Aparat de măsură a rezistenței serie echivalente ESR a [600409]

Aparat de măsură a rezistenței serie echivalente ESR a
condensatoarelor electrolitice

Propusă de Departamentul
Electronică, Teleco municații și Inginerie Energetică ca

Lucrare de Licență

la
Facultatea de Inginerie Electrică
Universitatea VALAHIA din Târgoviște

susținută de
Dumitru Daniel
Specializarea – Electronică aplicată

iulie 18, 2013

SUPERVIZATĂ DE
dr.ing. ș.l. FLORIAN ION

Reproducerea se poate face doar cu permisiune din partea autorului

2 Facultatea de
Inginerie Electrică
Faculty of
Electrical Engineering

Dumitru Daniel
AUTOR LUCRARE / AUTHOR OF THESIS

Inginer (B.Sc. )
GRAD / DEGREE

Inginerie Electronică și Telecomunicații
DOMENIU / DOMAINE

Aparat de măsură a rezistenței serie echivalente ESR a
condensatoarelor electrolitice

TITLUL LUCRĂRII / TITLE OF THESIS

Florian ION
COORDONATOR LUCRARE / THESIS SUPERVISOR

CO-SUPERVIZOR LUCRARE / THESIS CO -SUPERVISOR

EXAMINATORI LUCRARE / THESIS EXAMINERS

Dinu COLȚUC

Nicoleta ANGELESCU

Henri – George COANDĂ

Eugen LAKATOȘ

Florian ION

Henri – George COANDĂ
DECAN FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ / DEAN OF ELECTRICAL ENGINEERING FACULTY

Reproducerea se poate face doar cu permisiune din partea autorului
Aparat de măsură a rezistenței serie echivalente ESR a
condensatoarelor electrolitice

3
Dumitru Daniel

Abstract

Lucrarea de fa ță își propune realizarea unui aparat de m ăsură a rezisten ței serie
echivalente – ESR, a condensatoarelor electrolitice. Semnalul provenit de la un generator
de frecven ță înalt ă de 100kHz este trecut prin condensatorul ce trebuie verificat f ără a fi
deconectat din circuit. Semnalul are numai 250mVef pentru a nu deschide jonc țiunile
componentelor active din circuit. Semnalul trecut prin condensator este amplificat și
redresat dubl ă alternan ță cu un amplificator opera țional. Valoarea tensiunii de ie șire poate
fi folosit ă de alte circuite exterioare sau afi șată pe un galvanometru. Aceast ă tensiune
invers propor țional ă cu valoarea ESR este comparat ă de dou ă comparatoare și rezultatul
compara ției este afi șat de dou ă LED-uri, unul ro șu care afi șează ESR>5 Ω și unul verde care
afișează ESR<1 Ω. Aparatul este alimentat de la o baterie de 9V și consum ă 22mA.

Cuvinte cheie: condensatoare electrolitice, ESR -metru, amplificatoare opera ționale
alimentate cu o singur ă tensiune .

ESR Meter of electrolytic capacitors

Abstract

This paper aims to achieving an ESR -meter of electrolytic capacitors. The signal from a
high frequency generator of 100 kHz is passed through the capacitor to be tested without
to be disconnected from the circuit. The signal has only to 250mVrms to not open the
junctions of active components in the circuit. The signal passed through capacitor is
amplified and rectified with an operational amplifier. The output voltage can be used in
other external circuits and displayed on a galvanometer. This voltage inversely
proportional to the ESR value is compared by two comparators and the comparison result
is displayed by two LEDs, one red that shows ESR> 5 Ω and the green one shows ESR
<1Ω. The device is powered by a 9V battery and consumes 22mA.

Keywords: electrolytic capacitors, ESR meter, single supply oparational amplifiers.

Thesis Supervisor : Florian ION
Lecturer , Ph.D . Eng. ,
Electronic , Telecommunication and Power Energy Department
Electrical Engineering Faculty
University VALAHIA of Targoviste

4 Anexa 1
UNIVERSITATEA “VALAHIA” DIN TARGOVISTE
FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICA
Specializarea: Electronică aplicată Anul universitar 20 12 – 2013

TEMA
proiectului de licență al absolventului
Dumitru Daniel

1. Tipul proiectului:

 Aplicativ
Domeniul: Inginerie electronică și telecomunicații
 Implementabil in cadrul unei (unor) lucrări didactice
Domeniul: Inginerie electronică și telecomunicații
 Fundamental
Domeniul: Inginerie electronică și telecomunicații

2. Tema proiectului:

Aparat de măsură a rezistenței serie echivalente ESR a condensatoarelor electrolitice

3. Conținutul proiectului:

3.0 Introducere;
3.1 Rezisten ța serie echivalent ă (ESR) a condensatoarelor ;
3.2 Amplificatoare opera ționale alimentate de la o singur ă surs ă;
3.3 Proiectarea și simularea aplica ției;
3.4 Realizarea practic ă;
3.5 Concluzii

4. Locul unde va fi implementat proiectul:

Laborator Electronică de putere – B1-309;

5. Bibliografie:

5.1 http://members.shaw.ca/swstuff/index.htm
5.2 http://kakopa.com/ESR_meter/
5.3 http://www.electronica -pt.com/circuitos/en/pics/81 -esr-meter.html
5.4 http://www.anatekcorp.com/blueesr.htm
5.5 ***, Single -Supply Op Amp Design Techniques – Application Report, March 2001,
sloa030a.pdf.

DECAN DIRECTOR DEPARTAMENT
Conf.dr.i ng. Henri -George COANDĂ Ș.l.dr.ing. Nicoleta ANGELESCU

CONDUCATOR ȘTIINȚIFIC
Ș.l.dr.ing. Florian ION

Tema a fost data spre împlinire la data 15.10.20 12
NUMELE si SEMNATURA STUDENTULUI
Dumitru Daniel

5 Listă figuri

Figura 1.1. Schema electric ă a ESR-metrului ”ludens.cl”. ………………………….. ………………………. 13
Figura 1.2. ESR -metru ”shaw.ca”. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……15
Figura 1.3. ESR -metru ”kakopa.com”. ………………………….. ………………………….. …………………………. 16
Figura 1.4. ESR -metru ”electronica -pt”. ………………………….. ………………………….. ………………………. 17
Figura 1.5. ESR -metru ”anatekcorp.com”. ………………………….. ………………………….. ……………………. 18
Figura 1.6. Principiul de func ționare al ESR -metrului ”anatekcorp.com” ………………………….. ..20
Figura 2.1. Circuit inversor cu AO alimentat cu dou ă tensiuni. ………………………….. ……………. 21
Figura 2.2. AO cu semnal de intrare ce nu are ca referin ță masa. ………………………….. ……….. 21
Figura 2.3. AO cu tensiune de intrare de mod comun. ………………………….. ………………………….. 22
Figura 2.4. AO cu o singur ă tensiune de alimentare, cu semnal de intrare fa ță de mas ă. ..22
Figura 2.6. AO inversor cu V REF=VCC. ………………………….. ………………………….. …………………………. 25
Figura 2.7. Func ția de transfer a unui AO inversor cu V REF=VCC. ………………………….. …………. 25
Figura 2.8. Circuit cu AO neinversor. ………………………….. ………………………….. …………………………. 26
Figura 2.9. Func ția de transfer a circuitului cu AO neinversor. ………………………….. …………….. 26
Figura 2.10. Schema electric ă pentru Cazul 1 – VOUT=mVIN+b. ………………………….. ………………. 28
Figura 2.11. Circuitul cu func ția de transfer V OUT=3,5V IN+0,97. ………………………….. …………….. 31
Figura 2.12. Func ția de transfer a circuitului din Figura 2.11. ………………………….. ……………… 31
Figura 2.13. Schema electric ă a circuitului pentru Cazul 2 – ………………………….. ………………… 32
VOUT=mVIN -b. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……32
Figura 2.14. Circuitul electric din Exemplul 2. ………………………….. ………………………….. …………… 34
Figura 2.15. Func ția de transfer a circuitului din Exemplul 2. ………………………….. ……………… 34
Figura 2.16. Schema electric ă a circuitului pentru Cazul 3 – VOUT=-mVIN+b. …………………….. 35
Figura 2.17. Schema circuitului din Exemplul 3. ………………………….. ………………………….. ……….. 37
Figura 2.18. Func ția de transfer a circuitului din Exemplul 3. ………………………….. ……………… 37
Figura 2.19. Schema circuitului pentru Cazul 4 – VOUT=-mVIN-b. ………………………….. …………… 38
Figura 2.20. Schema circuitului din Exemplul 4. ………………………….. ………………………….. ……….. 39
Figura 2.21. Func ția de transfer a circuitului din Exemplul 4. ………………………….. ……………… 40
Figura 3.1. Schema bloc a ESR -metrului. ………………………….. ………………………….. …………………… 42
Figura 3.2. Oscilatorul pe 100kHz. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….43
Figura 3.3. Forma d e und ă la ie șirea AO oscilator. ………………………….. ………………………….. …….43
Figura 3.4. Circuitul de adaptare de impedan ță. ………………………….. ………………………….. ………… 44
Figura 3.6. Circuitul de redresare de precizie. ………………………….. ………………………….. ……………. 46
Figura 3.7. Tensiunea de ie șire pentru ESR >5Ω. ………………………….. ………………………….. ……….. 46
Figura 3.8. Tensiunea de ie șire pentru ESR <1Ω. ………………………….. ………………………….. ……….. 47
Figura 3.9. ESR-metrul Anatek – capacul frontal. ………………………….. ………………………….. ……… 48
Figura 3.10. Tabel ESR în func ție de capacitate și tensiunea de lucru. ………………………….. …49
Figura 3.11. Circuitele de semnalizare. ………………………….. ………………………….. ………………………. 49
Figura 3.12. Sursa de alimentare a ESR -metrului. ………………………….. ………………………….. …….. 50
Figura 4.1. Schema electric ă a ESR-metrului realizat. ………………………….. ………………………….. .51
Figura 4.2. Montajul experimental pe placa f ără lipituri. ………………………….. ………………………. 54
Figura 4.3. Semnalul generatorului și tensiunea de ie șire pentru ”ESR>5 Ω”. ……………………. 54
Figura 4.4. Semnalul generatorului și tensiunea de ie șire pentru ”ESR <1Ω”. ……………………. 55
Figura 4.5. Cablajul realizat în Ultiboard 12.0 . ………………………….. ………………………….. ………….. 55
Figura 4.6. Pozi ționarea pieselor – vedere 3D. ………………………….. ………………………….. ……………. 56

6 Listă tabele

Tabel 4.1. Lista componentelor ESR -metrului ……………………… ……………………. 52
Simboluri și a brevieri

LCD Afișaj cu cristale lichide
ESR Rezisten ță serie echivalentă
SMD Dispozitiv cu montare la suprafața cablajului
AO Amplificator operațional
LED Diodă electroluminiscentă
CMMR Rejectarea semnalului de mod comun
JFET Tranzistor cu efecte de câmp cu joncțiune

7 Cuprins

List ă figuri ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………….. 5
List ă tabele ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 6
Simboluri și abrevieri ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 6
Cuprins ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 7
Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………….. 8
Capitolul 1 – Rezisten ța serie echivalent ă (ESR) a condensatoarelor ………………………….. …………. 10
1.1 Modele de componente ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 10
1.2 Condensatoarele ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……11
1.3 Principul de func ționare al ESR -metrelor ………………………….. ………………………….. ………………… 12
1.4 Limit ările ESR -metrelor ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………….. 12
1.5 Scheme de ESR -metre ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 13
1.5.1 ES R-metru ”ludens.cl” ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………. 13
1.5.2 ESR -metru ”shaw.ca” ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 14
1.5.3 ESR -metru ”kakopa.com” ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 15
1.5.4 ESR -metru ”electronica -pt.com” ………………………….. ………………………….. ………………………….. .16
1.5.5 ESR -metru ”anatekcorp.com” ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……17
Capitolul 2 – Amplificatoare opera ționale alimentate de la o singur ă surs ă………………………….. 21
2.1 Analiza circuitelor cu AO alimentate cu o singur ă surs ă ………………………….. …………………… 23
2.2 Ecua ții simultane de func ționare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……27
2.2.1 Cazul 1 – VOUT=mVIN+b ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 28
2.2.2 Cazul 2 – VOUT=mVIN-b ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 32
2.2.3 Cazul 3 – VOUT=-mVIN+b ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 34
2.2.4 Cazul 4 – VOUT=-mVIN-b ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 37
2.3 Concluzii desprinse ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. 40
Capitolul 3 – Proiectarea și simularea func ționării ESR -metrului ………………………….. ………………. 42
3.1 Generatorul de semnal ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 42
3.2 Circuitul de adaptare de impedan ță ………………………….. ………………………….. ………………………….. 44
3.3 Circuitul de protec ție………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………….. 44
3.4 Redresorul de precizie ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 45
3.5 Circuitul de semnalizare ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………. 47
3.5.1 Schema circuitului ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 48
3.5.2 Func ționarea circuitului ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 50
3.6 Sursa de alimentare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………… 50
3.7 Concluzii desprinse ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. 50
Capitolul 4 – Realizarea practic ă a ESR -metrului ………………………….. ………………………….. ……………………. 51
4.1. Schema electric ă………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …..51
4.2 Lista componentelor ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………… 51
4.3 Realizarea practic ă ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. .53
Capitolul 5 – Concluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …..57
Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 58

8 Introducere

Când vorbim despre echipamente electronice, ne putem referi la mai multe
aspecte, și anume: construc ție, proiectare, fiabilitate, între ținere, etc.
Inginerul electronist, în orice domeniu ar lucra, trebuie s ă aibă cuno ștințele
necesare și să le aplice în mod corespunz ător. El trebuie s ă cunoasc ă modul
în care este construit echipamentul electronic – părțile componente,
principiul de func ționare, condi țiile de lucru, parametri i de func ționare, etc.
Dac ă lucreaz ă în proiectare, trebuie s ă cunoasc ă modul de folosire al
programelor pe calculator folosite la desenarea schemelor electronice,
simularea func ționării, programele de realizare a cablajelor, etc. Pe lâng ă
cele enumerate m ai sus, electronistul trebuie s ă cunoasc ă și fiabilitatea
sistemelor electronice – care este timpul mediu de bun ă func ționare, de cine
este influen țată creșterea sau sc ăderea ratei de defectare, care sunt
elementele de circuit cu fiabilitate ridicat ă și fiabilitate sc ăzută. Totodat ă,
inginerul trebuie s ă cunoasc ă și procesul de produc ție în care este implicat și
de ce nu, chiar și modul de men ținere al acestuia în condi ții de bun ă
func ționare. Toate aceste deziderate trebuie asigurate par țial sau total de
preg ătirea teoretic ă și practic ă din timpul facult ății.
Discutând ”filosofia” depan ării echipamentelor electronice, se poate pune
întrebarea absolut normal ă: Oare mai este cazul ast ăzi în 2013 s ă mai
repar ăm produse electronice? Au ajuns a șa de ieftine, în cât s-ar putea
răspunde: Nu mai este cazul. Le ”arunc ăm” – deși vedem pe ele semnul ”A
nu se pune la co șul de gunoi”, și cump ărăm alt produs similar poate cu
parametri func ționali superiori. P ărerile vor fi împ ărțite totdeauna – pro și
contra repar ării. De multe ori, aceste p ăreri vor depinde de situa ția
financiar ă a persoanei chestionate. Dar, revin cu întrebarea: Este cazul s ă
”arunc” un monitor LCD folosit timp de doi ani? Categoric, NU.
Cărți de depanare a echipamentelor electronice sunt destul de pu ține în
limba român ă și chiar în literatura de limb ă englez ă. Manualele de Service
Electronic sunt sau nu disponibile pentru multe echipamente electronice
actuale.
Într-un atelier de depanare sunt necesare pe lâng ă scule precum: pensete,
lupă, șurubelni țe, stație de lipit, și instrumente de m ăsură precum:
multimetru – de preferin ță numeric, capacimetru, ESR -metru, sau un mai
nou aparat de m ăsură pentru componente SMD, Smart Tweezers produs de
AdvancesDevices.com (destul de scump – 300US$).
Întrucât mul ți depanatori au g ăsit condensatoare electrolitice cu ESR mare,
care au dus la nefunc ționarea echipamentului respectiv, am ajuns la
concluzia c ă un astfel de aparat este absolut necesar în depanare. Am
început s ă caut în literatur ă cum sunt realizate aceste ap arate, și studiul
efectuat l -am prezentat în Capitolul 1 al lucr ării. Am prezentat pe scurt 5
variante de ESR -metre, cele mai utilizate la ora actual ă de depanatori.

9 Întrucât m -am decis ce fel de ESR -metru voi realiza, în Capitolul 2 am
prezentat metoda de proiectare a circuitelor cu AO alimentate de la o
singur ă surs ă de tensiune. Am prezentat în acest capitol cele 4 circuite
generice și modul de calcul al componentelor pentru îndeplinirea condi țiilor
de func ționare impuse.
În Capitolul 3 am prezentat cir cuitul proiectat și simularea func ționării în
programul OrCAD. Am constatat c ă circuitul respect ă condi țiile proiect ării.
Capitolul 4 este consacrat m ăsurătorilor f ăcute pe un model experimental pe
o plac ă de circuit f ără lipituri. M ăsurătorile au fost corespunz ătoare
proiect ării și simul ărilor efectuate. Totodat ă, am prezentat și o variant ă de
cablaj realizat ă în programul Ultiboard de la National Instruments.
În Capitolul 5 am prezentat concluziile desprinse din lucrare.
Desigur, la sfâr șitul lucr ării am prezentat o scurt ă Bibliografie .

10 Capitolul 1 – Rezisten ța serie echivalent ă (ESR) a
condensatoarelor

Practic, condensatoarele și bobinele utilizate în circuitele electrice nu sunt
componente ideale care s ă aibă doar capacitate și inductan ță. Într-adev ăr, ele
pot fi tratate cu bun ă aproxima ție ca fiind condensatoare și bobine ideale
care au în serie o rezisten ță; aceast ă rezisten ță este definit ă ca fiind
rezisten ța serie echivalent ă – ESR.
Teoria circuitelor electrice are de -a face cu componente pasive de circuit
ideale: rezistoare, condensatoare și bobine, fiecare contribuind doar cu câte
o m ărime specific ă în circuit; pentru rezistoare, rezisten ța, pentru
condensatoare, capacitatea, pentru bobine, inductan ța. Dar toate aceste
componente reale nu au nici unul din ceilal ți parametri egali cu zero. În
particular, componentele realizate cu materiale reale, au o anumit ă
rezisten ță electric ă în serie cu capacitatea sau inductan ța. Aceast ă rezistență
serie ESR, poate fi m ăsurat ă sau calculat ă – din propriet ățile componentei,
sau poate fi dat ă în foaia de catalog a componentei respective.
Alteori, factorul de calitate – Q, poate fi un parametru mai convenabil
decât ESR în calculele la înalt ă frecvență a performan țelor condensatoarelor
sau bobinelor reale.

1.1 Modele de componente

Componentele pasive reale cu dou ă terminale pot fi reprezentate prin ni ște
rețele de bobine condensatoare și rezisten țe ideale concentrate și distribuite,
în sensul c ă componenta real ă se comport ă ca întreaga re țea. Unele dintre
componentele circuitului echivalent pot varia în func ție de anumite condi ții,
cum ar fi frecven ța și temperatura.
În curent alternativ, componentele sunt caracterizate de impedan ța
complex ă – ecuația (1).

(1)

Diferen țele fa ță caracteristicile ideale, pot deveni semnificative în anumite
condi ții, în special la frecven ță înalt ă, unde ESR condensatoarelor devine un
element important de circuit. Se pot dezvolta modele mai mult sau mai
puțin complexe în func ție de acurate țea cerut ă. Pentru cele mai multe
cazuri, un model simplu cu o rezisten ță în serie cu bobina sau
condensatorul este suficient. Aceste modele – simple sau complexe, pot fi
introduse în circuit ca s ă i se calculeze pe rforman țele. Programul SPICE
poate fi folosit foarte bine în simularea func ționării circuitelor.

11 Bobinele și condensatoarele ideale nu disip ă energie; în circuitele reale cu
bobine și condensatoare trebuie luat ă în considerare și rezisten ța serie
echivale ntă ESR.

1.2 Condensatoarele

Condensatoarele, ca element de circuit, pot fi echivalate cu un condensator
ideal de capacitate C, în serie cu o rezisten ță echivalent ă ESR – ecua ția (2).
În cele mai multe situa ții ESR se poate neglija, dar sunt aplica ții în care
aceasta trebuie luat ă obligatoriu în calcul.

(2)

În condensatoare – cele ne -electrolitice, rezisten ța terminalelor, a
electrozilor și pierderile în dielectric constituie ESR. Valoarea tipic ă a ESR
pentru condensatoarele ceramice este cuprins ă între 0,01 și 0,1 Ω. Aceast ă
valoare este stabil ă în timp; în cele mai multe aplica ții, condensatoarele ne –
electrolitice pot fi considerate componente ideale.
În schimb, condensatoarele electrolitice cu a luminiu și tantal au ESR mai
mare – pân ă la câ țiva ohmi, și aceast ă valoare tinde s ă creasc ă cu frecven ța.
O foarte serioas ă problem ă, pentru condensatoarele electrolitice cu aluminiu
este cre șterea ESR cu timpul de utilizare (îmb ătrânire); aceast ă valoare
poate cre ște atât de mult, încât poate cauza defectarea circuitului și chiar
distrugerea componentei, chiar dac ă capacitatea condensatorului poate
rămâne în toleran ța admisibil ă. Dac ă se m ărește foarte mult ESR odat ă cu
îmb ătrânirea normal ă a condensatorului, apare supraînc ălzirea acestuia și o
mare tensiune ondulatorie (riplu) pe acel condensator. Aceast ă
supraînc ălzire nu face altceva decât s ă accelereze îmb ătrânirea.
Condensatoarele electrolitice de calitate, proiectate pentru func ționare la
temperatur ă ridicat ă, în compara ție cu cele normale, clasice, comerciale (cu
durat ă de via ță redus ă), sunt mai pu țin susceptibile s ă devin ă inutilizabile
datorit ă creșterii ESR. Un condensator electrolitic ieftin are o durat ă de
viață de mai pu țin de 1 000 de ore de func ționare (42 de zile!) la 85oC (un
an are 8760 de ore!). Condensatoarele de calitate au câteva mii de ore de
func ționare la temperatura maxim ă, așa cum se poate vedea în foile de
catalog puse la dispozi ție de produc ător. Condensatoarele el ectrolitice de
mare capacitate au ESR mai mic ă; dac ă ESR este critic ă, se poate alege un
condensator de capacitate mai mare și acest lucru poate fi un avantaj
pentru circuit.
Condensatoarele cu polimer – numite și condensatoare cu dielectric solid
(Solid C apacitor), au ESR mai mic ă decât cele cu dielectric lichid de aceea și
capacitate și valoarea acesteia este stabil ă cu varia ția temperaturii. Aceste
condensatoare suport ă un riplu al curentului mai mare. Începând din 2007

12 plăcile de baz ă ale calculatoarelor au început s ă fie echipate numai cu
condensatoare cu polimer în locul celor cu dielectric lichid, fiabilitatea
acestora crescând considerabil.
Valoarea ESR a condensatoarelor de capacitate mare – peste 1µF, poate fi
măsurat ă chiar în cadrul circuitului cu ajutorul ESR -metrelor.

1.3 Principul de func ționare al ESR -metrelor

Cele mai multe ESR -metre func ționeaz ă pe baza înc ărcării și desc ărcării
condensatorului electrolitic la trecerea unui curent electric constant prin el
pentru scurt timp; timp prea scurt ca s ă se încarce apreciabil și capacitatea
acestuia. Acest curent va produce o c ădere de tensiune pe condensator egal ă
cu produsul dintre curent și ESR, plus o cantitate neglijabil ă provenit ă din
sarcina înc ărcat ă în condens ator. Aceast ă cădere de tensiune este m ăsurat ă,
împ ărțită la valoarea curentului și apoi afi șată în ohmi, miliohmi, sau pe o
anumit ă pozi ție a unui ac indicator pe o scal ă gradat ă. Procesul este repetat
cu frecven ța de zeci de kHz.
O alt ă metod ă este trecerea unui curent alternativ de înalt ă frecven ță – 50-
150kHz, la care reactan ța condensatorului este mult mai mic ă decât ESR.
Parametrii circuitului se aleg astfel încât s ă se poat ă citi u șor valoarea ESR
a condensatoarelor cu capacit ăți mai mari de 1µF.
ESR-metrele mai pot fi folosite și pentru m ăsurarea oric ărei rezisten țe mici
– cum ar fi rezisten ța intern ă a bateriilor, rezisten ța de contact a
comutatoarelor, a traseelor de circuit pe cablajele imprimate, etc.

1.4 Limit ările ESR -metrelor

Limit ările acestor circuite sunt urm ătoarele:
– un ESR -metru nu m ăsoar ă capacitatea unui condensator; pentru a
măsura capacitatea, condensatorul trebuie scos din montaj și m ăsurat
separat cu un capacimetru sau un multimetru cu posibilitatea de
măsură a capac ității.
– un condensator electrolitic aflat în scurtcircuit este identificat ca un
condensator cu ESR ideal ă; dar aceast ă situa ție poate fi u șor detectat ă
cu un ohmmetru sau multimetru. Se pot conecta în paralel bornele de
măsură ale ESR -metrului cu cele ale multimetrului de curent continuu
pentru a detecta un scurtcircuit.
– ESR poate depinde de condi țiile de func ționare – tensiunea de lucru,
temperatura; un condensator poate avea ESR mare la temperatura și
tensiunea de lucru și mai mic ă ”la rece” sau f ără tensiune. Aceste
condensatoare pot fi depistate cu ajutorul unui spray cu freon – dacă
sunt r ăcite condensatoarele, circuitul func ționeaz ă corect; deci
condensatoarele trebuie înlocuite datorit ă măririi ESR cu temperatura.

13 – un ESR -metru conectat la bornele unu i condensator cu o tensiune
mare înmagazinat ă sau chiar alimentat, poate fi distrus; de aceea
sunt necesare diode de protec ție pentru a minimiza acest risc, dar
aparatul nu mai poate fi folosit pentru a m ăsura rezisten ța intern ă a
bateriilor.
– când este folosit ca miliohmmetru, orice inductan ță semnificativ ă între
bornele de m ăsură va induce valori eronate ale rezisten ței – datorit ă
reactan ței inductive mare la frecven ță mare (X L(ω)=jωL). De exemplu,
un ESR -metru nu poate fi folosit pentru a m ăsura rezist ența
înfășurărilor unui transformator. De altfel, nici testerele cu bobine
incluse nu pot fi folosite ca testere de m ăsură.

1.5 Scheme de ESR -metre

Utilitatea unui ESR -metru este foarte mare în depanare. Nu exist ă
depanator de echipamente electronice ca re s ă nu fi sim țit nevoia unui ESR –
metru. Aparatele profesionale pentru m ăsurarea ESR sunt destul de scumpe
– peste 100$. În schimb, exist ă câteva scheme disponibile pe Internet care
pot fi realizate destul de u șor.

1.5.1 ESR -metru ”ludens.cl”

Am numit variantele de ESR -metru dup ă numele paginii web unde este
prezentat ă schema și detaliile constructive ale aparatului. Numele autorului
lipse ște de multe ori din aceste prezent ări. Schema este prezentat ă în
Figura 1.1 și preluat ă de la adresa [3].

Figura 1.1. Schema electric ă a ESR-metrului ”ludens.cl”.

1.5.1.1 Principiul de func ționare

14 Schema prezentat ă în Figura 1.1 func ționeaz ă prin aplicarea unui semnal
dreptunghiular de 50kHz și 200mV condensatorului ce trebuie testat,
conectat în serie cu o rezisten ță de 10 Ω. Tensiunea ce apare la bornele
rezisten ței în serie cu condensatorul este m ăsurat ă și afi șată pe un
microampermetru. Deci, întreaga ”filosofie” a m ăsurării este un simplu
ohmmetru de curent alternativ ce func ționeaz ă la frecven ță ridicat ă. Întrucât
amplitudinea semnalului aplicat este foarte mic ă – 200mV, jonc țiunile
semiconductoarelor din circuit nu sunt deschise și atunci condensatoarele
pot fi testate în circuit f ără a fi demontate.
Un AO din capsula TL062 este folosit ca generator de frecven ță de 100kHz.
Semnalul de la ie șirea oscilatorului este mic șorat de transformatorul ( pe
miez de ferit ă Amidon, EA -77-188, de 22mm2) care are raportul 400:20 și o
impedan ță mică de ie șire. Ca sarcin ă pentru acest transformator este folosit ă
o reziste nță de 10 Ω. Cel de -al doilea AO din capsula circuitului TL062 este
folosit pentru amplificarea semnalului ce trece prin condensatorul testat.
Apoi, semnalul este redresat și aplicat unui microampermetru de 50µA
printr-un poten țiometru de calibrare. Circuitul este alimentat cu tensiunea
de 5V furnizat ă de un stabilizator liniar LM7805. Circuitul se poate
alimenta fie de la o surs ă de tensiune continu ă staționar ă (de perete)
cuprins ă între 7 și 15V, sau de la o baterie de 9V prin intermediul unui
întrerupător pornit/oprit. Consumul circuitului este destul de mic, lucru care
face posibil ă alimentarea lui de la baterie timp de 100 de ore.

1.5.2 ESR -metru ”shaw.ca”

Schema celui de -al doilea ESR -metru este prezentat ă în Figura 1.2.
Circuitul, dup ă cum se vede în figur ă, este alc ătuit dintr -un oscilator cu o
poart ă Trigger Schmitt din capsula SN74HC14 pe frecven ța de 156kHz.
Celelalte por ți sunt folosite pe post de buffer pentru a cre ște curentul trecut
prin filtrul trece jos. Filtrul este folosit pentru a reduce spectrul semnalului
dreptunghiular care con ține mult ă energie pe armonicile impare. Ie șirea
filtrului este o rezisten ță de 10 Ω pentru a asigura o impedan ță joas ă
condensatorului testat. Diodele D5 și D6 protejeaz ă circuitul ESR -metrului
la m ăsurarea condensatoarelor înc ărcate. La fel și R18 este folosit ă pentru a
desc ărca condensatorul C5 când se testeaz ă condensatoare înc ărcate cu
diverse tensiuni. Condensatorul C5 izoleaz ă circuitul ESR -metrului în curent
continuu pân ă la tensiuni de 400V.
Restul c ircuitului este alc ătuit dintr -un amplificator cu 10,5 realizat cu un
singur tranzistor 2N2222. Acesta, amplific ă semnalul trecut prin
condensatorul testat pân ă la câ țiva vol ți. Apoi semnalul este redresat dubl ă
alternan ță cu o punte, care are ca sarcin ă instrumentul de m ăsură. Întrucât
semnalul trebuie s ă depășeasc ă tensiunea de deschidere a dou ă diode, face
ca aparatul s ă poat ă măsura ESR pân ă la 75-100Ω.

15
Figura 1.2. ESR -metru ”shaw.ca”.

Etalonarea aparatului este simpl ă. Se face scurtcircuit între bornele de test
și se ajusteaz ă indica ția microampermetrului din R14 la cap ătul de scal ă,
care reprezint ă 0Ω. Apoi se conecteaz ă între borne o rezisten ță de 10 Ω
(aproximativ 47% din tot domeniul de varia ție al acului indicator) și se
marcheaz ă indica ția pe cadranul aparatului de m ăsură. La fel și pentru o
rezisten ță de 47 Ω (10% din întreaga scal ă de m ăsură). Domeniul marcat
între 0 și 10 Ω poate fi inscrip ționat ”Condensator bun”.

1.5.3 ESR -metru ”kakopa.com”

Aparatul prezentat în Figura 1.3 este unul de precizie mai mare decât cele
prezentate anterior. El folose ște un generator de frecven ță de 100kHz și
10mVvv.
Condensatorul testat se conecteaz ă în paralel pe unul din bra țele unei pun ți
echilibrate. Dezechilibrul creat de ESR c ondensatorului testat este
amplificat cu ajutorul unui amplificator opera țional. Cu cât ESR este mai
mică, cu atât dezechilibrul va fi mai mare și indica ția aparatului mai mare.

16
Figura 1.3. ESR -metru ”kakopa.com”.

Primul AO din capsula TL084, amplificatorul A, împarte sursa de
alimentare de 9V în dou ă surse egale de 4,5V necesare pentru alimentarea
restului circuitului. Ie șirea acestuia devine mas ă virtual ă a întregului
circuit.
Al doilea AO – amplificatorul B, este oscilatorul de 100kHz. Tranz istorul
care urmeaz ă are mai multe scopuri. Mai întâi, deplaseaz ă nivelul
semnalului astfel încât acesta s ă fie numai pozitiv – între 0 și 4V. Apoi,
izoleaz ă sarcina care urmeaz ă de ie șirea AO.
În colectorul tranzistorului – BC557, este conectat ă puntea de m ăsură, care
este elementul principal al ESR -metrului. Rezisten țele din bra țele superioare
sunt mult mai mari decât cele din bra țele inferioare pentru ca tensiunea pe
condensatorul de testat s ă fie mult mai mic ă decât cea de la ie șirea
tranzisto rului. Orice dezechilibru al pun ții este amplificat de AO notat C.
La ie șirea amplificatorului C se separ ă componenta alternativ ă de cea
continu ă. Filtrul trece jos format din R16 și C4 comand ă baza tranzistorului
Q2 – BC547 care are în colector LED -ul 1 care se aprinde dac ă
condensatorul este în scurtcircuit. Componenta alternativ ă a semnalului de
la ie șirea amplificatorului este adus ă la intrarea amplificatorului D prin
filtrul trece sus C5 R18. Amplificatorul D este pe post de redresor.
Semnalul de la i eșirea acestuia este trecut prin dioda D4 și afi șat apoi de
microampermetru. Rezisten țele R19 și R20 sunt folosite pentru etalonarea
instrumentului.
Condensatoarele C4 și C6 de 1µF trebuie s ă fie cu curen ți de pierderi foarte
mici, pentru a avea m ăsurători de precizie.
Majoritatea ESR -metrelor alimentate de la o baterie de 9V au ca element
de afi șaj a valorii ESR galvanometre, pentru c ă ele consum ă puțin curent –
în compara ție cu un display cu LED -uri. Excep ție face afi șajul LCD care nu
poate fi folosit datorit ă costului ridicat.

1.5.4 ESR -metru ”electronica -pt.com”

17 Varianta de ESR -metru prezentat ă în Figura 1.4 este realizat ă cu ajutorul
unui microcontroler PIC16F876A și al unui afi șaj alfanumeric cu 2×16
caractere. Aparatul poate afi șa atât capacitate a cât și ESR condensatoarelor.
Condensatorul testat este înc ărcat și desc ărcat cu ajutorul a dou ă
generatoare de curent realizate cu tranzistoarele BC558, comandate cu
semnale de frecven țe diferite de ie șirile RA2 și RA4 ale microcontrolerului.
Tensiunea d e pe condensator este citit ă pe intrarea analogic ă Ain0. Totodat ă
pe intrarea RB5 este adus semnalul de la dou ă comparatoare realizate cu
două AO din capsula LM339.
Autorul prezentei versiuni pune la dispozi ția electroni știlor și codul surs ă
din memoria mi crocontrolerului scris în Assembler.

Figura 1.4. ESR -metru ”electronica -pt”.

Aparatul nu m ăsoar ă ESR condensatoarelor mai mici de 10µF și capacitatea
condensatoarelor mai mici de 10pF.

1.5.5 ESR -metru ”anatekcorp.com”

Am l ăsat ultimul ESR -metru cel mai ”atractiv” din punctul de vedere al
electronistului depanator. Este aparatul cel mai bine vândut și cump ărat în
întreaga lume. Sunt câteva firme care produce acest apart în Europa,
Canada, SUA, Australia. El este prezentat în Figura 1.5.

18 Aparatul este realizat cu microcontrolerul Z86E0412. În circuit mai este
folosit registrul de deplasare serie -paralel CD4094, 2 afi șoare cu 7 segmente
și stabilizatorul de tensiune de 5V. Sunt folosite în circuit 13 tranzistoare
npn și pnp, cu rol de generatoare de curent constant și oglinzi de curent.
Aparatul poate afi șa ESR între 0,01 și 99 Ω. El folose ște un generator de
semnal de 100kHz, iar valoarea tensiunii pe condensatorul testat este de
100mV. Aparatul se opre ște dup ă 3 minute de nefo losire, iar dac ă bateria
este desc ărcat ă afișează intermitent ”b”.
Circuitul este proiectat de Bob Parker și prezentat pentru prima dat ă în
Electronics Australia în 1996.
Câteva cuvinte despre modul de func ționare al aparatului (preluate din
explica țiile proiectantului), sunt prezentate în continuare.

Figura 1.5. ESR -metru ”anatekcorp.com”.

1.5.5.1 Principiul de func ționare

Modul de func ționare al aparatului poate fi în țeles din Figura 1.6.
Comutatorul S1 este comandat de microcontroler și el conecteaz ă și
deconecteaz ă condensatorul de test de la o surs ă de curent constant de 0,5,
5,0 sau 50mA – în func ție de valoarea ESR. Practic, condensatorul este
încărcat timp de 8µs și desc ărcat timp de 492µs. Întrucât impulsurile de
curent sunt foarte scu rte, tensiunea care apare pe condensator este
propor țional ă cu valoarea ESR. Capacitatea condensatorului fiind mai mare
de 1µF, el nu are timp s ă se încarce semnificativ pentru ca tensiunea de pe
capacitate s ă afecteze m ăsurătoarea.
Impulsurile de tensiune de pe condensator sunt amplificate de un
amplificator neinversor de band ă larg ă cu un câ știg de 20. Semnalul

19 rezultat este aplicat unei intr ări neinversoare a unui comparator integrat în
microcontroler. Cealalt ă intrare a comparatorului are o tensiune de referin ță
care cre ște liniar în timp (tensiune liniar variabil ă).
În timpul func ționării, impulsurile de curent de testare a condensatorului
sunt generate de microcontroler la fiecare 500µs. În acela și timp,
condensatorul C10 este înc ărcat de un alt gener ator de curent constant,
astfel încât tensiunea pe el cre ște cu 10mV/500µs. Aceast ă tensiune este
adus ă pe intrarea inversoare a comparatorului intern al microcontrolerului.
Ca rezultat, ie șirea comparatorului va fi la 1 logic pe durata fiec ărui impuls
de măsură, pân ă ce tensiunea de pe condensatorul C10 va fi mai mare decât
impulsul de tensiune de înc ărcare. Când este dep ășită aceast ă valoare,
ieșirea comparatorului ajunge la 0 logic, semnalizând microcontrolerului
lipsa unui impuls de înc ărcare.
Num ărul impulsurilor de înc ărcare este propor țional cu ESR
condensatorului. În felul acesta, microcontrolerul este utilizat pentru a
num ăra aceste impulsuri și a le afi șa. Microcontrolerul este pilotat cu un
cristal de cuar ț de 3,58MHz.
Rolul tranzistoarelor este e xplicat în continuare. Tranzistorul Q1 este folosit
pentru alimentarea circuitului la ac ționarea butonului S1. Tranzistorul Q2
men ține saturat tranzistorul Q1 la eliberarea butonului S1. Tranzistoarele
Q3, Q4 și Q5 sunt comandate de microcontroler pentru î ncărcarea și
desc ărcarea condensatorului testat prin intermediul condensatoarelor C5 și
C6. Rezisten țele R6, R8 și R10 stabilesc valorile curen ților de 0,5, 5,0 și
50mA. Pe durata celor 8µs, portul P2.4 este 1 logic, satureaz ă tranzistorul
Q6 și descarc ă condensatoarele C5 -C6 și condensatorul de test.
Impulsurile de curent de înc ărcare sunt aduse pe condensator prin
intermediul grupului C7 -R12 la un amplificator de impulsuri realizat cu
tranzistoarele Q7 și Q8, cu o amplificare de aproximativ 20, în func ție de
valoarea VR2. Acest semnal este adus pe intrarea neinversoare a
comparatorului integrat. Tranzistoarele Q9 și Q10 alc ătuiesc o oglind ă de
curent pentru sursa de tensiune de referin ță a condensatorului C10 (470nF).
Tensiunea liniar variabil ă de pe ace sta este adus ă la intrarea inversoare a
comparatorului integrat. Tranzistorul Q11 descarc ă condensatorul C10 cu
semnalul de la portul P2.7 la sfâr șitul fiec ărui ciclu de m ăsură.

20

Figura 1.6. Principiul de func ționare al ESR -metrului ”anatekcorp.com”

Pentru a afi șa rezultatul m ăsurătorii, microcontrolerul trimite 8 bi ți la
fiecare 5ms registrului de deplasare serie -paralel cu CD4094. Ace ști bi ți
corespund celor 7 segmente ale afi șoarelor și punctului zecimal. Afi șajul este
multiplexat cu frecven ța de 100Hz prin intermediul tranzistoarelor Q12 și
Q13 de la portul P2.3.
Poten țiometrul VR1 regleaz ă nivelul de tensiune de aten ționare a bateriei
desc ărcate – la 7V tensiunea bateriei de alimentare la care stabilizatorul cu
LM7805 nu mai func ționeaz ă corespunz ător. Pentru aceast ă semnalizare este
folosit cele de -al doilea comparator integrat în microcontroler.
Diodele D3 și D4 protejeaz ă circuitul la testarea condensatoarelor înc ărcate.
La fel și grupul C7 -R12-D5-D6 protejeaz ă tranzistoarele Q7 și Q8. Alte diode
de protec ție pot fi conectate în exteriorul circuitului .

21 Capitolul 2 – Amplificatoare opera ționale
alimentate de la o singur ă sursă

Cele mai multe sisteme portabile sunt alimentate de la o singur ă baterie,
prin urmare, popularitatea echipamentelor portabile a dus la cre șterea
cererilor de alimentare de la o singur ă surs ă. Proiectarea sistemelor cu
amplificatoare opera ționale – AO, alimentate cu dou ă surse, se f ăcea cu
mul ți ani în urm ă, ținând cont de faptul c ă intr ările și ie șirile aveau ca
punct de referin ță masa. Astfel, cu intrarea AO care are ca referin ță masa
– ca în Figura 2.1, nu trebuiau luate în considerare problemele tensiunii de
mod comun.

Figura 2.1. Circuit inversor cu AO alimentat cu dou ă tensiuni.

Atunci când sursa de semnal nu are ca referin ță masa – Figura 2.2,
diferen ța între mas ă și tensiunea de referin ță apare amplificat ă la tensiunea
de ie șire. Uneori, aceast ă situa ție este în regul ă, dar alte ori, diferen ța
aceasta de tensiune trebuie îndep ărtat ă din tensiunea de ie șire. Pentru a
elimina diferen ța de tensiune atunci când acesta nu trebuie s ă apar ă în
tensiunea de ie șire, se folose ște o tensiune de intrare de mod comun –
Figura 2.3. Tensiunea V REF este, în amb ele circuite de intrare, prin urmare,
este numit ă tensiune de mod comun. AO cu reac ție de tensiune, cum sunt
cele utilizate ast ăzi în cele mai multe aplica ții, respinge tensiunea de mod
comun, deoarece circuitul de intrare este cu un amplificator diferen țial (care
în mod natural elimin ă aceast ă tensiune – factorul CMRR).

Figura 2.2. AO cu semnal de intrare ce nu are ca referin ță masa.

22

Figura 2.3. AO cu tensiune de intrare de mod comun.

Când sursele de semnal au ca referin ță masa, AO cu o singur ă surs ă de
alimentare, au o tensiune de intrare de mod comun mare. Figura 2.4 arat ă
un AO cu o singur ă tensiune de alimentare și semnal de intrare cu referin ță
masa. Tensiunea de intrare nu are ca referin ță poten țialul de mijloc al
aliment ării – cum este cazul aliment ării cu dou ă surse, ci mai degrab ă este
raportat ă la cel mai de jos nivel al tensiunii de alimentare. Acest circuit nu
func ționeaz ă când tensiunea de intrare este pozitiv ă, deoarece tensiunea de
ieșire ar trebui s ă ajung ă la o tensiune negativ ă, lucru imposibil când AO se
alimenteaz ă cu o singur ă surs ă de tensiune pozitiv ă. Circuitul din Figura 2.4
func ționeaz ă doar cu tensiuni negative mici, pentru c ă cele mai multe AO
nu func ționeaz ă bine atunci când intr ările sunt conectate la poten țiale
apropiate de limitele tensiunii de alimentare.

Figura 2.4. AO cu o singur ă tensiune de alimentare, cu semnal de intrare
față de mas ă.

A ține cont de intr ările conectata la mas ă sau la alte tensiuni de referin ță,
face dificil ă proiectarea circuitelor cu AO cu o singur ă surs ă de alimentare.
În acest capitol este dezvoltat ă o procedur ă ordonat ă, care va conduce de
fiecare dat ă la un rezultat corespunz ător. Se presupune c ă noțiunile
fundamentale despre amplificatoare opera ționale ideale sunt cunoscute –
curent de intrare zero, tensiune de offset de intrare zero, impedan ță de
intrare infinit ă, impedan ță de ie șire zero, câ știgul în bucl ă deschis ă infinit.
Trebuie re ținut faptul c ă alimentarea cu o singur ă surs ă limiteaz ă domeniul
tensiunii de ie șire între 0V și aceast ă tensiune. Aceast ă limitare exclude

23 tensiuni de ie șire negative, atunci când circuitul este amplificator inversor
pentru tensiuni pozitive.
Încă un lucru ce mai trebuie men ționat, este evitarea lucrului cu tensiuni
negative de intrare, în cazul în care AO este alimentat de la o surs ă
pozitiv ă, deoarece intr ările AO sunt extrem de susceptibile de a inversa
tensiunea. De asemenea, trebuie s ă se asigure c ă în toate condi țiile posibile
de pornire, intr ările AO nu sunt polar izate invers atunci când tensiunea de
intrare și cea de alimentare sunt de polarit ăți opuse.

2.1 Analiza circuitelor cu AO alimentate cu o singur ă sursă

Complexitatea proiect ării circuitelor cu AO alimentate cu o singur ă surs ă de
tensiune de alimentare este ilustrat ă în exemplele urm ătoare. Cerin ța
polariz ării corespunz ătoare a intr ărilor complic ă analiza prin prezentarea
câtorva situa ții care nu sunt realizabile practic. Materialul de fa ță trebuie
parcurs în întregime pentru a în țelege problematica proiect ării, de și la
sfâr șit sunt date câteva solu ții simplificate pentru rezolvarea problemelor.
Pentru început, în Figura 2.5 este prezentat circuitul de AO inversor.

Figura 2.5. AO inversor.

Ecua ția (1) este scris ă cu ajut orul principiului superpozi ției (se consider ă
mai întâi V IN=0, și VREF≠0, apoi, V IN≠0, și VREF=0). Apoi, ecua ția este
simplificat ă pentru a ob ține ecua ția (2).

Atât timp cât R L este suficient de mare, nu intr ă în rela țiile de calcul, dar
poate avea efecte secundare cum ar fi limitarea excursiei tensiunii de ie șire.
Ecua ția (3) este ob ținut ă prin egalarea V IN cu V REF. Conform acesteia,
VOUT=0. În realitate îns ă, la ie șire se g ăsește o tensiune de valoare foarte

24 mică – egal ă cu tensiunea de satura ție a unui tranzistor, în jur de 150mV
pentru AO din seria TLC07x.

Dac ă VREF=0, V OUT=-VIN(RF/RG), atunci sunt dou ă solu ții posibile ale ecua ției
(2). Prima, dac ă VIN≥0, atunci V OUT ar trebui s ă fie negativ ă, dar circuitul
nu poate ajunge decât la acea tensiune de satura ție. A doua, dac ă VIN≤0,
tensiunea de ie șire este pozitiv ă și are valoarea dat ă de ecua ția (5).

Când V REF=VCC, se ob ține ecua ția (6). În aceast ă ecua ție, dac ă VIN≤0,
tensiunea de ie șire V OUT ar trebui s ă depășeasc ă valoarea V CC, dar acest
lucru este imposibil și atunci tensiunea de ie șire va fi limitat ă la o valoarea
de satura ție. Dac ă VIN este pozitiv ă, circuitul func ționeaz ă ca un amplificator
inversor. Circuitul practic este prezentat în Figura 2.6, iar func ția de
transfer es te redat ă în Figura 2.7. Condi țiile de func ționare sunt: V CC=5V,
RG=RF=100k Ω, RL=10k Ω.
Dup ă cum se poate observa, AO de genera ție mai veche – LM358, TL07x și
TLC272 au tensiunea de ie șire limitat ă între 2,3 și 3,75V. Aceste
performan țe slabe nu corespund d eloc AO ideal, deoarece tensiunea de ie șire
este limitat ă drastic. Aceast ă limitare este deficien ța cea mai mare a AO
alimentate cu o singur ă tensiune. Totodat ă, excursia limitat ă a tensiunii de
ieșire duce la distorsiuni ale semnalelor mari. Cel de -al patrulea AO
prezentat în Figura 2.7, de genera ție mai nou ă, TLV247x a fost proiectat s ă
func ționeze pentru aplica ții ”bar ă-la bar ă” (rail-to-rail – doar câ țiva milivol ți
aproape de 0V și la fel fa ță de V CC) cu alimentare cu o singur ă tensiune.
Dup ă cum se poate observa în Figura 2.7, AO TLV247x prezint ă o
caracteristic ă de transfer aproape ideal ă. Celelalte AO – de genera ție mai
veche, au limitat ă func ția de transfer conform ecua ției (7).

25 Figura 2.6. AO inversor cu V REF=VCC.

Figura 2.7. F uncția de transfer a unui AO inversor cu V REF=VCC.

Circuitul cu AO neinversor este ar ătat în Figura 2.8. Ecua ția (8) este scris ă
tot cu ajutorul superpozi ției și simplificat ă algebric, pentru a ob ține ecua ția
(9).

Când V REF=0, V OUT=VIN*(RF/RG), sunt dou ă solu ții posibile. Prima, când V IN
este o tensiune negativ ă, VOUT trebuie s ă fie o tensiune negativ ă. Dar
circuitul nu poate ajunge la tensiuni negative, cu o singur ă tensiune de
alimentare pozitiv ă, așa încât ie șirea atinge tensiunea de satura ție față de
mas ă. A doua solu ție, când V IN este o tensiune pozitiv ă, ieșirea corespunde
ecua ției (11).

26 Circuitul cu AO neinversor este prezentat în Figura 2.8, cu V CC=5V,
RG=RF=100k Ω, RL=10k Ω, și VREF=0. Func ția de transfer a circuitului este
redat ă în Figura 2.9, cu TLV247x folosit ca AO.

Figura 2.8. Circuit cu AO neinversor.

Figura 2.9. Func ția de transfer a circuitului cu AO neinversor.

Exist ă mai multe variante posibile de circuite inversoare și neinversoare.
Mul ți proiectan ți analizeaz ă aceste variante în speran ța de a da peste unul
care rezolv ă problema circuitului. Mai degrab ă decât s ă se analizeze fiecare
circuit, este mai bine s ă se știe cum s ă se foloseasc ă ecua ții simultane care
să reprezinte datele specificate sub form ă de ecua ție matematic ă
corespunz ătoare. Atunci când ecua ția dorit ă este cunoscut ă, este ales un
circuit care se potrive ște cu ecua ția, pentru a rezolva problema. Ecua ția
rezultat ă trebuie s ă fie una liniar ă. Astfel, exist ă doar patru solu ții posibile,
fiecare dintre ele este prezentat ă în detaliu în continuare.

27 2.2 Ecua ții simultane de func ționare

Pentru a urma o cale ordonata în proiectarea unui circuit, trebuie urma ți
câțiva pa și. Mai întâi, se specific ă datele pentru circuitul ce trebuie
proiectat. Apoi, circuitul este legat de ecua țiile simultane specifice, pentru a
determina forma concret ă a ecua ției pe care trebuie s ă o aib ă aceasta. Se
merge la sec țiunea care ilustreaz ă forma ecua ției, se rezolv ă ecua ția pentru
a determina valorile rezistoarelor și aceasta este solu ția problemei.
Func ția de transfer a ecua ției este o dreapt ă, conform ecua ției (12).

Aceast ă ecua ție are patru solu ții posibile ce depind de semnul lui m –
panta, și b – termenul liber. Ecua țiile sunt date de expresiile (13) – (16).

Dac ă se dau un set de dou ă puncte pentru V OUT și VIN, sistemul de dou ă
ecua ții cu dou ă necunoscute m și b va avea solu ție. De exemplu, dac ă se
dore ște folosirea unui circuit cu AO care s ă preia semnalul de la un senzor
care are tensiunea de ie șire între 0,1 și 0,2V și să o ofere unui convertor
analog-digital care are domeniul tensiunii de intrare între 1 și 4V, se
introduc aceste date în ecua ția (13) și se ob țin rezultatele din ecua țiile (17)
și (18).

Înmul țind ecua ția (17) cu 2 și scăzând ecua ția (19) din (18) se ob ține ecua ția
(20).

Înlocuind ecua ția (20) în (17) se ob ține ecua ția (20).

28
Cu m și b calculate conform ecua țiilor (20) și (21) se ob ține solu ția dat ă de
ecua ția (22).

Cu toate c ă ecua ția (13) a fost punctul de plecare , ecua ția (22) este identic ă
cu formatul ecua ției (14). Specifica țiile date au determinat semnele lui m și
b, iar din ecua ția (13), iar forma final ă este ecua ția (22) cu m și b calculate.
Urm ătorul pas necesar pentru a determina solu ția final ă a problemei este
de a realiza un circuit care are o m=30 și b=-2. Circuite a fost proiectat
pentru ecua țiile (13) -(16), și ele sunt date în paragrafele urm ătoare sub
numele Cazul 1 – Cazul 4.

2.2.1 Cazul 1 – VOUT=mVIN+b

Schema circuitului care furnizeaz ă o solu ție pentru Cazul 1 este prezentat ă
în Figura 2.10. Schema mai include și dou ă condensatoare 0,01µF. Aceste
condensatoare sunt numite condensatoare de decuplare și au fost incluse
pentru a reduce zgomotul și a oferi o imunitate crescut ă la zgomot. Uneori
un singur condensator serve ște acestui scop. Atunci când tensiunea de
alimentare V CC este utilizat ă ca referin ță, o aten ție deosebit ă trebuie
acordat ă stabiliz ării și zgomotului con ținut de sursa de alimentare, deoarece
o parte din zgomotul sursei de alimentare va fi amplificat de AO,
amplificare egal ă cu câ știgul acestuia.

Figura 2.10. Schema electric ă pentru Cazul 1 – VOUT=mVIN+b.

Valoarea tensiunii de ie șire V OUT este dat ă de rela ția (23).

29
Ecua ția este o dreapt ă corespunz ătoare rela ției (24), iar valorile coeficien ților
m și b sunt date de rela țiile (25) și (26).

2.2.1.1 Exemplul 1

Să se proiecteze un circuit de amplificare cu AO care s ă dea la ie șire 1V
când tensiunea de intrare este de 10mV, și 4,5V când tensiunea de intrare
este de 1V. Rezisten ța de sarcin ă este de 10k Ω, iar tensiunea de alimentare
este de 5V. O alt ă surs ă de tensiune de referin ță nu este disponibil ă. Costul
circuitului trebuie s ă fie minim, iar toleran ța rezistoarelor maxim 5%.

2.2.1.2 Rezolvarea ex emplului 1

Întrucât nu este disponibil ă o alt ă surs ă de referin ță, tensiunea de
alimentare V CC va fi folosit ă ca surs ă de referin ță. De aceea, calitatea
acesteia va determina calitatea circuitului din punctul de vedere al
zgomotului. Acesta va fi pre țul plătit pentru costul minim – performan țe de
zgomot reduse. Pentru cre șterea calit ății circuitului – în ce prive ște
zgomotul, trebuie pus în circuit o surs ă de tensiune de referin ță de precizie
mare și zgomot redus.
Conform datelor de intrare, se ob țin rela țiile date (27) și (28).

Înmul țind ecua ția (27) cu 100 se ob ține (29) și sc ăzând (28) din (29), se
obține (30).

Panta m se ob ține înlocuind valoarea lui b în (27). Valoarea lui m este dat ă
de (31).

30

Acum, având valorile lui m și b, pot fi calcula te valorile rezisten țelor din
circuit. Ecua țiile (25) și (26) sunt folosite pentru a determina raportul
(RF+RG)/RG, apoi sunt înlocuite în (32) și rezultatul este (33).

Întrucât se accept ă o toleran ță a rezistoarelor de 5%, alegând R 1=10k Ω, se
obține valoarea standard cea mai apropiat ă, R2=180k Ω. Desigur, aceast ă
valoare va da o eroare în circuit (180k Ω ≠183,16k Ω), dar aceasta este
acceptabil ă.
Partea a doua a ecua ției (32) este folosit ă pentru determinarea valorilor lui
RF și RG.

Alegând R G=10k Ω, rezult ă RF=27k Ω – cea mai apropiat ă valoare conform
rela ției (35), iar func ția de transfer a circuitului este (36). Și aici apare
aceea și eroare men ționat ă în cazul rezistoarelor R 1 și R2. Circuitul va avea
tensiunea de ie șire cuprins ă între 1 și 4,5V. AO de genera ție mai veche nu
pot fi utilizate în acest circuit deoarece nu permit o excursie de tensiune
pân ă la 4,5V (LM324 are V OH=3,5V la V CC=5V. AO din familia TLV247x pot
fi folosite în acest circuit. Figura 2.7 confirm ă alegerea circuitului TLV2472
pentru aplica ția men ționat ă. Circuitul cu valorile componentelor calculate
este prezentat în Figura 2.11, iar func ția de transfer a acestuia în Figura
2.12.

31

Figura 2.11. Circuitul cu func ția de transfer V OUT=3,5V IN+0,97.

Figura 2.12. Func ția de transfer a circuitului din Figura 2.11.

Măsurătorile efectuate pe un circuit cu AO TLV2472 au fost urm ătoarele: la
VIN=0,1V s -a g ăsit V OUT= 0,98V (în loc de 1V), iar la V IN=1,0V s -a g ăsit
VOUT= 4,53V. Chiar dac ă AO are curen ți de intrare diferi ți de zero (2 -300pA)
și o tensiune de intrare de offset diferit ă de zero (0,25 -2,4mV), totu și, aceste
valori sunt nesemnificative și nu vor afecta func ția de transfer a circuitului.
Valorile rezisten țelor au fost alese în domeniul k Ω. Domeniul lor de varia ție
este determinat de câ știgul și de tensiunea de offset maxim admisibil ă a
circuitului; iar valorile lor absolute sunt determinate de curentul consumat
de la sursa de alimentare, r ăspunsul în frecven ță și curentul maxim de
ieșire al AO. În exemplul preze ntat, valorile alese au mers spre valorile
maxime, deoarece AO moderne nu mai au probleme legate de curen ții de

32 polarizare ai intr ărilor (TLV2472 este un AO CMOS), și au un r ăspuns în
frecven ță rezonabil (2,8MHz). Dac ă se cere un r ăspuns în frecven ță mai
mare, valorile rezisten țelor trebuie mic șorate, dar curentul absorbit de la
surs ă crește. Totodat ă, sc ăderea prea mare a valorilor rezisten țelor cre ște
curentul absorbit de acestea de la alte circuite, sau AO nu le poate
comanda (curentul de ie șire maxim al AO TLV2472 este de ±10mA la
180mV tensiune fa ță de mas ă și VCC, sau ±35mV la 500mV tensiune de
ieșire fa ță de mas ă și VCC – dar nu în aplica ții ”bar ă la bar ă”).

2.2.2 Cazul 2 – VOUT=mVIN-b

Circuitul din Figura 2.13 reprezint ă o solu ție pentru acest caz. Ecua ția este
obținut ă prin echivalarea Thevenin în punctul comun al rezisten țelor R 1 și
R2. Dup ă echivalarea corespunz ătoare, câ știgul amplificatorului este dat de
ecua ția (37).

Figura 2.13. Schema electric ă a circuitului pentru Cazul 2 –
VOUT=mVIN -b.

Comparând termenii din expresiile (14) și (37) se pot extrage valorile lui m
și b – ecua țiile (38) și (39).

33 2.2.2.1 Exemplul 2

Să se proiecteze circuitul cu AO în urm ătoarele condi ții: V OUT=1,5V la
VIN=0,2V, V OUT=4,5V la V IN=0,5V, V REF=VCC=5V, R L=10k Ω, și toleran ță 5%
pentru rezistoare.

2.2.2.2 Rezolvarea exemplului 2

Conform valorilor men ționate se pot scrie ecua țiile (40) și (41).

Rezolvând sistemul, se g ăsește b=-0,5 și m=10. Considerând R 1||R2<<RG
calculele se simplific ă și se g ăsesc valorile lui m și RF date de ecua țiile (42)
și (43).

Dac ă luăm RG=20k Ω, rezult ă RF=180k Ω, iar b și R1 date de ecua țiile (44) și
(45).

Alegând R 2=0,82k Ω, rezult ă R1=72,98k Ω – valoarea standard cea mai
apropiat ă este de 75k Ω. Aceast ă valoare a lui R 1 va afecta cu 3% valoarea
lui b. Cu valorile astfel determinate se constat ă că aproxima ție considerat ă
R1||R2<<RG este justificat ă (R1||R2=0,82k Ω<<RG=20k Ω). Circuitul final este
prezentat în Figura 2.14, iar func ția de transfer în Figura 2.15.

34

Figura 2.14. Circuitul electric din Exemplul 2.

Datorit ă propriet ăților caracteristice AO TLV2472 a fost folosit pentru a
ridica caracteristica de transfer din Figura 2.15.

Figura 2.15. Func ția de transfer a circuitului din Exemplul 2.

2.2.3 Cazul 3 – VOUT=-mVIN+b

Circuitul din Figura 2.16 îndepline ște condi țiile Cazului 3.

35

Figura 2.16. Schema electric ă a circuitului pentru Cazul 3 – VOUT=-mVIN+b.

Func ția de transfer se ob ține aplicând principiul superpozi ției – ecua ția (46).

Comparând termenii din ecua țiile (46) și (15), se poate extrage m și b –
ecua țiile (47) și (48).

2.2.3.1 Exemplul 3

Să se proiecteze circuitul cu AO în urm ătoarele condi ții: VOUT=1,0V la V IN=-
0,1V, V OUT=6,0V la V IN=-1,0V, V REF=VCC=10V, R L=100 Ω, și toleran ță 5%
pentru rezistoare.

2.2.3.2 Rezolvarea exemplului 3

Întrucât tensiunea de alimentare a circuitului este mai mare de 6V, AO
TLV2472 nu mai poate fi folosit. Totodat ă, AO trebuie s ă fie capabil s ă
suporte un curent de ie șire de 60mA (6V/100 Ω). AO ales pentru acest
circuit este din familia TLC07x care se comport ă foarte bine la alimentare
cu o singur ă surs ă și suport ă curent mare de ie șire. Ecua țiile specifice
circuitului sunt date de expresiile (49) și (50).

36
Din aceste ecua ții se ob țin urm ătoarele valori pentru b și m – b=0,444 și
m=-5,56. Dar m și RF sunt date de ecua țiile (51) și (52).

Luând R G=10k Ω, rezult ă RF=56,6k Ω, care nu este o valoare standard; se
alege R F=56k Ω. Valoarea lui b este dat ă de ecua ția (53), iar R 1 de (54).

Ecuația final ă este (55).

Alegând R 1=2k Ω, se ob ține R 2=295,28k Ω; se alege R 2=300k Ω. Aceast ă
diferen ță are efect nesemnificativ asupra valorii lui b. Circuitul final este
redat în Figura 2.17, iar func ția de transfer în Figura 2.18.
Atât timp cât circuitul func ționeaz ă normal, nu apar probleme atunci când
la intrarea circuitului TLC07x este tensiune negativ ă, deoarece intrarea
inversoare este la tensiune pozitiv ă. Intrarea neinversoare a AO este la
aproximativ 65mV și în mod normal AO men ține intra rea inversoare la
acela și poten țial. La oprirea circuitului, când tensiunea de alimentare
coboar ă spre zero, la intrarea circuitului este tensiune negativ ă, care apare
la intrarea inversoare. Solu ția ce mai bun ă pentru a nu distruge AO este
conectarea unei diode D 1 între mas ă și intrarea inversoare, astfel încât
poten țialul pe aceasta nu poate coborî sub tensiunea de deschidere a diodei.
Este bine s ă se conecteze în circuit o diod ă cu Ge sau Schottky, ca acest
poten țial s ă nu dep ășeasc ă 200mV. Cele mai mult e AO nu sunt distruse de
aceast ă tensiune. Pentru o mai bun ă protec ție a AO, rezisten ța RG poate fi
descompus ă în 2 rezisten țe cu catodul diodei conectat între cele 2 rezisten țe
(anodul la mas ă). În felul acesta se și limiteaz ă curentul pe intrarea
inversoare a AO.

37

Figura 2.17. Schema circuitului din Exemplul 3.

Figura 2.18. Func ția de transfer a circuitului din Exemplul 3.

2.2.4 Cazul 4 – VOUT=-mVIN-b

Circuitul corespunz ător acestui caz este redat în Figura 2.19. Ecua țiile sunt
obținute tot prin metoda superpozi ției – ecua ția (56).

38

Figura 2.19. Schema circuitului pentru Cazul 4 – VOUT=-mVIN-b.

Comparând din nou termenii ecua țiilor (56) și (16) se pot determina valorile
lui m și b – ecua țiile (57) și (58).

2.2.4.1 Exemplul 4

Să se proiecteze circuitul cu AO în urm ătoarele condi ții: VOUT=1,0V la V IN=-
0,1V, V OUT=5,0V la V IN=-0,3V, V REF=VCC=5V, R L=10k Ω, și toleran ță 5%
pentru rezistoare.

2.2.4.2 Rezolvarea exemplului 4

Ecua țiile (59) și (60) sunt specifice circuitului.

Din acestea, se g ăsesc b= -1 și m=-20. Înlocuind pe m din ecua ția (57) se
obțin ecua țiile (61) și (62).

39

Alegând R G1=1k Ω, se ob ține R F=20k Ω. Înlocuind pe b din ecua ția (58) se
obțin ecua țiile (63) și (64).

Ecua ția final ă a circuitului este (65).

Circuitul final este prezentat în Figura 2.20 și func ția de transfer în Figura
2.21.

Figura 2.20. Schema circuitului din Exemplul 4.

40

Figura 2.21. Func ția de transfer a circuitului din Exemplul 4.

Acela și AO TLV247x a fost utilizat pentru realizarea circuitului, datorit ă
excursiei mari a tensiunii de ie șire. Func ția de transfer ridicat ă este foarte
aproape de caracteristica ideal ă datorit ă performan țelor superioare ale AO.
La func ționare normal ă, nu sunt probleme cu tensiunea negativ ă la intrare,
deoarece intrarea inversoare a AO este la un poten țial pozitiv. Intrarea
neinversoare este conectat ă la mas ă. Când tensiunea de alimentare coboar ă
spre zero la oprirea circuitului, și la intrare este o tensiune negativ ă, pe
intrarea inversoare apare aceast ă tensiune negativ ă care poate distruge AO.
Solu ția cea mai bun ă pentru protejarea AO este conectarea unei diode
Schottky D 1 cu anodul la mas ă și catodul pe intrarea inversoare. Rezisten ța
RG2 a fost descompus ă în dou ă rezisten țe egale R G2A=RG2B=51k Ω cu un
condensator conectat în punctul comun al celor dou ă. Acest condensator
apare în serie cu tensiunea de alimentare la oprirea circuitului.

2.3 Concluzii desprinse

Proiectarea circuitelor cu AO cu o singur ă tensiune de alimentare este mai
complicat ă decât a AO cu dou ă surse, dar pot fi ob ținute rezultate foarte
bune dac ă se face o proiectare logic ă. AO de genera ție mai veche au limitat ă
excursia tensiunii de ie șire. Cele de genera ție recent ă TLV247x, TLC07x sau
TLC08x au parametrii foarte buni de uti lizare cu o singur ă surs ă de
alimentare.
AO alimentate de la o singur ă surs ă au nevoie de circuite de polarizare ale
intr ărilor. Proiectarea acestor circuite const ă în urmarea a câtorva pa și:
 Se înlocuiesc condi țiile de func ționare în ecua țiile circuitului pentru a
obține cei doi parametri m și b – panta și valoarea ini țială;

41  Valorile lui m și b determin ă forma circuitului;
 Se alege configura ția circuitului care corespunde formei;
 Folosind ecua țiile circuitului se calculeaz ă valorile rezisten țelor;
 Se const ruie ște circuitul, se ridic ă caracteristicile, se verific ă
performan țele;
 Se verific ă circuitul în alte condi ții de func ționare decât cele normale
– la conectarea și la deconectarea aliment ării cu tensiune prezent ă la
intrare, tensiuni de intrare în afara sau în domeniului acceptat al
AO, etc;
 Se adaug ă componente de protec ție la circuit;
 Se verific ă din nou.
Atunci când se urmeaz ă aceast ă procedur ă se ob țin rezultate bune.
Func ția de transfer a circuitului este o dreapt ă. Ecua ția poate avea numai 4
forme. Metoda poate fi extins ă și asupra altor circuite cu mai multe intr ări,
rejec ția tensiunii de mod comun, sau alte cerin țe diferite.

42 Capitolul 3 – Proiectarea și simularea funcționării
ESR-metrului

Ca urmare a studiului f ăcut asupra schemelor electrice ale aparatelor de
măsură a ESR a condensatoarelor în Capitolul 1 al lucr ării, am ajuns la
urm ătoarea schem ă bloc – Figura 3.1.

Figura 3.1. Schema bloc a ESR -metrului.

Blocurile func ționale ale aparatului sunt urm ătoarele:
– un generator de frecven ță înalt ă – 100kHz,
– un circuit de adaptare de impedan ță între generator și condensatorul
testat,
– condensatorul testat și un circuit de protec ție al aparatului,
– un redresor de precizie,
– un circuit de semnalizare a ESR <1Ω,
– un circuit de semnalizare a ESR >5Ω,
– o surs ă de alimentare stabilizat ă de 5V.

3.1 Generatorul de semnal

Ca generator de semnal de 1 00kHz a fost ales un oscilator cu AO TL082.
Frecven ța de oscila ție este dat ă de grupul R2 -C1. Constanta de timp este
τ=k*R*C, unde k este o constant ă. Frecven ța de oscila ție este dat ă de
ecua ția (1).
Generator
dreptunghiular
100kHz Circuit adaptare
de impedanță
Condensator
testat și circuit
de protecție
Redresor de
precizie Circuit
semnalizare
ESR<1Ω
Circuit
semnalizare
ESR>5Ω Sursă de
alimentare
5V

43

(1)

Pentru o frecven ță de oscila ție de 100kHz – o constant ă de timp de 10µs,
dacă se alege R de câ țiva kiloohmi, rezult ă C de ordinul a câ țiva nanofarazi.
În urma simul ărilor efectuate, am constatat c ă pentru R2=3,9nF și C1=1nF,
frecven ța de oscila ție este de 102kHz. În acest caz, valoare a constantei
k1=0,3978 (poate fi considerat aproximativ 0,4). Semnalul este axat pe o
component ă continu ă de 2,5V (întrucât tensiunea de alimentare este de 5V),
dată de rezisten țele R3 și R4 de 47k Ω. Aceste valori pot fi urm ărite în
Figura 3.2.

Figura 3.2. Oscilatorul pe 100kHz.

Forma de und ă la ie șirea AO este redat ă în Figura 3.3. Se poate vedea
perioada de aproximativ 10µs (170µs -160µs).

Figura 3.3. Forma de und ă la ie șirea AO oscilator.

0
C1
1nR4
47kC2
4.7u
R2
3.9kR3
47k R1
47kU1A
TL0823
2
8 41+
–
V+ V-OUT
0
Time160.0us 164.0us 168.0us 172.0us 176.0us 180.0us 183.7us
V(C2:+)1.25V2.50V3.75V
0.44V4.71V

44 3.2 Circuitul de adaptare de impedan ță

Întrucât AO nu are impedan ța suficient de mic ă pentru a conecta
condensatorul ce trebuie testat, este necesar un circuit de adaptare de
impedan ță. Acest circuit poate fi realizat în mai multe moduri; cel mai
simplu este folosirea unui transformator coborâtor de tensiune.
Transformatorul realizat cu miez de ferit ă trebuie s ă poat ă transmite
frecven ța de 100kHz. Ca sarcin ă, transformatorul are o rezisten ță de 10 Ω,
iar cuplarea cu AO se face prin intermediul unui condensator de 4,7µF.
Schema este prezentat ă în Figura 3.4. Condensatorul de testat se conecteaz ă
între bornele TEST1 și TEST 2. Rezisten ța R7 este folosit ă pentru reducerea
tensiunii care cade pe condensatorul de testat. În circuit poate fi folosit un
transformator cu raportul de transformare 8:1 din sursele de alimentare în
comuta ție ale calculatoarelor personale.

Figura 3.4. Circuitul de adaptare de impedan ță.

3.3 Circuitul de protec ție

Întrucât condensatorul de testat nu trebuie deconectat din circuit, el poate
fi înc ărcat cu o anumit ă tensiune continu ă. Tensiunea poate fi mai mic ă sau
mai mare. ESR -metrul trebuie s ă verifice un condensator desc ărcat de
tensiunea continu ă. Circuitul de protec ție al aparatului trebuie s ă
îndeplineasc ă și aceast ă func ție; rezisten ța R13 de 1M Ω descarc ă
condensatorul. Condensatorul C10 de 1µF/400V taie componenta continu ă a
tensiunii de pe condensatorul testat. Schema propus ă este cea din Figura
3.5.
Diodele D5 și D6 protejeaz ă aparatul la tensiuni mai mari de ±0,7V.
Condensatorul de testat a fost notat în figur ă cu Cx și ESR. Se poate
constata cu u șurin ță că aparatul va m ăsura de fapt ESR al condensatorului
de testat în serie cu condensatorul C10. Impedan ța acestuia la frecven ța de
100kHz este dat ă de rela ția (2). Aceast ă valoare trebuie luat ă în considerare
la afi șarea valorii efective a ESR a condensatorului testat; apar atul va afi șa
de fapt ESR+1,6 Ω.

(2)

0C2
4.7uTEST 1
R5
10T1
8:11 3
2 4TEST 2
R7
10

45

Figura 3.5. Circuitul de protec ție.

3.4 Redresorul de precizie

Tensiunea alternativ ă de pe condensatorul testat divizat ă trebuie redresat ă
și amplificat ă. Aceste func ții sunt îndeplinite de circuitul din Figura 3.6.
Tensiunea de intrare este adus ă la intrare prin intermediul condensatorului
C4 de 4,7µF. AO folosit este cel de -al doilea din capsula TL082. Impedan ța
de intrare mare a circuitului este asigurat ă prin folosirea acestui AO care
are tranzistoare JFET pe intr ări. AO este un amplificator inversor, care
conform celor afirmate în Capitolul 2 are rela ția de calcul dat ă de ecua ția
(3).

(3)

Tensiunea de ie șire are o component ă continu ă – 2,5V=V CC/2 și una
alternativ ă – (R9/R8)xV in.
Tensiunea de referin ță de 2,5V este dat ă de divizorul rezistiv R10 -R11 și
filtrat ă cu condensatorul C5. Tensiunea de intrare este amplificat ă de 22 de
ori – raportul R9/R8. Componenta cont inuă a tensiunii de ie șire este anulat ă
de C6, iar redresarea este asigurat ă de diodele D3 și D4. Filtrarea tensiunii
de ie șire este asigurat ă de condensatorul C7 de 100nF. Pe rezisten ța R12 se
măsoar ă tensiunea de ie șire a circuitului – tensiune care este invers
propor țional ă cu ESR a condensatorului testat. În serie cu aceasta – R12,
poate fi conectat un microampermetru pe care se poate citi valoarea ESR.
Ecranul acestuia poate fi etalonat direct în ESR.

R13
1MC10
1uCx
100u
D6
D1N4007D5
D1N4007TEST 2ESR
1
TEST 1

46

Figura 3.6. Circuitul de redresare de precizie.

Rezultatele simul ării sunt prezentate în Figurile 3.7 și 3.8, astfel: pentru un
condensator electrolitic cu ESR >5Ω – Figura 3.7, și pentru unul cu ESR<1 Ω
– Figura 3.8. Se constat ă că pentru ESR >5Ω, tensiunea de ie șire de pe
rezisten ța R12 este sub 1V (rezultat ob ținut pentru C=47µF și ESR=15 Ω) –
Figura 3.7. Condensatorul simulat este unul prost, întrucât ESR acestuia
trebuia s ă fie sub 2,2 Ω (47µF/10V).

Figura 3.7. Tensiunea de ie șire pentru ESR >5Ω.

Pentru acela și condensator (47µF/10V), d ar cu ESR<1 Ω, tensiunea de ie șire
are valoarea de 2,5V – Figura 3.8. Condensatorul testat este bun, deoarece
tensiunea este mai mare de 1,3V.

R9
22k0R12
47k0C6
100n0
0D4 D1N4148U6B
TL0825
6
8 47+
–
V+ V-OUT
C7
100nV2
5Vdc
D3
D1N4148R10
47k
C4
4.7uC5
4.7u R11
47k
R8
1k
Time0s 0.2ms 0.4ms 0.6ms 0.8ms 1.0ms
V(R12:2)-0.4V0V0.4V0.8V1.2V

47

Figura 3.8. Tensiunea de ie șire pentru ESR <1Ω.

3.5 Circuitul de semnalizare

Valoarea ESR a condensatoarelor este discutabil ă. Fabrican ții de
condensatoare electrolitice pun la dispozi ție în foile de catalog valorile
garantate pentru ESR. Studiind aceste foi și experien ța în depanare a mai
multor persoane – pe forumurile depanatorilor, se pot tra ge urm ătoarele
concluzii. Valoarea ESR depinde de mai mul ți factori, și anume:
– capacitatea condensatorului,
– tensiunea de lucru,
– dimensiunile capsulei – SMD sau PTH,
– produc ătorul.
În aceast ă privin ță, prezint dou ă exemple.
Capacul frontal al ESR -metrului p rodus de Anatek dup ă proiectul lui Bob
Parker este prezentat în Figura 3.9. Tabelul prezentat d ă valoarea ESR în
func ție de capacitate și tensiunea de lucru a condensatorului. Tabelul este
ceva mai vechi – 2003. Condensatoarele actuale au ESR ceva mai mici
decât cele din tabel. Totu și, tabelul este destul de util pentru estimarea
ESR.
Cel de-al doilea tabel este acceptat de mai mul ți depanatori, printre care și
Jestine Yong autor al mai multor c ărți de depanare a echipamentelor
electronice actuale – monitoare LCD, surse în comuta ție, etc. Tabelul este
prezentat în Figura 3.10.
Lucrarea de fa ță nu-și propun ă să evalueze calitatea celor dou ă tabele, ci
doar s ă prezinte valorile ESR a celor mai utilizate condensatoare
electrolitice în echipamentele elect ronice actuale. Aceast ă valoare conteaz ă,
întrucât ESR -metrul propus nu folose ște un galvanometru pentru afi șare ci
2 LED-uri care s ă decid ă dacă ESR este în domeniul acceptabil sau nu.
Pentru a rezolva acest deziderat, am propus folosirea a dou ă comparato are
Time0s 0.2ms 0.4ms 0.6ms 0.8ms 1.0ms
V(R12:2)-1.0V0V1.0V2.0V3.0V

48 cu tensiuni de referin ță diferit ă pentru a semnaliza pe 2 LED -uri starea
ESR:
– dacă ESR>5Ω – condensator prost – LED ro șu aprins,
– dacă ESR<1Ω – condensator bun – LED verde aprins.
Vine normal ă întrebarea, dar dac ă 1Ω<ESR<5 Ω? Ce decizie se ia? R ăspunsul
este simplu: Se verific ă datele de catalog și se decide dac ă condensatorul are
ESR acceptabil sau nu.

3.5.1 Schema circuitului

Schema propus ă este prezentat ă în Figura 3.11.

Figura 3.9. ESR -metrul Anatek – capacul frontal.

49

Figura 3.10. Tabel ESR în func ție de capacitate și tensiunea de lucru.

Figura 3.11. Circuitele de semnalizare.

Pentru a nu afecta tensiunea continu ă de la ie șirea redresorului, între
circuitele de semnalizare propriu -zise și etajul redresor, am conectat un AO
pe post de repetor realizat cu unul din cele 4 AO din capsula LM324 –
U1A. Rezisten ța R1 de 47k Ω echilibreaz ă curen ții pe intr ările AO. Am ales
acest AO întrucât permite alimentarea de la 5V și are suficient de curent
de ie șire pentru a aprinde un LED.

R11
330R9
2.7kR2
7.5k
R1
47kD1- Rosu
ESR>5Ohmi
R8
7.5k
D2-Verde
ESR<1OhmR10
18kVout ESR-metru
0
R7
18kU1B
LM3245
6
4 117+
–
V+ V-OUTR6
330
0R4
18k
U1C
LM32410
9
4 118+
–
V+ V-OUT0V2
5Vdc
0U1A
LM3243
2
4 111+
–
V+ V-OUT
R3
2kR5
18k

50 3.5.2 Func ționarea circuitului

Dac ă tensiunea de ie șire din ESR -metru este V out<1V, acest lucru
corespunde unei rezisten țe ESR>5 Ω. Tensiunea de referin ță de 1V este dat ă
de divizorul rezistiv R2 -R3 și adus ă pe intrarea inversoare a AO – U1B.
Dac ă tensiunea de ie șire a ESR -metrului este V out>1,3V, înseamn ă că
ESR<1Ω. Tensiunea de referin ță de 1,3V este dat ă de divizorul R8 -R9 și
adus ă tot pe intrarea inversoare a AO – U1C.
LED-urile de semnalizare sunt conectate prin intermediul unor rezisten țe
de limitare a curentului de 330 Ω – R6-R11 la +5V sau 0V.

3.6 Sursa de alimentare

Alimentarea aparatului este la o baterie de 9V și 150-200mA or ă. Circuitele
integrate utilizate TL082 și LM324 sunt alimentate de la tensiunea oferit ă
de un stabilizator liniar U2 cu LM7805 – Figura 3.12.

Figura 3.12. Sursa de alimentare a ESR -metrului.

3.7 Concluzii desprinse

ESR-metrul proiectat a fost verificat în OrCAD 9.1. Rezultatele simul ărilor
le-am prezentat în figurile din acest capitol.
Aparatul este alimentat de la o baterie de 9V. Circuitele integrate TL082 și
LM324 sunt alimentate de la o singur ă surs ă de 5V.
Decizia de ”condensator bun” sau ”condensator prost” este afi șată cu 2 LED –
uri – unul verde pentru ESR <1Ω și unul ro șu pentru ESR>5 Ω. Pentru
condensatoarele cu ESR cuprins ă între 1 și 5Ω aparatul nu va aprinde nici
un LED – decizia fiind luat ă de depanator conform foii de catalog a
condensatorului.
În capitolul urm ător vor fi prezentate rezultatele experimentale ob ținute.

V1
9Vdc
C8
10u
0VCC=5VU278L05
132VINGNDVOUT
C9
10u

51 Capitolul 4 – Realizarea practic ă a ESR -metrului

4.1. Schema electric ă

În capitolul de fa ță este prezentat ă realizarea practic ă a ESR-metrului.
Schema final ă este desenat ă în Multisim 12.0 de la National Instruments și
prezentat ă în Figura 4.1. Am folosit programul Multisim pentru a desena
schema electric ă, deoarece este mai u șor de utilizat decât programul OrCAD.

Figura 4.1. Schema electric ă a ESR-metrului realizat.

Schema prezentat ă are doar mici modific ări fa ță de cea proiectat ă și simulat ă
în Capitolul 3. Se poate recunoa ște condensatorul de testat – C8-R16.
Tensiunea de ie șire V_ESR din aparat se g ăsește în conectorul J1, pentru a
putea fi folosit ă în alte aplica ții, cum ar fi m ăsurarea rezisten țelor de
contact, m ăsurarea ESR cu precizie, miliohmmetru, etc.
Nivelele de tensiune la care aparatul semnalizeaz ă valorile de 1 Ω și 5Ω se
pot regla din poten țiometrele semireglabile R24 și R25.
Aparatul fiind alimentat de la o baterie de 9V (conectat ă în conectorul J2)
este pornit/oprit din comutatorul S1. Prezen ța aliment ării aparatului nu mai
este necesar s ă fie semnalizat ă separat de un alt LED, deoarece la punerea
sub tensiune LED -ul ro șu ”ESR>5 Ω” se va aprinde. La cone ctarea unui
condensator care are ESR<5 Ω se va stinge LED -ul ro șu și dac ă ESR<1 Ω se
va aprinde LED -ul verde ”ESR<1 Ω”.

4.2 Lista componentelor

Programul Multisim are posibilitatea gener ării automate a listei
componentelor folosite într -un circuit. Lista este de mare folos la o
U1A
TL082CP3
2
48
1U1B
TL082CP5
6
48
7
R1
100kΩR2
100kΩ
R3
100kΩ
R4
3.9kΩC1
1nFC2
10µF
R5
10ΩR6
10ΩC4
10µFR8
1kΩ
R9
22kΩC5
100nFR10
100kΩR11
100kΩ
C6
10µFD1
1N4448D2
1N4448
C7
100nFR12
47kΩD3
1N4007
D4
1N4007R15
1.0MΩC8
100µFR16
1Ω
C9
1µF
U2
400:201
2 34
U3A
LM324N3
2
114
1U3B
LM324N5
6
114
7U3C
LM324N10
9
114
8
R7
47kΩR13
330Ω
R14
330ΩR17
18kΩR18
18kΩ
R19
18kΩR20
18kΩR21
7.5kΩR22
7.5kΩU3D
LM324N12
13
114
14
R23
47kΩJ1
V_ESRLED1
ESR>5ohmi
LED2
ESR<1ohmR245kΩ
Key=A
50 %R255kΩ
Key=Z
70 %U4
LM7805CT
LINE VREG
COMMONVOLTAGE C3
100µFC10
10µFJ2
9VS1
Key = Q

52 eventual ă produc ție de serie a aparatului. Aceast ă listă este prezentat ă în
Tabelul 4.1. Ea poate fi folosit ă și pentru calculul estimativ al aparatului.
Lista poate fi desc ărcat ă în fi șier de tip TXT, PDF sau XLS.

Tabelul 4.1 Lista componentelor ESR -metrului
Quantity Description RefDes Package
1 OPAMP, TL082CP U1 IPC-2221A/2222 \PDIP-8
5 RESISTOR, 100k Ω R1, R2, R3,
R10, R11 IPC-2221A/2222 \RES1300 –
700X250
1 RESISTOR, 3.9k Ω R4 IPC-2221A/2222 \RES1300 –
700X250
1 CAPACITOR, 1nF C1 IPC-2221A/2222 \CAPPA1600 –
1000X450
4 CAP_ELECTROLIT, 10µF C2, C4, C6,
C10 IPC-2221A/2222 \CAPR500 –
700X300X600
2 RESISTOR, 10 Ω R5, R6 IPC-2221A/2222 \RES1300 –
700X250
1 RESISTOR, 1k Ω R8 IPC-2221A/2222 \RES1300 –
700X250
1 RESISTOR, 22k Ω R9 IPC-2221A/2222 \RES1300 –
700X250
2 CAPACITOR, 100nF C5, C7 IPC-2221A/2222 \CAPPA1600 –
1000X450
2 DIODE, 1N4448 D1, D2 National Semiconductor \DO-35
3 RESISTOR, 47k Ω R7, R12, R23 IPC-2221A/2222 \RES1300 –
700X250
2 DIODE, 1N4007 D3, D4 Motorola \DO-35
1 RESISTOR, 1.0M Ω R15 IPC-2221A/2222 \RES1300 –
700X250
1 CAP_ELECTROLIT,
100µF C8 IPC-2221A/2222 \CAPPA1600 –
1000X450
1 RESISTOR, 1 Ω R16 IPC-2221A/2222 \RES1300 –
700X250
1 CAPACITOR, 1µF C9 IPC-2221A/2222 \CAPPA1600 –
1000X450
1 Trf, 1P1S U2 Ultiboard \TRF_EI30_1
2 RESISTOR, 330 Ω R13, R14 IPC-2221A/2222 \RES1300 –
700X250
4 RESISTOR, 18k Ω R17, R18,
R19, R20 IPC-2221A/2222 \RES1300 –
700X250
2 RESISTOR, 7.5k Ω R21, R22 IPC-2221A/2222 \RES1300 –
700X250
1 OPAMP, LM324N U3 IPC-2221A/2222 \MDIP-
14(N14A)
2 GENERIC, HDR1X2 J1, J2 Generic \HDR1X2
1 LED_red LED1 Ultiboard \LED9R2_5V
1 LED_green LED2 Ultiboard \LED9R2_5Vg
2 POTENTIOMETER, 5k Ω R24, R25 Generic \LIN_POT

53 1 VOLTAGE_REGULATOR,
LM7805CT U4 Generic \TO-220
1 CAP_ELECTROLIT,
100µF C3 IPC-2221A/2222 \CAPR500 –
700X300X600
1 DIPSW1 S1 Ultiboard \DIPSW1H

4.3 Realizarea practic ă

Realizarea practic ă a aparatului a trecut prin mai multe etape:
– proiectarea schemei,
– simularea func ționării,
– realizarea pe o plac ă de circuit f ără lipituri,
– realizarea pe o plac ă de cablaj pentru test,
– realizarea aparatului propriu -zis.
Montajul experimental pe o plac ă de circuit f ără lipituri este prezentat în
Figura 4.2. În partea central ă jos se afl ă generatorul de 100kHz și
redresorul de precizie, în dreapta este circuitul de adaptare de impedan ță
cu transformator, în stânga sus este sursa de alimentare, în centru sus
este circuitul cu bornele pentru testarea condensatorului, iar în dreapta sus
este circuitul de semnalizare. În imaginea captat ă este aprins LED -ul ro șu,
adic ă este testat un condensato r care are ESR mai mare de 5 Ω, deci un
condensator prost.
Consumul circuitului este de 22mA de la bateria de 9V.
Formele de und ă vizualizate cu osciloscopul sunt prezentate în Figurile 4.3
și 4.4. În Figura 4.3 este redat pe canalul CH1 semnalul de 100kHz de la
ieșirea generatorului și pe canalul CH2 tensiunea V_ESR la conectorul J1.
Valoarea acesteia este de 816mV, mai mic ă de 1,0V, deci valoarea ESR este
mai mare de 5 Ω și condensatorul este prost. LED -ul ro șu este aprins.
În Figura 4.4 pe canalul CH1 avem acela și semnal al generatorului de
100KHz și pe canalul CH2 tensiunea V_ESR de 1,4V. Tensiunea este mai
mare de 1,3V, condensatorul are un ESR mic, deci este bun. LED -ul verde
al aparatului este aprins.
Circuitul odat ă verificat pe placa de test f ără lipituri urmeaz ă a fi realizat
pe o plac ă de cablaj. Programul Circuit Design Suite 12.0 de la National
Instruments are și componenta de realizare a cablajului u șor de utilizat.
Circuitul desenat în Multisim se transfer ă sub form ă de Netlist – listă a
conexiunilor, în Utiboard. Odat ă acceptat ă lista de conexiuni se plaseaz ă
componentele pe cablaj fie în mod automat, fie manual prin blocarea unor
componente pe anumite pozi ții. O prim ă variant ă de cablaj par țial realizat în
Ultiboard este prezentat ă în Figu ra 4.5. În Figura 4.6 este prezentat ă
pozi ționarea pieselor – vedere 3D.
Versiunea final ă a cablajul optimizat ă și realizat ă pe o ma șină special ă
folosind fi șierele de transfer Gerber exportate din Ultiboard.

54

Figura 4.2. Montajul experimental pe placa f ără lipituri.

Figura 4.3. Semnalul generatorului și tensiunea de ie șire pentru ”ESR>5 Ω”.

55

Figura 4.4. Semnalul generatorului și tensiunea de ie șire pentru ”ESR <1Ω”.

Figura 4.5. Cablajul realizat în Ultiboard 12.0.

56

Figura 4.6. Pozi ționarea pieselor – vedere 3D.

57 Capitolul 5 – Concluzii

În lucrarea de fa ță, am prezentat un ESR -metru realizat cu AO. Mai întâi,
am studiat mai multe variante de astfel de aparate, mai simple sau mai
complicate, cu avantajele și dezavantajele lor, oprindu -mă asupra a 5
variante cele mai folosite în practic ă.
Apoi, am proiectat circuitul electric și i-am simulat func ționarea cu
programul OrCAD. Un generator de frecven ță înalt ă – 100kHz, alimenteaz ă
condensatorul ce trebuie testat c u un semnal de 250mVef prin intermediul
unui transformator coborâtor de tensiune. Semnalul trecut prin condensator
este amplificat și redresat dubl ă alternan ță cu ajutorul unui AO. Oscilatorul
și redresorul sunt realizate cu ajutorul celor 2 AO din circuitul TL084.
Circuitul de semnalizare a domeniilor valorilor ESR – mai mare de 5 Ω, sau
mai mic ă de 1 Ω, este realizat cu AO din circuitul LM324.
Aparatul proiectat l -am realizat sub forma unui montaj experimental pe o
plac ă de test f ără lipituri. Am ali mentat aparatul de la o baterie de 9V prin
intermediul unui comutator pornit/oprit. Am constatat c ă circuitul verific ă
rezultatele simulate. Am prezentat câteva oscilograme în Capitolul 4 și o
variant ă de cablaj realizat în Ultiboard. Cu montajul experimen tal realizat
am verificat mai multe condensatoare electrolitice din monitoare LCD și
surse de alimentare în comuta ție pentru calculatoare desktop. Am constatat
că aparatul func ționeaz ă corect, semnalizând condensatoarele proaste prin
aprinderea unui LED ro șu și a celor bune prin aprinderea unui LED verde.
Consider c ă lucrarea realizat ă și-a îndeplinit sarcina propus ă.

58 Bibliografie

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Equivalent_series_resistance
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/ESR_meter
[3] http://ludens.cl/Electron/esr/esr.html .
[3] http://members.shaw.ca/swstuff/index.htm
[4] http://kakopa.com/ESR_meter/
[5] http://www.electronica -pt.com/circuitos/en/pics/81 -esr-meter.html
[6] http://www.anatekcorp.com/blueesr.htm
[7] ***, Single -Supply Op Amp Design Techniques – Application Report,
March 2001, sloa030a.pdf.