Чем болеет старое радио? Сухие «электролиты» и ESR. Часть 2

В предыдущей части я рассказывал о ESR конденсатора — что это такое, откуда берётся и почему ремонт старой техники начинается заменой «электролитов». Вкратце: ESR — это паразитное сопротивление выводов, обкладок и диэлектрика, которое мешает конденсатору быть конденсатором. Вместо того, чтобы беспрепятственно пропускать через себя переменный ток, он греется, отчего выходит из строя. Цепь, куда включён проблемный конденсатор, так же страдает — фильтр нижних частот хуже подавляет пульсации напряжения, а фильтр верхних частот хуже пропускает полезный сигнал. От ESR никуда не денешься, ведь если есть проводник, то есть и сопротивление, но можно заменить нерабочие конденсаторы, чтобы продлить срок службы устройства.

Я много лет верил транзистор-тестеру и его измерениям ESR, и всегда он помогал вычислить неисправные детали. Но в глубине души хотелось лично увидеть, в чём проявляется это сопротивление и как ведёт себя конденсатор с нормальной ёмкостью, но завышенным ESR. Благодаря приборному парку всё получилось, и я хочу поделиться с вами результатами.

ESR: измерения

Люблю интернет: задал вопрос — и подставляй мешок для ответов. Две минуты поиска — и я уже собираю стенд по статье «Как измерить ESR конденсатора с помощью осциллографа и генератора сигналов».


Генератор: меандр 200 кГц с размахом 1 В. Если вдруг у вашего прибора выходное сопротивление не 50 Ом — измените число в формуле.

Осциллограф настроен так, чтобы в экран умещалось несколько периодов сигнала; включён закрытый вход (AC coupling).

Конденсатор включён по схеме ФНЧ — ожидается, что он сгладит все пульсации.


Синий канал — «электролит» 500 мкФ из УНЧ, жёлтый канал — новый на 470 мкФ. В обоих случаях чётко видны «иголки» в моменты заряда и разряда конденсатора, но намного важнее высота «полочек» — горизонтальных участков. Сигнал больше смахивает на меандр именно в цепи с тридцатилетним конденсатором, поскольку он хуже фильтрует и оставляет после себя больше пульсаций. Их размах 4 мВ, что даёт ESR = (50*4) / (1000-4) = 0,2 Ома.


Транзистор-тестер измерил 0,25 Ома при ёмкости 423 мкФ. Первая попавшаяся таблица ESR для конденсатора 470 мкФ 16 В рекомендует сопротивление не более 0,18 Ом. Можно было бы запаять аутентичного «армянина» назад, раз он не так уж и далеко ушёл от нормы, да только низкоимпедансный Hitano с ESR 0,01 Ома всяко приятнее.


Для наглядности поменял режим осциллографа. Синий канал — новый «электролит», жёлтый каналC45, C49, C50, C53 из УНЧ. Какой где — я не записывал, но картина одна и та же: старые конденсаторы хуже сглаживают сигнал от генератора, высота «полочек» у них выше. Это особенно заметно на первой и на четвёртой осциллограммах: если посчитать ESR по размаху пульсаций 10 мВ, то получится 0,5 Ома — однозначно билет на выброс.


ESR 0,47 Ома — сходится. И даже ёмкость 533 мкФ, что выше номинала, не заставит меня передумать — новый конденсатор на 470 мкФ, но с ESR 0,02 Ома, лучше подавляет помехи.

Но самый интересный эксперимент получился с конденсаторами на 47 мкФ, которые транзистор-тестер отказался считать ёмкостью.


Ладно, в одном он кое-как увидел 26 пФ, но это скорее ошибка.


Синий канал — новый конденсатор 47 мкФ 35 В1, жёлтый канал — старый советский. И если на первой осциллограмме он оставляет 816 мВ сигнала2, то на второй вся тысяча милливольт прётся в осциллограф, будто бы и нет никакого конденсатора3.

1 по размаху пульсаций 12 мВ можно высчитать, что его ESR равно 0.6 Ома. Чем меньше ёмкость и рабочее напряжение — тем выше ESR, ведь площадь обкладок уменьшается, отчего растёт их сопротивление.

2 816 мВ пульсаций дают ESR 221 Ом.

3 строго говоря — его ESR стремится к бесконечности:

ESR = (50*1000) / (1000-1000) = 50000 / 0

В школе делить на ноль не разрешалось, а вот на первом курсе универа — сколько угодно. Всё, что я помню о пределах: если заменить ноль очень малым числом — в результате деления получится очень большое. Например:

1/0,1 = 10
1/0,01 = 100
1/0,001 = 1000

Добавляя нули к делителю, пока не получится ноль целых хрен десятых, мы превращаем частное в хрен знает скока лион. Вот примерно такое ESR у этого конденсатора.

По расширенной схеме измерительного стенда заметно, что выходное сопротивление генератора и сопротивление ESR образуют делитель напряжения, к нижнему плечу которого подключён осциллограф. Дальше — простое моделирование:

  • электролит высыхает, меняется его состав, повышается ESR;
  • ёмкость падает;
  • конденсатор становится «перемычкой» на всё более высоких частотах;
  • на частоте 200 кГц ESR настолько большое, что через него не идёт ток;
  • всё напряжение, которое через конденсатор не ушло в «землю», оказывается на входе осциллографа.

Даже если ёмкость не уменьшается, как в случае с конденсатором на 533 мкФ, ESR всё равно мешает переменному току протекать в «землю». Падение напряжения на этом резисторе даёт те самые «полочки», видимые осциллографу, и чем выше ESR — тем выше уровень пульсаций.

Исправный конденсатор ведёт себя иначе:

  • изначально низкое ESR;
  • на тестовой частоте конденсатор замыкает сигнал на «землю», ведь реактанс Xc и ESR небольшие;
  • осциллографу почти ничего не достаётся, кроме иголок-всплесков при зарядке и разрядке. Даже «полочки» 12 мВ — ничто по сравнению со «стеллажами» 816 и 1000 мВ. Если вы дружите с децибелами, то это разница в 36 и 59 дБ.

Сухие «электролиты» — диагностика

Возможно, вы не разделяете моей тяги разом менять все старые конденсаторы, а предпочитаете выборочный ремонт. Что ж, ваше право и ваше решение — уважаю. Тогда вам пригодятся две подсказки, как найти неисправный конденсатор прямо в устройстве.

Способ 1

Схема включения «одной ногой на общем проводе» позволяет легко найти в устройстве фильтр нижних частот, в частности — конденсаторы по питанию, которые сглаживают пульсации напряжения. Когда конденсатор из-за потери ёмкости или возросшего ESR не справляется со своей задачей — пульсации проникают в нагрузку, отчего УНЧ начинает фонить, а логические микросхемы теряют остатки логики. Когда у меня ещё не было осциллографа, я сам себе придумал косвенный способ проверки блока питания и «электролитов» на плате: достаточно измерить мультиметром переменное напряжение на выводах конденсатора. Исправная ёмкость гасит все пульсации, поэтому прибор покажет скудные милливольты; сухой4 «электролит» оставит заметные вольты «переменки» и тем самым выдаст себя. Этот способ помог поставить на ноги усилитель «У-101» соседа по этажу: до замены самого сухого конденсатора индикатор уровня зашкаливал, а из колонок доносилось бархатистое гудение альбома «Диодный мост».

4 именно что «сухой»; отследить небольшое повышение ESR или потерю ёмкости таким способом едва ли удастся.

Способ 2

В отличие от первого, этот способ подходит и для фильтров по питанию, и для межкаскадных ёмкостей. Параллельно подозреваемому конденсатору подключается исправный5. Если музыка заиграла громче, фон стал тише, газовый котёл включился быстро, как в день покупки — поздравляю, вы нашли источник проблем.

5 такой же ёмкости и с таким же рабочим напряжением — последнее важно, чтобы случайно в 35-вольтовый выпрямитель не подбросить 10-вольтовую ёмкость. Да и вообще, будьте осторожны, подключая лишние детали к не обесточенной схеме. Если сомневаетесь — выключите и припаяйте, не держите в руках.

Нанофильм о сухом конденсаторе и методе «подброса исправного»

Заснял, как в реальном времени исчезают пульсации, если подключить исправный конденсатор параллельно сухому. Изначально осциллограф видел всю тысячу милливольт, но дополнительная ёмкость погасила сигнал до 18 мВ6. Следовательно, если старый конденсатор не оказывал никакого влияния на сигнал, то его можно смело выбрасывать — массо-габаритные макеты в схеме не нужны.

6 В ролике ошибочно указано 35 мВ — но это размах сигнала с учётом «иголок» заряда и разряда. «Полочки» на 34-й секунде ниже, примерно 16-18 мВ.

Вопрос читателям. Что случится с усилителем, если пересохнет C47?

Замечания:

  1. Тестовая частота 200 кГц менее популярна, чем частота 100 кГц. В даташите на конденсатор обычно приводят значение ESR, измеренное на частоте 100 кГц — ищите столбец Impedance на второй странице. Измерители ESR тоже чаще всего работают на этой частоте, и лишь самые навороченные позволяют выбрать другое значение для проверки: 120 или 1000 Гц. Иногда в даташите приводится значение ESR на этих частотах, иногда даётся вилка 100-300 кГц. Всё как с китайскими ваттами — результат зависит от способа измерения. Определённо известно одно: на более высоких частотах сказывается индуктивность выводов и обкладок, измерения уже не будут точными. Приучите себя к стандартной частоте 100 кГц.
  2. Пока искал, на какой же частоте лучше проводить измерения, нашёл видео «Measure Capacitor ESR with an Oscilloscope and Function Generator» от w2aew. Очень похоже, что на его основе и родилась публикация на hubstub, потому что больше никто не измеряет ESR на 200 кГц.
  3. Откуда берутся таблицы ESR? Их полно в интернете, но нет единой — цифры внутри немного отличаются. Всё оттого, что такие таблицы скорее ориентировочные, и мы не знаем, кто, когда и по каким даташитам их составил. Например, своему конденсатору 47 мкФ 35 вольт фирма «ПоларКонд» приписывает 1 Ом ESR, а фирма «Эль Капо Электролито» выпускает ёмкости с ESR 1,5 Ома. Джек из Алабамы запишет в свою таблицу 1 Ом, потому что покупает только «ПоларКонд», а Юрий Владимирович из Днепропетровска запишет 1,5 Ома, потому что знает и любит «Эль Капо Электролито» с 2005 года. Оба по-своему правы, и поэтому таблицы получаются разными. Но когда вы изучите несколько вариантов, то заметите, что никакой из них не допускает ESR 221 Ом для уже указанного конденсатора 47 мкФ 35 В.

    Попробуйте найти даташит, если на конденсаторе указан производитель и серия — там-то и будет самое правильное значение ESR. Однако если вы имеете дело со старыми советскими или безродными китайскими «электролитами», то никаких документов вам на них не сыскать. Тогда усредняйте данные нескольких таблиц для выбранного номинала, и если есть сомнения — меняйте.

Ремонт старой техники начинается заменой «электролитов»

В прошлой части я обещал показать, что не так с главным конденсатором и мелкими «электролитами» на плате ДЧМ. Отложим этот разговор до следующего раза — пусть каждая статья будет монолитной темой.

Дополнительно почитать:

TransistorTester with AVR microcontroller (стр. 89 — 102)

Understanding ESR and ESL in Capacitors


Подписаться

Оставьте свою почту, чтобы раньше «Гугла» узнавать о новых записях. Когда не пишу о приёмниках VEF — пишу о другой электронике, делюсь разработками, рекомендую книги, сбрасываю музыку под настроение.


Помочь проекту

4731 1856 0173 1794

Карта VISA принимает любую валюту

Брелок для ключей в виде радиоприёмника VEF — 50 гривен, отправка только по Украине. Сам рисовал и заказывал на производстве, поэтому на «Алиэкспрессе» таких не найти.

Запись опубликована в рубрике Радиоприемники, Электроника с метками , . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

5 отзывов на “Чем болеет старое радио? Сухие «электролиты» и ESR. Часть 2

  1. Александр:

    Ответ на «вопрос читателям»:
    произойдёт уменьшения громкости вплоть до слабого (не исключено- искажённого) шёпота, т . е. то, что описано в теме «Чем болеет старое радио? Сухие «электролиты» и ESR…»

    • Да, так и есть — громкость уменьшится, а с нею упадёт и уровень НЧ, останется лишь тихое ВЧ. В этом определённо виноват конденсатор, но ведь схема ФНЧ, по которой он включён, ведёт себя иначе: чем меньше ёмкость, тем выше уровень НЧ на выходе. Противоречие?

      Это и будет вопросом номер два — почему C47 с малой ёмкостью давит НЧ?

      • Александр:

        Да хрен его знает, трудно ответить, не имея радиотехнического образования.
        И ващще, ОС в УНЧ -дело тёмное…

      • Да, это ООС по постоянному току, она следит, чтобы в коллекторах выходных транзисторов была половина питания — искусственный «ноль». VT12 и VT13 образуют дифференциальный усилитель, который усиливает разницу между сигналами. Если на базы транзисторов подавать один и тот же сигнал, то с коллектора VT12 мы не снимем никакого напряжения. Если база VT13 будет привязана к половине питания, то на резисторе R57 выделится полезный сигнал, который дальше усиливается транзистором VT14.

        С47 стоит в цепи обратной связи, и он стравливает весь усиленный переменный ток на «землю». В базе VT13 остаётся только постоянная составляющая. Когда конденсатор высыхает, он уже не пропускает переменный ток, и тот попадает на базу VT13. Поскольку входной и выходной сигналы синфазны, да ещё и делитель подобран так, что они одинаковы по уровню — дифференциальный усилитель ищет разницу между двумя базами, не находит её, а потому и не выдаёт никакого сигнала на R57. Этим объясняется то, что сухой конденсатор C47 сначала оставляет приёмнику лишь тихое ВЧ, а потом и вовсе ворует весь звук.

      • Практика: подбрасываю исправный конденсатор параллельно сухому C47. Звук возвращается.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s