ESR – Você sabe o que é isso?

 

Comecemos falando de ESR pela sigla Equivalent Serie Resistance, ou melhor, Resistência em Série Equivalente.

Creio que eu fui um dos primeiros no Brasil a começar a tratar deste parâmetro dos capacitores, até então desconhecido por aqui, lá pelos idos de 2002, nos meus artigos no Jornal Ícone, no Boletim Técnico da Áudio & Vídeo Brites e nos cursos que ministrei até 2005.

Resolvi trazê-lo à tona no blog para reativar a memória da velha guarda e chamar a atenção daqueles que estão chegando agora.

Está mais do que provado que a ESR é um parâmetro importantíssimo dos capacitores que, infelizmente, ainda parece pouco valorizado pela maioria dos técnicos.

Quem tem mais de 18 anos (muito mais!!!), como eu, deve se lembrar como se testavam capacitores antes da chegada (a preço de banana) dos capacímetro digitais.

Usava-se o multímetro analógico (e ainda se usa) nas escalas ôhmicas e “media-se” a carga e a descarga no “olhometro”.

A única certeza que podíamos ter era se o capacitor estava em curto ou com alguma fuga.

Entretanto, naquela época, a maior preocupação era com os eletrolíticos que atuavam como filtros das fontes e apresentavam diminuição da capacitância ou ficam “secos” como se usava dizer.

Capacitores de papel e a óleo entravam em curto direto ou apresentavam elevados níveis de fuga que podiam ser descobertos com qualquer “VOM” da época. E assim, íamos vivendo. Éramos felizes e não sabíamos!

Por que os capacitores não tinham a tal da ESR e agora têm?

Na verdade a ESR sempre “acompanhou” os capacitores. Não só a ESR como a EPR – Resistência em Paralelo Equivalente, sendo que esta última, mesmo hoje, “incomoda” menos.

A preocupação com a ESR surgiu com os capacitores eletrolíticos nas fontes chaveadas e no estágio horizontal dos televisores e monitores com CRT, basicamente, por dois motivos.

O primeiro deles é que as fontes chaveadas, diferentes das lineares, trabalham com frequências elevadas, que podem chegar a mais de 100kHz. No caso dos monitores, à medida que as resoluções de tela foram aumentando, a frequência do horizontal também foi ficando acima dos clássicos 15 kHz dos televisores.

O segundo motivo que colocou a ESR “no podium” foi a diminuição drástica no tamanho dos capacitores, e com ela a qualidade dos mesmos.

Sim, e daí?

Entendendo o significa a ESR você descobrirá a resposta.

O efeito do ESR na prática

A ESR ou Resistência Série Equivalente não é uma resistência física que foi colocada dentro do capacitor de propósito só pra encher o saco e sim uma resistência que “nasce” dentro dele porque todo componente elétrico tem resistências “embutidas” por construção (e indutâncias também).

Por outro lado quando um capacitor é submetido a um regime de tensão oscilante ou pulsante e de frequência relativamente alta, como nas fontes chaveadas, por exemplo, ele apresenta uma reatância capacitiva que é uma “espécie de resistência variável” que diminui quando a frequência aumenta e vice-versa.

Se levarmos em conta a ESR do capacitor veremos que ela ficará em série com a reatância capacitiva que costuma ser representado por XC. O conjunto ESR + XC produz um efeito chamado impedância (Z). Se a ESR for baixa esta impedância fica praticamente igual a reatância o que seria o ideal.

 

Um capacitor “por dentro”

Para ter uma ideia dos valores da ESR veja a tabela abaixo.

 

 

Tabela com valores de ESR

Estes valores não são fixos e dependem de diversos fatores, dentre eles a qualidade do capacitor, mas servem para termos uma ideia do que se deve esperar de um capacitor em bom estado.

O problema é que à medida que o capacitor (principalmente os eletrolíticos) vai envelhecendo a sua ESR (de “nascença”) tende a aumentar fazendo com que impedância oferecida pelo capacitor seja maior que a reatância original e provocando ainda, de quebra, uma defasagem no sinal.

Numa fonte chaveada, por exemplo, dá pra imaginar a bagunça que esta alteração vai provocar fazendo com que a mesma deixe de funcionar e não se encontre “nada” com defeito.

Em casos mais drásticos esta alteração da ESR pode provocar a queima de algum semicondutor do circuito.

Moral da história, precisamos nos preocupara com a ESR.

E o capacímetro, serve para quê?

Com a chegada do capacímetro digital, mais barato que uma dúzia de bananas (o capacímetro está barato ou é a banana que está cara?) os técnicos acharam que seus problemas com os capacitores haviam acabado e passaram a confiar cegamente no que aparecia no display do dito cujo.

Confesso que eu também caí neste canto da sereia, ou melhor, do capacímetro, por algum tempo.

Mediam-se os capacitores eletrolíticos no “poderoso” capacímetro digital e se a capacitância “batia” com a nominal achávamos que estava tudo bem. Verificava-se se tudo na fonte e nada parecia errado. No desespero, trocava-se alguns eletrolíticos e …. Bingo, a fonte voltava ao mundo dos vivos.

A pergunta que surgia era: onde foi que eu errei ou o que está errado com o meu capacímetro?

Desde 1998 eu assinava uma revista americana (que acabou) chamada Electronic & Servicing Magazine e lá começaram a aparecer artigos sobre ESR.

Estudando atentamente estas matérias eu compreendi o que estava acontecendo.

Em primeiro lugar precisamos entender como os capacímetros, a preço de banana, funcionam.

No fundo eles são um frequencímetro que medem a frequência de um oscilador interno do capacímetro cuja frequência irá variar de acordo com o capacitor colocado externamente para ser medido.

Em vez de mostrarem o resultado em Hz ou kHz eles estão calibrados em micro farads ou pico farads já que a frequência produzida pelo oscilador depende do valor do capacitor.

Um artificio interessante e que até funciona. O problema é que o oscilador interno do capacímetro trabalha em frequência baixa (400 Hz ou 1kHZ).

Lembre-se que a reatância capacitiva depende de frequência e que esta reatância estará em série com a ESR do capacitor.

Num capacitor bom a ESR deve ter um valor bem baixo como podemos ver na tabela, mas quando ele envelhece (fica igual a gente) a ESR mais alta que a “de nascença”.

E é aí que o bicho pega.

O capacímetro é bobinho e não “percebe” isto porque trabalha em frequência baixa, mas a fonte chaveada, que trabalha com frequência alta,  “percebe” e não funciona.

Aí está a resposta de por que o capacímetro mede “errado”.

Ele não leva em conta a ESR, este é o “seu” (dele) problema.

Ele pode até ser útil para outros tipos de capacitores como os cerâmicos e os de poliéster, por exemplo, mas não para os eletrolíticos.

Abaixo o capacímetro, viva o medidor de ESR

Também não é bem assim. Não precisamos ser tão radicais.

O capacímetro pode ser útil em certas situações e não devemos “expulsá-lo” sumariamente de nossa bancada.

Precisamos sim, acrescentar mais uma “arma” na batalha contra os capacitores, principalmente os eletrolíticos que, hoje em dia, se tornaram os maiores vilões dos circuitos (às vezes, “amigos” do técnico!).

Na busca de um eletrolítico “problemático” o medidor de ESR é quase imbatível e traz uma grande vantagem, o capacitor suspeito pode ser verificado no circuito (desligado é claro!).

Ao ler este título você deve estar pensando: – como um capacitor eletrolítico pode apresentar um “defeito” diferente?

 

Até onde todos nós sabemos só existem (ou existiam!) três defeitos possíveis para um capacitor, seja eletrolítico ou qualquer outro: perder a capacitância, apresentar “fuga” no dielétrico e entrar em curto (que não deixa de ser uma fuga, só que maiorzinha!).

Bem, isso era antigamente. Com o surgimento das fontes chaveadas apareceu a tal da ESR, coisa que até década de 90, mais ou menos, ninguém tinha ouvido falar nem sabia o que era.

Mas como diz um ditado popular, quando aprendemos todas as respostas, a vida muda todas as perguntas.

Pois bem, o post desta semana surgiu de uma consulta do técnico Fábio Vinco que se deparou com uma situação bastante curiosa, para não dizer insólita, ao reparar um televisor AOC modelo LC32D1320 e que parece um bom exemplo para o ditado citado acima.

Segundo o Fabio, a falha era uma das mais comuns e bastante conhecida da maioria dos técnicos: – capacitor C953 da linha de 5V sem capacitância ou, como dizem por aí, “capacitor seco”, ou melhor, com ESR elevada como vemos na figura.

 

Localização do C953

Identificado o problema o Fabio não pestanejou e partiu para a troca do “laranjinha” original (C953)  da marca Elite que estava no televisor, que apresentava uma ESR da ordem de 1,9 ohms, por um novo da marca Huang também de 330uF/16V para 105ºC e o televisor funcionou, mas … (sempre tem que ter um “mas”) ao colocar o dedo do capacitor “novo” o bichinho esquentava tanto a ponto de quase queimá-lo.

 

ESR do capacitor defeituoso

Ora, todos nós sabemos que um capacitor não pode esquentar e obviamente se o técnico não prestar a tensão a este “pequeno” detalhe e “deixar pra lá” teremos uma explosão na certa.

Neste momento ele começou a maratona de tentar descobrir o que estaria acontecendo.

Não irei aprofundar aqui com todos os detalhes os passos que ele seguiu por julgar que não são essências para as conclusões, farei apenas um breve resumo de algumas medições do Fábio:

1)  Verificação do ripple na linha de 5V com osciloscópio: 1,2Vpp o que é relativamente alto neste caso;

2)  Medida da corrente de consumo: normal e estável;

3) Medida da ESR do capacitor novo aproximadamente zero ohm.

Que tal retirar a carga da fonte e ver o que acontece? Foi o que ele pensou.

Sem carga o ripple caiu significativamente e o capacitor não esquentou.

Numa situação destas ele tomou uma decisão que me parece razoável, ou seja, trocou o capacitor por outro de marca diferente (desta vez um EPCOS 470uF/16 – 105ºC ESR = 0,1 ohm) e para surpresa dele a temperatura parecia maior ainda o que foi comprovado com um termômetro infrared em 61ºC!

Nova troca, desta vez para um da marca SAM YOUNG que embora esquentasse menos ainda apresentava 44ºC.

Observe que cada capacitor, embora de marcas diferentes, apresenta um comportamento estranho com relação à dissipação de calor em seu corpo.

Por que isso? Se em todos os casos a ESR estava baixa?

Aliás, aqui eu coloco uma pergunta: será que ESR alta faz um capacitor esquentar?

Neste momento, o Fábio relata que teve a ideia de retirar um capacitor de uma placa de um monitor LG que estava condenado e usá-lo.

Pegou um da marca XUNDA mediu a capacitância (471uF) e a ESR próxima de zero ohms e colocou no tv que estava sendo reparado e agora a temperatura ficara em 34ºC que é praticamente a temperatura ambiente e o ripple  praticamente desaparecera.

Incrível! Como pode acontecer isto com capacitores novos e de marcas conhecidas?

Tirando conclusões

Quando eu recebi esta história pensei que ela deveria ser repassada para a comunidade de técnicos, em primeiro lugar, para servir de alerta de um fato que, geralmente, não se dá atenção após a troca de um capacitor: – verificar se está aquecendo .

A partir de agora uma boa prática após a troca de um capacitor é fazer o “teste do dedinho” e ver se está aquecendo como fazemos ao trocar um transistor de saída horizontal.

O segundo ponto é tentar entender o que poderia estar acontecendo, pois com eu sempre digo, não basta resolver o problema é importante saber os porquês.

Se o problema fosse apenas com uma marca eu arriscaria duas hipóteses:

1)  Tensão de trabalho errada impressa no invólucro do capacitor;

2)  Polaridade invertida impressa no invólucro do capacitor.

Descartadas estas hipóteses, já que eram três marcas diferentes, só podemos pensar em outra que se chama qualidade, ou melhor, má qualidade.

Pensemos um pouco. Como se produz calor com auxílio da eletricidade?

Fazendo uma corrente passar por uma resistência, correto?

E no caso do capacitor onde está a resistência?

Seria a ESR? Até poderia ser se estivesse alta o que não era o caso.

Sugeri ao Fábio que fizesse a seguinte experiência:

- Alimentar cada capacitor com uma tensão DC “pura” e colocar um miliamperímetro em série para monitorar uma possível corrente de fuga tomando o cuidado de começar com uma tensão baixa, para evitar o pico de corrente inicial de carga, e ir aumentando a tensão até um valor próximo da tensão de trabalho.

Feita a experiência o resultado só fez complicar as coisas, pois além de não aparecer corrente de fuga significante os capacitores não esquentaram.

Mas, pensando bem, o resultado levou a pensar noutra questão: na fonte do televisor o capacitor recebe tensão pulsante mesmo depois de retificada pelos diodos e, importante, de frequência alta. Aliás, é por causa da frequência alta que a ESR passou a ter que ser considerada depois do surgimento das fontes chaveadas.

Existe outro parâmetro além da ESR?

 

Circuito equivalente de um capacitor

Sim, existe, embora seja pouco “badalado”. É a ESL que corresponde a indutância em série equivalente e seu valor é da ordem de nano henry (ou deveria ser), por isso costuma ser desprezado.

Agora, lembremos que uma indutância quando submetida a uma corrente alternada produz uma reatância indutiva cujo valor é diretamente proporcional à frequência, ou seja, quanto maior a frequência maior a reatância indutiva.

Sendo assim, creio que seja possível se ter uma dissipação de potência reativa no capacitor através da ESL que o faz aquecer.

Numa de troca de e-mails com o Fernando José sobre este assunto ele chamou a atenção de um ponto interessante.

Em muitas fontes chaveadas encontramos capacitores cujo invólucro apresenta sinais de aquecimento (que também pode ser causado pelo ambiente em torno dele) e o próprio “inchaço” na parte superior indica que houve aquecimento.

Embora eu não esteja afirmando que o problema dos capacitores do Fábio tenha sido causado pela elevação da ESL fica aqui uma suspeita e a necessidade de nos preocuparmos com mais um parâmetro que por enquanto, até onde eu sei, não temos como medir.

Moral da história

Já não se faz mais capacitor como antigamente, ou melhor, como disse Einstein “novos problemas exigem novas soluções”.

 

Fonte: Você não tem permissão para visualizar links. Faça login ou cadastre-se.

 

Olá colega Rsch,

 

Gostei da matéria, merece um "joinha".

 

 

LisandroCB

 

Também gostei 

 

Bom artigo e ainda citou as fontes, parabéns.

 

Pois é né, a experiência conta muito, antes usava o analógico para testar, via o ponteiro subir e descer, etc... a uns anos atrás comprei o capacímetro, achei que todos meus problemas com capacitores estava resolvidos.

 

Depois vi essa questão do ESR hehehe, então hoje em dia nem podemos mais confiar em peças novas, se não é falsa é qualidade duvidosa e nem sempre temos como saber e pode nos fazer perder muito tempo e atrapalhar no diagnóstico.

 

Ainda não comprei o medido de ESR, e também vejo que vai muito da experiência pois não é um valor fixo.

 

Agora será que o osciloscópio pode substituir o medido de ESR?

 

Roberto

@gnu informatica, tempos atrás montei um e tem ajudado muito.

Este que montei tem também um led que avisa se o capacitor está em curto. E o melhor de tudo: testa no circuito.

 

Para outros tipos de aparelhos é um grande recurso, mas para placas mãe, tem suas limitações. É porque numa placa temos linhas com vários capacitores em paralelo e isso dificulta este tipo de medição. Um jeito de contornar isso seria remover ele e testar fora da placa.

 

Irei ver nos meus arquivos onde está o projeto e, se interessar,  posto aqui no fórum.

Aqui tem um para venda Você não tem permissão para visualizar links. Faça login ou cadastre-se.