Интеересный вопрос.
Скорее LOW получится здесь, перевод публикации из журнала Elektor Electronics, Манчестер.
Мой перевод и редактирование.==========
TEST&MEASUREMENT
14 Elektor Electronics 9/2002
Capacitor ESR Tester
the good, the bad and the leaky…
Design by Flemming Jensen
How about an in-circuit capacitor tester to take the strain out of tracking
down faulty capacitors? No need to solder out any capacitor, simply check
it in-circuit, from thousands of microFarads down to a hundred
nanoFarads...
ИСПЫТАНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ
14 Электор Электроникс 9/2002
Тестер ESR конденсаторовХороший, плохой, условно годный....
Дизайн Флемминга ДженсенаКак насчет встроенного тестера конденсаторов, который может снять проблемы при диагностике
неисправных конденсаторов? Нет необходимости отпаивать какой-либо конденсатор, просто проверьте
его в цепи, от тысяч микрофарад до ста наноФарад.
В большинстве случаев параллельные дроссели и резисторы с низким сопротивлением не
являются проблемой. Даже закороченные конденсаторы могут быть обнаружены в цепи, и полярность их не имеет
значения для тестера. Высокое ESR ? Заменить!
Наиболее важным свойством
конденсатора является его емкость, но
помимо этого есть еще один важный
фактор, а именно так называемое ESR,
или Эквивалентное последовательное сопротивление.
Идеальный конденсатор-это чисто реактивный
компонент с фазовым
углом 90 градусов между током и напряжением.
Однако в реальном мире конденсатор
необходимо смоделировать как идеальный
конденсатор включенный последовательно с резистором,
который и вносит потери. Эквивалентная
схема показана на рисунке 1.
Конечно,
емкость можно измерить
с помощью измерителя емкости, который
в настоящее время довольно распространен, но,
к сожалению, этот тест ничего не скажет
о качестве конденсатора —
нам также нужно знать ESR.
Со временем электролиты, как правило,
высыхают, что приводит к повышению их ESR и
неизбежному падению напряжения внутри
конденсатора. Очевидно, что чистое реактивное сопротивление
Xc не может выделять тепло из-за
90-градусного сдвига фазы между
напряжением и током, но ESR может,
и в коммутационных цепях возникающее
тепло приведет к дальнейшему ухудшению
качества конденсатора, т.е.
дальнейшему повышению ESR. Это довольно распространенное явление.
Бывает что электролит, который на первый
взгляд потерял всего только несколько
процентов от номинальной емкости,
имеет ESR в диапазоне сотни
Ом. Очевидно, что такой компонент
действует как нагрузка,
которая просто нагревает конденсатор и потребляет много энергии.
Как ESR влияет
на работу схемы?В быстродействующих коммутационных цепях низкое ESR может иметь решающее значение для правильной работы схемы.
Например, в телевизорах высокое ESR конденсаторов может привести к невозможности выхода
из режима ожидания, неправильной высоте или ширине изображения, проблемам с синхронизацией, помехам
или звуковым сигналам. В импульсных источниках питания высокое значение ESR может привести
к перегоранию полупроводников, перегоранию предохранителей или отсутствию запуска. В силовых цепях повышенное значение
ESR приведет к перегреву конденсаторов и, в конечном итоге,
поломке устройства. Обычный метод устранения этих проблем включает
в себя выпаивание конденсаторов, измерение их емкости и впаивание хороших вместо плохих.
Действительно утомительное дело, но что еще хуже, так это то, что неисправные конденсаторы часто не показывают снижение
своей емкости, и их снова запаивают. И устранение подобных неисправностей становится
действительно трудоемким.
Рисунок 1. Наиболее важным свойством
конденсатора является его емкость, но помимо этого
есть еще один важный фактор, а именно так называемый
ESR или Эквивалентное последовательное сопротивление.
Принцип измеренияНа испытываемый конденсатор
подается
прямоугольный сигнал типа меандр частотой 100 кГц. Значение ESR
определяется путем измерения падения переменного
напряжения на испытываемом конденсаторе. Если
емкость достаточно велика для данной частоты, падение напряжения
на внутреннем реактивном
сопротивлении незначительно и будет вызвано только величиной ESR. Это напряжение преобразуется
в постоянный ток и подается на вольтметр.
Преобразование сигнала переменного тока частотой 100 кГц
в постоянный (в диапазоне милливольт) представляет
собой актуальную задачу проектирования. Кроме того,
преобразование должно быть
как можно более линейным, поэтому мы и
хотим использовать обычный 200-мВ диапазон
показания вольтметра. Само собой разумеется что обычного диодного выпрямителя будет
недостаточно, а активному диодному выпрямителю
с операционными усилителями будет сложно
работать при частоте 100 кГц величиной в несколько
милливольт.Правильное решение,
— это синхронный выпрямитель--по сути, преобразователь полярности, управляемый
тем же генератором, который
подает тестовый сигнал 100 кГц.
Эта схема работает на удивление хорошо
и к тому же дешева!
Упрощенная версия схемы
показана на рисунке 2.
Рисунок 2. Иллюстрация принципа работы. Если предположить, что C.U.T. представляет собой конденсатор 100 мкФ с ESR 10 Ом, реактивное сопротивление равно
пренебрежимо мало, а СОЭ, являющееся чисто омическим, преобладает.
Здесь предполагается, что испытываемый конденсатор имеет емкость 100 мкФ и ESR 10 Ом.
Как видно, реактивное сопротивление
незначительно, и ESR, который является
чисто резистивным, доминирует.
Хотя вышеуказанный принцип работает хорошо,
требуется дальнейшее снижение реактивного влияния.
На рисунке 3 показан пример, где
испытываемый конденсатор-это емкость 0,1 мкФ- ESR которого равно нулю Ом.
Как упоминалось выше, мы используем относительно высокую
частоту, чтобы сделать реактивное сопротивление незначительным,
позволяя при этом тестировать даже самые маленькие конденсаторы, такие как 0,1 мкФ.
Рисунок 3. Второй гипотетический тест: C.U.T. представляет собой конденсатор емкостью 0,1 мкФ с ESR 0 Ом.
Для этого необходимо
еще больше уменьшить влияние начала
интегрирования формы сигнала.
ESR равен нулю, а реактивное сопротивление равно 15 ом. Как видно, интегрирование сигналов,
подаваемых на входы дифференциального усилителя
приводят к тому, что на выходе получается пилообразный ток с центром около нуля вольт.
После интеграции в следующей RC-цепи
в схему вольтметра подается уровень постоянного тока нулевого напряжения. Если испытываемый конденсатор также
имеет ESR, скажем, 10 Ом, пилообразный
сигнал на выходе все равно будет иметь ту же форму.
Однако он будет смещен в положительном направлении на величину, представляющую значение ESR. После интегрирования пилообразного напряжения на выходе окажется правильное значение 10 Ом (за исключением реактивного сопротивления 15 Ом)
Что это? Электролитический конденсатор с низким ESR или короткозамкнутый конденсатор?Вы можете задаться вопросом, тестируете ли Вы
электролит с очень низким ESR или просто короткозамкнутый? Для ответа на этот вопрос обычно достаточно теста на Омы.
Нет необходимости доставать мультиметры—одним нажатием кнопки тестер ESR становится Омметром постоянного тока, и Ваш дисплей покажет более высокое значение в Омах. Если это не так,
то, скорее всего, у Вас на
руках короткозамкнутый конденсатор.
Некоторые практические
значения ESR? Пожалуйста.
Ну так что же такое высокое ESR?
Конечно же это зависит от того, где используется конденсатор,
типа, марки, номинального напряжения и.т.д.
Электролитический конденсатор емкостью 2200 мкФ с ESR 10 ом может быть и хорош в линейном источнике питания, в то же время как
2200 мкФ, имеющий ESR 1 Ом, может быть
совершенно недопустимым для импульсных блоков питания.
В общем, если есть большой конденсатор, как в этом
примере, и он показывает более одного Ом, Вы
должны заподозрить неладное и провести сравнение
с аналогичным исправным компонентом. Но не волнуйтесь! Это
не займет много времени и Вы сможете отличить
плохие конденсаторы от хороших достаточно быстро. Если Вы регулярно
ремонтируете электронные устройства-телевизоры, мониторы
и т.д. Вы быстро оцените этот тестер ESR.
Принципиальная схемаДавайте посмотрим на принципиальную схему
тестера ESR конденсаторов — см. Рис. 4.
Генератор прямоугольных импульсов 200 кГц спроектирован на
IC1. Этот сигнал на IC2 делится пополам
и это фактически соответствует нашему биполярному
генератору тестового сигнала частотой 100 кГц. Последовательно стоят
резисторы R6 и R3-P3 на выходах Q и
Q IC2.И это придает генератору
высокое выходное сопротивление по сравнению
с низким ESR и, по сути,
заставляют генератор работать как
сбалансированный генератор постоянного тока частотой 100 кГц.
Падение напряжения на
испытуемом конденсаторе передается на IC3- четыре двусторонних
переключателя, соединенных в качестве управляемого
преобразователя изменяющей полярности
в соответствии с выходами
IC2. Это позволяет IC3 действовать как АЦП.
IC4.дифференциальный
усилитель, преобразует дифференциальный
сигнал в односторонний сигнал,
т.е. сигнал, который связан с
землей. IC4 усиливает сигнал
таким образом, чтобы его возможно было бы подавать на
вольтметр 200 мВ. IC9-это вольтметр
IC, здесь ICL7106 в связке с
дисплеем, все в стандартной конфигурации.
LM358 в позиции IC8-это компаратор,
который сообщит Вам, когда пришло время
заменить батарею. IC7, наконец,
образует отрицательную шину питания
для этой схемы.
Как показано на принципиальной схеме,
тестовые зонды имеют по два экранированных
провода каждый. И каждый зонд имеет сигнальный
провод например "А" и измерительный
провод (например, "В"). Подробнее о
зондах информация находится в разделе "Изготовление".
Изготовление
Для измерителя ESR конденсаторов в лаборатории "Elektor Electronics" была разработана компактная печатная плата.
Полученная в
результате конструкция двусторонней
платы показана на рисунке
5. В соответствии с требованиями к испытательному
прибору плата сконструирована
таким образом, чтобы все точки регулировки были
легко доступны, в данном случае, со
сторон платы ( настройки
P1, P2, P4, P5) и сверху
(пред установка P3).
Хотя конструкция
платы соответствует стандартной практике (основной принцип которой гласит: работайте осторожно),
некоторые вещи не следует оставлять
без внимания. Во-первых, схема
платы имеет экранирующую плоскость заземления
со стороны компонентов, поэтому
следует соблюдать осторожность, чтобы избежать короткого замыкания
из-за пятен припоя или волосков припоя
между клеммами компонента и
плоскостью заземления. Во-вторых, установите,
проверьте и перепроверьте
полярность любого поляризованного компонента,
в частности танталовых конденсаторов
в позициях C3, C4 и C5. Танталовые
конденсаторы при обратной поляризации
имеют неприятную привычку взрываться и
испускать отвратительные пары. Наконец, мы
рекомендуем использовать разъемы для всех микросхем
(кроме IC9) и дисплея. Последние
легко изготавливается путем разрезания 40-контактной кроватки для микросхем
продольно и использованием
двух 20-полосных разъемов.
В
двух длинных сторонах корпуса ABS следует просверлить небольшие отверстия,
чтобы можно было регулировать P1, P2, P4 и P5
снаружи.
Что касается зондов, то их базовая
конструкция проиллюстрирована на рисунке
6. Эти два провода спаяны
вместе как можно ближе к наконечнику зонда.
Таким образом,
падение напряжения вдоль сигнального провода не
повлияет на измерение.
Экранирование гарантирует, что тестовые провода
не улавливают шум и что Вы
поддерживаете стабильную настройку нуля.
Тестер ESR
(в качестве дополнения)
Самыми дорогостоящими деталями в схеме
являются дисплей и 7106 A-D
конвертер. Деньги можно сэкономить, если вы
решите использовать тестер ESR в качестве
дополнения к существующему цифровому мультиметру
(МММ). Переключите
диапазон мультиметра на 200 mV.
Положение mV/DC и подключите
входы к GND и стеклоочистителю P1.
У Вас не должно возникнуть соблазна питать
тестер ESR от
батареи мультиметра. Помните, что выход тестера ESR
привязан к земле
поэтому, если Вы запустите его от
батареи мультиметра, к входу тестера будет подключен минус батареи,
что
не рекомендуется. Используйте отдельную батарею для
тестера ESR, чтобы избежать каких-либо проблем.
Но если Вы действительно хотите использовать только
одну батарею, возьмите для тестера ESR
дополнительную 9-вольтовую батарею типа "Крона" и подсоедините
регулируемый плюс 5 вольт тестера ESR к
плюсовой клемме
разъема батареи мультиметра и ESR,
а напряжение тестера минус 5 вольт на
минусовую клемму мультиметра.
Несколько слов предостережения
Хотя тестер ESR имеет защищенные
диодами входы, все равно
рекомендуется разрядить конденсаторы большого
номинала, которые вы хотите протестировать. Некоторые накопительные
конденсаторы в силовых цепях содержат
так много энергии, что схема защиты
может выйти из строя. Если это
произойдет, то неисправные элементы
ищите только в
цепях защиты.
Рисунок 5. Схема разводки дорожек и план
монтажа компонентов на печатной
плате, предназначенной для прибора.
Двусторонняя плата с покрытием доступна
в готовом виде.
СПИСОК КОМПОНЕНТОВРезисторы:
R1,R13,R14,R17,R18,R19,
R31 = 10 Ком
R2 = 4 коМ7
R3 = 1 коМ8
R4,R24,R28 = 22 Ком
R5 = 33 Ком
R6,R7,R8 = 2 коМ2
R9-R12 = 56 Ом
R15,R16,R20,R22,R29 = 1 МОМ
R21 = 47 ОМ
R23,R25,R27,R30 = 100 Ком
R26 = 1 ком
P1,P4 = 5 ком много оборотистый,
вертикальный монтаж, боковая регулировка
P2 = 100 Ком многовитковая пред установка, вертикальный
монтаж, боковая регулировка
P5 = 1 ком много оборотистый, вертикальный
монтаж, боковая регулировка
P3 = 1 ком предустановленный, горизонтальный
монтаж
Конденсаторы:
C1 = 180 Пф
C2,C9-C13,C16,C18 = 100nF
C3,C4,C5 = 10 мкФ 10 В радиальное
C6 = 100 мкФ 16 В радиальный
C7 = 220nF
C8 = 10nF
C14=100 пф
C15 = 1nF
C17 = 220nF
Полупроводники:
D1-D4 = 1N4002
IC1 = 4093
IC2 = 74Х74 ШТ.
IC3 = 74VHC4066
IC4 = LF412-CN
IC5 = LM2931-5,0
IC6 = 4070
IC7 = ICL7660
IC8 = LM358-N
IC9 = ICL7106-CP
Разнообразный:
LCD1 = 3,5-значный дисплей с
индикатором ЛОБАТТА, например, Varitronix VI -
302 DPRC (Farnell #478-660)
S1 = кнопка,Держатель батареи
Переключатель включения/выключения
2 миниатюрных зонда, например, Hirschmann
ПРУФ1
Длина 2-жильного экранированного кабеля
Корпус из ABS с жидкокристаллическим экраном и
батарейным отсеком, например
Многокомпонентный тип BC4.
40-контактный разъем IC разрезан пополам (см. текст)
Печатная плата, код заказа 012022-1, см.
Регулировка тестера ESRПеред настройкой прибора
убедитесь, что у Вас есть плюс
5 Вольт от IC5 и минус 5 Вольт от
IC7. Если Вы этого не сделаете, Вам придется устранить неполадки
в вашей печатной плате.
1. Начните со схемы вольтметра.
В этом случае P1 должен быть отключен.
Подключите известный точный
источник напряжения менее 200
мВ к точке TPA (тестовая точка A)
и регулируйте P5 до тех пор, пока на дисплее не появится правильное значение. Извлеките
источник напряжения. Подключите TPA к TPB,
замкните вместе тестовые провода и отрегулируйте
P2 для значения "000.0". Удалите соединение.
Снова подключите P1.
2. Подключите частотомер или осциллограф
между TPC и GND. Отрегулируйте P4
на показания частотомера 200 кГц или
на время 5 мкс на осциллографе.
Подключите тестовые провода к 10-омному резистору.
Подключите осциллограф (в режиме переменного тока)между точкой TPD и GND. Поверните P3
(регулировка симметрии) так, чтобы два полупериода выровнялись
и образовали прямую линию. Отрегулируйте значение P1 для
значения DVM "10,0".
Установите P3 и P1 по центру их
движения.
Чтобы убедиться, что тестер ESR работает правильно можно подключить различные (известные, хорошие)
конденсаторы последовательно соединив их с различными резисторами
такими, которые имитируют ESR конденсатора.
Соображения по компонентам
LF412 с позиционным номером IC4 является хорошим выбором для
дифференциального усилителя. Поскольку мы имеем дело
с высокочастотными сигналами в диапазоне милливольт,
решающее значение имеют низкий дрейф, низкое смещение и высокая
пропускная способность. Было протестировано много различных операционных усилителей,
но большинство из них привели к выявлению
проблем дрейфа постоянного тока. LF412 оказался
хорошим, недорогим выбором, показывающим минимальный дрейф.
Далее, IC5-это 5-вольтовый регулятор, который работает
просто отлично при падении напряжения менее 600 мВ
и, таким образом, обеспечивает длительное время автономной работы. Этот регулятор
позволяет схеме продолжать работать
при напряжении батареи менее 6 В. IC2-
74ACT74, способен выдавать достаточный ток
на частоте 100 кГц для получения хорошего, чистого сигнала
прямоугольной формы. IC3-это быстродействующая (VHC) версия
хорошо известного 4066. По сравнению с
обычным 4066, эффект нежелательного реактивного
сопротивления уменьшается вдвое. Для достижения наилучшей производительности
следует использовать указанные компоненты, но
в общем вполне приемлемая производительность все
равно достигается, если вы используете обычный 4066 для
IC3 и 74HCT74 для IC2.
Рисунок 6. Вот как подключить 4-проводные тестовые провода между зондами и нашим прибором.
Translation from English and editing-petrovjvj