เครื่องวัด ESR
เครื่องวัด ESR เป็น เครื่องมือวัดอิเล็กทรอนิกส์ แบบสองขั้วที่ออกแบบและใช้งานเป็นหลักเพื่อวัดค่าความต้านทานอนุกรมเทียบเท่า (ESR) ของตัวเก็บประจุ จริง โดยปกติแล้วไม่จำเป็นต้องถอดตัวเก็บประจุออกจากวงจรที่เชื่อมต่ออยู่ เครื่องวัดประเภทอื่นที่ใช้สำหรับการบำรุงรักษาตามปกติ รวมถึงเครื่องวัดความจุ ทั่วไป ไม่สามารถใช้ในการวัด ESR ของตัวเก็บประจุได้ แม้ว่าจะมีเครื่องวัดแบบรวมที่วัดได้ทั้ง ESR และความจุภายนอกวงจรก็ตาม เครื่องวัดมิลลิโอห์มหรือมัลติมิเตอร์มาตรฐาน ( DC ) ไม่สามารถใช้ในการวัด ESR ได้ เนื่องจากกระแสตรง คงที่ ไม่สามารถไหลผ่านตัวเก็บประจุได้ เครื่องวัด ESR ส่วนใหญ่ยังสามารถใช้ในการวัดค่าความต้านทานต่ำที่ไม่เหนี่ยวนำ ไม่ว่าจะเกี่ยวข้องกับตัวเก็บประจุหรือไม่ก็ตาม ซึ่งนำไปสู่การใช้งานเพิ่มเติมอีกหลายอย่างดังที่อธิบายไว้ด้านล่าง
ความจำเป็นในการตรวจวัด ESR
ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์อะลูมิเนียมมีค่า ESR ค่อนข้างสูงซึ่งจะเพิ่มขึ้นตามอายุ ความร้อน และกระแสริป เปิล ซึ่งอาจทำให้อุปกรณ์ที่ใช้ตัวเก็บประจุเหล่านี้ทำงานผิดปกติ ในอุปกรณ์รุ่นเก่า มักจะทำให้เกิดเสียงฮัมและการทำงานที่เสื่อมลง อุปกรณ์สมัยใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมดมีความไวต่อ ESR มาก และตัวเก็บประจุที่มีค่า ESR สูงอาจทำให้อุปกรณ์ทำงานผิดปกติหรือเกิดความเสียหายถาวรที่ต้องซ่อมแซม โดยทั่วไปแล้วจะทำให้แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟสูงเกินไป[ 1 ]อย่างไรก็ตาม ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์มักถูกใช้บ่อยมากเนื่องจากมีราคาไม่แพงและมีความจุสูงมากต่อหน่วยปริมาตรหรือน้ำหนัก โดยทั่วไป ตัวเก็บประจุเหล่านี้มีความจุตั้งแต่ประมาณหนึ่งไมโครฟารัดถึงหลายหมื่นไมโครฟารัด
ตัวเก็บประจุที่มีข้อบกพร่องซึ่งนำไปสู่ค่า ESR สูง มักจะร้อนจัดและหลังจากนั้นจะบวมและรั่วเนื่องจากสารเคมีในอิเล็กโทรไลต์สลายตัวกลายเป็นก๊าซ ทำให้สามารถระบุข้อบกพร่องได้ด้วยสายตาค่อนข้างง่าย อย่างไรก็ตาม ตัวเก็บประจุที่ดูสมบูรณ์แบบด้วยตาเปล่าอาจยังมีค่า ESR สูง ซึ่งตรวจจับได้ด้วยการวัดเท่านั้น
การวัดค่า ESR อย่างแม่นยำนั้นไม่ค่อยจำเป็น และเครื่องวัดใดๆ ที่ใช้งานได้ก็เพียงพอสำหรับการแก้ไขปัญหา เมื่อต้องการความแม่นยำ การวัดจะต้องทำภายใต้เงื่อนไขที่ระบุไว้อย่างเหมาะสม เนื่องจากค่า ESR จะแปรผันตามความถี่ แรงดันไฟฟ้าที่จ่าย และอุณหภูมิ เครื่องวัด ESR ทั่วไปที่ทำงานด้วยความถี่และรูปคลื่นคงที่มักจะไม่เหมาะสมสำหรับการวัดในห้องปฏิบัติการที่ต้องการความแม่นยำ
วิธีการวัด ESR
การวัด ESR สามารถทำได้โดยการใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่ความถี่ซึ่งค่ารีแอกแทนซ์ ของตัวเก็บประจุ มีค่าน้อยมาก ใน การกำหนด ค่าตัวแบ่งแรงดันการตรวจสอบ ESR ที่ดีพอสำหรับการแก้ไขปัญหานั้นทำได้ง่ายโดยใช้เครื่องวัด ESR แบบดัดแปลงซึ่งประกอบด้วยเครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยม อย่างง่าย และออสซิลโลสโคปหรือเครื่องกำเนิดคลื่นไซน์ที่มีความถี่ไม่กี่สิบกิโลเฮิร์ตซ์และโวลต์มิเตอร์กระแสสลับ โดยใช้ตัวเก็บประจุที่ดีที่ทราบค่าเพื่อเปรียบเทียบ หรือโดยการใช้คณิตศาสตร์เล็กน้อย[ 2 ]
เครื่องวัด ESR ระดับมืออาชีพสะดวกกว่าสำหรับการตรวจสอบตัวเก็บประจุหลายตัวอย่างรวดเร็วบริดจ์วัด มาตรฐาน และ เครื่องวัด LCR และQ หลายรุ่น สามารถวัด ESR ได้อย่างแม่นยำ นอกเหนือจากพารามิเตอร์วงจรอื่นๆ อีกมากมาย เครื่องวัด ESR เฉพาะทางเป็นเครื่องมือเฉพาะทางราคาไม่แพงนัก มีความแม่นยำปานกลาง ใช้เป็นหลักในการระบุตัวเก็บประจุที่มี ESR สูงเกินไป และบางครั้งใช้ในการวัดความต้านทานต่ำอื่นๆ ไม่สามารถวัดพารามิเตอร์อื่นๆ ได้
หลักการทำงานของเครื่องวัด ESR
เครื่องวัด ESR ส่วนใหญ่ทำงานโดยการคายประจุตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์จริง (ซึ่งเทียบเท่ากับตัวเก็บประจุในอุดมคติที่ต่ออนุกรมกับความต้านทานที่ไม่ต้องการ คือ ESR) และปล่อยกระแสไฟฟ้าผ่านตัวเก็บประจุเป็นเวลาสั้นๆ ซึ่งสั้นเกินกว่าจะทำให้เกิดประจุเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด กระบวนการนี้จะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าคร่อมอุปกรณ์เท่ากับผลคูณของกระแสไฟฟ้าและ ESR บวกกับส่วนที่เกิดจากประจุเล็กน้อยในตัวเก็บประจุ จากนั้นจึงวัดแรงดันไฟฟ้านี้และนำค่าที่ได้หารด้วยกระแสไฟฟ้า (เช่น ESR) ซึ่งจะแสดงเป็นโอห์มหรือมิลลิโอห์มบนจอแสดงผลดิจิทัลหรือตามตำแหน่งของเข็มชี้บนมาตราส่วน กระบวนการนี้จะทำซ้ำหลายหมื่นหรือหลายแสนครั้ง ต่อวินาที
อีกทางเลือกหนึ่งคือ การใช้ กระแสสลับที่มีความถี่สูงพอที่ จะทำให้ ค่ารีแอกแทนซ์ ของตัวเก็บประจุ ต่ำกว่าค่า ESR มาก โดยปกติแล้วจะเลือกพารามิเตอร์ของวงจรเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่มีความหมายสำหรับค่าความจุตั้งแต่ประมาณหนึ่งไมโครฟารัดขึ้นไป ซึ่งเป็นช่วงที่ครอบคลุมตัวเก็บประจุอะลูมิเนียมทั่วไปที่มีค่า ESR สูงเกินไปจนยอมรับไม่ได้
การตีความบทอ่าน
ค่า ESR ที่ยอมรับได้นั้นขึ้นอยู่กับค่าความจุ (ตัวเก็บประจุขนาดใหญ่มักมีค่า ESR ต่ำกว่า) และสามารถอ่านได้จากตารางค่า "ทั่วไป" หรือเปรียบเทียบกับชิ้นส่วนใหม่ โดยหลักการแล้ว สามารถตรวจสอบค่า ESR สูงสุดที่ผู้ผลิตตัวเก็บประจุกำหนดได้ในเอกสารข้อมูล แต่โดยปกติแล้วไม่จำเป็น เมื่อตัวเก็บประจุที่มีค่า ESR วิกฤตเสื่อมสภาพ การสูญเสียพลังงานเมื่อค่า ESR เพิ่มขึ้นมักทำให้ค่า ESR เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและมากเกินไป ดังนั้น การวัด แบบผ่าน/ไม่ผ่านจึงมักเพียงพอ เนื่องจากค่า ESR มักเปลี่ยนจากระดับที่ยอมรับได้ไปสู่ระดับที่ยอมรับไม่ได้อย่างรวดเร็ว ค่า ESR ที่เกินไม่กี่โอห์ม (น้อยกว่าสำหรับตัวเก็บประจุขนาดใหญ่) ถือว่ายอมรับไม่ได้
ในวงจรใช้งานจริง ค่า ESR จะต่ำกว่าค่าความต้านทานอื่นๆ ที่ต่อขนานกับตัวเก็บประจุมาก ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องถอดชิ้นส่วนนั้นออก และสามารถทำการวัดในวงจรได้เลย อย่างไรก็ตาม เครื่องวัด ESR ที่ใช้งานจริงจะใช้แรงดันไฟฟ้าต่ำเกินไปที่จะเปิดใช้งานจุดเชื่อมต่อสารกึ่งตัวนำ ใดๆ ที่อาจมีอยู่ในวงจร ซึ่งอาจทำให้เกิดค่าอิมพีแดนซ์ "เปิด" ต่ำ ซึ่งจะรบกวนการวัดได้
ข้อจำกัด
- เครื่องวัด ESR ไม่ได้วัดค่าความจุของตัวเก็บประจุ ตัวเก็บประจุจะต้องถูกถอดออกจากวงจรและวัดด้วยเครื่องวัดความจุ (หรือมัลติมิเตอร์ที่มีความสามารถนี้) ค่า ESR ที่สูงเกินไปมักจะเป็นปัญหาที่พบได้บ่อยในตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์อะลูมิเนียม มากกว่าค่าความจุที่อยู่นอกช่วงความคลาดเคลื่อน ซึ่งพบได้ยากในตัวเก็บประจุที่มีค่า ESR ที่ยอมรับได้
- ตัวเก็บประจุที่ชำรุดหรือลัดวงจรจะถูกระบุอย่างไม่ถูกต้องโดยเครื่องวัด ESR ว่ามีค่า ESR ต่ำ แต่โอห์มมิเตอร์หรือมัลติมิเตอร์สามารถตรวจจับกรณีนี้ได้อย่างง่ายดาย ซึ่งในทางปฏิบัติแล้วพบได้ยากกว่าค่า ESR สูง สามารถต่อโพรบทดสอบเข้ากับเครื่องวัด ESR และโอห์มมิเตอร์แบบขนานเพื่อตรวจสอบทั้งการลัดวงจรและ ESR ในการทำงานครั้งเดียวได้ เครื่องวัดบางรุ่นสามารถวัด ESR และตรวจจับการลัดวงจรได้พร้อมกัน
- ค่า ESR อาจขึ้นอยู่กับสภาวะการทำงาน (ส่วนใหญ่คือแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิ) ตัวเก็บประจุที่มีค่า ESR สูงเกินไปที่อุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้าในการทำงาน อาจวัดได้ปกติเมื่อเย็นและไม่มีกระแสไฟ ความผิดพลาดของวงจรบางอย่างที่เกิดจากตัวเก็บประจุที่มีปัญหาเป็นระยะๆ สามารถตรวจสอบได้โดยใช้สเปรย์แช่แข็งหากการทำให้ตัวเก็บประจุเย็นลงแล้วกลับมาทำงานได้ปกติ แสดงว่าตัวเก็บประจุนั้นมีปัญหา
- เครื่องวัด ESR อาจเสียหายได้หากเชื่อมต่อกับตัวเก็บประจุที่มีแรงดันไฟฟ้าสูง ไม่ว่าจะเป็นเพราะประจุตกค้างหรือในวงจรที่มีกระแสไฟไหลอยู่ ไดโอดป้องกันที่ต่อคร่อมอินพุตจะช่วยลดความเสี่ยงนี้ได้ แต่ในกรณีนั้น เครื่องวัดจะไม่สามารถใช้วัดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ได้อีกต่อไป
- เมื่อใช้เครื่องวัด ESR เป็นเครื่องวัดความต้านทานระดับมิลลิโอห์ม ค่าความเหนี่ยวนำ ที่มีนัยสำคัญ ระหว่างหัววัดจะทำให้การวัดไม่มีความหมาย ตัวอย่างเช่น เครื่องวัด ESR ไม่เหมาะสมสำหรับการวัดความต้านทานใน ขดลวด หม้อแปลงเนื่องจากคุณสมบัติความเหนี่ยวนำของมัน ผลกระทบนี้มีนัยสำคัญมากจนไม่ควรใช้หัววัดที่มีสายขดเนื่องจากค่าความเหนี่ยวนำของมัน
การใช้งานอื่นๆ ของเครื่องวัด ESR
เครื่องวัด ESR นั้น จริงๆ แล้วควรจะเรียกว่าเครื่องวัดความต้านทานระดับมิลลิโอห์มแบบพัลส์หรือกระแสสลับความถี่สูง (ขึ้นอยู่กับชนิด) และสามารถใช้วัดความต้านทานต่ำใดๆ ก็ได้ เครื่องวัด ESR ที่ไม่มีไดโอดป้องกันต่อคร่อมอินพุต สามารถวัดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ได้ (แบตเตอรี่จำนวนมากหมดอายุการใช้งานส่วนใหญ่เนื่องจากความต้านทานภายในที่เพิ่มขึ้น มากกว่าค่า EMF ต่ำ ) ขึ้นอยู่กับวงจรที่ใช้ เครื่องวัด ESR อาจใช้ในการวัด ความต้านทาน การสัมผัสของสวิตช์ความต้านทานของส่วนต่างๆ ของ ลาย วงจรพิมพ์ (PCB) เป็นต้น
แม้ว่าจะมีเครื่องมือเฉพาะทางสำหรับตรวจจับการลัดวงจรระหว่างแทร็ก PCB ที่อยู่ติดกัน แต่เครื่องวัด ESR ก็มีประโยชน์เพราะสามารถวัดความต้านทานต่ำได้ในขณะที่ฉีดแรงดันไฟฟ้าต่ำเกินไปจนทำให้การอ่านค่าผิดพลาดเนื่องจากการเปิดใช้งานจุดเชื่อมต่อเซมิคอนดักเตอร์ในวงจร เครื่องวัด ESR สามารถใช้เพื่อค้นหาการลัดวงจร แม้กระทั่งค้นหาว่าตัวเก็บประจุหรือทรานซิสเตอร์ตัวใดในกลุ่มที่เชื่อมต่อแบบขนานด้วยแทร็กวงจรพิมพ์หรือสายไฟเกิดการลัดวงจรโอห์มมิเตอร์และมัลติมิเตอร์ ทั่วไปจำนวนมาก ไม่สามารถใช้งานได้กับความต้านทานต่ำมาก และเครื่องมือที่สามารถวัดความต้านทานต่ำได้มักจะใช้แรงดันไฟฟ้าสูงพอที่จะเปิดใช้งานจุดเชื่อมต่อเซมิคอนดักเตอร์[ 3 ]ทำให้การอ่านค่าความต้านทานผิดพลาด
หัววัดแบบแหนบมีประโยชน์เมื่อจุดทดสอบอยู่ใกล้กันมาก เช่น ในอุปกรณ์ที่ผลิตด้วยเทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิวสามารถจับหัววัดแบบแหนบได้ด้วยมือเดียว ทำให้มืออีกข้างว่างเพื่อใช้ประคองหรือควบคุมอุปกรณ์ที่กำลังทดสอบ
ประวัติศาสตร์
อุปกรณ์หลักชิ้นแรกที่ใช้วัดค่า ESR ในวงจรนั้น พัฒนาขึ้นจากสิทธิบัตรของ Carl W. Vette ในปี 1978 เรื่อง "วิธีการและอุปกรณ์สำหรับการทดสอบตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ "[ 4 ]ภายใต้แบรนด์ Creative Electronics เครื่องวัด ESR ของ Creative Electronics เป็นอุปกรณ์หลักที่หลายคนใช้ตลอดระยะเวลาของสิทธิบัตร สิทธิบัตรหมดอายุในปี 1998 เมื่อบริษัทอื่นๆ จำนวนมากเข้าสู่ตลาด
สิทธิบัตรเพิ่มเติมได้ต่อยอดจากงานวิจัยเดิม รวมถึงสิทธิบัตรของ John G. Bachman ในปี 2001 ที่ชื่อว่า"สิทธิบัตรสหรัฐอเมริกาหมายเลข 6677764: ระบบป้องกันอุปกรณ์ทดสอบอิเล็กทรอนิกส์จากตัวเก็บประจุที่มีประจุ "[ 5 ]