Простой аналоговый ESR-тестер электролитических конденсаторов

Автор темы
costa55

Простой аналоговый ESR-тестер электролитических конденсаторов

Сообщение costa55 » 02 окт 2018, 08:04

Добрый день!

Не секрет, что часто неработоспособность различной радиоаппаратуры связана с неисправностью электролитических конденсаторов. Проверка конденсаторов омметром или измерителем емкости не дает уверенности в их полной исправности . При ремонте приходится выпаивать конденсаторы и заменять их заведомо исправными.Качество электролитических конденсаторов сильно зависит от значения их эквивалентного последовательного сопротивления ESR (Equivalent Series Resistance): чем меньше это сопротивление, тем качественнее конденсатор. При высоком значении ESR конденсатор разогревается при прохождении через него тока и приходит в негодность. Со временем ESR конденсатора может увеличиться от 10 до 30 раз, либо конденсатор вообще перестает пропускать ток. Типичный срок службы электролитических конденсаторов 2000 -15 000 часов и очень сильно зависит от температуры окружающей среды. В настоящее время опубликовано большое число работ, посвященных аналоговым измерителям ESR, представляющих собой омметры переменного тока, работающих на частоте 50-150 кГц. На этой частоте емкостное сопротивление электролитических конденсаторов мало (около нуля), поэтому показания таких омметров при проверке конденсаторов как раз и дают значения ESR.
Мое внимание привлекла статья “Capacitor ESR Tester” канадского участника (VE71T) форума electro-tech-online.com (США), в которой описывается простой ЕSR-тестер электролитических конденсаторов. Перевод статьи с принципиальной электрической схемой, описанием ее работы, сборочным чертежом и печатными платами приведен в ссылке http://cxem.net/izmer/izmer92.php
Меня подкупила простота схемы и то, что, во-первых, в ней используется микросхема 74НС14. Логические элементы у нее не обычные, а с эффектом триггера Шмитта. То есть имеется существенный гистерезис между порогом нуля и единицы. Это обеспечивает более стабильную работу схем, построенных на этой микросхеме. Во-вторых, в схеме нет необходимости использования повышающего трансформатора. Вместо него применен транзисторный усилитель.В-третьих, в отличие от большинства ESR-метров не нужно выпаивать конденсатор из схемы. Когда конденсаторов много, это очень утомительно и есть риск повредить плату. Измерение без выпаивания из схемы возможно из-за низкого напряжения на щупе (около 250 мВ), которого хватает конденсатору, но для других деталей мало, поэтому они не мешают измерению. В-четвертых, большинство ESR-метров будут повреждены, если измерить ими заряженный конденсатор. Эта схема выдерживает заряд конденсатора до 400 В. В-пятых, полярность измеряемого конденсатора не важна. И, наконец, в-шестых, этот тестер – стрелочный.
Изначально стрелочные тестеры – аналоговые, они не производят оцифровку сигнала, требующую времени, к тому же механизм их стрелки инерционен. Именно по этой причине стрелочные тестеры являются отличными интеграторами, они наглядно отражают динамику сигнала, не тратя времени на его оцифровку. Цифровой тестер не может похвастаться такой наглядностью, там на дисплее просто цифры – результат вычислений, в то время, как движение стрелки аналогового прибора дает мгновенное представление о том, что происходит с измеряемым сигналом.
Я собрал этот прибор, внеся в схему некоторые улучшающие ее работу изменения, и хочу привести более полное описание работы принципиальной схемы и дать рекомендации по ее настройке, а также использованию прибора, поскольку автор сделал это очень кратко.

Генератор прямоугольных импульсов выполнен на одном элементе IC1D микросхемы IC1 74НС14 (у меня SN74HC14N) в DIP-корпусе. Частота импульсов определяется номиналами резистора R1 и конденсатора С1 и у меня составила около 140 кГц. Импульсы с выхода генератора поступают на входы буферов на остальных пяти элементах микросхемы (IC1A-IC1E). Импульсы с выходов буферов поступают на сумматор токов на резисторах R2-R6. Суммарный ток, вытекающий из точки соединения этих резисторов через резистор R7 на общий провод, преобразуется на этом резисторе в переменное напряжение величиной около 250 мВ, которое обеспечивает низкий уровень сигнала при измерении конденсатора. Кроме того, резисторы R2-R6 совместно с конденсатором С4 образуют фильтр низких частот (НЧ). Фильтр НЧ необходим, потому что прямоугольный сигнал содержит много высокочастотных помех и гармоник. Отфильтрованные импульсы поступают на проверяемый конденсатор, подключаемый к точкам ТР1 и ТР2 и далее через разделительный конденсатор С5 на резистор R8, на котором, как на нагрузке, выделяется переменное напряжение, прямо пропорциональное току проверяемого конденсатора и обратно пропорциональное его ESR. Это переменное напряжение через разделительный конденсатор С2 поступает на вход усилительного каскада на биполярном транзисторе Q1 (2N2222) c общим эмиттером. Резистор R18 служит для разряда проверяемого конденсатора. Диоды D5 и D6 образуют классический двухсторонний диодный ограничитель, который защищает вход прибора от разряда при подключении заряженного конденсатора, что делает необходимым установку разделительного конденсатора С5 с рабочим напряжением не ниже 400 В. С выхода усилителя импульсы через разделительный конденсатор С3 следуют для преобразования в постоянное напряжение на диодный мост D1-D4 и после него на накопительный конденсатор С6 . Сформированное постоянное напряжение через резистор R17 поступает на стрелочный индикатор со шкалой 50 мкА, подключенный к точкам ТР3 и ТР4.

В схему авторского прибора я внес следующие изменения. Для расширения масштаба шкалы тестера параллельно резистору R8 подключен такой же резистор сопротивлением 10 Ом. Для уменьшения падения напряжения на диодном мосте вместо диодов 1N4148 использованы диоды Шоттки 1N5817. В качестве резисторов R10 и R17 используются подстроечные резисторы, каждый из которых имеет сопротивление 25 кОм. Для улучшения формы импульсов и фильтрации от помех к выводам питания микросхемы IC1 подключен блокировочный конденсатор емкостью 0,1 мкФ. Он имеет очень малые размеры и на плате размещен под микросхемой в прямоугольном отверстии панельки с цанговыми зажимами. Питание моего тестера осуществляется от сетевого адаптера с выходным стабилизированным постоянным напряжением 5В, что исключает необходимость размещения на лицевой панели прибора переменного резистора для установки нуля шкалы. Для включения питания используется миниатюрная кнопка с фиксацией. Для индикации включения питания служит зеленый светодиод. Ток через него задается резистором сопротивлением 1 кОм.

Cписок деталей, которые я использовал в своем тестере

IC1 Микросхема SN74HC14N
Q1 Биполярный транзистор 2N2222 (в металлическом корпусе, т.к. имеет существенно
меньший уровень собственных шумов)
D1-D4 Диоды Шоттки 1N5817
D5, D6 Выпрямительные диоды 1N4004
C1-C3 Металлопленочные конденсаторы К73-17 имп., 0,01 мкФ, Epcos
С4 Металлопленочный конденсатор К73-17 имп., 0,047 мкФ, Epcos
C5 Металлопленочный конденсатор К73-17 имп., 0,47 мкФ, 450 В, Epcos
C6 Металлопленочный конденсатор К73-17 имп., 0,1 мкФ, Epcos
C7 Электролитический конденсатор ECAP (К50-35 мини), 10 мкФ, 25В
Блокировочный конденсатор – керамический К10-17Б имп., 0,1 мкФ, Murata
R1 Металлопленочный резистор MF-25 (C2-23) 0,25 Вт, 1 кОм, 1%
R2-R6 Металлопленочные резисторы MF-25 (C2-23) 0,25 Вт, 680 Ом, 1%
R7, R8 Металлопленочные резисторы MF-25 (C2-23) 0,25 Вт, 10 Ом, 1%
R9 Металлопленочный резистор MF-25 (C2-23) 0,25 Вт, 100 кОм, 1%
R10 Подстроечный резистор 3296W, 25 кОм
R11 Металлопленочный резистор MF-25 (C2-23) 0,25 Вт, 2,2 кОм, 1%
R12 Металлопленочный резистор MF-25 (C2-23) 0,25 Вт, 100 Ом, 1%
R17 Подстроечный резистор 3296W, 25 кОм, Bourns
R18 Металлооксидный резистор МО-50 (С2-23)0,5 Вт, 1 Мом, 5%
Панелька под микросхему TRS-14, DIP панель 14 конт., цанговая, узкая
Миниатюрная кнопка с фиксацией для включения питания PB22E09
Индикаторный светодиод L-1154GT, зеленый
Резистор, задающий ток светодиоду, металлопленочный MF-25 (C2-23) 0,25 Вт, 1 кОм, 1%
Измерительная головка SD-38, 50 мкА
Гнезда для щупов ВР-113
Щупы с угловыми открытыми разъемами BANANA, длина проводов – 0,5 м
Разъем для подключения питания – Mini USB
Корпус - G1033B, размеры 129х64х44 мм, пластик, черный

Настройка схемы проста и начинается с установки рабочего режима усилительного каскада по постоянному току. Для этого нужно отключить щупы, включить питание прибора и, постепенно увеличивая сопротивление подстроечного резистора R10, установить напряжение на коллекторе транзистора Q1 равным половине напряжения питания. Это необходимо для симметричного ограничения сигнала на выходе усилителя относительно нулевого уровня. Регулировку лучше производить с помощью керамической отвертки, чтобы избежать влияния руки. Затем отключить питание и выставить максимальное значение сопротивления подстроечного резистора R17. Снова включить питание, подключить щупы, замкнуть их накоротко и, постепенно уменьшая сопротивление этого резистора, выставить «ноль» измерительной шкалы, который будет соответствовать максимальному отклонению стрелки прибора.

Правильное функционирование схемы можно проверить, подключая к щупам резисторы разного сопротивления с допуском в 1%. У меня получились следующие результаты в делениях используемой шкалы.
1 Ом 47
10 Ом 25,5
20 Ом 16
47 Ом 6,5
100 Ом 2,5

В заключение хочу привести простые рекомендации пользователю ESR-метра от радиолюбителя Игоря Безверхнего c некоторыми моими дополнениями (см. журнал Ремонт электронной техники, №2, 2008, с.50-53, где опубликована его конструкция ESR- измерителя, выполненного по аналогичной, но более сложной схеме), которые актуальны и для данного измерителя ESR:
- Перед проверкой электролитических конденсаторов, особенно высоковольтных, желательно их разрядить, несмотря на наличие в схеме защиты. Эти напряжения опасны для жизни. Будьте осторожны!
- Проверять ESR конденсатора следует после проверки этого конденсатора на пробой/ утечку.
- Любой электролитический конденсатор с ESR более 50 Ом следует считать неисправным.
- Максимальное значение ESR конденсаторов емкостью 1…50 мкФ лежит в пределах 50…20 Ом.
- Максимальное значение ESR в Омах для конденсаторов большой емкости можно рассчитать по опытной формуле:
ESRmax(Ом) = 1000/С (мкФ)
Отсюда следует, что максимальное значение ESR для конденсатора емкостью 100 мкФ составляет 10 Ом, для 1000 мкФ — 1 Ом и для 10000 мкФ — 0,1 Ом.
- Если показания ESR при измерении неустойчивы и меняются, то это говорит о ненадежности контакта выводов конденсатора с фольгой. Такой конденсатор также следует считать неисправным.
- ESR-метр, удобно использовать для проверки качества контактов различных реле, пускателей, коллекторов якорей электродвигателей и генераторов (автомобильных) и т.д.
Удачи всем!

Фото моего ESR-тестера и его принципиальная электрическая схема

ESR1.JPG
ESR2.JPG
Cхема ESR-тестера.png
У вас нет необходимых прав для просмотра вложений в этом сообщении.

Вернуться в «Измерительные инструменты»