Измеритель ёмкости и ЭПС оксидных конденсаторов — приставка к мультиметру

Автор продолжает тему измерения параметров оксидных кон­денсаторов с помощью приставки к популярным мультиметрам серии 83х. Как и в предыдущих разработках, приставка питается от внутреннего стабилизатора АЦП мультиметра. Измерение ЭПС (ESR) и ёмкости оксидных конденсаторов можно проводить без их выпаивания из платы.

В статьях [1, 2] рассказано о пристав­ке, измеряющей ЭПС оксидных конденсаторов. Было бы значительно удобнее, если бы она измеряла ещё и их ёмкость. Схема такой приставки при­ведена на рис. 1.

Рис. 1

Основные технические характеристики

Приставка состоит из двух измери­телей: ЭПС и ёмкости. Вид измерения выбирают переключателем SA2. В по­ложении «ESR» измеряют ЭПС конден­сатора, подключённого к гнёздам «С,» (XS1, XS2), а в положении «С» — ём­кость.

Схемное решение измерителя ЭПС, как уже упомянуто выше, взято из [1, 2], там же приведено описание работы и налаживания. Добавлен переключатель SА2 (секция SА2.2) для отключения гнезда ХS2 от общего провода при из­мерении ёмкости и изменено подклю­чение выводов стока и истока транзис­тора VТЗ для исключения шунтирующего влияния его внутреннего диода на томность её измерения. Уменьшение ёмкости конденсатора С6 до 0,22 мк сократило время установления показа­ний до 4 с. Влияние напряжения на кон­денсаторе С9 на точность измерения ЭПС исключено уменьшением сопротив­ления резистора R3.

Измеритель ёмкости собран по из­вестной схеме, опубликованной ещё в 1983 г. британским журналом «Wireless World», а в русском переводе — в 1984 г. журналом «Радио» [3].

Низкое выходное напряжение (3 В) и малая нагрузочная способность стаби­лизатора АЦП мультиметра потребова­ли применения в измерителе ёмкости низковольтных ОУ DA1—DA3 Rail-to-Rail и током потребления не более 45 мкА [4]. Напряжение питания -3 В, необхо­димое для работы измерителя, получе­но от преобразователя напряжения с высоким КПД на микросхеме DA4, включённой по типовой схеме.

Функциональный генератор, со­бранный на ОУ DA1.1, DA1.2, DA2.1, вы­рабатывает двуполярные импульсные сигналы прямоугольной формы на вы­ходе компаратора на ОУ DA1.1 и тре­угольной — на выходе интегратора на ОУ DA2.1, показанные соответственно на рис. 2, а и б. Узел на DA1.2 — инвер­тор, обеспечивающий положительную обратную связь. Предел измерения ёмкости, зависящий от частоты генера­тора (50, 5 или 0,5 Гц), выбирают пере­ключателем SA1. Амплитуда сигналов треугольной формы на выходе интегра­тора задана соотношением сопротивлений резисторов R1 и R4 компаратора. Она равна 2 В.

Рис. 2

Эти сигналы, амплитуда которых уменьшена резистивным делителем на­пряжения R10R11 до 50 мВ, поступают на буферный усилитель с единичным коэффициентом передачи по напряже­нию, собранный на ОУ DA2.2. Сигнал с его выхода и подают на измеряемый конденсатор С_x один вывод которого подключают к гнезду XS1. При такой амплитуде этого сигнала измерения в большинстве случаев удаётся прово­дить без выпаивания конденсатора из платы.

Гнездо XS2, к которому подключают другой вывод измеряемого конденса­тора, соединено через резистор R17 с инвертирующим входом ОУ DA3.2. При подключении конденсатора этот ОУ и резистор R18 образуют дифференциа­тор, на выходе которого появляются разнополярные импульсы трапецеи­дальной формы (рис. 2, в). Максималь­ный входной ток дифференциатора, равный выходному току буферного уси­лителя, ограничен тем же резистором R18 (R17<<R18, см. рис. 1) и не превы­шает 3 мА (З В/1 кОм = 3 мА), что мень­ше максимально допустимого [4]. Низкоомный резистор R17 устраняет влия­ющее на точность измерения самовоз­буждение дифференциатора при сигна­лах на его выходе, больших 0,1 напря­жения питания.

На полевом транзисторе VT4 с изо­лированным затвором собран синхрон­ный детектор. Применение здесь поле­вого транзистора с р-п переходом, как в [3], невозможно из-за низкого питаю­щего напряжения. Компаратор на ОУ DA3.1 и полевой транзистор VT1 управ­ляют состоянием синхронного детек­тора. Рассмотрим его работу с момента подключения конденсатора С_x.

С появлением прямоугольного им­пульса отрицательной полярности на выходе компаратора на ОУ DA1.1 (рис. 2, а) транзистор VT1 открывается и напряжение питания +3 В поступает на неинвертирующий вход компарато­ра, собранного на ОУ DA3.1. На его выходе появляется и удерживается напряжение около +3 В (рис. 2, г), по­этому транзистор VT4 закрыт. Такое состояние компаратора и транзистора VT4 сохраняется и при положительной полярности импульса треугольной формы, поступающего с выхода функ­ционального генератора на неинвертирующий вход DA3.1 через резистор R12.

При смене полярности импульса треугольной формы, когда напряжение начинает линейно изменяться от 0 до -2 В (рис. 2, б), транзистор VT1 уже за­крыт (напряжение на его затворе + 3 В) и на выходе компаратора от входного отрицательного импульса устанавлива­ется и удерживается на время t_изм напряжение около -З В (рис. 2,г). Тран­зистор VT4 синхронного детектора от­крывается. К этому моменту трапецеи­дальный импульс положительной по­лярности на выходе дифференциатора уже имеет максимально плоскую вер­шину, а значение его амплитуды, как из­вестно, пропорционально измеряемой ёмкости С_x. С появлением следующего прямоугольного импульса отрицатель­ной полярности на выходе ОУ DA 1.1 процесс повторяется.

Продетектированные части трапе­цеидальных импульсов с выхода детек­тора (рис. 2, в, д) через резистор R19 поступают на конденсатор С9, который быстро заряжается до их амплитудного значения (рис. 2, е). Резистор ограни­чивает ток зарядки. С конденсатора С9 постоянное напряжение, пропорцио­нальное ёмкости С_x через делитель.

образованный сопротивлением резис­тора R16 и входным сопротивлением мультиметра (1 МОм), поступает на вход «VΩmА» для измерения.

Приставка собрана на плате из фольгированного с двух сторон стекло­текстолита. Чертёж печатной платы показан на рис. 3, а расположение на ней элементов — на рис. 4. Фотосним­ки собранной приставки представлены на рис. 5. Одинарный штырь ХР1 «NPNс» — подходящий от разъёма. Штыри ХР2 «VΩmА» и ХРЗ «СОМ» — от вышедших из строя измерительных щупов для мультиметра. Входные гнёзда ХS1, ХS2 — клеммник винтовой 350-02-021 -12 серии 350 фирмы DINKLE. Переключатели SА1, SА2 — движко­вые серий МSS, МS, IS, например, MSS-23D19 (MS-23D18) и MSS-22D18 (МS-22D16) соответственно. Конденса­торы С2, СЗ — импортные плёночные выводные на напряжение 63 В. Все остальные конденсаторы — для поверх­ностного монтажа. Конденсаторы С1, С4—С7 — керамические типоразмера 1206, С8 — 0808, С9-С11 — танталовые В. Все резисторы — типоразмера 1206. Транзисторы BSS84 заменимы на IRLML6302, а IRLML2402 — на FDV303N. При иной замене следует учесть, что пороговое напряжение, сопротивление открытого канала и входная ёмкость (С_ISS) транзисторов должны быть такимиже, как у заменяемых. О транзисторе IRLML6346 сказано в статье [1]. ОУ AD8442АВ заменим, например, на LMV358IDR. В случае такой замены ёмкость конденсаторов С2—С4 необхо­димо увеличить в несколько раз (напри­мер, 1, 0,1 и 0,01 мкФ соответственно), а сопротивление резистора умень­шить во столько же раз. Возможно применение и отечественных ОУ КФ1446УД4А, но потребляемый при­ставкой ток возрастёт на 1 мА.

Выводы защитных диодов VDЗ, VD4, микросхемы DA4 и переключателя SA2 в местах, где для них с обеих сторон печатной платы имеются контактные площадки, пропаивают с двух сторон. Аналогично пропаивают штыри ХР1 — ХРЗ , причём ХР2, ХРЗ закрепляют пай­кой в первую очередь, а затем уже «по месту» сверлят отверстие и впаивают штырь ХР1. В отверстие около нижнего

по плате вывода резистора R11 встав­ляют отрезок лужёного провода и про­паивают его с двух сторон. Перед мон­тажом вывод 7 микросхемы DA4 следует отогнуть или укоротить.

Рис. 3

При работе с приставкой переключа­тель рода работ мультиметра устанав­ливают в положение измерения посто­янного напряжения на пределе 200 мВ. Перед калибровкой приставку сначала подключают к автономному источнику питания напряжением 3 В и измеряют потребляемый ток, который не должен превышать 3 мА, а затем подключают к мультиметру. Далее устанавливают переключатель SA2 в положение «С» (нижнее по схеме на рис. 1) и подклю­чают к гнёздам XS1, XS2 оксидный кон­денсатор с заведомо измеренной ём­костью. Переключатель SA1 устанавливают на соответствующий предел и резистором R5 добиваются нужных пока­заний на индикаторе. Если переключатель нахо­дится в среднем положе­нии, показания следует умножить на 10, в верхнемпо схеме — на 100. Для уменьше­ния погрешности измерений ёмкость конденсаторов С2—С4 необходимо подобрать на каж­дом пределе. На плате преду­смотрены контактные площадки для установки дополнительных керамических конденсаторов ти­поразмера 0805. Обратите вни­мание, что для облегчения нала­живания резистор R5 на плате составлен из двух, соединённых последовательно (на рис. 4 они обозначены R5′ и R5″).

Рис. 4

Калибровка измерителя ЭПС описана в статье [1]. Если рези­сторами R14, R15 не удаётся выставить нулевые показания при замкнутых гнёздах «С,» [5], а это возможно при установке транзистора VT3 с малой проходной ёмкостью и конечного сопротивления замкнутых контактов секции пере­ключателя SA2.2, следует параллельно выводам затвор-сток транзистора подключить керамический конденсатор ёмкостью несколько десятков пикофарад и повторить налаживание. На печатной плате для конденсатора типо­размера 0805 предусмотрены контакт­ные площадки.

Рис. 5

На рис. 6 показана при­ставка с мультиметром при измерении конденсатора номинальной ёмкостью 3300 мкФ.

Рис. 6

При частом использовании пристав­ки контакты переключателя SA2 могут быть подвержены износу. Нестабиль­ность сопротивления замкнутых кон­тактов секции SA2.2 приведёт к уве­личению погрешности измерения ЭПС. В таком случае целесообразно вместо механических контактов SA2.2 приме­нить переключательный полевой тран­зистор, аналогичный IRLML6346 (VT2), с сопротивлением открытого канала не более 0,05 Ома. Вывод истока транзи­стора соединяют с общим проводом, стока — с выводом истока транзистора VT2, затвора — с выводом 14 DD 1.

ЛИТЕРАТУРА

1. Глибин С. Измеритель ЭПС — пристав­ка к мультиметру. — Радио, 2011, № 8, с. 19, 20.

2. Глибин С. Замена микросхемы 74АС132 е измерителе ЭПС. — Радио, 2013, № 8, с. 24.
3. Преобразователь емкость—напряже­ние. — Радио, 1984, № 10, с. 61.
4. CMOS Rail-to-Rail General-Purpose Amplifiers AD8541 /AD8542/AD8544. — URL: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8541_8542_8544.pdf (8.10.14).
5. Технический форум журнала «Радио». Измеритель ЭПС — приставка к мультимет­ру. — URL: http://www.radio-forum.ru/forum/viewtopic.php?f=1&t=1870Sstart=10(8.10.14).

Автор:  С. ГЛИБИН, г. Москва

Источник: Радио №1,  2015