Измеритель емкости и ЭПС конденсаторов

Рейтинг: 0 / 5

Подробности: Категория: Измерители LCR; Опубликовано: 18.03.2017 12:15; Просмотров: 6928

Понравилась статья - поделись с друзьями

В. КЕЛЕХСАШВИЛИ, г. Волгодонск Ростовской обл.
Известно немало радиолюбительских конструкций измерителей как емкости, так и ЭПС конденсаторов. Однако большинство из них способны измерять только один из этих важных параметров. Вниманию читателей предлагается несложный прибор, измеряющий их одновременно. Это позволяет быстро и комплексно оценить исправность конденсатора и убедиться в его пригодности к использованию в том или ином изделии.

Еще несколько лет назад основным параметром, по которому радиолюбители оценивали исправность оксидных конденсаторов, было соответствие их фактической емкости номинальной. Но по мере все большего распространения импульсных блоков питания стало очевидно, что нужно проверять и ЭПС таких конденсаторов, особенно тех, через которые по условиям эксплуатации должен протекать значительный переменный ток.
Повышенное значение ЭПС приводит, например, к увеличенной по сравнению с расчетным значением амплитуде пульсаций выходного напряжения выпрямителя. Особенно важно применять конденсаторы с низким ЭПС в мощных импульсных преобразователях напряжения. Здесь они работают на сравнительно высокой частоте при

больших значениях тока зарядки и разрядки.
Поскольку ЭПС активно, на нем при протекании тока выделяется тепло, что приводит к повышению температуры конденсатора и к значительному снижению его надежности. Известны случаи, когда в перегревшемся конденсаторе электролит закипал, под давлением выделяющегося газа его корпус деформировался и даже происходил взрыв.
Составляющие ЭПС конденсатора — омическое сопротивление его выводов,
обкладок, контактов между ними. В оксидных конденсаторах к этому добавляется объемное сопротивление электролита или полупроводниковой массы, заполняющей конденсатор. С течением времени ЭПС оксидного конденсатора увеличивается, поскольку ухудшается контакт между выводами и обкладками, а жидкая основа электролита испаряется. Минимальное значение емкости, которое способен измерить этот прибор — 0,1 мкФ. Теоретический верхний предел — 338292 мкФ при нулевом ЭПС и 682071 мкФ при ЭПС 20 Ом. В приборе предусмотрены пять поддиапазонов измерения емкости, переключаемых автоматически. Максимальное напряжение, прикладываемое к конденсатору в процессе измерения, — около 0,3 В. Результаты измерения выводятся на двухстрочный ЖКИ, причем для емкости
более 99999 мкФ цена старшего разряда индикатора — 0,1 Ф. ЭПС измеряется в интервале 0,01...20 Ом.
Питать прибор можно как от гальванической или аккумуляторной батареи напряжением 9 В, так и от другого источника постоянного напряжения 6,5... 15 В. Потребляемый ток в режиме ожидания 19 (31)мА, при выполнении измерения 28 (39) мА. Значения в скобках — при включенной подсветке. Для экономии энергии батареи предусмотрено автоматическое выключение прибора
Имеется возможность соединять прибор с СОМ-портом компьютера и обрабатывать получаемую от него информацию с помощью специально разработанной программы С ESR Master.
Наиболее часто применяемый способ измерения емкости основан на определении продолжительности зарядки конденсатора до известного напряжения с последующим вычислением емкости по формуле

где t — время зарядки конденсатора током I до напряжения U. Но при использовании этого способа на результат может существенно повлиять ЭПС конденсатора. Например, при 1=10 мА, U=1 В и Рэп=20 Ом окончание зарядки будет зафиксировано при напряжении на собственно конденсаторе 0,8 В, поскольку 0,2 В упадет на его ЭПС. Измеренное значение емкости будет существенно занижено.
Способ, использованный в предлагаемом приборе, представляет собой усовершенствованный вариант описанного. Измеряются два интервала времени t, и t2, в течение которых напряжение между обкладками конденсатора при его зарядке неизменным током I достигает значений соответственно U и U2. Все эти величины значения связаны с параметрами конденсатора следующим образом:
U1 = I(Rэп + t1/C); U2 = |(Rэп + t2/c).
Зная их, можно независимо вычислить емкость и ЭПС конденсатора:

Схема прибора показана на рис. 1. Его основа — микроконтроллер DD1, работающий по программе, коды которой приведены в приложенном к статье файле C_ESR_meter.hex. Их загрузку впамять микроконтроллера можно выполнить с помощью программы Pony-Prog (http://www.lancos.com). Конфигурация микроконтроллера должна соответствовать показанному на рис. 2 фрагменту окна "Configuration and Security Bits" программы PonyProg. Тактовый генератор микроконтроллера работает с внешним кварцевым резонатором ZQ1 Это обеспечивает необходимую точность программного измерения интервалов времени.
Если вместо ЖКИ MT-08S2A (две строки по восемь символов) в приборе будет использован аналогичный, но нерусифицированный модуль, в программную память микроконтроллера следует загружать коды из файла C_ESR_Meter_Eng.hex, в результате вся информация станет выводиться на табло ЖКИ на английском языке

Программа микроконтроллера написана на языке ассемблера AVRASM, входящего в состав среды разработки и отладки программ AVR Studio 4.16. Исходный текст программы C_ESR_meter. asm (C_ESR_Meter_Eng.asm — англоязычная версия) содержит подробный комментарий. Для успешной компиляции программы необходим файл tn2313def.inc, содержащий описания ресурсов микроконтроллера ATtiny2313. Он тоже имеется в среде разработки.
После подачи питания линии портов ввода/вывода микроконтроллера конфигурируются следующим образом: PDO и PD4 — выходы управления генераторами соответственно большого (Iб=7,69 мА) и малого (IМ=0,513 мА) тока зарядки измеряемого конденсатора; PD1 — выход передатчика (TXD) модуля USART, обеспечивающего связь с компьютером; PD2 и РDЗ — входы запросов прерывания; PD5 — выход управления транзистором VT3, разряжающим измеряемый конденсатор; PD6 — вход сигнала от кнопки SB3; РВО — выход сигнала управления питанием; РВ1 — инвертирующий вход встроенного в микроконтроллер аналогового компаратора; РВ2—РВ7 — выходы сигналов управления ЖКИ HG1.
Неинвертирующий вход аналогового компаратора программно подключен к встроенному в микроконтроллер источнику образцового напряжения 1,0... 1,2 В. Модуль USART программа настраивает на работу в асинхронном режиме со скоростью 9600 бит/с при восьми информационных и одном стоповом разряде без контроля четности Информация пересылается только в направлении от прибора к компьютеру.
Узел питания прибора состоит из аккумуляторной батареи GB1, гнезда XS1 для подключения внешнего источника питания, транзисторов VT4 и VT5. интегрального стабилизатора DA2, кнопок SB1 (включение прибора) и SB2
(его выключение), а также связанных с этими элементами резисторов и конденсаторов. Подаваемое на вход РВ1 микроконтроллера напряжение с выхода резистивного делителя R16R17 предназначено для программного контроля напряжения питания .
Диоды VD3, VD4 служат для защиты прибора от повреждения в случае подключения к нему для измерения заряженного конденсатора. Компараторы DA1.1 и DA1.2 сравнивают напряжение на измеряемом конденсаторе с заданными делителем из резисторов R6, R9, R10 пороговыми значениями U1 и U2. Подстроечным резистором R19 регулируют контрастность изображения на табло ЖКИ, а резистор R20 ограничивает ток в цепи его подсветки. Выключателем SA2 подсветку включают и выключают. Кнопка SB3 — внесение поправки в результаты измерения и ее исключение, переход в режим отладки
Транзисторный оптрон U1 согласует уровни сигналов микроконтроллера и СОМ-порта компьютера, одновременно обеспечивая их гальваническую развязку. Для питания этого узла со стороны компьютера используется импульсное напряжение на линии TXD СОМ-порта, формируемое при работе программы С ESR Master. Это напряжение выпрямляет диод VD5 и сглаживает конденсатор С9 Резистор R18 — коллекторная нагрузка фототранзистора оптрона. При разомкнутом выключателе SA1 связь с компьютером отсутствует.
Для снижения погрешности малые значения емкости (0.1... 150 мкФ) измеряют при малом токе зарядки (IM). Генератор этого тока собран на элементах VT2, VD2, R2, R4 Он включен при низком логическом уровне напряжения на выходе PD0 микроконтроллера. Измерение ЭПС при таком токе оказывается недостаточно точным за счет влияния утечки тока через диод VD3 и входные цепи компараторов DA1.1, DA1.2. По этой причине ЭПС конденсаторов любой емкости измеряется при увеличенном токе зарядки (Iб), генератор которого состоит из элементов VT1, VD1, R1, R3 и включается низким уровнем на выходе PD4 микроконтроллера. Стоит отметить, что на результат измерения емкости эта утечка влияет значительно меньше. Однако, чтобы предотвратить раннее переполнение программного счетчика времени, емкость более 150 мкФ измеряется при токе зарядки Iб.
Включают прибор нажатием на кнопку SB 1, при этом с выхода стабилизатора DA2 напряжение питания поступает на микроконтроллер DD1 Он начинает работать и по окончании предварительных операций устанавливает на выводе 12 низкий логический уровень. Транзистор VT4 открывается, что приводит и к открыванию полевого транзистора VT5. Зашунтировав кнопку SB1, он удерживает прибор включенным и после ее отпускания.
Для выключения прибора нажимают на кнопку SB2. Закрывшийся транзистор VT5 разомкнет минусовую цепь батареи GB1 или подключенного к гнезду XS1 внешнего источника питания. Кнопку следует удерживать нажатой не менее 0,5 с, пока не разрядятся конденсаторы узла питания. Выключение происходит автоматически, без нажатия на кнопку SB2 при одном из следующих условий (в скобках указано время, в течение которого условие должно оставаться выполненным):
— к гнездам XS2, XS3 не подключен измеряемый конденсатор (4,5 мин);
— напряжение питания микроконтроллера упало ниже 5 В (2...4 мин);
— гнезда XS2, XS3 замкнуты или ем-
кость подключенного к ним конденсатора превышает верхний предел измерения (50 с).
На результат измерения (особенно малых значений емкости) оказывают влияние такие факторы, как задержка переключения транзистора VT3, сопротивление его канала в открытом состоянии, емкость между стоком и истоком, а также задержка срабатывания компараторов DA1.1, DA1.2. Чтобы снизить влияние этих факторов, в программе предусмотрена возможность внести поправки в результаты измерения интервалов времени.
Чтобы сделать это, необходимо нажать на кнопку SB3 в отсутствие подключенного к прибору измеряемого конденсатора. Пока она нажата, на индикатор выводятся значения измеренных микроконтроллером в периодах повторения счетных импульсов интервалов времени от момента включения зарядного тока до срабатывания компараторов DA1.1 и DA1.2. После отпускания кнопки на индикаторе появится сообщение о том, что поправки внесены. Их значения микроконтроллер сохранит в энергонезависимой памяти. Они продолжат действовать и после выключения и повторного включения прибора.
Если по какой-либо причине требуется поправки отменить, достаточно повторно нажать на кнопку SB3 (при отключенном конденсаторе). По завершении операции на табло ЖКИ будет выведено подтверждающее сообщение.
При желании, нажав на кнопку SB3 во время измерения параметров конденсатора и удерживая ее, можно увидеть на табло ЖКИ выраженные в периодах счетных импульсов таймера микроконтроллера значения продолжительности зарядки этого конденсатора до уровней срабатывания компараторов DA1.1 и DA1.2. Они выводятся однократно и не меняются до отпускания кнопки, после чего прибор возвращается в обычный режим. Ввиду особенностей реализации алгоритма измерение параметров одного и того же конденсатора емкостью менее 150 мкФ может происходить при различной частоте счетных импульсов. Поэтому численные значения продолжительности интервалов зарядки, выводимые на табло при нескольких нажатиях на кнопку SB3, могут не совпадать.
В случае замыкания в конденсаторе либо в измерительной цепи, а также при емкости конденсатора, превышающей верхний предел измерения, по завершении попыток выполнить измерение на ЖКИ будет выведено соответствующее сообщение. Если напряжение питания микроконтроллера опустится ниже допустимого, на ЖКИ появится просьба заменить батарею питания.
Прибор собран на односторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита (рис. 3). Для микроконтроллера на плате предусмотрена панель. Все постоянные резисторы — МЛТ или им подобные. Подстроечный R19 — СПЗ-386. Оксидные конденсаторы С1, СЗ, С9 — К50-35 или импортные, причем конденсатор С9 должен быть малогабаритным, с уменьшенной высотой корпуса. Остальные конденсаторы — керамические К10-17 или импортные.
В качестве гнезда XS1 (под штекер "mini-jack" диаметром 3,5 мм) использован разъем ОНп-ВГ-67. XS2, XS3 — приборные клеммы КП-1. XS4 — розетка DB-9F. Кнопки SB1—SB3 — ТС-0403 с толкателем высотой 1,5 мм. Кнопочные выключатели SA1, SA2 — PS700L.
Выводы выключателей и кнопок вставлены в предназначенные для них отверстия платы со стороны печатных проводников, загнуты и соединены проволочными перемычками с соответствующими контактными площадками. Эти перемычки изображены на рис. 3 малиновыми линиями. На плате имеется и несколько других проволочных перемычек, причем две самые длинные из них следует выполнять изолированным проводом.
Провода, соединяющие плату с выводами ЖКИ, вставлены в отверстия, обозначенные номерами или буквами А,К (они совпадают с обозначениями выводов индикатора), которым во избежание путаницы предшествует буква Н. Они припаяны к соответствующим контактным площадкам платы. Контакты розетки XS4 соединяют проводами с контактными площадками, обозначенными RXD, TXD и SG, а саму розетку монтируют на боковой стенке корпуса.
Прибор собран в корпусе мультиметра серии 830. Вид на его монтаж при снятой задней крышке корпуса показан на фотоснимке рис. 4.
При необходимости замены микроконтроллера ATtiny2313 на ATtiny2313V необходимо учитывать, что последний работает на тактовой частоте не выше 10 МГц. Кроме установки кварцевого резонатора на эту частоту, потребуется и корректировка программы. Снижение тактовой частоты приведет к снижению точности измерения малых значений емкости.
Оптрон РС123 смогут заменить TIL191 или TLP521. Стабилитроны КС133Г — другие с напряжением стабилизации 3,3...3,6 В и минимальным током стабилизации не более 1 мА. Диод КД522Б — любые серий КД521, КД522 или импортный аналог 1 N4148, Сдвоенный компаратор LM393N может быть заменен отечественным КР1401 СА3А, а интегральный стабилизатор LM78L05 — КР1157ЕН502 или ему подобным. Вместо транзисторов КТ3107Л пригодны и другие той же серии, а вместо полевого транзистора КП505А — КП505Б, КП505В, BSS295.

Выбор транзистора IRF530 (VT3) обусловлен наиболее оптимальным, по мнению автора, соотношением его параметров: сопротивление открытого канала менее 0,16 Ом, относительно небольшие (десятки наносекунд) задержки переключения. Низкое пороговое напряжение (2...4 В) дает возможность управлять этим транзистором непосредственно от микроконтроллера. Он дешев и доступен.
При подборе ему замены следует ориентироваться на указанные выше параметры, обращая первостепенное внимание на задержки переключения и емкость сток— исток. Не стоит гнаться за малым сопротивлением открытого канала и особо низким пороговым напряжением. Преимущество следует отдать транзистору, при использовании которого значения поправок, вносимых прибором в результат измерения, окажутся меньшими.
Налаживание прибора начинают с подборки резисторов R1, R3 для установки тока зарядки измеряемых конденсаторов (IM ~ 0,5 мА, Iб= 8 мА). Это делают, не устанавливая в панель микроконтроллер. Между гнездами XS2 и XS3, соблюдая полярность, включают миллиамперметр. Чтобы измерить ток IM, устанавливают перемычку между гнездами 2 и 10 панели микроконтроллера, а чтобы измерить ток Iб — между ее гнездами 8 и 10. Затем, нажав и удерживая кнопку SB1, считывают показания миллиамперметра. Результаты должны содержать не менее трех значащих цифр.
Затем, подбирая резисторы R6, R9 и R10, устанавливают на неинвертирующем входе компаратора DA1.1 напряжение 0,3 В (U2), а на таком же выводе компаратора DA1.2 — около 0,15 В (U1). Эти значения необходимо знать с точностью, не меньшей, чем ток зарядки.
По результатам выполненных измерений и известной частоте кварцевого резонатора FKB рассчитывают константы, которые микроконтроллер будет использовать для вычисления значений емкости и ЭПС:

Константы нужно округлить до целых чисел, записать в исходный текст программы, откомпилировать его и загрузить полученный НЕХ-файл в программную память микроконтроллера. Запрограммированный микроконтроллер устанавливают в панель.
Если описанные выше операции не выполнять, а загрузить в микроконтроллер коды из приложенного к статье НЕХ-файла, прибор, конечно, работать

будет. Но погрешность выполняемых им измерений может оказаться неприемлемо большой.
Подбирая резисторы R16 и R17, устанавливают порог срабатывания сигнализации о разрядке батареи питания. От номинала резистора R20 зависит яркость подсветки табло индикатора HG1.
Сравнение результатов измерения емкости конденсаторов описанным прибором и мультиметром VC97 (с паспортной погрешность ±3,5 %) дало относительную среднеквадратическую разность измеренных ими значений около 3 %, причем мультиметр всегда показывал емкость больше, чем проверяемый прибор. Достоверно оценить погрешность измерения ЭПР не представилось, к сожалению, возможным.
Как уже было сказано, прибор можно подключать к персональному компьютеру. Программа С ESR Master для работы с ним разработана с помощью бесплатно распространяемого конструктора программ Hight Assembler, сокращенно HiAsm (автор Dilma, сайт разработчика http://www.hiasm.com). Использовались также стандартные компоненты HiAsm (версия 4.02 b179) и входящий в состав пакета HiAsm компилятор Free Pascal.
Установка программы выполняется обычным образом, наличие прав администратора не требуется. Не требуется и установка каких-либо дополнительных драйверов. Работа программы проверена в операционной системе Windows ХР SP3.
Окно программы С ESR Master показано на рис. 5. Помимо дублирования выведенных на ЖКИ прибора измеренных значений емкости и ЭПС вычисляются и отображаются тангенс угла потерь измеряемого конденсатора на заданной пользователем частоте и отклонение его емкости от двух ближайших номиналов из стандартного ряда Е12.
Большую часть окна занимает справочная таблица с типичными значениями ЭПС исправных конденсаторов. В ней автоматически выделяется строка, соответствующая наиболее близкому к измеренному стандартному значению емкости. При желании таблицу можно изменить или дополнить предусмотренными в программе средствами. Такая же таблица наклеена на переднюю панель прибора.
Движком "Пауза" изменяют продолжительность пауз между сеансами передачи по линии СОМ-порта TXD сигналов, подзаряжающих конденсатор С9 прибора. Его устанавливают в положение, соответствующее наиболее устойчивому приему компьютером информации, передаваемой прибором.
Учтите, что при деинсталляции программы С ESR Master файлы, хранящие сделанные пользователем настройки программы и созданные им справочные таблицы, с жесткого диска компьютера автоматически не удаляются.
Программа микроконтроллера прибора и компьютерная программа С ESR Master скачать