3种电容esr表的设计自作含esr电路图

电容ESR表的设计制作 电容ESR表的确是检修电子设备、解除电路故障的强力工具和非常有用的好帮手。独乐乐不如众乐乐，依据本人驾驭的学问和实际设计制作，在此对电容ESR表作全面介绍，以期能给广袤电子爱好者供应有益的帮助，推动这一新型工具的普及应用。 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有什么用信任许多读者心中会有这样的疑问。为此，先进行简洁的背景学问介绍。 一、背景学问介绍 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备电容只存在于理论，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所示的模式。其中电容C为志向电容，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 实际电容与志向电容的差别。斜直线为志向电容的阻抗曲线，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”，但事实上，ESR上会产生肯定的压降，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10μF/ 16V高ESR电解电容，正常地接到微型计算机开关电源的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，当频率上升到肯定程度，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上升而降低。在图2中的低频段，电容的容抗在起主要作用，基本上还遵从志向电容的规律。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，变更了曲线的走向，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更的ESR曲线。图中方框（依次为光左右、后上下）列出了所测电容的品种和规格，200/6表示200μF/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100μF/4V并联。第6种为低ESR铝电解电容。 图5一般电解电容与低ESR电解电容的ESR曲线。上方曲线显示，一般电解电容在较大的频率范围内其ESR值变更并不大。 电容ESR的大小跟电容的制造有关。材质不同，ESR有区分。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，1μF聚丙烯电容的ESR为10mΩ，而容量达1000μF的铝电解电容，其ESR为0.1Ω。 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更，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表必须要运用沟通形式的测试信号。这一点与常见万用表测量电阻有显著的区分。从另一个角度看，电容ESR表测量的是“沟通”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，运用指针表头作指示，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，设计上更加敏捷，电路形式上也迥异于前述两种。本文中笔者设计制作的电容ESR表属于模拟式（指针式）。 3.国外自制状况 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亲密关系。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供应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寻，可以找到许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ESR表。仪表面板所印的表格是用于帮助推断电解电容的好坏。最终一种（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，电路则运用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，凭此推断电容（主要是电解电容）的好与坏、正常与否。其功能虽然单一，但好用性很强，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、寿命和牢靠性最差的元件之一，而电解电容的寿命在许多时候确定了设备的运用寿命。许久以来，广袤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。