Miernik RLC i interpretacja pomiarów

[Jado]

Witam,
Ten dział chyba mi najlepiej pasuje do tego tematu, bo nie ma działu poświęconego przyrządom pomiarowym i pomiarom jako takim (może warto by stworzyć? )

Stałem się posiadaczem współczesnego miernika RLC (handheld) i zastanawiam się właśnie nad interpretacją wyników jego pomiarów.
O ile pomiary wartości tradycyjnych R, L, C nie stanowią większego problemu (chociaż też nie do końca, bo mamy tu pomiary indukcyjności i pojemności w układzie szeregowym lub równoległym - do wyboru. Pytanie kiedy zastosować który układ (jak piszą w skromnych instrukcjach, zależy to od wartości wielkości mierzonej).

Gorzej jest z interpretacją wartości współczynnika rozpraszania w kondensatorach i ESR. Wartości te zmieniają się w zależności od częstotliwości pomiarowej, są różne dla różnych pojemności kondensatorów, itp...
Skąd wziąć wartości odniesienia tych parametrów określające czy dany kondensator mieści się w zakresie prawidłowych wartości czy może już wartości te dyskwalifikują dany element jako wadliwy?

W układach lampowych spotykamy często uszkodzenia kondensatorów polegające na wzroście upływności - sam posiadam kilkanaście takich wadliwych wylutów (kondensatory sprzęgające między anodą stopnia poprzedniego, a siatką następnego), ale współczynnik rozpraszania np. o wartości 0,2 zbyt wiele mi nie mówi (choć porównując go z kondensatorem mikowym czy styrofleksowym widać róznicę kilku rzędów wielkości, więc można się domyślać, że to niemało) - jaka jest prawidłowa wartość dla sprawnego kondensatora papierowego dla danej częstotliwości pomiarowej i pojemności tegóż kondensatora?

Może są gdzieś w internecie jakieś tabele tych współczynników dla różnych rodzajów kondensatorów, różnych ich pojemności i różnych częstotliwości pomiarowych - tak żeby można było sobie wyrobić opinię i mieć jakiś punkt odniesienia dla własnych pomiarów.

[Einherjer]

Noty katalogowe co lepszych producentów kondensatorów podają tangens kąta strat dla wybranych częstotliwości, bo rozumiem, że ten parametr masz na myśli. Możesz też zajrzeć tu http://www.google.pl/url?sa=t&rct=j&q=& ... 0881,d.bGg

[Jado]

Jeśli "dissipation factor" to tangens kąta stratności - to tak

Obawiam się, że tylko analiza porównawcza może dać w końcu jakies punkty odniesienia - dobry kondensator, z "podejrzanym"- ale to będzie dość żmudne.
Przemierzyłem kilka kondensatorów papierowych (takie zalane po bokach "biała smołą") - mam kilka takich, nie używanych (nie były lutowane). Pojemność znamionowa 0,1uF - w rzeczywistości mają 150nF.
Współczynnik rozpraszania (w/g zachodniej nomenkaltury) przy częstotliwości pomiarowej 100Hz wynosi 0,12, przy 100kHz - 0,044.
Natomiast kondensator styrofleksowy 0,1uF wykazuje współczynnik rozpraszania na poziomie 0,000 przy 100Hz i 0,020 przy 100kHz.
Jak widać dla kondensatora papierowego współczynnik ten wraz ze wzrostem częstotliwości maleje, a dla styrofleksowego rośnie.

Natomiast kondensator wyciągnięty z przedwojennego (1939r) odbiornika Mende (tez 0,1uF a faktycznie 183nF) przy 100Hz ma DF=0,27, a przy 100kHz DF=0,036 - natomiast co ciekawe wskazanie pojemności przy 100kHz zmalało do 130nF. Pytanie która jest właściwa Styroflex też zresztą wykazywał różnice w pojemności rzędu 2nF pomiędzy pomiarem dla 100Hz i dla 100kHz.

Najlepiej zachowują się jednak kondensatory mikowe - różnica w pojemności minimalna zarówno przy 100Hz jak i 100kHz (pojemność 27nF, 0,5%).

[Jado]

Poczytałem sobie trochę o kondensatorach - i w artykule wyżej wymienionym przez kolegę, i w książce J.Kotowskiego "Kondensatory", którą mam już od pewnego czasu na półce (ale dotychczas interesowały mnie inne aspekty tej pracy).
Okazuje się, że kondensator nieco zmienia swoją pojemność w zależności od "przyłożonej" częstotliwości dzięki zjawisku tzw. absorbcji dielektrycznej - co by wyjaśniało różnice wskazań miernika.

Zastanawiam się nad jedną sprawą - czy marne wartości ESR i stratności D, pokazują jednoznacznie, że kondensator ma upływność, czy też upływność wymaga osobnego pomiaru (np. jakimś czułym mikro amperomierzem, przy odpowiednio wysokim napięciu, temperaturze, itp...) .

Inna ciekawa sprawa to starzenie się kondensatorów i zmiana ich parametrów w związku z tym.
O ile utrata pojemności, upływność, przebicie - są wartościami dość jednoznacznymi, to ciekawe jest zjawisko wzrostu pojemności ponad wartość nominalną (tak jak wyżej, kondensator miał 150uF zamiast nominalnych 100).
Poprawcie mnie jeśli się mylę: Jeśli pojemność wzrosła, to zmniejszyła się grubość dielektryka czyli kondensator nie wytrzyma już nominalnego napięcia na jakie był wyprodukowany.
Pytanie dodatkowe - czy da się przywrócić nominalną pojemność kondensatora i inne parametry (np. formowanie czy wygotowywanie kondensatorów w parafinie)?
Próbowałem taki nadpojemnościowy elektrolit podformować podłaczając go na kilka godzin do napięcia znamionowego, ale nie widzę żadnej róznicy - może za krótko było?

[Einherjer]

Myślę, że wyższa niż znamionowa pojemność wynika po prostu z dużego rozrzutu produkcyjnego i należy się z niej tylko cieszyć Nie jestem co prawda fizykochemikiem, ale nie mam pojęcia jak miało by dojść do zmniejszenia grubości warstwy tlenku aluminium do tego stopnia, żeby pojemność kondensatora wzrosła o połowę. Formowanie ma na celu samoczynne naprawienie się uszkodzeń warstwy tlenkowej pod wpływem przepływu prądu upływu.

[Jado]

W książce T. Masewicza "Radioelektronika dla praktyków" wyczytałem następujące zdanie: "Kondensatory elektrolityczne powinny pracować w zasadzie pod napięciem bliskim temu, przy którym były formowane (napięcie znamionowe), gdyż np. kondensator formowany na napięcie 450V, a używany przy napięciu 150V, przeformuje się na napięcie robocze 150V. W kondensatorze tym dielektryk stanie się cieńszy i pojemność kondensatora zwiększy się."
Wynika z tego, że pojemność kondensatora elektrolitycznego nie jest dana raz na zawsze

Miałem dzisiaj tego potwierdzenie, bo znalazłem wśród swoich zbiorów radziecki kondensator elektrolityczny (taki aluminiowy, zalewany od spodu białą żywicą - znany z tego że często pada ) - pojemność znamionowa 200uF, a zmierzona ponad 400uF Inne parametry zresztą też okropne
Po podłączeniu do napięcia znamionowego 15V (nie od razu - najpierw mniejsze) najpierw wykazał jakąś ogromną upływność (dziesiątki mA), ale potem stopniowo "się uspokoił" i na koniec upływność spadła "tylko" do 7mA.
Po zmierzeniu pojemności miernik wykazał 198uF czyli zbliżoną do znamionowej. A więc cofnęło się
Pozostałe parametry jak wsp. strat i rezystancja szeregowa - nie zmieniły się, dalej pozostały okropne

Mam jednak kilka innych kondensatorów (polskie Elwy z lat 60-tych), w których ta sztuczka nie działa - był podłączony przez całą noc do napięcia znamionowego, a mimo to pojemność nie zmalała (a nawet minimalnie wzrosła ze 148uF na 150).
Czy to oznacza, że ten kondensator był formowany napięciem wyższym niż to podane jako jego nominalne? (15V). Spróbowałem potem podłaczyć go do napięcia wyższego o 5V (czyli 20V), ale zauważyłem powolny wzrost prądu upływu zamiast spadku i po kilku minutach odłączyłem.
Może jednak trzeba było dać mu szansę i potrzymać dłużej na tych 20V?

[Einherjer]

To ciekawe, dobrze się dowiedzieć czegoś nowego Z tego co piszesz wynika, że proces jest odwracalny i można przywrócić nominalną pojemność. Ciekawe czy udałoby się to powtórzyć z nowym kondensatorem. Wziąć np. taki na 250V, potrzymać go pod niskim napięciem, zmierzyć pojemność, a potem uformować na właściwe napięcie i znowu zmierzyć pojemność.

[painlust]

Nigdy nie formowałem elektrolitów na niskie napięcia, ale te na wysokie foruje praktycznie zawsze i to na napięcia wyższe od znamionowych. Za to radzieckich elektrolitów na wysokie napięcia nigdy nie udało mi się uformować.

[Romekd]

Czołem.

W książce T. Masewicza "Radioelektronika dla praktyków" wyczytałem następujące zdanie: "Kondensatory elektrolityczne powinny pracować w zasadzie pod napięciem bliskim temu, przy którym były formowane (napięcie znamionowe), gdyż np. kondensator formowany na napięcie 450V, a używany przy napięciu 150V, przeformuje się na napięcie robocze 150V. W kondensatorze tym dielektryk stanie się cieńszy i pojemność kondensatora zwiększy się."
Wynika z tego, że pojemność kondensatora elektrolitycznego nie jest dana raz na zawsze

Panowie, nie wiem co o tym sądzić... Doświadczenie podpowiada mi, że przytoczona powyżej teoria o rosnące z czasem pojemności kondensatorów zasilanych niższym od znamionowego napięciem jest jednak mocno naciągana... Duża pojemność kondensatów aluminiowych nie wynika jedynie z znacznej wartości stałej dielektrycznej tlenku aluminium i jego małej grubości, ale też z faktu dużej powierzchni anody, która jest tak duża gdyż nie jest gładka - w wyniku procesu utleniania aluminium tworzą się nierówności (dziury, pory) znacznie zwiększające efektywną powierzchnię elektrody i znajdującego się nia niej dielektryka. Wielokrotnie mierzyłem pojemność kondensatorów pracujących pod znikomym w stosunku do znamionowego napięciem i ich pojemność nie była jakoś znacząco wyższa od nominalnej. Kondensatorom leżącym przez kilkanaście lat w szufladkach w warsztacie też jakoś nie przybyło pojemności... W układach sprzężenia zwrotnego tranzystorowych końcówek mocy, zasilanych napięciem symetrycznym, kondensatory o dopuszczalnym napięciu 16 V, 25 V i 50 V przez dziesiątki lat pracują pod napięciem stałym rzędu ułamka wolta, i co? Kompletnie nic - ich pojemność jest bliska znamionowej lub nieco od niej mniejsza...
Stosowanie się do zasady "Kondensatory elektrolityczne powinny pracować w zasadzie pod napięciem bliskim temu, przy którym były formowane(...)" jest nierealne i pozbawione sensu - spróbujcie obecnie kupić kondensator elektrolityczny o pojemności 1...10 μF i napięciu dopuszczalnym niższym od 50 czy nawet 100 V... Zdecydowana większość kondensatorów elektrolitycznych eksploatowana jest pod napięciem dużo niższym od dopuszczalnego. Poza tym folia kondensatorów elektrolitycznych była trawiona pod napięciem wyższym od dopuszczalnego napięcia, na jakie wykonany jest dany kondensator.

Pozdrawiam
Romek

[Jado]

Zrobiłem dalszy eksperyment.
Poprzednio, po podłączeniu kondensatora (Elwa 100uF/15V z roku 1961) do napięcia znamionowego 15V na niecała dobę, zauważyłem, że jego pojemność nieco wzrosła (ze 148uF na 150,2uF).
Z tego wynikało by, że kondensator był formowany fabrycznie napięciem wyższym niż owo znamionowe, a po przeformowaniu na 15V pojemność wzrosła.
Stąd wniosek, że jeśli chcę uzyskać zmniejszenie pojemności kondensatora, to muszę dać wyższe napięcie.
No i tak zrobiłem - tym razem dałem napięcie 20V (czyli wyższe od znamionowego o 5V) i tak potrzymałem przez niecała dobę znowuż.
Początkowo prąd wzrastał (jak pisałem wyżej), ale nie zrażając się tym, trzymałem nadal podwyższone napięcie.
Po jakimś czasie prąd zaczął powoli spadać, choć nie osiągnął wartości jaka była przy napięciu 15V (było trochę więcej, aczkolwiek może to wynikać po prostu z wyższego napięcia przy jakim testowałem prąd upływu).
Po odłączeniu od napięcia formującego i rozładowaniu kondensatora miernik pojemności wskazuje, że pojemność kondensatora zmniejszyła się - ze 150,2uF na 142,8uF.
Gdyby zatem jeszcze zwiększyć napięcie formujące (do 25V, może 30V) lub może wydłużyć czas formowania, to osiągnelibyśmy w końcu zmniejszenie pojemności do znamionowych 100uF.

Pozostałe parametry jak stratność D, ESR i dobroć prawie się nie zmieniły.

Tak więc - ciekawe, bardzo ciekawe

[Einherjer]

Jado, uważam, że zmiana z 148 uF na 150,2uF to zmiana, którą trudno uznać za istotną. Mogła równie dobrze wynikać z innej temperatury, błędu pomiarowego itd.

[Jado]

Trzeba to będzie jeszcze zbadać oczywiście. Nie chcę tutaj wypowiadać żadnych kategorycznych opinii, bo jak się przekonałem, tylko mi się wydawało, że coś wiem o kondensatorach

Co ciekawe spadek pojemności kondensatora (w dzisiejszym eksperymencie), trwał jeszcze przez jakiś czas po odłączeniu od napięcia formującego i w tej chwili osiągnięta pojemność wynosi 142,13uF.
Widać procesy elektrochemiczne działają z pewnym opóźnieniem.

[Romekd]

Co ciekawe spadek pojemności kondensatora (w dzisiejszym eksperymencie), trwał jeszcze przez jakiś czas po odłączeniu od napięcia formującego i w tej chwili osiągnięta pojemność wynosi 142,13uF.
Widać procesy elektrochemiczne działają z pewnym opóźnieniem.

Problem polega na tym, że nie wiadomo co tak naprawdę mierzyłeś. Mostek RLC zmienia wartości wskazań w zależności od załączonej metody pomiarowej. Upływność, rezystancja szeregowa i indukcyjność szeregowa kondensatora niestety mogą wpływać na wskazania mostka, a różnice mogą być mniejsze lub większe, w zależności od ustawionej częstotliwości pomiarowej, amplitudy sygnału i wybranego obwodu pomiarowego (szeregowy Cs lub równoległy Cp). Schemat rzeczywistego kondensatora można przedstawić jak na załączniku poniżej:

Rezystancja szeregowa ESR jest bardzo zależna od temperatury kondensatora (widać jej zmiany gdy podgrzewamy kondensator trzymając go w rękach), upływność zależy od wartości przyłożonego napięcia i czasu jaki minął od momentu jego podania na kondensator. Poza tym im mniejsza pojemność tym większa powinna zostać ustawiona częstotliwość pomiarowa w mostku RLC. Dla pewnych zakresów pojemności istnieje optymalna częstotliwość przy której mostek wykazuje największą dokładność. Od lat posługuję się mostkiem firmy MOTECH, typ MT4090, w instrukcji którego można sprawdzić jaką ustawić częstotliwość sygnału pomiarowego dla danej pojemności kondensatora by pomiar cechował się jak najmniejszym błędem (dla MT4090 może on wynosić 0,1%):

Gdy ESR kondensatora jest bardzo niskie, szczególnie przy wyższych częstotliwościach sygnałów, mostek ten ma czasem problemy z pomiarem parametrów kondensatora i wówczas pomaga np. obniżenie napięcia pomiarowego z 1 V do 250 mV lub 50 mV. Obniżenie napięcia pomiarowego pozwala czasami mierzyć parametry kondensatorów bez potrzeby wyciągania ich z układu, co jest bardzo wygodne (elementy takie jak diody, stabilizatory i tranzystory nie przeszkadzają wtedy w pomiarze). Do oceny stanu kondensatora dla mniej jeszcze doświadczonych elektroników mogą się okazać bardzo pomocne dostępne w necie tablice typowej wartości ESR dla danej wartości pojemności kondensatora, a jeszcze lepiej dane zawarte w nocie katalogowej danego typu kondensatora.

https://www.google.pl/search?q=table+es ... igB#imgrc=_

Podawanie i analiza parametrów kondensatorów elektrolitycznych dla sygnałów o wyższych częstotliwościach nie ma większego sensu, gdyż reaktancja pojemnościowa kondensatora może być dla nich nawet o kilka rzędów wielkości mniejsza niż rezystancja szeregowa (ESR) kondensatora. Np. pojemność 1000 μF dla częstotliwości 100 kHz będzie wykazywała reaktancję równą ok. 15 mΩ, a przy tej pojemności zwykły kondensator może mieć ESR na poziomie np. 150 mΩ. Nawet w kondensatorach niskoimpedancyjnych wartość ESR dla takiej pojemności i częstotliwości będzie porównywalna z wartością reaktancji pojemnościowej, czyli dobroć Q kondensatora będzie wyjątkowo niska.
Wracając do pomiarów mostkiem, wykonałem mały eksperyment - zmierzyłem mostkiem pojemność kondensatora 100 μF/25 V (Rubicon ZL) przy trzech częstotliwościach (100 Hz, 1 kHz i 10 kHz). Następnie szeregowo z kondensatorem włączyłem rezystor 10 Ω i powtórzyłem pomiary. Kolejne pomiary przeprowadziłem włączając rezystor 10 Ω równolegle z kondensatorem. Wyniki zamieściłem w tabeli poniżej (ciekawsze odczyty zaznaczyłem zieloną obwódką):

Dokonując pomiary mostkiem warto wiedzieć jak przy danej metodzie pomiarowej upływność i ESR kondensatora mogą wpływać na wskazania miernika.

Myślę, że takie zjawiska jak umiarkowana upływność i absorpcja dielektryczna nie mają dużego wpływu na wskazania mostka, gdyż albo w stosunku do impedancji kondensatora są zbyt małe, albo przebiegają stosunkowo wolno (absorpcja d.)...
Produkowane obecnie kondensatory elektrolityczne mają typową tolerancję ±20%. Kiedyś produkowano kondensatory z tolerancją pojemności -20...+80%, przez co mierząc stare kondensatory może nam się wydawać, że ich pojemność wzroła od "leżakowania"... W rzeczywistości większość kiedyś produkowanych kondensatorów już w momencie produkcji cechowała się wyższą o ok. 50% pojemnością od nominalnej Obecnie produkowane przeważnie mają pojemność mniejszą o ok. 5...15% (oszczędności materiałów... ).

Pozdrawiam
Romek

[Jado]

No trzeba przyznać, że wybór właściwych parametrów pomiaru dla danego typu kondensatora wymaga sporej uwagi, wiedzy, doświadczenia, itd...- stąd też tytuł tego wątku

Dzięki za dodatkowe materiały - zawsze się przydadzą dla lepszego zrozumienia pomiarów kondensatorów
Jak pisałem wyżej potrzeba materiałów, aby móc właściwie ocenić badany kondensator, żeby mieć punkt odniesienia, żeby stwierdzić czy dane parametry kondensatora są w normie, lepsze czy może wskazują na uszkodzenie kondensatora.
Choć nie wiem czy najlepszym punktem odniesienia nie będą rzeczywiste kondensatory "wzorcowe", uznane jako sprawne dla danego typu i pojemności (bo może sam mostek pomiarowy też posiada własne algorytmy pomiaru, i mogą być różnice).

Jeśli chodzi o badany kondensator 100uF/15V, to pomiaru dokonywałem przy częstotliwości 100Hz (C=140uF, po formowaniu).
Natomiast przy 1kHz miernik pokazuje już 125uF, a przy 10kHz już tylko 100uF.
Pomiary przy wyższych częstotliwościach (w/g definicji) odrzucam, więc pojemność 140uF należy uznać za najbardziej zbliżoną do rzeczywistej.
Pytanie teraz czy pojemność rzeczywiście efektywnie spadła przy większych częstotliwościach czy to miernik "głupieje" i podaje takie wartości, bo do głosu dochodzą pozostałe parametry kondensatora (stratność, ESR, upływność).
Oczywiście pomiaru pojemności tego kondensatora przed formowaniem i po, dokonywałem na tej samej częstotliwości 100Hz. Pozostałe parametry tj. ESR i D nie zmieniły się - jak pisałem wyżej.

Z tego co wyczytałem, to od temperatury znacznie zależy też współczynnik przenikalności dielektryka od którego zależy pojemność - zatem mówienie o stałości pojemności kondensatorów jest mocno przesadzone
Do tego dochodzi wpływ wilgotności, a nawet ciśnienia atmosferycznego dla niektórych typów kondensatorów.

Jeżeli wszystkie dawne kondensatory miały zawyżoną pojemność, to jak to się ma do dopuszczalnej max pojemności kondensatorów po lampie prostowniczej (nie może być za duża, bo szybko ukatrupi lampę).
Czy te kondensatory były jednak jakoś specjalnie selekcjonowane czy też może "wieści o rychłej śmierci lampy z powodu zbyt dużej pojemności pierwszego kondensatora filtru, są mocno przesadzone"
Przy silnym nagrzaniu kondensatora (od lampy, transformatora, itp...) pojemność ta jeszcze ulega zmianie na plus.

Pytanie o ew. wzrost pojemności kondensatorów jako efektu starzenia (czy też nieużywania) ponad wartość znamionową może mieć znaczenie w kontekście np. przyrządów pomiarowych.
Sam posiadam jeden taki (miliwoltomierz w.cz) i po zmierzeniu wszystkie kondensatory elektrolityczne wykazywały zwiększoną pojemność (o innych parametrach nie powiem, bo nie miałem wówczas mostka RLC). Czy ew. zmiana pojemności tych kondensatorów może mieć znaczenie dla prawidłowości wskazań (lub nawet działania) tego przyrządu? Czy też mam założyć, że te pojemności nie zmieniły się (takie były od nowości) lub zmieniły się nieznacznie?

[^ToM^]

Jak już czytacie to looknijcie do załącznika. Książka udostępniona na zasadach bibliotek wirtualnych, więc można rozpowszechniać do użytku osobistego.
Miłej lektury!