电容ESR表的设计制作

《电容ESR表的设计制作》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电容ESR表的设计制作（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、电容ESR表的设计制作1电容ESR表的特点 可能不少人都没听说过这种表。笔者以前也仅知道，专业仪器的LCR电桥可以测量电容的ESR。何为ESR？测量电容的ESR有什么用？相信很多读者心中会有这样的疑问。为此，先进行简单的背景知识介绍。一、背景知识介绍1.电容的ESR ESR是英语Equivalent Series Resistance的缩写，意为等效串联电阻。自身不会产生任何能量损耗的完美电容只存在于理论，实际的电容总是存在着一些缺陷。这个损耗，在外部的表现就像一个电阻跟电容串联在一起。另一方面，由于引线、卷绕等物理结构因素，电容内部还存在着电感成分。因此，实际电容的等效模型可以表示为图1所示

2、的模式。其中电容C为理想电容，R为等效串联电阻，即ESR，L为等效串联电感，即ESL。引入ESR和ESL，使得模型更接近于电容在电路中的实际表现。 图1 实际电容的等效模型 图2 实际电容与理想电容的差别。斜直线为理想电容的阻抗曲线，呈V字形的是实际电容的阻抗曲线。 图3 不同容量电容的阻抗特性曲线 ESR的存在，令电容的行为表现背离其原来的定义。比如说，理论上“电容两端的电压不能突变”，但实际上，ESR上会产生一定的压降，与突然施加的电流大小有关，令电容不再遵循理论规律。又如，电容会因ESR上的功耗而产生内部发热。笔者曾将两只早期生产的10F/ 16V高ESR电解电容，正常地接到微型计算机开

3、关电源的5V输出两端。由于此处高频脉动电压较大，电容内部损耗产生的热量加热内部气体，发出“吱吱”之声，竟在几秒内导致电容炸开，前后两次均是如此。 图2、图3显示了电容的实际阻抗特性。由于ESR以及ESL带来的影响，当频率上升到一定程度，即到了高频区，电容的阻抗不再遵从理论上的规律随频率的升高而降低。在图2中的低频段，电容的容抗在起主要作用，基本上还遵从理想电容的规律。在中间频率段，本应是ESL与C共同谐振而呈现阻抗深谷，但有ESR的存在，改变了曲线的走向，换言之，ESR在这里起主要作用。在高频区，则是ESL在起主要作用。 图4 不同材质电容随频率变化的ESR曲线。图中方框（顺序为光左右、后上下

4、）列出了所测电容的品种和规格，200/6表示200F/6V，以此类推。第1、2、4种为不同的钽电解电容，其中第1种为聚合物固态钽电解电容。第2种为较常见的二氧化锰固态钽电解电容，第4种为多层结构的二氧化锰固态钽电解电容。第3种为二氧化锰固态铌电解电容。第5种为MLCC即多层陶瓷电容，两只100F/4V并联。第6种为低ESR铝电解电容。 图5普通电解电容与低ESR电解电容的ESR曲线。上方曲线显示，普通电解电容在较大的频率范围内其ESR值变化并不大。 电容ESR的大小跟电容的制造有关。材质不同，ESR有区别。材质相同，则容量越大，ESR越小，约跟容量的开方成反比。同一品种的电容，耐压越高，ESR

5、往往更低。就材质而言，电解电容的ESR明显高于薄膜电容。在电解电容中，铝电解电容的ESR又高于钽电解电容。在薄膜电容中，聚丙烯、聚苯乙烯等材料的电容ESR较小。一个对比例子是，1F聚丙烯电容的ESR为10m，而容量达1000F的铝电解电容，其ESR为0.1。2.电容ESR表 电容ESR表是专用于检测电容ESR值的仪表。这种仪表向被测电容注入测试信号，通过检测电路中的电量变化，作出相应的变换后，以数字显示屏或指针表头作为终端，将被测电容的ESR值显示出来。 因电容本身有隔直作用，所以在测量时，电容ESR表必须要使用交流形式的测试信号。这一点与常见万用表测量电阻有显著的区别。从另一个角度看，电容E

6、SR表测量的是“交流”电阻，万用表测量的是直流电阻。 与万用表一样，电容ESR表可以做成数字式，也可以做成模拟式。对于模拟式电容ESR表来说，使用指针表头作指示，因此，其电路最终需以直流电流形式来进行驱动。对于数字式电容ESR表来说，由于现在市场上有大量廉价的数字万用表专用A/D芯片（如ICL7106）供应，利用这些专用芯片来进行设计制作是较为直观可行的方法。A/D芯片输入的是直流电压，所以，数字式ESR表测量部分的电路有别于模拟式ESR表。此外，数字式电容ESR表还可以用微处理器（MCU）作为核心来实现，凭借其强大功能取代数字万用表专用A/D芯片，设计上更加灵活，电路形式上也迥异于前述两种。

7、本文中笔者设计制作的电容ESR表属于模拟式（指针式）。3.国外自制情况 通过网上信息了解到，电容ESR表明显并不是仪器仪表大厂的正式产品估计与LCR电桥已集成了它的功能有密切关系。目前，国内还没有电容ESR表的生产销售。在国外，电容ESR表主要流行于业余电子爱好者中，虽然已有微型公司或个人提供一些套件和成品的销售，但未成大气候，仍是以爱好者自制为主要形式。笔者曾用“ESR Meter Schematic”（即“ESR表 电路图”）作为关键词在网上搜索，可以找到很多介绍个人自制电容ESR表的网页，有美国、德国、意大利、俄罗斯等国家网友的作品或资料，看都看不过来。 图6 国外以套件或成品推出的电容

8、ESR表。仪表面板所印的表格是用于帮助判断电解电容的好坏。最后一种（图中该表斜放置）有别于一般的指针表和数字表形式，是利用LED来指示ESR值所在区间，电路则使用MCU，可谓是数字式与模拟式的混合体。二、电容ESR表的独到之处 电容ESR表的作用，用一句话概括，就是用于测量电容ESR值，凭此判断电容（主要是电解电容）的好与坏、正常与否。其功能虽然单一，但实用性很强，对检修电子设备带来莫大的帮助。众所周知，电解电容是电子设备中故障率最高、寿命和可靠性最差的元件之一，而电解电容的寿命在很多时候决定了设备的使用寿命。长久以来，广大电子爱好者普遍缺乏一种有效判别电解电容好坏的检测工具。电容ESR表的出

9、现，正好可以填补这一空白。 图7 国外网友自制的指针式电容ESR表。其中，右边的表以ESR值标示刻度，左边的表以电容好坏（good与bad）来标示刻度。 由于设计上的特殊性，电容ESR表具备了如下独到之处：1.鉴别电解电容好坏，判断准确率高 从前面的介绍可以知道，ESR是直指电容性能缺陷的参数。无论是电解电容漏液、干涸这类常见问题，还是电解液失去活性这种隐蔽问题，都可以通过电容ESR表检测出来。套用外国一位制作者的话说：可以找出95%以上有问题的电解电容。他没说100%，背后一个重要原因是，电容ESR表（非特殊设计的）不能检出电容两接点之间存在的短路性故障。幸好，电容出现这种短路性故障的概率，

10、远低于电容自身失效的概率。纵使电容出现短路性故障、又或者与其并联的器件出现短路性故障，电路的外在表现将十分明显，容易被普通万用表检查出来。比如，电容两端的电压、直流电阻远低于正常值。 图8 LCR电桥照片（非按同一比例拍摄）。后两种为台式，实物比前两种的手持式大得多。2.可在路测量，无需将元件拆下，大幅提升检测效率 笔者所称的“在路测量”，是指不将元件从电路板上拆下、又不通电时对元件进行的检测。不少人都知道，常见的二极管、三极管、电阻等分立元件可以用万用表进行在路检测，找出故障元件的成功率还颇高。而电容却不行，因为需要交流信号驱动，万用表对此无能为力。由于电子设备普遍都要使用电解电容，有些设备

11、的使用量甚至超过一百只。在路测量所带来的方便性，使得检修者能够从容应对，大大减轻了工作量，个中意义殊为重要。3.体积小、重量轻、耗电省，携带方便，使用简单灵活 电容ESR表用电池供电，可做成便携式，打开电源开关即可使用，无需繁琐的设置。LCR电桥虽已具备了电容ESR表的功能，但是售价高，测试频率最高仅1kHz的低档国产LCR电桥售价也要超过千元，让囊中羞涩的爱好者望而却步。LCR电桥大多属于台式仪器，体积大、重量重，而且需外接市电才能工作，使用时拖着一条尾巴，让人觉得处处不便。而手持式LCR电桥的测试电平一般是固定的，典型值为0.3Vrms（即848mVpp）。这样的电平，已达到很多半导体器件

12、的导通阀值，导致在路测量的部分结果变得不可靠。4.电路和构造比较简单，成本低，容易普及，便于爱好者自制 这种表制作难度不高，有动手能力的爱好者，都可以独自完成。笔者的电容ESR表，是利用原来闲置的MF500指针万用表进行制作，扣除设计修改和调试时间后，实际制作时间不足一天。材料方面，除原有的MF500表外，都是利用手头常备的元器件，最值钱的是一只1F/400V MKP电容，其余的不值一提。装在电路板上的新购元件，仅运放IC两块，花费共人民币5元。三、电容ESR表的威力 过去我们检修电器，检查电解电容多依靠简陋而带有严重缺陷的方法。 一是进行外观检查，看看电容周围有没有漏液或外壳鼓包开裂。但是，

13、除电解液干涸的电容外，有些漏液的电容还由于被本身及周围元件所遮挡，不拆下来作检查，往往成为漏网之鱼。在笔者制作电容ESR表之前，曾检修一台不能正常工作的美国Metcal公司早期生产的PS2V焊台，通过外观检查没有发现任何电解电容有异常，一时之间也找不出故障点。因缺少图纸，后费了很大精力跟踪电路故障，最后追踪到焊咀检测电路，怀疑为其供电的辅助电源出问题。最后才下决心拆下这组电源中外观完好的1000F/50V电解电容来检查，发现其底部已有漏液痕迹，测量确认已失去大部分容量，更换后即恢复正常。 二是将电容拆下来，用指针表或电容表检测其容量。但是，“拆时容易装回难”，装回去还需预先清理焊盘过孔，这种方

14、法甚费功夫。因此，检修者多是在有理由怀疑的情况下才选择采用这种方法。纵然如此，仍是有可能漏掉出问题的电容，因为某些电路位置对电容的品质要求甚高，电容没有失容，不等于没有问题。经常维修的笔者好友就曾多次遇到这样的事情，富有经验的维修者会根据电路情况采用代换法。 三是代换法，用好的电容换掉有疑问的电容。这种方法基本可解决前一种的遗漏问题，但这也是无可奈何的做法。不仅拆装麻烦，而且需要提前备有同样规格的电容，很多时候检修者并无这样的准备。万一预判有误，同样像前一种方法那样白花了时间和精力。有了电容ESR表，不用拆下电容，只要断开电器的供电，就可以直接用它进行测量。检测电解电容，变成了一件轻松的事情。笔者自从制作成功后，因为没有了拆装电解电容这一麻烦事的困扰，凡是稍有怀疑的，就立即将电路板上的所有电解电容（还包括部分非电解电容）检测一遍。虽然命中率很低，但所费时间也很少，不会构成负担，能给检修成功提供保障。就上面所述Metcal的PS2V焊台维修一事来说，若有电容ESR表相助，完全可以在前期的检查中找到故障元件，不用再花大半天时间才解决问题。 作为电容ESR表的主要检测对象，电解电容