ESR – praktyczny miernik kondensatorów elektrolitycznych

W praktyce serwisowej pomiar kondensatorów elektrolitycznych ESR należy już do rutynowej czynności. Oceniając przydatność mierzonego kondensatora, każdy z nas używa mniej lub bardziej skomplikowanych przyrządów pomiarowych. Wszystko staje się jasne, gdy taki kondensator posiada zwiększoną upływność, zwarcie lub gdy omomierz pozwała wykryć brak zdolności gromadzenia ładunku elektrycznego (całkowity brak pojemności).

Do pomiaru częściowej utraty parametrów kondensatora używamy miernika pojemności lub niekiedy oscyloskopu. Tu także nie ma problemu, gdy pojemność wskazywana znacznie odbiega od pojemności znamionowej, a oscyloskop pokazuje przebiegi wyraźnie odbiegające od przebiegów standardowych.

Zepsuty kondensator?

Problemy zaczynają się w sytuacji, gdy powyższe pomiary pozwalają uznać dany kondensator za pełnosprawny – a naprawiane urządzenie niestety nie chce pracować lub nadal ulega katastroficznym uszkodzeniom. Większość z nas stosuje wówczas metodę wymiany wszystkich kondensatorów elektrolitycznych w naprawianym zasilaczu lub bloku i po problemie. W ten sposób jednak nigdy nie poznamy sprawcy uszkodzenia, a ponadto w naprawach sprzętu elektronicznego nie chodzi przecież o to, by wymienić połowę urządzenia, nie dbając o czas i koszt naprawy.

Wróćmy jednak do tematu. Wymienione na wstępie przyrządy pozwalają na statyczny pomiar pojemności, który jak dobrze wiemy, daleko odbiega od dynamicznych warunków pracy kondensatorów – zwłaszcza kondensatorów elektrolitycznych pracujących w zasilaczach impulsowych. Kondensatory pracujące w tych układach podlegają intensywnemu ładowaniu i rozładowywaniu dużymi prądami (ładunkami) z dużą częstotliwością o bardzo stromych zboczach.

Elektrolityczny kondensator impulsowy

Wymagania stawiane takim kondensatorom są bardzo wysokie i nie kończą się tylko na doborze odpowiedniej pojemności. Elektrolityczny kondensator impulsowy oprócz pojemności powinien posiadać bardzo dużą sprawność gromadzenia i oddawania ładunku przy dużych częstotliwościach pracy (ten parametr w przybliżeniu opisuje impedancja Z).

Temperatura a sprawność kondensatora

Teraz wiemy dlaczego pozornie sprawny kondensator elektrolityczny (o pojemności równej znamionowej) może być zły. Taki kondensator, zwłaszcza przy niskich temperaturach pracy, traci nie pojemność a sprawność gromadzenia i oddawania ładunku. Zewnętrznym objawem utraty tego parametru jest postępujące intensywne nagrzewanie się takiego kondensatora w czasie normalnych warunków jego pracy. Niejednokrotnie zastanawiamy się dlaczego zasilacz odbiornika tuż po włączeniu urządzenia wykazuje usterki, a po kilku minutach pracy jest już sprawny.

To jeden z kondensatorów elektrolitycznych pracujących w jego obwodzie, w wyniku coraz wyższej temperatury uzyskuje na tyle wysoką sprawność, że pozwala na prawidłową pracę zasilacza. Stąd, gdy mierzymy parametry kondensatorów elektrolitycznych pracujących w warunkach impulsowych, zadbajmy o ich niską temperaturę w czasie pomiaru (wówczas błędy pomiarowe będą wykluczone).

Miernik parametrów kondensatorów elektrolitycznych, którego schemat przedstawiono na rysunku 1, pozwala na bezbłędną ocenę ich przydatności. Wykonuje on pomiar pojemności oraz jego sprawności w warunkach zbliżonych do naturalnych. Po każdym pomiarze pojemności, gdy spadek jej wartości jest mały lub nie odbiega od nominału, należy przeprowadzić pomiar sprawności.

I tu parę praktycznych wskazówek – wychylenie wskaźnika dla dobrych kondensatorów impulsowych nie powinno przekraczać:

1. dla pojemności 1uF – 80%, 2.2uF- 65%, 4.7uF – 35%, l0uF – 25% (przy czym wychylenia dla kondensatorów na napięcia pracy większe od 100V mogą być trochę większe),
2. dla pojemności 22uF -13 %, 33 uF -11%, 47uF – 9%, l00uF –  7%, 220uF – 6%, 470uF – 5% i kondensatory większe -4% (w tym przedziale pojemności wpływ napięcia pracy jest niewielki, choć niewątpliwie występuje),
3. wychylenie wskaźnika sprawności dużo powyżej tych wartości dyskwalifikuje taki kondensator do pracy w zasilaczach impulsowych.

Jak można zauważyć, wychylenie wskaźnika sprawności zależy zarówno od pojemności nominalnej, jak i od dopuszczalnego napięcia pracy, szczególnie przy małych pojemnościach. Stąd na skali wskaźnika sprawności każda typowa pojemność nominalna powinna mieć naniesiony swój punkt odniesienia.

Prosta zasada przy pomiarach…

Generalnie przy pomiarach kierujemy się prostą zasadą – jeżeli występuje zauważalny spadek pojemności nominalnej oraz dużo, dużo większe wychylenie wskaźnika sprawności poza punkt zarezerwowany dla tej wartości kondensatora, to mierzony kondensator jest wadliwy.

Dodatkowym potwierdzeniem wady kondenstora jest to, że w czasie pomiaru sprawności, wychylenie wskaźnika ciągle spada i to o znaczną wartość, nie osiągając wychylenia zarezerwowanego dla dobrego kondensatora.

Skalowanie wskaźników

Przy skalowaniu wskaźników najlepiej jest trochę poćwiczyć mając pod ręką sprawne kondensatory „wzorcowe” i takie, które zostały wymienione (uznane za złe). Posługiwanie się tym przyrządem pozwoli stwierdzić, że w nowych kondensatorach elektrolitycznych występuje dość duży rozrzut parametrów, a estetycznie wyglądające kondensatory nie mają nic wspólnego z dobrą ich jakością (sprawnością).

W ten sposób ocenimy przy okazji stan naszych zapasów (zdarzają się złe całe partie). Wówczas w naszych zasobach części zamiennych będziemy posiadać tylko takie, dla których wskaźnik sprawności wychyli się zgodnie z naniesioną podziałką – pozostałe uznamy za nie nadające się do zastosowań w zasilaczach impulsowych.

Kondensator własnej konstrukcji

Budowanie tego niezastąpionego przyrządu polecam tym, którzy potrafią przeskalować wskaźniki analogowe (szczególnie chodzi o wskaźnik pojemności, który powinien posiadać dwie skale wartości) oraz tym, którzy chcą posługiwać się naprawdę skutecznym przyrządem pomiarowym. Wartość rezystora 8.5k* należy dobrać tak, by przy pomiarze pojemności 20000uF wychylenie wskaźnika było maksymalne, a wartość rezystora 240R* tak, by maksymalne wychylenie wystąpiło przy pojemności 12uF (równolegle połączone kondensatory l0uF i 2.2uF). Jeżeli wychylenia będą za małe, należy zwiększyć wartość rezystora 15R*.

Miernik pojemności

W mierniku pojemności polecam użycie wskaźnika analogowego, który posiada zawieszenie strunowe (bez łożysk rubinowych) oraz wyposażonego w możliwie dużą skalę z lusterkiem (nie dotyczy to wskaźnika sprawności). Zastosowany w mierniku kondensatorów elektrolitycznych stabilizator UL7505 nie jest wrażliwy na zwarcie końcówek pomiarowych i zapewnia dużą dokładność (powtarzalność) pomiarów.

Wrażliwy jest on natomiast na podłączenie do końcówek pomiarowych kondensatora naładowanego do dużego napięcia – jak każdy miernik pojemności, ten również tego nie znosi (może wówczas nastąpić uszkodzenie tego układu – gdyby zaszła konieczność jego wymiany, nie ma potrzeby ponownego skalowania wskaźników). W tym przypadku, zabezpieczanie końcówek pomiarowych układami półprzewodnikowymi mija się z celem.

Zasilacz miernika sprawności

Zasilacz miernika sprawności to zasilacz impulsowy, który powinien poprawnie pracować z obciążeniem rzędu 3-5 W. Można taki zasilacz zbudować od podstaw (tak uczyniłem osobiście), można również zaadoptować gotowy zasilacz impulsowy z uszkodzonego VCR lub uszkodzonego tunera satelitarnego (o ile jego częstotliwość pracy będzie zbliżona do 16kHz). Napięcie wyjściowe zasilacza dobrać na takim poziomie, aby po wyprostowaniu przez diodę BA 159 nie przekraczało szczytowej wartości 12V (musi być wyraźnie widoczna i nie zniekształcona połowa sinusoidy – jeśli przebieg będzie inny, zasilacz nie nadaje się do wykorzystania).

Wartość rezytora 260R* dobrać na maksymalne wychylenie wskaźnika. Jeżeli wychylenie będzie za małe, należy zwiększyć wartość kondensatora 9.1nF*. Pomiary przebiegów napięć zasilaczy dokonywać bez obciążania końcówek pomiarowych budowanego przyrządu.

Wyniki sprawności kondensatorów

Mimo, że wyniki pomiarów sprawności kondensatorów są wartościami przybliżonymi – są one bardzo istotne z serwisowego punktu widzenia (pomiar sprawności również przebiega w typowo dynamicznych warunkach). Pomiary parametrów można przeprowadzać tylko po odłączeniu przynajmniej jednej końcówki kondensatora od obwodu naprawianego urządzenia.

Na wynik pomiarów nie wpływa polaryzacja przyłożenia końcówek pomiarowych – mimo to zalecam podłączanie zgodne z biegunami. Niskie napięcia pracy przyrządu zapewniają pełne bezpieczeństwo użytkownikowi, jak i blisko położonym elementom elektronicznym (w przypadku pomiaru dokonywanego bezpośrednio na płycie naprawianego urządzenia).

Opisywany przyrząd użytkuję od 2 lat i nie zawiodłem się na jego wskazaniach (zwykle w naprawach wymieniam tylko te kondensatory, dla których wyniki pomiarów wypadły negatywnie). Jeżeli posiadamy dobry miernik pojemności, to pozostaje tylko zbudowanie miernika sprawności. Niemniej jednak proponowany „zespół” zapewnia bardziej wygodny pomiar obydwu parametrów, a szybkie porównanie wskazań, na „bardziej bezbłędną” ocenę przydatności mierzonego kondensatora.

Wskaźniki cyfrowe

Przy budowie tego przyrządu nie zalecam stosowania wskaźników cyfrowych, ponieważ orientacja według ich wskazań będzie bardzo utrudniona. Przełącznik Cx/Zx powinien gwarantować wyjątkową trwałość oraz niską oporność styków zwiernych (ma to istotne znaczenie przy pomiarze sprawności kondensatorów o pojemnościach większych od 33uF).

Porównywarka cen sprzętu RTV