MIERNIK ESR

Aby przetestować kondensatory, zdecydowałem się na złożenie tak zwanego „miernika ESR”. W końcu nie ma problemów z testowaniem diod i rezystorów, ale z kondensatorami jest to trudniejsze, jak wiadomo, ESR to skrót od Equivalent Serial Resistance , co oznacza „równoważną rezystancję szeregową”. Wyjaśnijmy to prościej. W uproszczonej formie kondensator elektrolityczny składa się z dwóch aluminiowych płytek oddzielonych przekładką wykonaną z porowatego materiału impregnowanego elektrolitem (stąd nazwa elektrolityczny). Dielektryk w takich kondensatorach to bardzo cienka warstwa tlenku, która tworzy się na powierzchni folii aluminiowej, gdy do płytek zostanie przyłożone napięcie o określonej polaryzacji. Do tych osłon taśm przymocowane są przewody drutowe. Taśmy zwinięte są w rulon, a całość umieszczona jest w szczelnej obudowie. Ze względu na bardzo małą grubość dielektryka i dużą powierzchnię płytek, kondensatory tlenkowe pomimo niewielkich wymiarów charakteryzują się dużą pojemnością.

Podczas pracy wewnątrz kondensatora zachodzą procesy elektrochemiczne, niszcząc połączenie zacisku z płytkami. Styk ulega zerwaniu, w wyniku czego pojawia się tzw. rezystancja przejściowa, osiągająca wartość kilkudziesięciu omów lub więcej, co jest równoznaczne z podłączeniem szeregowo rezystora z kondensatorem, który znajduje się w samym kondensatorze. Prądy ładowania i rozładowywania powodują nagrzewanie się tego „rezystora”, co dodatkowo nasila proces niszczący. Inną przyczyną awarii kondensatora elektrolitycznego jest „wysychanie”, gdy elektrolit odparowuje z powodu złego uszczelnienia. W tym przypadku reaktancja pojemnościowa (Xc) kondensatora wzrasta, ponieważ pojemność tego ostatniego maleje. Obecność rezystancji szeregowej negatywnie wpływa na działanie urządzenia, zakłócając logikę kondensatora w obwodzie. (Jeśli na przykład podłączysz szeregowo rezystor o rezystancji dziesięciu omów z kondensatorem filtra prostownika, tętnienie wyprostowanego napięcia na wyjściu tego ostatniego gwałtownie wzrośnie). Zwiększona wartość ESR kondensatorów (i tylko do kilku omów) ma szczególnie silny wpływ na pracę zasilaczy impulsowych.

Zasada działania tego miernika ESR opiera się na pomiarze pojemności kondensatora, tj. w istocie jest to omomierz działający na prąd przemienny.

Jak wiadomo, Xс=1/2πfC, Gdzie

Xс - pojemność, Ohm;
f - częstotliwość, herce;
C - pojemność, Farad.

Układ DD1 zawiera prostokątny generator impulsów (elementy D1.1, D1.2), wzmacniacz buforowy (elementy D1.3, D1.4) i stopień wzmacniacza wykorzystujący tranzystory. Częstotliwość generacji jest określona przez elementy C1 i R1 i wynosi 100 kHz. Impulsy prostokątne podawane są przez kondensator separujący C2 do uzwojenia pierwotnego transformatora podwyższającego T1. Do uzwojenia wtórnego za prostownikiem diodowym podłącza się mikroamperomierz, na skali którego odczytuje się wartość ESR. Kondensator C3 wygładza tętnienia wyprostowanego napięcia. Po włączeniu zasilania igła mikroamperomierza odchyla się do końcowego znaku skali (uzyskuje się to poprzez dobór rezystora R2). Ta pozycja odpowiada wartości „nieskończoności” zmierzonego ESR. Jeśli równolegle do uzwojenia I transformatora T1 podłączymy działający kondensator tlenkowy, wówczas z powodu małej pojemności kondensator ominie uzwojenie i wskazówka miernika zbliży się do zera. Jeśli w zmierzonej wartości wystąpi defekt, wartość ESR w niej wzrośnie. Część prądu przemiennego przepłynie przez uzwojenie, a strzałka będzie coraz mniej odbiegać od wartości „nieskończoności”. Im wyższy ESR, tym więcej prądu przepływa przez uzwojenie, a mniej przez kondensator i tym bliżej pozycji „nieskończoności” znajduje się strzałka.

Transformator nawinięty jest na pierścień ferrytowy o średnicy zewnętrznej 10...15 mm. Uzwojenie pierwotne zawiera 10 zwojów drutu PEV-2 o średnicy 0,5 mm, uzwojenie wtórne zawiera 200 zwojów drutu PEV-2 o średnicy 0,1 mm. Dioda musi być germanowa, na przykład D9, D310, D311, GD507. Diody krzemowe charakteryzują się wysokim progowym napięciem otwarcia (0,5...0,7 V), co będzie skutkować dużą nieliniowością skali miernika w obszarze pomiaru małych rezystancji. Miernik ESR jest kalibrowany przy użyciu kilku rezystorów 1 Ohm. Zamykając sondy, zaznacz miejsce, w którym będzie znajdować się znak zerowy skali. Ze względu na obecność rezystancji w przewodach łączących może ona nie pokrywać się z pozycją strzałki po wyłączeniu zasilania. Dlatego przewody prowadzące do sond powinny być jak najkrótsze. Następnie podłącz dwa równolegle połączone rezystory 1 Ohm i zaznacz położenie strzałki odpowiadającej zmierzonej rezystancji 0,5 Ohm. Następnie podłącz rezystory 1, 2, 3, 5 i 10 omów i zaznacz pozycje strzałki podczas pomiaru tych rezystancji. Możemy na tym poprzestać, ponieważ kondensatory elektrolityczne o pojemności większej niż 4,7 μF z ESR większym niż 10 omów, choć mogą działać, nie wytrzymają długo :)

Każdy, kto regularnie naprawia sprzęt elektroniczny, wie, jaki procent usterek jest spowodowany uszkodzonymi kondensatorami elektrolitycznymi. Co więcej, jeśli za pomocą konwencjonalnego multimetru można zdiagnozować znaczną utratę pojemności, to tak charakterystyczna wada, jak wzrost równoważnej rezystancji szeregowej (ESR), jest zasadniczo niemożliwa do wykrycia bez specjalnych urządzeń.

Przez długi czas podczas naprawy radziłem sobie bez specjalistycznych przyrządów do sprawdzania kondensatorów, zastępując znane dobre kondensatory równolegle z „podejrzanymi” kondensatorami w sprzęcie audio, sprawdzając ścieżkę sygnału ze słuchu za pomocą słuchawek i stosuj także pośrednie metody wykrywania wad, bazując na osobistym doświadczeniu, zgromadzonych statystykach i zawodowej intuicji. Kiedy musieliśmy przystąpić do masowej naprawy sprzętu komputerowego, w którym kondensatory elektrolityczne są przyczyną dobrej połowy wszystkich usterek, potrzeba kontrolowania ich ESR stała się bez przesady zadaniem strategicznym. Kolejną istotną okolicznością był fakt, że podczas naprawy uszkodzone kondensatory bardzo często trzeba wymieniać nie na nowe, ale na zdemontowane z innych urządzeń, a ich przydatność do użytku nie jest w ogóle gwarantowana. Dlatego nieuchronnie nadszedł moment, w którym musiałem poważnie pomyśleć o rozwiązaniu tego problemu, nabywając w końcu miernik EPS. Ponieważ zakup takiego urządzenia z wielu powodów nie wchodził w grę, jedynym oczywistym rozwiązaniem był jego samodzielny montaż.

Analiza dostępnych w Internecie rozwiązań obwodów do budowy liczników EPS wykazała, że ​​oferta tego typu urządzeń jest niezwykle szeroka. Różnią się one funkcjonalnością, napięciem zasilania, zastosowaną bazą elementów, częstotliwością generowanych sygnałów, obecnością/brakiem elementów uzwojenia, formą wyświetlania wyników pomiarów itp.

Głównymi kryteriami wyboru obwodu była jego prostota, niskie napięcie zasilania i minimalna liczba jednostek uzwojenia.

Biorąc pod uwagę cały zestaw czynników, zdecydowano się powtórzyć schemat Yu Kurakina, opublikowany w artykule magazynu „Radio” (2008, nr 7, s. 26-27). Wyróżnia się szeregiem pozytywnych cech: niezwykłą prostotą, brakiem transformatorów wysokiej częstotliwości, niskim poborem prądu, możliwością zasilania z jednego ogniwa galwanicznego, niską częstotliwością pracy generatora.

Szczegóły i projekt. Urządzenie zmontowane na prototypie zadziałało natychmiast i po kilku dniach praktycznych eksperymentów z obwodem podjęto decyzję o jego ostatecznym projekcie: urządzenie powinno być niezwykle kompaktowe i mieć coś w rodzaju testera, umożliwiającego wyświetlanie wyników pomiarów tak wyraźnie, jak to możliwe.

W tym celu jako głowicę pomiarową wykorzystano czujnik zegarowy typu M68501 z radia Sirius-324 Pano o całkowitym prądzie odchylenia 250 µA i oryginalnej skali skalibrowanej w decybelach, który był pod ręką. Później odkryłem w Internecie podobne rozwiązania wykorzystując wskaźniki poziomu taśmy innych autorów, co potwierdziło słuszność podjętej decyzji. Jako korpus urządzenia zastosowaliśmy etui z wadliwej ładowarki do laptopa LG DSA-0421S-12, które ma idealne wymiary i w przeciwieństwie do wielu swoich odpowiedników posiada łatwo demontowaną obudowę skręcaną śrubkami.

Urządzenie wykorzystuje wyłącznie ogólnodostępne i powszechne elementy radiowe, które znajdują się w gospodarstwie domowym każdego radioamatora. Końcowy obwód jest całkowicie identyczny z autorskim, z wyjątkiem wartości niektórych rezystorów. Rezystancja rezystora R2 powinna idealnie wynosić 470 kOhm (w wersji autorskiej - 1 MOhm, chociaż około połowa skoku silnika nadal nie jest wykorzystana), ale nie znalazłem rezystora o tej wartości, który miałby wymagane wymiary. Fakt ten pozwolił jednak zmodyfikować rezystor R2 w taki sposób, aby pełnił on jednocześnie funkcję wyłącznika zasilania, gdy jego oś zostanie obrócona w jedno ze skrajnych położeń. W tym celu wystarczy czubkiem noża zeskrobać część warstwy oporowej na jednym z zewnętrznych styków „podkowy” rezystora, po której ślizga się jego środkowy styk, na odcinku około 3... Długość 4 mm.

Wartość rezystora R5 dobiera się na podstawie całkowitego prądu odchylenia zastosowanego wskaźnika w taki sposób, aby nawet przy głębokim rozładowaniu akumulatora miernik EPS pozostał sprawny.

Rodzaj diod i tranzystorów zastosowanych w obwodzie jest absolutnie bezkrytyczny, dlatego preferowano elementy o minimalnych wymiarach. Dużo ważniejszy jest rodzaj zastosowanych kondensatorów - powinny one być jak najbardziej stabilne termicznie. Jako C1...C3 zastosowano importowane kondensatory, które znaleziono na płytce z wadliwego UPS-a komputerowego, które mają bardzo mały TKE i mają znacznie mniejsze wymiary w porównaniu z krajowym K73-17.

Cewka indukcyjna L1 wykonana jest na pierścieniu ferrytowym o przenikalności magnetycznej 2000 Nm i ma wymiary 10 × 6 × 4,6 mm. Dla częstotliwości generacji 16 kHz wymagane są 42 zwoje drutu PEV-2 o średnicy 0,5 mm (długość przewodu uzwojenia wynosi 70 cm) o indukcyjności 2,3 mH. Można oczywiście zastosować dowolną inną cewkę o indukcyjności 2...3,5 mH, która będzie odpowiadać zalecanemu przez autora projektu zakresowi częstotliwości 16...12 kHz. Wykonując cewkę indukcyjną miałem okazję skorzystać z oscyloskopu i miernika indukcyjności, więc wymaganą liczbę zwojów dobrałem eksperymentalnie wyłącznie ze względu na doprowadzenie generatora dokładnie do częstotliwości 16 kHz, chociaż oczywiście nie było praktyczna potrzeba tego.

Sondy miernika EPS są wykonane w sposób nieusuwalny – brak odłączalnych połączeń nie tylko upraszcza konstrukcję, ale także zwiększa jego niezawodność, eliminując możliwość zerwania styków w obwodzie pomiarowym o niskiej impedancji.

Płytka drukowana urządzenia ma wymiary 27x28 mm, jej rysunek w formacie .LAY6 można pobrać pod linkiem https://yadi.sk/d/CceJc_CG3FC6wg. Podziałka siatki wynosi 1,27 mm.

Układ elementów wewnątrz gotowego urządzenia pokazano na zdjęciu.

Wyniki testu. Charakterystyczną cechą wskaźnika zastosowanego w urządzeniu było to, że zakres pomiarowy ESR wynosił od 0 do 5 omów. Podczas badania kondensatorów o znacznej pojemności (100 μF i więcej), najbardziej typowych dla filtrów w obwodach zasilających płyty główne, zasilacze do komputerów i telewizorów, ładowarki do laptopów, konwertery sprzętu sieciowego (switche, routery, punkty dostępowe) i ich zdalne adaptery, zakres ten jest niezwykle wygodny, gdyż skala instrumentu jest maksymalnie rozciągnięta. Na podstawie uśrednionych danych eksperymentalnych ESR kondensatorów elektrolitycznych o różnych pojemnościach pokazanych w tabeli, przedstawienie wyników pomiarów okazuje się bardzo jasne: kondensator można uznać za sprawny tylko wtedy, gdy igła wskaźnikowa podczas pomiaru znajduje się w kolorze czerwonym sektor skali odpowiadający dodatnim wartościom w decybelach. Jeśli strzałka znajduje się po lewej stronie (w czarnym sektorze), kondensator z powyższego zakresu pojemności jest uszkodzony.

Oczywiście urządzeniem można także testować małe kondensatory (od ok. 2,2 μF), a odczyty urządzenia będą mieściły się w czarnym sektorze skali, odpowiadającym ujemnym wartościom decybeli. Otrzymałem w przybliżeniu następującą zgodność między ESR znanych dobrych kondensatorów ze standardowej serii pojemności a kalibracją skali instrumentu w decybelach:

Przede wszystkim projekt ten należy polecić początkującym radioamatorom, którzy nie mają jeszcze wystarczającego doświadczenia w projektowaniu sprzętu radiowego, ale opanowują podstawy naprawy sprzętu elektronicznego. Niska cena i wysoka powtarzalność tego miernika EPS odróżnia go od droższych urządzeń przemysłowych o podobnym przeznaczeniu.

Główne zalety miernika ESR można uznać za:

— wyjątkowa prostota obwodu i dostępność podstawy elementu do jego praktycznej realizacji przy zachowaniu wystarczającej funkcjonalności urządzenia i jego zwartości, brak konieczności stosowania bardzo czułego urządzenia rejestrującego;

— brak konieczności wykonywania regulacji wymagających specjalnych przyrządów pomiarowych (oscyloskop, miernik częstotliwości);

- niskie napięcie zasilania i odpowiednio niski koszt jego źródła (nie jest wymagana droga i o małej pojemności „Krona”). Urządzenie pozostaje sprawne, gdy źródło zostanie rozładowane nawet do 50% jego napięcia znamionowego, tzn. do jego zasilania można wykorzystać elementy, które nie mają już możliwości normalnej pracy w innych urządzeniach (piloty, zegarki, aparaty fotograficzne, kalkulatory) itp.);

- niski pobór prądu - około 380 µA w momencie pomiaru (w zależności od zastosowanej głowicy pomiarowej) i 125 µA w trybie czuwania, co znacznie wydłuża żywotność źródła prądu;

- minimalna ilość i niezwykła prostota produktów nawojowych - jako L1 można zastosować dowolny odpowiedni dławik lub można go łatwo wykonać samodzielnie ze złomu;

— stosunkowo niska częstotliwość pracy generatora i możliwość ręcznego zerowania, co pozwala na stosowanie sond z przewodami o niemal dowolnej rozsądnej długości i dowolnym przekroju. Zaleta ta jest niezaprzeczalna w porównaniu z uniwersalnymi testerami elementów cyfrowych, które do podłączenia testowanych kondensatorów wykorzystują panel ZIF z głębokimi stykami;

— przejrzystość wizualna wyświetlania wyników badań, pozwalająca na szybką ocenę przydatności kondensatora do dalszej eksploatacji bez konieczności dokładnej numerycznej oceny wartości ESR i jej korelacji z tabelą wartości;

— łatwość obsługi — możliwość wykonywania pomiarów w sposób ciągły (w przeciwieństwie do cyfrowych testerów ESR, które wymagają wciśnięcia przycisku pomiaru i pauzy po podłączeniu każdego testowanego kondensatora), co znacznie przyspiesza pracę;

— nie jest konieczne wstępne rozładowywanie kondensatora przed pomiarem ESR.

Wady urządzenia obejmują:

- ograniczona funkcjonalność w porównaniu z cyfrowymi testerami ESR (brak możliwości pomiaru pojemności kondensatora i procentu jego wycieku);

— brak dokładnych wartości liczbowych wyników pomiarów w omach;

- stosunkowo wąski zakres mierzonych rezystancji.

Często przy naprawie elektroniki konieczna jest wymiana spuchniętych kondensatorów. Jeśli kondensator jest spuchnięty, oznacza to spadek jego pojemności i wzrost zastępczej rezystancji szeregowej (ESR). Zdarza się, że kondensator nie jest spuchnięty, a jego ESR jest wyższy niż normalnie, w tym przypadku złożyłem urządzenie z MasterKit i za jego pomocą sprawdziłem podejrzane kondensatory. W pewnym momencie zrobiło się ciekawie, co tak naprawdę mierzy i jak to robi.
Co to jest ESR.
Równoważny uproszczony obwód kondensatora składa się z rezystora i kondensatora, wartość tego oporu jest mierzona przez urządzenie. Pozostaje dowiedzieć się, jak on to robi.

Podłączmy generator sygnału do kondensatora, jego obwód zastępczy pokazano na rysunku, składa się on z generatora i połączonego szeregowo rezystora równego rezystancji wyjściowej generatora.

Pomimo tego, że większość współczesnych multimetrów wyposażona jest w funkcję pomiarową, w tym także elektrolityczną, możliwość pomiaru ESR (równoważnej rezystancji szeregowej) jest właściwie bardzo rzadka.

W tej konstrukcji generator jest zamontowany na jednym elemencie logicznym (DD1.1) mikroukładu 74HC14N (odwracanie Schmitta) oraz obwodzie RC R1 i C1, który określa częstotliwość generatora. W tym przypadku jest to około 100 kHz. Sygnał z generatora jest wzmacniany przez pozostałe pięć elementów mikroukładu DD1 do amplitudy w zakresie 250 mV, który jest następnie przesyłany do badanego Cx.

Badany kondensator podłącza się do pinów X1 i X2 miernika ESR. Aby chronić tester przed ładunkiem obecnym w kondensatorze Cx, zapewniona jest linia zabezpieczająca składająca się z C4, R8, VD1 i VD2 (). Zmierzony sygnał po przejściu przez kondensator Cx jest wzmacniany przez T1 (), następnie prostowany przez cztery D3-D6 (), a następnie filtrowany przez kondensator C6.

Mikroamperomierz o całkowitej skali odchylenia około 50 µA jest podłączony do pinów X3 i X4 poprzez R14. Wartość wyświetlana na wskaźniku jest głównie proporcjonalna do wartości ESR kondensatora. Oczywiście konieczne jest skorelowanie wartości ESR i pojemności nowego kondensatora poprzez kalibrację, aby można było wykryć rozbieżność z uszkodzonym kondensatorem.

Kalibracja miernika ESR

Prawidłowo zmontowany i sprawdzony miernik ESR powinien działać już przy pierwszym włączeniu. Jako źródło zasilania możemy polecić zasilacz. Po włączeniu zasilania urządzenie powinno natychmiast wyświetlić wartość ESR. Aby uzyskać dokładniejsze wartości, można go podłączyć do 25 kOhm zamiast stałego rezystora R14.

Konfiguracja jest prosta - zamiast testować kondensator, należy podłączyć jeden po drugim rezystory o niskiej rezystancji. Oznaczenie skali powinno wyglądać mniej więcej tak: przy podłączeniu rezystora 1 Ohm odchylenie igły powinno wynosić ponad 90%, przy rezystorze 10 Ohm odchylenie wynosi około 40%, a przy 47 Ohm tylko 10%.

Dla Twojej informacji rzeczywista rezystancja (ESR) roboczego kondensatora elektrolitycznego nie powinna przekraczać 10 omów.

Projekt ten został pomyślany jako sposób na przetestowanie funkcjonalności kondensatora. Kupuję dużo starych urządzeń elektronicznych mających ponad 25-60 lat i stan kondensatorów elektrolitycznych może budzić wątpliwości. Potrzebowałem szybkiego sposobu przetestowania kondensatorów.

Co to jest ESR?
„ESR” oznacza równoważną rezystancję szeregową. ESR jest jedną z cech określających wydajność kondensatora elektrolitycznego. Im niższy ESR kondensatora, tym lepiej, ponieważ przy wysokim ESR kondensator będzie się nagrzewał, gdy przepływa przez niego prąd, co go zniszczy. Z biegiem czasu ESR kondensatora może wzrosnąć od 10 do 30 razy lub kondensator całkowicie przestanie przepuszczać prąd. Typowa żywotność kondensatorów elektrolitycznych wynosi 2000-15000 godzin i jest w dużym stopniu zależna od temperatury otoczenia. Kiedy ESR wzrasta, kondensator zaczyna działać słabiej i ostatecznie następuje awaria obwodu.

DlaczegoESRCzy miernik jest taki przydatny?
Większość mierników ESR wymaga usunięcia kondensatora z obwodu. Gdy w obwodzie jest wiele kondensatorów, jest to bardzo uciążliwe i istnieje ryzyko uszkodzenia płytki. Ten tester wykorzystuje niskie napięcie (250 mV) i wysoką częstotliwość (150 kHz) do pomiaru kondensatorów. Pomiar bez wylutowania z obwodu jest możliwy ze względu na niskie napięcie, które wystarcza na kondensator, ale na inne części jest niewystarczające, więc nie zakłócają pomiaru. Większość mierników ESR ulegnie uszkodzeniu, jeśli użyjesz ich do pomiaru naładowanego kondensatora. Obwód ten może wytrzymać ładowanie kondensatora do 400 V ( To napięcie zagraża życiu. Bądź ostrożny!). Z mojego doświadczenia wynika, że ​​miernik ESR rozpoznaje około 95% uszkodzonych kondensatorów.

Charakterystyka miernika ESR:
- pomiar kondensatorów elektrolitycznych o pojemności > 1 µF
- polaryzacja kondensatora nie jest istotna
- umożliwia podłączenie naładowanych kondensatorów do 400V
- niski pobór prądu (około 25 mA), co daje około 20 godzin pracy na baterii przy zastosowaniu 4 baterii AA
- Pomiar ESR w zakresie 0-75 Ohm.

Opis obwodu
Obwód rozpoczyna się od oscylatora 150 kHz na pojedynczym elemencie 74hc14. Pozostałe elementy służą do zwiększenia napięcia docierającego do filtra dolnoprzepustowego. Filtr dolnoprzepustowy jest niezbędny, ponieważ sygnał prostokątny zawiera dużo szumu i harmonicznych. Sygnał z filtra trafia na rezystor 10 Ohm, który zapewnia niski poziom sygnału przy pomiarze kondensatora. Diody D5 i D6 chronią obwód przed rozładowaniem w przypadku podłączenia naładowanego kondensatora. R18 jest rezystorem wygaszającym dla C5. C5 chroni obwód przed napięciami prądu stałego do 400 V.

Pozostałą część obwodu stanowi wzmacniacz tranzystorowy o wzmocnieniu około 10,5. Wzmacnia to sygnał pochodzący z kondensatora do amplitudy kilku woltów. Wzmocnione napięcie musi być wystarczająco duże, aby pokonać 2 diody, zanim waga zacznie reagować. Poprawność działania obwodu można sprawdzić podłączając do wejścia rezystory o różnej rezystancji (1 Ohm - około 90% pełnej skali, 10 Ohm - około 40% skali i 47 Ohm - około 10% skali). Odczyty testera mogą się nieznacznie różnić w zależności od temperatury. Poniżej możesz pobrać zdjęcia i rysunek PP.

Pliki projektu:
Rysunek złożeniowy - esrbuildit.png
Widok PP z dołu - esrpcb.png
Widok PP z dołu - esrxray.png
PP i schemat w formacie - miernik ESR.zip
/SWCadiii - esr.rosc

Lista radioelementów