Измеритель C/ESR электролитических конденсаторов

При ремонте техники, особенно содержащей в своём составе импульсные блоки питания, не обойтись без такого устройства как измеритель ёмкости и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) электролитических конденсаторов. Ведь конденсаторы в подобных блоках питания выходят из строя чаще всего, делая при этом невозможным работу всего устройства.

Чтобы иметь возможность исследовать состояние и определять пригодность электролитических конденсаторов, в начале 2012 года и был собран описываемый в данной статье прибор.

Сразу скажу, что измерителем это устройство можно назвать с большой натяжкой. И корректнее его именовать всё же показометром. Во-первых потому, что не было возможности его точной калибровки. А во-вторых сам автор указывает, что при низких значениях ёмкости сильно возрастает погрешность измерений, в том числе и значения ESR.

Тем не менее прибор очень прост в повторении и не раз выручал меня в радиолюбительской практике. Несмотря на появление в продаже недорогих готовых устройств, я им пользуюсь до сих пор как единственным и основным.

Описание устройства

Все необходимые для повторения устройства материалы такие как схема, печатная плата и прошивка для микроконтроллера были опубликованы ещё в 2006 году пользователем под псевдонимом GO (Гинц Олег).

Автором заявлены следующие характеристики устройства:

Измерение ёмкости	1 — 150 000 мкФ
Измерение ESR	до 10 Ом

Как известно, для измерения ESR конденсаторов применяются различные методы. Самым популярным является подача на электролитический конденсатор переменного напряжения с частотой около 100 кГц с последующим измерением падения напряжения на нём. Одним из примеров подобного подхода является популярный конструктор Masterkit NM8032.

Однако, в собранном мной устройстве применён совершенно иной принцип определения ESR. Он заключается в подаче на конденсатор от источника тока питающих импульсов низкой частоты с последующим измерением времени заряда и разряда конденсатора.

Автор так описывает принцип работы своей конструкции:

Здесь использован другой принцип измерения ESR — практически на постоянном токе.
Попробую объяснить подробнее, представим УПРОЩЕННУЮ эквивалентную схему замещения эл.конденсатора — собственно идеальный конденсатор С и включенное последовательно с ним сопротивление R . Подключим эту цепь к источнику тока I. В начальный момент напряжение на этой цепочке будет равно U=I*R, потом напряжение будет линейно расти за счет заряда конденсатора U=I*R+I*t/C (t- время). При отключении конденсатора от источника тока напряжение на нем уменьшится на величину I*R. Вот эта величина и измеряется прибором. Зная ток и величину падения напряжения получаем ESR.

Следует отметить, что этот принцип измерения ESR не новый, просто встречается не очень часто.

GO

Как видим, применённый метод позволил измерять не только ESR, но так же и ёмкость тестируемого конденсатора. А это не может не радовать.

Схема

Давайте рассмотрим принципиальную схему устройства:

Прибор построен на микроконтроллере PIC16F873A (DD1), который осуществляет управление остальными узлами и вывод результатов измерения на двухстрочный жидкокристаллический экран (FDCC1602C). Тактовая частота составляет 20 МГц и определяется кварцевым резонатором Cr1. С помощью кнопок S1 — S3 производится калибровка прибора. При обычной эксплуатации эти кнопки не используются. Для внутрисхемного программирования микроконтроллера имеется разъём ICSP (указанный на схеме как ISCP).

Питание всей схемы осуществляется через линейный стабилизатор 78L05 (VR), снижающий напряжение питания до +5 В. Для защиты от переполюсовки перед линейным стабилизатором установлен диод VD5.

Двухполярное питание операционных усилителей TL082 (DA1, DA2) достигается за счет использования преобразователя напряжения ICL7660 (DA4), на выходе которого образуется напряжение отрицательной полярности -5 В. В то же время для питания операционного усилителя LM393 (DA3) используется однополярное питание +5 В.

Стабилизатор тока построен на транзисторе BC807 (VT1) и интегральном управляемом стабилитроне TL431 (VD2). Зарядка исследуемого конденсатора осуществляется через транзистор VT1, а разрядка — через N-канальный полевой транзистор IRF530 (VT2), управляемый микроконтроллером через порт RC1.

Далее предоставляю слово автору схемы:

Практически это выглядит так — конденсатор предварительно разряжается, включается источник тока 10 мА, оба входа измерительного усилителя подключаются на Сх, делается задержка порядка 3.6 мкс для устранения влияния звона в проводах. Одновременно через ключи DD2.3 || DD2.4 заряжается конденсатор С1, который собственно и запоминает самое большое напряжение, которое было на Cx. Следующим шагом размыкаются ключи DD2.3 || DD2.4 и выключается источник тока. Инвертирующий вход ДУ остается подключенным к Сх, на котором после выключеня тока напряжение падает на величину 10мА*ESR. Вот собственно и все — далее спокойно можно мерять напряжение на выходе ДУ — там два канала, один с КУ=330 для предела 1 Ом и КУ=33 для 10 Ом.
Удачно получилось, что эти же аналоговые цепи используются для измерения емкости .

GO

Оригинал схемы в формате SPlan можно скачать здесь.

Плата

Авторская плата представляет собой односторонне-двухстороннюю печатную плату. Печатные дорожки расположены на нижней стороне, а верхняя сторона представляет собой сплошной «земляной» полигон, соединённый с общим проводом.

Размеры печатной платы — 110 X 54 мм. Файл с топологией печатной платы в формате Sprint-Layout можно скачать тут.

Габаритные выводные компоненты располагаются на верхней стороне платы. Перед их установкой необходимо раззенковать отверстия зенковкой или сверлом большего диаметра. Но можно использовать и любой другой доступный способ удаления проводящей медной фольги вокруг отверстия. Это необходимо для исключения замыкания вывода электронного компонента на массу. Главное здесь не увлечься и сверяться с принципиальной и монтажной схемами, дабы не перепутать отверстие под выводной компонент с переходным отверстием, соединяющим общий провод между верхней и нижней сторонами платы. Такие отверстия, конечно же, зенковать не нужно.

Со стороны печатных дорожек располагаются малогабаритные SMD-компоненты — постоянные резисторы, конденсаторы, диоды и транзистор VT1.

Посадочные места под танталовые конденсаторы предполагают установку конденсаторов типоразмера E. Однако, никто не мешает установить и меньшего размера. Но здесь стоит помнить о двух очень важных вещах! Каждый танталовый конденсатор имеет не только номинальное напряжение, но и обозначение «+» в виде полоски на корпусе (в отличие от обычного электролитического конденсатора, где полоской обозначается «-» ). Несоблюдение этих двух простых правил может привести к весьма ярким и огненным спецэффектам! Всё-таки это не обычный электролитический конденсатор с жидким электролитом…

Перемычки обозначены белыми линиями на фотовиде платы. Они выполняются обычным изолированным проводом со стороны выводных компонентов.

Особое внимание при повторении данного варианта платы необходимо обратить на дисплей. С первого взгляда это давно всем знакомый и привычный жидкокристаллический дисплей 16×2. Но есть один важный нюанс! Контактные площадки для связи с внешним миром у него расположены слева от экрана, а сама группа площадок состоит из двух рядов по восемь контактов. Интересно то, что раньше дисплеи с таким способом подключения были чуть ли не единственными доступными на радиорынке. А уже потом их вытеснили более привычные и популярные сейчас дисплеи с одним рядом контактных площадок, расположенных в верхней части платы. Кстати, в собранном устройстве я использовал не разъёмное соединение дисплея с платой, а с помощью проводов МГТФ.

Так выглядит мой вариант собранной платы:

Как можно видеть, припаян только один танталовый конденсатор. На схеме так же указан только один конденсатор. Но на плате имеется посадочное место для установки ещё одного танталового конденсатора по питанию DA4. В принципе, можно и добавить — хуже не будет.

На момент сборки устройства на радиорынке не нашлось в продаже SMD конденсаторов ёмкостью 4,3 нФ. Не исключено, что я просто не знал где искать. В общем, поиски закончились тем, что вместо конденсаторов для поверхностного монтажа были установлены выводные керамические многослойные конденсаторы.

Дисплей к плате прикреплён с помощью двух латунных стоек. Для этого в плате пришлось просверлить крепёжные отверстия. А чтобы исключить замыкание плюса питания на корпус дисплея, под головки винтов были подложены картонные шайбы.

Прошивка

После сборки устройства необходимо прошить микроконтроллер PIC16F873A. Для прошивки я использовал простой самодельный программатор Extra-PIC и программу IC-Prog 1.05.

На сегодняшний день этот программатор и ПО сильно устарели и не поддерживает более современные PIC-микроконтроллеры. С другой стороны, для сборки старых устройств этого хватит с головой. Но для нормальной работы программы IC-Prog 1.05 вероятно потребуется достаточно старый компьютер с операционной системой MS Windows 98/2000.

Программирование установленного в плату микроконтроллера осуществляется через разъём внутрисхемного программирования — ICSP. Архив с исходным кодом программы на языке ассемблер и hex-файлом прошивки можно скачать здесь.

Корпус

В качестве корпуса был выбран один из самых дешёвых и доступных на тот момент корпусов. Им оказался местный аналог польского Kradex Z-34, в котором применён более хрупкий пластик (совершенно другой структуры и оттенка). Цена при этом была раза в три ниже оригинального. Ничем дополнительным такой корпус не комплектовался: ни саморезами, ни ножками. Даже в задней крышке необходимо было просверливать крепёжные отверстия. Внутренние размеры корпуса: 129 x 68 x 24 мм.

Эта модель корпуса продавались в двух вариантах: с крепёжными «ушками» на задней крышке и без них. На момент сборки устройства в продаже имелись только с «ушками». Стоит отметить, что какого-либо ощутимого неудобства при использовании прибора эти крепёжные элементы не доставляют. Поэтому я решил их оставить и не удалять.

Сперва стоило определиться каким образом плата будет закреплена и высчитать точное расположение дисплея относительно внешних размеров корпуса. А дальше уже дело техники.

Разметив границы дисплея и вооружившись шуруповёртом, сверлом и канцелярским ножом проделал в корпусе окно. Этот процесс состоял в высверливании отверстий по контуру с последующим выламыванием ненужного куска пластика. Далее следовало выравнивание контура окна канцелярским ножом и напильником, пока дисплей вместе с металлической рамкой не начнёт свободно входить в положенное ему место. Попутно пришлось ещё удалить две пластиковые стойки в верхней части корпуса, так как они мешали дисплею.

С внешней стороны корпуса была наклеена прозрачная плёнка для защиты дисплея от пыли, грязи и прочих воздействий. В качестве защитной плёнки использовалась обычная прозрачная плёнка для печати на принтере. Она хороша тем, что достаточно плотная и продаётся практически в любом магазине канцелярских товаров.

Питание устройства осуществляется не через разъём на плате, а через такой же разъём, но приклеенный к боковой стенке корпуса супер-клеем. Соединение разъёма с платой обеспечивается проводами. В моём случае это провод МГТФ достаточного сечения.

Плата крепится винтами к двум латунным стойкам через изолирующие картонные шайбы. А сами латунные стойки предварительно ввинчиваются в пластиковые стойки в нижней части корпуса.

В боковой стенке корпуса под разъёмом питания было проделано отверстие для вывода измерительных проводов — щупов. Чтобы придать конструкции более эстетичный вид и плотно сжать провода, в проделанное отверстие был установлен резиновый ввод.

Измерительные щупы

Автором предлагается подключать измерительные щупы по четырёх проводной схеме. Это необходимо для снижения влияния сопротивления проводов на измерения. Провода на массу и транзистор VT2 рекомендуется использовать сечением 1 — 1,5 мм² , а два других — 0,25 мм².

К сожалению, на принципиальной схеме это подключение никак не отображено. А вот на схеме, приведенной в PDF файле о калибровке прибора оно показано, но не соответствует рассматриваемой в данной статье топологии печатной платы!!!

Но всё же, давайте всё-таки рассмотрим схему из PDF файла, чтобы лучше понять принцип подключения:

На фрагменте схемы и изображении подключения щупов видно, что толстые провода подключаются к 1 и 3 контактам клеммника, а тонкие провода — ко 2 и 4. При этом измерительный провод, подключаемый ко второму контакту, связан с первым (который подключается к плюсу измеряемого конденсатора). А тот что подключается к четвертому контакту — со вторым (который подключается к минусу измеряемого конденсатора).

Теперь давайте сопоставим вышеприведенные изображения с имеющейся схемой и топологией печатной платы:

На печатной плате первый вывод клеммника подключён к истоку транзистора VT2. Второй — к «земле» (через переходное отверстие). Третий — к 4, 8 и 11 выводам DD2. А четвёртый — к конденсаторам C1, C2 и 1 выводу DD2.

Таким образом, щупы необходимо подключать к плате следующим образом:

1	Красный (подключаемый к плюсу измеряемого конденсатора)
2	Чёрный (подключаемый к минусу измеряемого конденсатора)
3	Измерительный, связанный с красным
4	Измерительный, связанный с чёрным

В собранном устройстве это всё дело выглядит так:

Лицевая панель

Лицевая панель — важная составляющая любого законченного устройства. На ней указывается название устройства, описание назначения кнопок и другая полезная информация.

В качестве полезной информации на лицевой панели было решено разместить таблицу ориентировочных значений ESR для конденсаторов разной ёмкости на разное рабочее напряжение. А ещё она поможет скрыть рамку дисплея и контуры проделанного в корпусе окна.

Сама по себе таблица является достаточно спорной. В Интернете встречается множество подобных таблиц с сильно отличающимися значениями. Насколько я понял, все эти таблицы созданы на основе измерения параметров новых электролитических конденсаторов разных производителей. Но как бы ни было, лучше опираться хоть на какие-то данные. Поэтому таблица с этими параметрами прямо на корпусе прибора является отличным решением!

Изображение распечатано на фотобумаге чёрно-белым лазерным принтером. Эту бумагу я использовал и для производства печатных плат методом лазерно-утюжной технологии (ЛУТ).

Фиксация тонера на бумаге и защита от внешних воздействий реализована наклеиванием на распечатанное изображение прозрачного скотча. Так как ширины скотча не хватило для покрытия всего изображения, пришлось клеить в два захода. В результате как ни старался, а место стыка всё-равно просматривается невооружённым глазом. Остаётся вырезать скальпелем окно под видимую область дисплея.

Получившаяся лицевая панель была приклеена к корпусу обычным сухим канцелярским клеем:

Внешний вид мог бы получиться и красивее, если использовать цветную струйную печать с последующим ламинированием. Но, как по мне, то что получилось тоже выглядит неплохо.

Не забываем, что сухой канцелярский клей совершенно не предназначен для приклеивания бумаги к пластику. И со временем края бумаги начинают отслаиваться и необходимо их подклеивать. За более чем десять лет подобная ситуация возникала уже как минимум несколько раз.

На случай если кто-то захочет повторять устройство в таком же корпусе, оставляю ссылку на архив с чертежом лицевой панели в формате КОМПАС (*.frw), а так же изображениями в формате PNG.

Калибровка

После сборки устройства необходимо произвести его калибровку. Для этого понадобятся эталонные резисторы (с допуском не хуже 1%) и конденсаторы с заведомо известной ёмкостью и нулевым или известным ESR. Пересказывать авторскую методику здесь я не буду, а просто оставлю ссылку на PDF-файл, в котором подробно всё описано.

Добавлю, что у меня таких эталонных конденсаторов под рукой не оказалось и в процессе калибровки пришлось ориентироваться на показания других не самых точных приборов.

Так как верхний предел измерения ESR ограничен значением в 10 Ом, то после подключения устройства к блоку питания и отсутствии измеряемого конденсатора, прибор показывает ESR выше 10 Ом. С прогревом это значение может немного изменяться в меньшую сторону.

Процесс измерения параметров конденсатора прост до безобразия. Подключаем измеряемый конденсатор к щупам и считываем показания с экрана прибора:

Выводы

Если нужен точный лабораторный измерительный прибор с достоверными показаниями, то эта статья явно не о нём. Но это не значит, что не стоит обращать внимание на описанный здесь прибор.

Во-первых он прост в повторении и позволяет быстро определять пригодность электролитического конденсатора к дальнейшему применению. Хотя одним из недостатков можно считать невозможность оценки утечки конденсатора. С другой стороны, прибор для этого и не предназначался.

Во-вторых, не смотря на то, что в приборе используется не самый популярный метод измерения ESR, каких-либо ложных индикаций относительно заведомо исправных или неисправных или «вздувшихся» конденсаторов я ни разу не встречал. И за более чем 10 лет использования устройства ни разу не разочаровался.

Работу данного прибора можно увидеть в немного сатирическом и провокационном видеоролике на youtube-канале.

И самое главное! Если кто-то решится повторять прибор, то рекомендую сначала ознакомиться с первоисточником. С 2006 года прошло огромное количество времени, за которое могли появиться более функциональные и современные версии данного устройства. Возможно и на более современной элементной базе! Ну а какую из версий собирать или не собирать каждый решает сам.