Construcción de un medidor de ESR para comprobar condensadores electrolíticos

Categorías:  Electrónica
Etiquetas:  circuitos, tutoriales

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.

Debido a la importancia de este tema del medidor de ESR o (ESR meter) en el campo de la reparación electrónica. Esto me ha llevado a dedicar mucho tiempo a un post bastante largo de al menos 5 páginas, en las que trato de abarcar al máximo el tema con la información existente en la web actualmente y lo que me pareció más importante. Os recomiendo que las leas todas!

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.

ESRfig01
figura 1. Modelo real del condensador.

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.

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. Por otro lado, 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.

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