Construcción de un medidor de ESR para comprobar condensadores electrolíticos http://kakopa.com/ESR_meter/index-es.html
Introducción Al reparar electrónica en general, y especialmente fentes con mtadas, he notado !e los condensadores electrol"ticos son my a mendo los componentes !e han fallado y son los casantes originales del pro#lema an!e lego hayan casado el fallo de otros componentes como semicondctores A mendo, so#re todo si no tengo el es!ema de circito, me reslta m$s pr$ctico repasar todos los condensadores electrol"ticos antes de hacer otras compro#acion es por!e, como digo, fallan mcho. %o ser"a pr$ctico desconectar todos los electrol"ticos del circito para compro#arlos de modo !e hay !e encontrar la forma de compro#arlos en el propio circito. Antes de segir con el proceso de compro#ación de#emos entender #ien algnos algnos conceptos referentes a los condensadores electrol"ticos. &n condensador ideal solamente tiene capacidad pra pero n condensador real tiene adem$s resistencias e indctancias distri#idas. 'amos 'amos a ignorar las indctancias y nos (amos a centrar en las resistencias !e (amos (a mos a resmir en dos: la resistencia e!i(alente serie )ESR* y la resistencia e!i(alente paralela )E+R* como se mestra en la figra . Este modelo simplificado es sficiente para nestras necesidades.
a resistencia e!i(alente paralela )E+R* casa na corriente de fga !e, adem$s, calienta el condensador. Si el (alor de esta resistencia disminya amenta la corriente de fga pero esto no sele ser n pro#lema comn en condensadores conden sadores electrol"ticos excepto cando se cortocircitan y la resistencia paralela cae a n (alor my #ao, casi cero. a ESR tam#i0n es casa de !e el condensador se caliente ya !e la corriente de ri1ado carga y descarga el condensador a tra(0s de esta resistencia. resistencia. El (alor de la ESR se se ha con(ertido en n par$metro my importante en los ltimos a2os ya !e la miniatri1ación de los condensadores ha hecho !e se incremente s (alor adem$s de !e las fentes conmtadas, al fncionar a mayor frecencia, re!ieren menores capacidades lo !e reslta en mayor corriente de ri1ado ri1ado por microfaradio. as fentes conmtadas fncionan a frecencias mcho m$s altas lo cal significa !e re!ieren (alores de capacidad para los filtros mcho m$s redcidos pero esto implica (alores de ESR m$s altos y m$s calentamiento. Al calentarse el condensador se seca el electrolito lo cal incrementa la ESR y esto lle(a a na espiral destrcti(a. 3a#iendo entendido los conceptos anteriores ahora !eremos pro#ar los condensadores. +arece intiti(o !e lo primero !e !err"amos medir es la capacidad real pero esto no es
cierto por!e midiendo la ESR generalmente o#tenemos na indicación meor so#re el estado del condensador y la ESR es mcho m$s f$cil de medir sin sacar el condensador del circito. Segn n electrol"tico se (a secando la ESR se (e afectada mcho m$s !e la capacidad. &n condensador !e tiene capacidad correcta pero ESR demasiado alta es n condensador !e est$ en el camino de s destrcción por!e la alta ESR casar$ calor !e aca#ar$ destryendo el condensador. Si el condensador ha perdido na parte de s capacidad original normalmente ya se ha#r$ incrementado la ESR por n factor my alto. El (alor de la ESR de n condensador en #en estado depende de mchos factores pero !i1$ el (alor de la capacidad es el m$s importante. En dos condensadores constridos de forma similar, canto m$s alta sea la capacidad m$s #aa ser$ la ESR. En condensadores de m$s de nas decenas de 4 ser$ de na fracción de 5hm y en los electrol"ticos m$s pe!e2os no ser$ m$s de nos pocos 5hmios. +ara n (alor de capacidad dado constante el factor sigiente m$s rele(ante es la calidad del dise2o y la constrcción del condensador. &n condensador pede ser especialmente dise2ado para consegir n (alor my #ao de ESR. 6ras estos dos importantes factores hay otros !e afectan menos como el ( oltae nominal del condensador )a m$s (oltae m$s ESR* y la clasificación de temperatra de tra#ao )a m$s temperatra m$s ESR*. A t"tlo pramente orientati(o he creado el sigiente cadro !e da el (alor de la ESR en 5hm como fnción de la capacidad en 4 y de la 7calidad7 del condensador. ESR en 5hms 8alidad 8 4 9y alta .; <.;;; <.< .<= .? ;.CC ; ;.>?< << ;.<;B ? ;.<; ;; ;.;CB <<; ;.;>B ?; ;.;<< ;;; ;.;> <<;; ;.;;? ?;; ;.;; ;;;; ;.;;<
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3e constrido esta ta#la sando Excel para !e prod1ca (alores de acerdo con lo !e yo considero normal a oo. Son (alores orientati(os !e no de#en considerarse si se tienen (alores m$s fia#les. a fórmla !e he desarrollado y tili1ado en este cadro es
ESR(Ohm) = 2 * 2. !" # C!$.%& donde 8 es el (alor de la capacidad en 4 y D es la 7clasificación de calidad7 del
condensador siendo ; la meor calidad )negati(o ser"a toda("a meor* y la peor calidad )m$s alto ser"a toda("a peor*. ifferentes aplicaciones re!ieren diferentes ni(eles de calidad. En condiciones similares n condensador para na fente de alimentación !e tra#ae a frecencia de red =;/C; 31 necesita tener na capacidad <;;; (eces m$s grande !e si se trata de na fente conmtada !e tra#aa a ;; F31. Si ponemos n condensador !e tenga na capacidad <;;; (eces m$s pe!e2a podemos esperar !e tenga na ESR die1 (eces mayor y (a a generar cien (eces m$s calor en n espacio mcho m$s redcido. a miniatri1ación de los componentes tra#aa en nestra contra ya !e dificlta la disipación del calor. 9ientras !e la ESR no es factor de consideración en fentes !e tra#aan a frecencia de red es n factor cr"tico en fentes conmtadas. &na pre#a my sencilla ser"a medir la ESR, inclso sin mcha precisión, y considerar !e el condensador est$ #ien en principio si la ESR es inferior a ;.= 5hm, !e est$ malo si la ESR es sperior a = 5hm y para (alores intermedios tendremos !e considerar el (alor de la capacidad, aplicación concreta y otros factores. Si es n condensador de #ao (alor y tra#aando con corrientes my redcidas entonces pede ser !e no necesite reponerse pero si es n condensador grande y de n filtro de alimentación entonces de#e reponerse. 8omo podemos (er, no necesitamos na medición precisa sino !e nos #asta con tener na idea aproximada. En canto la ESR de n condensador empie1a a incrementar generalmente ensegida entra en na espiral destrcti(a de modo !e, en general, podemos hacer na compro#ación r$pida de todos los condensadores electrol"ticos de na fente de alimentación y confirmar !e en principio todos parecen estar #ien o detectar si no o (arios est$n e(identemente mal. 8omo digo, esta es na #ena forma de comen1ar las reparaciones de fentes de alimentación por!e los condensadores electrol"ticos my a mendo son la casa inicial del pro#lema. e modo !e necesitamos n medidor de ESR.
Construcción de un medidor de ESR sencillo Se peden encontrar en el mercado medidores de ESR de la#oratorio my caros pero no necesitamos ese ni(el de precisión ni de coste. o !e necesitamos es n instrmento #arato y sencillo !e nos d0 na lectra aproximada. s!0 circitos para constrir y aca#0 modificando no !e me gstó para a2adirle algnas meoras. &na pre#a !e considero esencial y !e la mayor"a de medidores de ESR no tienen es si el condensador est$ en cortocircito. &n condensador en corto tiene na ESR my #aa pero est$ defectoso y de#e ser repesto. &n medidor de ESR !e solamente mida ESR en alterna indicar"a !e el condensador est$ #ien. %ecesitamos, por lo tanto, na indicación de !e el condensador est$ en corto. 5tra cosa desea#le es m$s precisión en la parte #aa de la escala por!e n condensador !e tiene na ESR de m$s de = 5hm lo (amos a considerar como malo y no nos importa mcho cantificar el (alor exacto de la ESR.)8ando digo 7parte alta7 y 7parte #aa7 de la escala me refiero a los (alores en 5hm ya !e en el instrmento de medida los (alores m$s #aos son los !e hacen !e la aga se desplace al tope de la escala.* o !e sige es mi propia (ersión de n medidor de ESR !e he constrido y me
fnciona #ien. Di1$ toda("a se peda meorar en algo pero tal y como est$ me fnciona #ien. Est$ #asado en este proyecto de GH?A63 el cal, a s (e1, est$ #asado en n art"clo p#licado como proyecto I=@ de la re(ista italiana %o(a Elettronica, nJ <<, Sept/5ct <;;<. 8reo !e el mismo dise2o o algo similar fe p#licado en la re(ista +optronics en lio de <;; pero no lo he (isto. Si algien me lo pede en(iar estar"a #ien para compararlos. En mi circito he introdcido algnos cam#ios !e considero meoras. El medidor de ESR tiene dos pntas de pre#a !e se conectan al condensador a pro#ar sin !itarlo del circito. Esto inyecta na se2al de nos ;; F31 y my #ao (oltae, por de#ao de ;; m')pp*. Esta se2al de tan #ao ni(el no ser$ sficiente para afectar a semicondctores en paralelo con el condensador y la mayor"a de los componentes tendr$n resistencias m$s altas y no afectar$n de forma significati(a a la medición. 8laro !e t(i0ramos na resistencia de (alor extremadamente #ao en paralelo con el condensador entonces la lectra se (er"a afectada pero esto ser"a extremadamente raro en la realidad. El circito es n pente de catro resistencias !e normalmente est$ e!ili#rado. El condensador a medir se pone en paralelo con na de las resistencias lo cal introdce n dese!ili#rio !e es mltiplicado por n amplificador operacional )opamp*. 8anto m$s #aa sea la ESR m$s se dese!ili#ra el pente y m$s alta es la lectra.
5pAmp A, primero por la i1!ierda, di(ide el (oltae de alimentación en dos mitades igales de modo !e tenemos K.= ' y -.= ' con respecto al pnto central !e es nestra referencia y tierra (irtal. Esta alimentación sim0trica la necesitan los operacionales !e sigen. El segndo operacional, , es la #ase de n oscilador de ;; F31. En la pr$ctica he o#ser(ado !e la frecencia tiende a des(iarse #astante de los ;; F31 teóricos, pro#a#lemente de#ido a des(iaciones en los (alores nominales de los componentes, de modo !e es con(eniente compro#ar la frecencia y astar el (alor de R> para astar la frecencia cerca de ;; F31. Esto no es esencial pero permite comparaciones meores entre nidades. A la salida este operacional tenemos na onda rectanglar !e oscila entre - ' y K '.
El transistor !e sige sir(e para (arias cosas. espla1a el ni(el de la se2al de modo !e siempre es positi(a, entre ; ' y K ' y a"sla el oscilador de la carga !e sige ya !e el operacional no podr"a go#ernar la carga directamente. En el colector del transistor encontramos el pente d e resistencias !e es el cora1ón de la nidad. as dos resistencias speriores son de (alor mcho m$s alto !e las dos inferiores de modo !e el (oltae aplicado el condensador #ao pre#a es na fracción pe!e2a del (oltae !e se encentra a la salida del transistor. 8al!ier dese!ili#rio en las ramas del pente es amplificado por el sigiente amplificador operacional, 8. Analicemos detenidamente los distintos casos. +in ? - Salida del comparador
+ntas a#iertas - - - - - - 8onectadas a n condensador - - - - - - +ntas en corto - 8ando las pntas de pre#a est$n a#iertas el pente est$ en e!ili#rio y la salida del operacional 8 ser$ de cero (oltios, constante. <- Al conectar las pntas de pre#a a n condensador #eno estamos cortocircitando a masa na de las resistencias del pente pero solamente en 'C y no en 8. +or lo tanto la salida de 8 ser$ na onda A8 sin componente 8 algna. Es decir, estar$ centrada en ; ' y oscilar$ igalmente hacia arri#a y hacia a#ao de este pnto. >- Si adem$s cortocircitamos el condensador en 8 entonces la rama del pente est$ en corto en 8 a masa y ahora la onda de salida de 8 se despla1a hacia arri#a de modo !e tiene na componente 8 positi(a. Ahora toda la onda estar$ por encima de ; '. Al constrir el prototipo me encontr0 con n extra2o pro#lema cya casa me costó identificar. Al principio no la expse a!" pero me han escrito (arios lectores !e se han encontrado con el mismo pro#lema por lo !e lo explico a!" para ayda a todos. E pro#lema era el sigiente: pongo las pntas en corto y asto el tope de escala. A continación conecto n condensador entre las pntas y la aga del instrmento se pasa del tope de escala. Es como si el condensador presentara menos resistencia !e las pntas en corto. La digo !e me costó determinar la casa pero es f$cil de (er. 9irando la tra1a del osciloscopio (emos !e la amplitd de la se2al es la misma cando las pntas est$n en corto o cando est$n con n condensador de ESRM;, !e es como de#e ser. a diferencia est$ en el despla1amiento (ertical de la se2al hacia arri#a cando las pntas est$n en corto. Si la
se2al tiene demasiada amplitd al s#ir se llegan a recortar los picos speriores por lo !e con las pntas en corto la amplitd es menor !e con n condensador. a solción es disminir la ganancia de esa etapa como se descri#e a continación. as resistencias de realimentación de 8 eran originalmente de ?F pero esto crea#a el pro#lema !e se solcionó disminyendo la ganancia al disminir el (alor de estas resistencias a
Como usar el medidor de ESR 8errar el interrptor de alimentación. 8ortocircitar las pntas de pre#a y astar RB para !e el instrmento mar!e a fndo de la escala. 8onectar las pntas de pre#a al condensador )capacitor* #ao pre#a y leer el instrmento. 8anto m$s se acer!e al fondo de la escala menor es la ESR del condensador #ao pre#a. El E roo no de#e ilminarse ya !e esto indicar"a n condensador en cortocircito. &n lector ha reali1ado n (ideo !e mestra el so y pede (erse auí .
Cómo meorar la sensibilidad del instrumento Esta p$gina, )so#re todo el original en ingl0s*, reci#e mchas (isitas y algnos lectores me han escrito pregntando si ser"a posi#le incrementar la sensi#ilidad del instrmento. +ara esto es necesario disminir la impedancia de salida de las pntas de pre#a. 8omo ya die, na forma de hacer esto es disminir el (alor de R; y R y lego incrementar la ganancia del comparador-amplificador !e sige. Esto se pede hacer hasta cierto pnto pero tiene n l"mite ya !e demasiada amplificación lle(ar"a a a mplificar rido captado por las pntas de pre#a. &na forma de sol(entar este pro#lema ser"a disminir el (alor de R; y R pero incrementar proporcionalmente el (oltae de la se2al aplicada al pente de forma !e el (oltae en las pntas de pre#a permane1ca igal. El resto del circito permanece igal y
alimentado a .= (oltios pero el pente se alimentar"a a n (oltae m$s alto, como, digamos, <; '. 3e a!" la idea #$sica:
Es necesario a2adir n transistor adicional para manear el desni(el introdcido entre la salida del oscilador y el ne(o (oltae. 3e elegido = 5hm y <; ' como eemplo pero se podr"a amentar la sensi#ilidad toda("a m$s sando resistencias de 5hm y s#iendo el (oltae a ;; '. Siempre hay !e asegrarse de !e todos los componentes est0 correctamente elegidos y dimensionados: los transistores de#en soportar el ne(o (oltae y las resistencias de F de#en poder disipar m$s calor. 8onceptalmente 0sta es na forma my sencilla de incrementar la sensi#ilidad del instrmento manteniendo el concepto #$sico del circito pero complica la fente de alimentación !e ahora de#e proporcionar n (oltae m$s. Esto pede ser acepta#le en n instrmento de la#oratorio conectado a la red el0ctrica pero ser"a n pro#lema en n instrmento port$til en cyo caso ha#r"a !e dise2ar na fente conmtada !e generara el ne(o (oltae a partir del #ao (oltae entregado por la #ater"a. +or otra parte !i1$ ser"a interesante redise2ar enteramente el circito para !e fncionara co n K/-= ' o K/-<; '.
5tra forma de disminir la impedancia en las pntas de pre#a es sar n transformador adaptador de impedancias y 0sto es lo !e hacen la mayor"a de los circitos. 9cha gente tiene pro#lemas para fa#ricar transformadores y prefiere limitarse a circitos !e no re!ieran transformadores ni #o#inas. 5tro incon(eniente de sar n transformador es !e se #lo!ea la componente de 88 !e permite detectar condensadores en corto. a mayor"a de los medidores no disponen de esta fnción pero a mi me parece til y me gstar"a conser(arla. e mi caón de componentes para reciclar ya tengo seleccionado n transformador adecado para sar en n medidor de ESR y algn d"a espero dise2ar y constrir n medidor !e se este transformador.
9odificaciones a esta p$gina <;;-;>-@. A2adida sección 78ómo meorar la sensi#ilidad del instrmento7 6am#i0n el gr$fico con los tra1os de osciloscopio.
9e sorprende gratamente el alto nmero de (isitas !e reci#e esta p$gina Di1$ en no de mis (iaes a 8hina me decida a #scar la posi#ilidad de #scar n fa#ricante !e fa#ricara este instrmento a #ao coste.
