Raar ESR en capaciteit fenomeen

Op 22 mei 2012 23:50:31 schreef alex278:
Maar is capaciteit dan eigenlijk totaal onbelangrijk, en kun je beter voor een zo groot mogelijke ripple current gaan, ook al betekent dat een kleinere capaciteit tov een elko met een hogere capaciteit maar een lagere ripple current?

In zekere zin, ja. Die ESR zit immers min of meer 'in de weg' bij het gebruik van de capaciteit. Als dat voor het frequentie gebied waarin je geinteresseerd bent een te hoge waarde heeft, doet die capaciteit weinig meer.

Eigenlijk zou je dus een condensator willen die voor dat frequentie gebied de grootste effectieve capaciteit heeft. En dat zou best eens een low-ESR condensator met lagere capaciteit kunnen zijn dan een condensator met hogere ESR maar (nominaal) grotere capaciteit. Vergelijk bijv. maar eens dit met dit: met aansluitingen aan de lange zijde gemiddeld nèt iets kortere route van 1 kant naar de andere, en daarmee (als andere factoren hetzelfde blijven!) nèt iets lagere ESR voor bepaalde frequentie gebieden.

Wat zo'n elco aan ripple current aan kan, zal hier zeker mee te maken hebben (opgerolde electrodes met elektrolyt ertussen: hoe dun / hoeveel laagjes? hoe aansluitingen verbonden daarmee, op welke plaats in dat laagjes-pakket? welke materialen? etc).

Zoals iemand al zei: best ingewikkelde dingen, zeker als je 't over elektrolytische C's hebt.

fred101

Golden Member

Ik denk dat je niet moet vergeten dat er twee dingen een rol spelen. Een condensator heeft twee hoofdfuncties.
De eerste kennen we allemaal, het is een reactantie, door alle andere leuke eigenschppen wordt het een impedantie voor wisselstroom.
Als je hen van het signaal naar massa zet wordt met het hoger worden van de frequentie steeds meer signaal naar massa gezet, en gaan de lagere frequenties minder gedempt door.Zet je hem in serie dan krijg je het omgekeerde effect. Als de condensator door al die leuke dingen steeds minder condensator wordt ( de meeste Van de hier beschreven elcos die ik gemeten heb op 200 KHz, waren daar al spoelen) dan verndert de inpedantie en draait de werking om. Dus een parallel C gaat boven een bepaade frequentie een hogere weerstand worden. Nu krijg je dus een soort band pass filter ipv low pass filter.

Maar de tweede functie is die als capaciteit, het coulomb en joule verhaal. Een condensator die in serie met een DC signaal hangt laat geen stroom door, toch gaat er stroom lopen tot hij vol is. Net als een oplaadbare batterij. Daarna loopt er alleen nog stroom ten gevolge van de Rp veroorzaakt door de niet oneindige weerstand tussen de platen en de buitenkant behuizing, maar bv ook gewoon buiten het beestje om tussen de sporen van de printplaat.
Zetten we hem parallel dan vormt hij een kortsluiting welke alleen begrensd wordt door de ESR. Deze is voor DC echter heel anders dan voor AC. Skineffect, dielectrische constante enzo spelen geen rol. Er loopt ook geen stroom doorheen dus volgens mij kun je nog niet eens over ESR praten zoals bij AC. Meer equivalent inrush resistance ;-)
Er is ook geen frequentie afhankelijkheid, DC is nul Hz.

Maar het probleem is juist die rimpelspanning. Als we een elco na een spanningsregelaar zetten ziet deze DC met een heel klein rimpeltje. De elco wordt nav de vraag een beetje sneller leeggetrokken dan de regelaar kan bijsloffen. Hier speelt de ESR een rol omdat de koperweerstand een echte weerstand is. Maar het is nog steeds en andere situatie als wisselstroom waarbij de polariteit van de platen steeds wisselt. De plus pool blijft hier positief.
Echter voor de regelaar staat geen AC, er staat een pulserende DC. De spanning daalt en stijgt van nul tot Vt maar hij verandert niet van polariteit. De elco wordt dus bij inschakeln snel opgeladen en hopelijk is de capaciteit hoog genoeg om een buffertje te vormen en wordt hij dus niet steeds helemaal leeg getrokken. Bij dat leegtrekken wordt er vermogen gedissipeerd in de ESR. Dat produceert warmte.
Als dat nu 10x per seconde gebeurd of 100000x per seconde gebeurd maakt niet uit. In zoverre, de opwarming door dissipatie neemt toe. Er is minder tijd voor afkoeling. De werking van de capaciteit blijft intact.
Ga je deze condensator nu op 100KHz meten dan zal de capaciteit hier best wel eens inductief kunnen zijn, voor AC tenminste. Maar het blijft nog steeds een opslag capaciteit voor DC.

De eerste elco, 470 uF was volgens de lcr meter op 1KHz nog 323 uF, maar op 200 KHz 1,18 uH.
Een Coulomb meting van de Peak LCR meter ( deze meet met DC ) gaf een capaciteit van 1377 uF. Meer zelfs san opgegeven, alleen is hier mehsnisch/chemisch wat mis dus dat zal het reken algorithme in de war gooien ( ik weet niet hoe ze rekenen) ik zou dat nog kunnen meten want ik heb een scoop hulpstuk gemaakt om dit te kunnen meten, alleen was dat voor waarden tot 100 pF, weet niet of dat hiermee lukt. Dan moet de tijdbais te ver omlaag denk ik.
De 1000 uF, nummer 6, was 494 uF op 1KHz, 1,6 uF op 200 KHz maar met DC was hij 881 uF

Dus dat een elco op 14 KHz AC geen x uF meer is maakt volgens mij weinig uit voor zijn functie als buffer.
Maar in switchers speelt iets anders, daar komen volgens mij ook negatieve inductieve puls spanningen voor ( maar ik heb nooit uitgebreid aan switchers gemeten) een condensator gaat daar als filter werken, je hebt dan wel AC. Een positieve puls bevat wel heel hoge frequentie componenten die schijnbaar gefilterd worden, maar dat is door de RC tijd, de elco kan dat niet bijhouden waardoor hij geen stroom levert terwijl dat wel wordt gevraagd en dat is volgens mij een ander verhaal dan een AC impedantie

Wat mij tot de verder ongefundeerde conclusie brengt dat AC impedantie niks meer is dan het probleem dat een condensator als shunt in een lpf moet worden opgeladen tot de volle capciteit. Is deze capaciteit groot dan is de delta i versus delta t te kort om de capaciteit in 1 cycle vol te laden en de resulterende spanning laag. Zeker als de esr hoog is. Zit de condensator in serie dan wordt de ene plaat opgeladen en de volgende cycle weer ontladen. De lage frequenties hebben dan veel capaciteit nodig om weer genoeg stroom en coulomb te hebben om de vereiste spanning te "herbouwen" er worden electronen in gestopt en de volgende cycle moeten ze er weer worden uitgetrokken. Daarvoor moeten er wel genoeg inzitten. Als een een batterij in een uur kunt laden maar de ontlaad frequentie is een halfuur, dan hou je geen constante spanning. Doe je dat nu zo dat hij 1000x per seconde wordt geladen maar de capaciteit is te klein om hem ook weer 1000x per seconde bij ontladen voldoende stroom te laten leveren dan heb je en lagere spanning, dus filterwerking. Bij shunt dus net omgekeerd. De lage frequentie zakt nauwelijks in want het laden kost een fractie van zijn cycle en de rest van de energir blijft over en vervolgt zijn weg. En voor een hoge frequentie is de capaciteit dusdanig dat hij de surge volledig kan opvangen cq kwijt kan,

Dit even om gewoon eens anders naar een condensator te kijken als brain teaser, er zitten vast wat gaten in de theorie maar het gaat meer om het mechanisme. En waarom theoretisch ongeschikte condensators ( qua reactantie/impedantie) toch werken op hogere frequenties.

www.pa4tim.nl, www.schneiderelectronicsrepair.nl, Reparatie van meet- en calibratie apparatuur, ook maritieme en industriele PCBs

Je hebt natuurlijk helemaal gelijk dat een condensator helaas veel meer parasitaire eigenschappen heeft dan wel eigenlijk zouden willen.

Ik vind eigenlijk dat je nog wel wat vage termen gebruikt in je omschrijving; een condensator veranderd niet afhankelijk van de frequentie, of het al dan niet aanwezig zijn van een DC component, het is en blijft dezelfde condensator met dezelfde eigenschappen.

Wat wel veranderd, is de invloed van die verschillende eigenschappen, dus welke effecten in een gegeven situatie dominant zijn. Een condensator die met een gelijkrichter aan een 50Hz transformator hangt, heeft nog steeds een inductieve component, maar het effect daarvan is bij 50Hz meestal zo klein dat het verwaarloosbaar is.

Naar mijn idee moet het dus mogelijk zijn om een model te maken van een condensator, waarbij de belangrijkste eigenschappen in voorkomen, dus in ieder geval de capaciteit, ESR (als ohmse weerstand in serie), DC lek (als weerstand parallel), de serie inductie, etc. Als je eenmaal een redelijk model hebt (en dat is er natuurlijk allang), kun je gaan bekijken welke van die eigenschappen in een bepaalde situatie van belang zijn, en welke verwaarloosbaar.

Het lastige is natuurlijk dat het heel moeilijk is om de verschillende effecten met een paar eenvoudige metingen van elkaar te onderscheiden, en dat een aantal zich niet laat reduceren tot een ideale component. De DC lek, bijvoorbeeld, is volgens mij niet gewoon lineair met de spanning, en ook nog eens afhankelijk van de temperatuur. Ik zou ook niet direct weten hoe je de dielectrische verliezen zou moeten modelleren. Die laatste zou ik overigens wel erg interessant vinden om te kunnen meten.

Ik vraag me af of het handig zou zijn om een condensator te modelleren als een soort transmissielijn, dus een weerstand en spoel in serie, condensator met weerstand parallel naar de ground, en dat een aantal keer achter elkaar?

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

> een condensator veranderd niet afhankelijk van de frequentie

Capaciteit is wel degelijk frequentieafhankelijk. En ook spanningsafhankelijk. Free heeft hier wel eens wat gepost over X5R SMD-caps, die bij 5V nog maar 20% van de gespecte capaciteit overhielden.

fred101

Golden Member

Ja en nee, wat jij schrijft bedoel ik maar de formulering van jou is in mijn ogen niet ook helemaal correct. Of ik lees dingen net anders, het blijft redelijk complexe materie, zelfs met een VNA kan je Xc en Xl niet uit elkaar trekken. Tenminste, ik hb nog niet gevonden hoe dat simple te doen. Je ziet alleen het mathematische resultaat.

Als je de comdensator als mechanisch ding ziet verandert hij inderdaad niet, zijn eigenschappen echter wel. sommige veranderen niet maar lijken te veranderen. Dat is wat ik met het DC verhaal bedoelde. Als door de frequentie de impedantie nul wordt lijkt hij geen capaciteit meer te hebben maar die is nog steeds ongewijzigd. De plaatoppervlakte en afstand zijn ongewijzigd. En als het dielectrium lucht zou zijn is de capaciteit nog steeds gelijk. Zijn reactantie is ook nog steeds gelijk, Alleen gooit de ESL roet in het eten, de reactantie daarvan is net zo groot als de reactantie van de ESL en de resulterende impedantie is dus nul.

Sommige eigenschappen veranderen wel echt, bv door temperatuur, andere door frequentie, sommige door DC. En dan bedoel ik niet dat het lijkt zoals Xc en Xl hierboven. Of wat jij schrijft: De ESL lijkt er op 100Hz niet te zijn maar is er inderdaad wel alleen heb je er geen last van.

Maar de dielectrische constante van het dielectium is bv alles behalve constant. Niet alleen tgv temperatuur maar soms ook vocht en vaak ook frequentie. Dat is niet iets wat komt door een andere effect, het pul zelf verandert gewoon. Slecht voorbeeld misschien maar water verandert door temperatuur in ijs , vloeistof of gas maar het blijft water. Toch zijn de eigenschappen anders. In ijs kun je minder makkelijk zwemmen ;-) zo kunnen electronen ook last ondervinden van externe omstandigheden. In de ene stof maakt het weinig uit, in de andere veel. Dielectrium wat te heet wordt vergast en dan werkt het niet meer. Door te veel stroom of spanning kan er een chemische reactie ontstaan waardoor het instabiel wordt ( tantalen) en zo zijn er mogelijk nog veel meer effecten.
Ook spanning verandert een elco. De oxidelaag wordt tenslotte gevormd door de spanning. Meer spanning is zover ik weet een dikkere oxide laag.

Ik heb wel een idee om deze dingen uit elkaar te trekken maar dat is complex
- capaciteit meten dmv DC ( coulomb meting) na formering op de juiste spanning. Dan heb je de pure capaciteit ( de formules voor condensators bevatten geen frequentie)
- als je dan de capaciteit meet op diverse frequnties tot de SRF dan kun je dus uitrekenen hoe groot het ESL deel is. Het puur ohmse ESR deel is de impedantie op de SRF.
-ESR kun je meten uit het fase verschil maar die fase is niet frequentie constant omdat de fase van de Xc wordt gecompenseerd door die van de Xl, behalve op de SRF. Nu is de vraag of het interessant is dit te weten muv heel extreme toepassingen en dan ben je beter af dit gewoon op frequentie te meten. De losse eigenschappen zijn minder belangrijk als het gezamelijke uiteindelijke resultaat.
-De DC lekstroom kan je meten. En als je gek wil doen zelfs corrigeren voor ESR. Maar die lekkage is spanningsafhankelijk. Een rotte elco kan op 200V een paar uA lekken en 10V verder ineens doorslaan. Maar met een high Z meter kan je de echte Rp meten. Ik kan met mijn HP op bv 10V in het petaOhm bereik meten. Dan meet je dus de echte Rp zonder doorbraak van de oxide laag. ( bij een elco voor bv 100V en goed geformeerd.
Dit is te doen ,maar dan moet je dus pA en nA gaan meten. Je bent echter meestal alleen geintresseerd in " fouten'" zoals DC lekkage en dat kunnen we wel makkelijk meten

Maar het moeilijke deel is het dielectrium, dit is frequentie afhanklijk. De meting daarvan is niet makkelijk maar wel te doen. Als je ESL, ESR Rp en pure capaciteit hebt is het misschien mogelijk dit te berekenen na correctie voor de andere factoren. Je zal dan op meerdere frequenties moeten meten.
Ik heb een fixture gemaakt om dit te meten maar nog niet gedaan. Twee in afstand verstelbare koperen platen. Deze zet je bv op 1 mm van elkaar, meet op meerdere frequenties de capaciteit. Die moet gelijk blijven en anders gecorrigeerd worden door ESL, ESR ect er uit te halen. Dan plaats je 1 mm van het spul er tussen en meet opnieuw. Zo kan je de dielectrische constante uitrekenen. Alleen gooien dingen als current hugging, fringing efecten enzo weer roet in het eten. Er zijn betere methoden, ik heb daar wat AN 's over gevonden en adviezen gehad van mensen die daar ervaring mee hebben
Je ontkomt hier niet aan guardringen en speciale fixtures. Ook is dit eigenlijk VNA of RF-IV meter werk.

Dit is echter de moeilijkste factor. Neemt de schijnbare capaciteit ( C berekent aan de hand van Xc) af door de ESL
Dan kan dat ook best afnemen doordat de dielectrische constante niet zo constant blijkt. Zoiets als een condensator meten bij 10 graden op 1KHz en daarna bij 40 graden en 10KHz. Verandert nu de dielectrische constante door de temperatuur of door de frequentie, of door veranderde luchtvochtighid ( of de maanstand ;-) )

Grootste problem: hoe calibreer je de boel.

Nu praktisch:
-ESR meten, huidige methode is voldoende precies voor praktisch gebruik en simplel te bouwen.
- Capaciteit meten, bij voorkeur op toepassingsfrequentie, dat is wat je nodig hebt tenslotte. Waarom dat meer of minder is maakt in de praktijk niet uit. Je wil weten of hij voldoet. Moet met een uP simpel zijn. DDS wekt frequentie op. En je meet daarna de stroom door de condensator over een weerstand. Je weet dan de impedantie. Dat geeft voor praktisch gebruik een bruikbare capaciteit. Combineer het met een coulombmeting tijdens formeren en je weet zelfs wat over de mate waarbij er onbekende effecten de schijnbare capaciteit beinvloeden. Is dat verschil groot dan is het geen echt ideale condensator. Er is zelfs een complete " vna op een chip" van AD die tot 100 KHz fase en magnitude kan meten.
DC lekkage, simpel, inverter en weerstandsdeler die je dmv bv relais met de uP omzet of je regelt met de uP via terugkoppeling de spanning direct wat het mooiste is.

Meer hoef je eigenlijk niet te weten. En totale kosten een stuk lager dan een peak of parker ESR meter en losse C meter. En een stuk minder gedoe om DC lekkage te meten.

Ik heb hier alles al lang gebouwd, alleen allemaal met analoge meters. Dus we hoeven niks opnieuw uit te vinden.

Pfff, weer een te lang verhal.

www.pa4tim.nl, www.schneiderelectronicsrepair.nl, Reparatie van meet- en calibratie apparatuur, ook maritieme en industriele PCBs

En ook spanningsafhankelijk.

Daar zijn varicaps op gebaseerd.

It's the rule that you live by and die for It's the one thing you can't deny Even though you don't know what the price is. It is justified.
fred101

Golden Member

Ik krijg mijn TF1313 brug nier met DC bias aan de gang. Hij moet tot 120VDC kunnen hebben. Ik heb 20V gepakt, er staat dan ook 20V met AC er op, op de detector zoals het manual beschrijft maar de brug nult dan alleen nog maar bij 0 uF of 0 pF ect. Zelfs zonder iets aangesloten. Er moest en elco over de bias om het AC door te layen en en serie weerstand als begrenzing van 100 ohm per volt tot 1nF en 10 ohm per volt voor 1uF tot 100 uF.
Ik heb voor de veiligheid 10K gepakt omdat ik ook in het pF bereik wilde testen. Maar ik kan me niet voorsyellen dat die weerstand de oorzaak is.

Ook nog even met de curvetracer wat gemeten maar ik kan daar niks van maken. Dat is tenslote een IV meter. Een AN schrijft dat de loop opening de capaciteit aan geeft ( dus de hoeveelheid stroom) je zet hem op minder dan 1V AC en dan krijg je een circel. Maar bij mij varieert de spanning en de stroom en een 47 uF geeft 0,2 div meer dan een 470 uF. De AN is voor de 577, ik heb de 576 misschien dat dit net anders werkt.
In DC mode krijg ik alleen een vertikale streep. Die varieert wel. Dat zou delta i kunnen zijn bij dus een vaste spanning. Ik ga eens meer testen.

www.pa4tim.nl, www.schneiderelectronicsrepair.nl, Reparatie van meet- en calibratie apparatuur, ook maritieme en industriele PCBs
maartenbakker

Golden Member

Op 23 mei 2012 15:52:58 schreef Roland van Leusden:
[...]

Daar zijn varicaps op gebaseerd.

Ja, maar dat zijn geen condensatoren met vreemde eigenschappen maar diodes met vreemde eigenschappen ;)

www.elba-elektro.nl | "The mind is a funny thing. Sometimes it needs a good whack on the side of the head to jar things loose."
Frederick E. Terman

Honourable Member

Een elko is ook een diode met vreemde eigenschapen.

Oorspronkelijk ontworpen als gelijkrichter, maar vanwege de veel te hoge capactiteit alleen bruikbaar op idioot lage frequenties. :)

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org
fred101

Golden Member

http://www.pa4tim.nl/wp-content/uploads/2012/05/esr_topfield.png
De DC bias is gelukt. Het manual klopte niet. Dit is met 30V of 15V als het een 16V elco was. Daarnaast heb ik een externe D weerstand toegepast om ook bij hoge D's toch helemaal te kunnen nullen.

ESR neemt af met frequentie maar neemt toe onder DC bias.

http://www.pa4tim.nl/wp-content/uploads/2012/05/elcomodelAS.png
Model elco, bron Analog Seekrets

www.pa4tim.nl, www.schneiderelectronicsrepair.nl, Reparatie van meet- en calibratie apparatuur, ook maritieme en industriele PCBs
fred101

Golden Member

http://www.pa4tim.nl/?p=3331
De totale resultaten maar nog geen vivisectie. Vandaag de curvetracer geprobeerd.
http://www.pa4tim.nl/wp-content/uploads/2012/05/3_100uF_35V.jpg
Aan het hellen van de elips en het stijgen van de stroom met de spanning zie je de ESR. Het lukt me niet hem hieruit te berekenen. Ik heb wel een manier gevonden zo de capaciteit te berekenen.
(Delta i x 0,005S) / delta V
Edit: als ik het met 1.4 corrigeer komt de waarde meer kloppend. Ik hoorde nog van iemand dat er een btere berekening is, die staat op de site er nu bij.

[Bericht gewijzigd door fred101 op zaterdag 26 mei 2012 10:20:26 (16%)

www.pa4tim.nl, www.schneiderelectronicsrepair.nl, Reparatie van meet- en calibratie apparatuur, ook maritieme en industriele PCBs
fred101

Golden Member

http://www.pa4tim.nl/wp-content/uploads/2012/05/HPIV_1nF1-100MHz.jpg

Ook met een analoge VNA gaat het heel goed. dit is een ceramische 1nF over 100MHz. De referentie ingang meet de stroom dmv een Tek 100 MHz coaxiale stroomprobe, de test ingang meet de spanning over de condensator die aks shunt tov de ontvanger impedantie staat. De open lijn is 25 ohm. Ik heb daar wat moeilijk gedaan met rekenen. Ik kan gewoon 25 / ( 10 tot de ( dB / 10) doen om Z te berekenn. De uitkomst is gekijk maar het meet makkelijker.

Dit geeft een enorme resolutie tot zo'n 3 ohm. Enige probleem is dat echt brakke condensators vaak al onder 100 KHz zelfresonant zijn. Ook kan je zo vrij simpel de ESL berekenen als je de pure capaciteit weet, dus op een heel lage frequentie waarbij de ESL echt verwaarloosbar is. Die ESL doet veel meer dan ik dacht. Deze keramische C zit met zijn pootjes strak tussen de klemmen. Het is 28 nH dus waar praat je over ;-) maar bereken eens op 10MHz de Xc en Xl , corrigeer de gemeten Xc voor die Xl en bereken C. Dat scheelt al meer dan 10%.

Dit is dmv TDR, dit s e elco met hoge ESR, bij een gezonde loopt ie lijn niet omhoog. Ik heb nog niet gevonden wat ik hier uit kan halen.
http://www.pa4tim.nl/wp-content/uploads/2012/05/TDRnr7.jpg

www.pa4tim.nl, www.schneiderelectronicsrepair.nl, Reparatie van meet- en calibratie apparatuur, ook maritieme en industriele PCBs
Diamon

Golden Member

Ik gebruik zelf een ESR60 van Peak voor metingen op elco's.
Maar op dit moment is die defect, er zit een kabelbreuk in.
Nu kan ik hem opsturen naar Peak voor reparatie.
Als ik zelf de kabel vervang, zal consequenties hebben voor metingen ?.

fred101

Golden Member

Start daar eigenlijk liever een eigen topic voor omdat het daar eigenlijk te sinpel voor is : als je dat moet vragen kun je het beter opsturen ;-) maar de kabels zijn niks byzonders. Gewoon 4 draadjes die in twee klemmen bij elkaar komen. Dus twee stukjes van een fatsoendelijk stuk luidspeaker tweelingsnoer en even erin solderen. Stelt niks voor.

www.pa4tim.nl, www.schneiderelectronicsrepair.nl, Reparatie van meet- en calibratie apparatuur, ook maritieme en industriele PCBs