MISURATORE ESR

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COSA SIGNIFICA ESR

Per ESR si intende la resistenza equivalente serie dei componenti, nella pratica è principalmente rivolta agli elettrolitici. Essa è dovuta essenzialmente alla induttanza parassita ed è tanto più fondamentale quanto più alta è la frequenza di lavoro degli elementi in questione.

Negli moderni alimentatori, ormai a parte piccole nicchie di apparecchiature che continuano ad avere alimentatori analogici il resto è alimentato con alimentatori a commutazione per i loro indubbi vantaggi per riduzione di ingombri e costi che per la loro capacità di altissimi rendimenti dovute alle ridottissime perdite in calore.

Mentre in passato si raddrizzava la tensione di rete con frequenza di 50/60Hz ora i moderni alimentatori lavorano a centinaia di Khz e alcuni anche oltre, queste frequenze hanno creato una serie di guasti nuovi nelle apparecchiature. La usura e prematura morte degli elettrolitici, a causa della loro induttanza parassita è una di queste, essi dissipano energia sotto forma di calore che asciuga l’elettrolita interno che, asciugandosi sviluppa gas, una volta raggiunta una certa pressione fuoriesce. Tutti gli elettrolitici ormai posseggono già delle linee di rottura già preincise in fase di costruzione, esse facilitano la fuoriuscita del gas in eccesso senza esplosioni. Una volta arrivati a queste condizioni gli elettrolitici perdono le loro caratteristiche e vanno sostituiti per riportare i circuiti a valle di essi al normale funzionamento, ripristinando le condizioni di alimentazione ottimali. 

Il problema di base è che non sempre la fuoriuscita di di gas è così palese, a volte un elettrolitico può avere delle microfratture impercettibili che non modificano l’aspetto esteriore, unico aspetto è la modifica delle caratteristiche elettriche ed appunto quelle bisogna misurare per avere la certezza che il componente sia efficiente.

IL MISURATORE

Questo misuratore ESR fornisce la misura della resistenza in serie equivalente (ESR) dei condensatori. Lo schema circuitale è molto semplice, sono utilizzati solo due transistori NPN. Il dispositivo fornisce misurazioni della resistenza serie equivalente nell’intervallo da 0,1 Ω a 23 Ω.

Pur nella sua semplicità ha di suo uno studio volto a ridurre i componenti all’essenziale e la capacità di funzionare con una sola batteria AAA anche scarica ( testato fino a 0,9V di alimentazione).

Il cuore del circuito è un oscillatore Colpitts con transistor Q1 configurato a collettore comune . La frequenza dell’oscillatore è determinata dai componenti L1, C1 e C2. La frequenza operativa è di circa 15 kHz. Il condensatore sotto test Cx è collegato in serie con C1. Poiché la capacità di Cx è molto più elevata della capacità di C1, la capacità di Cx non influisce sull’oscillatore.

L’oscillatore produce oscillazioni solo se la resistenza equivalente serie del condensatore sotto test Cx è bassa. Con la crescita della resistenza serie di Cx, diminuisce un’ampiezza di oscillazione. Ad un certo punto, se la resistenza della serie è troppo alta, non ci saranno oscillazioni. La resistenza in serie di Cx è inversamente proporzionale all’ampiezza delle oscillazioni.

I diodi D1..D4 vengono utilizzati per scaricare il condensatore da testare fosse carico, essi proteggono il circuito da eventuali danni ma risultano ininfluenti nel funzionamento normale, infatti la loro tensione di soglia è superiore alla ampiezza delle oscillazioni.

Il transistor Q2 funziona come un raddrizzatore ed amplificatore di corrente, il condensatore C4 sopprime la tensione di ondulazione sul collettore di Q2. Il milliamperometro PA1 fornisce un’indicazione della resistenza in serie del condensatore in prova. Come PA1 è possibile utilizzare qualsiasi milliamperometro adatto con un valore di deflessione su fondo scala di 0,5 mA … 15 mA. Invece del milliamperometro, per le misurazioni è possibile utilizzare un multimetro digitale (DMM) configurato come un amperometro.

Nel mio caso ho usato uno strumento di un vecchio Vmeter, se la indicazione della lancetta raggiunge la zona rossa il condensatore è buono, visti i bassi valori resistivi si può tranquillamente eseguire il test anche senza smontare il componente dal circuito. Un notevole risparmio di tempo quando si fanno le riparazioni.

Per avere la misura dell’ESR, è necessario cortocircuitare le sonde, regolare il potenziometro RV1 per deviare l’ago dello strumento fino alla fine della scala, terminata la calibrazione che dipende essenzialmente dalla carica della batteria si può eseguire il test. Ora collegare un condensatore alle sonde e vedere la lettura dell’ESR. Più l’ago è vicino al fondo scala, più basso è il valore ESR. Se l’ago è nei primi due terzi della scala, allora il condensatore testato non è buono.

Il consumo di corrente del circuito è di circa 1,2 mA. Vista la mia proverbiale “dote” nel lasciare gli strumenti accesi per poi accorgermi che sono inutilizzabili quando servono a causa della batteria scarica ho utilizzato un pulsante normalmente aperto al posto dell’interruttore, lo strumento per funzionare necessita della pressione del pulsante. Non potrò mai andarmene lasciandolo acceso!!!

UN PO’ DI TEORIA

Questa sezione finale può considerarsi come cultura generale e non è fondamentale per la realizzazione, se non interessati passate subito alla parte finale dei saluti

Esistono molte diverse configurazioni di oscillatori basati su un singolo transistor. Nel mio caso ho scelto la configurazione oscillatori di Colpit le tre versioni sono: base comune (CB, sinistra), emettitore comune (CE, medio) e collettore comune (CC, a destra). Tutti questi circuiti contengono un circuito LC risonante composto da un induttore L con in parallelo C1 e C2 in serie, con una frequenza di risonanza

dove 

CS è la capacità equivalente della combinazione di serie di C1 e C2 .Tutti gli altri CONDENSATORI (senza un pedice) sono condensatori di accoppiamento che hanno una capacità abbastanza grande e possono quindi essere trattati come cortocircuiti per i segnali CA. .

Ecco i requisiti per questi circuiti di oscillatori:

  1. un circuito di sintonizzazione del risuonatore LC che genera un’oscillazione sinusoidale alla sua frequenza di risonanza
  2. un circuito di feedback positivo che sostiene l’oscillazione.

Come funziona ciascuno di questi circuiti può essere qualitativamente inteso come di seguito:

  • CB con la base a massa per la AC: la tensione del collettore Vc è l’uscita, una frazione della quale al punto centrale tra i due condensatori, “punto di contatto”, viene ricondotta all’emettitore con un circuito di feedback positivo.
  • CE con l’emettitore collegato a terra per la AC : la tensione del collettore Vc è l’uscita, che viene ritrasmessa attraverso il circuito del risuonatore LC alla base. Poiché il punto di presa è messo a terra, la tensione sinusoidale attraverso LC produce polarità di tensione opposta alle estremità lontane di C1 e C2, cioè, Vc 1 = VB e Vc 2= VC hanno fasi opposte e quindi formano un circuito di retroazione positivo.
  • CC con il collettore a terra per la AC: si tratta di un circuito di inseguimento di tensione in cui la tensione dell’emettitore VC è l’uscita che segue la tensione di ingresso VB . Il feedback dall’emettitore attraverso LC alla base forma un circuito di feedback positivo.

Più specificamente, consideriamo il circuito del collettore comune usato in questo circuito. Per scoprire perché il circuito oscilla e quale è la frequenza di risonanza, scolleghiamo il percorso di base del circuito e consideriamo il guadagno ad anello aperto del circuito H= Vo / VI di retroazione. Modelliamo ulteriormente il transistor con una sorgente di tensione di Thevenin VI con una R, come mostrato nella figura:

Come carico della sorgente di Thevenin, il circuito risonante riceve un input Vt al punto comune dei due condensatori e produce un’uscita Vo attraverso la combinazione parallela di L e C1 in serie con C2 . Applicando KCL al punto di unione e otteniamo:

vale a dire,

Risolvendo per Vt si ottiene

che è massimizzato se la frequenza è tale che la parte immaginaria del denominatore è zero:

pertanto

  è la frequenza di risonanza, in cui la tensione Vt diventa uguale alla tensione sorgente VtVi , poiché l’impedenza del circuito risonante come carico della sorgente di Thevenin è infinita:

Il denominatore diventa zero e , cioè, non vi è corrente prelevata dalla sorgente dal circuito risonante. Di conseguenza, la caduta di tensione è nulla. Ora la tensione di uscita può essere trovata dal partitore di tensione:

Il guadagno ad anello aperto è:

Vediamo che il guadagno ad anello aperto è reale ma maggiore di 1. Tuttavia, la non-linearità del transistor nel percorso di retroazione lo costringerà a diventare 1.


Saluti Amilcare

VOTO
3 commenti
  1. Avatar
    walter dice:

    mi piace lo schema, semplice, senza troppi componenti, non è targato PEAK ma per le necessità di un dilettante è più che sufficiente. Complimenti. Vorrei porre un quesito sperando che questo sia il posto adatto: Che la ESR di un elettrolitico possa essere importante per un alimentatore switching che lavora a frequenze ultrasoniche l’ho capito, ma occorre tenerne conto anche nei normali circuiti audio e negli stadi raddrizzatori che lavorano a 50 o 100 Hz? Grazie

    Approvazioni

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