电容ESR表 电容ESR表的特点、测量原理、电路分析作者薛国雄来源无线电杂志浏览3449发布时间2011-01-11这个专题起源于笔者偶然得到的信息。在完成所译音频功率放大器设计手册一书的勘误工作后，笔者因需在网上查阅美国Tektronix公司的示波器资料，看到外国论坛有位网友在介绍维修经验时，大力推荐电容ESR表，称其为电子爱好者的强力工具，对检测电器帮助极大，故而引发了笔者的兴趣。经过一段时间的揣摩、研究、设计、制作及试用，结合本人以往的经验，确认此君所言非虚。这种电容ESR表确实是检修电子设备、排除电路故障的强力工具和十分有用的好帮手。独乐乐不如众乐乐，根据本人掌握的知识和实际设计制作，在此对电容ESR表作全面介绍，以期能给广大提供有益的帮助，推动这一新型工具的普及应用。1 电容ESR表的特点可能不少人都没听说过这种表。笔者以前也仅知道，专业仪器的LCR电桥可以测量电容的ESR。何为ESR？测量电容的ESR有什么用？相信很多读者心中会有这样的疑问。为此，先进行简单的背景知识介绍。一、背景知识介绍1.电容的ESRESR是英语Equivalent Series Resistance的缩写，意为等效串联电阻。自身不会产生任何能量损耗的完美电容只存在于理论，实际的电容总是存在着一些缺陷。这个损耗，在外部的表现就像一个电阻跟电容串联在一起。另一方面，由于引线、卷绕等物理结构因素，电容内部还存在着电感成分。因此，实际电容的等效模型可以表示为图1所示的模式。其中电容C为理想电容，R为等效串联电阻，即ESR，L为等效串联电感，即ESL。引入ESR和ESL，使得模型更接近于电容在电路中的实际表现。图1 实际电容的等效模型图2 实际电容与理想电容的差别。斜直线为理想电容的阻抗曲线，呈V字形的是实际电容的阻抗曲线。图3 不同容量电容的阻抗特性曲线ESR的存在，令电容的行为表现背离其原来的定义。比如说，理论上“电容两端的电压不能突变”，但实际上，ESR上会产生一定的压降，与突然施加的电流大小有关，令 电容不再遵循理论规律。又如，电容会因ESR上的功耗而产生内部发热。笔者曾将两只早期生产的10F/ 16V高ESR电解电容，正常地接到微型计算机开关的5V输出两端。由于此处高频脉动电压较大，电容内部损耗产生的热量加热内部气体，发出“吱吱”之声，竟在几秒内导致电容炸开，前后两次均是如此。图2、图3显示了电容的实际阻抗特性。由于ESR以及ESL带来的影响，当频率上升到一定程度，即到了高频区，电容的阻抗不再遵从理论上的规律随频率的升高而降低。在图2中的低频段，电容的容抗在起主要作用，基本上还遵从理想电容的规律。在中间频率段，本应是ESL与C共同谐振而呈现阻抗深谷，但有ESR 的存在，改变了曲线的走向，换言之，ESR在这里起主要作用。在高频区，则是ESL在起主要作用。图4 不同材质电容随频率变化的ESR曲线。图中方框（顺序为光左右、后上下）列出了所测电容的品种和规格，200/6表示200F/6V，以此类推。第1、 2、4种为不同的钽电解电容，其中第1种为聚合物固态钽电解电容。第2种为较常见的二氧化锰固态钽电解电容，第4种为多层结构的二氧化锰固态钽电解电容。第3种为二氧化锰固态铌电解电容。第5种为MLCC即多层陶瓷电容，两只100F/4V并联。第6种为低ESR铝电解电容。图5 普通电解电容与低ESR电解电容的ESR曲线。上方曲线显示，普通电解电容在较大的频率范围内其ESR值变化并不大。电容ESR的大小跟电容的制造有关。材质不同，ESR有区别。材质相同，则容量越大，ESR越小，约跟容量的开方成反比。同一品种的电容，耐压越高，ESR往往更低。就材质而言，电解电容的ESR明显高于薄膜电容。在电解电容中，铝电解电容的ESR又高于钽电解电容。在薄膜电容中，聚丙烯、聚苯乙烯等材料的电容ESR较小。一个对比例子是，1F聚丙烯电容的ESR为10m，而容量达1000F的铝电解电容，其ESR为0.1。2.电容ESR表电容ESR表是专用于检测电容ESR值的仪表。这种仪表向被测电容注入测试信号，通过检测电路中的电量变化，作出相应的变换后，以数字显示屏或指针表头作为终端，将被测电容的ESR值显示出来。因电容本身有隔直作用，所以在测量时，电容ESR表必须要使用交流形式的测试信号。这一点与常见万用表测量电阻有显著的区别。从另一个角度看，电容ESR表测量的是“交流”电阻，万用表测量的是直流电阻。与万用表一样，电容ESR表可以做成数字式，也可以做成模拟式。对于模拟式电容ESR表来说，使用指针表头作指示，因此，其电路最终需以直流电流形式来进行驱动。对于数字式电容ESR表来说，由于现在市场上有大量廉价的数字万用表专用A/D芯片（如ICL7106）供应，利用这些专用芯片来进行设计制作是较为直观可行的方法。A/D芯片输入的是直流电压，所以，数字式ESR表测量部分的电路有别于模拟式ESR表。此外，数字式电容ESR表还可以用微处理器（MCU）作为核心来实现，凭借其强大功能取代数字万用表专用A/D芯片，设计上更加灵活，电路形式上也迥异于前述两种。本文中笔者设计制作的电容ESR 表属于模拟式（指针式）。3.国外自制情况通过网上信息了解到，电容ESR表明显并不是仪器仪表大厂的正式产品估计与LCR电桥已集成了它的功能有密切关系。目前，国内还没有电容ESR表的生产销售。在国外，电容ESR表主要流行于业余电子爱好者中，虽然已有微型公司或个人提供一些套件和成品的销售，但未成大气候，仍是以爱好者自制为主要形式。笔者曾用“ESR Meter Schematic”（即“ESR表 电路图”）作为关键词在网上搜索，可以找到很多介绍个人自制电容ESR表的网页，有美国、德国、意大利、俄罗斯等国家网友的作品或资料，看都看不过来。图6 国外以套件或成品推出的电容ESR表。仪表面板所印的表格是用于帮助判断电解电容的好坏。最后一种（图中该表斜放置）有别于一般的指针表和数字表形式，是利用LED来指示ESR值所在区间，电路则使用MCU，可谓是数字式与模拟式的混合体。二、电容ESR表的独到之处电容ESR表的作用，用一句话概括，就是用于测量电容ESR值，凭此判断电容（主要是电解电容）的好与坏、正常与否。其功能虽然单一，但实用性很强，对检修电子设备带来莫大的帮助。众所周知，电解电容是电子设备中故障率最高、寿命和可靠性最差的元件之一，而电解电容的寿命在很多时候决定了设备的使用寿命。长久以来，广大电子爱好者普遍缺乏一种有效判别电解电容好坏的检测工具。电容ESR表的出现，正好可以填补这一空白。图7 国外网友自制的指针式电容ESR表。其中，右边的表以ESR值标示刻度，左边的表以电容好坏（good与bad）来标示刻度。由于设计上的特殊性，电容ESR表具备了如下独到之处：1.鉴别电解电容好坏，判断准确率高从前面的介绍可以知道，ESR是直指电容性能缺陷的参数。无论是电解电容漏液、干涸这类常见问题，还是电解液失去活性这种隐蔽问题，都可以通过电容ESR 表检测出来。套用外国一位制作者的话说：可以找出95%以上有问题的电解电容。他没说100%，背后一个重要原因是，电容ESR表（非特殊设计的）不能检出电容两接点之间存在的短路性故障。幸好，电容出现这种短路性故障的概率，远低于电容自身失效的概率。纵使电容出现短路性故障、又或者与其并联的器件出现短路性故障，电路的外在表现将十分明显，容易被普通万用表检查出来。比如，电容两端的电压、直流电阻远低于正常值。图8 LCR电桥照片（非按同一比例拍摄）。后两种为台式，实物比前两种的手持式大得多。2.可在路测量，无需将元件拆下，大幅提升检测效率笔者所称的“在路测量”，是指不将元件从电路板上拆下、又不通电时对元件进行的检测。不少人都知道，常见的、电阻等分立元件可以用万用表进行在路检测，找出故障元件的成功率还颇高。而电容却不行，因为需要交流信号驱动，万用表对此无能为力。由于电子设备普遍都要使用电解电容，有些设备的使用量甚至超过一百只。在路测量所带来的方便性，使得检修者能够从容应对，大大减轻了工作量，个中意义殊为重要。3.体积小、重量轻、耗电省，携带方便，使用简单灵活电容ESR表用电池供电，可做成便携式，打开电源开关即可使用，无需繁琐的设置。LCR电桥虽已具备了电容ESR表的功能，但是售价高，测试频率最高仅 1kHz的低档国产LCR电桥售价也要超过千元，让囊中羞涩的爱好者望而却步。LCR电桥大多属于台式仪器，体积大、重量重，而且需外接市电才能工作，使用时拖着一条尾巴，让人觉得处处不便。而手持式LCR电桥的测试电平一般是固定的，典型值为0.3Vrms（即848mVpp）。这样的电平，已达到很多半导体器件的导通阀值，导致在路测量的部分结果变得不可靠。4.电路和构造比较简单，成本低，容易普及，便于爱好者自制这种表制作难度不高，有动手能力的爱好者，都可以独自完成。笔者的电容ESR表，是利用原来闲置的MF500指针万用表进行制作，扣除设计修改和调试时间后，实际制作时间不足一天。材料方面，除原有的MF500表外，都是利用手头常备的元器件，最值钱的是一只1F/400V MKP电容，其余的不值一提。装在电路板上的新购元件，仅运放IC两块，花费共人民币5元。三、电容ESR表的威力过去我们检修电器，检查电解电容多依靠简陋而带有严重缺陷的方法。一是进行外观检查，看看电容周围有没有漏液或外壳鼓包开裂。但是，除电解液干涸的电容外，有些漏液的电容还由于被本身及周围元件所遮挡，不拆下来作检查，往往成为漏网之鱼。在笔者制作电容ESR表之前，曾检修一台不能正常工作的美国Metcal公司早期生产的PS2V焊台，通过外观检查没有发现任何电解电容有异常，一时之间也找不出故障点。因缺少图纸，后费了很大精力跟踪电路故障，最后追踪到焊咀检测电路，怀疑为其供电的辅助电源出问题。最后才下决心拆下这组电源中外观完好的1000F/50V电解电容来检查，发现其底部已有漏液痕迹，测量确认已失去大部分容量，更换后即恢复正常。二是将电容拆下来，用指针表或电容表检测其容量。但是，“拆时容易装回难”，装回去还需预先清理焊盘过孔，这种方法甚费功夫。因此，检修者多是在有理由怀疑的情况下才选择采用这种方法。纵然如此，仍是有可能漏掉出问题的电容，因为某些电路位置对电容的品质要求甚高，电容没有失容，不等于没有问题。经常维修的笔者好友就曾多次遇到这样的事情，富有经验的维修者会根据电路情况采用代换法。三是代换法，用好的电容换掉有疑问的电容。这种方法基本可解决前一种的遗漏问题，但这也是无可奈何的做法。不仅拆装麻烦，而且需要提前备有同样规格的电容，很多时候检修者并无这样的准备。万一预判有误，同样像前一种方法那样白花了时间和精力。有了电容ESR表，不用拆下电容，只要断开电器的供电，就可以直接用它进行测量。检测电解电容，变成了一件轻松的事情。笔者自从制作成功后，因为没有了拆装电解电容这一麻烦事的困扰，凡是稍有怀疑的，就立即将电路板上的所有电解电容（还包括部分非电解电容）检测一遍。虽然命中率很低，但所费时间也很少，不会构成负担，能给检修成功提供保障。就上面所述Metcal的PS2V焊台维修一事来说，若有电容ESR表相助，完全可以在前期的检查中找到故障元件，不用再花大半天时间才解决问题。作为电容ESR表的主要检测对象，电解电容出现在几乎所有电子设备中。尤其是电解电容在电源电路中扮演着重要的角色，电源一旦出现问题，将给整个电路带来全局性的影响，有时还会引发各种各样的奇怪症状，让人难以捉摸。为此，熟悉维修的人员都会慢慢养成先从电源开始追踪检查电路故障的习惯。换一个角度看，这样的检修顺序确实符合电路运作的规律。如果使用电容ESR表，那么，在动用万用表之前，它就可