Измеритель емкости неполярных конденсаторов своими руками. Измеритель емкости конденсаторов своими руками. Описание и настройка устройства. Самодельный С - метр
В последнее время в радиолюбительской и профессиональной литературе очень много внимания уделяется таким устройствам как электролитические конденсаторы. И не удивительно, ведь частоты и мощности растут «на глазах», и на эти конденсаторы ложится огромная ответственность за работоспособность как отдельных узлов, так и схемы в целом.
Хочу сразу предупредить, что большинство узлов и схемных решений было почерпнуто из форумов и журналов, поэтому я никакого авторства со своей стороны не заявляю, напротив, хочу помочь начинающим ремонтникам определиться в бесконечных схемах и вариациях измерителей и пробников. Все предоставленные здесь схемы были не однократно собраны и проверены в работе, и сделаны соответствующие выводы по работе той или иной конструкции.
Итак, первая схема, ставшая чуть ли не классикой для начинающих ESR Метростроителей «Манфред» - так ее любезно называют форумчане, по имени ее созидателя, Манфреда Луденса ludens.cl/Electron/esr/esr.html
Её повторили сотни, а может и тысячи радиолюбителей, и остались в основном довольны результатом. Основное его достоинство, это последовательная схема измерения, благодаря чему, минимальному ESR соответствует максимальное напряжение на шунтовом резисторе R6, что, в свою очередь полезно сказывается на работе диодов детектора.
Эту схему я сам не повторял, но пришел к аналогичной путем проб и ошибок. Из недостатков можно отметить «гуляние» нуля от температуры, и зависимость шкалы от параметров диодов и ОУ. Повышенное напряжение питания, требуемое для работы прибора. Чувствительность прибора можно легко повысить, уменьшив резисторы R5 и R6 до 1-2 ома и, соответственно увеличив усиление ОУ, возможно придется его заменить на 2 более скоростных.
Мой первый пробник ЕПС, исправно работающий по сегодняшний день.
Схемы не сохранилось, да ее и можно сказать и не было, собрал со всего миру по нитке, то что меня устраивало схемотехнически, правда, за основу была взята такая вот схема из журнала радио:
Были произведены следующие изменения:
1. Питание от литиевого аккумулятора мобильника
2. исключен стабилизатор, так как пределы рабочих напряжений Литиевого Аккумулятора довольно узкие
3. трансформаторы TV1 TV2 шунтированы резисторами 10 и 100 Ом, для уменьшения выбросов при измерении малых ескостей
4. Выход 561лн2 был буферизирован 2мя комплементарными транзисторами.
В общем получился такой вот девайс:
После сборки и калибровки данного девайса были тут-же отремонтированы 5 цифровых телефонных аппаратов «Мередиан», которые уже лет 6 лежали в коробке с надписью «безнадежные». Все в отделе начали делать себе аналогичные пробнички:).
Для большей универсализации, мною были добавлены дополнительный функции:
1. приемник инфрокрасного излучения, для визуальной и слуховой проверки пультов ДУ, (очень востребованная функция для ремонтов телеков)
2. подсветка места касания щупами конденсаторов
3. «вибрик» от мобилки, помогает локализовать плохие пайки и микрофонный эффект в деталях.
Видео проверки пульта
А недавно на форуме «radiokot.ru» господин Simurg выложил статью посвященную аналогичному прибору. В нем он применил низковольтное питание, мостовую схему измерения, что позволило измерять конденсаторы со сверхнизким уровнем ESR.
Его коллега RL55 взяв схему Simurg за основу, предельно упростил приборчик, по его заявлениям не ухудшив параметры. Его схема выглядит вот так:
Прибор ниже, мне пришлось собирать на скорую руку, как говорится «по нужде». Был в гостях у родственников,так там телевизор сломался, никто не мог его отремонтировать. Вернее ремонтировать удавалось, но не более чем на неделю, все время горел транзистор строчной развертки, схемы телевизора не было. Тут вспомнил, что видел на форумах простенький пробничек, схему помнил наизусть, родственник тоже немного занимался радиолюбительством, аудио усилители «клепал», поэтому все детали быстро нашлись. Пару часов пыхтения паяльником, и родился вот такой приборчик:
Были в 5 минут локализованы и заменены 4 подсохших електролитика, которые мультиметром определялись как нормальные, выпито за успех некоторое количество благородного напитка. Телек после ремонта уже 4 года работает исправно.
Прибор этого типа стал как панацея в трудные минуты, когда нет с собою нормального тестера. Собирается быстро, производится ремонт, и напоследок торжественно дарится хозяину на память, и, «на случай чего». После такой церемонии душа платящего как правило раскрывается вдвое, а то и втрое шире:)
Захотелось чего-то синхронного, начал думать над схемой реализации, и вот в журнале «Радио 1 2011», как по мановению вошебнлй палочки опубликована статья, даже думать не пришлось. Решил проверить, что за зверь. Собрал, получилось вот так:
Особого восторга изделие не вызвало, работает практически как и все предыдущие, есть, конечно разница в показаниях в 1-2 деления, в определенных случаях. Может его показания и более достоверны, но пробник есть пробник, на качестве дефектации это почти никак не отражается. Тоже снабдил светодиодом, чтобы смотреть «куда суешь?».
В общем, для души и ремонтов делать можно. А для точных измерений надо поискать схему измерителя ESR посолиднее.
Ну, и на последок на сайте monitor.net, участник buratino выложил простейший проект, как из обычного дешевого цифрового мультиметра можно сделать пробник ESR. Проект так меня заинтриговал, что решил попробовать, и вот что у меня из этого вышло.
Корпус приспособил от маркера
Данный прибор уже 8 лет используется для ремонта телевизоров и показал себя с самой лучшей стороны. В приборе использованы микросхемы КМОП, которые еще у многих пылятся в старых запасах. Это, а также применение ЖК - индикатора ИЖЦ5-4/8 позволило довести потребляемый ток до 10 мА и питать прибор от батареи типа "Крона". Размеры прибора позволяют разместить его в корпусе от мультиметра типа D-830 и т.п. Несмотря на относительно большое количество микросхем, общая стоимость деталей (по прайсам известных Интернет-магазинов) не превышает стоимости только одного современного LCD индикатора типа 8x2 или 16x1 и т.п.
На микросхемах DA1 и DA2 собран преобразователь Емкость-Время (рис.1) - разновидность известного мультивибратора на ОУ, далее будем его называть ПЕВ. На ОУ DA1.1 реализована искусственная “земля” (средняя точка) для аналоговой части. На ОУ DA2 и DA1.2 собран собственно преобразователь. Период следования импульсов определяется выражением T=2*R7*Cx*(1+ln(2*R3/R5)). Из формулы видно, что период мало зависит от дестабилизирующих факторов, таких как напряжение питания, температура (резисторы лучше выбрать термостабильные) и т.д. и может быть достаточно высоким. Амплитуда напряжения на измеряемой емкости составляет Uc=Ud*(R3/(R3+R5)), (где Ud-прямое напряжение на диоде) и не превышает 0.1 Вольт, что позволяет измерять емкость не выпаивая ее из схемы, так как при таком напряжении все полупроводниковые переходы закрыты. Применение в качестве DA2 микросхемы КР544УД2 позволило уменьшить погрешность прибора при измерении малых емкостей. Для защиты DA2 при подключении заряженного конденсатора введены элементы VD3, VD4, R4, причем, диоды выбраны со значительным допустимым однократным импульсным током, а резистор мощностью не менее 0.5 Вт. С вывода 6 DA2 импульсы с периодом, пропорциональным емкости измеряемого конденсатора, поступают на блок управления.
Блок управления реализован на микросхемах DD1 – DD4. Импульсы от ПЕВ, через инвертор на DD3.1, поступают на счетный вход С D-триггера DD2.2. На вход С другого триггера микросхемы поступают секундные импульсы. Логика работы и соединение триггеров между собой таково, что на инверсном выходе DD2.2 присутствует низкий уровень длительностью равной периоду ПЕВ(время счета) и высокий – длительностью, равной примерно 1 сек (время индикации). С прямого же выхода (вывод 1) через элементы C10, R15 короткий импульс сбрасывает счетчики в 0 в начале каждого измерительного периода. Элемент 2ИЛИ-НЕ DD3.4 пропускает импульсы образцовой частоты 32768 Гц на вход счетчика только в течении времени счета. На микросхеме DD1 собран кварцевый генератор образцовой частоты, которая поступает на вывод 6 DD3.4 с выходного буфера (вывод 12). С нее же секундные импульсы поступают с вывода 5 на счетный вход триггера DD2.1, а также снимаются импульсы частотой 63 Гц (рабочая частота индикатора). ЖК индикатор не допускает подачи на него постоянного напряжения, поэтому в данном устройстве на индикатор подается переменное напряжение частотой 63 Гц, а включение сегментов осуществляется фазовым методом (если на сегмент подается сигнал такой же фазы, что и на общий вывод индикатора, то сегмент погашен, если же в противофазе – сегмент включен). Для управления запятыми применены элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ микросхемы DD4. На один из входов элементов DD4.2, DD4.3, DD4.4 подается сигнал 63 Гц (в противофазе к общему индикатора). Каждый элемент, при подаче на другой вход логического 0, повторяет на выходе импульсы (запятая индицируется), а при подаче логического 1 – инвертирует (запятая погашена). DD4.2 управляет запятой 3-го (от старшего к младшему) разряда, которая нормально включена. На элементе DD4.1 реализован RS-триггер, на выходе которого устанавливается лог.1 путем подачи на вывод 5 короткого положительного импульса через элементы C8, R10, VD5 в начале каждого интервала измерения. При переполнении счетчика, отрицательный перепад с выхода старшего разряда счетчика, через инвертор DD3.2 и дифференцирующую цепочку C9, R12 , воздействует на вывод 6 DD4.1 и переводит его выход в 0. Если на месте DD4 будет использоваться микросхема более быстродействующей серии, возможно, для правильной работы DD4.1 придется уменьшить номинал R12 для укорачивания импульса на выводе 6. В случае установления на выводе 6 DD4.1 логического 0, через элемент DD4.4 включается запятая младшего разряда, индицируя переполнение.
На элементах DD4.4, VD6, R14 выполнен индикатор разряда батареи. При уменьшении напряжения ниже 7В, на выводе 12 DD4.4 устанавливается низкий уровень и “зажигаются” запятые 1-го и 2-го разрядов, тем самым сигнализируя о разряде батареи. Элемент DD3.3 играет роль буфера-инвертора.
На микросхемах DD5-DD8 выполнен счетчик импульсов с выводом на ЖК-индикатор. При подаче на вывод 6 счетчика импульсов 63 Гц той же фазы, что и на индикатор, на выходах присутствуют импульсы с фазой, зависящей от включения сегмента и на индикаторе видно соответствующую цифру.
В приборе не предусмотрено переключения пределов измерения, однако, при необходимости измерения емкостей до 10000 мкф, можно навесным монтажом ввести еще один счетчик и переключатель по схеме, изображенной на рис.6. Для этого необходимо удалить перемычку, соединяющую вывод 4 элемента DD3.4 и 4-й же вывод микросхемы DD5 и соответственно между этими точками переключателем S2 подключается счетчик DD9. Вторая группа контактов подачей логического 1 на вывод 9 DD4.2 отключает индикацию запятой 3-го разряда (на печатной плате для этого предусмотрен контакт, обозначенный “х”). Следует отметить, что при измерении емкостей свыше 1000 мкФ, считывание показаний становится не совсем удобным из-за заметности “бега” показаний в период счета. Однако, при этом, показания вполне можно прочесть безошибочно.
Ниже привожу еще один способ увеличения верхнего предела до 10000 мкФ, который, пожалуй, самый простой, какой может быть. Параллельно резистору R7 подключается дополнительный с сопротивлением 85.3 Ома, снижая его сопротивление до 76.7 Ома, то есть в 10 раз. У этого способа свои преимущества и недостатки. Преимущества: простота, минимальные затраты, не меняется максимальное время измерения (0.3 сек). Недостаток один - при таком увеличении предела, становится гораздо заметнее зависимость результата от ESR конденсатора (правда этот недостаток может стать достоинством, если прибор используется для поиска неисправных конденсаторов). Уже ESR, равный 0.5-1 Ом, приводит к серьезному снижению показаний. В данном случае, возможно придется отказаться от защитного резистора R4, что повысит опасность порчи DA2 при подключении к прибору заряженного конденсатора. Выбор способа остается за читателем.
Практически все детали устройства размещены на односторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1мм размерами 60х95 мм, которая представлена во вложенном файле (также в формате ). Индикатор установлен поверх микросхем К176ИЕ4 на колодках, которые изготовляются из розетки для микросхем с 40 выводами и шагом 2.5 мм. Розетка делится вдоль на 2 части (получаются две узкие однорядные колодки) и каждая укорачивается до 17 контактов. Выводы индикатора формуются в виде буквы “Г” с расстоянием межу загибами, равным 35 мм.
Сначала следует впаять перемычки и дискретные элементы, а потом уже микросхемы и колодки для индикатора. Перемычки изготовляются из луженого провода диаметром 0.3-0.5 мм. Все резисторы, кроме R4, применены типа МЛТ-0.125. Конденсаторы, керамические и электролитические, применены малогабаритные. Стабилитрон можно применить импортный на 3.3 В. Диоды VD1, VD2, VD5 любые из серий КД521, КД522. Диоды VD3,VD4 можно применить любые серий HER10x – HER20x. Из отечественных подойдут КД212, но могут быть сложности с установкой из-за больших габаритов и толщины выводов. Кварцевый резонатор можно применить от неисправных настольных и даже наручных часов. Микросхему DA1, в случае ее отсутствия, можно заменить почти любым сдвоенным ОУ импортного производства, но с изменением рисунка платы (или установить навесным монтажом), например, LM358. DA2 можно заменить на КР544УД1, КР140УД6 с небольшим увеличением погрешности на малых значениях. DD1 вполне можно заменить на К176ИЕ12 с изменением рисунка платы, в крайнем случае три раздельных генератора на 1, 63 и 32768 можно собрать на микросхеме К561ЛН2 по известным схемам на двух инверторах, причем стабильным должен быть только генератор на 32768 Гц, остальные можно применить на RC. К176ТМ2 меняется без изменения рисунка на К176ТМ1 или соответствующие 561 серии. Также К176ЛП2 и К176ЛЕ5 меняются на К561ЛП2 и К561ЛЕ5. Индикатор можно заменить на ИЖЦ21-4/7.
При правильном монтаже, прибор не нуждается в наладке и калибровке. Только необходимо подобрать резисторы R3, R5, R7 с точностью, как минимум, 1 % (R7 можно составить из резисторов 1 кОм и 3.3 кОм, включенных параллельно).
Как говорилось выше, прибор можно разместить в корпусе от мультиметра типа D-830 - D-838, но у маня на тот момент такового не оказалось и корпус был сделан самостоятельно: передняя панель - из 3мм-оргстекла и оклеена самоклейкой, остальной корпус - футляр из латуни толщиной 0.4 мм. Передняя панель вставляется в футляр и фиксируется с боков тонкими "саморезами", вкрученными в предварительно просверленные отверстия. Щуп сделан из двух булавок и представляет собой две пружинистые иголки, припаянные к плате из фольгированного стеклотекстолита.
В заключении, отмечу, что прибор предназначен для измерения емкости, а не ЭПС (ESR), однако, при возрастании эквивалентного последовательного сопротивления, показания прибора резко снижаются (примерно в два раза при сопротивлении 10-15 Ом). Данное свойство прибора позволяет успешно применять его для ремонта радиоаппаратуры – просто бракуем конденсаторы, емкость которых по показаниям прибора более чем в 2 раза ниже номинала, независимо от истинной причины низких показаний.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Блок управления | |||||||
| DD1 | Микросхема | К176ИЕ5 | 1 | В блокнот | |||
| DD2 | Микросхема | К176ТМ2 | 1 | В блокнот | |||
| DD3 | Микросхема | К176ЛЕ5 | 1 | В блокнот | |||
| DD4 | Микросхема | К176ЛП2 | 1 | В блокнот | |||
| VD5 | Диод | КД522Б | 1 | В блокнот | |||
| VD6 | Стабилитрон | КС133А | 1 | В блокнот | |||
| Z1 | Кварцевый резонатор | 32768 Гц | 1 | В блокнот | |||
| R8, R15 | Резистор | 100 кОм | 2 | В блокнот | |||
| R9 | Резистор | 10 МОм | 1 | В блокнот | |||
| R10 | Резистор | 27 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R11 | Резистор | 22 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R12, R13 | Резистор | 30 кОм | 2 | В блокнот | |||
| R14 | Резистор | 1 кОм | 1 | В блокнот | |||
| C6 | Конденсатор | 51 пФ | 1 | В блокнот | |||
| C7 | Конденсатор | 220 пФ | 1 | В блокнот | |||
| C8 | Конденсатор | 1000 пФ | 1 | В блокнот | |||
| C9 | Конденсатор | 100 пФ | 1 | В блокнот | |||
| C10 | Конденсатор | 22 пФ | 1 | В блокнот | |||
| C11 | Электролитический конденсатор | 100мкФ x 16В | 1 | В блокнот | |||
| Счетчик импульсов | |||||||
| DD5-DD8 | Микросхема | К176ИЕ4 | 4 | В блокнот | |||
| HL1 | Индикатор | ИЖЦ 5-4/8 | 1 | В блокнот | |||
| Преобразователь Емкость-Период | |||||||
| DA1 | Микросхема | К157УД2 | 1 | В блокнот | |||
| DA2 | Микросхема | К544УД2 | 1 | ||||
Одной из самых частых причин выхода радиоэлектронной аппаратуры из строя или ухудшения ее параметров является изменение свойств электролитических конденсаторов. Иногда при ремонте аппаратуры (особенно произведенной в бывшем СССР), изготовленной с применением некоторых типов электролитических конденсаторов (например, K50-...), для восстановления работоспособности устройства прибегают к полной или частичной замене старых электролитических конденсаторов. Все это приходится делать из-за того, что свойства материалов, входящих в электролитический (именно электролитический, т.к. в составе используется электролит) конденсатор, под электрическим, атмосферным, тепловым воздействиями со временем изменяются. И таким образом важнейшие характеристики конденсаторов, такие как емкость и ток утечки - так же изменяются (конденсатор "высыхает" и емкость его увеличивается, часто даже более чем на 50% от первоначальной, а ток утечки возрастает, т.е. внутреннее сопротивление, шунтирующее конденсатор уменьшается), что естественно приводит к изменению характеристик, а в худшем случае и к полному отказу аппаратуры.
Измеритель обладает следующими качественными и количественными характеристиками:
1) измерение емкости на 8 поддиапазонах:
- 0 ... 3 мкф;
- 0 ... 10 мкф;
- 0 ... 30 мкф;
- 0 ... 100 мкф;
- 0 ... 300 мкф;
- 0 ... 1000 мкф;
- 0 ... 3000 мкф;
- 0 ... 10000 мкф.
2) оценка тока утечки конденсатора по светодиодному индикатору;
3) возможность точного измерения при изменении напряжения питания и температуры окружающей среды (встроенная калибровка измерителя);
4) напряжение питания 5-15 В;
5) определение полярности электролитических (полярных) конденсаторов;
6) ток потребления в статическом режиме............ не более 6 мА;
7) время измерения емкости.................................... не более 1 с;
8) ток потребления во время измерения емкости с каждым поддиапазоном возрастает,
но................................................................................. не более 150 мА на последнем поддиапазоне.
Суть прибора - измерение напряжения на выходе дифференцирующей цепи, рис.1.
 |
Напряжение на резисторе: Ur = i*R ,
где i - общий ток через цепь, R - зарядное сопротивление;
Т.к. цепь дифференцирующая, то ее ток: i = С*(dUc/dt) ,
где С - заряжаемая емкость цепи, но конденсатор будет линейно заряжаться через источник тока, т.е. стабилизированным током: i = С*const,
значит напряжение на сопротивлении (выходное для этой цепи): Ur = i*R = C*R*const - прямо пропорционально емкости заряжаемого конденсатора, а значит измеряя вольтметром напряжение на резисторе мы измеряем в некотором масштабе и исследуемую емкость конденсатора.
Схема представлена на рис. 2 .
В исходном положении испытуемый конденсатор Сх (или калибровочный С1 при включенном тумблере SA2) разряжен через R1. Измерительный конденсатор, на котором (не на испытуемом непосредственно) измеряется напряжение, пропорциональное емкости испытуемого Сх, разряжен через контакты SA1.2. При нажатии кнопки SA1 испытуемый Сх (С1) заряжается через соответствующие поддиапазону (галетный переключатель SA3) резисторы R2 ... R11. При этом зарядный ток Сх (С1) проходит через светодиод VD1, чья яркость свечения позволяет судить о токе утечки (сопротивлении, шунтирующем конденсатор) в конце заряда конденсатора. Одновременно с Сх (С1) через источник стабилизированного тока VT1,VT2,R14,R15 заряжается и измерительный (заведомо исправный и с малым током утечки) конденсатор С2. VD2, VD3 используются для предотвращения разряда измерительного конденсатора через источник напряжения питания и стабилизатор тока соответственно. После заряда Сх (С1) до уровня, определяемого R12, R13 (в данном случае до уровня примерно половины напряжения источника питания), компаратор DA1 отключает источник тока, синхронный с Сх (С1) заряд С2 прекращается и напряжение с него, пропорциональное емкости испытуемого Сх (С1) индицируется микроамперметром PA1 (две шкалы со значениями кратными 3 и 10, хотя можно настроить на любую шкалу) через повторитель напряжения DA2 с высоким входным сопротивлением, что также обеспечивает долгое сохранение заряда на С2.
Настройка
При настройке положение калибровочного переменного резистора R17 фиксируется в каким-либо положении (например, в среднем). Подключая эталонные конденсаторы с точно известными значениями емкости в соответствующем диапазоне, резисторами R2, R4, R6-R11 производится калибровка измерителя - подбирается такой ток заряда, чтобы эталонные значения емкостей соответствовали определенным значениям на выбранной шкале.
В моей схеме точные значения зарядных сопротивлений при напряжении питания 9 В составили:
После калибровки один из эталонных конденсаторов становится калибровочным С1. Теперь при изменении напряжения питания (изменения температуры окружающей среды, например при сильном охлаждении готового отлаженного прибора на морозе показания емкости у меня получались заниженными процентов на 5) или просто для контроля точности измерений достаточно подключить С1 тумблером SA2 и, нажав SA1, калибровочным резистором R17 произвести подстройку PA1 на выбранное значение емкости С1.
Конструкция
Перед началом изготовления прибора необходимо выбрать микроамперметр с подходящей шкалой(-ами), габаритами и током максимального отклонения стрелки, но ток может быть любым (порядка десятков, сотен микроампер) благодаря возможности настройки и калибровки прибора. Я применил микроамперметр ЭА0630 с Iном = 150 мкА, классом точности 1.5 и двумя шкалами 0 ... 10 и 0 ... 30.
Плата была разработана с учетом того, что она будет крепиться непосредственно на микроамперметре при помощи гаек на его выводах, рис.3 . Такое решение обеспечивает и механическую, и электрическую целостность конструкции. Прибор размещается в подходящий по габаритам корпус, достаточный для размещения также (кроме микроамперметра и платы):
SA1 - кнопка КМ2-1 из двух малогабаритных переключателей;
- SA2 - малогабаритный тумблер МТ-1;
- SA3 - малогабаритный галетный переключатель на 12 положений ПГ2-5-12П1НВ;
- R17 - СП3-9а - VD1 - любой, я применил какой-то из серии КИПх-хх, красного цвета свечения;
- 9-ти вольтовая батарея «Корунд» с габаритами 26.5 х 17.5 х 48.5 мм (без учета длины контактов).
SA1, SA2, SA3, R17, VD1 закрепляются на верхней крышке (панели) прибора и располагаются над платой (батарея укрепляется при помощи проволочного каркаса прямо на плате), но соединяются с платой проводами, а все остальные радиоэлементы схемы располагаются на плате (и под микроамперметром непосредственно тоже) и соединяются печатным монтажом. Отдельного выключателя питания я не предусматривал (да и в выбранный корпус он бы уже не поместился), совместив его с проводами для подключения испытуемого конденсатора Сх в разъеме типа СГ5. «Мама» XS1 разъема имеет пластмассовый корпус для установки на печатную плату (она устанавливается в углу платы), а «папа» XP1 подключается через отверстие в торце корпуса прибора. При подключение разъема «папа» своими контактами 2-3 включает питание прибора. К проводам Сх параллельно неплохо приладить разъем (колодку) какой-либо конструкции для подключения отдельных отпаянных конденсаторов.
Работа с прибором
При работе с прибором нужно быть внимательным с полярностью подключения электролитических (полярных) конденсаторов. При любой полярности подключения индикатор показывает одно и то же значение емкости конденсатора, но при неправильной полярности подключения, т.е. «+» конденсатора к «-» прибора, светодиод VD1 индицирует большой ток утечки (после заряда конденсатора светодиод продолжает ярко гореть), тогда как при правильной полярности подключения светодиод вспыхивает и постепенно гаснет, демонстрируя уменьшение зарядного тока до очень малой величины, практически до полного потухания (следует наблюдать 5-7 секунд), при условии, что испытуемый конденсатор обладает малым током утечки. Неполярные неэлектролитические конденсаторы имеют очень малый ток утечки, что и видно по очень быстрому и полному гашению светодиода. А если же ток утечки велик (сопротивление, шунтирующее конденсатор мало), т.е. конденсатор старый и «течет», то свечение светодиода видно уже при Rутечки = 100 кОм, а при меньших шунтирующих сопротивлениях светодиод горит еще ярче.
Таким образом можно по свечению светодиода определять полярность электролитических конденсаторов: при том подключении, когда ток утечки меньше (светодиод менее ярок) - полярность конденсатора соответствует полярности прибора.
Важное замечание!
Для большей точности показаний любое измерение следует повторять не менее 2-х раз, т.к. в первый раз часть тока заряда идет на создание оксидного слоя конденсатора, т.е. показания емкости чуть-чуть занижены.
РадиоХобби 5"2000
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DA1, DA2 | Микросхема | К140УД608 | 2 | К140УД708 или КР544 | В блокнот | |
| VT1, VT2 | Биполярный транзистор | КТ315Б | 2 | В блокнот | ||
| VD2, VD3 | Диод | КД521А | 2 | КД522 | В блокнот | |
| С1 | 2.2 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| С2 | Электролитический конденсатор | 22 мкФ | 1 | В блокнот | ||
| R1 | Резистор | 1.3 Ом | 1 | В блокнот | ||
| R2, R4, R6 | Подстроечный резистор | 100 кОм | 3 | В блокнот | ||
| R3 | Резистор | 470 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R5 | Резистор | 30 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R7, R8 | Подстроечный резистор | 10 кОм | 2 | В блокнот | ||
| R9 | Подстроечный резистор | 2.2 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R10, R11 | Подстроечный резистор | 470 Ом | 2 | В блокнот | ||
| R12, R13 | Резистор | 1 кОм | 2 | В блокнот | ||
| R14 | Резистор | 13 кОм | 1 |
Каждому, кто регулярно занимается ремонтом электронной техники, известно, какой процент неисправностей выпадает на долю дефектных электролитических конденсаторов. При этом если существенную потерю емкости удается диагностировать при помощи обычного мультиметра, то такой весьма характерный дефект как возрастание эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС, англ. ESR) обнаружить без специальных устройств принципиально невозможно.
Долгое время при проведении ремонтных работ мне удавалось обходиться без специализированных приборов для проверки конденсаторов путем подстановки параллельно «подозреваемым» конденсаторам заведомо исправных, в звуковой аппаратуре использовать проверку тракта прохождения сигнала на слух при помощи наушников, а также использовать методы косвенного дефектирования, основанные на личном опыте, накопленной статистике и профессиональной интуиции. Когда же пришлось приобщиться к массовому ремонту компьютерной техники, в которой на совести электролитических конденсаторов оказывается добрая половина всех неисправностей, необходимость контроля их ЭПС стала без преувеличения стратегической задачей. Существенным обстоятельством явился также тот факт, что в процессе ремонта неисправные конденсаторы очень часто приходится заменять не новыми, а демонтированными из других устройств, и их исправность совсем не гарантирована. Поэтому неизбежно наступил момент, когда пришлось всерьез задуматься о том, чтобы разрешить эту проблему обзаведшись, наконец, ЭПС-метром. Поскольку о покупке подобного прибора по ряду причин речь заведомо не шла, напрашивался однозначный выход – собрать его самостоятельно.
Анализ схемотехнических решений построения ЭПС-метров, имеющихся на просторах Сети, показал, что спектр подобных устройств чрезвычайно широк. Они отличаются функциональностью, напряжением питания, применяемой элементной базой, частотой генерируемых сигналов, наличием/отсутствием моточных элементов, формой отображения результатов измерений и т.п.
Основными критериями выбора схемы являлись ее простота, низкое напряжение питания и минимальное количество моточных узлов.
С учетом всей совокупности факторов было принято решение повторить схему Ю. Куракина, опубликованную в статье из журнала «Радио» (2008 г., №7, с.26-27). Ее отличает целый ряд положительных особенностей: предельная простота, отсутствие высокочастотных трансформаторов, малый потребляемый ток, возможность питания от одного гальванического элемента, низкая частота работы генератора.
Детали и конструкция. Собранный на макете прибор заработал сразу и после нескольких дней практических экспериментов со схемой было принято решение о его окончательной конструкции: прибор должен быть предельно компактным и представлять собой нечто вроде тестера, позволяющего максимально показательно отображать результаты измерений.
С этой целью в качестве измерительной головки был использован стрелочный индикатор типа М68501 от магниторадиолы «Сириус-324 пано» с током полного отклонения 250 мкА и оригинальной шкалой, отградуированной в децибелах, который оказался под рукой. Позднее в Сети мною было обнаружены сходные решения с применением магнитофонных индикаторов уровня в исполнении других авторов, что подтвердило правильность принятого решения. В качестве корпуса прибора был использован корпус от неисправного зарядного устройства для ноутбука LG DSA-0421S-12, идеально подходящий по габаритам и имеющий, в отличие от многих своих собратьев, легкоразборный корпус, скрепляющийся шурупами.
В устройстве использованы исключительно общедоступные и широкораспространенные радиоэлементы, имеющиеся в хозяйстве любого радиолюбителя. Итоговая схема полностью идентична авторской, исключение составляют лишь номиналы некоторых резисторов. Сопротивление резистора R2 в идеале должно составлять 470 кОм (в авторском варианте – 1МОм, хотя при этом примерно половина хода движка все равно не используется), но резистора такого номинала, имеющего необходимые габариты, у меня не нашлось. Однако этот факт позволил доработать резистор R2 таким образом, чтобы он одновременно являлся и выключателем питания при повороте его оси в одно из крайних положений. Для этого достаточно соскрести острием ножа часть резистивного слоя у одного из крайних контактов «подковки» резистора, по которой скользит его средний контакт, на участке длиной примерно 3…4 мм.
Номинал резистора R5 подбирается исходя из тока полного отклонения используемого индикатора таким образом, чтобы даже при глубоком разряде элемента питания ЭПС-метр сохранял свою работоспособность.
Тип применяемых в схеме диодов и транзисторов абсолютно некритичен, поэтому предпочтение было отдано элементам, имеющим минимальные габариты. Гораздо более важен тип применяемых конденсаторов – они по возможности должны быть максимально термостабильны. В качестве С1…С3 были использованы импортные конденсаторы, которые удалось отыскать в плате от неисправного ИБП компьютера, обладающие очень малым ТКЕ и имеющие гораздо меньшие габариты в сравнении с отечественными К73-17.
Дроссель L1 выполнен на ферритовом кольце с магнитной проницаемостью 2000НМ, имеющем размеры 10×6×4,6 мм. Для частоты генерации 16 кГц необходимо 42 витка провода ПЭВ-2 диаметром 0,5 мм (длина проводника для намотки составляет 70 см) при индуктивности дросселя 2,3 мГн. Разумеется, можно использовать любой другой дроссель с индуктивностью 2…3,5 мГн, что будет соответствовать частотному диапазону 16…12 кГц, рекомендованному автором конструкции. У меня при изготовлении дросселя была возможность воспользоваться осциллографом и измерителем индуктивности, поэтому необходимое количество витков я подобрал экспериментальным путем исключительно из соображений вывести генератор точно на частоту 16 кГц, хотя практической необходимости в этом, конечно же, не было.
Щупы ЭПС-метра выполнены несъемными – отсутствие разъемных соединений не только упрощает конструкцию, но и делает ее более надежной, устраняя потенциальную возможность нарушения контактов в низкоомной измерительной цепи.
Печатная плата устройства имеет габариты 27×28 мм, ее чертеж в формате.LAY6 можно скачать по ссылке https://yadi.sk/d/CceJc_CG3FC6wg . Шаг сетки – 1,27 мм.
Компоновка элементов внутри готового устройства приведена на фото.
Результаты испытаний. Отличительной особенностью примененного в устройстве индикатора явилось то, что диапазон измерения ЭПС составил от 0 до 5 Ом. При проверке конденсаторов значительной емкости (100 мкФ и более), наиболее характерных для фильтров цепей питания материнских плат, блоков питания компьютеров и телевизоров, зарядных устройств ноутбуков, преобразователей сетевого оборудования (коммутаторов, маршрутизаторов, точек доступа) и их выносных адаптеров этот диапазон чрезвычайно удобен, поскольку шкала прибора является максимально растянутой. На основании усредненных экспериментальных данных для ЭПС электролитических конденсаторов различной емкости, приведенных в таблице, отображение результатов измерений оказывается очень наглядным: конденсатор можно считать исправным лишь в том случае, если стрелка индикатора при измерении располагается в красном секторе шкалы, соответствующем положительным значениям децибелов. Если стрелка располагается левее (в черном секторе), конденсатор из указанного выше диапазона емкостей является неисправным.
Разумеется, прибором можно тестировать и конденсаторы малой емкости (примерно от 2,2 мкФ), при этом показания прибора будут находиться в пределах черного сектора шкалы, соответствующего отрицательным значениям децибелов. У меня получилось примерно следующее соответствие ЭПС заведомо исправных конденсаторов из стандартного ряда емкостей градуировке шкалы прибора в децибелах:
Прежде всего, эту конструкцию следует рекомендовать начинающим радиолюбителям, еще не имеющим достаточного опыта в конструировании радиоаппаратуры, но осваивающим азы ремонта электронной техники. Низкая цена и высокая повторяемость данного ЭПС-метра выгодно отличают его от более дорогих промышленных устройств аналогичного назначения.
Основными достоинствами ЭПС-метра можно считать следующие:
— чрезвычайная простота схемы и доступность элементной базы для ее практической реализации при сохранении достаточной функциональности устройства и его компактности, отсутствие необходимости в высокочувствительном регистрирующем приборе;
— отсутствие необходимости в наладке, требующей наличия специальных измерительных приборов (осциллографа, частотомера);
— низкое напряжение питания и, соответственно, дешевизна его источника (не требуется дорогостоящая и малоемкая «Крона»). Устройство сохраняет свою работоспособность при разряде источника даже до 50% его номинального напряжения, то есть имеется возможность использовать для его питания элементы, которые уже не способны нормально функционировать в других устройствах (пультах ДУ, часах, фотоаппаратах, калькуляторах и т.п.);
— низкий ток потребления – около 380 мкА в момент измерения (зависит от используемой измерительной головки) и 125 мкА в режиме ожидания, что существенно продлевает срок эксплуатации источника питания;
— минимальное количество и предельная простота моточных изделий – в качестве L1 можно использовать любой подходящий дроссель или легко изготовить его самостоятельно из подручных материалов;
— сравнительно низкая частота работы генератора и возможность ручной установки нуля, позволяющие использовать щупы с проводами практически любой разумной длины и произвольного сечения. Это преимущество является неоспоримым в сравнении с универсальными цифровыми тестерами элементов, использующими для подключения проверяемых конденсаторов ZIF-панель с глубоким расположением контактов;
— визуальная наглядность отображения результатов тестирования, позволяющая быстро оценить пригодность конденсатора для дальнейшего использования без необходимости точной численной оценки величины ЭПС и ее соотнесения с таблицей значений;
— удобство эксплуатации — возможность выполнения непрерывных измерений (в отличие от цифровых ESR-тестеров, требующих нажатия кнопки измерения и выдержки паузы после подключения каждого поверяемого конденсатора), что существенно ускоряет работу;
— необязательность предварительной разрядки конденсатора перед измерением ЭПС.
К недостаткам прибора можно отнести:
— ограниченную функциональность в сравнении с цифровыми ESR-тестерами (отсутствие возможности измерения емкости конденсатора и процента его утечки);
— отсутствие точных численных значений результатов измерений в омах;
— сравнительно узкий диапазон измеряемых сопротивлений.
Приборы, у которых отсчет измеряемой емкости конденсатора производится по шкале стрелочного измерителя, называют фарадометрами или микрофарадометрами. Конденсаторный микрофарадометр, описанный ниже, отличается широким диапазоном измеряемых емкостей, простотой схемы и налаживания.
Принцип действия микрофарадометра основан на измерении среднего значения силы разрядного тока измеряемого конденсатора, периодически перезаряжаемого с частотой F . На рис. 1 приведена упрощенная схема измерительной части прибора, питаемого импульсным напряжением прямоугольной формы, поступающим от генератора импульсов Г. При наличии напряжения
Рис. 1. Упрощенная схема измерительной части прибора
U имп на выходе генератора через диод Д1 происходит быстрый заряд конденсатора С х. Параметры схемы выбираются таким образом, что время заряда конденсатора значительно меньше длительности импульса t и, поэтому конденсатор С х успевает зарядиться полностью до напряжения U имп еще до окончания действия последнего. В интервале времени t и между импульсами конденсатор разряжается через внутреннее сопротивление генератора R г и микроамперметр μА1, измеряющий среднее значение силы разрядного тока. Постоянная времени разрядной цепи конденсатора С х значительно меньше времени паузы t п , поэтому конденсатор практически полностью успевает разрядиться за время перерыва между импульсами, частота которых
Таким образом, в установившемся режиме количество электричества, накопленное конденсатором С х за один период и отдаваемое им при разряде, Q = С х U имп . При частоте следования импульсов F среднее значение силы тока, проходящего через микроамперметр при периодических разрядах конденсатора С х , равно:
I и = QF = С х U имп F , откуда
Из полученной формулы следует, что измеряемая емкость конденсатора С х пропорциональна силе разрядного тока и, следовательно, при стабильных значениях U имп и F стрелочный измеритель μА1 можно снабдить равномерной шкалой, проградуированной в значениях С х (практически используют имеющуюся линейную шкалу микроамперметра магнитоэлектрической системы).
На рис. 2 приведена принципиальная схема микрофарадометра, который позволяет измерять емкости конденсаторов примерно от 5 до 100 000 пФ на шкалах: 0-100; 0-1000; 0-10 000 и 0-100 000 пФ. Отсчет величины измеряемой емкости производится непосредственно по имеющейся шкале микроамперметра, что позволяет быстро и достаточно точно производить измерение. В качестве источника питания микрофарадомет-ра используется аккумулятор 7Д-0,1 или батарея «Крона». На шкале 0-100 пФ ток значительно меньше и сила его не превышает 4 мА. Погрешность измерения не более 5-7% от верхнего предела шкалы.
Заряд конденсатора С х осуществляется прямоугольными импульсами напряжения, создаваемыми несим-
метричным мультивибратором, смонтированным на транзисторах T1, Т2 с различной проводимостью. Мультивибратор генерирует периодическую последовательность прямоугольных импульсов напряжения с большой скважностью. Скачкообразное изменение частоты по-
Рис. 2. Принципиальная схема микрофарадометра
вторения импульсов производится секцией В1а переключателя В1, включающего в цепь положительной обратной связи один из конденсаторов С1- С4 плавное - переменным резистором R3. Этим же переключателем производится переход с одного предела измерения на другой.
Прямоугольные импульсы напряжения, выделяемые на резисторе R1, через контакты 1-2 кнопки В2 и диод Д1 заряжают один из образцовых конденсаторов С5 - С8 или измеряемый конденсатор С х (при нажатой кнопке В2). В промежутках между импульсами один из указанных конденсаторов (в зависимости от предела измерения и положения кнопки В2) разряжается через резисторы R1, R5 и микроамперметр μА1. Диод Д1 на показания микроамперметра не влияет, так как его обратное сопротивление значительно больше сопротивления цепи измерителя (R п + R5 ). Конденсаторы С5 - С8 предназначены для калибровки прибора и должны быть подобраны возможно точнее, с отклонением от номинала не более чем на ±2%.
В конструкции применены малогабаритные резисторы ВС = 0,125, конденсаторы КСО, СГМ, КБГИ. Пере
Рис. 3. Передняя панель прибора
менный резистор R3 типа СП-1. Переключатель В1 галетного типа на 4 положения и 2 направления. Микроамперметр - магнитоэлектрической системы на 50 мкА.
Один из вариантов расположения органов управления на передней панели приведен на рис. 3. Габариты конструкции определяются размерами микроамперметра и переключателя В1 и поэтому не приводятся. В случае необходимости прибор можно питать от сети переменного тока с помощью стабилизированного выпрямителя, обеспечивающего на выходе напряжение 9 В при силе тока нагрузки не менее 10 мА. Выпрямитель в этом случае целесообразно расположить в корпусе прибора.
Шкала измерителя емкости, как уже указывалось, практически линейна, поэтому нет необходимости наносить на имеющуюся шкалу микроамперметра специальные метки между нулем и последним делением. Шкала
микроамперметра, имеющая, например, оцифрованные отметки 0, 20, 40... 1000 мкА, верна на любом пределе измерения емкости конденсаторов. Изменяется только цена деления. Так на пределах 0-100; 0-1000; 0-10 000 и 0-100 000 показания микроамперметра надо соответственно умножать на 1; 10; 10 2 и 10 3 . Если шкала микроамперметра имеет всего 50 делений, то показания микроамперметра, в зависимости от указанных пределов измерения надо умножать на 2; 2 10; 2 10 2 ; 2 10 3
Налаживание прибора обычно каких-либо затруднений не вызывает, если он собран из заведомо исправных деталей и при монтаже не допущено ошибок. О работе мультивибратора можно судить по шкале микроамперметра, показания которого должны изменяться при изменении положения движка переменного резистора R3 на любом из четырех пределов измерения.
Установив переключатель В1 в положение 1 (шкала 0-100 пФ), переменным резистором R3 добиваются отклонения стрелки микроамперметра на всю шкалу. Если этого получить не удается, движок резистора R3 устанавливают в среднее положение и подбирают величину емкости конденсатора С1 . Более точно стрелку на конец шкалы устанавливают резистором R3 . После этого переключатель В1 переводят в положение 2 (шкала 0-1000 пФ) и, не трогая резистор R3 , подбирают емкость конденсатора С2 так, чтобы стрелка микроамперметра находилась вблизи конца шкалы. Аналогично уточняют значение емкости конденсаторов СЗ и С4 в положениях 3 и 4 переключателя В1 (на шкалах 0-10 000 и 0-100 000 пФ).
На этом налаживание прибора заканчивается. Порядок измерения емкости конденсаторов следующий. Подключив конденсатор С х к гнездам Гн1 , выключателем В3 включают прибор и переключателем В1 устанавливают нужный предел измерения. Затем резистором R3 стрелку микроамперметра устанавливают на последнее деление шкалы и, нажимая кнопку В2 , производят отсчет измеряемой емкости по шкале с учетом цены ее деления. Если при нажатой кнопке стрелка микроамперметра зашкаливает, переключатель В1 переводят на более высокий предел измерения и повторяют измерения. Если же стрелка устанавливается в самом начале
шкалы, переключатель переводят на более низкий предел измерения.
В заключение укажем, что минимальное значение емкости, измеряемой на шкале 0-100 пФ, зависит от начальной емкости между гнездами Гн1 , которую при монтаже следует свести к минимуму. Перед подключением конденсатора к прибору следует убедиться в отсутствии в нем пробоя, так как последний может привести к повреждению микроамперметра и диода. Если порядок измеряемой емкости неизвестен, процесс измерения следует начинать с наиболее высокого предела измерения (0-100 000 пФ).
При желании повысить точность измерения можно увеличить число пределов (шкал). Для этого надо использовать переключатель В1 с большим числом положений (равным числу пределов), установить новые образцовые конденсаторы, емкости которых должны соответствовать верхнему значению выбранных пределов измерения, а также подобрать номиналы конденсаторов (вместо C1-С4 ), определяющих частоту следования импульсов напряжения мультивибратора.
