Самодельные приборы для измерения esr. RLC и ESR метр, или прибор для измерения конденсаторов, индуктивностей и низкоомных резисторов. Основные элементы устройства

Не смотря на то, что большинство современных мультиметров оснащены функцией измерения , в том числе и электролитических, однако возможность замерить ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) на самом деле является большой редкостью.

В данной конструкции генератор собран на одном логическом элементе (DD1.1) микросхемы 74HC14N (инвертирующий Шмитта) и RC-цепи R1 и С1, которая определяет частоту работы генератора. В данном случае это около 100 кГц. Сигнал с генератора усиливается оставшимися пятью элементами микросхемы DD1 до амплитуды в районе 250мВ, который потом поступает на исследуемый Cx.

Исследуемый конденсатор подключается к контактам X1 и X2 ESR измерителя. Для защиты тестера от заряда, имеющегося в конденсаторе Cx, предусмотрена линия защиты состоящая из С4, R8, VD1 и VD2 (). Измеряемый сигнал после прохождения через конденсатор Cx усиливается T1 (), далее выпрямляется четырьмя D3-D6 (), а затем отфильтровывается конденсатором С6.

К выводам X3 и X4 через R14 подключается микроамперметр со шкалой полного отклонения около 50мкA. Значение, отображаемое на индикаторе в основном пропорционально значению ESR конденсатора. Конечно, необходимо путем калибровки связать значение ESR и емкость нового конденсатора, чтобы можно было обнаружить несоответствие с неисправным конденсатором.

Калибровка ESR измерителя

Правильно собранный и проверенный на ошибки ESR-метр должен заработать при первом же включении. В качестве источника питания можно порекомендовать блок питания на . После подачи питания прибор должен сразу показать величину ESR. Для получения более точных значений можно вместо постоянного резистора R14 подключить на 25 кОм.

Настройка выполняется просто — вместо исследуемого конденсатора необходимо по очереди подключать резисторы с малым сопротивлением. Разметка шкалы должна быть примерно такой: при подключении резистора 1 Ом отклонение стрелки должно быть более 90%, при сопротивлении резистора 10 Ом отклонение в районе 40% и при 47 Ом только 10%.

К сведению, реальное сопротивление (ESR) рабочего электролитического конденсатора не должно превышать 10 Ом.

Equivalent Series Resistance (Эквивалентное Последовательное Сопротивление - ЭПС), как один из значимых паразитных параметров электролитических конденсаторов, в последние годы приобрёл широкую популярность среди ремонтников электронной аппаратуры. Измерители и пробники ESR для многих мастеров стали прибором первой необходимости наряду с тестером или мультиметром.
Увеличение ESR конденсатора на несколько Ом, а иногда на несколько десятых долей Ома, может являться причиной неработоспособности устройства, в котором он установлен, что иногда невозможно выявить существующими измерителями ёмкости, не способными учитывать другие параметры конденсатора.

Обычно в ремонтной практике не требуется особой точности в измерении ESR, поэтому ощутимая погрешность пробников чаще не вызывает неудобств в отыскании неисправных элементов, а определение состояния конденсатора пробником может упрощаться до оценки его качества по принципу – годен или не годен для работы в конкретном узле устройства.
Но, следует отметить, для конденсаторов, работающих при больших импульсных токах, например, в фильтрах преобразователей, иногда требуется более объективная оценка качества, а погрешность в десятые и даже сотые доли Ома может иметь существенное значение.

Большинство популярных и применяемых в ремонтной практике приборов и пробников ESR основаны на измерении полного сопротивления переменному току на частоте 40 - 100 кГц. На частотах этого порядка для электролитических конденсаторов больших номиналов такие приборы покажут значения, максимально близкие к величине ESR, которая составит основную часть импеданса на этих частотах.
Недостатком такого способа является значительная погрешность при измерении малых номиналов ёмкостей (менее 10 uF), когда реактивное сопротивление конденсатора на данной частоте соизмеримо и может превышать ESR.
Тогда прибор покажет значение импеданса, а реальное значение ESR может быть в несколько раз меньше.

Одним из требований в плане практичности использования ESR-пробников является возможность производить замеры без выпаивания конденсатора из платы. Следовательно, процесс измерения должен происходить при достаточно низком падении напряжения на проверяемом конденсаторе, исключая отпирание переходов полупроводниковых элементов схемы.

В большинстве случаев такие нехитрые измерители импеданса мастера собирают самостоятельно по схемам, широко распространённым в интернете, но кто-то применяет и свои разработки с учётом личных предпочтений в плане удобства пользования или точности измерений.
В продаже существуют как простые пробники со светодиодной или стрелочной индикацией, так и измерители с цифровой шкалой различной степени сложности.

Подробно останавливаться на принципах и методах измерения импеданса нет необходимости, таких обсуждений и описаний существует достаточно много и их нетрудно найти в интернете. Но некоторые особенности отдельных конструкций всё же могут заслуживать внимания.

В этой статье предлагается рассмотреть один из способов измерения ESR и ёмкости, как отдельных параметров конденсатора.

Достаточно точный и несложный метод, который используется во многих любительских и промышленных приборах, реализован в измерителе Micro, популярном среди мастеров – участников ремонтных форумов monitor.net.ru и monitor.espec.ws.

Если испытываемый конденсатор ёмкостью C заряжать от источника постоянного тока I , напряжение на его выводах будет линейно нарастать от значения U R по закону:

C dU/dt = I = const .

U R – падение напряжения на активном сопротивлении конденсатора (ESR).

В таком случае ёмкость конденсатора будет определяться выражением:

Посчитать U R для вычисления ESR можно несколькими способами, например, составив уравнение прямой по двум точкам и найти координату Y для нулевого значения X, либо геометрически, исходя из соотношения сторон подобных треугольников...

Активное сопротивление конденсатора (ESR) в таком случае составит:

Для реализации такого метода нет необходимости в применении АЦП, пороговые значения напряжений для управления таймером устанавливаются компараторами, а математические вычисления ёмкости и ESR производятся микроконтроллером с выводом информации на ЖК дисплей.

В некоторых подобных конструкциях для измерения ESR используется более простой, но менее точный способ.
Производится измерение уровня напряжения U R посредством АЦП в начальный момент времени.
Несмотря на то, что измерительный импульс достаточно короткий (1-2 uS), конденсаторы меньшей ёмкости успевают зарядиться до большего значения, чем конденсаторы большой ёмкости, что создаёт некоторую погрешность в измерении ESR разных номиналов конденсаторов.

Следует учитывать, что ESR, измеренный постоянным током, является относительным показателем качества электролитического конденсатора.
Значимой составляющей ESR являются диэлектрические потери, которые существенно меняются с изменением частоты переменного тока.

Существуют более сложные и точные методики и способы измерений, основанные на анализе сдвига фаз в конденсаторе. В этом случае ESR определится произведением импеданса и тангенса угла потерь.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

В этой статье мы с вами будем собирать ESR-метр. В первый раз слышите слово “ESR”? А ну-ка бегом читать эту статью!

Для чего нужен ESR-метр

Итак, для чего нам вообще собирать ESR-метр? Для тех, кто поленился читать статью про ESR давайте вспомним, чем оно нам вредит. Дело в том, что сейчас почти во всей электронной аппаратуре используются импульсные блоки питания. В этих импульсных блоках питания “гуляют” высокие частоты и некоторые из этих частот проходят через электролитические конденсаторы. Если вы читали статью конденсатор в цепи постоянного и переменого тока , то наверняка помните, что высокие частоты конденсатор пропускает через себя почти без проблем. И проблем тем меньше, чем выше частота. Это, конечно, в идеале. В реальности же в каждом конденсаторе “спрятан” резистор. А какая мощность будет выделяться на резисторе?

P=I 2 xR

где

P – это мощность, Ватт

I – сила тока, Ампер

R – сопротивление, Ом

А как вы знаете, мощность, которая рассеивается на резисторе – это и есть тепло;-) И что тогда у нас получается? Конденсатор тупо превращается в маленькую печку)). Нагрев конденсатора – эффект очень нежелательный, так как при нагреве в лучшем случае он меняет свой номинал, а в худшем – просто раскрывается розочкой). Такие кондеры-розочки использовать уже нельзя.

Вздувшиеся электролитические конденсаторы – это большая проблема современной техники. Очень много отказов в работе электроники бывает именно по их вине. Визуально это проявляется в появлении припухлости в верхней части конденсатора. Видите небольшие прорези на шляпе этих конденсаторов? Это делается для того, чтобы такой конденсатор не разрывался от предсмертного шока и не забрызгивал всю плату электролитом, а ровнёхонько надрывал тонкую часть прорези и испускал тихий спокойных выдох. У советских конденсаторов таких прорезей не было, и поэтому если они и бахали, то делали это громко, эффектно и задорно)))

Но иногда бывает и так, что внешне такой конденсатор ничем не отличается от простых рабочих конденсаторов, а ESR очень велико. Поэтому, для проверки таких конденсаторов и был создан прибор под названием ESR-метр. У меня например ESR-метр идет в комплекте с Транзистор-метром :

Минус данного прибора в том, что им можно замерять ESR только демонтированных конденсаторов. Если замерять прямо на плате, то он выдаст полную ахинею.

Схема и сборка

В интернете очень давно гуляет схема простенького ESR-метра, а точнее – приставки к . С помощью нее можно спокойно замерить ESR конденсатора, даже не выпаивая его из платы. Давайте же рассмотрим схемку нашей приставки. Кликните по ней, и схема откроется в новом окне и в полный рост:

Вместо “Cx” (в штриховом прямоугольнике) мы здесь ставим конденсатор, у которого замеряем ESR.

Для того, чтобы не травить лишний раз платку, я взял и спаял на ней. На Али я взял целый набор этих макеток. Это получается даже дешевле, чем покупать фольгированный текстолит.

С обратной стороны макетной платы для связи радиоэлементов использовал провод МГТФ

Вы легко его узнаете по розовой окраске. Хотя бывают и другого цвета, но в основном розовый.

Что это за “фрукт”? МГТФ расшифровывается как М онтажный, Г ибкий, Т еплостойкий, в Ф торопластовой изоляции. Этот провод отлично подходит для электронных поделок, так как при пайке его изоляция не плавится. Это только один из плюсов.

Обратную сторону с проводами МГТФ я показывать не буду). Там ничего интересного нет).

После сборки макетная плата выглядит вот так:

Микросхемы по привычке всегда ставлю в панельки:

При своей стоимости, панельки позволяют быстро сменить микросхему. Особенно это актуально для дорогих микроконтроллеров. Вдруг понадобится МК для других целей?)

Для подачи питания с батарейки на платку, я воспользовался стандартной клеммой от старого мультиметра:

Как быть, если у вас нет такой клеммы, а подать питание с Кроны необходимо? В таком случае, у вас наверняка есть старая батарейка Крона, так ведь? Аккуратно вскрываем корпус, снимаем клеммы батарейки, подпаиваем проводки и у нас готова клемма для подключения к новой батарейке. На крайний случай их можно также купить на Али. Выбор огромный.

Прибор выполнен в виде приставки к любому цифровому мультиметру:

Здесь есть одно “но”. Так как мы измеряем на пределе 200 милливольт постоянного напряжения (DCV), то и значения мы получим не в Омах или миллиомах, а в милливольтах, которые затем, сверяясь со значениями полученными при калибровке прибора, мы должны будем перевести в Омы.

А вот и мой самопальный щуп :

Подобные приборы не любят длинных проводов-щупов, идущих к ножкам конденсатора, и поэтому я был вынужден сделать подобие пинцета, собранное из двух половинок фольгированного текстолита.

Внутри корпуса платка выглядит примерно вот так:

Провода, идущие к пинцету, закреплены каплей термоклея . Между щупами, идущими к мультиметру, стоит конденсатор керамика 100 нанофарад с целью снизить уровень помех. В схеме применен подстроечный резистор на 1,5 Килоома. С помощью этого резистора мы и будем калибровать наш приборчик.

Калибровка прибора

После того как все собрали, приступаем к калибровке (настройке) нашего ESR-метра пошагово:

1)Если у вас есть осциллограф , замеряем на измерительных щупах напряжение с частотой 120-180 КилоГерц. Если замеряемая частота не укладывается в этот диапазон, то меняем значение резистора R3.

2) Цепляем мультиметр и ставим его крутилку на измерение милливольт постоянного напряжения.

3) Берем резистор номиналом в 1 Ом и цепляем его к измерительным щупам. В данном случае, к нашему самопальному пинцету.

4) Добиваемся того, чтобы мультиметр показал значение в 1 милливольт, меняя значение подстроечного резистора R1

5) Теперь берем сопротивление 2 Ома, и не меняя значение R1 записываем показания мультиметра

6) Берем 3 Ома и снова записываем показания и тд. Думаю, до 8-10 Ом вам таблички хватит вполне.

Например, мы можем выставить соответствие 1 милливольт – это 1 Ом, и т. д., хотя я предпочел настроить 4,8 милливольт – 1 Ом, для того чтобы была возможность точнее измерять низкие значения сопротивления. При замыкании щупов – контактов пинцета на дисплее мультиметра значение 2,8 милливольт. Сказывается сопротивление проводов-щупов. Это у нас типа 0 Ом;-).

Приведу для ознакомления значения измерений низкоомных резисторов: при измерении резистора 0,68 Ом значения равны 3,9 милливольт, 1 ом – 4,8 милливольт, 2 Ома – 9,3 милливольта. У меня получилась вот такая табличка, которую я потом и наклеил на свой прибор

При измерении сопротивления в 10 Ом на экране уже показание 92,5 миллиВольт. Как мы видим, зависимость не пропорциональная.

После того, как я сделал замеры, смотрю в другую табличку:

Слева – номинал конденсатора, вверху – значение напряжения, на которое рассчитан этот конденсатор. Ну и, собственно, в таблице максимальное значение ESR конденсатора, который можно использовать в ВЧ схемах.

Давайте попробуем замерить ESR у двух импортных и одного отечественного конденсатора

Как вы видите, импортные конденсаторы обладают очень маленьким ESR. Советский конденсатор показывает уже большее значение. Оно и не удивительно. Старость не в радость).

Поправки к схеме

1) Для более-менее точных измерений, желательно, чтобы питание нашего ESR-метра было всегда стабильное. Если батарейка разрядится хотя бы на 1 Вольт, то показания ESR также будут уже с погрешностью. Так что лучше постарайтесь давать питание на ESR-метр всегда стабильное. Как я уже сказал, для этого можно использовать внешний блок питания или собрать схемку на 7809 микросхеме. Например, блок питания можно собрать по этой схеме.

2) Показания, которые выдает наша самоделка, не говорят о том, что наш самопальный прибор с великой точностью замеряет ESR. Скорее всего, его можно отнести к пробникам. А что делают пробники? Отвечают в основном на два вопроса: да или нет;-). В данном случае прибор “говорит”, можно ли использовать такой конденсатор или лучше все-таки поставить его в НЧ (Н изкоЧ астотную) схему.

Данный пробник может собрать любой, даже начинающий радиолюбитель, если у него вдруг возникнет потребность заняться ремонтами. А вот и видео его работы:

Как известно, ESR (Equivalent Series Resistance, эквивалентное последовательное сопротивление) - один из важнейших параметров конденсаторов. Конденсаторы с большим ESR плохо выполняют свои функции, особенно это касается фильтрующих (блокировочных) конденсаторов. Увеличение ESR - первый признак старения электролитических конденсаторов, которые применяются практически в каждой схеме.

Данный прибор позволяет проверять электролиты прямо в схеме, не выпаивая, т. к. напряжение, прикладываемое к конденсатору, не превышает 100 мВ. Это резко ускоряет ремонт. Основная схема устройства взята Там же подробно описана его настройка и другие особенности. Я добавил только автоматический выключатель через 1 минуту и индикатор разряда батарейки ниже 7 В:

Пределы измерения емкости - 1-150000 мкФ, ESR - до 10 Ом. Можно измерять и обычные резисторы до 10 Ом.

Измеряемый конденсатор подключается по 4-проводной схеме для повышения точности измерений. Применительно к этой конкретной схеме это означает следующее. От каждого щупа идет 2 провода. Через одну пару проводов (идущих от защитных диодов VD2 и VD3) происходит заряд проверяемого конденсатора; через другую пару напряжение с него поступает на вход схемы измерения (один провод - на выводы 2, 3, 8 DD2, другой - на вывод 11 и конденсаторы С1, С2).

Мой вариант прибора выглядит вот так:

В центре - контакты для проверки снятых конденсаторов. Провода экранированные, центральные жилы соединяются с экраном прямо в штеккерах. В разрезы штеккеров впаяны стальные иголки для удобства проверки конденсаторов прямо в плате.

В заключение хочу сказать о моих впечатлениях об этом устройстве. Это самый нужный прибор из всех собранных мной! По степени необходимости я ставлю его на третье место после мультиметра и осциллографа.

ИЗМЕРИТЕЛЬ ESR

Для проверки конденсаторов, решил собрать так называемый "измеритель ESR”. Ведь с испытанием диодов и резисторов проблем не возникает, а вот с конденсаторами сложнее. Как известно, ESR - это сокращение от Equivalent Serial Resistance, - означает "эквивалентное последовательное сопротивление”. Объясним проще. В упрощенном виде электролитический конденсатор представляет собой две алюминиевые ленточные обкладки, разделенные прокладкой из пористого материала, пропитанного электролитом (отсюда и название электролитический). Диэлектриком в таких конденсаторах является очень тонкая оксидная пленка, образующаяся на поверхности алюминиевой фольги при подаче на обкладки напряжения определенной полярности. К этим ленточным обкладкам присоединяются проволочные выводы. Ленты сворачиваются в рулон, и все это помещается в герметичный корпус. Благодаря очень малой толщине диэлектрика и большой площади обкладок оксидные конденсаторы при малых габаритах имеют большую емкость.

В процессе работы внутри конденсатора протекают электрохимические процессы, разрушающие место соединения вывода с обкладками. Контакт нарушается, и в результате появляется так называемое переходное сопротивление, достигающее значения десятков ом и более, что эквивалентно включению последовательно с конденсатором резистора, который находится в самом конденсаторе. Зарядные и разрядные токи вызывают нагрев этого "резистора”, что еще больше усиливает разрушительный процесс. Другая причина выхода из строя электролитического конденсатора - это "высыхание”, когда из-за плохой герметизации происходит испарение электролита. В этом случае возрастает реактивное емкостное (Хс) сопротивление конденсатора, так как емкость последнего уменьшается. Наличие последовательного сопротивления негативно сказывается на работе устройства, нарушая логику работы конденсатора в схеме. (Если включить, например, последовательно с конденсатором фильтра выпрямителя резистор сопротивлением десяток Ом, на выходе последнего резко возрастут пульсации выпрямленного напряжения). Особенно сильно сказывается повышенное значение ESR конденсаторов (причем всего до пары Ом) на работе импульсных блоков питания.

Принцип работы данного измерителей ESR основан на измерении емкостного сопротивления конденсатора, т.е., по сути, это омметр, работающий на переменном токе.

Как известно, Xс=1/2πfC , где

Xс - емкостное сопротивление, Ом;
f - частота, Герц;
С - емкость, Фарад.

На микросхеме DD1 собран генератор прямоугольных импульсов (элементы D1.1, D1.2), буферный усилитель (элементы D1.3, D1.4) и усилительный каскад на транзисторах. Частота генерации определяется элементами С1 и R1 и равна 100 кГц. Прямоугольные импульсы через разделительный конденсатор С2 подаются на первичную обмотку повышающего трансформатора Т1. Во вторичную обмотку после выпрямителя на диоде включен микроамперметр, по шкале которого отсчитывают значение ESR. Конденсатор С3 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. При включении питания стрелка микроамперметра отклоняется на конечную отметку шкалы (добиваются подбором резистора R2). Такое ее положение соответствует значению "бесконечность” измеряемого ESR. Если подключить исправный оксидный конденсатор параллельно обмотке I трансформатора Т1, то благодаря низкому емкостному сопротивлению конденсатор зашунтирует обмотку, и стрелка измерителя приблизится к нулю. При наличии же в измеряемом дефекта, в нем повышается значение ESR. Часть переменного тока потечет через обмотку, и стрелка будет все меньше отклоняться от значения "бесконечность”. Чем больше ESR, тем больший ток протекает через обмотку и меньший через конденсатор, и тем ближе к положению "бесконечность” находится стрелка.

Трансформатор наматывают на ферритовом кольце с внешним диаметром 10...15 мм. Первичная обмотка содержит 10 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,5 мм, вторичная - 200 витков ПЭВ-2 диаметром 0,1 мм. Диод обязательно должен быть германиевым, например Д9, Д310, Д311, ГД507. Кремниевые диоды имеют большое пороговое напряжение открывания (0,5...0,7 В), что приведет к сильной нелинейности шкалы измерителя в области измерения малых сопротивлений. Градуируют измеритель ESR с помощью нескольких резисторов сопротивлением 1 Ом. Замкнув щупы, отмечают, где будет нулевая отметка шкалы. Из-за наличия сопротивления в соединительных проводах, она может не совпадать с положением стрелки при выключенном питании. Поэтому провода, идущие к щупам, должны быть по возможности короткими. Далее подключают два параллельно соединенных резистора на 1 Ом и отмечают положение стрелки, соответствующее измеряемому сопротивлению 0,5 Ом. Затем подключают резисторы на 1, 2, 3, 5 и 10 Ом и отмечают положения стрелки при измерении этих сопротивлений. На этом можно остановиться, так как электролитические конденсаторы емкостью более 4,7 мкФ с ESR больше 10 Ом хотя и могут работать, но уже не долго:)