ВИМІРЮВАЧ ESR

Для перевірки конденсаторів, вирішив зібрати так званий "вимірник ESR”. Адже з випробуванням діодів та резисторів проблем не виникає, а от із конденсаторами складніше. Як відомо, ESR – це скорочення від Equivalent Serial Resistance, – означає "еквівалентний послідовний опір”. Пояснимо простіше. У спрощеному вигляді електролітичний конденсатор є дві алюмінієві стрічкові обкладки, розділені прокладкою з пористого матеріалу, просоченого електролітом (звідси і назва електролітичний). Діелектриком у таких конденсаторах є дуже тонка оксидна плівка, що утворюється на поверхні алюмінієвої фольги при подачі на напругу обкладинки певної полярності. До цих стрічкових обкладок приєднуються дротяні висновки. Стрічки згортаються в рулон, і все це поміщається у герметичний корпус. Завдяки дуже малій товщині діелектрика та великій площі обкладок оксидні конденсатори при малих габаритах мають велику ємність.

У процесі роботи всередині конденсатора протікають електрохімічні процеси, що руйнують з'єднання виведення з обкладками. Контакт порушується, і в результаті з'являється так званий перехідний опір, що досягає значення десятків і більше, що еквівалентно включенню послідовно з конденсатором резистора, який знаходиться в самому конденсаторі. Інша причина виходу з ладу електролітичного конденсатора - це "висихання", коли через погану герметизацію відбувається випаровування електроліту. В цьому випадку зростає реактивний ємнісний (Хс) опір конденсатора, так як ємність останнього зменшується. Наявність послідовного опору негативно впливає на роботу пристрою, порушуючи логіку роботи конденсатора в схемі. (Якщо включити, наприклад, послідовно з конденсатором фільтра випрямляча резистор опором десяток Ом, на виході останнього різко зростуть пульсації напруги випрямленого). Особливо сильно позначається підвищене значення ESR конденсаторів (до всього до пари Ом) на роботі імпульсних блоків живлення.

Принцип роботи даного вимірювачів ESR заснований на вимірюванні опору ємнісного конденсатора, тобто, по суті, це омметр, що працює на змінному струмі.

Як відомо, Xс=1/2πfC, де

Xс - ємнісний опір, Ом;
f – частота, Герц;
С – ємність, Фарад.

На мікросхемі DD1 зібрано генератор прямокутних імпульсів (елементи D1.1, D1.2), буферний підсилювач (елементи D1.3, D1.4) та підсилювальний каскад на транзисторах. Частота генерації визначається елементами С1 та R1 і дорівнює 100 кГц. Прямокутні імпульси через розділовий конденсатор С2 подаються на первинну обмотку трансформатора Т1, що підвищує. У вторинну обмотку після випрямляча на діоді включений мікроамперметр, за шкалою якого відраховують ESR. Конденсатор С3 згладжує пульсацію випрямленої напруги. При включенні живлення стрілка мікроамперметра відхиляється на кінцеву позначку шкали (добиваються підбором резистора R2). Таке її положення відповідає значенню "нескінченність" вимірюваного ESR. Якщо підключити справний оксидний конденсатор паралельно обмотці I трансформатора Т1, то завдяки низькому ємнісному опору конденсатор зашунтує обмотку, і стрілка вимірювача наблизиться до нуля. Частина змінного струму потече через обмотку, і стрілка все менше відхилятиметься від значення "нескінченність". Чим більший ESR, тим більший струм протікає через обмотку і менший через конденсатор, і тим ближче до положення "нескінченність" знаходиться стрілка.

Трансформатор намотують на феритовому кільці із зовнішнім діаметром 10...15 мм. Первинна обмотка містить 10 витків дроту ПЕВ-2 діаметром 0,5 мм, вторинна - 200 витків ПЕВ-2 діаметром 0,1 мм. Діод обов'язково має бути германієвим, наприклад, Д9, Д310, Д311, ГД507. Кремнієві діоди мають велику порогову напругу відкривання (0,5...0,7), що призведе до сильної нелінійності шкали вимірювача в області вимірювання малих опорів. Градують вимірювач ESR за допомогою декількох резисторів опором 1 Ом. Замкнувши щупи, відзначають, де буде нульова позначка шкали. Через наявність опору в з'єднувальних дротах, вона може не збігатися з положенням стрілки при вимкненому живленні. Тому дроти, що йдуть до щуп, повинні бути по можливості короткими. Далі підключають два паралельно з'єднаних резистора на 1 Ом і відмічають положення стрілки, що відповідає опору, що вимірюється 0,5 Ом. Потім підключають резистори на 1, 2, 3, 5 та 10 Ом і відмічають положення стрілки при вимірі цих опорів. На цьому можна зупинитися, оскільки електролітичні конденсатори ємністю більше 4,7 мкФ з ESR більше 10 Ом хоч і можуть працювати, але вже не довго:)

Кожному, хто регулярно займається ремонтом електронної техніки, відомо, який відсоток несправностей припадає на дефектні електролітичні конденсатори. При цьому якщо істотну втрату ємності вдається діагностувати за допомогою звичайного мультиметра, такий характерний дефект як зростання еквівалентного послідовного опору (ЕПС, англ. ESR) виявити без спеціальних пристроїв принципово неможливо.

Довгий час при проведенні ремонтних робіт мені вдавалося обходитися без спеціалізованих приладів для перевірки конденсаторів шляхом підстановки паралельно «підозрюваним» конденсаторам свідомо справних, в звуковій апаратурі використовувати перевірку тракту проходження сигналу на слух за допомогою навушників, а також використовувати методи , накопиченої статистики та професійної інтуїції. Коли ж довелося долучитися до масового ремонту комп'ютерної техніки, у якій на совісті електролітичних конденсаторів виявляється добра половина всіх несправностей, необхідність контролю їхнього ЕПС стала без перебільшення стратегічним завданням. Істотною обставиною став також той факт, що в процесі ремонту несправні конденсатори часто доводиться замінювати не новими, а демонтованими з інших пристроїв, і їх справність зовсім не гарантована. Тому неминуче настав момент, коли довелося всерйоз задуматися про те, щоб вирішити цю проблему, нарешті, обзавівшись ЕПС-метром. Оскільки про купівлю подібного приладу з ряду причин мова не йшла, напрошувався однозначний вихід - зібрати його самостійно.

p align="justify"> Аналіз схемотехнічних рішень побудови ЕПС-метрів, наявних на просторах Мережі, показав, що спектр подібних пристроїв надзвичайно широкий. Вони відрізняються функціональністю, напругою живлення, застосовуваною елементною базою, частотою сигналів, що генеруються, наявністю/відсутністю моточних елементів, формою відображення результатів вимірювань і т.п.

Основними критеріями вибору схеми були її простота, низька напруга живлення та мінімальна кількість моточних вузлів.

З урахуванням усієї сукупності факторів було ухвалено рішення повторити схему Ю. Куракіна, опубліковану у статті з журналу «Радіо» (2008 р., №7, с.26-27). Її відрізняє цілу низку позитивних особливостей: гранична простота, відсутність високочастотних трансформаторів, малий споживаний струм, можливість живлення від одного гальванічного елемента, низька частота роботи генератора.

Деталі та конструкція.Зібраний на макеті прилад запрацював відразу і після декількох днів практичних експериментів зі схемою було прийнято рішення про його остаточну конструкцію: прилад повинен бути гранично компактним і бути чимось на зразок тестера, що дозволяє максимально показово відображати результати вимірювань.

З цією метою як вимірювальна головка був використаний стрілочний індикатор типу М68501 від магніторадіоли «Сіріус-324 пано» зі струмом повного відхилення 250 мкА і оригінальною шкалою, відградуйованою в децибелах, який опинився під рукою. Пізніше в Мережі мною було виявлено подібні рішення із застосуванням магнітофонних індикаторів рівня у виконанні інших авторів, що підтвердило правильність прийнятого рішення. Як корпус приладу був використаний корпус від несправного зарядного пристрою для ноутбука LG DSA-0421S-12, що ідеально підходить за габаритами і має, на відміну від багатьох своїх побратимів, легкорозбірний корпус, що скріплюється шурупами.

У пристрої використані виключно загальнодоступні та поширені радіоелементи, що є в господарстві будь-якого радіоаматора. Підсумкова схема повністю ідентична авторській, виняток становлять лише номінали деяких резисторів. Опір резистора R2 в ідеалі має становити 470 кОм (в авторському варіанті - 1МОм, хоча при цьому приблизно половина ходу двигуна все одно не використовується), але резистора такого номіналу, що має необхідні габарити, у мене не знайшлося. Однак цей факт дозволив доопрацювати резистор R2 таким чином, щоб він одночасно був і вимикачем живлення при повороті осі в одне з крайніх положень. Для цього досить зіскребти вістрям ножа частину резистивного шару в одного з крайніх контактів «підковування» резистора, по якому ковзає його середній контакт, на ділянці довжиною приблизно 3…4 мм.

Номінал резистора R5 підбирається виходячи з струму повного відхилення індикатора, що використовується таким чином, щоб навіть при глибокому розряді елемента живлення ЕПС-метр зберігав свою працездатність.

Тип застосовуваних у схемі діодів і транзисторів абсолютно некритичний, тому перевагу віддали елементам, що мають мінімальні габарити. Набагато важливіший тип конденсаторів, що застосовуються – вони по можливості повинні бути максимально термостабільні. Як С1 ... С3 були використані імпортні конденсатори, які вдалося відшукати в платі від несправного ДБЖ комп'ютера, що мають дуже малий ТКЕ і мають набагато менші габарити в порівнянні з вітчизняними К73-17.

Дросель L1 виконаний на феритовому кільці з магнітною проникністю 2000НМ, що має розміри 10×6×4,6 мм. Для частоти генерації 16 кГц необхідно 42 витка дроту ПЕВ-2 діаметром 0,5 мм (довжина провідника для намотування становить 70 см) при індуктивності дроселя 2,3 мГн. Зрозуміло, можна використовувати будь-який інший дросель з індуктивністю 2...3,5 мГн, що відповідатиме частотному діапазону 16...12 кГц, рекомендованому автором конструкції. У мене при виготовленні дроселя була можливість скористатися осцилографом та вимірювачем індуктивності, тому необхідну кількість витків я підібрав експериментальним шляхом виключно з міркувань вивести генератор точно на частоту 16 кГц, хоча практичної потреби в цьому, звичайно ж, не було.

Щупи ЭПС-метра виконані незнімними – відсутність роз'ємних з'єднань як спрощує конструкцію, а й робить її надійнішою, усуваючи потенційну можливість порушення контактів в низкоомной вимірювальної ланцюга.

Друкована плата пристрою має габарити 27×28 мм, її креслення у форматі. LAY6 можна завантажити за посиланням https://yadi.sk/d/CceJc_CG3FC6wg . Крок сітки – 1,27 мм.

Компонування елементів усередині готового пристрою наведено на фото.

Результати випробовувань.Відмінною особливістю застосованого у пристрої індикатора стало те, що діапазон вимірювання ЕПС становив від 0 до 5 Ом. При перевірці конденсаторів значної ємності (100 мкФ і більше), найбільш характерних для фільтрів ланцюгів живлення материнських плат, блоків живлення комп'ютерів та телевізорів, зарядних пристроїв ноутбуків, перетворювачів мережного обладнання (комутаторів, маршрутизаторів, точок доступу) та їх виносних адаптерів цей діапазон надзвичайно зручний оскільки шкала приладу є максимально розтягнутою. На підставі усереднених експериментальних даних для ЕПС електролітичних конденсаторів різної ємності, наведених у таблиці, відображення результатів вимірювань виявляється дуже наочним: конденсатор можна вважати справним лише в тому випадку, якщо стрілка індикатора при вимірюванні розташовується в червоному секторі шкали, що відповідає позитивним значенням дебелів. Якщо стрілка розташована ліворуч (у чорному секторі), конденсатор із зазначеного вище діапазону ємностей є несправним.

Зрозуміло, приладом можна тестувати і конденсатори малої ємності (приблизно від 2,2 мкФ), при цьому показання приладу будуть у межах чорного сектора шкали, що відповідає негативним значенням децибелів. У мене вийшла приблизно наступна відповідність ЕПС свідомо справних конденсаторів зі стандартного ряду ємностей градуювання шкали приладу в децибелах:

Насамперед, цю конструкцію слід рекомендувати радіоаматорам-початківцям, які ще не мають достатнього досвіду в конструюванні радіоапаратури, але освоюють ази ремонту електронної техніки. Низька ціна та висока повторюваність даного ЕПС-метра вигідно відрізняють його від дорожчих промислових пристроїв аналогічного призначення.

Основними перевагами ЕПС-метра можна вважати такі:

- надзвичайна простота схеми та доступність елементної бази для її практичної реалізації при збереженні достатньої функціональності пристрою та його компактності, відсутність необхідності у високочутливому реєструвальному приладі;

- Відсутність необхідності в налагодженні, що вимагає наявності спеціальних вимірювальних приладів (осцилографа, частотоміра);

— низька напруга живлення і, відповідно, дешевизна його джерела (не потрібна дорога та малоємна «Крона»). Пристрій зберігає свою працездатність при розряді джерела навіть до 50% його номінальної напруги, тобто є можливість використовувати для його живлення елементи, які вже не здатні нормально функціонувати в інших пристроях (пультах дистанційного керування, годинниках, фотоапаратах, калькуляторах і т.п.);

- Низький струм споживання - близько 380 мкА в момент вимірювання (залежить від вимірювальної голівки, що використовується) і 125 мкА в режимі очікування, що істотно продовжує термін експлуатації джерела живлення;

- мінімальна кількість і гранична простота моточних виробів - як L1 можна використовувати будь-який дросель або легко виготовити його самостійно з підручних матеріалів;

- Порівняно низька частота роботи генератора і можливість ручної установки нуля, що дозволяють використовувати щупи з проводами практично будь-якої розумної довжини і довільного перерізу. Ця перевага є незаперечною у порівнянні з універсальними цифровими тестерами елементів, що використовують для підключення конденсаторів, що перевіряються ZIF-панель з глибоким розташуванням контактів;

- візуальна наочність відображення результатів тестування, що дозволяє швидко оцінити придатність конденсатора для подальшого використання без необхідності точної чисельної оцінки величини ЕПС та її співвідношення з таблицею значень;

- зручність експлуатації - можливість виконання безперервних вимірювань (на відміну від цифрових ESR-тестерів, що вимагають натискання кнопки вимірювання та витримки паузи після підключення кожного конденсатора, що повіряється), що істотно прискорює роботу;

- Необов'язковість попередньої розрядки конденсатора перед вимірюванням ЕПС.

До недоліків приладу можна віднести:

- обмежену функціональність у порівнянні з цифровими ESR-тестерами (відсутність можливості вимірювання ємності конденсатора та відсотка його витоку);

- Відсутність точних чисельних значень результатів вимірювань в омах;

- Порівняно вузький діапазон вимірюваних опорів.

Часто при ремонті електроніки доводиться міняти конденсатори, що здулися. Якщо конденсатор здувся, це говорить про зменшення його ємності та збільшення еквівалентного послідовного опору (ESR). Буває, що конденсатор не здувся, а його ESR більше норми, на цей випадок я зібрав прилад від МастерКіт і ним перевіряв підозрілі конденсатори. У певний момент стало цікаво, що він насправді вимірює і як він це робить.
Що таке ESR.
Еквівалентна спрощена схема конденсатора складається з резистора та конденсатора, величину цього опору та вимірює прилад. Залишилося розібратися, як він це робить.

Давайте підключимо до конденсатора генератор сигналів, його еквівалентна схема зображена на малюнку, вона складається з генератора та послідовно включеного резистора, що дорівнює вихідному опору генератора.

Незважаючи на те, що більшість сучасних мультиметрів оснащені функцією вимірювання, в тому числі й електролітичних, проте можливість виміряти ESR (еквівалентний послідовний опір) насправді є великою рідкістю.

У даній конструкції генератор зібраний на одному логічному елементі (DD1.1) мікросхеми 74HC14N (інвертуючий Шмітта) та RC-ланцюги R1 та С1, яка визначає частоту роботи генератора. У разі це близько 100 кГц. Сигнал з генератора посилюється п'ятьма елементами мікросхеми DD1, що залишилися, до амплітуди в районі 250мВ, який потім надходить на досліджуваний Cx.

Досліджуваний конденсатор підключається до контактів X1 та X2 ESR вимірювача. Для захисту тестера від заряду, що є в конденсаторі Cx, передбачена лінія захисту, що складається з С4, R8, VD1 і VD2 (). Вимірюваний сигнал після проходження через конденсатор Cx посилюється T1 (), далі випрямляється чотирма D3-D6 (), а потім фільтрується конденсатором С6.

До висновків X3 та X4 через R14 підключається мікроамперметр зі шкалою повного відхилення близько 50мкA. Значення, яке відображається на індикаторі в основному пропорційне значенню ESR конденсатора. Звичайно, необхідно калібрування зв'язати значення ESR і ємність нового конденсатора, щоб можна було виявити невідповідність з несправним конденсатором.

Калібрування ESR вимірювача

Правильно зібраний і перевірений на помилки ESR-метр повинен запрацювати при першому включенні. Як джерело живлення можна порекомендувати блок живлення на . Після подачі живлення прилад повинен одразу показати величину ESR. Для більш точних значень можна замість постійного резистора R14 підключити на 25 кОм.

Налаштування виконується просто – замість досліджуваного конденсатора необхідно по черзі підключати резистори з малим опором. Розмітка шкали повинна бути приблизно такою: при підключенні резистора 1 Ом відхилення стрілки має бути більше 90%, при опорі резистора 10 Ом відхилення в районі 40% та при 47 Ом лише 10%.

До відома, реальний опір (ESR) робочого електролітичного конденсатора має перевищувати 10 Ом.

Цей проект був задуманий як спосіб перевірки придатності конденсатора до роботи. Я купую багато старих радіоелектронних пристроїв віком від 25-60 років і стан електролітичних конденсаторів буває підозрілим. Мені був потрібний швидкий спосіб перевірки конденсаторів.

Що таке ESR?
"ESR" означає еквівалентний послідовний опір. ESR є одним із характеристик, які визначають продуктивність електролітичного конденсатора. Чим нижче ESR конденсатора, тим краще, тому що при високому ESR конденсатор розігрівається при проходженні струму через нього, а це його руйнує. Згодом ESR конденсатора може збільшитися від 10 до 30 разів, або конденсатор взагалі перестане пропускати струм. Типовий термін служби електролітичних конденсаторів 2000-15000 годин і дуже залежить від температури навколишнього середовища. Коли ESR збільшується, конденсатор починає гірше працювати і зрештою схема не працює.

ЧомуESRметр такий корисний?
Більшість ESR метрів вимагає, щоб конденсатор був випаяний зі схеми. Коли конденсаторів у схемі багато, це дуже втомлює і є ризик пошкодити плату. Цей тестер використовує низьку напругу (250 мВ) високої частоти (150 кГц) вимірювання конденсаторів. Вимір без випаювання зі схеми можливе через низьку напругу, якої вистачає конденсатору, але для інших деталей мало, тому вони не заважають вимірюванню. Більшість ESR метрів буде пошкоджено, якщо ви виміряєте ними заряджений конденсатор. Ця схема витримують до 400V заряду на конденсаторі ( Ця напруга небезпечна для життя. Будьте обережні!). Мій досвід показав, що ESR метр розпізнає близько 95% непридатних конденсаторів.

Характеристики ESR вимірювача:
- Вимірювання електролітичних конденсаторів ємністю > 1мкФ
- полярність конденсатора не важлива
- Допускає підключення заряджених конденсаторів до 400В
- низький рівень енергоспоживання (близько 25 мА), що дає близько 20 годин автономної роботи при використанні 4 батарей АА
- Вимір ESR в діапазоні 0-75 Ом.

Опис схеми
Схема починається з 150 кГц генератора одному елементі 74hc14. Інші елементи використовуються для збільшення напруги низьких частот, що йде у фільтр. Фільтр низьких частот необхідний, тому що прямокутний сигнал містить багато перешкод та гармонік. Сигнал із фільтра йде на 10Ом резистор, який забезпечує низький рівень сигналу при вимірі конденсатора. Діоди D5 та D6 захищають ланцюг від розряду при підключенні зарядженого конденсатора. R18 є резистором, що гасить для C5. C5 захищає ланцюг від постійного струму напругою до 400В.

Решта схеми є транзисторним підсилювачем з коефіцієнтом посилення близько 10.5. Це посилює сигнал, що прийшов із конденсатора, до кількох вольт в амплітуді. Посилена напруга має бути досить великою, щоб подолати 2 діоди, після чого шкала почне реагувати. Правильне функціонування схеми можна перевірити, підключаючи на вхід резистори різного опору (1 Ом – близько 90% від повної шкали, 10 Ом – близько 40% шкали та 47 Ом – близько 10% шкали). Показання тестера можуть змінюватись в залежності від температури. Нижче можна завантажити фотографії та малюнок ПП.

Файли проекту:
Складальний креслення - esrbuildit.png
ПП вид знизу - esrpcb.png
ПП вигляд знизу - esrxray.png
ПП та схема у форматі - ESR meter.zip
/SWCadiii - esr.asc

Список радіоелементів