ESR measurements on bad caps

While repairing a Topfield satelite receiver I found some nice bad electrolitics. A nice change to test them several ways.

I measured ESR several ways. Using the DF function of a LCR bridge is a good indication. You can easy calculate the ESR from there. But most bridges measure at 1 KHz. ESR is frequency dependend and decreases when frequency increases. Because DF is the ratio Xc and Rs and Xc at 1KHz can be rather high, DF at 1KHz is a bit coarse. But it is a good indicator and results are close enough. And most datasheets state DF at 1KHz and |Z| at 100 KHz (so not most times not the ESR)

First colom of the tabel is the Peak ESR60. The results are good but not as good as the resolution. 1 ohm is 0.98 ohm, 2 ohm is 2,34 and it keeps 0,34 high from there. Tested with a GR resistor box. But this is  very usable.

I also used my own desing, http://www.pa4tim.nl/?p=1728  (edit, this was the mark 1 non digital version) and at several ways and frequencies using two VNA’s, TDR and a Tek 576 curvetracer. All results are close enough to be usefull, but ESR is not the way to find faulty electrolitics.

Two caps are very bad but all test methods did not find it. Because I use a scope and multimeter to find faults in circuit I knew the possible problem caps and exchanged them. After the repair I did these tests. Two caps showed a perfect ESR on all gear except my homebrew meter. The needle there did not stabalize and curious I waited what it was goinig to do, ESR was good, then suddenly it started to rise, stayed some time high and dropped down. Further tests make me think the first one had a chemical problem, the second reacted on mechanical shocks .

The other thing an ESR meter does not tell you is the capacitance. But if the cap has really bad capacitance it still can have a good ESR and the other way around. One was good in both ways but had severe DC leakage.

So allways test capacitance, ESR and DC leakage. If the circuit still powers up, you can find these problems with your scope. This is still the best way. See the pictures. The Dutch text is more in depth, use the translate button in the sidebar if you want to read more.

Down the page is an other english update from a second test with other meters.

Dutch text:

Bij de reparatie van een Topfield sateliet ontvanger kwam ik een aantal mooie rotte elcos tegen. Een mooie gelegenheid er eens aan te meten.

Ik heb de ESR ook aan de hand van de DF van twee meetbruggen gemeten. Het is een goede indicatie of een elco slecht is en je kan er de ESR uit berekenen maar het is slechts op 1 KHz. ESR neemt af met frequentie en de D aflezing is niet precies genoeg om dat tot mOhms te meten. Als je 0.4 of 0.35 hebt is het verschil al best groot en de schaal is niet onderverdeeld dus moet je te veel gokken. Maar de resultaten zaten toch redelijk in de buurt. Wel bruikbaar in ieder geval.

De eerste kolom is de Peak ESR60  http://www.pa4tim.nl/?p=3319
Het resultaat is best goed. Je ziet dat hij bij hele lage ESR de fout in gaat. Dat heb ik ook apart getest. Dit was na nullen en gemeten met en gecorrigeerd voor 4 parallel low ESR serie 2,2uF condensators.
1 ohm is 0,98
2 ohm is 2,34
3 ohm is 3,34
4 ohm is 4,44 dat blijft +0,44 tot het bij 18 Ohm naar 18,54 gaat
Kortom best heel erg bruikbaar om er slechte condensators uit te pikken. Maar verwacht niet dat 0,05 Ohm ook daadwerkelijk dat is.

Mijn eigen meter  http://www.pa4tim.nl/?p=1728 hij stond gecalibreerd op 50KHz (typefout in tabel) ESR neemt af met frequentie. Met de VNA gecontrolleerd en dat bleek ook zo te zijn. Het voordeel van de analoge meter was dat ik een wiebel in de meter zag en de perfecte ESR bleek rare schommelingen te vertonen. De reden dat ik er op lette en dat getest heb is dat ik wist dat de elco fout was. De peak heeft hem er ook een keer op betrapt. Op de bruggen en VNA kreeg ik het niet opgewekt. Mijn meter werkt met een veel hogere (bijna 5Vtt) testspanning. Na een minuut of zo springt hij ineens van minder dan 1 ohm naar 30 ohm om even later weer spontaan terug te gaan of ergens er tussen in. dat heeft hij de hele tijd gedaan. Soms een paar minuten goed, soms een paar seconden. De bovenste deed dat spontaan en het was niet op te wekken, de tweede reageerde op beweging en er op tikken. Vertrouw dus niet alleen op je ESR meter, de spanning, die vaak minder dan 0,6V is om in situ te meten is te laag om dit soort fouten te vinden. Meet eerst altijd met de scoop op de voedingsrails. Ik wist dat deze slecht moesten zijn want dat bleek uit het gedrag op de scoop. Daar was een vergelijkbaar effect in de rimpelspanning.

Probleem is altijd de weerstand en toegevoegde inductie van de DUThouder cq meetklemmen. Even de klem een keer ronddraaien scheelt zo 100 mOhm. Ook krijg je verschillen door de delay veroorzaakt door pootjes en klemmen. Dat is uit te calibreren maar om dat tot op de milliohm te doen is zinloos en minstens een middag werk waarbij je ook flink met ipa, shielding enz aan de gang moet.

Met de VNA heb ik op drie manieren gemeten. Eerst de RF-IV methode. Dat is de methode die een impedantiemeter ook gebruikt. Het moeilijkste is echter de calibratie.

Ik heb zelf een methode met custom traces uitgewerkt waarbij Tom, de maker van de VNWA, de custom formule mogelijkheid heeft aangepast met wat nieuwe functies om dit makkelijker te kunnen. Hierbij zet ik S21 in om in een impedantie en meet ik Xc en Q en bereken daaruit de ESR. Meestal is deze gelijk aan RealZ maar je ziet soms afwijkingen, vooral in het pF bereik werkt dit beter. Hier scheelt het bijna niets. Aangezien de VNA een bereik van 90 dB heeft is dit vooral geschikt om pF en fF te meten. maar door het grote bereik is het ook voor lage weerstanden een goede methode en vooral simpel te calibreren. Gewoon de klemmen doorverbinden en een tru calibratie. Je ziet vooral bij hele lage ESR dat de piek en mijn eigen meter het laten afweten. (nu is laten afweten ook weer een beetje overdreven 😉 ) Update jan 2013: Later heb ik een nog betere methode gevonden met speciale low-Z en high-Z fixtures voor de VNA. .

Vandaag heb ik nog een test gedaan. De Marconi TF1313A heeft een  mogelijkheid om een externe weerstand voor D meting aan te sluiten. Dat is preciezer dan de interne potmeter schaalverdeling. Deze ESR is dus op 1 KHz. De ESR wordt meestal lager met het stijgen van de frequentie. Deze zijn dus hoger. Maar het lijkt er op dat hij weer hoger wordt door DC bias. Door de betere brugwerking is er zo een betere capaciteit meting mogelijk. De externe weerstand is een GR decade en het voordeel is dat je grote waarden nodig hebt om te nullen. Om je een idee te geven, de waarde ligt tussen de 300 en 3000 Ohm.

D = (R x Hz ) / 1592 en R is in kOhm. Daarna is het Xc x D = ESR

Zoals je ziet heb ik niet iedere elco met bias gemeten. Dat was meer per ongeluk omdat ik door lichamelijke beperkingen niet lang achter elkaar door kan gaan.  Maar je ziet dat de capaciteit verandert bij een DC bias. Nu zijn dit geen gezonde Elco’s daarom wordt het de ene keer hoger en dan weer lager. Bij een gezonde verse ongeformeerde elco werd de capaciteit na het formeren  hoger. Eerst 45,16 uF ongeformeerd,  bij 15V werd het 45,17 uF. Bij 30V werd het 45,31 uF. Na een paar minuten werd dat 45,26 uF. Daarna de elco ontladen en weer zonder bias gemeten. Deze was toen 45,38 uF. Overigens zijn alle andere elcos nu eerst geformeerd.

Model van een condensator (bron analog SEEKrets)

Aangezien je met een curvetracer ook capaciteit kan meten leek me dat leuk deze methode hier eens te gebruiken. Het vereist wel het nodige rekenwerk.

delta i x delta t is delta Q
delta Q . delta V is de capaciteit in Farad

Dit kwam echter niet helemaal uit. Als ik nav meting van gezonde condensators deze berekening maal wortel 2 doe komt het wel aardig in de buurt. Ik kreeg nog een manier van Albert, een Tek verzamelaar.

Vmax / Imax = Xc
C= 1 / ( 2 x pi x 50 x Xc)

Dit geeft echter weer een te lage waarde tov de gezonde condensators. Het blijft blijkbaar een benadering maar je ziet wel of je elco een beetje fris is.

De cirkel bestaat uit 4 kwadranten en wordt veroorzaakt door een 50Hz sinus. Een elco vindt het niet leuk om verkeerd om gepolariseerd te worden maar 500mV is meestal geen probleem. Het testsignaal is 1,04Vtt en de serieweerstand waarover de curvetracer de stroom meet is 6,5 ohm. Elk kwadrant is een op of ontlaad cyclus. Een IV curve dus. De spanning begint op 0V en daarbij is de stroom maximaal. Naarmate de lading in de condensator toeneemt daalt de stroom en stijgt de spanning. Zo ontstaat het eerste kwadrant, (rechts boven) dan daalt de spanning van de source en de elco gaat stroom leveren daarom zie je die negatief. Dan is de spanning weer nul en de cyclus begint opnieuw maar dan tegengesteld.  De cirkel draait met de klok mee.

Hieronder als referentie een gezonde nieuwe vers geformeerde elco. Je ziet een mooie gelijkmatig lopende lijn. Aangezien de RC tijd exponentieel verloopt zit er zo’n elips achtige vorm in. Geen rare bulten of inzakkingen.

Maar dan de zieke elco’s. De eerste vertoonde een ESR en capaciteit die wisselde over tijd. Waarschijnlijk een chemisch defect. Je ziet hier de aan de rare deuk bovenin bij laden al dat er iets niet goed zit. De spanning loopt in op de stroom. Daardoor “valt” de elips wat naar rechts. Terwijl de spanning zo’n 20mV stijgt, stijgt de stroom 1,5 mA. Er is dus sprake van een interne weerstand. Dat is de ESR.

Hierboven nummer 2, het vreemde is dat hier weinig vreemds te zien is. Ziet er uit als een perfecte condensator. Hij is net als de referentie 470uF en blijkbaar in een 50Hz omgeving is hij dat nog steeds. De est was absoluut gezien ook niet hoog.

Hier zie je goed dat de ESR hoog is. De elips valt bijna om en de stroom stijgt een behoorlijke tijd door. Met dank aan Albert hier een verbeterde berekening:

max stroom 0,001156, de spanning is daar 0,183V. De ESR is V/I dus 158 ohm.
De pure capacitieve reactantie is dan het snijpunt waar i=0. Dat is V=210mV . Xc is dan
1 / ( 2 x pi x F) en dus hier 0,210  / 0,001156 = 181,6 Ohm  en 1 / ( 314 x 181,6) is 17,52 uF
De maximale spanning is 283,8 mV dus |Z| is wortel (158² + 181,6²) = 240,7 ohm
0,2838 / 0,001156 = 246 ohm. Dat komt redelijk in de buurt maar het klopt ook alleen als het een mooie elips is en een perfecte 50Hz sinus. Als je die 246 terug rekent naar C dan kom je rond de 13 uF. Door de hoge ESR kun je dus zo niet rekenen.

Erg leerzaam dit soort experimenten.

Zo te zien een keurige condensator. Ook de eerste esr en C meting met de peak liet niks raars zien. maar omdat ik wist dat hij fout moest zijn heb ik doorgemeten en kwam het boven water. Zo in de CT ziet hij er ook perfect uit. Maar als je er tegen aan tikt valt de elips om. Helaas niet lang genoeg om op foto vast te leggen.

deze hoefde niet perse vervangen te worden maar omdat op die rail het goed mis was en zijn broertje was erg ziek dus heb ik hem preventief vervangen.

deze gaf een onstabiel beeld bij C meten en had wat DC lekkage. Dat zie je hier niet terug. Een CT is dus niet iets wat doorslaggevend is.

Plaatje spreekt voor zich. Een real sick puppy.

Iets te hoge ESR en verlies van capaciteit. Je ziet ook een kleine stroomstijging.

Het rekenwerk:

Zoals je ziet valt het niet mee om aan foute componenten te meten. De scoop blijft het belangrijkste. Je ziet dat de ESR per meter afwijkt als er wat mis is met de Elco. Maar kijk eens naar de verschillen die de capaciteits meting laten zien.

Kolom 1 is nog zonder de correctie.

De meetbruggen zien weinig fouts aan nummer 1. De twee peak meters snappen het even niet meer. De CT laat zien dat het niet fris is. Maar deze elco was instabiel.

Nummer 2 is bij 1KHz en hoger echt niet lekker meer maar op 50Hz, dus in een klassieke voeding is er weinig mis.

Nummer 3 heeft een echt hoge ESR. Elk apparaat vind dat hij wel dood is. Duidelijk geval wat je niet kunt missen

Nummer 4 was instabiel. Dus moeilijk geval om te vinden door passief meten. De ene keer meet hij goed, dus heb je pech. De andere keer zie je het net wel.

Nummer 5 was niet echt slecht

Nummer 6 gaf een onstabiel resultaat op de diverse meters, je ziet ook een flinke spreiding. Vooral frequentie gevoelig.

Nummer 7 en 8 zijn ook duidelijk hoewel nummer 8 er met alleen eenpeak  esr meting zou zijn doorgeslipt 70uF en 0,81ohm is niet echt slecht. De meetbruggen zijn het hier redelijk eens. De andere ook maar er zit wel veel verschil.

Dit zijn drie TDR metingen van de elcos.

De rode lijn is de impedantie van de kortgesloten duthouder. Dat is hier door de hoge frequentie 49 mOhm maar puur ohms voor DC is het 115 mOhm. De duthouder is niet ideaal. De 13mOhm is de kortgesloten T connector. De echte ESR is dus 315 – 115 = 200 mOhm.

Even 1nF, 28nH en 200 mOhm gesimuleerd of het een beetje klopt: Inderdaad 30 MHz dus die 28nH lijkt te kloppen. De Z plot geeft 220 mOhm dus dat lijkt ook te kloppen.
Als ik van de open (25 ohm) lijn uitga is het ook 36dB.

 

Maar dit is niet op zelfresonantie dus zo heb je er niks aan !! (maar toevallig zat de SRF hier wel vlakbij)

Deze elco komt in de andere metingen op 40-80 ohm uit bij 200 KHz. Het vreemde is dat hij hier op 829-115 is 714mOhm zit. De Eerder gemeten ESR bevat blijkbaar nog andere reactieve componenten. Dat kan hier niet, want bij resonantie is dat j0 ohm.

Dit zijn dus RFIV metingen met een analoge VNA en Tek coaxiale stroomprobe. De generator gaat via de splitter naar de stroomprobe en dan naar de referentie ingang. De tweede uitgang gaat via een Tstuk naar de test ingang om de spanningsval over de DUT te meten die aan het T stuk zit. Het resultaat is een impedantie plot. Op de SRF is de ESR het ohmse deel.

( 1/ SRF / 2pi ) ² / C = ESL

159,9 / Wortel ( LC ) = SRF

( 159,9 / SRF )² / L = C

aan de iets minder heldere fasetrace zie je de resonantie.

Conclusie: ESR meten is moeilijk, zelfs bij de beste methodes dmv fase vergelijk of de impedantie op SRF kom je nog op andere waarden uit. Er zijn te veel frequentie afhankelijker factoren die je niet echt uit elkaar kan trekken. Maar het belangrijkste is wel dat de meeste methodes er wel de rotte elco’s uithalen. Mijn zelfbouw meter gebruikt een analoge meter. Dat is dus meer dan voldoende. De exacte waarden zijn toch bijna niet te achterhalen zonder uitgebreide en uitgecalibreerde fixtures. Alleen de bnc-adapter overgang die ohms 115 mOhm is blijkt door transformatie, capaciteit en zelfinductie nog maar 49 mOhm te zijn terwijl hij puur ohms 115 mOhm is op DC. Dus een simpele ESR meter met klemmetjes en twee draden gaat helemaal de fout in.

UPDATE june 2013

I got 20 rotten caps from a TV repaitrman. He found them using hisw scope and the peak 70 ESR meter. But values were not consistant. I tested them. The bad caps had a huge temp coofficient, some changed > +100% over 10 degrees. TSome showed voltage coofficients to. Most were pretty unstable and 8 were leaking DC. Most of them lost most of the capacitance. ESR was high but two turned out to be good. The “high” ESR value fooled the ESR meter user. The reason some meters are way off is because they measure using DC and calculate RC time. The IET, HP, GR’s are pretty agreeing and I trust them. The 10 uF was a know standard cap as test because it was 25-30 degrees, This way I knew the bridges were still stable and the bad caps not. The Peaktech, Promax and Fluke are way off. (those meters are not mine and I did not take those measurents.)

Elcowaardes. Excel sheet with more data