RCDetails Blog
О коптерах и не только
Конденсаторы для фильтрации шумов в мини-коптерах
Конденсаторы помогут сделать видеосигнал более чистым, а коптер будет летать лучше. В этом руководстве мы расскажем о разных типах low-ESR конденсаторов, объясним, почему low-ESR — это важно; и покажем куда конденсаторы нужно ставить.
Где купить конденсаторы?
Вот несколько надежных продавцов Low-ESR конденсаторов:
Припаиваемые на разъем XT60:
Припаиваемые к регуляторам скорости:
Что за «шум» и что его вызывает?
Шум (или помехи) появляется от скачков напряжения, тока и частоты в разных электронных цепях, даже плавно вращающиеся моторы могут вызвать такие скачки.
Если подумать об том, в каких режимах работают моторы в коптерах, то станет ясно, что электрическое окружение, в котором находится электроника коптера, можно описать как «враждебное». Чтобы ваш полетный контроллер, видеопередатчик, камера и другая периферия работали стабильно, им нужно стабильное окружение, а они работают по сути среди врагов.
С развитием технологий, моторы и регуляторы становятся всё более и более мощными, поэтому проблема с электрическими шумами/помехами только обостряется.
Проблема с помехами очень серьезная, если помех нет, то мы можем получить отличный коптер для FPV полетов; а с ними — что-то ужасное, на чем летать невозможно.
Почему именно Low-ESR конденсаторы так важны для мини-коптеров?
Добавление конденсатора может помочь очистить питание от шумов, что даст вам вот такие преимущества:
Мы предпочитаем Low-ESR конденсаторы. ESR означает «Equivalent Series Resistance» (эквивалентное последовательное сопротивление). Конденсаторы с более низким ESR лучше фильтруют электрический шум (это показано в видео, англ).
LC-фильтры тоже часто используются в FPV оборудовании для борьбы с помехами, но они защищают системы после того, как помеха уже появилась. Добавление конденсатора около источника питания/помехи наоборот защищает всю систему от шумов.
Вот пример, показывающий на сколько улучшается видео с камеры после установки конденсатора около разъема XT60.
Нужен ли конденсатор в моем коптере?
Конденсаторы устанавливать необязательно, но все же рекомендуется.
Если вы заметили вибрации (колебания коптера, сложность настройки PID) или есть шум на видео, то первое что бы я сделал — поставил бы конденсатор.
Вот так можно определить, что коптер слишком шумный и нужно ставить конденсатор:
Даже если этих симптомов нет, то все равно конденсатор лучше поставить. Лучше перебдеть, так ведь? 🙂 Гнутые и покоцаные пропеллеры также добавят шуму вашему коптеру.
Куда ставить конденсаторы в миникоптерах?
В первую очередь, запомните, что нужные нам конденсаторы имеют полярность. Если вы перепутаете полярность, то конденсатор как минимум не заработает, как максимум — взорвется, так что будьте осторожны! На картинке ниже более короткая нога — это «минус», на корпусе конденсатора она обозначена соответствующим знаком.
Чтобы эффект от конденсатора был максимальным, нужно подключить его к одному из трех «правильных» мест в коптере. Учтите, что ставить нужно только в одном месте!
1. На PDB, там, где припаивает провод питания.
2. Там, где провода питания регуляторов припаиваются к PDB
3. Или там, где питание подается на каждый из регуляторов (ИМХО это лучший вариант).
Чем ближе конденсатор к источнику помех, тем эффективнее он работает. Идеальное место — контакты на регуляторах, куда подается питание (вариант 3). Однако в этом случае нужно ставить 4 конденсатора, по одному на регуль; зато можно поставить небольшие конденсаторы, примерно на 330 мкФ.
Если конденсаторы у регуляторов занимают слишком много места, тогда припаяйте 1 или 2 более емких на PDB (1000 мкФ или 2 по 470 мкФ). Возможно это менее эффективное решение, т.к. мы удаляем конденсаторы от источника помех, но я уже неоднократно так делал, и это рабочий способ.
Чтобы уменьшить сопротивление, ножки конденсатора должны быть как можно короче, тоненькие проводки плохо подходят для больших токов.
Если места для конденсатора рядом с платой недостаточно, то ножки можно удлинить толстым проводом, например, 20AWG, такой провод не сильно повлияет на сопротивление.
Добавляем небольшой конденсатор к гироскопам
Если добавление конденсаторов около разъема XT60 не помогло избавиться от колебаний коптера, тогда есть смысл подумать о небольшом конденсаторе на шину питания гироскопов. Так мы можем уменьшить помехи, попадающий на гироскопы через стабилизатор.
Это решение подойдет только опытным пользователям. Найти место куда следует припаять конденсатор очень сложная задача, кроме того, нужно уметь хорошо паять.
Добавляем конденсатор на шину 3.3 вольта
Гироскопы в полетных контроллерах питаются от линейного регулятора напряжения (LDO) на 3.3 вольта, так что конденсатор можно припаять на ножку питания микросхемы гироскопов или на выход питания с LDO. Другую ножку припаиваем к земле.
Чтобы получить наилучший результат — конденсатор должен располагаться как можно ближе к гироскопам.
Только очень немногие ПК имеют одну шину питания для гироскопов и приемников, но именно в них можно поставить конденсатор на контактную площадку для разъема. На мой взгляд это не очень хорошо — использовать один стабилизатор для питания и гироскопов и периферии, но зато добавить конденсатор очень просто.
Добавляем конденсатор на шину питания 5 вольт
LDO на 3.3 вольта для гироскопов получает питание с линии 5 вольт, так что некоторые пользователи ставят конденсатор по питанию 5 вольт, что тоже помогает снизить влияние шума на гироскопы. Это не всегда работает, но попробовать стоит.
Тут подойдут танталовые конденсаторы на 6 вольт 220 — 400 мкФ.
А точно нужно добавлять конденсаторы на шину питания гироскопов?
Если проблем с колебаниями коптера нет, то и не надо думать про конденсаторы. Если колебания есть, то вначале попробуйте более простые способы снизить шум.
В любом случае, я бы хотел, чтобы производители полетных контроллеров подумали над улучшением фильтрации линии питания гироскопов. Хорошо, что во многих современных ПК конденсаторы около гироскопов уже есть. Так что в будущем может и не придется что-либо допаивать.
Выбор конденсатора с низким ESR
В начале статьи я дал несколько ссылок на нормальные конденсаторы.
Ниже отличный список конденсаторов с низким ESR взятый из гугла, в таблице также указан размер и вес, так что вы легко сможете подобрать подходящий.
Конденсаторы, рассчитанные на 25 вольт подойдут для коптеров с 4S LiPo, хотя есть смысл выбрать конденсаторы на 35 вольт, чтобы был запас, т.к. скачки напряжения могут быть больше 25 вольт. Для коптеров с 5S и 6S LiPo напряжение должно быть ещё выше.
Дайте мне знать, где вы купили конденсаторы, и я добавлю их в эту статью.
Что такое ESR?
Потери в диэлектрике, обусловленные особенностями его поляризации, составляют основную часть потерь в конденсаторе и определяются материалом, а так же толщиной слоя диэлектрика.
В этом случае угол сдвига фаз между током и напряжением будет не 90°, как в идеальном конденсаторе, а несколько меньше.
Тангенс угла δ, составляющего эту разницу с 90°, называют тангенсом угла потерь.
Тангенс угла определится отношением активного сопротивления к реактивному R/Xc, как тригонометрическая функция отношения двух катетов треугольника сопротивлений, показанного на рисунке выше.
В электролитических конденсаторах значимой частью ESR является сопротивление жидкого электролита, который используется в качестве одной из обкладок для обеспечения максимальной площади соприкосновения с диэлектриком.
Активное сопротивление электролита в реальных конденсаторах обычно соизмеримо с десятыми или даже с сотыми долями Ома при 20°C, но для конденсаторов большой ёмкости, используемых в фильтрах выпрямителей ИИП на рабочей частоте порядка 100 кГц, когда его реактивное сопротивление измеряется тысячными долями Ома, эта величина может составлять основные потери, и будет значительно уменьшаться по мере прогрева.
При рабочей температуре величина диэлектрических потерь на таких частотах обычно оказывается в несколько раз больше.
Сопротивление электролита зависит от температуры по причине изменения степени его вязкости и подвижности ионов.
В процессе работы происходит нагрев диэлектрика и электролита переменным током, в связи с чем существенно уменьшается сопротивление электролита, тогда ESR конденсатора будет определяться преимущественно его диэлектрическими потерями, которые продолжат греть конденсатор в допустимых расчётами пределах.
Но, в случаях разогрева до температуры кипения, электролит утрачивает свои первоначальные свойства и при последующем охлаждении становится более вязким, что ухудшает подвижность ионов и повышает активное сопротивление. Дальнейшая эксплуатация будет вызывать ещё больший разогрев и ухудшение качества электролита, что в последствии приведёт к непригодности конденсатора для дальнейшей работы.
Неисправные конденсаторы, в которых кипел электролит, обычно определяются визуально по вздувшемуся и разгерметизированному корпусу.
Наряду с ухудшением качества электролита, часто активное сопротивление в конденсаторах возрастает по причине ухудшения контактов обкладок с выводами, вплоть до полного обрыва. В электролитических это происходит чаще, в металлокерамических реже, телевизионным мастерам все эти случаи хорошо знакомы. А ремонтники старшего поколения, кто застал советские ламповые телевизоры, хорошо помнят бумажные конденсаторы, которые иногда поджимали пассатижами для уплотнения контактных соединений внутри, и они какое-то время ещё работали.
Таблица ESR
Таблица Боба Паркера для ESR-метра K7214
| uF\V | 10V | 16V | 25V | 35V | 50V | 160V | 250V |
| 1 uF | 14 | 16 | 18 | 20 | |||
| 2.2 uF | 6 | 8 | 10 | 10 | 10 | ||
| 4.7 uF | 15 | 7.5 | 4.2 | 2.3 | 5 | ||
| 10 uF | 6 | 4 | 3.5 | 2.4 | 3 | 5 | |
| 22uF | 5.4 | 3.6 | 2.1 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 3 |
| 47 uF | 2.2 | 1.6 | 1.2 | 0.5 | 0.5 | 0.7 | 0.8 |
| 100 uF | 1.2 | 0.7 | 0.32 | 0.32 | 0.3 | 0.15 | 0.8 |
| 220 uF | 0.6 | 0.33 | 0.23 | 0.17 | 0.16 | 0.09 | 0.5 |
| 470 uF | 0.24 | 0.2 | 0.15 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.3 |
| 1000 uF | 0.12 | 0.1 | 0.08 | 0.07 | 0.05 | 0.06 | |
| 4700 uF | 0.23 | 0.2 | 0.12 | 0.06 | 0.06 |
Рассчитаем округлённо реактивное сопротивление для популярных номиналов при усреднённой частоте пробников 20 кГц, чтобы иметь представление хотя бы о порядке их идеальных значений.
Ещё раз напомню, никакой пропорции между ESR и этими значениями быть не может. Тем более, с учётом конструктивных особенностей электролитических конденсаторов для разных габаритов и вольтажа.
Повторюсь. Это лишь реактивное сопротивление, которое имеет большее значение при измерении конденсаторов меньшей ёмкости, как реальная погрешность для пробников, основанных на измерении импеданса.
То есть, чистое значение ESR у конденсатора 100 мкф и 1 мкф может быть одинаковым, а прибор покажет разницу в десятки раз, ибо добавит ёмкостное значение, которое будет решающим для показаний прибора на измеряемой частоте у малых ёмкостей.
Более сложные цифровые приборы способны замерить точные значения во время заряда конденсатора постоянным током, рассчитать его ёмкость и ESR без реактивной составляющей.
Но измерение постоянным током не учитывает диэлектрические потери, которые напрямую зависят от частоты. Кроме того, конденсаторы нужно выпаивать из платы для таких замеров.
Спасибо за внимание!
Замечания и предложения принимаются и приветствуются!
ESR конденсатора
ESR — оно же эквивалентное последовательное сопротивление — это очень важный параметр конденсаторов. Для чего он нужен и как его определить, об этом мы как раз и поговорим в нашей статье.
Реальные параметры конденсатора
Думаю, все вы в курсе, что в нашем бесшабашном мире нет ничего идеального. То же самое касается и электроники. Радиоэлементы, каскады, радиоузлы также частенько дают сбои. Можно даже вспомнить недавнюю историю с космическим кораблем «Прогресс». Сбой какого-то узла повлек гибель целого гиганта космической отрасли. Даже простой, на первый взгляд, радиоэлемент конденсатор, имеет в своем составе не только емкость, но и другие паразитные параметры. Давайте рассмотрим схему, из чего все-таки состоит наш реальный конденсатор?
r — это сопротивление диэлектрика и корпуса между обкладками конденсатора
С — собственно сама емкость конденсатора
ESR — эквивалентное последовательное сопротивление
ESI (чаще его называют ESL) — эквивалентная последовательная индуктивность
Вот на самом деле из чего состоит простой безобидный конденсатор, особенно электролитический. Рассмотрим эти параметры более подробно:
r — сопротивление диэлектрика. Диэлектриком может быть электролит в электролитических конденсаторах, бумага или еще какая-нибудь дрянь). Также между выводами конденсатора находится его корпус. Он тоже обладает каким-то сопротивлением и тоже сделан из диэлектрика и относится сюда же.
С — емкость конденсатора, которая написана на самом конденсаторе плюс-минус некоторые отклонения, связанные с погрешностью.
ESI(ESL) — последовательная индуктивность — это собственная индуктивность обкладок и выводов. На низких частотах можно не учитывать. Почему? Читаем статью катушка индуктивности в цепи постоянного и переменного тока.
Где «прячется» ESR в конденсаторе
ESR представляет из себя сопротивление выводов и обкладок
Как вы знаете, сопротивление проводника можно узнать по формуле:
ρ — это удельное сопротивление проводника
l — длина проводника
S — площадь поперечного сечения проводника
Так что можете посчитать приблизительно сопротивление выводов конденсатора и заодно его обкладок 😉 Но, конечно же, так никто не делает. Для этого есть специальные приборы, которые умеют замерять этот самый параметр. Например, мой прибор с Алиэкспресса, который я недавно приобрел.
Почему вредно большое значение ESR
Раньше, еще когда только-только стали появляться первые электронные схемы, такой параметр, как ESR даже ни у кого не был на слуху. Может быть и знали, что есть это сопротивление, но оно никому не вредило. Но… с появлением первых импульсных блоков питания все чаще стали говорить о ESR. Чем же столь безобидное сопротивление не понравилось импульсным блокам питания?
На нулевой частоте (постоянный ток) и низких частотах, как вы помните из статьи конденсатор в цепи постоянного и переменного тока, конденсатор сам оказывает большое сопротивление электрическому току. В этом случае какие-то паразитные доли Ома сопротивления ESR не будут влиять на параметры электрической цепи. Все самое интересное начинается тогда, когда конденсатор работает в высокочастотных цепях (ВЧ).
Мы с вами знаем, что конденсатор пропускает через себя переменный ток. И чем больше частота, тем меньше сопротивление самого конденсатора. Вот вам формула, если позабыли:
где, ХС — это сопротивление конденсатора, Ом
П — постоянная и равняется приблизительно 3,14
F — частота, измеряется в Герцах
С — емкость, измеряется в Фарадах
Но, одно то мы не учли… Сопротивление выводов и пластин с частотой не меняется! Так… и если пораскинуть мозгами, то получается, что на бесконечной частоте сопротивление конденсатора будет равняться его ESRу? Получается, наш конденсатор превращается в резистор? А как ведет себя резистор в цепи переменного тока? Да точно также как и в цепи постоянного тока: греется! Следовательно на этом резисторе будет рассеиваться мощность P в окружающую среду. А как вы помните, мощность через сопротивление и силу тока выражается формулой:
I — это сила тока, в Амперах
R — сопротивление резистора ESR, в Омах
Значит, если ESR будет больше, то и мощность рассеивания тоже будет больше! То есть этот резистор будет хорошенько нагреваться.
Догоняете о чем я вам толкую? 😉
Из всего выше сказанного можно сделать простенький вывод: конденсатор с большим ESR в высокочастотных цепях с большими токами будет нагреваться. Ну да ладно, пусть себе греется… Резисторы и микросхемы тоже ведь греются и ничего! Но весь косяк заключается в том, что с увеличением температуры конденсатора меняется и его емкость! Есть даже такой интересный параметр конденсатора, как ТКЕ или Температурный Коэффициент Емкости. Этот коэффициент показывает, насколько поменяется емкость при изменении температуры. А раз уже «плавает» емкость, то вслед за ней «плывет» и схема.
ESR электролитических конденсаторов
В основном параметр ESR касается именно электролитических конденсаторов. Электролит, который там есть, теряет часть своих свойств при нагреве и конденсатор меняет свою емкость, что, конечно же, нежелательно. После приличного нагрева конденсатор начинает тупить, вздувается и быстро стареет.
У вздувшихся конденсаторов в первую очередь как раз ESR и растёт, тогда как ёмкость до определённого времени может оставаться практически номинальной ( ну той, которая написана на самом конденсаторе)
Ещё симптом: если отрубить питание на некоторое время (сетевой фильтр выключить, или из розетки выдернуть) — то снова начинает включаться не с первой попытки, или после паузы. А если не выключать питание, то комп может включаться сразу (но это тоже до поры, до времени, разумеется). Но бывает, что конденсаторы не вспухли, а ESR уже в десятки раз выше нормы. Тогда, понятно, заменяем. По опыту — очень частая проблема. И весьма легко диагностируемая (особенно, при наличии чудо-приборчика от китайских товарищей).
Таблица ESR
Как я уже сказал, ESR в основном проверяют именно у электролитических конденсаторов, потому что они используются в импульсных блоках питания. Вот небольшая табличка для максимально допустимых значений ESR для новых электролитических конденсаторов в зависимости от их рабочего напряжения:
Как измерить ESR
Давайте замеряем некоторые наши китайские конденсаторы на ESR. Для этого берем наш многофункциональный универсальный R/L/C/Transistor-metr и проведем несколько замеров:
Первым в бой идет конденсатор на 22 мкФ х 25 Вольт:
Емкость близка к номиналу. ESR=1,9 Ом. Если посмотреть по табличке, то максимальный ESR=2,1 Ом. Наш конденсатор вполне укладывается в этот диапазон. Значит его можно использовать в высокочастотных цепях.
Следующий конденсатор 100 мкФ х 16 Вольт
ESR=0,49 Ом, смотрим табличку… 0,7 максимальный. Значит тоже все ОК. Можно тоже использовать в ВЧ цепях.
И возьмем конденсатор емкостью побольше 220 мкФ х 16 Вольт
Максимальный ESR для него 0,33 Ом. У нас же высветило 0,42 Ома. Такой конденсатор уже не пойдет в ВЧ часть радиоаппаратуры. А в простые схемки, где гуляют низкие частоты (НЧ) сгодится в самый раз! ;-).
Конденсаторы с низким ESR
В нашем бурно-развивающемся мире электроника все больше строится именно на ВЧ части. Импульсные блоки питания почти полностью одержали победу над громоздкими трансформаторными блоками питания. Это мы, радиолюбители, до сих пор пользуемся самопальными блоками питания, сделанные из трансформаторов, которые нашли на помойке.
Но раз почти вся техника уходит в ВЧ диапазон, то и разработчики радиокомпонентов тоже не спят. Они создают конденсаторы, у которых низкий ESR и называются такие конденсаторы LOW ESR, что значит кондеры с низким ESR. На некоторых это пишут прямо на корпусе:
Отличительной чертой таких конденсаторов является то, что они вытянуты в длину. Также, по моим наблюдениям, на них чаще всего есть полоска золотого цвета:
Сейчас все чаще используют миниатюрные полимерные алюминиевые конденсаторы с низким ESR:
Где же их можно чаще всего увидеть? Конечно же, разобрав свой персональный компьютер. Можно найти их в блоке питания, а также на материнской плате компьютера.
Самым маленьким ESR обладают керамические и SMD-керамические конденсаторы
Интересное видео по теме:
Заключение
Ну что еще можно сказать про ESR? В настоящее время идет битва среди производителей за рынок. Кто предложит конденсатор с минимальным ESR и хорошей емкостью, тот молоток ;-). Не поленитесь также купить или собрать прибор ESR-метр. Особенно он будет очень актуален для ремонтников радиоэлектронной аппаратуры. Мультиметр может показать вам емкость и ток утечки, но вот внутреннее сопротивление покажет именно ESR-метр.
Бывало очень много случаев, когда аппаратура ну никак не хотела работать, хотя все элементы в ней были целые. В этом случае просто замеряли ESR-метром конденсаторы и выявляли их сопротивление. После замены дефектных конденсаторов с большим ESR на конденсаторы с низким ESR (LOW ESR), аппаратура оживала и работала долго и счастливо.
