- Misurazione ESR del condensatore
- Elenco delle parti
- Schema elettrico
- Calcolo dell'ESR del condensatore
- Esempio: misurazione della ESR per un condensatore elettrolitico da 100 uf
I condensatori sembrano tutti a posto finché non si arriva al punto in cui un alimentatore fallisce o si rifiuta di funzionare in modo ottimale. E se il problema è il rumore, c'è una soluzione semplice, basta aggiungere più condensatori. Ma questo non lo risolve. Cosa potrebbe esserci di sbagliato?
Il problema nasce dal presupposto ingenuo che i condensatori (in larga misura) siano dispositivi "ideali", mentre in realtà non lo sono. Questi effetti indesiderati sono dovuti a qualcosa chiamato resistenza interna o ESR (Equivalent Series Resistance). I condensatori hanno una resistenza interna finita a causa dei materiali utilizzati nella loro costruzione. Abbiamo spiegato ESR ed ESL nei condensatori in dettaglio nell'articolo precedente.
Diversi tipi di condensatori hanno diversi intervalli ESR. Ad esempio, i condensatori elettrolitici in generale hanno ESR più elevati rispetto ai condensatori ceramici. Per molte applicazioni, diventa importante misurare la resistenza interna dei condensatori. E oggi in questo articolo costruiremo un misuratore ESR e impareremo come misurare l'ESR del condensatore utilizzando 555 Timer IC e transistor.
Misurazione ESR del condensatore
All'inizio la misurazione della VES potrebbe sembrare un compito facile.
La resistenza può essere facilmente determinata applicando una corrente costante e misurando la caduta di tensione sul dispositivo in prova.
E se applichiamo una corrente costante a un condensatore? La tensione sale linearmente e si assesta ad un valore determinato dalla tensione di alimentazione, che (per i nostri scopi) è inutile.
A questo punto è il momento di tornare a qualcosa che abbiamo imparato a scuola: "I condensatori bloccano la CC e passano la CA"
Dopo aver fatto alcune conclusioni semplificative, capiamo che i condensatori sono fondamentalmente un cortocircuito alle alte frequenze e la parte capacitiva è "cortocircuitata" dal circuito e tutta la tensione viene fatta cadere attraverso la resistenza interna.
Il vantaggio di questo metodo è che non abbiamo nemmeno bisogno di conoscere la corrente se conosciamo la resistenza interna della sorgente di segnale utilizzata, perché ora l'ESR e la resistenza interna (della sorgente) formano un partitore di tensione, il rapporto di resistenze è il rapporto tra le cadute di tensione, e conoscendone tre possiamo facilmente determinare l'altra.
Un oscilloscopio viene utilizzato per misurare le forme d'onda all'ingresso e al condensatore.
Elenco delle parti
Per l'oscillatore:
1. 555 timer - sia CMOS che bipolare funzioneranno bene, ma CMOS è consigliato per le alte frequenze
2. Potenziometro 100K - utilizzato per la sintonizzazione della frequenza
3. Condensatore 1nF - temporizzazione
4. Condensatore ceramico 10uF - disaccoppiamento
La fase di potenza:
1. Transistor bipolare NPN BC548
2. Transistor bipolare PNP BC558
Una breve nota sulla scelta dei transistor: qualsiasi transistor di segnale piccolo con un guadagno elevato (300 e superiore) e una corrente piuttosto grande (50 mA +) funzionerà bene.
3. Resistenza di base da 560Ω
4. Resistenza di uscita da 47Ω - può essere qualsiasi cosa da 10Ω a 100Ω.
Schema elettrico
Di seguito è riportato lo schema del circuito per questo circuito del tester per condensatori ESR:
Questo circuito del misuratore ESR può essere diviso in due sezioni, il timer 555 e lo stadio di uscita.
1. L'oscillatore 555:
Il circuito 555 è un multivibratore astabile convenzionale che emette un'onda quadra con una frequenza di poche centinaia di kilohertz. A questa frequenza, quasi tutti i condensatori agiscono come un corto. Il potenziometro da 100K consente la sintonizzazione della frequenza per ottenere la tensione più bassa possibile attraverso il tappo.
2. La fase di potenza:
Questa è una soluzione a un altro problema. Potremmo collegare direttamente il condensatore all'uscita del timer 555, ma poi avremmo bisogno di conoscere accuratamente l'impedenza di uscita.
Per eliminare ciò, viene utilizzato uno stadio di uscita push-pull con un resistore in serie. Il resistore fornisce l'impedenza di uscita.
Ecco come appare l'hardware completo di questo circuito del misuratore ESR:
Calcolo dell'ESR del condensatore
Dall'equazione del partitore di tensione, deriviamo la seguente formula:
ESR = (V CAP • R OUTPUT) / (V OUTPUT - V CAP)
Dove ESR è la resistenza interna del condensatore, V CAP è il segnale attraverso il condensatore (misurato al nodo CAP +), R OUTPUT è la resistenza di uscita dello stadio di potenza (qui, 47 Ohm) e V OUTPUT è la tensione del segnale di uscita come misurata nel punto A del circuito.
Durante l'utilizzo di questo circuito si consiglia di impostare la sonda dell'oscilloscopio su 1X per aumentare la sensibilità e diminuire la larghezza di banda per eliminare parte del rumore al fine di effettuare una misurazione accurata.
Innanzitutto, la tensione da picco a picco viene misurata nel punto A, prima dell'impedenza e annotata. Quindi il condensatore è collegato. Ingrandisci finché non vedi un'onda quadra. Ruota la pentola finché la forma d'onda non diventa più piccola.
A seconda del tipo di condensatore, la tensione da picco a picco della forma d'onda risultante dovrebbe essere dell'ordine di poche decine o centinaia di millivolt.
Esempio: misurazione della ESR per un condensatore elettrolitico da 100 uf
Ecco la forma d'onda di uscita grezza dello stadio di potenza:
Ed ecco la tensione al condensatore. Notare tutto il rumore sovrapposto al segnale - fare attenzione con la misurazione.
Inserendo i valori nella formula, otteniamo un ESR di 198 mΩ.
L'ESR del condensatore è un parametro importante quando si progettano circuiti di alimentazione e qui abbiamo costruito un semplice dispositivo di misurazione ESR basato sul timer 555.