电容ESR表

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。

图7 国外网友自制的指针式电容ESR表。

其中，右边的表以ESR值标示刻度，左边的表以电容好坏（good与bad）来标示刻度。

由于设计上的特殊性，电容ESR表具备了如下独到之处：
1.鉴别电解电容好坏，判断准确率高
从前面的介绍可以知道，ESR是直指电容性能缺陷的参数。

无论是电解电容漏液、干涸这类常见问题，还是电解液失去活性这种隐蔽问题，都可以通过电容ESR 表检测出来。

套用外国一位制作者的话说：可以找出95%以上有问题的电解电容。

他没说100%，背后一个重要原因是，电容ESR表（非特殊设计的）不能检出电容两接点之间存在的短路性故障。

幸好，电容出现这种短路性故障的概率，远低于电容自身失效的概率。

纵使电容出现短路性故障、又或者与其并联的器件出现短路性故障，电路的外在表现将十分明显，容易被普通万用表检查出来。

比如，电容两端的电压、直流电阻远低于正常值。

图8 LCR电桥照片（非按同一比例拍摄）。

后两种为台式，实物比前两种的手持式大得多。

2.可在路测量，无需将元件拆下，大幅提升检测效率
笔者所称的“在路测量”，是指不将元件从电路板上拆下、又不通电时对元件进行的检测。

不少人都知道，常见的二极管、三极管、电阻等分立元件可以用万用表进行在路检测，找出故障元件的成功率还颇高。

而电容却不行，因为需要交流信号驱动，万用表对此无能为力。

由于电子设备普遍都要使用电解电容，有些设备的使用量甚至超过一百只。

在路测量所带来的方便性，使得检修者能够从容应对，大大减轻了工作量，个中意义殊为重要。

3.体积小、重量轻、耗电省，携带方便，使用简单灵活
电容ESR表用电池供电，可做成便携式，打开电源开关即可使用，无需繁琐的设置。

LCR电桥虽已具备了电容ESR表的功能，但是售价高，测试频率最高仅 1kHz的低档国产LCR电桥售价也要超过千元，让囊中羞涩的爱好者望而却步。

LCR电桥大多属于台式仪器，体积大、重量重，而且需外接市电才能工作，使用时拖着一条尾巴，让人觉得处处不便。

而手持式LCR电桥的测试电平一般是
固定的，典型值为0.3Vrms（即848mVpp）。

这样的电平，已达到很多半导体器件的导通阀值，导致在路测量的部分结果变得不可靠。

4.电路和构造比较简单，成本低，容易普及，便于爱好者自制
这种表制作难度不高，有动手能力的爱好者，都可以独自完成。

笔者的电容ESR表，是利用原来闲置的MF500指针万用表进行制作，扣除设计修改和调试时间后，实际制作时间不足一天。

材料方面，除原有的MF500表外，都是利用手头常备的元器件，最值钱的是一只1μF/400V MKP电容，其余的不值一提。

装在电路板上的新购元件，仅运放IC两块，花费共人民币5元。

三、电容ESR表的威力
过去我们检修电器，检查电解电容多依靠简陋而带有严重缺陷的方法。

一是进行外观检查，看看电容周围有没有漏液或外壳鼓包开裂。

但是，除电解液干涸的电容外，有些漏液的电容还由于被本身及周围元件所遮挡，不拆下来作检查，往往成为漏网之鱼。

在笔者制作电容ESR表之前，曾检修一台不能正常工作的美国Metcal公司早期生产的PS2V焊台，通过外观检查没有发现任何电解电容有异常，一时之间也找不出故障点。

因缺少图纸，后费了很大精力跟踪电路故障，最后追踪到焊咀检测电路，怀疑为其供电的辅助电源出问题。

最后才下决心拆下这组电源中外观完好的1000μF/50V电解电容来检查，发现其底部已有漏液痕迹，测量确认已失去大部分容量，更换后即恢复正常。

二是将电容拆下来，用指针表或电容表检测其容量。

但是，“拆时容易装回难”，装回去还需预先清理焊盘过孔，这种方法甚费功夫。

因此，检修者多是在有理由怀疑的情况下才选择采用这种方法。

纵然如此，仍是有可能漏掉出问题的电容，因为某些电路位置对电容的品质要求甚高，电容没有失容，不等于没有问题。

经常维修的笔者好友就曾多次遇到这样的事情，富有经验的维修者会根据电路情况采用代换法。

三是代换法，用好的电容换掉有疑问的电容。

这种方法基本可解决前一种的遗漏问题，但这也是无可奈何的做法。

不仅拆装麻烦，而且需要提前备有同样规格的电容，很多时候检修者并无这样的准备。

万一预判有误，同样像前一种方法那样白花了时间和精力。

有了电容ESR表，不用拆下电容，只要断开电器的供电，就可以直接用它进行测量。

检测电解电容，变成了一件轻松的事情。

笔者自从制作成功后，因为没有了拆装电解电容这一麻烦事的困扰，凡是稍有怀疑的，就立即将电路板上的所有电解电容（还包括部分非电解电容）检测一遍。

虽然命中率很低，但所费时间也很少，不会构成负担，能给检修成功提供保障。

就上面所述Metcal的PS2V 焊台维修一事来说，若有电容ESR表相助，完全可以在前期的检查中找到故障元件，不用再花大半天时间才解决问题。

作为电容ESR表的主要检测对象，电解电容出现在几乎所有电子设备中。

尤其是电解电容在电源电路中扮演着重要的角色，电源一旦出现问题，将给整个电路带来全局性的影响，有时还会引发各种各样的奇怪症状，让人难以捉摸。

为此，熟悉维修的人员都会慢慢养成先从电源开始追踪检查电路故障的习惯。

换一个角度看，这样的检修顺序确实符合电路运作的规律。

如果使用电容ESR表，那么，在动用万用表之前，它就可以发挥前锋的作用。

随着时代的发展，采用开关电源供电的电子设备越来越多。

与传统的工频电源相比，开关电源对电容的ESR特性要求也更高。

因此可以推断，电容ESR表的用武之地将越来越广阔。

目前，二手电器市场交易日趋活跃。

很多家庭，也包括电子爱好者，都已经拥有一些较旧的电器。

部分人出于省钱、爱好、收藏或其他原因，还特意选购二手电器。

这些电器已使用多年，故障发生率高，有时修好了旧故障，不久又出现新故障，需重新维修。

主要原因是电器内部的元器件老化，电子设备中又以电解电容为甚。

为恢复生机，个别爱好者“宁可错杀三千，不可放过一个”，干脆将所有电解电容更换。

这不失为一种比较稳妥的办法，但对于内部电路复杂的设备来说，从元件准备到拆焊，都十分消耗精力，论效益并不是很合算。

如果有电容ESR表帮助检测，就可以有的放矢地进行电解电容的更换了。

2 测量原理及国外典型电路分析
严格地说，电容ESR表应测量真正的ESR。

由于这种测量需要避开电容容抗、内部的ESL等因素影响，难度比较高，电路将变得十分复杂。

所以，电容ESR表一般都是测量电容的交流阻抗，以此作为电容的ESR值来读取。

指针式电容ESR表的测量原理1图9 指针式万用表测量电阻的原理图10
图11 指针式电容ESR表的测量原理2
图12 指针式电容ESR表的测量原理3
一、指针式万用表测量直流电阻的原理
在了解电容ESR表工作原理之前，先看看我们平时经常接触到的指针万用表是如何测量直流电阻的。

普通万用表的欧姆挡基本原理如图9所示。

图中，Rs为整个表的内阻，Rx为被测电阻。

M为表头，但这个表头不是实物上的表头，而是实物表头经过电流量程的扩展而得到的。

V为直流电压源，实际为内部的电池。

V、Rs、Rx构成一个回路，根据欧姆定律得到公式：I=V/(Rs+Rx)。

I为测量回路中流过的电流，也流过表头。

显然，通过这个公式，I与Rx构成了一一对应的关系。

指针表的表头实际为电流表，表针直接指示的是电流I，所以，所有指针式万用表都是遵从这一公式的规律绘制欧姆刻度的。

从公式推导得到：当Rx=∞时，I=0；当Rx=0时，I为最大值，Imax=V/Rs。

这与我们所知道的欧姆刻度是一致的：表针满幅的位置（即满幅电流 Imax位置）标为0Ω，表针起始的位置（即电流为0位置）标为无穷大，欧姆刻度的大小方向与电流挡（以及电压挡）刻度刚好相反。

当Rx=R s时，I为 Imax的一半，因指针是指示电流，故指针指向刻度中央。

所以，指针万用表的欧姆刻度中心值就是整个表（即测量电路）的内阻值！这对于所有欧姆挡位都成立。

欧姆挡位不同时，表头M有不同的电流量程。

这是利用高灵敏度的实物表头，通过串、并电阻而扩展得到的。

这一个电流量程的扩展是线性的，因此，可视为一项线性的传递。

也因为扩展是线性的，所以能保证在不同欧姆挡位下，使用同一张刻度纸仍有十分接近的测量精度。

实际的万用表中，为迁就电池电压V的变化，各个欧姆挡位表头M的满幅电流值Imax是可以微调的，这由欧姆调零电位器来实现。

但欧姆调零电位器的改变，设计时已注意不能令整个表的内阻产生变化，否则，读数就不准。

这是因为，欧姆刻度是按固定的内阻来绘制的。

二、电容ESR表的测量原理
根据指针万用表测量直流电阻的方法，容易得到如图10所示的指针表头用于测量电容ESR的概念电路。

由于被测对象Rx是交流阻抗，因此，V为交流电压源，表头M为交流电流表， Rs为测量电路的交流内阻。

测量回路中流过的电流随着Rx的变化而变化，由这一电流驱动交流表头，以此指示被测交流阻抗值。

但是，常见的表头都是直流表头，即使能找到交流表头，也因灵敏度过低而不能使用。

因此，图1 0所示的测量电路需改为图11的形式。

在测量电路中，通过电阻 R来检测测量回路中的电流，以电压形式输出——此时由电阻R完成了I/V变换。

经过AC/DC变换为直流电压，加到直流表头M——同时由表头M的内阻完成 V/I变换。

这样，测量回路中流过的电流I被传递到了直流表头M，因此，直流表头M可指示出Rx的测量值。

图11中的AC/DC变换要靠二极管整流来实现。

而我们设计的ESR表，因为要具备在路测量功能，不允许将测量电平设得过高而令二极管等半导体器件能够导通。

这样，AC/DC变换与在路测量这两者之间，就存在着矛盾。

为解决这一矛盾，实际的电容ESR表需加入电压放大电路，如图12所示。

在测量回路中，流过的电流I仍遵从公式I=V/（Rs+Rx），其中，Rs为测量电路的内阻。

对于这一概念电路，Rs等于检测电阻R。

实际电路中，Rs等于检测电阻R加上测量信号源V的内阻。

若电流I被传递到表头M的整个过程是线性的，那么就可以按I=V/（Rs+Rx）的规律来绘制表头刻度。

反过来，假如表头有现成的欧姆刻度，只要让Rs与刻度中心值相等，并且在测量回路出现最大电流Imax（=V/Rs）时，让表头M达到满幅电流，那么这现成的欧姆刻度就可以利用起来。

这说明，我们可以直接使用指针万用表来改装电容ESR表，不需重新绘制欧姆刻度，但须注意满足两个条件：
一是要让测量电路的内阻与欧姆刻度的中心阻值一致。

比如，MF500万用表的刻度中心值为10Ω，测量信号源的内阻加上检测电阻R的总和也须为10Ω。

二是要将测得的电量（电流）线性地传递给表头，并且还要使得测量回路有最大电流时，表头指针刚好指向满幅位置——也就是线性传递的增益要合适。

否则，就不能建立刻度指示值与所测值的一一对应关系。

更进一步，如果要变通使用原欧姆挡刻度，那么只要符合上述两个条件，就可以像指针式万用表那样，进行倍率的变换。

换言之，可以按自己的设计意愿来利用原欧姆挡刻度。

比如，TR-360指针万用表的刻度中心值为20Ω，出于提高低阻显示分辨率的要求，想将此中心值改为5Ω。

那么，就要将测量信号源的内阻设为5Ω，读取数据时乘以1/4（即倍率乘以0.25）即可。

有些指针式电容ESR表电路的电流传递过程并不是线性的。

比如，没有利用运放加入反馈来改善线性，而是直接使用二极管作非线性整流，如图13和图14所示的电路。

由于二极管的电流与压降的关系呈指数特性，因此，即使测量回路一样，其刻度也不同于指针式万用表，其低阻值区的分辨率会更高。

这是一个优点。

但对于DIY者来说，没有现成的刻度可利用，需专门绘制，这又是一个缺点。

绘制刻度，实际上是建立被测阻值与显示值的一一对应关系。

对于功能强大的MCU来说，十分擅长于此项工作。

因此，可以降低对电路线性的要求，测量回路也可以有更灵活的实现方式，使用MCU 的数字式ESR表也就具备了简化电路的先天条件。

如果不使用MCU，而是使用ICL7106这类A/D 芯片来制作数字式 ESR表，则由于对输入有线性要求，表头显示的又是电压。

因此，测量信号源需做成具有固定输出的交流恒流源I，以便建立V=IRx的线性关系；后面的电压放大和AC/DC变换电路，也要求有良好的线性。

三、电容ESR表的测量误差
电容ESR表本来要测的是ESR，但实际测量的是电容的交流阻抗。

这样的设计，测量结果必然存在误差。

对于实际的电容，主要有电容容抗和ESL这两项因素影响ESR表的测量结果。

对于电解电容来说，容抗带来的影响占主导地位。

如果测量频率足够高、电容的容量又不过小，那么，容抗给测量结果带来的不良影响就小。

电容的ESL本身较小，为nH级别，只要测量频率不是太高、ESR本身不是太小，其影响通常可以忽略。

下面的简单分析，证明了这一点。

R2＋( XC－XL )2RX＝从图1所示的电容等效模型可得到，电容的交流阻抗幅值为
式中，R为电容的ESR，Xc为电容的理想容抗，Xc=1/（2πfC），XL为ESL的感抗，XL=2πfL。

以22μF普通铝电解电容为例，一个典型的ESR值为20Ω，ESL值为20nH。

当测量频率f为100 kHz时，则有Xc=0.072 Ω，XL=0.014Ω。

代入上面公式有
202＋(0.072－0.014)2RX＝
计得Rx≈20.00008。

这说明，这只22μF电容在100kHz时的交流阻抗与ESR相差极其微小，这样误差完全可以忽略不计。

如果电容容量降为1μF，其余不变，类似地可计得Rx=19.94。

测量误差已较为可观，为0.3%。

如果测量频率降低，这个误差就增大，比如，50kHz 时误差为1.2%，20kHz时为7.5%。

因此，一般的电容ESR表都标示适用范围为大于1μF，测量频率都设定得较高。

由上述分析可见，电容ESR表虽是通过测量交流阻抗来给出ESR值，精度受到一定的限制，但就要求不高的检测电容好坏这一主要用途而言，这种做法无可非议。

四、指针式电容ESR表的国外典型电路分析
下面三款指针式电容ESR表电路，是笔者从互联网挑选出来，原先已经过实际制作的国外电路。

它们各有特色，具备一定的代表性，其中第3款曾刊登在某外国电子制作杂志上。

图13 国外网友自制的指针式ESR表电路一
1.简洁明快的电容ESR表
如图13所示，核心元件为TL062低功耗双运放IC1和变压器T1，以高灵敏度的50μA指针表头作指示。

稳压集成块IC2为电路提供稳定的5V电压。

运放IC1A构成单电源方式的50kHz方波振荡器，经过20:1的变压器耦合，作为测量信号源，输出电平约200mV。

由于引入变压器，减轻了振荡器 IC1A的负载效应，避免造成测量信号幅值和频率的变动。

测量信号由R6检出，经过C3
隔直电容后，送往反相放大器IC1B作39 倍放大。

放大后的电压由二极管VD1、VD2整流，经过微调电阻R11驱动表头M1。

R11用作欧姆调零。

2.使用一块通用逻辑IC的电容ESR表
如图14所示。

电路使用内含6个史密特非门的CMOS逻辑集成块74HC14，其中一个非门（IC1D）构成100kHz方波振荡器。

为提高驱动能力，将其余5个非门并联使用，每个非门输出端都接有R C低通滤波器，以滤除测量信号的高次谐波成分。

测量接口设有DC电压保护，避免因被测电容带电而造成ESR 表意外损坏。

其中C5起隔断直流的作用，二极管VD5、VD6起双向的电压箝位作用，防止过大的DC电压进入表内。

测量信号由R8检出，三极管VT1作 10.5倍放大。

二极管VD1至VD4接成桥式整流，将交流信号变换为直流，即AC/DC变换，以便驱动指针表头。

此电路的供电电压为5V。

74HC14 这类CMOS通用逻辑IC的静态电流都很小，为μA级。

但此表工作时，R7作为前端电路的负载，有持续的交流电流流过，再加上三极管部分的耗电，估算整机的静态电流为1 2~15mA。