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Construcción de un medidor de ESR para comprobar condensadores electrolíticos

Al reparar electrónica en general, y especialmente fuentes conmutadas, he notado que los condensadores electrolíticos son muy a menudo los componentes que han fallado y son los causantes originales del problema aunque luego hayan causado el fallo de otros componentes como semiconductores, etc.

Al reparar electrónica en general, y especialmente fuentes conmutadas, he notado que los condensadores electrolíticos son muy a menudo los componentes que han fallado y son los causantes originales del problema aunque luego hayan causado el fallo de otros componentes como semiconductores.

A menudo, sobre todo si no tengo el esquema de circuito, me resulta más práctico repasar todos los condensadores electrolíticos antes de hacer otras comprobaciones porque, como digo, fallan mucho. No sería práctico desconectar todos los electrolíticos del circuito para comprobarlos de modo que hay que encontrar la forma de comprobarlos en el propio circuito. Antes de seguir con el proceso de comprobación debemos entender bien algunos conceptos referentes a los condensadores electrolíticos.

Un condensador ideal solamente tiene capacidad pura pero un condensador real tiene además resistencias e inductancias distribuidas. Vamos a ignorar las inductancias y nos vamos a centrar en las resistencias que vamos a resumir en dos: la resistencia equivalente serie (ESR) y la resistencia equivalente paralela (EPR) como se muestra en la figura 1. Este modelo simplificado es suficiente para nuestras necesidades.

La resistencia equivalente paralela (EPR) causa una corriente de fuga que, además, calienta el condensador. Si el valor de esta resistencia disminuye aumenta la corriente de fuga pero esto no suele ser un problema común en condensadores electrolíticos excepto cuando se cortocircuitan y la resistencia paralela cae a un valor muy bajo, casi cero.

ESRfig01

La ESR también es causa de que el condensador se caliente ya que la corriente de rizado carga y descarga el condensador a través de esta resistencia. El valor de la ESR se ha convertido en un parámetro muy importante en los últimos años ya que la miniaturización de los condensadores ha hecho que se incremente su valor además de que las fuentes conmutadas, al funcionar a mayor frecuencia, requieren menores capacidades lo que resulta en mayor corriente de rizado por microfaradio. Las fuentes conmutadas funcionan a frecuencias mucho más altas lo cual significa que requieren valores de capacidad para los filtros mucho más reducidos pero esto implica valores de ESR más altos y más calentamiento. Al calentarse el condensador se seca el electrolito lo cual incrementa la ESR y esto lleva a una espiral destructiva.

Habiendo entendido los conceptos anteriores ahora queremos probar los condensadores. Parece intuitivo que lo primero que querríamos medir es la capacidad real pero esto no es cierto porque midiendo la ESR generalmente obtenemos una indicación mejor sobre el estado del condensador y la ESR es mucho más fácil de medir sin sacar el condensador del circuito.

Según un electrolítico se va secando la ESR se ve afectada mucho más que la capacidad. Un condensador que tiene capacidad correcta pero ESR demasiado alta es un condensador que está en el camino de su destrucción porque la alta ESR causará calor que acabará destruyendo el condensador. Si el condensador ha perdido una parte de su capacidad original normalmente ya se habrá incrementado la ESR por un factor muy alto.

El valor de la ESR de un condensador en buen estado depende de muchos factores pero quizá el valor de la capacidad es el más importante. En dos condensadores construidos de forma similar, cuanto más alta sea la capacidad más baja será la ESR. En condensadores de más de unas decenas de uF será de una fracción de Ohm y en los electrolíticos más pequeños no será más de unos pocos Ohmios. Para un valor de capacidad dado constante el factor siguiente más relevante es la calidad del diseño y la construcción del condensador. Un condensador puede ser especialmente diseñado para conseguir un valor muy bajo de ESR. Tras estos dos importantes factores hay otros que afectan menos como el voltaje nominal del condensador (a más voltaje más ESR) y la clasificación de temperatura de trabajo (a más temperatura más ESR). A título puramente orientativo he creado el siguiente cuadro que da el valor de la ESR en Ohm como función de la capacidad en uF y de la "calidad" del condensador.

ESR en Ohms
 
Calidad
 
 
 
 
C  uF 
Muy alta 
Alta  
Normal 
Baja  
Muy baja 
1.0  2.000  5.000  12.500  31.250  78.125 
2.2  1.125  2.812  7.030  17.574  43.936 
4.7  0.646  1.616  4.039  10.098  25.244 
10  0.372  0.931  2.328  5.819  14.548 
22  0.209  0.524  1.309  3.273  8.181 
47  0.120  0.301  0.752  1.880  4.701 
100  0.069  0.173  0.433  1.084  2.709 
220  0.039  0.097  0.244  0.609  1.523 
470  0.022  0.056  0.140  0.350  0.875 
1000  0.013  0.032  0.081  0.202  0.504 
2200  0.007  0.018  0.045  0.113  0.284 
4700  0.004  0.010  0.026  0.065  0.163 
10000  0.002  0.006  0.015  0.038  0.094 

He construido esta tabla usando Excel para que produzca valores de acuerdo con lo que yo considero normal a ojo. Son valores orientativos que no deben considerarse si se tienen valores más fiables. La fórmula que he desarrollado y utilizado en este cuadro es

ESR(Ohm) = 2 * 2.5^Q / C^0.73
 

donde C es el valor de la capacidad en uF y Q es la "clasificación de calidad" del condensador siendo 0 la mejor calidad (negativo sería todavía mejor) y 4 la peor calidad (más alto sería todavía peor).

Differentes aplicaciones requieren diferentes niveles de calidad. En condiciones similares un condensador para una fuente de alimentación que trabaje a frecuencia de red 50/60 Hz necesita tener una capacidad 2000 veces más grande que si se trata de una fuente conmutada que trabaja a 100 KHz. Si ponemos un condensador que tenga una capacidad 2000 veces más pequeña podemos esperar que tenga una ESR diez veces mayor y va a generar cien veces más calor en un espacio mucho más reducido. La miniaturización de los componentes trabaja en nuestra contra ya que dificulta la disipación del calor. Mientras que la ESR no es factor de consideración en fuentes que trabajan a frecuencia de red es un factor crítico en fuentes conmutadas.

Una prueba muy sencilla sería medir la ESR, incluso sin mucha precisión, y considerar que el condensador está bien en principio si la ESR es inferior a 0.5 Ohm, que está malo si la ESR es superior a 5 Ohm y para valores intermedios tendremos que considerar el valor de la capacidad, aplicación concreta y otros factores. Si es un condensador de bajo valor y trabajando con corrientes muy reducidas entonces puede ser que no necesite reponerse pero si es un condensador grande y de un filtro de alimentación entonces debe reponerse.

Como podemos ver, no necesitamos una medición precisa sino que nos basta con tener una idea aproximada. En cuanto la ESR de un condensador empieza a incrementar generalmente enseguida entra en una espiral destructiva de modo que, en general, podemos hacer una comprobación rápida de todos los condensadores electrolíticos de una fuente de alimentación y confirmar que en principio todos parecen estar bien o detectar si uno o varios están evidentemente mal. Como digo, esta es una buena forma de comenzar las reparaciones de fuentes de alimentación porque los condensadores electrolíticos muy a menudo son la causa inicial del problema.

De modo que necesitamos un medidor de ESR.

Construcción de un medidor de ESR sencillo

Se pueden encontrar en el mercado medidores de ESR de laboratorio muy caros pero no necesitamos ese nivel de precisión ni de coste. Lo que necesitamos es un instrumento barato y sencillo que nos dé una lectura aproximada. Busqué circuitos para construir y acabé modificando uno que me gustó para añadirle algunas mejoras.

Una prueba que considero esencial y que la mayoría de medidores de ESR no tienen es si el condensador está en cortocircuito. Un condensador en corto tiene una ESR muy baja pero está defectuoso y debe ser repuesto. Un medidor de ESR que solamente mida ESR en alterna indicaría que el condensador está bien. Necesitamos, por lo tanto, una indicación de que el condensador está en corto.

Otra cosa deseable es más precisión en la parte baja de la escala porque un condensador que tiene una ESR de más de 5 Ohm lo vamos a considerar como malo y no nos importa mucho cuantificar el valor exacto de la ESR.(Cuando digo "parte alta" y "parte baja" de la escala me refiero a los valores en Ohm ya que en el instrumento de medida los valores más bajos son los que hacen que la aguja se desplace al tope de la escala.)

Lo que sigue es mi propia versión de un medidor de ESR que he construido y me funciona bien. Quizá todavía se pueda mejorar en algo pero tal y como está me funciona bien. Está basado en este proyecto de IZ7ATH el cual, a su vez, está basado en un artículo publicado como proyecto #1518 de la revista italiana Nuova Elettronica, n° 212, Sept/Oct 2002. Creo que el mismo diseño o algo similar fue publicado en la revista Poptronics en julio de 2001 pero no lo he visto. Si alguien me lo puede enviar estaría bien para compararlos. En mi circuito he introducido algunos cambios que considero mejoras.

El medidor de ESR tiene dos puntas de prueba que se conectan al condensador a probar sin quitarlo del circuito. Esto inyecta una señal de unos 100 KHz y muy bajo voltaje, por debajo de 100 mV(pp). Esta señal de tan bajo nivel no será suficiente para afectar a semiconductores en paralelo con el condensador y la mayoría de los componentes tendrán resistencias más altas y no afectarán de forma significativa a la medición. Claro que tuviéramos una resistencia de valor extremadamente bajo en paralelo con el condensador entonces la lectura se vería afectada pero esto sería extremadamente raro en la realidad.

El circuito es un puente de cuatro resistencias que normalmente está equilibrado. El condensador a medir se pone en paralelo con una de las resistencias lo cual introduce un desequilibrio que es multiplicado por un amplificador operacional (opamp). Cuanto más baja sea la ESR más se desequilibra el puente y más alta es la lectura.

ESR02_Schema02

OpAmp A, primero por la izquierda, divide el voltaje de alimentación en dos mitades iguales de modo que tenemos +4.5 V y -4.5 V con respecto al punto central que es nuestra referencia y tierra virtual. Esta alimentación simétrica la necesitan los operacionales que siguen.

El segundo operacional, B, es la base de un oscilador de 100 KHz. En la práctica he observado que la frecuencia tiende a desviarse bastante de los 100 KHz teóricos, probablemente debido a desviaciones en los valores nominales de los componentes, de modo que es conveniente comprobar la frecuencia y ajustar el valor de R3 para ajustar la frecuencia cerca de 100 KHz. Esto no es esencial pero permite comparaciones mejores entre unidades. A la salida este operacional tenemos una onda rectangular que oscila entre -4 V y +4 V.

El transistor que sigue sirve para varias cosas. Desplaza el nivel de la señal de modo que siempre es positiva, entre 0 V y +4 V y aísla el oscilador de la carga que sigue ya que el operacional no podría gobernar la carga directamente.

En el colector del transistor encontramos el puente de resistencias que es el corazón de la unidad. Las dos resistencias superiores son de valor mucho más alto que las dos inferiores de modo que el voltaje aplicado el condensador bajo prueba es una fracción pequeña del voltaje que se encuentra a la salida del transistor. Cualquier desequilibrio en las ramas del puente es amplificado por el siguiente amplificador operacional, C. Analicemos detenidamente los distintos casos.

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