Например, вместо конденсаторов на 50°C используют конденсаторы на 105°C.

Влияние ESR конденсатора на надежность техники

Конденсаторы с высоким ESR могут стать причиной поломок теле- и радиоаппаратуры, компьютеров, звукового оборудования. Это происходит по следующим причинам:

• Перегрев конденсатора из-за большого ESR
• Потеря емкости конденсатора из-за "высыхания" электролита
• Нестабильная работа схемы

Поэтому производители электроники стараются использовать конденсаторы с запасом по ESR и температуре.

Самостоятельная сборка ESR метра

Любой радиолюбитель может сделать простой измеритель ESR из трансформатора, переменного резистора, диода, транзистора и миллиамперметра. Схема ESR метра несложна, компоненты доступны.

Домашний ESR метр позволит оперативно диагностировать неисправности радиоаппаратуры, связанные с ухудшением параметров конденсаторов, в частности с ростом их внутреннего сопротивления.

Оценка качества партии конденсаторов по ESR

Получив партию конденсаторов, полезно выборочно измерить ESR нескольких штук из этой партии. Если ESR хотя бы у одного конденсатора превышает допустимый уровень для его типа, стоит проверить остальные.

Такая оценка качества партии поможет выявить брак или контрафакт еще до установки конденсаторов в изделия.

Емкость и ESR старых советских конденсаторов

У конденсаторов советского производства 30-50-летней давности, хранившихся без эксплуатации, параметры могут оставаться в норме. Но со временем происходит увеличение ESR, часто в 10 и более раз по сравнению с новыми конденсаторами.

Поэтому перед использованием таких конденсаторов в ответственных узлах рекомендуется проверка ESR с помощью специального тестера.