MEDIDOR DE RESISTÊNCIA SERIE EQUIVALENTE (ESR)

MEDIDOR DE RESISTÊNCIA SÉRIE EQUIVALENTE (ESR METER)

"Eu costumo dizer que quando você pode medir aquilo de que você está
falando, e expressá-lo em números, você sabe algo sobre aquilo; mas quando
você não pode medi-lo, quando não pode expressá-lo em números, seu
conhecimento é escasso e insatisfatório..."

Frase do Irlandes Físico, Matemático e Engenheiro:
William Thomson, conhecido como "Lord Kelvin

INTRODUÇÃO:
Um Medidor ESR (Equivalent Series Resistance Meter) é um instrumento de medição eletrônica de dois terminais projetado e usado principalmente para medir a resistência em série equivalente (ESR) de capacitores reais; geralmente sem a necessidade de desconectar o capacitor do circuito ao qual ele está conectado. Outros tipos de medidores usados para manutenção de rotina, incluindo medidores de capacitância normal, não podem ser usados para medir o ESR de capacitores, embora eles sejam combinados para medir capacitância e ESR com o componente fora do circuito. Um miliohmímetro padrão (DC) ou multímetro não pode ser usado para medir o ESR de capacitor, porque uma corrente contínua constante não pode ser passada através do capacitor. A maioria dos medidores ESR também pode ser usada para medir resistências de baixo valor não indutivas, associadas ou não a um capacitor; isso leva a várias aplicações adicionais conforme descritas abaixo.

NECESSIDADE DA MEDIÇÃO DO ESR DE UM CAPACITOR:
Os capacitores eletrolíticos de alumínio têm um ESR relativamente alto que aumenta com  passar do tempo, o calor e a corrente de oscilação; isso pode causar o mau funcionamento dos equipamentos. Em equipamentos mais antigos, isso tendia a causar ruídos "hum" e degradação da operação; equipamentos modernos, em particular fontes chaveadas, são muito sensíveis ao ESR, e um capacitor com ESR alto pode causar mau funcionamento ou causar danos permanentes que exijam reparos, normalmente fazendo com que as tensões da fonte de alimentação se tornem excessivamente altas. Os capacitores eletrolíticos são, no entanto, muito usados ​​porque são baratos e têm uma capacitância muito alta por unidade de volume ou peso; tipicamente, estes capacitores possuem capacitância de cerca de  algumas dezenas / milhares de microfarads.

Capacitores com falhas que levam a alta ESR frequentemente superaquecem e depois se projetam e vazam à medida que os eletrólitos químicos se decompõem em gases, tornando-os fáceis de identificar visualmente; no entanto, os capacitores que parecem visualmente perfeitos ainda podem ter um ESR alto, detectável apenas pela medição.

A medição precisa de ESR raramente é necessária e qualquer medidor utilizável é adequado para a solução de problemas. Quando a precisão é necessária, as medições devem ser realizadas em condições especificadas, porque a ESR varia com a freqüência, tensão aplicada e temperatura. Um medidor ESR de uso geral operando com uma freqüência fixa e forma de onda geralmente não é adequado para medições laboratoriais precisas.

MÉTODOS DE MEDIDAS:
A medição do ESR pode ser feita aplicando-se uma tensão alternada a uma freqüência na qual a reatância do capacitor (Xc) é insignificante (muito baixa), em uma configuração de divisor de tensão.

É fácil verificar o ESR, para solução de problemas, usando um medidor ESR improvisado que compreende um gerador de onda quadrada simples e osciloscópio, ou um gerador de onda senoidal de algumas dezenas de KHz e um voltímetro AC, usando-se um capacitor conhecido de boa qualidade para comparação, ou usando um pouco de matemática.

Um medidor ESR profissional é mais conveniente para verificar múltiplos capacitores de forma rápida. Uma ponte de medição padrão e muitos medidores LCR e Q também podem medir a ESR com precisão, além de muitos outros parâmetros do circuito. O medidor ESR dedicado é um instrumento de finalidade especial relativamente barato e de precisão modesta, usado principalmente para identificar capacitores com ESR inaceitavelmente grande e, às vezes, para medir outras baixas resistências; medições de outros parâmetros não podem ser feitas.

PRINCÍPIOS DE OPERAÇÃO:
A maioria dos medidores ESR funciona descarregando um capacitor eletrolítico real (mais ou menos equivalente a um capacitor ideal em série com uma resistência indesejada, o ESR) e passando uma corrente elétrica através dele por um curto período de tempo, muito curto para ser carregado de forma apreciável. Isto produzirá uma voltagem através do dispositivo igual ao produto da corrente e do ESR mais uma contribuição desprezível de uma pequena carga no capacitor; esta voltagem é medida e o seu valor dividido pela corrente (isto é, o ESR) mostrado em ohms ou miliohms num mostrador digital ou pela deflexão de um ponteiro numa escala. O processo é repetido dezenas ou centenas de milhares de vezes por segundo.

Alternativamente, uma corrente alternada a uma freqüência alta o suficiente para que a reatância do capacitor seja muito menor do que a ESR pode ser usada. Os parâmetros do circuito são geralmente escolhidos para fornecer resultados significativos para a capacitância de cerca de um microfarad, um intervalo que cobre capacitores típicos de alumínio, cujo ESR tende a se tornar-se inaceitavelmente alto.

INTERPRETAÇÃO DE RESULTADOS:
Um valor ESR aceitável depende da capacitância (capacitores maiores geralmente têm ESR mais baixo) e pode ser lido de uma tabela de valores "típicos", ou comparado com um novo componente.

Em princípio, a especificação do limite superior do fabricante do capacitor para o ESR pode ser consultada em uma folha de dados, mas isso geralmente é desnecessário. Quando um capacitor cujo ESR é crítico degrada, a dissipação de energia à medida que o ESR aumenta normalmente provoca um rápido e grande aumento de fuga, então a medição geralmente é boa o suficiente, pois o ESR move-se rapidamente de um nível claramente aceitável para um claramente inaceitável ; um ESR acima de alguns ohms (menos para um capacitor grande) é inaceitável.

Em um circuito prático, o ESR será muito menor que qualquer outra resistência em paralelo com o capacitor, portanto, não é necessário desconectar o componente, e uma medição em circuito pode ser feita. Os medidores práticos de ESR usam uma tensão muito baixa para ligar quaisquer junções semicondutoras que possam estar presentes no circuito; isso pode apresentar uma impedância "on" baixa que interferiria nas medições.

LIMITAÇÕES:
Um medidor de ESR não mede a capacitância de um capacitor; o capacitor deve ser desconectado do circuito e medido com um medidor de capacitância (ou um multímetro com essa capacidade). O ESR excessivo é muito mais provável de ser um problema identificável com eletrolíticos de alumínio, em vez de capacitância fora da tolerância, o que é raro em capacitores com ESR aceitável.
Um capacitor em curto-circuito "defeituoso" será incorretamente identificado por um medidor de ESR como tendo ESR idealmente baixo, mas um ohmímetro ou multímetro pode facilmente detectar este caso, o que é muito mais raro na prática do que o ESR alto. É possível conectar as sondas de teste a um medidor de ESR e ohmímetro em paralelo para verificar tanto o curto quanto o ESR em uma operação; alguns medidores medem ESR e detectam curtos-circuitos.
O ESR pode depender das condições de operação (principalmente voltagem aplicada, temperatura); um capacitor que possui ESR excessivo na temperatura operacional e tensão pode ter um bom desempenho se medido a frio e sem alimentação. Algumas falhas de circuito devido a tais condensadores intermitentes podem ser identificadas usando o spray de congelamento; Se o resfriamento do capacitor restaura a operação correta, está com defeito.
Um medidor de ESR pode ser danificado por conexão a um capacitor com voltagem significativa através dele, seja por causa da carga residual armazenada ou em um circuito ativo. Os diodos de proteção na entrada minimizarão esse risco, mas o medidor não poderá mais ser usado para medir a resistência interna da bateria.
Quando um medidor de ESR é usado como um miliohmímetro, qualquer indutância significativa presente entre as sondas de teste tornará as medições sem sentido. Por exemplo, um medidor ESR é inadequado para medir a resistência nos enrolamentos do transformador devido às suas características indutivas. Este efeito é significativo o suficiente para que as sondas de teste com cordas enroladas não sejam usadas devido à sua indutância.

OUTROS USOS PARA UM MEDIDOR ESR:
Um medidor ESR é mais precisamente descrito como um miliohmímetro CA pulsado ou de alta frequência (dependendo do tipo), e pode ser usado para medir qualquer resistência baixa. Dependendo do circuito exato usado, ele também pode ser usado para medir a resistência interna das baterias (muitas baterias terminam sua vida útil em grande parte devido ao aumento da resistência interna, em vez de uma baixa força eletromotriz (EMF). No entanto, um medidor ESR com proteção costas-a-costas (diodos) através de sua entrada não podem ser usados ​​para medir baterias), resistência de contato de interruptores, a resistência de seções de circuito impresso (PCB) faixa, etc.

Embora existam instrumentos especializados para detectar curtos-circuitos entre trilhas de PCB adjacentes, um medidor ESR é útil porque pode medir baixas resistências ao injetar uma tensão muito baixa para confundir leituras ao ligar as junções semicondutoras no circuito. Um medidor ESR pode ser usado para encontrar curto-circuito, até mesmo, descobrir qual de um grupo de capacitores ou transistores conectados em paralelo por circuitos impressos ou fios estão em curto-circuito. Muitos ohmímetros e multímetros convencionais não são utilizáveis ​​para resistências muito baixas, e aqueles que freqüentemente usam tensão muito alta, arriscando danificar o circuito que está sendo testado.


COMO UM CAPACITOR REALMENTE SE PARECE?:
Nada é perfeito neste mundo, e isso inclui componentes eletrônicos. Os resistores possuem um pouco de capacitância e indutância; os indutores têm um grau de resistência; e capacitores têm todos os itens acima. Felizmente, na maior parte do tempo essas quantidades "parasitas" podem ser ignoradas e podemos tratar os componentes que usamos como resistores, indutores e capacitores ideais.

Repare que eu disse "na maior parte do tempo". Capacitores - especialmente eletrolíticos de grande valor - podem sofrer de um resistor ilusório de baixo valor que parece estar em série com um capacitor ideal. Isso é conhecido como Resistência Equivalente em Série (ESR) do capacitor. É "ilusório" porque a ESR não é uma resistência verdadeira; em vez disso, é o resultado de uma combinação de muitos fatores - todos contribuindo de alguma forma para a perda de energia no capacitor. A figura A é o modelo de circuito equivalente de um capacitor típico do mundo real e oferece uma imagem melhor do que estou falando. Para capacitores de alto valor e em baixas freqüências, a indutância parasita mostrada no modelo pode geralmente ser ignorada e as duas resistências combinadas em uma.

Capacitor real

QUE PODE SER SIMPLIFICADO PARA:

Capacitor simplificado

Como você está lendo este artigo, provavelmente já sabe que todo capacitor é basicamente apenas um par de condutores separados por um dielétrico. Os condutores em um capacitor eletrolítico de grande valor são geralmente tiras de folha condutivas. O dielétrico é uma camada de óxido isolante formada em uma das tiras (o "ânodo", ou eletrodo positivo), mais um eletrólito líquido ou de pasta que atua como o segundo eletrodo do capacitor (o "cátodo"). Este material pode ser corrosivo, por isso, se você tiver um capacitor que esteja fisicamente danificado e escorrendo eletrólito, tenha cuidado ao colocá-lo em contato com a pele.

Perdas no dielétrico mais vazamento através do capacitor e resistência nas soldas e contatos de crimpagem mecânica nos terminais contribuem para o ESR.

Aqui está o problema: Com o tempo - especialmente em temperaturas elevadas - o componente eletrólito líquido do dielétrico seca (ou vaza). A capacitância pode não mudar muito, mas haverá um aumento na resistividade; portanto, o ESR aumenta. Para piorar as coisas, dependendo da substância dielétrica, o ESR pode variar com a frequência. Isso pode ser um problema se o capacitor tiver que lidar com uma corrente alternada substancial, como em uma fonte de alimentação chaveada, por exemplo. ESR alto combinado com alta corrente significa potência extra dissipada no capacitor. O aumento de temperatura resultante pode causar mais degradação e falha prematura.

Os capacitores eletrolíticos de alumínio são particularmente propensos a esse problema - especialmente se já existem há muito tempo. Os capacitores de tântalo sólidos também apresentam problemas de ESR, mas em menor grau. Capacitores cerâmicos pequenos são essencialmente livres desta praga.

A tabela abaixo mostra os valos padrão aceitáveis para capacitores eletrolíticos nas diversas faixas de valores e tensões de trabalho; os valores de ESR mostrados estão em Ohms. Veja que esta tabela serve apenas como refência
Em um resumo geral, o valor de ESR decresce, quanto maior for a capacitância e quanto maior for a tensão de isolação de trabalho

Tabela demonstrando os principais valores de Capacitores Eletrolìticos x Tensão e os valores esperados de ESR máximo

Exemplo:
um capacitor de 10uF x 16V, deve ter um ESR menor ou igual a 8 Ohm
um capacitor de 1000uF x 50V deve ter um ESR menor ou igual a 0,1Ohm

Valores de ESR ligeiramente maiores do que os mostrados na tablela, colocam o capacitor sob suspeita, valores muito maiores dos que os mostrados na tabela, condenam o uso do capacitor para as mais diversas aplicações que envolvam principalmente circuitos com sinais em altas frequências.



VAMOS AO PROJETO:
Este projeto foi baseado no medidor de ESR a 5 transistores de um usuário do EEVBlog do Engenheiro Dave Jones Dave Jones: EEVblog e postado no fórum deste canal por um usuário chamado Jay-diddy (Thank you very much Dave and Jay-diddy for sharing this great project and sharing you knowledgement with us). Para maiores detalhes, pode se recorrer a este fórum e ao projeto original.

http://www.eevblog.com/forum/projects/jay-diddy-5-transistor-esr-meter/
http://www.eevblog.com/forum/projects/5-transistor-esr-meter-design/msg171364/#msg171364

ESQUEMÁTICO:

Esquema elétrico - Adaptado as minhas necessidades construtivas, sem alterar a essência e funcionamento original

FUNCIONAMENTO BÁSICO:
O Medidor de ESR, nesse projeto, consiste em um oscilador (transistores Q1 e Q2) de aproximadamente 100KHz (outras frequências irão funcionar também, o importante é que ela seja superior a 10KHz para que os efeitos do ESR comecem a aparecer nos capacitores a serem testados, mas também não podem ser muito mais alta que uns 250KHz).

Após o oscilador temos um circuito "Driver" (transistor Q3) que adapta o sinal para uma "Bridge" (ponte) resistiva R8, R9, R10 e R11, e cujo sinal é aplicado aos transistores amplificadores de sinal Q4 e Q5 de ambos os lados da "Bridge. A diferença de tensão em ambos os lados da "Bridge" é medida no instrumento M1 (micro-amperímetro para 50uA de fundo de escala).

Se nenhum capacitor (em teste) estiver colocado no conector DUT (Device Under Test) a tensão em ambos os lados da "Bridge" deverá ser idêntica  e o instrumento M1 não deve ter nenhuma deflexão.

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É importante que Q4 e Q5 sejam um par casado em hFE e que seus componentes adjacentes tenham características semelhantes; isso para que não existam diferenças que venham desequilibrar a ponte.... então tome o cuidado de medir o hFE dos transistores e escolher um par com mesmo valor, tome o cuidado de escolher resistores e capacitores que tenham o mesmo valor ou muito próximo... tudo isso medido na prática.
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Se um curto estiver posicionado nos conector DUT, o transistor Q4 não terá nenhum sinal em sua base e o transistor Q5 estará recebendo o sinal proveniente do outro lado da "Bridge", dessa forma o instrumento M1 deverá mostrar o fundo de escala (máxima deflexão), que poderá ser ajustado pelo potenciômetro de Ajuste de Zero POT1.

Se um capacitor (ou resistor de baixo valor) for colocado entre os terminais do conector DUT, então será aplicado uma tensão alternada quadrada no capacitor e o mesmo irá responder com uma queda de tensão proporcional a seu ESR (o ESR forma divisor de tensão com a "Bridge"), o transistor Q4 irá receber um sinal proporcional, enquanto o transistor Q5 irá receber o sinal total da "Bridge" e dessa forma o instrumento M1 irá deflexionar de acordo com essa proporção de tensão.

Basicamente, Q4 e Q5 mostram o valor diferencial recebido da "Bridge" que é aplicado ao instrumento e que irá deflexionar também proporcionalmente. O capacitor colocado no conector DUT é quem altera a estabilidade da "Bridge" de acordo com seu ESR.

Uma grande explicação e teste deste circuito está no canal do Allan Woke - W2AEW, recomendo uma visita lá para se aprender muita coisa a respeito.....
Ele tem também um projeto próprio de ESR meter; muito bom por sinal.

https://www.youtube.com/watch?v=3fiUZZlveS0
https://www.youtube.com/watch?v=bmYAgat-sOQ
https://www.youtube.com/watch?v=3fiUZZlveS0&t=563s
https://www.youtube.com/watch?v=115erzCCxgE


LISTA DE COMPONENTES:

Part     Value       

C2       1n5    ceramic     
C3       22n    ceramic     
C4       2u2 x 16V    eletrolitic     
C5       22n    ceramic   
C6       2u2 x 16V   eletrolitic     
C7       22n    ceramic       
C8       22n    ceramic     
C9       100u x 16V eletrolitic     
C10     100n  ceramic     
C11     470u x16V eletrolitic     
D1       1N4148           
D2       1N4148           
D3       1N4148           
D4       1N4148           
H1       M1-1     SPECIAL_DRILL_0.1250 PAD_0.1250
H2       M1-2     SPECIAL_DRILL_0.1250 PAD_0.1250
H3       DUT-1   SPECIAL_DRILL_0.1000 PAD_0.1000
H4       DUT-2   SPECIAL_DRILL_0.1000 PAD_0.1000 
IC1      7805TV     TO220V      LINEAR REGULATOR
LED1   LED3MM  Green   
PSU    conector  1x2
R1       220R   resistor     
R2       10K     resistor     
R3       10K     resistor   
R4       3K3     resistor     
R5       4K7     resistor     
R6       1K5     resistor     
R7       4K7     resistor     
R8       150R   resistor     
R10     3R       resistor   
R11     1K5     resistor     
R12     30R     resistor     
R13     10K     resistor     
R14     27K     resistor     
R15     330R   resistor     
R16     33R     resistor     
R17     1K2    resistor       
R18     1K2    resistor       
R19     330R  resistor         
R20     33R    resistor         
R21     27K    resistor       
R22     10K    resistor       
R24     1R      resistor       
R25     10K    potentiometer
T1       BC548C-NPN-TO92-EBC
T2       BC548C-NPN-TO92-EBC
T3       BC558C-PNP-TO92-EBC
T4       BC548C-NPN-TO92-EBC
T5       BC548C-NPN-TO92-EBC

PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO (PCB):
Para aqueles que querem construir a sua própria placa de circuito impresso (PCB), abaixo o layout que foi utilizado no projeto.
Caso necessitem os arquivos originais para EagleCAD, é só solicitar em arduinobymyself@gmail.com

Trilhas - Lado Cobreado - Botton View

Trilhas - lado dos componentes - Top View

Trilhas e componentes - Top View

Componentes - Top View

TESTES E AJUSTES:

*** As pontas de prova devem ser curtas (lembre-se que fios tem resistência..... e que o ESR meter mede essencialmente, resistências muito baixas.... então o comprimento das pontas de prova afetam as medidas... mantenha o menor comprimento possível e a maior bitola de fio possível) ***

Para efetuar o teste do circuito é muito simples.

Fase 1
 - Basta ligar o aparelho (colocando a bateria ou ligando uma chave, caso você tenha colocado uma).
- Juntar as pontas de teste do DUT, isso causará a deflexão total do Instrumento M1.
- Ajustar o potenciômetro POT1 para que a agulha do Instrumento M1 mostre exatamente o fundo de escala, que será nosso ZERO.


Para regular a escala, o trabalho é um pouco prático:

Fase 2
- Obtenha resistores de baixo valor Ômico (por exemplo: 0,1 Ohm, 0,2 Ohm, 0,5 Ohm 1 Ohm... e assim por diante.
- Coloque os resistores (um a um ou associando para obter valores diferentes) entre os terminais do DUT e ajuste uma escala com esses valores.
- O equipamento deverá medir até uns 20 Ohm.... lembrando que o ESR de capacitores eletrolíticos em bom estado não deverá ultrapassar isso..... veja tabela....
- Faça sua escala imprima e cole no seu instrumento.... use a imaginação....

Fase 3
- pegue capacitores de valores conhecidos e verifique o ESR, segundo a tabela.
- pegue capacitores conhecidamente com problema e faça o teste.
- use o medidor para medir capacitores em placas de circuito impresso sem mesmo retirar o componente.


FOTOS:
Fotos do projeto durante montagem e testes.
Algumas mudanças foram feitas ao longo do tempo.
A ideia é montar em um gabinete exatamente com as dimensões do instrumento, ficando acessível somente o potenciômetro de ajuste, o LED indicador de alimentação e as pontas de prova.... mas isso fica a cargo de quem está construindo ok!?
O instrumento vai diretamente na placa, bem como o potenciômetro e o LED.

As pontas de prova devem ser curtas (lembre-se que fios tem resistência..... e que o ESR meter mede essencialmente, resistências muito baixas.... então o comprimento das pontas de prova afetam as medidas... mantenha o menor comprimento possível e a maior bitola de fio possível)

Se quiser poderá colocar Bornes Banana Fêmea direto na placa... use a imaginação....

PLACA DEVIDAMENTE LIMPA E FURADA

TRILHAS DESENHADAS COM CANETA MESMO (PROTÓTIPO)

PRIMEIRA VERSÃO - COMPARAÇÃO DO IDEALIZADO E O CONCRETIZADO - MANTENHA GROSSA AS TRILHAS DO DUT

PLACA CORROÍDA E LIMPA

COMPONENTES SOLDADOS E INSTRUMENTO MONTADO

VISTA SUPERIOR

VISTA LATERAL

VISTA DA PARTE DE TRÁS

A PRIMEIRA VERSÃO........ FUNCIONOU MUITO BEM!!! LOGO DE PRIMEIRA!!!

COMPONENTES SOLDADOS

VISTA DO LADO DA SOLDA

VÍDEOS:


O vídeo abaixo é explicativo do ajuste e funcionamento do ESR Meter.
No meu instrumento consigo efetuar medidas de valores até uns 5 Ohms, o que está ótimo para medir capacitores eletrolíticos desde uns 4700uF até 1uF x 63V....

ESR METER - Medidor de resistência série equivalente


Qualquer dúvida entre em contato via emai: arduinobymyself@gmail.com


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Marcelo Moraes
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