Епс метр схемы и конструкции. ESR (ЭПС) измеритель — приставка к цифровому мультиметру

Мы уже привыкли к основным параметрам конденсатора: ёмкости и рабочему напряжению. Но в последнее время не менее важным параметром стало его эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС). Что же это такое и на что оно влияет?

Так как ЭПС наиболее сильно влияет на работу электролитических конденсаторов, то в дальнейшем речь пойдёт именно о них. Сейчас мы разберём электролитический конденсатор по косточкам и узнаем, какие же тайны он скрывает.

Любой электронный компонент не идеален. Это относится и к конденсатору. Совокупность его свойств показывает условная схема.

Как видим, реальный конденсатор состоит из ёмкости C , которую мы привыкли видеть на схемах в виде двух вертикальных полос. Далее резистор R s , который символизирует активное сопротивление проволочных выводов и контактного сопротивления вывод - обкладка. На фото видно, как проволочные выводы крепятся к обкладкам методом заклёпочного соединения.

Так как любой, даже очень хороший диэлектрик имеет определённое сопротивление (до сотен мегаом), то параллельно обкладкам изображается резистор Rp . Именно через этот «виртуальный» резистор течёт так называемый ток утечки. Естественно, никаких резисторов внутри конденсатора нет. Это лишь для наглядности и удобного представления.

Из-за того, что обкладки у электролитического конденсатора скручиваются и устанавливаются в алюминиевый корпус, образуется индуктивность L .

Свои свойства эта индуктивность проявляет лишь на частотах выше резонансной частоты конденсатора. Приблизительное значение этой индуктивности - десятки наногенри.

Итак, из всего этого выделим то, что входит в ЭПС электролитического конденсатора:

Сопротивление, которое вызвано потерями в диэлектрике из-за его неоднородности, примесей и наличия влаги;

Омическое сопротивление проволочных выводов и обкладок. Активное сопротивление проводов;

Контактное сопротивление между обкладками и выводами;

Сюда же можно включить и сопротивление электролита, которое увеличивается из-за испарения растворителя электролита и изменения его химического состава вследствие взаимодействия его с металлическими обкладками.

Все эти факторы суммируются и образуют сопротивление конденсатора, которое и назвали эквивалентным последовательным сопротивлением - сокращённо ЭПС, а на зарубежный манер ESR (E quivalent S erial R esistance).

Как известно, электролитический конденсатор в силу своего устройства может работать только в цепях постоянного и пульсирующего тока из-за своей полярности. Собственно, его и применяют в блоках питания для фильтрации пульсаций после выпрямителя. Запомним эту особенность конденсатора - пропускать импульсы тока.

А если ESR - это, по сути, сопротивление, то на нём при протекании импульсов тока будет выделятся тепло. Вспомните о мощности резистора . Таким образом, чем больше ЭПС - тем сильнее будет греться конденсатор.

Нагрев электролитического конденсатора - это очень плохо. Из-за нагрева электролит начинает закипать и испаряться, конденсатор вздувается. Наверное, уже замечали на электролитических конденсаторах защитную насечку на верхней части корпуса.

При длительной работе конденсатора и повышенной температуре внутри его электролит начинает испаряться, и давить на эту насечку. Со временем давление внутри возрастает настолько, что насечка разрывается, высвобождая газ наружу.

"Хлопнувший" конденсатор на плате блока питания (причина - превышение допустимого напряжения)

Также защитная насечка предотвращает (или ослабляет) взрыв конденсатора при превышении допустимого напряжения или изменении его полярности.

На практике бывает и наоборот - давление выталкивает изолятор со стороны выводов. Далее на фото показан конденсатор, который высох. Ёмкость его снизилась до 106 мкФ, а ESR при измерении составило 2,8Ω, тогда как нормальное значение ESR для нового конденсатора с такой же ёмкостью лежит в пределах 0,08 - 0,1Ω.

Электролитические конденсаторы выпускают на разную рабочую температуру. У алюминиевых электролитических конденсаторов нижняя граница температуры начинается с - 60 0 С, а верхняя ограничена +155 0 С. Но в большинстве своём такие конденсаторы рассчитаны на работу в температурном диапазоне от -25 0 С до 85 0 С и от -25 0 С до 105 0 С. На этикетке иногда указывается только верхний температурный предел: +85 0 С или +105 0 С.

Наличие ЭПС в реальном электролитическом конденсаторе влияет на его работу в высокочастотных схемах. И если для обычных конденсаторов это влияние не столь выражено, то вот для электролитических конденсаторов оно играет весьма важную роль. Особенно это касается их работы в цепях с высоким уровнем пульсаций, когда протекает существенный ток и за счёт ESR выделяется тепло.

Взгляните на фото.

Вздувшиеся электролитические конденсаторы (причина - длительная работа при повышенной температуре)

Это материнская плата персонального компьютера, который перестал включаться. Как видим, на печатной плате рядом с радиатором процессора расположено четыре вздувшихся электролитических конденсатора. Длительная работа при повышенной температуре (внешний нагрев от радиатора) и приличный срок эксплуатации привёл к тому, что конденсаторы «хлопнули». Виной тому - нагрев и ESR. Плохое охлаждение отрицательно сказывается не только на работе процессоров и микросхем, но, как оказывается, и на электролитических конденсаторах!

Снижение температуры окружающей среды на 10 0 C продлевает срок службы электролитического конденсатора почти вдвое.

Аналогичная картина наблюдается в отказавших блоках питания ПК - электролитические конденсаторы также вздуваются, что приводит к просадке и пульсациям напряжения питания.

Неисправные конденсаторы в БП ПК ATX (причина - низкое качество конденсаторов)

Нередко из-за длительной работы импульсные блоки питания точек доступа, роутеров Wi-Fi, всевозможных модемов также выходят из строя по причине «хлопнувших» или потерявших ёмкость конденсаторов. Не будем забывать, что при нагреве электролит высыхает, а это приводит к снижению ёмкости. Пример из практики я описывал .

Из всего сказанного следует, что электролитические конденсаторы, работающие в высокочастотных импульсных схемах (блоки питания, инверторы, преобразователи, импульсные стабилизаторы) работают в довольно экстремальных условиях и выходят из строя чаще. Зная это производители выпускают специальные серии с низким ESR. На таких конденсаторах, как правило, присутствует надпись Low ESR , что означает "низкое ЭПС".

Известно, что конденсатор обладает ёмкостным или реактивным сопротивлением, которое снижается с ростом частоты переменного тока.

Таким образом, с ростом частоты переменного тока, реактивное сопротивление конденсатора будет падать, но только до тех пор, пока оно не приблизится к величине эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). Его то и необходимо измерить. Поэтому многие приборы - измерители ESR (ESR-метры) измеряют ЭПС на частотах в несколько десятков - сотен килогерц. Это необходимо для того, чтобы «убрать» величину реактивного сопротивления из результатов измерения.

Стоит отметить, что на величину ESR конденсатора влияет не только частота пульсаций тока, но и напряжение на обкладках, температура окружающей среды, качество изготовления. Поэтому однозначно сказать, что ESR конденсатора, например, равно 3 омам, нельзя. На разной рабочей частоте величина ESR будет разной.

ESR-метр

При проверке конденсаторов , особенно электролитических, стоит обращать внимание на величину ESR. Для тестирования конденсаторов и измерения ESR существует немало серийно выпускаемых приборов. На фото универсальный тестер радиокомпонентов (LCR-T4 Tester) функционал которого поддерживает замер ESR конденсаторов.

В радиотехнических журналах можно встретить описания самодельных приборов и приставок к мультиметрам для измерения ESR. В продаже можно найти и узкоспециализированные ESR-метры, которые способны измерять ёмкость и ЭПС без выпайки их из платы, а также разряжать их перед этим с целью защиты прибора от повреждения высоким остаточным напряжением конденсатора. К таким приборам относятся, например, такие как ESR-micro v3.1, ESR-micro V4.0s, ESR-micro v4.0SI.

При ремонте электроники приходится часто менять электролитические конденсаторы. При этом для оценки их качества измеряются такие параметры, как ёмкость и ESR. Чтобы было с чем сравнивать, была составлена таблица ESR , в которой указано ЭПС новых электролитических конденсаторов разных ёмкостей. Данную таблицу можно использовать для оценки пригодности того или иного конденсатора для дальнейшей службы.

Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС или ESR) конденсатора является его важнейшим параметром и в значительной мере определяет его фильтрующие и сглаживающие свойства. Нередко причиной неработоспособности различных устройств является повышенное значение ЭПС примененных в них конденсаторов. Особенно нестабилен этот параметр у оксидных конденсаторов. Он может существенно изменяться в сторону увеличения с течением времени или с изменением температуры. В предлагаемой статье приводится описание еще одного измерителя ЭПС.

Особенность устройства в том, что собрано оно на основе малогабаритного стрелочного мультиметра Sanwa YX-1000A (рис. 1 ). От него использованы корпус, стрелочный прибор, а также шкала омметра этого прибора, что упрощает изготовление всей конструкции. Интервал измерения составляет от 0 до 100 Ом. Источник питания - гальванический элемент напряжением 1,5 В типоразмера АА, потребляемый ток - 5...7 мА, работоспособность сохраняется при снижении напряжения питания до 1,3 В. Переменное напряжение на щупах составляет 130...150мВ (в зависимости от напряжения питания), поэтому измеритель позволяет проводить проверку оксидных конденсаторов, не выпаивая их из ремонтируемого устройства.

Схема устройства показана на рис. 2 . На трансформаторе Т1 и транзисторах VT1, VT2 собран генератор прямоугольных импульсов с частотой следования около 116 кГц. Обмотка II обеспечивает положительную обратную связь. Подстроечным резистором R2 можно изменять скважность импульсов, добиваясь их симметричности. Это важно, поскольку скважность влияет на потребляемый устройством ток. С обмотки III прямоугольные импульсы поступают в измерительную цепь, состоящую из щупов ХР1, ХР2, которые подключают к измеряемому конденсатору, и резистора R4, который выполняет функции датчика тока. На транзисторной сборке VT3 собран синхронный выпрямитель, управляющие импульсы на него поступают с коллекторов транзисторов VT1 и VT2, резисторы R5-R7 - токоограничивающие, конденсаторы СЗ, С4 сглаживают выпрямленное напряжение. Благодаря применению синхронного выпрямителя удалось получить высокую чувствительность и малые потери выпрямляемого напряжения, что, в свою очередь, позволило использовать в качестве источника питания один гальванический элемент. К выходу выпрямителя подключен стрелочный прибор РА1, переменный резистор R8 - калибровочный.

Рис.2 Схема ЭПС

При подключении щупов к проверяемому конденсатору напряжение на резисторе R4 зависит от ЭПС конденсатора - чем больше ЭПС, тем меньше напряжение и тем меньшее отклонение стрелки прибора РА1. Если проверяемый конденсатор был заряжен, ток разрядки ограничит резистор R4, а диоды VD1 и VD2 защитят транзисторную сборку VT3. Поскольку сопротивление рамки микроамперметра в несколько раз больше введенного сопротивления резистора R8, а намотана она медным проводом, при изменении температуры окружающей среды ток через нее даже при постоянном напряжении изменяется. Поэтому в устройство введен калибровочный резистор R8, с помощью которого при замкнутых щупах стрелку прибора устанавливают на "О" шкалы. Калибровка необходима также по мере разрядки батареи питания.

В качестве основы для конструкции измерителя применен стрелочный мультиметр SanwaYX-1000А. Использованы корпус и стрелочный прибор - микроамперметр, который имеет сопротивление рамки 876 Ом, ток максимального отклонения стрелки - 146 мкА, а напряжение на нем при максимальном токе - 130 мВ. Остальные детали смонтированы на печатной плате, чертеж которой показан на рис. 3 . Она изготовлена из односторонне фольгирован-ного стеклотекстолита.
Применены постоянные резисторы С2-23, подстроечный - СПЗ-3, переменный - СП4-1, конденсатор С2 - КТ-2 с ТКЕ не хуже М75, поскольку этот конденсатор влияет на стабильность генерируемой частоты, остальные - К10-17. Транзисторы KSA539 можно заменить на транзисторы серии КТ3107 с индексами Б, Г и Е, их желательно подобрать с близкими коэффициентами передачи тока h 21Э. Транзисторную сборку заменять отдельными транзисторами не рекомендуется, поскольку это потребует их тщательной подборки.
Трансформатор намотан на кольцевом ферритовом магнитопроводе проницаемостью 1000 с внешним диаметром 10, внутренним 6 и толщиной 5 мм. Перед намоткой края сглаживают наждачной бумагой или надфилем. Обмотки I и II наматывают одновременно тремя свитыми вместе обмоточными проводами ПЭВ или ПЭЛ диаметром 0,1 мм. Намотав 50 витков, два провода соединяют в соответствии со схемой - так образуется обмотка I . Обмотку III наматывают проводом ПЭВ-2 диаметром 0,3...0,4 мм и содержит она 5 витков. Фазировка этой обмотки может быть любой и повлияет только на полярность подключения микроамперметра РА1 (полярность на схеме показана условно). Все обмотки надо распределить на магнитопроводе равномерно.
В отверстие трансформатора плотно вставлен отрезок трубки из ПХВ, длиной немного больше толщины намотанного трансформатора. Из толстой (1 мм) мягкой пластмассы вырезаны две шайбы диаметром 10...12 мм, между которыми трансформатор с небольшим усилием крепят на плате с помощью винта МЗ, а гайку фиксируют термоклеем.
С платы мультиметра удалили все детали, после чего она была использована как трафарет для изготовления новой печатной платы. Резистор R8 и выключатель питания SA1 закреплены на боковых стенках корпуса с помощью термоклея (рис. 1 ). Выключатель применен импортный малогабаритный движковый и установлен в прорезь в корпусе, предназначенную для движка подстроечного резистора установки нуля омметра. Для движка резистора R8 сделано отверстие. Переключатель пределов измерения мультиметра удален, а образовавшееся отверстие заклеено прямоугольной пластиной из тонкого стеклотекстолита. Провода для щупов применены от компьютерного блока питания, к их концам припаяны две длинные булавки с головками, а несколько миллиметров изоляции проводов закреплены на булавках нитками и пропитаны универсальным клеем. Как показала практика, такая конструкция щупов оказалась достаточно удобной.
Налаживание начинают с установки минимального потребляемого тока по цепи питания. Для этого последовательно с элементом питания включают амперметр (щупы ХР1 и ХР2 при этом должны быть разомкнуты) и подстроенным резистором R2 устанавливают минимальный потребляемый ток. Затем при замкнутых щупах переменным резистором R8 устанавливают стрелку прибора на "О" шкалы (крайнее правое положение). Подключая к щупам резисторы с известным сопротивлением (от единиц до десятков ом), проверяют соответствие показаний прибора и сопротивления резисторов. При необходимости подбирают резистор R4. Если показания прибора больше, устанавливают резистор с большим сопротивлением, и наоборот. В связи с тем что использована штатная шкала мультиметра, точность на различных ее участках будет разной, поэтому необходимо выбрать, какое из показаний должно быть наиболее точным. Исходя из этого, к щупам подключают резистор с таким сопротивлением и подборкой резистора R4 устанавливают стрелку прибора на отметку, соответствующую этому сопротивлению. По мнению автора, такое сопротивление может быть 5...6 Ом.
В процессе эксплуатации устройства проявился один эффект, связанный с конструкцией стрелочного прибора. На его защитном стекле скапливается заряд статического электричества, способный остановить стрелку в произвольном месте, сделав тем самым дальнейшую работу устройства практически невозможной. Для устранения этого эффекта была проведена доработка. Если шкала закреплена неровно и имеются выпуклости, ее снимают, распрямляют и плотно приклеивают на свое место минимальным количеством клея. Стрелку аккуратно подгибают так, чтобы она перемещалась на минимальном расстоянии от шкалы и, следовательно, на максимальном от защитного стекла. Полезно также установить ограничители хода стрелки, изготовленные из эмалированного медного провода толщиной 0,2...0,4 мм, которые закрепляют с двух сторон под винты крепления шкалы.При измерении ЭПС конденсаторов следует соблюдать определенную осторожность, поскольку существует вероятность поражения электрическим током заряженного конденсатора!

Не ослабевает интерес наших читателей и авторов к разработке и изготовлению устройств измерения ЭПС (ESR) оксидных конденсаторов. Предлагаемая ниже приставка к мультиметрам серии 83х продолжает эту тему. Мультиметры, далее приборы, серии 83х - очень популярны среди радиолюбителей из-за доступной цены и приемлемой точности измерений.

На страницах журнала "Радио" неоднократно публиковались статьи по расширению возможностей этих приборов, например, . При разработке предлагаемой приставки, так же как и в , была поставлена задача не применять дополнительный источник питания. Схема приставки показана на рис. 1 .

Рис.1

В приборах, построенных на микросхемах АЦП ICL71x6 или их аналогах, есть внутренний стабилизированный источник напряжения 3 В с максимальным током нагрузки 3 мА . С выхода этого источника подано напряжение питания на приставку через разъём "СОМ" (общий провод) и внешнее гнездо "NPNc", которое входит в состав восьмиконтактной розетки для подключения маломощных транзисторов в режиме измерения статического коэффициента передачи тока. Метод измерения ЭПС аналогичен применённому в цифровом измерителе, который описан в статье . По сравнению с этим устройством предлагаемая приставка существенно отличается простотой схемы, малым числом элементов и их низкой ценой.

Основные технические характеристики
Интервал измерения ЭПС, Ом:
при разомкнутых контактах выключателя SA1 0,1... 199,9
при его замкнутых контактах (положение "х0,1") 0,01...19,99
Ёмкость проверяемых конденсаторов, не менее, мкФ 20
Ток потребления, мА 1,5

При работе с приставкой переключатель рода работ прибора устанавливают в положение измерения напряжения постоянного тока с пределом "200 мВ". Внешние вилки приставки "СОМ", "VΩmA", "NPNc" стыкуются с соответствующими гнёздами прибора. Временная диаграмма показана на рис. 2 . Генератор, собранный на логическом элементе DD1.1 - триггере Шмитта, диоде VD1, конденсаторе С1 и резисторах R1, R2, вырабатывает последовательность положительных импульсов длительностью t r = 4 мкс с паузой 150 мкс и стабильной амплитудой около 3 В (рис. 2, а ). Эти импульсы можно наблюдать осциллографом относительно общего провода гнезда "СОМ". Во время каждого импульса через проверяемый конденсатор, подключённый к гнёздам "Сх" приставки, протекает заданный резисторами R4, R5 стабильный ток, который равен 1 мА при разомкнутых контактах выключателя SA1 или 10 мА при его замкнутых контактах (положение "х0,1").

Рассмотрим работу узлов и элементов приставки с подключённым проверяемым конденсатором с момента появления очередного импульса длительностью t r на выходе элемента DD1.1. От инвертированного элементом DD1.2 импульса низкого уровня длительностью t r транзистор VT1 закрывается на 4 мкс. После зарядки ёмкости сток-исток закрытого транзистора VT1 напряжение на выводах проверяемого конденсатора будет зависеть практически только от тока протекающего через его ЭПС. На логическом элементе DD1.3, резисторе R3 и конденсаторе С2 собран узел задержки фронта импульса генератора на 2 мкс. За время задержки t 3 ёмкость сток-исток закрытого транзистора VT1, шунтирующая испытуемый конденсатор, успевает зарядиться и практически не влияет на точность следующего после t 3 процесса измерения (рис. 2,б ). Из задержанного на 2 мкс и укороченного по длительности до 2 мкс импульса генератора на выходе инвертора DD1.4 формируется измepиteльный импульс длительностью t изм = 2 мкс (рис. 2,в) высокого уровня. От него открывается транзистор VT2, а запоминающий конденсатор СЗ начинает заряжаться от падения напряжения на ЭПС проверяемого конденсатора через резисторы R6, R7 и открытый транзистор VT2. По окончании измерительного импульса и импульса с выхода генератора от высокого уровня на выходе элемента DD1.2 транзистор VT1 открывается, a VT2 от низкого уровня на выходе элемента DD1.4 закрывается. Описанный процесс повторяется каждые 150 мкс, что приводит к зарядке конденсатора СЗ до падения напряжения на ЭПС проверяемого конденсатора после нескольких десятков периодов. На индикаторе прибора отображается значение эквивалентного последовательного сопротивления в омах. При положении выключателя SA1 "х0,1" показания индикатора нужно умножить на 0,1. Открытый между импульсами генератора транзистор VT1 устраняет рост напряжения (заряд) на ёмкостной составляющей проверяемого конденсатора до значений ниже минимальной чувствительности прибора, равной 0,1 мВ. Наличие входной ёмкости транзистора VT2 приводит к смещению нуля прибора. Для устранения её влияния применены резисторы R6 и R7. Подбором этих резисторов добиваются отсутствия напряжения на конденсаторе СЗ при замкнутых гнёздах "Сх" (установка нуля).

О погрешностях измерений. Во-первых, имеет место систематическая погрешность, достигающая примерно 6 % для сопротивлений, близких к максимуму в каждом интервале. Она связана с уменьшением тока тестирования, но не так важна - конденсаторы с такими ЭПС подлежат браковке. Во-вторых, существует погрешность измерения, зависящая от ёмкости конденсатора.
Объясняется это ростом напряжения во время импульса с генератора на ёмкостной составляющей конденсаторов: чем меньше ёмкость, тем быстрее её зарядка. Эту погрешность нетрудно рассчитать, зная ёмкость, ток и время зарядки: U = М/С. Так, для конденсаторов ёмкостью более 20 мкФ она не влияет на результат измерений, а вот для 2 мкФ измеренное значение будет больше реального примерно на 1,5 Ома (соответственно, 1 мкФ - 3 Ома, 10 мкФ - 0,3 Ома и т. п.).

Чертё ж печатной платы показан на рис. 3 . Три отверстия под штыри следует просверлить так, чтобы последние входили в них с небольшим усилием.

Это облегчит процесс их пайки к контактным площадкам. Штырь "NPNc" - позолоченный от подходящего разьёма, подойдёт и кусок лужёного медного провода. Отверстие под него сверлят в подходящем месте после установки штырей "СОМ" и "VΩmA". Последние - от вышедших из строя измерительных щупов. Конденсатор СЗ желательно применить из группы ТКЕ не хуже Н10 (X7R). Транзистор IRLML6346 (VT1) можно заменить на IRLML6246, IRLML2502, IRLML6344 (в порядке ухудшения). Критерии замены - сопротивление открытого канала не более 0,06 Ом при напряжении затвор-исток 2,5 В, ёмкость сток-исток - не более 300...400 пФ. Но если ограничиться только интервалом 0,01...19,00 Ом (выключатель SA1 в этом случае заменяют перемычкой, резистор R5 удаляют), то максимальная ёмкость сток-исток может достигать 3000 пФ. Транзистор 2N7000 (VT2) заменим на 2N7002, 2N7002L, BS170C пороговым напряжением не более 2...2,2 В. Перед монтажом транзисторов следует проверить соответствие расположения выводов проводникам печатной платы. Гнёзда XS1, XS2 в экземпляре автора - клеммник винтовой 306-021-12.

Перед налаживанием приставку следует подключить не к мультиметру, чтобы не вывести его из строя, а к автономному источнику питания напряжением 3 В, например, к двум последовательно соединённым гальваническим элементам. Плюс этого источника временно подключают к штырю "NPNc" приставки (не подключая этот штырь к мультиметру), а минус - к её общему проводу. Измеряют потребляемый ток, который не должен превышать 3 мА, после чего автономный источник отключают. Гнёзда "Сх" временно замыкают коротким отрезком медного провода диаметром не менее 1 мм. Штыри приставки вставляют в одноимённые гнёзда прибора. Подбором резисторов R6 и R7 устанавливают нулевые показания прибора при обоих положениях выключателя SA1. Для удобства эти резисторы можно заменить одним подстроечным, а после настройки нуля впаивают резисторы R6 и R7 с суммарным сопротивлением, равным подстроечному.

Удаляют отрезок провода, замыкающий гнёзда "Сх". К ним подключают резистор 1...2 0м при замкнутом положении SA1, затем - 10...20 Ом при разомкнутом. Сверяют показания прибора с сопротивлениями резисторов. В случае необходимости подбирают R4 и R5, добиваясь желаемой точности измерения. Внешний вид приставки показан на фото рис. 4 .
Приставку можно использовать как омметр малых сопротивлений Также ею можно измерять внутреннее сопротивление малогабаритных гальванических или аккумуляторных элементов и батарей через последовательно соединённый конденсатор ёмкостью не менее 1000 мкФ, соблюдая полярность его подключения. Из полученного результата измерения необходимо вычесть ЭПС конденсатора, который должен быть измерен заранее.

ЛИТЕРАТУРА
1. Нечаев И. Приставка к мультиметру для измерения емкости конденсаторов. - Радио, 1999, №8,с.42,43.
2. Чуднов В. Приставка к мультиметру для измерения температуры. - Радио, 2003, № 1, с. 34.
3. Подушкин И. Генератор + одновибратор = три приставки к мультиметру. - Радио, 2010, № 7, с. 46, 47; № 8, с. 50-52.
4. Даташит ICL7136 http://radio-hobby.org/modules/datasheets/2232-icl7136
5. Бирюков С. Цифровой измеритель ESR. - Схемотехника, 2006, № 3, с. 30-32; №4, с. 36,37.

АРХИВ: Скачать с сервера

Раздел: [Измерительная техника]
Сохрани статью в:

Для поиска таких конденсаторов предлагается разработанный и изготовленный автором прибор, обладающий высокой точностью и разрешающей способностью. Для большего удобства пользования прибором предусмотрена возможность его совместной эксплуатации с практически любым цифровым вольтметром (муль-тиметром}. Учитывая доступность цен на "народные" цифровые мультиметры серии 8300, предлагаемая конструкция является своеобразной "находкой" для многих радиолюбителей, особенно если учесть, что в схеме нет никаких дефицитных или дорогостоящих комплектующих и даже моточных узлов.

Оксидные (электролитические) конденсаторы применяются повсеместно. Они влияют на надежность к качество работы радиоэлектронных средств (РЭС). По качеству и назначению конденсаторы характеризуются многими показателями. Сначала работоспособность и область применения конденсаторов оценивали по емкости, рабочему напряжению, току утечки и массогабаритным показателям. Увеличились мощности и возросли частоты, на которых применяются электролитические конденсаторы. Современные импульсные блоки питания РЭС имеют мощность десятков-сотен ватт (и более) и работают на частотах в десятки-сотни килогерц. Возросли токи, протекающие через конденсаторы, соответственно, повысились и требования к их параметрам.

К сожалению, при массовом производстве качественные показатели не всегда соответствуют стандартам. В первую очередь, это сказывается на таком параметре, как эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС), или ESR. Этому вопросу уделяется недостаточно внимания, особенно в радиолюбительской литературе, хотя неисправностей, возникающих по вине ЭПС конденсаторов, становится все больше. Досадно, но даже среди новеньких конденсаторов все чаще стали встречаться экземпляры с увеличенным ЭПС.

Зарубежные конденсаторы также не являются исключением. Как показали измерения, величина ЭПС у однотипных конденсаторов может отличаться в несколько раз. Имея в своем распоряжении измеритель ЭПС, можно отбирать конденсаторы с наименьшей величиной ЭПС для установки в наиболее ответственные узлы устройств.

Не следует забывать о том, что внутри конденсатора протекают электрохимические процессы, которые разрушают контакты в зоне соединения обкладок с алюминиевыми контактами. Если у нового конденсатора величина ЭПС завышена, то и его эксплуатация не способствует ее снижению. Напротив, ЭПС со временем возрастает. Как правило, чем больше ЭПС конденсатор имел до установки, тем скорее и возрастет его величина. ЭПС неисправного конденсатора может повыситься от нескольких ом до нескольких десятков ом, что эквивалентно появлению нового элемента - резистора внутри неисправного конденсатора. Поскольку на этом резисторе рассеивается тепловая мощность, конденсатор разогревается, и в зоне контактов электрохимические процессы протекают быстрее, способствуя дальнейшему росту ЭПС.

Специалистам по ремонту различных РЭС хорошо знакомы дефекты импульсных блоков питания, связанные с увеличением ЭПС конденсаторов. Измерение емкости с помощью широко распространенных приборов часто не дает желаемых результатов. Такими приборами (С-метрами) выявить дефектные в плане ЭПС конденсаторы, к сожалению, не удается. Емкость будет в пределах нормы или всего лишь незначительно занижена. При величине ЭПС, не превышающей 10 Ом, показания измерителя емкости не дают оснований для подозрений (на точность измерений такая величина ЭПС практически не влияет), и конденсатор считают исправным.

Технические требования к измерителю ЭПС . Повышенные требования к качеству конденсаторов прежде всего предъявляются в импульсных блоках питания, где такие конденсаторы применяются в качестве фильтров на частотах до 100 кГц или в цепях переключения силовых элементов. Возможность измерения ЭПС позволяет не только выявлять вышедшие из строя конденсаторы (за исключением случаев утечки и короткого замыкания), но и, что очень важно, производить раннюю диагностику пока еще не проявившихся дефектов РЭС. Чтобы иметь возможность измерения ЭПС, процесс измерения комплексного сопротивления конденсатора осуществляют на достаточно высокой частоте, где емкостное сопротивление намного меньше допустимой величины ЭПС. Так, например, для конденсатора емкостью 5 мкФ емкостное сопротивление равно 0,32 Ом при частоте } 00 кГц. Как видим, емкостное сопротивление даже у электролитического конденсатора малой емкости во много раз меньше ЭПС дефектного конденсатора. Величина ЭПС неисправных конденсаторов емкостью до 200 мкФ значительно превышает 1 Ом.

По величине ЭПС можно уверенно оценивать пригодность конденсатора для тех или иных целей. Покупая конденсаторы, с помощью портативного измерителя ЭПС можно выбрать лучшие экземпляры. Важно, что процесс измерения ЭПС можно осуществлять без демонтажа проверяемых конденсаторов. При этом необходимо, чтобы конденсатор не был зашунтирован резистором, имеющим сопротивление, соизмеримое с ЭПС. Максимальное напряжение на щупах прибора следует ограничить, чтобы не вывести из строя элементы ремонтируемого РЭС. Полупроводниковые приборы не должны влиять на показания измерителя ЭПС. Значит, напряжение на измеряемом конденсаторе должно быть минимальным, чтобы исключить влияние активных элементов РЭС.

При работе в стационарных условиях прибор должен работать от электросети (можно, например, использовать соответствующий переключатель и внешний блок питания). Для исключения переполюсовки внешнего блока питания или зарядного устройства необходимо предусмотреть защиту. Чтобы предотвратить глубокий разряд аккумуляторов, нужно использовать защиту с отключением или, по крайней мере, предусмотреть индикацию контроля за напряжением аккумулятора. Для стабилизации параметров прибора необходимо использовать встроенный стабилизатор напряжения. Этот стабилизатор должен удовлетворять как минимум двум требованиям: быть экономичным, т.е. иметь малое собственное потребление тока, и обеспечивать достаточно стабильное выходное напряжение при изменении входного питающего напряжения в диапазоне не менее 7... 10 В.

Большое значение имеет индикатор показаний ЭПС. Измерители ЭПС с дискретной индикацией, например, на светодиодах малопригодны для отбраковки (выбора) конденсаторов из больших партий и обладают огромными погрешностями измерения ЭПС. Измерители ЭПС с нелинейными шкалами вызывают проблемы с выполнением новой шкалы, с отсчетом показаний и обладают большой погрешностью измерений. Новые схемы на программируемых "чипах" (микроконтроллерах), как это ни печально констатировать, пока еще не доступны большинству радиолюбителей. По цене же одного только микроконтроллера можно приобрести все комплектующие для изготовления рассматриваемого ниже измерителя ЭПС.

В составе измерителя ЭПС удобно иметь стрелочный измерительный прибор с линейной шкалой, не требующей никаких переделок, используя, например, одну общую шкалу 0...100 на все поддиапазоны прибора. При длительной и интенсивной работе с измерителем ЭПС очень удобно использовать цифровую шкалу. Однако самостоятельное изготовление цифрового прибора не выгодно из-за усложнения конструкции в целом и высокой себестоимости. Лучше предусмотреть возможность работы измерителя совместно с широко распространенным и дешевым цифровым мультиметром серии 8300, например М830В. Подойдет любой другой ци-фровой вольтметр с аналогичными характеристиками, имеющий диапазон измерения постоянного напряжения 0...200 мВ или 0...2000 мВ. По цене одного микроконтроллера можно приобрести один или даже два таких мультиметра. Цифровой индикатор измерителя ЭПС позволяет быстро отсортировывать конденсаторы. Стрелочный (встроенный) измеритель пригодится в тех случаях, когда под рукой нет цифрового тестера.

Пожалуй, самым важным параметром является надежность работы прибора. А она, так или иначе, зависит от человеческого фактора. Что это за прибор, который выходит из строя, если проверяемый конденсатор не разряжен? В спешке ремонтники аппаратуры нередко разряжают конденсаторы не резисторами, а проволочными перемычками, что пагубно влияет на срок службы самих электролитических конденсаторов. Прибор не должен выходить из строя и разряжать конденсаторы экстратоками.

Измеритель ЭПС должен обладать широким диапазоном измерения величины ЭПС. Очень хорошо, если он будет измерять ЭПС от 10 Ом до практически нулевого значения. Измерение ЭПС более 10 Ом неактуально, поскольку экземпляры электролитических конденсаторов с таким ЭПС - это уже полная некондиция, особенно для работы в импульсных схемах, тем более на частотах десятков-сотен килогерц. Удобно иметь прибор, позволяющий измерять величины ЭПС менее 1 Ом. В таком случае предоставляется "эксклюзивная" возможность отбора самых лучших экземпляров конденсаторов среди лучших типов с наибольшей емкостью.

В качестве основного источника питания применена батарея, составленная из дисковых никель-кадмиевых аккумуляторов типа Д-0,26Д. Они более надежные и энергоемкие, чем 7Д-0,1. Предусмотрена возможность подзарядки аккумуляторов.

Технические характеристики

• Диапазоны измеряемых сопротивлений......0...1 Ом, 0...10 Ом
• Используемая частота измерительного сигнала.........77 кГц
• Напряжение питания...........7... 15 В
• Потребляемый ток, не более.......................4,5 мА

Принципиальная электрическая схема измерителя ЭПС электролитических конденсаторов показана на рис.1. В основе конструкции прибора - омметр, работающий на пере-менном токе. Повышать частоту более ] 00 кГц не следует из-за верхней граничной частоты (100 кГц) микросхемного детектора типа К157ДА1, который применен в данной конструкции прибора, к тому же, не все типы электролитических конденсаторов рассчитаны на работу при частотах более 100 кГц.
Генератор прибора выполнен на микросхеме DD1 типа К561ТЛ1. Выбор данного типа ИМС обусловлен исключительно соображениями повышения экономичности прибора. В данной ситуации можно применить другие генераторы, выполненные на более распространенных ИМС, в частности на К561ЛА7 или К561ЛЕ5. При этом возрастет потребление тока от источника питания.

К генератору предъявляются два требования: стабильность амплитуды и стабильность частоты. Первое требование важнее второго, поскольку изменение амплитуды выходного напряжения генератора является большим дестабилизирующим фактором, чем изменение частоты. Поэтому нет необходимости в использовании кварцевых резонаторов, а также в точной установке частоты, равной именно 77 кГц. Рабочую частоту прибора можно выбрать в пределах 60...90 кГц. Настройка и эксплуатация прибора должны производиться на одной и той же рабочей частоте, поскольку стабильные параметры настроенного прибора сохраняются в довольно узком диапазоне частот.

С выхода генератора сигнал прямоугольной формы через элементы R17-R19, С8 подается на проверяемый конденсатор Сх (клеммы 1 и 2). С конденсатора Сх сигнал поступает на усилитель, с усилителя - на детектор, затем выпрямленный - на стрелочный измерительный прибор РА1 и цифровой вольтметр (разъем XS2). Протекание тока через испытуемый конденсатор вызывает падение напряжения на нем. Для измерения малых сопротивлений нужна высокая чувствительность детектора, не говоря уже о его линейности. Если значительно увеличить ток, протекающий через испытуемый конденсатор, то резко возрастет и ток, потребляемый от источника питания.

В авторском варианте величина тока через испытуемый конденсатор равна приблизительно 1 мА, т.е. каждому милливольту падения напряжения соответствует 1 Ом ЭПС конденсатора. При ЭПС, равном 0,1 Ом, необходимо иметь дело с измерением напряжений величиной 100мкВ! Поскольку данный прибор способен измерять на порядок меньшие величины ЭПС, то речь уже идет о десятках микровольт, которые должны четко фиксироваться измерителем.
Очевидно, что для нормальной работы детектора сигнал нужно усилить. Эту задачу выполняет усилительный каскад: на малошумящем транзисторе VT7 выполнен усилитель по схеме с ОЭ (коэффициент усиления на рабочей частоте равен 20), на транзисторе VT8 выполнен буферный усилитель, собранный по схеме с ОК.

Конденсатор С9 является элементом ФВЧ. Выбранная величина емкости конденсатора СЮ фактически предотвращает работу цепи R24C10 на НЧ. Такими простыми способами реализован значительный завал АЧХ в области НЧ. Спад АЧХ в области НЧ дополнительно сформирован и выбором емкостей С1 и С12 в схеме детектора. В Ч помехи дополнительно ограничиваются резистором R23 (учтены и защитные элементы).

Для того чтобы тестируемый конденсатор (неразряженный) не вывел из строя ИМС генератора, в схеме предусмотрены защитные элементы VD1, VD2, R19. Аналогичная цепь, состоящая из элементов R22, VD3, VD4, защищает вход усилителя. В рабочем режиме (при измерении ЭПС) диоды практически не оказывают никакого шунтирующего влияния на сигнал. При отключении тестируемого конденсатора Сх от клемм 1 и 2 диоды ограничивают амплитуду сигнала на входе усилителя, хотя сигнал такого уровня не приводит к отказу усилителя. Данная схема защиты прибора, несмотря на простоту реализации, подтвердила на практике свою высокую эффективность.

Измеритель ЭПС электролитических конденсаторов неприхотлив в эксплуатации. Номиналы резисторов R19 и R22 выбраны с таким расчетом, чтобы обеспечить надежный разряд проверяемых конденсаторов, работающих практически в любой бытовой аппаратуре. Следовательно, защитные диоды должны эффективно разряжать тестируемые конденсаторы, и сами при этом быть надежно защищенными от перегрузок по току при разряде конденсаторов. Секция тумблера SA1.2 с кнопкой SA4 и резисторами R20 и R21 служат для калибровки прибора.

Сложнее всего обстояло дело с выбором схемы детектора. Здесь возникали свои специфические проблемы. Практические испытания многих широко распространенных диодных детекторов лишь подтвердили их непригодность для линейного детектирования напряжения в широком диапазоне изменения амплитуд. Ничего подходящего из схемотехнически простого, реализованного на дискретных элементах, на что можно было бы опереться, в литературе найти не удалось.

Сама же идея использования микросхемы К157ДА1 в детекторе измерителя ЭПС возникла случайно. Вспомнилось, что ИМС типа К157ДА1 широко применялась в индикаторах уровня записи различных отечественных магнитофонов. В первую очередь мое внимание привлекла сравнительная простота схемного включения данной ИМС. Ток, потребляемый ИМС от источника питания, также устраивал, как и подходящий рабочий диапазон частот. Допускается также работа этой ИМС с однополярным питанием. Однако типовое включение К157ДА1 не подходит в рассматриваемом случае . В итоге пришлось не только видоизменить схему включения ИМС в сравнении с типовой, но и в несколько раз изменить номиналы элементов обвязки.

Данная ИМС имеет в своем составе двухканальный двухполупериодный выпрямитель. Второй канал в рассматриваемой конструкции не используется. Макетирование подтвердило линейность детектирования ИМС на частотах до 100 кГц. Некоторые экземпляры ИМС имели даже определенный запас по верхней граничной частоте (две из десяти испытанных ИМС - до 140 кГц). Дальнейшее повышение частоты вызывало резкое уменьшение выпрямленного напряжения ИМС. Нелинейность детектирования ИМС проявлялась при минимальных уровнях сигнала и при значительном усилении ИМС. Не меньше досаждало и выходное напряжение покоя (на выводе 12 ИМС), которое, согласно справочным данным, может достигать 50 мВ, с чем никак нельзя было смириться, если уж решено было изготовить измерительный прибор, а не индикатор ЭПС.

Спустя некоторое время и эта проблема была успешно преодолена. Между выводами микросхемы 14 и 2 установлен в типовом включении резистор R3 сопротивлением 33 кОм. Он подключен к искусственной средней точке делителя напряжения, образованного резисторами R1 и R2 (рис.1). Это и есть вариант применения ИМС при однополярном питании.

Как в последствии выяснилось, от величины сопротивления резистора R3 значительно зависит линейность детектирования именно в области малых амплитуд. Уменьшение сопротивления R3 в несколько раз обеспечивает необходимую линейность детектора, и, что не менее важно, сопротивление этого резистора влияет и на величину постоянного напряжения покоя (вывод 12 ИМС). Присутствие этого напряжения мешает нормально проводить измерения при малых значениях ЭПС (придется при каждом измерении заниматься математической операцией вычитания). Отсюда и важность установки "нулевого* потенциала на выходе детектора.

Правильный выбор сопротивления резистора R3 практически устраняет эту проблему. В предлагаемом варианте сопротивление резистора более чем в три раза меньше типового номинала. Есть смысл и в дальнейшем снижении величины этого сопротивления, но при этом значительно снижается и входное сопротивление детектора. Оно теперь практически полностью определяется сопротивлением резистора R3.

На транзисторах VT1 и VT2 выполнена защита для стрелочного измерителя РА1. Такое включение транзисторов обеспечивает четкий порог срабатывания и совершенно не шунтирует головку РА1 в диапазоне рабочих токов РА1, что повышает ее надежность и увеличивает срок службы.

Переключатель SA3 служит для оперативного контроля за величиной напряжения аккумулятора и позволяет измерять его под нагрузкой, т.е. непосредственно при работе прибора. Это важно потому, что у многих аккумуляторов со временем, даже при глубоком разряде (без нагрузки), напряжение может находиться в норме или быть близким к номинальному, но стоит подключить нагрузку, даже в несколько миллиампер, как напряжение такой батареи резко снижается.
На транзисторах VT3-VT6 выполнен микромощный стабилизатор напряжения (СН), питающий все элементы прибора. При использовании нестабилизированного источника питания все параметры прибора изменяются. Уменьшение напряжения (разряд) аккумулятора также значительно "сбивает" всю настройку. Детектор, кстати, оказался самым стойким к изменениям питающего напряжения. Наиболее зависимым от напряжения питания (сильно изменяется амплитуда напряжения прямоугольной формы) является генератор, что делает невозможной эксплуатацию прибора.
Использование микросхемного СН вызывает нерациональное потребление тока самим стабилизатором, поэтому от него вскоре пришлось отказаться. После экспериментов с различными схемами на дискретных элементах, автор остановился на схеме СН, показанной на рис.1. На вид этот СН очень простой, но его наличия в данной схеме вполне достаточно для того, чтобы все технические параметры измерителя ЭПС сохранялись стабильными при изменении напряжения аккумулятора от 7 и до 10В. При этом имеется возможность питания прибора от внешнего БП, даже нестабилизированного, напряжением до 15 В.

Собственное энергопотребление СН определяется величиной коллекторного тока транзистора VT6 и выбиралось в пределах 100...300 мкА. На транзисторе VT6 выполнен аналог маломощного стабилитрона. Его напряжение определяет величину выходного напряжения СН, которое меньше напряжения стабилизации стабилитрона на величину напряжения перехода база-эмиттер транзистора VT3.

Детали. Резисторы R1-R3, R5, R7, R15, R29 -10 кОм, R4, R6, R8, R10, R11, R13, R24, R30-1кОм,R9-39кОм,R12-100 Oм,R14-680 кОм, R16 -100 кОм, R17, R25 - 2,4 кОм, R18 - 4,7 кОм, R19, R22 - 330 кОм, R20 -1 Ом, R21 - 10 Ом, R23 - 3,3 кОм, R26 - 150 кОм, R27 - 820 кОм, R28 - 20 кОм. Конденсаторы С1, СЗ, С6, С10, С12 - 0,1 мкФ, С2, С4, С5, С11 - 5 мкФх16 В, С7 -150 пФ, С8 - 0,47 мкФ, С9-0,01 мкФ.

Резисторы R4, R10, R16, R17, R20, R21, R24, R25 типа С2-13, подстроечные резисторы типа СП-38В, остальные - МЛТ. Конденсатор С7 типа КСО-1; С1, СЗ, С6, С9 - К10-17, остальные К73-17 и К50-35. Транзисторы VT2, VT3, VT7 типа ВС549С. В позиции VT7 следует применять транзистор с максимальным h21э. Транзисторы ВС549 заменимы отечественными КТ3102 или КТ342. Транзисторы VT1, VT4, VT8 типа ВС557С. Вместо них применяли также и отечественные КТЗ107 (К, Л). В качестве полевого транзистора в генераторе стабильного тока использовались КП10ЗЕ. Конденсатор С6 припаян со стороны печатных проводников, непосредственно на выводах DD1. Резистор R24 на плате усилителя условно не показан. Он припаян последовательно с конденсатором С10.

Диоды VD5, VD6 - КД212, VD1-VD4 -1 N4007. К диоду VD6 особых требований не предъявляется, он может быть любым кремниевым. Диод VD5 должен выдерживать максимальный зарядный ток аккумуляторов. Иначе обстоит дело с диодами VD 1-VD4. Если вход прибора не будет подключаться к только что выключенному модулю питания телевизора (его электролитическому конденсатору), то вместо 1 N4007 можно устанавливать Д220, Д223, КД522 и т.д. В качестве этих диодов лучше всего подходят экземпляры с минимальными емкостями и допустимым током более 1 А.

Переключатель SA1 типа МТ-3, SA2, SA3 -МТ-1, SA4 - КМ2-1. Малогабаритный стрелочный измерительный прибор рассчитан на ток 100 мкА и имеет внутреннее сопротивление 3 кОм. С успехом подойдут практически любые стрелочные измерительные приборы на ток 100 мкА. При большем токе потребуется соответствующее уменьшение номиналов резисторов R7 и R8.

Конструкция. Задача создания миниатюрного прибора не ставилась, нужно было поместить прибор и батарею аккумуляторов Д-0,26Д в пластмассовый корпус размерами 230x80x35 мм. Прибор конструктивно выполнен на четырех отдельных печатных платах. Плата усилителя и расположение деталей на ней показано на рис.2, плата генератора и расположение деталей на ней - на рис.3, плата стабилизатора напряжения и расположение деталей на ней - на рис.4, плата детектора и расположение деталей на ней - на рис.5.

Такое исполнение прибора вызвано заменой отдельных блоков новыми в результате проводившихся экспериментов и модернизаций устройства. Модульно-блочная конструкция всегда оставляет шанс к "отступлению". В рассматриваемом варианте намного проще проводить модернизацию или ремонт. Ведь легче заменить один небольшой блок, чем заново создавать новую конструкцию на одной большой печатной плате. Перед размещением в указанном корпусе, размеры всех плат были уменьшены (платы аккуратно обрезаны ножницами по металлу).

Для того чтобы обеспечить возможность измерения минимальных величин сопротивлений, нужно минимизировать сопротивления, соединяющие вход прибора с Сх. Для этого недостаточно применить короткие провода. Монтаж прибора выполнен так, чтобы общие провода схем генератора, усилителя и точки подключения Сх находились на минимальном удалении друг от друга.

Непродуманный монтаж легко нарушит нормальную работу прибора в диапазоне 1 Ом, превратив его в весьма неудобный и посредственный измеритель этого диапазона. Именно ради этого диапазона автор взялся за разработку данного устройства, поскольку реализовать "традиционный" диапазон измерения ЭПС можно по более простым схемам. Диапазон 0...1 Ом позволяет очень быстро "разбираться" с такими конденсаторами, как 10000 мкФ и более.

Настройка. Несмотря на наличие в схеме шести подстроечных резисторов и других элементов, требующих подбора, настройка прибора не является сложным процессом. Первоначально движки всех подстроечных резисторов устанавливают в положение, соответствующее максимальному сопротивлению. На время настройки использовались многооборотные резисторы типа СП5-3, хотя печатные платы разрабатывались под исполнение СП-38В. После настройки прибора все они были заменены постоянными резисторами.

Настройку начинают с СН. К выходу СН подключают резистор МЛТ-0,25 сопротивлением 1,2 кОм. Подбором резистора R13 достигают минимально возможного тока через транзистор VT6, при котором СН сохраняет устойчивую работу при входном напряжении от 7 и до15 В. Увлекаться чрезмерным уменьшением этого тока не следует. Рекомендуемая величина его - 100...500 мкА. После установки этого тока приступают к подбору резистора R14. От него зависит выходное напряжение СН, величину которого устанавливали в пределах 6...6,3 В. Дополнительно уменьшить падение напряжения на СН можно заменой резистора R12 проволочной перемычкой (после настройки всего прибора). Однако СН тогда лишается ограничения тока при нештатных ситуациях в нагрузке СН.

Настройка усилителя на транзисторах VT7, VT8 заключается в подборе сопротивления резистора R24 для достижения усиления по напряжению приблизительно в 20 раз (на рабочей частоте). Точность указанной величины здесь не важна. Куда важнее стабильность усиления, которая больше всего зависит от стабильности элементов С10, R24, R25, VT7. Показанное на схеме рис. 1 положение контактов переключателя SA1 соответствует диапазону 10 Ом. Замыкают контакты кнопочного выключателя SA4. Таким образом, вместо конденсатора Сх к входу прибора подсоединен высокостабильный калибровочный резистор R21 сопротивлением 10 Ом. Затем резистором R18 устанавливают напряжение 10 мВ на резисторе R21 (и 200 мВ, если необходимо, подбором R24 - на эмиттере VT8). Уменьшая сопротивление резистора R5, устанавливают стрелку измерителя РА1 на конечную отметку его шкалы (100 мкА). Подстроечным резистором R11 устанавливают показания цифрового вольтметра 100мВ. При необходимости уменьшают и сопротивление резистора R7. Наличие калибровочных резисторов позволяет быстро оценивать работоспособность налаженного прибора.

Необходимо определиться также с наладкой узла защиты РА1. В этой схеме имеются свои тонкости. Для того чтобы не устанавливать никаких дополнительных элементов - индикаторов включения прибора (непременно потребляющих электроэнергию, затраченное время и усложняющих схему), автор использовал "гистерезис" схемы защиты в плане индикации включения прибора. С помощью резистора R8 устанавливают ток срабатывания защиты 130... 150 мкА.

После срабатывания защиты (оба транзистора открыты) стрелка РА1 возвращается в некоторое среднее положение шкалы. Изменяя сопротивление R8, можно достичь такого включенного состояния транзистора VT2, что стрелку прибора РА1 удастся "затянуть" практически в любой рабочий участок шкалы РА1. Такое состояние схемы защитного узла оказывается весьма стабильным, не требующим никакой последующей подстройки. Во многом этому схема обязана использованию указанных типов транзисторов.

Положение стрелки в рабочем секторе не мешает измерениям, поскольку защита не при вязана к величине рабочего тока РА1. Закорачивание выводов Сх прибора или подсоединение исправного конденсатора Сх тут же вызывает установку стрелки в положение, соответствующее величине измеряемого сопротивления. И только завышенное значение тока через РА1 снова приводит защиту в действие. Такой замечательной защитой можно оснастить многие измерительные приборы. Защиту настраивают один раз и больше сопротивление резистора R8 не изменяют. Иначе потребуется дополнительная настройка прибора по причине изменения общего сопротивления резисторов R7 и R8.
Далее переводят переключатель SA1 в положение, соответствующее диапазону 1 Ом. Так же, как и при настройке прибора в диапазоне 10 Ом, но более тщательно, закорачивают выводы SA4. Несмотря на то, что в конструкции применены прецизионные калибровочные резисторы, их пришлось подбирать. Виной тому оказалось наличие значительного сопротивления, вносимого проводами и контактами SA4, SA 1.2. Поэтому в диапазоне 1 Ом при настройке замыкают контакты уже обоих выключателей (с кнопкой наладка неудобна, поэтому ее контакты закорачивали даже при настройке в диапазоне 10 Ом). Дело в том, что прибор легко фиксирует переходные сопротивления контактов выключателей SA1.2 и SA4.

В данной схеме практически никакой токовой нагрузки контакты SA1 и SA4 не несут. С этой целью и применен кнопочный вариант исполнения SA4, фактически исключающий подачу энергии неразряженного конденсатора Сх на эти переключатели. Это означает, что их переходные сопротивления будут долговременно стабильными. В результате их можно стабильно "нейтрализовать", уменьшив сопротивления R20, R21. В авторском варианте прибора параллельно R20 включен резистор 22 Ом (МЛТ-0,5) и параллельно R21 - резистор 130 Ом (МЛТ-0,5).

Регулировочные операции повторяют, чтобы обеспечить максимальную точность измерений на обоих диапазонах. Конечно, прибор не должен на разных диапазонах индицировать совершенно разные показания при одном и том же подключенном конденсаторе Сх. В диапазоне 1 Ом настройка требует установки напряжения на табло цифрового вольтметра 100 мВ с помощью подстроечного резистора R6. Поскольку этот резистор подключается параллельно резистору R5, то не следует забывать о зависимости наладки диапазона 1 Ом от наладки 10 Ом. Такой вариант коммутации проще схемотехнически и практически (вместо трех проводов к плате подходят только два). В последнюю очередь подбирают номинал резистора R9, с тем чтобы 100мВ на цифровом мультиметре соответствовало 10 В напряжения аккумулятора.

Модернизация прибора. Если прибор нужен только для стационарных условий эксплуатации, то СН из схемы удаляют. При исключении стрелочного измерителя РА1 схема также упрощается, элементы R8, VT1, VT2 убирают. Вместо резистора R8 устанавливают проволочную перемычку. Такой вариант (без измерителя РА1) позволяет немного снизить энергопотребление прибора за счет схемы детектора. После удаления стрелочной головки, учитывая большое входное сопротивление цифрового тестера, номиналы резисторов R7, R10, R11 увеличивают в 10 раз. Тем самым разгружают выход ИМС, что благоприятно сказывается на работе ИМС. Конденсатор С4 заменяют неэлектролитическим К10-17-2,2 мкФ. Впрочем, чтобы повысить надежность прибора, все электролитические конденсаторы впоследствии были заменены неэлектролитическими (К10-17-2,2 мкФ).

В случае совместного использования данного прибора с цифровым мультиметром, имеющим диапазон 0...200 мВ или 0...2000 мВ, легко расширить диапазон измеряемых сопротивлений "вверх", т.е. до 20 Ом. Нужно только заново подобрать номиналы элементов R7 и R10.

Уточнение. В спецификации примененных в приборе деталей, которая приведена в первой части статьи (РА 3/2005, с. 24, 3-я колонка, 3-й абзац сверху), сопротивление резисторов R19, R22 должно быть не 330 кОм, а 330 Ом. Приносим свои извинения.

Литература
1. Новаченко И.В. Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры. - М.: Радио и связь, 1989.
2. Зызюк А.Г. Особенности ремонта усилителей WS-701//Paдиоa-матор.-2004.-№6.-С.11-13.
3. Зызюк А.Г. Некоторые особенности ремонта СДУ//Радюаматор. -2004.-№7. С. 12-13.
4. Зызюк А.Г. Мини-дрель ремонтника и радиолюбителя//Радюама-тор.-2004.-№8.-С.20-21.
5. ЗызюкА.Г. Простой измеритель емкости//Радюаматор. - 2004. -№9. - С.26-28.
6. Зызюк А.Г. О простых и мощных стабилизаторах напряжения//Эле-ктрик.-2004.-№6.-С.10-12.
7. Зызюк А. Г. Генератор стабильного тока для зарядки аккумуляторов и его применение при ремонте и конструировании радиоэлектронных средств//Электрик. - 2004. - №9. - С.8-10.
8. Радюаматор. Лучшее за 10 лет (1993-2002). - К.: Радюаматор, 2003.Как сделать светодиодную лампу с питанием от 220 В

Надежность полупроводниковых приборов в современной аппаратуре возросла настолько, что на первое место по числу дефектов вышли оксидно-электролитические конденсаторы . Связано это с наличием в них электролита. Воздействие повышенной температуры, рассеивание в конденсаторе мощности потерь, разгерметизация в уплотнениях корпуса приводят к пересыханию электролита. Идеальный конденсатор при работе в цепи переменного тока имеет только реактивное (емкостное) сопротивление. Реальный же конденсатор, для рассматриваемого далее случая, можно представить в виде идеального конденсатора и соединенного с ним последовательно резистора. Этот резистор называют эквивалентным последовательным сопротивлением конденсатора (далее ЭПС, в англоязычной литературе можно встретить аналогичный термин с аббревиатурой ESR – Equivalent Series Resistance).

На начальной стадии возникновения дефектов в оксидных конденсаторах происходит завышение ЭПС конденсатора. Из-за этого повышается мощность потерь, нагревающая конденсатор изнутри. Эта мощность прямо пропорциональна ЭПС конденсатора и квадрату силы тока его перезарядки. В дальнейшем процесс быстро прогрессирует, вплоть до полной потери емкости конденсатором.

Появление дефектов в изделиях, где используются оксидные конденсаторы, может быть на разной стадии этого процесса. Все зависит от условий работы конденсатора, в том числе его электрических режимов и особенностей самого устройства. Сложность диагностики таких дефектов в том, что измерение емкости обычными приборами в большинстве случаев результатов не дает, так как емкость оказывается в пределах нормы или лишь незначительно занижена. Особенно требовательны к качеству оксидных конденсаторов источники питания с высокочастотными преобразователями, где такие конденсаторы использованы в качестве фильтров, и в цепях переключения силовых элементов на частотах до 100 кГц.

Возможность измерения ЭПС сделала бы реальной как выявление вышедших из строя конденсаторов (кроме короткого замыкания и утечки), так и раннюю диагностику еще не проявившихся дефектов аппарата. Для этого можно замерить комплексное сопротивление конденсатора на достаточно высокой частоте, на которой емкостное сопротивление значительно ниже допустимого ЭПС. Например, на частоте 100 кГц конденсатор емкостью 10 мкФ имеет емкостное сопротивление около 0,16 Ом, что уже достаточно малая величина.

Если подать сигнал такой частоты через токозадающий резистор на контролируемый конденсатор, напряжение на последнем будет пропорционально модулю его комплексного сопротивления. Источником сигнала может быть любой подходящий генератор, причем форма сигнала особой роли не играет, а резистором может служить выходное сопротивление генератора. Для измерения напряжения на конденсаторе можно использовать осциллограф или милливольтметр переменного тока. Так, при уровне выходного сигнала генератора 0,6 В, сопротивлении резистора 600 Ом на конденсаторе с ЭПС, равным 1 Ом, измеряемое напряжение будет около 1 мВ, а при сопротивлении резистора 50 Ом – 12 мВ.

Практика диагностики дефектов оксидно-электролитических конденсаторов путем измерения ЭПС показала, что в подавляющем большинстве случаев в дефектных конденсаторах емкостью от 10 до 100 мкФ оно заметно превышает 1 Ом. Критерий этот не строгий и зависит от нескольких факторов. Принято считать, что хорошие конденсаторы емкостью от 10 до 100 мкФ имеют ЭПС в пределах 0,3...6 Ом в зависимости от емкости и рабочего напряжения . Точность измерений для определения дефектных конденсаторов особой роли не играет. Вполне допустимой можно считать погрешность до 1,5...2 раз. Эти данные были использованы при разработке описываемого ниже прибора.

Кроме того, очень важна возможность измерений без демонтажа конденсаторов из устройства. Для этого необходимо, чтобы контролируемый конденсатор не был зашунтирован элементами с сопротивлением, близким к измеряемым значениям ЭПС, что в большинстве случаев выполняется. Полупроводниковые приборы влияния на результаты измерения не оказывают, так как измерительное напряжение на конденсаторе составляет единицы и десятки милливольт. Также желательно ограничить максимальное напряжение на щупах прибора значением 1...2 В и тока через них до 5...10 мА, чтобы не вывести из строя другие элементы устройства.

Что касается конструктивного оформления прибора, очевидно, он должен быть с автономным питанием и небольших размеров. Соединительные проводники и зажимы для подключения к проверяемым конденсаторам нежелательны. При работе с ними заняты обе руки, необходимо место для размещения самого прибора и приходится постоянно переводить взгляд с точек измерений на индикатор прибора.

Этим требованиям отвечает небольшой пробник с заостренными щупами.

Основные технические характеристики

Дополнительно пробник может быть использован для оценки емкости электролитических конденсаторов - в авторском варианте исполнения примерно от 15 до 300 мкФ (2 диапазона).

Принципиальная схема пробника изображена на рис. 1.

На элементе DD1.1 выполнен генератор прямоугольных импульсов (частотозадающие элементы R2, C2). Резистор R3 задает ток через тестируемый конденсатор Cx, с которого сигнал с уровнем, пропорциональным ЭПС контролируемого конденсатора, поступает на вход предварительного усилителя на транзисторе VT1. Стабилитрон VD1 ограничивает импульсы напряжения при подключении щупов прибора к неразряженным конденсаторам. Остаточные напряжения на них не более 25...50 В для прибора не опасны.

На микросхеме DA1 выполнен пятиступенчатый светодиодный индикатор уровня, такая микросхема используется в некоторых видеоплеерах. В составе микросхемы: усилитель входного сигнала, линейный детектор, компараторы со стабилизаторами тока на выходах. Соотношения уровней входного сигнала, при которых включается следующий компаратор, соответствуют -10; -5; 0; 3; 6 дБ. Таким образом, весь диапазон индикации охватывает 16 дБ. Для зажигания всех светодиодов на вход микросхемы DA1 (выв. 8) необходимо подать сигнал с уровнем около 170 мВ. RC-цепь, подключенная к выводу 7, определяет постоянную времени его детектора. Резистор R10 ограничивает потребляемый светодиодами ток. Критерии выбора его значения: необходимая яркость свечения светодиодов с одной стороны и потребляемый от источника питания ток с другой.

Возможность использования микросхемы на частотах вплоть до 100 кГц была определена экспериментально. Минимальное паспортное значение напряжения питания микросхемы – 3,5 В, однако проверка нескольких экземпляров показала их работоспособность до напряжения 2,7 В, при дальнейшем его снижении светодиоды перестают светиться. Это свойство используется для контроля за состоянием элементов питания пробника.

Контролируемое значение ЭПС прибор индицирует по принципу: чем ниже сопротивление, тем меньше число зажженных светодиодов.

При замыкании контактов выключателя SA1 параллельно конденсатору C2 подключают еще и конденсатор C1. Частота генератора при этом будет снижена примерно до 1800 Гц, поэтому уровень сигнала на выводах проверяемого конденсатора будет зависеть в основном от его емкости. Чем выше емкость, тем меньше число зажженных светодиодов. Следует заметить, что в этом режиме на показания пробника влияет и ЭПС конденсатора, поэтому диапазон контроля емкости отличается от расчетного.

В пробнике применены чип-резисторы и конденсаторы, но можно использовать и другие малых размеров. Конденсаторы C3 – C6, C8 – керамические импортные малогабаритные. Их емкость некритична. Светодиоды VD2 – VD6 – микропотребляющие, светятся достаточно ярко уже при токе 0,5...1 мА. Можно применить другие светодиоды красного свечения, удовлетворяющие указанному требованию, например, КИПД-05А.

Выключатель SA1 – малогабаритный движковый, SB1 и SB2 – кнопочные мембранные, без фиксации в нажатом положении. Транзистор VT1 можно заменить на КТ315, КТ3102 (с любыми буквенными индексами) с коэффициентом передачи тока более 100. Источником питания пробника служат два щелочных элемента LR44 (357, G13) типоразмера 11,6x5,4 мм.

Рабочую частоту генератора контролируют на выходе DD1.2. Она должна быть в пределах 60...80 кГц. При необходимости ее устанавливают подбором элементов R2 или С2. Не следует исключать или снижать сопротивление резистора R1. Иначе при манипуляциях с пробником возможно защелкивание элемента DD1.1 с неопределенным уровнем на выходе. Напряжение на коллекторе транзистора VT1 должно быть в пределах 1...2 В, его устанавливают подбором резистора R5.

Генератор пробника (на рис. 1 выделен пунктирной рамкой) может быть выполнен по схеме, изображенной на рис. 2. Микросхема КР1211ЕУ1 использованная в данном генераторе имеет меньшие размеры по сравнению с КР1554ТЛ3.

Калибруют пробник, подключая в режиме измерения ЭПС в диапазоне "1.2 – 7.5 Ом" (кнопка SB1 отжата) безиндуктивные (непроволочные) резисторы к щупам и подбирая резистор R3. Показания в диапазоне "0,3 - 1,8 Ом" корректируют подбором резистора R7 при нажатой кнопке SB1. Необходимый диапазон контроля емкости в замкнутом положении контактов выключателя SA1 устанавливают подбором конденсатора С1, подключая к щупам конденсаторы с известной емкостью.

Рисунок печатной платы не приводится ввиду достаточной простоты устройства прибора и нежелательности привязки конструкции к конкретному типу корпуса. Щупы изготовлены из жесткой стальной или латунной проволоки диаметром 1 мм, концы слегка изогнуты и заострены. Расстояние между щупами – 4 мм, это позволяет, с учетом размеров контактных площадок на печатной плате, проверять конденсаторы с расстоянием между выводами от 2,5 до 7,5 мм. Кажущиеся неудобства, связанные с ориентацией положения прибора относительно выводов конденсаторов, проходят через несколько дней пользования им.

При измерениях проверяемое изделие должно быть обесточено, конденсаторы, на которых могут сохраняться опасные напряжения, – разряжены. Щупы пробника нужно прижать к контактным площадкам платы, к которым припаян проверяемый конденсатор, и нажать на кнопку включения. Из-за переходных процессов кратковременно вспыхивают все светодиоды, после чего, по числу зажженных светодиодов можно оценить состояние конденсатора. Таким образом, время включения пробника для проверки одного конденсатора не превышает 1 с. Ориентировочно, для хороших конденсаторов емкостью от 22 мкФ и выше на рабочие напряжения до 100 В на 2-м диапазоне все светодиоды должны погаснуть. Конденсаторы меньшей емкости и на большее рабочее напряжение имеют более высокий ЭПС, поэтому могут светиться 1 – 3 светодиода.

Кнопка включения 1-го диапазона расположена рядом с кнопкой включения питания. При нажатии только кнопки включения питания контролируется ЭПС в диапазоне 1,2 – 7,5 Ом (в подавляющем большинстве случаев достаточно), при нажатии обеих кнопок – в диапазоне 0,3 – 1,8 Ом (конденсаторы в ответственных узлах и относительно большой емкости). Как показала практика, это намного удобнее, чем использовать переключатель пределов с фиксированным положением.

Критерии оценки пригодности оксидных конденсаторов зависят от выполняемых ими функций в узлах аппарата, электрических режимов, условий работы. Наиболее ответственные узлы: цепь управления ключевым транзистором в источниках питания с высокочастотным преобразованием, фильтры в таких источниках, в том числе с питанием от трансформатора строчной развертки телевизоров и мониторов, фильтр в цепи питания раскачки транзистора строчной развертки и т. п. Чем выше рабочая частота и токи перезарядки, тем качественнее должны быть используемые конденсаторы.

В вышеуказанных цепях следует использовать конденсаторы с температурным диапазоном до 105° С, имеющие значительно меньший ЭПС и более высокую надежность при повышенной температуре. При отсутствии под рукой таких элементов желательно оксидные конденсаторы шунтировать керамическими конденсаторами емкостью 0,33 – 1 мкФ. Иногда такие конденсаторы устанавливает производитель аппарата. Они могут исказить показания пробника в режиме измерения ЭПС (емкостное сопротивление конденсатора в 1 мкФ на частоте 80 кГц – около 2 Ом).

Случается, что дефектные конденсаторы, после выпаивания их из платы, при прозвонке прибором могут быть определены как исправные. Видимо, это связано с воздействием высокой температуры при демонтаже. Устанавливать такие конденсаторы обратно в устройство нет смысла – дефект рано или поздно возникнет снова. Это еще один довод в пользу проверки конденсаторов без их демонтажа.

Прибор создавался как "рабочая лошадка", которым удобно пользоваться практически в любых условиях, не имеет излишеств и предназначен не настолько для измерений, насколько для определения по принципу годен – негоден. Поэтому в сомнительных и особо ответственных случаях следует дополнительно проверить конденсаторы доступными способами или заменить их на заведомо исправные.

Эксплуатация 2-х вариантов пробника в условиях мастерской по ремонту телевизоров в течение 2 лет показала оптимальность их метрологических параметров и выбранного типа индикации. Резко повысилась производительность при диагностике, особенно в аппаратах, отработавших более 5 – 7 лет, появилась возможность ранней диагностики дефектов, связанных с постепенным ухудшением состояния оксидных конденсаторов. Ресурса элементов питания пробника хватает на 6 – 10 месяцев достаточно интенсивной эксплуатации.

В режиме контроля емкости на щупах прибора присутствует сигнал звуковой частоты. Его можно использовать для прозвонки акустических излучателей или для проверки прохождения сигнала в усилителях ЗЧ.

Источники

1. Омельяненко А. Измеритель ESR электролитических конденсаторов. - Ремонт электронной техники, 2002, № 2, с.37.
2. Чулков В. Прибор для проверки ESR электролитических конденсаторов. - Ремонт электронной техники, 2002, № 6, с.32.
3. Хафизов Р. Пробник оксидных конденсаторов. - Радио, 2003, № 10, с. 21.

Список радиоэлементов