Construcción de un medidor de ESR para comprobar condensadores electrolíticos 2/5

Categorías:  Electrónica
Etiquetas:  circuitos, tutoriales

Construcción de un medidor de ESR sencillo

Se pueden encontrar en el mercado medidores de ESR de laboratorio muy caros pero no necesitamos ese nivel de precisión ni de coste. Lo que necesitamos es un instrumento barato y sencillo que nos dé una lectura aproximada. Busqué circuitos para construir y acabé modificando uno que me gustó para añadirle algunas mejoras.

Una prueba que considero esencial y que la mayoría de medidores de ESR no tienen es si el condensador está en cortocircuito. Un condensador en corto tiene una ESR muy baja pero está defectuoso y debe ser repuesto. Un medidor de ESR que solamente mida ESR en alterna indicaría que el condensador está bien. Necesitamos, por lo tanto, una indicación de que el condensador está en corto.

Otra cosa deseable es más precisión en la parte baja de la escala porque un condensador que tiene una ESR de más de 5 Ohm lo vamos a considerar como malo y no nos importa mucho cuantificar el valor exacto de la ESR.(Cuando digo “parte alta” y “parte baja” de la escala me refiero a los valores en Ohm ya que en el instrumento de medida los valores más bajos son los que hacen que la aguja se desplace al tope de la escala.)

Lo que sigue es mi propia versión de un medidor de ESR que he construido y me funciona bien. Quizá todavía se pueda mejorar en algo pero tal y como está me funciona bien. Está basado en este proyecto de IZ7ATH el cual, a su vez, está basado en un artículo publicado como proyecto #1518 de la revista italiana Nuova Elettronica, n° 212, Sept/Oct 2002. Creo que el mismo diseño o algo similar fue publicado en la revista Poptronics en julio de 2001 pero no lo he visto. Si alguien me lo puede enviar estaría bien para compararlos. En mi circuito he introducido algunos cambios que considero mejoras.

El medidor de ESR tiene dos puntas de prueba que se conectan al condensador a probar sin quitarlo del circuito. Esto inyecta una señal de unos 100 KHz y muy bajo voltaje, por debajo de 100 mV(pp). Esta señal de tan bajo nivel no será suficiente para afectar a semiconductores en paralelo con el condensador y la mayoría de los componentes tendrán resistencias más altas y no afectarán de forma significativa a la medición. Claro que si tuviéramos una resistencia de valor extremadamente bajo en paralelo con el condensador entonces la lectura se vería afectada pero esto sería extremadamente raro en la realidad.

El circuito es un puente de cuatro resistencias que normalmente está equilibrado. El condensador a medir se pone en paralelo con una de las resistencias lo cual introduce un desequilibrio que es multiplicado por un amplificador operacional (opamp). Cuanto más baja sea la ESR más se desequilibra el puente y más alta es la lectura.

ESR02_Schema02
figura 2. Circuito (Basado en Nuova Elettronica).

OpAmp A, primero por la izquierda, divide el voltaje de alimentación en dos mitades iguales de modo que tenemos +4.5 V y -4.5 V con respecto al punto central que es nuestra referencia y tierra virtual. Esta alimentación simétrica la necesitan los operacionales que siguen.

El segundo operacional, B, es la base de un oscilador de 100 KHz. En la práctica he observado que la frecuencia tiende a desviarse bastante de los 100 KHz teóricos, probablemente debido a desviaciones en los valores nominales de los componentes, de modo que es conveniente comprobar la frecuencia y ajustar el valor de R3 para ajustar la frecuencia cerca de 100 KHz. Esto no es esencial pero permite comparaciones mejores entre unidades. A la salida este operacional tenemos una onda rectangular que oscila entre -4 V y +4 V.

El transistor que sigue sirve para varias cosas. Desplaza el nivel de la señal de modo que siempre es positiva, entre 0 V y +4 V y aísla el oscilador de la carga que sigue ya que el operacional no podría gobernar la carga directamente.

En el colector del transistor encontramos el puente de resistencias que es el corazón de la unidad. Las dos resistencias superiores son de valor mucho más alto que las dos inferiores de modo que el voltaje aplicado al condensador bajo prueba es una fracción pequeña del voltaje que se encuentra a la salida del transistor. Cualquier desequilibrio en las ramas del puente es amplificado por el siguiente amplificador operacional, C. Analicemos detenidamente los distintos casos.

esr02-01
a. Puntas abiertas. b. Conectadas a un condensador. c. Puntas en corto
figura 3. Gráfico osciloscopio, con formas de onda. A la salida del comparador
  1. Cuando las puntas de prueba están abiertas el puente está en equilibrio y la salida del operacional C será de cero voltios (volts), constante.

  2. Al conectar las puntas de prueba a un condensador, bueno estamos cortocircuitando a masa una de las resistencias del puente pero solamente en AC y no en DC. Por lo tanto la salida de C será una onda AC sin componente DC alguna. Es decir, estará centrada en 0 V y oscilará igualmente hacia arriba y hacia abajo de este punto.

  3. Si además cortocircuitamos el condensador en DC entonces la rama del puente está en corto en DC a masa y ahora la onda de salida de C, se desplaza hacia arriba de modo que tiene una componente DC positiva. Ahora toda la onda estará por encima de 0 V.

Al construir el prototipo me encontré con un extraño problema cuya causa me costó identificar. EL problema era el siguiente: pongo las puntas en corto y ajusto el tope de escala. A continuación conecto un condensador entre las puntas y la aguja del instrumento se pasa del tope de escala. Es como si el condensador presentara menos resistencia que las puntas en corto. Ya digo que me costó determinar la causa pero es fácil de ver. Mirando la traza del osciloscopio vemos que la amplitud de la señal es la misma cuando las puntas están en corto o cuando están con un condensador de ESR=0, que es como debe ser. La diferencia está en el desplazamiento vertical de la señal hacia arriba cuando las puntas están en corto. Si la señal tiene demasiada amplitud al subir se llegan a recortar los picos superiores por lo que con las puntas en corto la amplitud es menor que con un condensador. La solución es disminuir la ganancia de esa etapa como se describe a continuación.

Las resistencias de realimentación de C eran originalmente de 47K pero esto creaba el problema que se solucionó disminuyendo la ganancia al disminuir el valor de estas resistencias a 27K. Después de construir mi prototipo con este valor he pensado que quizá hubiera sido mejor dejar el valor de estas resistencias en 47K y haber disminuido el valor de las dos resistencias inferiores del puente de 22 Ohm a 15 Ohm o incluso 12 Ohm. Eso haría que el instrumento fuera más sensible a valores de ESR más bajos. He puesto esos valores alternativos entre paréntesis en el esquema y los puedes probar aunque yo no lo he hecho todavía.

A la salida del operacional C, separamos las componentes DC y AC. Primero tenemos un filtro de paso bajo, formado por resistencia y condensador, que permite la componente DC gobernar la base del transistor que controla un LED. Este LED se ilumina si el condensador bajo prueba está en corto o tiene corriente de fuga muy alta.

La componente AC pasa a través de un filtro de paso alto formado por un condensador, que bloquea la componente DC, y una resistencia por la que llega al último operacional, D, que funciona como rectificador gracias al diodo que tiene conectado a la salida. Cuanto más baja sea la ESR del condensador bajo prueba tanto más alta será la tensión rectificada. En el caso muy improbable de que el instrumento de aguja requiera más voltaje entonces podemos poner una resistencia opcional que incrementa el voltaje de salida. Yo ajusté mi circuito de forma que el voltaje máximo de salida de D es del orden de 1 V. A continuación he puesto un segundo diodo en serie con la salida del instrumento. El propósito de este cambio es expandir el rango del instrumento en la parte baja de valores de ESR a base de comprimir la parte de valores más altos y que nos interesan menos. De esta forma los primeros 0.6 V de salida apenas mueven la aguja pero de 0.6 V a 1 V la aguja abarca toda la escala.

He construido un par de prototipos utilizando galvanómetros reciclados o incluso vúmetros. He pensado en utilizar en su lugar barras de LEDs pero un instrumento analógico se puede encontrar más barato, es más sencillo y da más resolución; aunque en algunos países pueden ser más caros. Pero un instrumento analógico gasta menos energía lo cual es una consideración importante cuando se usan pilas de 9V.

He pensado añadir un circuito que haga que el LED parpadee a intervalos o que emita un pitido mientras el aparato esté encendido con el fin de recordarnos que debemos apagarlo para ahorrar batería.

Perfiles Sociales
Share
twitter 
facebook 
email 
print 
more 

Alvistec english

Esta web acepta donaciones de criptomonedas
BTC address, LTC, ETH, Uphold:
Por qué donaciones?