Измеритель C-ESR электролитических конденсаторов для внутрисхемных измерений приставка к мультиметру

Первоначально ставилась задача сделать про­стой звуковой пробник электролитических конден­сатов для внутрисхемных измерений, с участием измеряемого конденсатора в схеме генератора. Такой пробник был собран на макете, но после за­хотелось дополнить его преобразователем ем­кость-напряжение, с выводом напряжения на мультиметр, а дальше и измерителем ESR, объе­динив все это в один прибор и добавив схему пе­реключения с простым управлением тремя кноп­ками без фиксации. Ниже приведено описание результатов этой работы.Устройство выполнено, как приставка к цифро­вому вольтметру и разработано на аналоговой эле­ментной базе без использования микроконтролле­ров и имеет автономное батарейное питание.

Прибор имеет два режима работы:

• режим С — режим измерения емкости;
• режим ESR — режим измерения эквивалент­ного последовательного сопротивления электро­литических конденсаторов.

В качестве средства измерения напряжения и индикации к прибору подключается цифровой вольтметр постоянного напряжения, включенный на пределе измерения 2 В, имеющий разрешение на этом пределе 0,001 В и входное сопротивлени­ем не менее 1 МОм. Вольтметры, удовлетворяю­щие этим требованиям, как правило, входят в со­став всех бюджетных цифровых мультиметров.

Характеристики

• Диапазон емкостей конденсаторов, оценива­емых по звуковому пробнику:

0,1…10000 мкФ (10 кГц.,.1 Гц).

• Диапазоны измеряемых емкостей:

10…2000 мкФ (дискретность измерений 1 мкФ);

1 …200 мкФ (дискретность измерений 0,1 мкФ).

• Диапазоны измеряемых ESR:

20,00 Ом (дискретность измерений 0,01 Ом);

200,0 Ом (дискретность измерений 0,1 Ом).

• Амплитуда напряжения на измеряемом кон­денсаторе в режиме измерения емкости: 100 мВ.
• Амплитуда напряжения на измеряемом двух­полюснике в режиме ESR зависит от величины из­меряемого ESR. Максимальная амплитуда не пре­вышает 100 мВ.
• Амплитуда тока через измеряемый конденса­тор в режиме С, или двухполюсник в режиме ESR: 5 мА на первом диапазоне и 0,5 мА на втором ди­апазоне.
• Частота переменного напряжения на измеря­емом конденсаторе в режиме измерения емкос­ти зависит от величины измеряемой емкости и ле­жит в пределах 5 Гц… 10 кГц.
• Частота тестового напряжения в режиме ESR: 70 кГц.
• Источник питания: батарея 9 В типа «Крона».
• Допустимый разряд батареи: 5,3 В в режиме ESR и 5,55 В в режиме С. В приборе имеется встро­енный светодиодный индикатор разряда батареи.
• Потребляемый ток:

в режиме ESR не более 10 мА;

в режиме С не более 12 мА.

Измеритель собран в корпусе, который соизме­рим по размерам с телевизионным пультом ДУ. На торце корпуса (там, где у пульта светодиод) за­креплен один жесткий щуп. Второй щуп располо­жен на гибком проводе.

При работе измеритель удерживается в руке ремонтника так, чтобы пальцы находились над тре­мя кнопками управления. Назначение кнопок сле­дующее:

• KN1 — включает режим
• KN2 — включает режим измерителя емкости.
• KN 3 — при нажатии совместно с KN2 умножа­ет показания емкости на 10, а при нажатии совме­стно с KN1 переключает пределы измерения ESR с 20 Ом на 200 Ом.

Принципиальная схема измерителя C-ESR — приставки к цифровому вольтметру показана на рис.1. Рассмотрим работу этого прибора в разных режимах.

Режим С

В режиме измерения емкости измеряе­мый конденсатор используется в схеме звуко­вого генератора как времязадающий. При этом частота генератора обратно пропорцио­нальна емкости. С выхода генератора меандр подается на интегратор, который формирует пилообразное переменное напряжение, амп­литуда которого обратно пропорциональна частоте. Далее сигнал поступает на амплитуд­ный детектор на операционном усилителе. Выходное напряжение детектора прямо про­порционально измеряемой емкости и находит­ся в диапазоне от 10 до 2000 мВ, что соответ­ствует измеряемым емкостям 10…2000 мкФ, и для второго диапазона 10 МВ…2000 мВ со­ответственно емкостям 1 …200 мкФ.

Звуковой сигнал с генератора выводится на электромагнитный излучатель звука («спи­кер», громкоговоритель), для приблизитель­ной оценки емкости по частоте на слух, а так­же для звукового подтверждения того, что измеряемый двухполюсник является емкос­тью. Без емкости, или с сильно зашунтированной емкостью генератор не запускается. Так же генератор может не запуститься, если у конденсатора значительно вырос ESR.

2000 мкФ — это наибольшая измеряемая ем­кость, соответствует напряжению на выходе де­тектора 2000 мВ. С емкостями больше 2000 мкФ генератор продолжает работать на частоте ниже 5 Гц, при этом оценивать величину емкости больше 2000 мкФ можно на слух по частоте щелчков из «спикера». Для более точного изме­рения емкостей, меньших 10 мкФ, введена до­полнительная кнопка, включающая второй диа­пазон (понижающая частоту генератора в 10 раз).

Рассмотрим работу измерителя в режиме измерения емкости более подробно.

После нажатия кнопки KN2 и ее удержания, напряжение от батареи подается через диод VD7 на low dropout стабилизатор напряжения 5 В типа LM2950. Далее напряжение 5 В поступа­ет на схему измерителя С-ESR. Кроме того, при нажатии KN2 напряжение от батареи подается на резистор R32, создавая на выводах 9,10,11 мультиплексора DA4 (CD74HC4053) напряже­ние лог.«1», вследствие чего мультиплексор пе­реключает прибор в режим измерения емкос­ти. Несмотря на то, что стабилитрон VD6 рассчитан на напряжение 5,1 В, при микрото­ках держит напряжение заметно ниже чем 5,1В, обеспечивая приемлемый уровень лог.«1», в пределах 4…5 В, в зависимости от разброса па­раметров стабилитрона. Одновременно с на­жатием KN2, от плюса батареи протекает ток базы VT3 через резистор R33, открывая этот транзистор, который подключает в режиме С громкоговоритель SP к генератору.

После подключения измеряемого конденсато­ра Сх к щупам, запускается генератор двухполяр­ного меандра на ОУ DA1.1 типа TL062 с усилите­лем мощности на транзисторах VT1 типа 2SC1815 и VT2 типа 2SA1015. Амплитуда меандра на выхо­де транзисторного каскада около 4,5 В.

Принцип работы генератора следующий. С по­мощью делителя напряжения R6, R3 на неинвер­тирующем входе ОУ (вывод 3 DA1.1) задается на­пряжение +0,1 В или -0,1 В, в зависимости от полярности напряжения на выходе генератора. Выводы 1 и 15 секции DA4.1 мультиплексора CD74HC4053 в режиме измерения емкости замк­нуты. Испытуемый конденсатор заряжается от вы­ходного напряжения генератора через замкнутые контакты KN3 и резисторы R4, R5. При достиже­нии на нем и на инвертирующем входе ОУ 100 мВ (напряжения заданного делителем на выводе 3 DA1.1), ОУ переключает полярность напряжения на выходе на противоположную, и конденсатор начинает перезаряжаться. Период перезаряда конденсатора, а следовательно, и частота генера­ции зависят от емкости измеряемого конденсато­ра и сопротивления параллельно соединенных ре­зисторов R4, R5. При общем сопротивлении R4, R5 900 Ом и емкости измеряемого конденсатора 2000 мкФ частота генератора близка к 5 Гц, при 1000 мкФ — 10 Гц, при 100 мкФ — 100 Гц, при 10 мкФ — 1 кГц, а при 1 мкФ — 10 кГц.

При приходе фронтов меандра, благодаря кон­денсатору С5, короткие импульсы тока проходят через громкоговоритель SP, создавая в нем слыши­мые щелчки на частотах, ниже звуковых, а также со­здавая рокот, гул или писк на звуковых частотах. Та­ким образом, по частоте щелчков или частоте звукового сигнала можно на слух приблизительно оценить емкость электролитических конденсато­ров во всем диапазоне существующих емкостей.

Прямоугольные импульсы с выхода генерато­ра поступают на интегратор, собранный на ОУ DA1.2. На выходе интегратора установлен непо­лярный разделительный конденсатор, собранный из двух полярных С7, С8. Применение неполярно­го конденсатора обусловлено тем, что от разбро­са параметров ОУ постоянное смещение на выхо­де интегратора может иметь любой знак. Обратная связь по переменному напряжению в интеграто­ре снимается не прямо с выхода ОУ, а через С7, С8. Так сделано для того, чтобы на низких часто­тах недостаточная емкость конденсаторов не ока­зывала влияния на амплитуду сигнала. На выходе интегратора имеем двухполярный пилообразный сигнал, амплитуда которого обратно пропорцио­нальна частоте. Далее пилообразный сигнал через выводы 13, 14 секции DA4.2 мультиплексора 74НС4053 поступает на амплитудный детектор на ОУ DA3 типа TL081. Для лучшего сглаживания низ­кочастотных пульсаций в режиме измерителя емкости, к выходу детектора подключается дополнительный конденсатор большей емкости С20, 47 мкФ. Конденсатор подключается через выводы 3, 4 секции DA4.3 мультиплексора. В ре­жиме ESR, С20 отключен, и к детектору остается подключенным только С19 0,22 мкФ, а С20 быст­ро разряжается через резистор R26. Малая ем­кость в фильтре детектора, в режиме ESR, способ­ствует более быстрому установлению показаний прибора в режиме ESR.

Для калибровки измерителя емкости предназ­начен подстроенный резистор R9, от его сопротив­ления зависит амплитуда пилообразного напряже­ния на выходе интегратора.

В диапазоне выходных напряжений 2000… 10 мВ (диапазон измеряемых емкостей 2000… 10 мкФ) амплитудный детектор достаточно линейный. При измерении емкостей ниже 10 мкФ, может сказы­ваться нелинейность детектора, и результат измерения емкости может занижаться. Для измерения емкостей ниже 10 мкФ введен переключатель KN3 (кнопка без фиксации с нормально замкнутыми контактами), при нажатии которой в режиме изме­рения емкости, частота генератора уменьшается в 10 раз. При этом напряжение на выходе детекто­ра и показания емкости увеличиваются, и измере­ние переходит на линейный участок амплитудно­го детектора, что дает возможность с более высокой точностью измерять емкость конденсато­ров ниже 10 мкФ, до 1 мкФ. А по частоте звука мож­но оценивать емкость конденсаторов до 0,1 мкФ (10 кГц).

При измерении емкостей больше 2000 мкФ, на­пряжение на выходе детектора больше 2 В, и вольтметр зашкаливает. Однако переключать пре­дел вольтметра не стоит, так как при напряжении выше 2 В проявляется нелинейность ОУ, на кото­ром собран детектор. ОУ может входить в режим ограничение сигнала. Возможен также повышен­ный уровень пульсаций продетектированного на­пряжения из-за очень низкой частоты (ниже 5 Гц). Следует заметить, что оценивать величины емко­стей конденсаторов больше 2000 мкФ можно на слух по частоте щелчков в громкоговорителе.

Режим ESR

Принцип измерения ESR взят из [1], а сам ESR-метр представляет собой омметр переменного тока. Принцип действия такого омметра основан на преобразовании измеряемого сопротивления в пропорциональное ему напряжение. Упрощенная схема, поясняющая принцип работы этого измерителя ESR для первого диапазона измерения, показана на рис.2. Переменное напряжение с генератора частотой 70 кГц и амплитудой около 4,5 В прикладывается через токоограничительный резистор 900 Ом к конденсатору Cx. . В результате чего через конденсатор протекает переменный ток амплитудой около 5 мА. Величина тока задается в основном напряжением генератора и сопротивлением токоограничительного резистора и мало зависит от ESR конденсатора и его емкостного сопротивления. На конденсаторе создается  падение  напряжения, пропорциональное проходящему через конденсатор току. При достаточно высокой тестовой частоте (в описываемом приборе 70 кГц), емкостное сопротивление занимает малую долю в полном сопротивлении конденсатора, а значит им (емкостным сопротивлением) можно пренебречь, и считать падение напряжения на конденсаторе пропорциональным ESR. Амплитуда этого падения напряжения находится в пределах от 0 до 100 мВ для диапазона измеряемых ESR от 0 до 20 Ом (первый диапазон). При переходе на второй диапазон в цепь измерительного тока включается дополнительный токоограничительный резистор, и амплитуда тока уменьшается в 10 раз, этим расширяется диапазон измеряемых ESR до 200 Ом, при том же падении напряжения на конденсаторе, до 100 мВ. Падение напряжения снимется с конденсатора, усиливается и подается на амплитудный детектор на операционном усилителе. Выходное напряжение детектора прямо пропорционально измеряемому ESR и находится в пределах от 0 до 2000 мВ, что соответствует измеряемым ESR от 0 до 20 Ом для первого диапазона, и до 200 Ом для второго диапазона. Напряжение на выходе детектора измеряется цифровым вольтметром постоянного напряжения.

Рассмотрим работу измерителя ESR более подробно по схеме рис.1.

После нажатия кнопки KN1 и удержания ее, напряжение от батареи подается на low dropout стабилизатор напряжения 5 В типа LM2950. Стабильное напряжение 5 В поступает на  схему измерителя C-ESR. Через запертый диод VD7 напряжение батареи не пройдет к резистору R32, по этому на выводах 9, 10, 11 мультиплексора DA4 (CD74HC4053) установится напряжение лог.«0», в результате чего мультиплексор переключит измеритель в режим ESR. Так же напряжение батареи не пройдет через запертый VD7 к резистору R33, и транзистор VT3 останется закрытым, не пропуская импульсы тока через «спикер» SP в режиме ESR. Таким образом, отключением громкоговорителя в режиме ESR экономится несколько миллиампер потребляемого от батареи тока.

В режиме ESR генератор переводится на фиксированную частоту 70 кГц. Такая частота выбрана по следующим соображениям:

• это максимальная частота, на которой стабильно запускается генератор на ОУ типа TL062;
• в измерителе ESR, описанном в [1], использована близкая по значению частота – 60 кГц;
• обычно в измерителях подобного типа используют частоты в пределах 50…100 кГц.

Для перевода генератора на фиксированную частоту к инвертирующему входу ОУ DA1.1 (TL062) через выводы мультиплексора 2 и 15 подключаются в качестве времязадающих конденсатор C1 и резистор R1. Цепочка R2 C2 служит для запуска (толчка) генератора при старте питания. Без этой цепочки генератор на 70 кГц может не запуститься.

Переменное напряжение с выхода генератора, через замкнутые контакты KN3 и токограничительный резистор, составленный из двух параллельно включенных R4 и R5, прикладывается к конденсатору Cx. Амплитуда тока в цепи конденсатора зависит от амплитуды напряжения на выходе генератора и полного сопротивления цепи, которое в свою очередь включает в себя: сопротивление токограничительного резистора, ESR конденсатора и его емкостное сопротивление. Токоограничительный резистор задает ток для диапазона измерения, и его сопротивление для каждого диапазона неизменно. Неизменно и напряжение генератора. Остаются два сопротивления, которые могут оказывать влияние на величину тока через конденсатор, это ESR конденсатора и его емкостное сопротивление. Емкостное сопротивление конденсаторов на частоте 70 кГц достаточно мало (0 – 2,3 Ом, в диапазоне емкостей от максимальной до 1 мкФ) и практически не влияет на величину измерительного тока. А вот ЕSR меняется в более широких пределах и оказывает большее влияние на величину этого тока. Посчитаем по закону Ома диапазон изменения амплитуды тока через конденсатор Cx для двух крайних значений ESR первого диапазона, 0 Ом и 20 Ом, для сопротивления токограничительного резистора 900 Ом и  амплитуды напряжения на выходе генератора 4,5 В:

Для ESR 0 Ом: I = 4,5 В / 900 Ом = 0,005 А.

Для ESR 20 Ом: I = 4,5 В / (900 Ом +20 Ом) = 0,00489 А.

Как видим, нестабильность тока (ΔI/I*100%) составляет около 2%. Если же измеритель ESR калибровать посередине диапазона – по резистору 10 Ом, то ток вырастет на 1% при измерении 0 Ом и упадет на 1% при измерении 20 Ом. Такой небольшой нестабильностью тока можно пренебречь при внутрисхемных измерениях, и считать измерительный ток стабильным.

Второй диапазон (200 Ом) включается дополнительным нажатием и удержанием кнопки KN3, при этом в цепь измерительного тока включается дополнительный резистор R7, в результате чего амплитуда тока уменьшается в десять раз, до 0,5 мА, а диапазон измеряемых сопротивлений расширяется до 200 Ом. На втором диапазоне (с нажатой кнопкой KN3), нестабильность тока в процентном отношении такая же, как и на первом – около 2%. Эта нестабильность тока не оказывает негативного воздействия на результат измерения ESR еще и потому, что противоположное действие на результат измерения оказывает нелинейность детектора, так как при малых входных уровнях детектор занижает выходное напряжение. В результате взаимного влияния на результат измерения ESR этих двух факторов (нестабильности тока и нелинейности детектора), преобладающее действие оказывает нелинейность детектора, и результат измерения ESR незначительно занижается при его малых значениях.

Форма напряжения на выходе генератора 70 кГц не синусоидальна и имеет вид меандра с сильно заваленными фронтами, что напоминает синусоиду ограниченную сверху и снизу. Это значит, что ток через конденсатор тоже будет не синусоидальной формы. Но так как напряжение, которое снимается с конденсатора, подается на вход усилителя DA2 (TL062), имеющего ограниченные частотные возможности, то в сигнале на выходе усилителя ослаблены высшие гармоники, и его форма на выходе усилителя, а так же на входе детектора близка к синусоидальной. Это равноценно тому, что ток через конденсатор Cx имеет синусоидальную форму. Другими словами это можно описать так: детектор «видит» сквозь фильтрующий усилитель только первую гармонику тока, которая синусоидальна (по определению термина гармоника).

И так, через конденсатор Cx проходит условно синусоидальный ток с условно стабильной амплитудой. Этот ток создает падение напряжения на эквивалентном последовательном сопротивлении конденсатора, а также падение на емкостном сопротивлении конденсатора. Но так как на частоте 70 кГц для  реальных электролитических конденсаторов емкостью 10 мкФ и выше емкостное сопротивление Xc заметно ниже реального ESR конденсатора, например:

для 10 мкФ Xc = 0,2 Ом, ESR – 1,6…3 Ом;

для 20 мкФ Xc = 0,1 Ом, ESR – 0,8…1,5 Ом;

для 100 мкФ Xc = 0,02 Ом, ESR  – 0,15…0,3 Ом;

для 1000 мкФ Xc = 0,002 Ом, ESR – 0,02…0,1 Ом.

То при таких условиях емкостным сопротивлением можно пренебречь (принять его равным нулю), и считать падение напряжения на конденсаторе пропорциональным ESR. Емкостное сопротивление для синусоидального тока можно рассчитать с помощью онлайн-калькулятора [2], или по формуле:

Xc=1/2πfC,

где Xc емкостное сопротивление (Ом),  f частота (МГц), С емкость (мкФ).

Со снижением емкости, емкостное сопротивление оказывает большее влияние на результат измерения ESR, завышает результат. Так на частоте 70 кГц:

для 4, 7 мкФ Xc = 0,48 Ом;

для 1 мкФ Xc = 2,3 Ом .

Однако результирующее (общее) сопротивление конденсатора для синусоидального тока не является обычной (арифметической) суммой емкостного сопротивления и ESR, а является векторной суммой этих сопротивлений и определяется как корень квадратный из суммы квадратов  Xc и ESR (рис.3).

 

Именно до такой величины завышает результат измерения ESR данный измеритель, что особенно заметно на малых емкостях. Если, например, реальный ESR конденсатора 1 мкФ равен 2 Ом, то с учетом его емкостного сопротивления 2,3 Ом на частоте 70 кГц, измеритель завысит показания  до 3 Ом (на 1 Ом), исходя из вычислений. Для конденсатора 1 мкФ с ESR 6 Ом показания прибора возрастут до 6,4 Ом (на 0,4 Ом), а для конденсатора 1 мкФ с ESR 0,1 Ом прибор покажет значение близкое к 2,3 Ом, то есть, фактически емкостное сопротивление. . Получается, что даже с идеальным конденсатором, у которого ESR 0 Ом прибор не может показать ESR меньше емкостного сопротивления этого конденсатора на измерительной частоте. Автор проверил это экспериментально, взяв пленочный конденсатора К73-17 емкость 1 мкФ. Известно, что эти типы конденсаторов имеют очень малый реальный ESR – от десятых до сотых долей Ома. Прибор показал значение ESR, очень близкое к емкостному сопротивлению этого конденсатора на частоте 70 кГц (близкое к 2,3 Ом). Потом, последовательно с этим конденсатором был впаян резистор 2 Ом, фактически в конденсатор был добавлен искусственный ESR величиной 2 Ом. Измерение ESR такой последовательной цепочки дало завышение ESR до значения 3 Ом. С запаянным резистором 6 Ом, прибор показал 6,4 Ом. То есть, все в соответствии с формулой векторного сложения сопротивлений для синусоидального тока.

Более точно (без завышения) ESR конденсаторов измеряют приборы, так называемые измерители импеданса. Один из таких приборов радиолюбительской разработки известен в Интернете, как RLC-2, (см. [3]). В этом приборе другой принцип измерения, поэтому нет завышения Rs (тот же ESR) при малых емкостях. Этот прибор показывает реальный ESR на частоте измерения, при этом емкостное сопротивление конденсатора не оказывает влияния на результат измерения.

(Продолжение следует)

 

Ссылки:

1. ESR-Messgerat ESR Режим доступа: http://files.elv.de/Assets/Produkte/4/477/47773/Downloads/52699_ESR1_UM.pdf.
2. http://tel-spb.rU/rea.html#kalk онлайн-каль­кулятор расчета реактивного сопротивления.
3. http://pro-radio.ru/measure/6873 веб-стра­ница с описанием измерителя RLC-2 на форуме pro-radio.

Автор: Александр Кравченко, с. Жукотки,Черниговской обл.