ESRメーター

ESR メーターは、2 端子の電子 測定器で、主に実際のコンデンサの等価直列抵抗(ESR)を測定するために設計および使用されます。通常、コンデンサを接続されている回路から取り外す必要はありません。通常の静電容量メーターなど、日常的な保守に使用される他の種類のメーターは、コンデンサの ESR の測定には使用できませんが、ESR と回路外静電容量の両方を測定できる複合メーターは使用できます。標準的な ( DC ) ミリオームメーターまたはマルチメーターは、コンデンサに安定した直流電流を流すことができないため、ESR の測定には使用できません。ほとんどの ESR メーターは、コンデンサに関連しているかどうかに関係なく、非誘導性の低抵抗値の測定にも使用できます。これにより、以下で説明するいくつかの追加アプリケーションが可能になります。

アルミ電解コンデンサは比較的高いESRを持ち、経年変化、熱、リップル電流とともに増加するため、それらを使用している機器の故障の原因となる可能性があります。古い機器では、これがハム音や動作低下の原因になる傾向がありましたが、最近の機器、特にスイッチング電源はESRに非常に敏感で、高ESRのコンデンサは機器の故障や修理が必要な恒久的な損傷を引き起こす可能性があり、通常は電源電圧が高くなりすぎます。^[1]それでも、電解コンデンサは安価で単位体積または重量あたりの静電容量が非常に大きいため、非常によく使用されています。通常、これらのコンデンサの静電容量は約1マイクロファラッドから数万マイクロファラッドです。

故障により ESR が高くなるコンデンサは、多くの場合過熱し、その後、電解質化学物質がガスに分解して膨らんだり液漏れしたりするため、目視で簡単に識別できます。ただし、見た目に問題がないコンデンサでも、測定によってのみ検出できる高い ESR が残っている場合があります。

ESR の正確な測定が必要になることはほとんどなく、トラブルシューティングには使用可能なメーターであればどれでも十分です。精度が必要な場合は、ESR は周波数、印加電圧、温度によって変化するため、適切に指定された条件下で測定を行う必要があります。固定周波数と波形で動作する汎用 ESR メーターは、通常、精密な実験室測定には適していません。

ESR の測定は、コンデンサのリアクタンスが無視できる周波数で、電圧分割器構成で交流電圧を印加することによって行うことができます。簡単な方形波発生器とオシロスコープ、または数十キロヘルツの正弦波発生器とAC 電圧計で構成された即席の ESR メーターを使用し、比較用に既知の良好なコンデンサを使用するか、少し数学を使用することで、トラブルシューティングに十分な ESR を簡単にチェックできます。^[2]

複数のコンデンサを迅速にチェックするには、プロ仕様の ESR メーターの方が便利です。標準的な測定ブリッジ、および多くのLCR メーターとQ メーターでも、他の多くの回路パラメータに加えて、ESR を正確に測定できます。専用の ESR メーターは、比較的安価で適度な精度の特殊用途の計測器であり、主に許容できないほど大きな ESR を持つコンデンサを特定するために使用され、場合によっては他の低抵抗を測定することもあります。他のパラメータの測定はできません。

ほとんどの ESR メーターは、実際の電解コンデンサ (不要な抵抗である ESR と直列に接続された理想的なコンデンサとほぼ同等) を放電し、短時間 (感知できるほど充電されない程度に短い時間)電流を流すことで動作します。これにより、電流と ESR の積にコンデンサの小さな電荷による無視できる寄与を加えた電圧がデバイス全体に発生します。この電圧を測定し、その値を電流 (つまり ESR) で割ります。この電圧は、デジタル ディスプレイにオームまたはミリオームで表示されるか、スケール上のポインターの位置で表示されます。このプロセスは、1 秒間に数万回から数十万回繰り返されます。

あるいは、コンデンサのリアクタンスがESR よりはるかに小さくなるように十分に高い周波数の交流電流を使用することもできます。回路パラメータは通常、約 1 マイクロファラッド以上の静電容量に対して意味のある結果が得られるように選択されます。この範囲は、ESR が許容できないほど高くなる傾向がある一般的なアルミニウム コンデンサをカバーします。

許容可能な ESR 値は静電容量に依存し (通常、コンデンサが大きいほど ESR は低くなります)、「標準」値の表から読み取ったり、新しいコンポーネントと比較したりできます。原則として、コンデンサ メーカーの ESR の上限仕様はデータシートで調べることができますが、これは通常不要です。ESR が重大なコンデンサが劣化すると、ESR の増加に伴う電力消費によって通常急激かつ大幅な暴走増加が発生します。そのため、ESR は明らかに許容可能なレベルから明らかに許容不可能なレベルに急速に移行することが多いため、通常は合格/不合格の測定で十分です。数オームを超える ESR (大型コンデンサの場合はそれ以下) は許容できません。

実際の回路では、ESR はコンデンサと並列になっている他の抵抗よりもはるかに低いため、コンポーネントを切断する必要はなく、回路内測定を行うことができます。実際の ESR メーターは、回路内に存在する可能性のある半導体接合をオンにするには低すぎる電圧を使用します。これにより、測定に干渉する低い「オン」インピーダンスが発生する可能性があります。

• ESR メーターはコンデンサの静電容量を測定できません。コンデンサを回路から切り離し、静電容量メーター(またはこの機能を備えたマルチメーター) で測定する必要があります。許容範囲外の静電容量は、許容可能な ESR を持つコンデンサではまれですが、アルミニウム電解コンデンサでは、過剰な ESR が識別可能な問題である可能性がはるかに高くなります。
• 故障した短絡コンデンサは、ESR メーターによって、理想的には低い ESR を持つと誤って識別されますが、オームメーターまたはマルチメーターは、実際には高い ESR を持つ場合よりもはるかにまれなこのケースを簡単に検出できます。テスト プローブをESR メーターとオームメーターに並列に接続して、1 回の操作で短絡と ESR の両方をチェックすることができます。一部のメーターは、ESR を測定し、短絡を検出します。
• ESR は動作条件 (主に印加電圧と温度) によって異なります。動作温度と動作電圧で過度の ESR を示すコンデンサは、冷えた状態で電源が入っていない状態で測定すると、正常と判定される場合があります。このような断続的なコンデンサによる回路障害は、凍結スプレーを使用することで特定できます。コンデンサを冷却すると正常な動作に戻る場合は、コンデンサに障害があります。
• ESR メーターは、残留電荷が蓄積されているか、通電中の回路にあるため、大きな電圧がかかったコンデンサに接続すると損傷を受ける可能性があります。入力に保護ダイオードを接続すればこのリスクは最小限に抑えられますが、その場合、メーターはバッテリーの内部抵抗の測定に使用できなくなります。
• ESR メーターをミリオームメーターとして使用する場合、テスト プローブ間に大きなインダクタンスが存在すると、測定が意味をなさなくなります。たとえば、ESR メーターは誘導特性があるため、変圧器の巻線の抵抗測定には適していません。この影響は非常に大きいため、コイル コード付きのテスト プローブはインダクタンスがあるため使用しないでください。

ESR メーターは、より正確にはパルスまたは高周波 AC ミリオームメーター (タイプによる) と呼ばれ、低抵抗の測定に使用できます。入力に保護ダイオードが背中合わせに付いていない ESR メーターは、バッテリーの内部抵抗を測定できます (多くのバッテリーは、 EMF の低下ではなく、主に内部抵抗の増加により耐用年数を終えます)。使用する回路によっては、ESR メーターを使用して、スイッチの接触抵抗、プリント回路(PCB) トラック のセクションの抵抗などを測定することもできます。

隣接する PCB トラック間の短絡を検出する専用機器もありますが、ESR メーターは、回路内の半導体接合をオンにして読み取りを混乱させないほど低い電圧を注入しながら低抵抗を測定できるため便利です。ESR メーターは、短絡を見つけるために使用でき、プリント回路のトラックまたはワイヤで並列に接続されたコンデンサまたはトランジスタのグループのどれが短絡しているかを見つけることもできます。従来のオームメーターとマルチメーターの多くは非常に低い抵抗には使用できません。また、低抵抗を測定できるものは通常、半導体接合をオンにするのに十分な高さの電圧を使用するため、^[3]抵抗の読み取り値が誤ってしまいます。

ピンセットプローブは、表面実装技術で作られた機器など、テストポイントの間隔が狭い場合に便利です。ピンセットプローブは片手で持つことができ、もう一方の手はテスト対象の機器を固定したり操作したりするために自由に使用できます。

回路内 ESR を測定する最初の主要なデバイスは、Carl W. Vette の 1978 年の「米国特許 #4216424: 電解コンデンサをテストする方法と装置」に基づいています。^[4] Creative Electronicsのブランドで販売されています。Creative ElectronicsのESRメーターは、特許期間中、多くの人が使用した主な機器でした。特許は1998年に失効し、他の多くの企業が市場に参入しました。

追加の特許により、元の研究は拡張されました。これには、John G. Bachman の 2001 年の「米国特許 #6677764: 充電されたコンデンサから電子テスト機器を保護するシステム」が含まれます。 ^[5]

• Qメーター
• LCRメーター