An die Grundparameter eines Kondensators sind wir bereits gewöhnt: Kapazität und Betriebsspannung. Aber in letzter Zeit ist sein äquivalenter Serienwiderstand (ESR) ein ebenso wichtiger Parameter geworden. Was ist das und was beeinflusst es?
Da ESR den Betrieb von Elektrolytkondensatoren am stärksten beeinflusst, wird es in Zukunft um sie gehen. Jetzt werden wir den Elektrolytkondensator knochentrocken zerlegen und herausfinden, welche Geheimnisse er verbirgt.
Jedes elektronische Bauteil ist nicht perfekt. Dies gilt auch für den Kondensator. Die Gesamtheit seiner Eigenschaften wird durch ein bedingtes Schema gezeigt.
Wie Sie sehen, besteht ein echter Kondensator aus einer Kapazität C , die wir in den Diagrammen gewohnt sind, in Form von zwei vertikalen Streifen zu sehen. weiterer Widerstand R s , die den Wirkwiderstand der Drahtadern und den Übergangswiderstand der Bleiplatte symbolisiert. Das Foto zeigt, wie die Anschlussdrähte mit den Platten vernietet werden.
Da jedes, auch sehr gute Dielektrikum einen gewissen Widerstand hat (bis zu Hunderten von Megaohm), wird ein Widerstand parallel zu den Platten dargestellt Rp ... Durch diesen "virtuellen" Widerstand fließt der sogenannte Leckstrom. Natürlich gibt es keine Widerstände im Kondensator. Dies dient nur der Übersichtlichkeit und einfachen Darstellung.
Dadurch, dass die Platten des Elektrolytkondensators verdrillt und in ein Aluminiumgehäuse eingebaut sind, entsteht eine Induktivität L.
Diese Induktivität zeigt ihre Eigenschaften erst bei Frequenzen oberhalb der Resonanzfrequenz des Kondensators. Der ungefähre Wert dieser Induktivität beträgt Dutzende von Nanogenries.
Aus all dem heben wir also heraus, was im ESR eines Elektrolytkondensators enthalten ist:
Widerstand, der durch Verluste im Dielektrikum aufgrund seiner Inhomogenität, Verunreinigungen und Feuchtigkeit verursacht wird;
Ohmscher Widerstand von Drähten und Platten. Aktiver Widerstand von Drähten;
Übergangswiderstand zwischen Platten und Leitungen;
Dazu kann auch der Widerstand des Elektrolyten gehören, der durch die Verdunstung des Elektrolytlösungsmittels ansteigt und sich seine chemische Zusammensetzung durch seine Wechselwirkung mit Metallplatten ändert.
All diese Faktoren werden aufsummiert und bilden den Widerstand des Kondensators, der als äquivalenter Serienwiderstand bezeichnet wurde - abgekürzt als ESR und auf fremdartige Weise ESR (E gleichwertig S erial R Widerstand).
Wie Sie wissen, kann ein Elektrolytkondensator konstruktionsbedingt aufgrund seiner Polarität nur in Gleich- und pulsierenden Stromkreisen arbeiten. Tatsächlich wird es in Netzteilen zum Filtern von Welligkeiten nach dem Gleichrichter verwendet. Erinnern wir uns an diese Eigenschaft eines Kondensators - Stromimpulse durchzulassen.
Und wenn ESR tatsächlich ein Widerstand ist, wird während des Flusses von Stromimpulsen Wärme daran abgegeben. Denken Sie an die Leistung des Widerstands. Je mehr ESR, desto stärker wird sich der Kondensator aufheizen.
Das Aufheizen eines Elektrolytkondensators ist sehr schlecht. Durch die Erwärmung beginnt der Elektrolyt zu kochen und zu verdampfen, der Kondensator quillt auf. Vermutlich ist Ihnen bei Elektrolytkondensatoren bereits eine Schutzkerbe auf der Oberseite des Gehäuses aufgefallen.
Bei längerem Betrieb des Kondensators und einer erhöhten Temperatur im Inneren beginnt der Elektrolyt zu verdampfen und drückt auf diese Kerbe. Mit der Zeit steigt der Druck im Inneren so stark an, dass die Kerbe bricht und das Gas nach außen abgibt.
Kondensator auf Netzteilplatine "geknallt" (Grund - Überspannung)
Außerdem verhindert (oder schwächt) die Schutzkerbe die Explosion des Kondensators, wenn die zulässige Spannung überschritten oder seine Polarität geändert wird.
In der Praxis passiert es auch umgekehrt - der Druck drückt den Isolator von der Seite der Klemmen. Das Foto unten zeigt einen getrockneten Kondensator. Seine Kapazität fiel auf 106 μF und der gemessene ESR betrug 2,8 , während der normale ESR-Wert für einen neuen Kondensator mit der gleichen Kapazität im Bereich von 0,08 - 0,1 liegt.
Elektrolytkondensatoren werden bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen hergestellt. Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren beginnt die untere Temperaturgrenze bei -60 0 und die obere ist begrenzt auf +155 0 105 0 .Auf dem Etikett wird manchmal nur die obere Temperaturgrenze angegeben: +85 0 С oder + 105 0 .
Das Vorhandensein eines ESR in einem echten Elektrolytkondensator beeinflusst seinen Betrieb in Hochfrequenzkreisen. Und wenn dieser Einfluss bei gewöhnlichen Kondensatoren nicht so ausgeprägt ist, dann spielt er bei Elektrolytkondensatoren eine sehr wichtige Rolle. Dies gilt insbesondere für ihren Betrieb in Stromkreisen mit hoher Welligkeit, wenn ein erheblicher Strom fließt und aufgrund von ESR Wärme erzeugt wird.
Schauen Sie sich das Foto an.
Aufgequollene Elektrolytkondensatoren (verursacht durch längeren Betrieb bei erhöhten Temperaturen)
Dies ist das Motherboard eines PCs, das sich nicht mehr einschaltet. Wie Sie sehen, befinden sich auf der Platine neben dem Prozessorkühlkörper vier angeschwollene Elektrolytkondensatoren. Langfristiger Betrieb bei erhöhten Temperaturen (externe Erwärmung durch einen Radiator) und eine ordentliche Lebensdauer führten dazu, dass die Kondensatoren "geknallt" sind. Dies ist auf die Erwärmung und ESR zurückzuführen. Eine schlechte Kühlung beeinträchtigt nicht nur den Betrieb von Prozessoren und Mikroschaltungen, sondern, wie sich herausstellt, auch von Elektrolytkondensatoren!
Eine Reduzierung der Umgebungstemperatur um 10 °C verdoppelt die Lebensdauer des Elektrolytkondensators fast.
Ein ähnliches Bild ergibt sich bei ausgefallenen PC-Netzteilen - auch Elektrolytkondensatoren schwellen an, was zu einem Drawdown und Welligkeit der Versorgungsspannung führt.
Defekte Kondensatoren im ATX-PC-Netzteil (der Grund ist die schlechte Qualität der Kondensatoren)
Oftmals fallen im Dauerbetrieb auch Schaltnetzteile von Access Points, WLAN-Router, Modems aller Art durch „durchgebrannte“ oder ihre Kapazität verlorene Kondensatoren aus. Vergessen wir nicht, dass der Elektrolyt beim Erhitzen austrocknet und dies zu einer Abnahme der Kapazität führt. Ich habe ein Beispiel aus der Praxis beschrieben.
Aus allem Gesagten folgt, dass Elektrolytkondensatoren, die in Hochfrequenz-Pulsschaltungen (Netzteile, Wechselrichter, Wandler, Schaltstabilisatoren) arbeiten, unter ziemlich extremen Bedingungen arbeiten und häufiger ausfallen. In diesem Wissen produzieren Hersteller Sonderserien mit niedrigem ESR. Auf solchen Kondensatoren befindet sich in der Regel eine Inschrift Niedriger ESR was "niedriger ESR" bedeutet.
Es ist bekannt, dass ein Kondensator einen kapazitiven oder reaktiven Widerstand aufweist, der mit steigender Frequenz des Wechselstroms abnimmt.
Wenn also die Frequenz des Wechselstroms ansteigt, nimmt die Reaktanz des Kondensators ab, jedoch nur bis sie sich dem Wert des äquivalenten Serienwiderstands (ESR) nähert. Das muss gemessen werden. Daher messen viele Geräte - ESR-Meter (ESR-Meter) ESR bei Frequenzen von mehreren zehn - Hunderten von Kilohertz. Dies ist notwendig, um den Reaktanzwert aus den Messergebnissen zu „entfernen“.
Zu beachten ist, dass der ESR-Wert eines Kondensators nicht nur von der Stromwelligkeit beeinflusst wird, sondern auch von der Spannung an den Platten, der Umgebungstemperatur und der Verarbeitung. Daher ist es unmöglich, eindeutig zu sagen, dass der ESR eines Kondensators beispielsweise 3 Ohm beträgt. Der ESR-Wert wird bei verschiedenen Betriebsfrequenzen unterschiedlich sein.
ESR-Meter
Bei der Überprüfung von Kondensatoren, insbesondere von Elektrolyten, sollten Sie auf den ESR-Wert achten. Es gibt viele kommerziell erhältliche Geräte zum Testen von Kondensatoren und zum Messen von ESR. Das Foto zeigt einen universellen Tester für Funkkomponenten (LCR-T4 Tester), dessen Funktionalität die Messung von ESR-Kondensatoren unterstützt.
In funktechnischen Zeitschriften finden Sie Beschreibungen von selbstgebauten Geräten und Multimeter-Aufsätzen zur Messung von ESR. Im Angebot finden Sie auch hochspezialisierte ESR-Meter, die Kapazität und ESR messen können, ohne sie von der Platine zu löten, und diese auch vorher entladen, um das Gerät vor Schäden durch hohe Restspannung des Kondensators zu schützen. Zu solchen Geräten zählen beispielsweise ESR-micro v3.1, ESR-micro V4.0s, ESR-micro v4.0SI.
Bei der Reparatur von Elektronik müssen Elektrolytkondensatoren häufig gewechselt werden. Gleichzeitig werden zur Beurteilung ihrer Qualität Parameter wie Kapazität und ESR gemessen. Um einen Vergleich zu haben, wurde eine ESR-Tabelle erstellt, die den ESR von neuen Elektrolytkondensatoren unterschiedlicher Kapazität angibt. Anhand dieser Tabelle kann die Eignung eines bestimmten Kondensators für den weiteren Einsatz beurteilt werden.
