电容ESR表
电容ESR表的特点、测量原理、电路分析
作者 薛国雄 来源 《无线电》杂志 浏览 3449 发布时间 2011-01-11
这个专题起源于笔者偶然得到的信息。在完成所译《音频功率放大器设计手册》一书的勘误工作后，笔者因需在网上查阅美国Tektronix公司的示波器资料，看到外国论坛有位网友在介绍维修经验时，大力推荐电容ESR表，称其为电子爱好者的强力工具，对检测电器帮助极大，故而引发了笔者的兴趣。经过一段时间的揣摩、研究、设计、制作及试用，结合本人以往的经验，确认此君所言非虚。这种电容ESR表确实是检修电子设备、排除电路故障的强力工具和十分有用的好帮手。独乐乐不如众乐乐，根据本人掌握的知识和实际设计制作，在此对电容ESR表作全面介绍，以期能给广大电子爱好者提供有益的帮助，推动这一新型工具的普及应用。
1 电容ESR表的特点
可能不少人都没听说过这种表。笔者以前也仅知道，专业仪器的LCR电桥可以测量电容的ESR。何为ESR？测量电容的ESR有什么用？相信很多读者心中会有这样的疑问。为此，先进行简单的背景知识介绍。 一、背景知识介绍 1.电容的ESR
ESR是英语Equivalent Series Resistance的缩写，意为等效串联电阻。自身不会产生任何能量损耗的完美电容只存在于理论，实际的电容总是存在着一些缺陷。这个损耗，在外部的表现就像一个电阻跟电容串联在一起。另一方面，由于引线、卷绕等物理结构因素，电容内部还存在着电感成分。因此，实际电容的等效模型可以表示为图1所示的模式。其中电容C为理想电容，R为等效串联电阻，即ESR，L为等效串联电感，即ESL。引入ESR和ESL，使得模型更接近于电容在电路中的实际表现。
图1 实际电容的等效模型
图2 实际电容与理想电容的差别。斜直线为理想电容的阻抗曲线，呈V字形的
是实际电容的阻抗曲线。
图3 不同容量电容的阻抗特性曲线
ESR的存在，令电容的行为表现背离其原来的定义。比如说，理论上“电容两端的电压不能突变”，但实际上，ESR上会产生一定的压降，与突然施加的电流大小有关，令 电容不再遵循理论规律。又如，电容会因ESR上的功耗而产生内部发热。笔者曾将两只早期生产的10μF/ 16V高ESR电解电容，正常地接到微型计算机开关电源的5V输出两端。由于此处高频脉动电压较大，电容内部损耗产
生的热量加热内部气体，发出“吱吱”之声，竟在几秒内导致电容炸开，前后两次均是如此。
图2、图3显示了电容的实际阻抗特性。由于ESR以及ESL带来的影响，当频率上升到一定程度，即到了高频区，电容的阻抗不再遵从理论上的规律随频率的升高而降低。在图2中的低频段，电容的容抗在起主要作用，基本上还遵从理想电容的规律。在中间频率段，本应是ESL与C共同谐振而呈现阻抗深谷，但有ESR 的存在，改变了曲线的走向，换言之，ESR在这里起主要作用。在高频区，则是ESL在起主要作用。
图4 不同材质电容随频率变化的ESR曲线。图中方框（顺序为光左右、后上下）列出了所测电容的品种和规格，200/6表示200μF/6V，以此类推。第1、 2、4种为不同的钽电解电容，其中第1种为聚合物固态钽电解电容。第2种为较常见的二氧化锰固态钽电解电容，第4种为多层结构的二氧化锰固态钽电解电容。第3种为二氧化锰固态铌电解电容。第5种为MLCC即多层陶瓷电容，两只100μF/4V并联。第6种为低ESR铝电解电容。
图5 普通电解电容与低ESR电解电容的ESR曲线。上方曲线显示，普通电解电容在较大的频率范围内其ESR值变化并不大。
电容ESR的大小跟电容的制造有关。材质不同，ESR有区别。材质相同，则容量越大，ESR越小，约跟容量的开方成反比。同一品种的电容，耐压越高，ESR往往更低。就材质而言，电解电容的ESR明显高于薄膜电容。在电解电容中，铝电解电容的ESR又高于钽电解电容。在薄膜电容中，聚丙烯、聚苯乙烯等材料的电容ESR较小。一个对比例子是，1μF聚丙烯电容的ESR为10mΩ，而容量达1000μF的铝电解电容，其ESR为0.1Ω。 2.电容ESR表
电容ESR表是专用于检测电容ESR值的仪表。这种仪表向被测电容注入测试信号，通过检测电路中的电量变化，作出相应的变换后，以数字显示屏或指针表头作为终端，将被测电容的ESR值显示出来。
因电容本身有隔直作用，所以在测量时，电容ESR表必须要使用交流形式的测试信号。这一点与常见万用表测量电阻有显著的区别。从另一个角度看，电容ESR表测量的是“交流”电阻，万用表测量的是直流电阻。
与万用表一样，电容ESR表可以做成数字式，也可以做成模拟式。对于模拟式电容ESR表来说，使用指针表头作指示，因此，其电路最终需以直流电流形式来进行驱动。对于数字式电容ESR表来说，由于现在市场上有大量廉价的数字万用表专用A/D芯片（如ICL7106）供应，利用这些专用芯片来进行设计制作是较为直观可行的方法。A/D芯片输入的是直流电压，所以，数字式ESR表测量部分的电路有别于模拟式ESR表。此外，数字式电容ESR表还可以用微处理器（MCU）作为核心来实现，凭借其强大功能取代数字万用表专用A/D芯片，设计上更加灵活，电路形式上也迥异于前述两种。本文中笔者设计制作的电容ESR 表属于模拟式（指针式）。 3.国外自制情况
通过网上信息了解到，电容ESR表明显并不是仪器仪表大厂的正式产品——估计与LCR电桥已集成了它的功能有密切关系。目前，国内还没有电容ESR表的生产销售。在国外，电容ESR表主要流行于业余电子爱好者中，虽然已有微型公司或个人提供一些套件和成品的销售，但未成大气候，仍是以爱好者自制为主要形式。笔者曾用“ESR Meter Schematic”（即“ESR表 电路图”）作为关键词在网上搜索，可以找到很多介绍个人自制电容ESR表的网页，有美国、德国、意大利、俄罗斯等国家网友的作品或资料，看都看不过来。
图6 国外以套件或成品推出的电容ESR表。仪表面板所印的表格是用于帮助判断电解电容的好坏。最后一种（图中该表斜放置）有别于一般的指针表和数字表形式，是利用LED来指示ESR值所在区间，电路则使用MCU，可谓是数字式与模拟式的混合体。 二、电容ESR表的独到之处
电容ESR表的作用，用一句话概括，就是用于测量电容ESR值，凭此判断电容（主要是电解电容）的好与坏、正常与否。其功能虽然单一，但实用性很强，对检修电子设备带来莫大的帮助。众所周知，电解电容是电子设备中故障率最高、寿命和可靠性最差的元件之一，而电解电容的寿命在很多时候决定了设备的使用寿命。长久以来，广大电子爱好者普遍缺乏一种有效判别电解电容好坏的检测工具。电容ESR表的出现，正好可以填补这一空白。