اتصال کوتاه

.

.

پیش‌درآمدی بر مقاومت داخلی خازن‌ها

مقاومت داخلی هر خازن را با عبارت ESR که کوتاه‌شده‌ی Equivalent Series Resistance است، می‌نامند. این عبارت توصیف‌کننده‌ی مقدار  مقاومت داخلی یک خازن است. این مقاومت نامطلوب همراه با خودالقایی سری شده با آن، که به خاطر ساختمان خازن‌ها به طور ناخواسته پیدا می‌شود، امپدانس خازن را تشکیل می‌دهند. خودالقاییِ داخلی خازن را با عبارت (ESL)  که معادل Equivalent Series Inductance است، نشان می‌دهند. مقاومت داخلی خازن موجب بروز تلفات در خازن شده و توانایی آن را در فرونشاندن اختلالات پایین می‌آورد. مقاومت داخلی همراه با ظرفیت خازنی و اندوکسیون داخلی خازن به صورت سری با هم قرار دارند.

.

.

توجه به ESR اساساً تنها هنگام انتخاب خازن‌های الکترولیتی اهمیت دارد. مقدار این پارامتر به نوع مواد مصرفی در ساخت خازن و ساختمان داخلی آن و مقدار رسانش مایع یا خمیر الکترولیت (کاتود) مورد استفاده در آن بستگی دارد. این پارامتر به فرکانس و تغییرات دمایی و زمان انبارش حساس است. در خازن‌های تانتال، خازن‌های الکترولیت و خازن‌های سرامیک تغییراتی که بر اثر عوامل پیش‌گفته در مقدار ESR خازن ظاهر می‌شود، در مدارها محسوس و تاثیرگذار می‌گردند، زیرا در خازن‌های دارای ظرفیت خازنی بالا، جریان شارژ زیادی در خازن برقرار خواهد شد. بد شدن مقدار ESR سبب پایین رفتن بازده و راندمان خازن شده و مصرف مدار را بی‌جهت بالا می‌برد. خازن‌های الکترولیت در بخش‌های اولیه‌ی هر مدار نقش صاف‌کننده‌ی تموّج (ریپل) ولتاژ تغذیه یا کاهنده‌ی اغتشاشات روی مبدّل‌های AC/DC را بازی می‌کنند. این خازن‌ها در قسمت‌های خروجی مدارهای تغذیه به عنوان فیلتر و کاهنده‌ی جریان در افزاره‌های القایی به کار برده می‌شوند. تلفات مرتبط با ESR در هر خازن مانع از شارژ و دشارژ سریع خازن می‌شوند. علاوه بر این‌ها، مقدار تموّج بر روی سیگنال‌ها بالا رفته و پایداری کاری مدارها پایین می‌آیند.

.

یکی از چیزهایی که کم‌ا‌ش خوب است!

عبور جریان از مقاومت داخلی خازن، مانند عبور جریان از هر مقاومت دیگری، سبب تلف انرژی و تولید گرما در داخل خازن می‌شود. این توان هدر رونده با فرمول P = I² x ESR محاسبه می‌شود. از این فرمول می‌توان نتیجه گرفت که هر قدر مقدار ESR بزرگ‌تر باشد، تلفات در خازن بیش‌تر، و گرمای حاصل زیادتر خواهد بود. می‌دانیم که عمر خازن‌های الکترولیت به شدت به دمای کار آن‌ها بستگی دارد و هر چه دما بالاتر باشد، عمر خازن کوتاه‌تر خواهد شد.

در مقابل، اما، هر چه ESR یک خازن الکترولیت کم‌تر باشد، توانایی دریافت جریان در خازن بالاتر می‌رود. به همین خاطر خازن‌های دارای «ESRپایین» و «ESRبسیار پایین» با ذکر عبارت‌های Low ESR و Ultra-Low ESR طبقه‌بندی و نشانه‌گذاری می‌شوند. این نوع خازن‌ها به علت ESR پایین‌شان از راندمان بهتری برخوردار هستند. مقدار اهمی مقاومت معادل سری، تحت فرکانس 100 کیلوهرتز و دمای محیط 25 درجه‌ی سانتی‌گراد، در خازن‌های ESRپایین کمتر از یک اهم است و همین پارامتر در خازن‌های ESRبسیار پایین در بازه‌ی زیر یک‌دهم اهم قرار دارد. مقدار ESR در خازن‌های الکترولیت می‌تواند بنا به روش ساخت و ماده‌ی الکترولیت میان 20 میلی‌اهم تا 100 میلی‌اهم قرار داشته باشد. در خازن‌های ممتاز Super Capacitors مقدار ESR به چند میلی‌اهم تا زیر 10 میلی‌اهم محدود است.

برخی از تولیدکنندگان مشخصه‌ی ESR محصولات خود را زیر فرکانس‌های دیگری تست می‌کنند و سپس برای آن‌ها یک «ضریب تلفاتی» ارایه می‌دهند که با داشتن این ضریب، می‌توان تلفات محصول را در فرکانس‌های متفاوت و مطلوب محاسبه نمود.

.

کاربردهای خازن الکترولیت

خازن‌های الکترولیت در درجه‌ی اول در مدارهای منبع تغذیه استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، به عنوان خازن‌های فیلتر. در منابع تغذیه هنگامی که مصرف‌کننده برای مدت کوتاهی جریان زیادی می‌کشد، تا زمان تنظیم مجدد انرژی توسط تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ با این شرایط، آن‌ها اغلب به عنوان خازن پشتیبان عمل می‌کنند. بنابراین، همه به خازن‌های الکترولیتی با کمترین مقاومت تلفاتی ESR علاقه‌مند هستند. این امر به ویژه در مورد منابع تغذیه‌ی کلیدگری (سوئیچینگ) و سایر اشکال مبدل‌های کاهنده یا افزاینده نیز معتبر است.

در گذشته مدارهای منبع تغذیه با فرکانس‌های 50 یا 60 هرتز سر و کار داشتند، اما امروزه تامین جریان توسط منبع تغذیه‌هایی انجام می‌گیرد که روی چند صد کیلوهرتز کار می‌کنند. این فرکانس‌ها مجموعه‌ای از ایرادات بوجود می‌آوردند. به عنوان مثال یکی از این ایرادات اتصال کوتاه و مرگ زودهنگام خازن‌های الکترولیت بر اثر اندوکسیون‌های پراکنده و پارازیتی در حضور این فرکانس‌های بالا و اتلاف انرژی به شکل حرارت در آن‌ها است. حرارت بالا سبب خشک‌شدن خمیر الکترولیت خازن و خارج شدن گاز از خازن می‌شود. اما گاهی فشار گاز در داخل محفظه‌ی خازن چنان بالا می‌رود که باعث شکافته شدن یا حتی ترکیدن بدنه‌ی خازن می‌شود. برای جلوگیری از بروز چنین وضعیتی، سازندگان خط کوتاهی را روی بدنه‌ی خازن با پرس‌کاری نازک‌تر می‌کنند که در اثر افزایش حرارت داخل خازن از حد معینی، بدنه در طول این خط می‌شکافد و به این ترتیب از انفجار بدنه جلوگیری می‌شود.

.

.

خازن‌های الکترولیتی که رطوبت الکترولیت خود را از دست داده‌اند، دچار تغییر شدید در مشخصات خواهند شد و باید عوض شوند.

به دلیل مقاومت داخلی کم، خازن‌های الکترولیتی از نوع ESRپایین به افزایش کارایی مبدل‌های ولتاژ کمک می‌کنند. غالباً، به جای یک خازن الکترولیتی ESRپایین با ظرفیت زیاد، چندین خازن الکترولیتی با ظرفیت کمتر به صورت موازی متصل می‌شوند. به این ترتیب می‌توان ESR و همچنین خودالقاییِ ESL را کاهش داد، اما هزینه‌ی این تدبیر سطح فیبر مدار چاپی از دست رفته می‌باشد.

.

نشانه‌های پیری در خازن الکترولیت

مقدار ESR می‌تواند به مرور زمان و در طول عمر کاری خازن دچار تغییر شود. پیش از همه، خازن‌های دارای الکترولیت مایع دچار چنین تغییراتی می‌شوند، زیرا شاره‌ی الکترولیت اندک‌اندک تبخیر می‌شود. خازن‌های سرامیکی و خازن‌های الکترولیتی که الکترولیت سفت و جامدی دارند با چنین فرآیند پیری روبرو نمی‌شوند. در خازن‌های اخیر، عوامل اصلی بروز تغییر، دمای محیط کار و فرکانس کار هستند. اما، همچنین، به طور معمول پس از 10 سال انبارش هم دیگر نباید از یک خازن الکترولیت استفاده شود. به عبارت دیگر، خوانندگان و علاقه‌مندان آماتور الکترونیک باید هر از گاهی به افزاره‌های خیلی کهنه‌ی خود، حتی اگر استفاده نشده باشند، الوداع و بدرود بگویند و کشوی میز کار خود را سبک کنند. خازن الکترولیت‌های معیوب که ESRشان خیلی بالا رفته باشد، می‌توانند دستگاه‌های برقی را از کار بیاندازند. به ویژه منبع تغذیه‌های کلیدگری موضوع این خرابی‌ها هستند، زیرا کاربرد خازن‌های الکترولیت تحت فرکانس بالا در این مدارها موجب افزایش شدید دمای خازن‌ها شده و تنش مکانیکی بزرگی در درون آن‌ها ایجاد می‌کند. عمر متوسط خازن‌های الکترولیت در منبع تغذیه‌های کلیدگری در بازه‌ی هزار تا سه هزار ساعت کار قرار دارد. بسیاری از سازندگان، خازن‌های الکترولیت ESR پایینی عرضه می‌کنند که در کنار مقاومت داخلی اندک، اختصاصاً برای کار در دماهای بالاتر طراحی شده‌اند. بر روی بدنه‌ی چنین خازن‌های الکترولیتی اغلب عبارت C° 105 درج شده است (دمای کاری خازن الکترولیت استاندارد معمولی تا 85 درجه‌ی سانتی‌گراد می‌باشد).

.

سنجش‌گر

این سنجش‌گر ESR نتیجه‌ی اندازه‌گیری مقدار مقاومت معادل سری یا ESR خازن‌ها را نشان می‌دهد. مدار دستگاه بسیار ساده است و در ساختمان آن از دو ترانزیستور معمولی تیپ منفی استفاده شده است. دستگاه قادر به انجام اندازه‌گیری‌هایی در بازه‌ی میان یک‌دهم اهم تا 23 اهم است.

با وجود سادگی، نتیجه‌ی کار این دستگاه رضایت‌بخش است. دستگاه با یک باتری نیم‌قلم 1/5 ولتی کار می‌کند. البته در آزمایش‌ها مشاهده شد که ولتاژ تغذیه می‌تواند بدون هیچ تاثیر منفی بر کارکرد دستگاه تا 0/9 ولت هم پایین بیاید.

.

.

قلب تپنده‌ی مدار، ترانزیستور 1 است که با آرایش «کلکتور-مشترک» به صورت یک «نوسان‌گر کولپیتس» مداربندی شده است. فرکانس این نوسان‌ساز توسط خازن‌های 1 و 2 و القاگر 1 تعیین می‌شود و با مقدارهای داده شده روی نقشه‌ی شماتیک بالا در حدود 15 کیلوهرتز است. خازن مجهول (CX) که زیر آزمایش است و مورد سنجش قرار می‌گیرد، با خازن 1 موازی می‌شود. اما چون مقدار ظرفیت خازن مجهول بسیار بسیار بزرگ‌تر از خازن 1 است و در گام میکروفاراد قرار دارد، ظرفیت آن بر کارکرد مدار نوسان‌گر اثری نخواهد داشت و در تعیین فرکانس آن نقشی بازی نخواهد کرد.

تولید نوسان‌ها تنها هنگامی آغاز می‌شود که مقدار مقاومت معادل داخلی خازن مجهول پایین و در بازه‌ی کاری مدار قرار داشته باشد. هر چه مقدار اهمی این مقاومت معادل سری بالاتر باشد، دامنه‌ی نوسان‌ها پایین می‌آید. با بالاتر رفتن مقدار این مقاومت به نقطه‌ای می‌رسیم که نوسان‌سازی مدار متوقف می‌شود. به عبارت دیگر، مقدار مقاومت معادل سری خازن نسبت معکوس با دامنه‌ی نوسانات مدار دارد.

دیودهای 1 تا 4 نقش محافظتی دارند و برای تخلیه‌ی خازن مجهول در مدار پیش‌بینی شده‌اند تا در صورتی که خازن زیر تست دارای شارژ الکتریکی بود، تخلیه‌ی ناگهانی این شارژ در مدار سبب آسیب دیدن افزاره‌های آن نشود، اما در کارکرد اصلی مدار هیچ نقشی بازی نمی‌کنند زیرا عملاً ولتاژ شکست آن‌ها بالاتر از دامنه‌ی نوسان‌ها قرار دارند.

ترانزیستور 2 به عنوان یک‌سوساز و تقویت‌کننده‌ی جریان کار می‌کند. خازن 4 تموّج (ریپل) روی کلکتور ترانزیستور 2 را حذف می‌کند. عقربه‌ی میلی‌ولت‌متر PA1 مقدار مقاومت اندازه‌گیری شده را نمایش می‌دهد. به جای این عقربه می‌توان هر میلی‌آمپرمتر مناسبی برای نمایش محدوده‌ی جریان نیم میلی‌آمپر تا 15 میلی‌آمپر را قرار داد. به عنوان نمونه می‌توان از یک مولتی‌متر دیجیتال نام برد.

من در دستگاه خودم از عقربه‌ی یک ضبط‌صوت کاست قدیمی (عقربه‌ی نمایش حجم صدا یا VU Meter) استفاده کردم و دستگاه را طوری تنظیم کردم که هر گاه هنگام سنجش یک خازن عقربه روی قسمت قرمز رنگ صفحه‌ی آن قرار گرفت به معنای سلامت بودن و قابل قبول بودن خازن باشد.

این وسیله هنگام تعمیرات کمک‌کار بزرگی است و از زمان عیب‌یابی و تعمیر می‌کاهد، چرا که در خیلی از موارد اصولاً نیازی به باز کردن خازن از روی مدار نیست و می‌توان افزاره را در جا تست کرد.

.

.

تنظیم مدار

پیش از آغاز به بهره‌برداری از دستگاه، لازم است که آن را تنظیم و به اصطلاح «کالیبره» کرد. این کار به سادگی انجام خواهد شد: محل اتصال خازن مجهول را اتصال کوتاه می‌کنیم. دستگاه را روشن کرده و پتانسیومتر مدار را می‌چرخانیم تا عقربه‌ی نمایشگر در منتهاالیه درجه‌بندی خود قرار گیرد. کالیبراسون پایان یافت! ضروریست این تنظیم در حالی صورت گیرد که یک باتری نو  سنجش‌گر را تغذیه کند و هنگام کار با دستگاه نیز مطمئن باشیم که باتری ولتاژ کافی داشته باشد. در غیر این صورت، هر بار که قصد استفاده از دستگاه را داریم، باید یک بار آن را کالیبره کنیم.

با وصل کردن یک خازن در محل اتصال خازن مجهول، وضعیت ESR آن توسط عقربه نمایش داده خواهد شد. هر قدر عقربه حرکت بیش‌تری داشته و قرار گیریِ آن به انتهای راست صفحه‌ی مدرّج عقربه نزدیک‌تر باشد، کیفیت خازن بالاتر است. هر گاه عقربه در نقطه‌ای در دو سوم ابتدایی چرخش خود متوقف شود، نشانه‌ی آن است که خازن زیر آزمایش کیفیت خود را از دست داده و در وضعیت خوبی نیست و باید عوض شود.

.

تغذیه‌ی مدار

مصرف جریان این مدار در حدود 1/2 میلی‌آمپر است. اما همین مقدار مصرف ناچیز هم باعث خالی شدن باتری می‌شود. برای این که دستگاه همیشه آماده به خدمت باشد، من یک کلید فشاری «عادی-باز» را در مسیر خط تغذیه‌ی مثبت مدار قرار دادم که باتری را در زمان بیکاری از مدار جدا می‌کرد. روشن است که هنگام استفاده از دستگاه این کلید شستی باید فشرده شود.

بقیه در قسمت دوم

(قسمت دوم)

.

.

مطالب مرتبط:

دستگاهی برای اندازه‌گیری کیفیت خازن‌های الکترولیت - بخش 2

خازن الکترولیت: 1- روش اندازه‌گیری ظرفیت خازن‌های الکترولیت

خازن الکترولیت: 2- روش اندازه‌گیری ESR یا مقاومت معادل داخلی خازن‌ها

ساخت یک آزمایش‌گر ساده برای خازن‌های ولتاژ بالا

.

.

.