Работа с пробником существенно изменила наше
представление об электролитических конденсаторах,
их качестве и производителях...
Одним из самых ненадежных радиоэлементов в электронной аппаратуре был и остается электролитический конденсатор. Наиболее частой причиной выхода из строя является «высыхание» электролита, что ведет к повышению ESR (equivalent series resistance) эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС). При измерении только лишь емкости «подсохшего» конденсатора разница с исправным практически не видна. Кроме того в большинстве случаев измерение емкости потребует извлечения конденсатора из схемы, что не всегда удобно, а процесс выпаивания – впаивания пагубно отражается на самих конденсаторах.
На основании опыта конструирования и эксплуатации подобных приборов приводим сравнение приборов различных видов и форматов для измерения и индикации эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС, ESR) электролитических конденсаторов.
Требования, положенные в основу разработки нашего прибора для проверки электролитических конденсаторов - индикатора эквивалентного последовательного сопротивления:
1. Возможность проверять конденсаторы не выпаивая из схем.
1.1 Чтобы уменьшить влияние схемы, в которой стоит электролит, не навредить ей, и в то же время минимизировать ее влияние на точность измерения, напряжение на открытых щупах не должно превышать 200 мВ (меньше открывания полупроводниковых n-p переходов).
2. Портативность, удобность, практичность.
2.1 Прибор должен быть выполнен в виде пробника, ведь нет необходимости в точном измерении ESR, погрешность измерения в 20 - 30 % вполне удовлетворительна. К слову сказать по опыту - нагрев электролитического конденсатора от комнатной температуры до температуры пальцев (33-35 OC) понижает ESR в среднем в 1,5 раза. Точное измерение ESR оправдано разве что в условиях заводов, выпускающих электролитические конденсаторы, для текущего контроля продукции. Да и скорость реакции на светодиодную индикацию гораздо быстрее, чем на цифры дисплея. При этом чтобы расширить диапазон измерения логарифмическая индикация предпочтительней, чем линейная. Логарифмическая индикация позволяет охватить более широкий динамический диапазон на том же количестве светодиодов, чем линейная.
2.2 Прибор должен быть аккумуляторным с автономной работой не менее 8 часов. Этого хватит, чтобы использовать прибор на выездных работах, в командировках не таская с собой еще и адаптер, который к слову сказать, весит больше, чем сам прибор.
2.3 Защита от заряда измеряемого конденсатора. Пробник не должен быть поврежден или повреждения должны быть минимальны в случае, если измеряемый конденсатор окажется заряженным.
3. Для обеспечения соответствующей точности и устранения зависимости индикации от емкости, в схеме должен присутствовать синхронный детектор.
4. Частота измерения должна лежать в пределах 30 - 200 кГц.
Пробник - измеритель - индикатор эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС, ESR) электролитических конденсаторов. Технические характеристики последней версии прибора
Прибор предназначен для оценки ESR (equivalent series resistance, эквивалентного последовательного сопротивления, ЭПС) электролитических конденсаторов без выпаивания (отсоединения) из схем.
Переменное напряжение на разомкнутых щупах не более 200 мВ, что исключает влияние внешних цепей на показания прибора, а наводимое напряжение не выведет внешние цепи из строя.
Частота измерения 100 кГц +- 20%
Диапазон оцениваемого ESR 0.1 - 5.0 Ом.
Светодиодная индикация с логарифмической шкалой. Количество светодиодов индикации 10.
Диапазон емкостей проверяемых конденсаторов от 0,1 мкФ и более.
При подсоединении выдерживает разряд конденсаторов напряжением до 50 В.
Питание от встроенного Li-ion аккумулятора.
Полной зарядки аккумулятора хватает на 10 часов непрерывной работы прибора.
Длительность полной зарядки не более 3 часов.
Схема контроля зарядки встроена в прибор.
Зарядный адаптер - от мобильных устройств Nokia старого образца (тип ACP-7E 3.7V 355mA 1.3VA).
Пробник - измеритель - индикатор ESR (эквивалентного последовательного сопротивления, ЭПС) электролитических конденсаторов (электролитов). Упрощенная конструкция (прототип) прибора для проверки электролитов.
Достаточная простота конструкции пробника и эффективность в работе, проверена уже 10 - летним опытом эксплуатации как в мастерской, так и на выезде. Предлагаемый к повторению прибор для проверки электролитических конденсаторов не содержит микроконтроллеров и собирается на доступных распространенных деталях.
Прибор предназначен для оценки ESR (equivalent series resistance, эквивалентного последовательного сопротивления, ЭПС) электролитических конденсаторов без выпаивания (отсоединения) из схем.
Переменное напряжение на разомкнутых щупах не более 200 мВ.
Частота измерения 40 кГц +- 20%
Диапазон оцениваемого ESR 0.2 - 5.0 Ом делится на 2 поддиапазона 0.2 - 1.0 Ом и 1.0 - 5.0 Ом.
Светодиодная индикация с логарифмической шкалой. Количество светодиодов индикации 5.
Диапазон емкостей проверяемых конденсаторов от 1,0 мкФ и более.
При подсоединении выдерживает разряд конденсаторов напряжением до 300 В.
Питание осуществляется от встроенного Ni-Cd аккумулятора номинальным напряжением 3,6 В, емкостью 80 мА/ч.
Полной зарядки аккумулятора хватает на 6 часов непрерывной работы прибора.
Длительность полной зарядки не более 3 часов.
Схема контроля зарядки встроена в прибор.
Зарядный адаптер - от мобильных устройств Nokia старого образца (тип ACP-7E 3.7V 355mA 1.3VA).
Рис.2 Внешний вид готовой конструкции пробника - индикатора ESR электролитических конденсаторов.
Рис.3 Вид прибора для проверки электролитических конденсаторов со стороны печатной платы.
Рис.4 Структурная схема пробника - индикатора ESR электролитических конденсаторов.
Прибор содержит задающий генератор с частотой 35-40 кГц, ограничитель, служащий для предотвращения повреждения, если измеряемый конденсатор окажется заряженным, усилитель высокой частоты с переключаемым коэффициентом усиления, детектор, индикатор, стабилизатор напряжения и аккумулятор со схемой заряда.
Рис.5 Принципиальная схема пробника - индикатора ESR электролитических конденсаторов.
Задающий генератор выполнен на микросхеме КМОП (CMOS) D1 40106 - 6-ти триггерах Шмидта, что позволило упростить схему и включить 5 элементов в качестве выходного буфера. Такое решение позволило оставить достаточным значение тока выхода, ведь известно, что при минимальном напряжении питания буферные свойства КМОП элементов, как впрочем и любых других, также падают до минимума. Резисторы R2 и R3 образуют делитель, определяющий выходное напряжение на разомкнутых щупах. Диоды VD13, VD14 предохраняют выходы микросхемы D1 от попадания напряжений, оказавшихся между щупами вследствие измерений конденсаторов, "оказавшихся" заряженными, или при "случайном" включении в рабочую цепь. От аналогичных случаев защищают усилитель высокой частоты диоды VD1, VD2 и резистор R5.
Усилитель высокой частоты выполнен на транзисторе VT2, и служит для повышения чувствительности при измерении малых значений эквивалентного последовательного сопротивления. Для того, чтобы обеспечить измерение по диапазону ESR 0.2 - 5.0 Ом с помощью 5-светодиодного логарифмического индикатора, диапазон разбили на 2 поддиапазона. Переключение между поддиапазонами производится переключателем S1, который изменяет коэффициент усиления усилителя высокой частоты (УВЧ). Усиление УВЧ на поддиапазоне 1.0 - 5.0 Ом составляет ориентировочно 5 и регулируется подбором R8, а на поддиапазоне 0.2 - 1.0 Ом равно ориентировочно 25 и регулируется миниатюрным подстроечным резистором (триммером) R10. Этим же резистором в процессе регулировки добиваемся совмещения поддиапазонов.
Индикатор выполнен на микросхеме DA1 BA6137 (полные прямые аналоги NTE1866, KA2285B, LB1423N, AN6884, GL1223), являющейся драйвером 5-ти светодиодов. Микросхема включает в себя активный амплитудный детектор, усилитель постоянного тока, набор компараторов и ключи управления светодиодами с ограничителями тока. Микросхема обеспечивает логарифмическую индикацию уровня. Резистор R13 предназначен для снижения уровня потребления светодиодами, когда щупы не подсоединены и все светодиоды горят.
Теперь несколько слов о выборе рабочей частоты прибора. Эти микросхемы предназначены для индикации уровня сигнала звуковой частоты и содержат активный амплитудный детектор. По крайней мере у микросхемы BA6137 на частотах входного сигнала выше 40 кГц наблюдалось несоответствие между уровнем сигнала и количеством горящих / не горящих светодиодов. Например, на частоте 45 кГц и ESR = 1 Ом загорается только 1 светодиод, ESR = 1.8 Ом - 2 светодиода (это правильно), а если ESR = 5.0 Ом, тухли все, что соответствовало ESR < 1 Ом, что в итоге приведет к определению неисправного конденсатора как исправный. С другой стороны чтобы снизить влияние емкости на показания, желательно выбирать частоту повыше (100 - 200 кГц). Поэтому, рабочую частоту необходимо подобрать максимально высокой, при которой сохраняется соответствие показаний прибора. Для калибровки и проверки соответствия шкале уровней в качестве источника ESR можно использовать безындукционными сопротивлениями, например типа МОН.
Для обеспечения стабильности параметров питание критических цепей обеспечивается через стабилизатор напряжения, собранный на транзисторах VT3 и VT4. Достоинство такой схемы стабилизатора - высокий коэффициент стабилизации и, в отличие от многих интегральных стабилизаторов (voltage regulators), он не даст выходное напряжение, если входное упало ниже уровня, необходимого для обеспечения заданного выходного напряжения (функция UVLO under voltage lock out). Практически, прибор не включится и индикатор не загорится, если напряжение аккумулятора упало ниже 3,3 В.
В приборе применен никель - кадмиевый трехэлементный аккумулятор 3,6 Вольт 80 мА/ч. Так, как эти аккумуляторы отличаются неприхотливостью, то схема зарядки сложностью не отличается. На транзисторе VT5 собран ограничитель напряжения заряда, ограничивающий его до 4.5 В.
Прибор собран на печатной плате размером 140 х 18 мм (формат пробника). Еще одно достоинство такой конструкции - нет необходимости мудрить щупы - ведь к их конструкции и качеству предъявляются очень жесткие требования. В нашем пробнике щупы выполнены из куска прута диаметром 2,0 - 2.2 мм для высокотемпературной пайки (лок). Активный щуп имеет длину 50 мм, пассивный - 100 мм.
Налаживание правильно собранного прибора производится в следующей последовательности:
- Отключаем аккумулятор.
- Контроль напряжения на коллекторе VT3 в пределах 3.0 - 3.1 Вольт при входном напряжении 3.6 - 4.5 В, при необходимости устанавливают подбором R14 и / или R15.
- Подключаем вольтметр к коллектору VT3, а регулируемый источник питания к его эмиттеру. Начиная с напряжения источника 2.0 В постепенно увеличиваем его до точки включения стабилизатора (наблюдается по скачкообразному повышению напряжения на коллекторе VT3). Напряжение на эмиттере VT3 должно быть в пределах 3.3 - 3.4 В. Понизить напряжение включения можно немного понизив R18. Чтобы опять измерить напряжение точки включения, необходимо установить на регулируемом источнике питания напряжение ниже 2.0 В, выключить его, выдержать паузу пока стабилизатор сбросится, включить источник и опять повышать напряжение, контролируя напряжение на коллекторе VT3. Такой порядок объясняется тем, что стабилизатор имеет свойство триггера.
- Последующее налаживание можно проводить с подключенным и заряженным аккумулятором.
- По критериям, описанным ранее, подбираем частоту генератора резистором R1.
- Установить S1 в левое (по схеме положение).
- Подключить к щупам резистор сопротивлением 4,7 Ом и, подбирая R8, добиться, чтобы горели 4 из 5-ти светодиодов индикатора.
- Установить S1 в правое (по схеме положение).
- Подключить к щупам резистор сопротивлением 0,8 Ом и, поворачивая движок R10, опять добиться, чтобы горели 4 из 5-ти светодиодов индикатора.
На этом наладку можно считать законченной.
Вообще стоит отметить, что правильно собранные пробники с R10, замененным на постоянный 220 Ом, удовлетворительно работали даже без наладки.
Пути модернизации прототипа пробника - индикатора ESR (equivalent series resistance)
После выпуска первой версии пробника (прототипа) прошло около 10-ти лет, элементная база изменилась за это время, поэтому решили описать несколько направлений, по которым мы модернизировали наши рабочие образцы, которые сейчас выпускаем.
- Применением синхронного детектора избавиться от зависимости показаний прибора от емкости проверяемого конденсатора. Применение синхронного детектора накладывает условие - отсутствие фазовых сдвигов в цепях измерения. Соответствующая адаптация цепей измерения привела к понижению порогового напряжения на измеряемом конденсаторе, при котором входные цепи (генератора и ограничителя) могут выйти из строя. Другими словами цепи, подключаемые к измеряемому конденсатору становятся более "нежными". Еще один менее существенный аспект - усложняется введение в схему функции измерения (оценки) емкости измеряемого конденсатора. Но, как показала практика, целесообразность такой функции достаточно низкая. Поэтому от этой функцию измерения емкости электролита исключили уже на этапе прототипа, где она реализовывалась достаточно простыми средствами (добавлением в схему одного конденсатора и одного переключателя).
- Применением литий-ионного Li-ion аккумулятора. При этом снизится вес и габариты прибора и увеличится время работы от аккумулятора. Это потребует применения зарядного процессора (battery management).
- Еще можно заменить стабилизатор на дискретных элементах на интегральный. Придется подобрать интегральный стабилизатор с функцией UVLO (under voltage lock out), или организовать ее другими способами.
Словом, нет предела совершенству....
Итог. Собранный пробник - измеритель эквивалентного последовательного сопротивления оказался одним из самых востребованных приборов в мастерской, на который не жаль потратить время и усилия по разработке и сборке. После его появления в сторону профессионального цифрового измерителя ESR уже никто не смотрит. По началу им перепроверяли показания собранного пробника - измерителя, затем закинули далеко на полку. Причем, когда стал вопрос о том, что одного пробника явно недостаточно, решили опять заняться разработкой но более совершенной конструкции на современной элементной базе. От старого варианта остался только формат прибора: малогабаритный ручной аккумуляторный пробник - индикатор на светодиодах с внешним зарядным адаптером, где убраны все дополнительные функции в пользу уменьшения габаритов и точности измерения ESR и развязки зависимости показаний от емкости.
14 сентября 2014 г. г. Одесса
