Экономичный измеритель ESR и емкости конденсаторов с усиленной защитой

Измеритель ESR один из самых востребованных приборов для любого радиолюбителя, а особенно, для профессионалов, занимающихся ремонтом разного рода радиотехники. В радиолюбительской литературе опубликовано много вариантов таких измерителей. Так же, их можно купить относительно недорого из Китая, откуда я и заказал себе прибор, который благополучно сгорел при подключении заряженного всего до 10В конденсатора. Анализ схемы этого и других подобных приборов показал их главный недостаток – отсутствие либо недостаточность защиты от подключения ко входу прибора заряженного конденсатора. Этот факт направил меня на идею создания  более совершенного варианта подобного прибора. При этом, основные требуемые качества для себя определил как надежность, автономность и низкое энергопотребление.

Основные возможности описываемого прибора: измерение емкости и ESR конденсаторов без выпаивания из схемы; питание от литий-ионной батареи от сотового телефона с полным ее обслуживанием (здесь надо отметить, что экономичность прибора позволяет питать его и от обычных батареек – щелочных элементов типа ААА может хватить на полгода работы при средней интенсивности использования); малый потребляемый ток в рабочем режиме и переход в спящий режим с экстремально малым потреблением; достаточно совершенная защита от подключения заряженного конденсатора; одновременная индикация как емкости, так и эквивалентного последовательного сопротивления конденсатора либо сопротивления резистора. Прибор позволяет проверять конденсаторы не выпаивая, практически, в 100% случаев. Подаваемое на конденсатор при измерении напряжение не превышает 0.1 В, из-за чего все p-n переходы микросхем, транзисторов и т.д., включая германиевых, остаются закрытыми и не влияют на измерения. На показания ESR исправного конденсатора почти не влияют даже припаянные непосредственно параллельно измеряемой детали керамические конденсаторы много меньшей емкости, а так же резисторы с сопротивлением даже ниже 100 Ом, вплоть до 20 Ом!  

Технические характеристики описываемого ESR-измерителя (С ОУ AD8032A):

• Напряжение питания, В ………………………….………………………… 3.3 – 4.6
• Напряжение зарядного устройства (при питании от Li-ion), В ……..... 4.7 – 5.3
• Ток потребления: в режиме измерения, не более, мА ………………… 15
•    в режиме ожидания, мА ……….……….…………….. 5
•    в спящем режиме, мА ………………..……………...… 0.03 – 0.04
• Погрешность измерения ESR/R в диапазоне 0.1 – 60 Ом, не более, % .... ±(3+ед. индикации)
• Общий диапазон измерения ESR/R, Ом …………………………………… 0.01 – 700
• Погрешность измерения емкостей 0.1 – 9999 мкФ, не более, % …….... ±(5+ед. индикации)
• Общий диапазон измерения емкости, мкФ ……………………………….. 0.1 – 999999
• Максимальное напряжение заряженного измеряемого конденсатора, В . 500
• Максимальная энергия конденсатора, поглощаемая защитой, Дж ……... 10
• Время перехода в спящий режим из режима ожидания, с ………………... 60

Следует отметить, что при измерении конденсаторов с ESR более 60 Ом погрешность измерения емкости возрастает. То же можно сказать о погрешности измерения ESR для очень малых емкостей.

Рассмотрим принципиальную схему устройства.

Основным элементом схемы является микроконтроллер (МК) PIC16F873A, который тактируется от кварцевого генератора с внешними элементами X1, C9 и C10. Питание 3.3 В на МК подается с LDO (Low Drop Out) стабилизатора DA2 типа XC6206P33, который характеризуется экстремально низкими током потребления (1 мкА) и минимальным падением напряжения.

Индикация осуществляется посредством четырехразрядного светодиодного индикатора красного цвета свечения, сегментные выводы которого подключены к порту B МК, а выводы разрядов к выводам МК RC4-RC7. Здесь применена посегментная динамическая индикация (ДИ) – в каждый момент времени опрашивается только один сегмент (по кругу все за 32 цикла). Такой способ ДИ позволил отказаться как от разрядных ключей, так и от гасящих резисторов в цепях сегментов (этот способ решил попробовать после интересной дискуссии с пользователем vintik в комментариях к этой моей статье). И это включение вполне корректно – мои замеры с помощью осциллографа импульсов тока показали: ее (тока) значения (при напряжении питания 3.3 В) составляют не более12 мА. Что, впрочем, вполне согласуется с графиками зависимости выходных токов и напряжений портов МК для питания 3.3В из datasheet на данный МК.

В данной схеме тип индикатора определяется автоматически, для чего при включении к сегментам подключаются внутренние подтягивающие резисторы переключенного на вход порта B МК. Разрядные же выводы соединяются с корпусом выходами RC4-RC7 МК. Сигнал с одного из сегментов подается на вход АЦП AN3 и по значению напряжения делается вывод о типе индикатора, ОА или ОК. Порт RA2, в данном случае переключен на вход и не влияет на измерение. Так как МК контролирует наличие на входе AN3 более 3.2В (в случае индикатора с ОА), на процесс не влияет так же микросхема DA3 TL431A, подключенная катодом к батарее питания (даже при токе 0.1 мА, на ней падает не менее 1.8В, то есть эта цепь сможет обеспечить на AN3 не более 2.8В). Сразу после определения типа индикатора, порт RA3 переводится на выход и притягивается к корпусу, обеспечивая необходимый ток через DA3, а по входу AN2 периодически измеряются либо напряжение батареи питания через резистор R20, либо наличие напряжения зарядки, за вычетом 2.5В падения на DA3. Почему TL431, а не просто резистивный делитель? Да потому, что в таком случае, через этот делитель в спящем режиме неминуемо будет утечка тока батареи, но об этом ниже… Собственно, ДИ организована в прерываниях от таймера TMR1 с интервалом 512 мкс. Частота опроса индикатора – 1000/(0.512*32), примерно равна 61Гц. Яркость индикатора, несмотря на небольшой средний ток через сегмент, вполне достаточна и комфортна.

Система индикации организована в приборе так, что на экране постоянно, с интервалом 0.5 сек., сменяются два значения из четырех знаков, как правило, емкость и сопротивление. При выводе служебных сообщений эти значения – просто две «строки» сообщения. Попеременный вывод этих значений производится в вышеупомянутых прерываниях, а основная программа просто «кладет» нужные данные в одну из двух «ячеек».

В данном приборе применяется способ измерения ESR и емкости путем заряда конденсатора стабильным током. Для упрощения схемы в качестве источника тока используется простой резистор. Ток зарядки определяется напряжением питания МК (3.3 В) за вычетом напряжения на конденсаторе, которое в процессе зарядки не превышает 0.1 В. Поэтому зарядный ток меняется незначительно, а погрешность, вызванная этим изменением, корректируется программно. Подключаемые к 3.3В посредством портов МК резисторы R11, R10+R15 и R12 обеспечивают соответственно 10 мА, 1 мА и 0.1 мА.

В данном случае, последовательно с ними включен R1  и сопротивление канала открытого верхнего ключа порта МК (около 110 Ом), чье влияние для токов 10 и 1 мА корректируется изменением номиналов соответствующих резисторов. Для R11 это влияние весьма существенно и, поэтому, эта нестабильность корректируется в процессе программной калибровки конкретного прибора.

Система защиты прибора от подключения заряженного конденсатора состоит из элементов R1, VD1, VD2, R2, R3, VD3, R6. Цепочка из пятиваттного резистора R1 и мощных диодов VD1, VD2 защищает транзистор VT1 и порты RC0, RC1, RC3 МК, а так же быстро поглощает энергию заряда, разгружая другие элементы защиты. Цепь R3, VD3, R6 защищает  вход МК AN0 и неинвертирующий вход операционного усилителя (ОУ) DA1.1, используемого для усиления очень низких напряжений с измеряемого конденсатора (от десятых долей мВ). Работу системы защиты прибора наглядно можно посмотреть на видео ниже (показано подключение к щупам прибора конденсатора 150 мкФ, заряженного напряжением 325 В).  Система защиты позволяет защитить прибор от  практически любого заряженного конденсатора, но тут есть опасность «расслабиться» и  подключить прибор к  не обесточенному ремонтируемому устройству, что может плачевно закончиться как для прибора, так и для этого устройства. Да, и вообще, не стоит брать за привычку разряжать прибором конденсаторы – он для этого не предназначен!

Для корректной работы примененного ОУ (ниже на выборе ОУ остановимся подробнее), ее напряжение питания должно быть, как минимум, на 1.5 В больше напряжения питания МК. Поэтому, питание на ОУ подается с цепи удвоения напряжения, состоящей из элементов VD4, VD5, C2, C8, R16, VT2, на которую подается меандр частотой 4кГц непосредственно с ШИМ выхода МК. Цепь вполне работоспособна, так как ток потребления ОУ составляет всего около 1 мА. Транзистор VT2 служит для исключения утечки тока в спящем режиме, а R16 ограничивает начальный ток заряда C8. Применение диодов Шоттки позволяет довести напряжение питания ОУ до вполне достаточных 5.8 - 6 Вольт. Цепь R2, R5 создает положительное смещение на ОУ для устранения нелинейности при измерении малых напряжений, свойственной данному ОУ, о чем подробнее сказано в другой моей статье.  Кроме того, слабый ток через R5 создает необходимый потенциал на входе прибора в режиме ожидания. Конденсатор C4 устраняет возбуждение ОУ при измерении резисторов, что без этого конденсатора проявляется как ложное определение резистора как конденсатор большой емкости. C1 улучшает стабильность работы в режиме ожидания.

Процесс измерения ESR наглядно иллюстрирует график: 

Конденсатор разряжается через открытый транзистор VT1 до напряжения не более 50 мВ. Затем, производится измерение начального напряжения V1. Далее, конденсатор заряжается током 10 мА дважды по 26 мкс, измеряя после каждого интервала значения напряжений V2 и V3. В случае, если значение V3 превышает некоторый предел, конденсатор разряжается и те же операции производятся при токе 1 мА и, если понадобится, 0.1 мА. В том случае, когда V3 в пределах нормы, вычисляется напряжение, обусловленное протеканием зарядного тока через эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора (по графику – Ur) по формуле Ur = 2*V2 – V3 – V1. Для коэффициента усиления ОУ, равного 32.23, значение АЦП МК оказывается численно равным значению искомого сопротивления, выраженному в Ом/100, Ом/10 или в Ом, соответственно для токов 10 мА, 1 мА и 0.1 мА. Остается только перевести в десятичный формат и поставить децимальную точку в зависимости от выбранного тока. Данное усиление ОУ обеспечивается номиналами резисторов R7 – R9, указанными на схеме. Они, а так же R10 и R12 должны быть с допуском не более ±1%. Допустимо некоторое изменение их номиналов с сохранением неизменности соотношения R9*(R7+R8)/(R7*R8). В случае, если ко входу прибора подключен резистор , тот же алгоритм дает его сопротивление (0 – 700 Ом).

Далее, для вычисления емкости конденсатора, продолжается его заряд использовавшимся для вычисления ESR током, импульсами в 26 мкс, но измерения производятся в паузах, в отсутствии тока. И так до достижения вышеупомянутого некоего предельного напряжения (около 80 мВ) либо до подачи 4000 импульсов. Емкость вычисляется исходя из последнего корректно измеренного напряжения, начального напряжения и количества импульсов. Разумеется, в процессе измерения принимаются меры для исключения конфликта между описанным алгоритмом и прерываниями на индикацию.

Транзистор VT1 и резистор R4 кроме разряда конденсатора, также используются при калибровке прибора. В этом режиме, при открытом транзисторе через резистор R4 протекает измерительный ток 10 мА (через R11 и порт RC0 МК) и прибор, измерив его сопротивление как эталонное, устанавливает в соответствии с ним корректировочный коэффициент. Программно вносится поправка на «выпадающий» из измерительной цепи R1 и ненулевое сопротивление открытого канала VT1, которое принимается равным 40 мОм. При этом, калибровка с точностью в ±2% обеспечивается для значений этого параметра используемого транзистора в пределах 0 – 80 мОм. Выбор такого транзистора не вызывает затруднений. Резистор R4 желательно брать с допуском не более ±0.5%, в крайнем случае – ±1%.

Элементы VT3, DA3, R19 - R23 образуют схему контроля и зарядки батареи питания. Зарядка осуществляется через цепь VT3, R20. Ток зарядки определяется резистором R20 и  составляет 200 – 300 мА. Напряжение зарядного устройства 5 В гораздо выше напряжения питания МК, поэтому, для управления ключом VT3 использован порт RA4 с открытым стоком. Для измерения напряжения батареи питания ключ закрывается, а для контроля наличия подключенного ЗУ – открывается. При наличии подключенного ЗУ, МК открывает VT3 и начинается зарядка. Периодически МК контролирует напряжение батареи, закрывая на время ключ. Как только напряжение батареи достигнет 4.15 В, зарядка прекращается и возобновляется при снижении его до 4.05 В.

В спящем режиме на сегменты и разряды индикатора подается высокий уровень, что обесточивает индикатор. Так же высокий уровень устанавливается на портах МК RA2 и RA3, что закрывает VT2, VT3 и DA3. Если бы вместо DA3 был просто резистор, из-за разницы напряжений питания МК и батареи через этот резистор неминуемо была бы утечка тока даже при высоком на нем уровне, через внутренний защитный диод порта МК. Из спящего режима МК выходит по прерыванию от таймера WDT, после чего прибор переходит в рабочий режим в случае неразомкнутых щупов или подключенного напряжения подзарядки. В противном случае, устройство «засыпает» обратно и так далее. Интервал прерываний WDT выбран примерно 150 мс. Наличие включенного таймера WDT, кроме того, позволяет обойтись без кнопки сброса при отсутствии выключателя питания.

Все детали устройства, кроме батареи питания, размещены на печатной плате размерами 95мм на 55мм из фольгированного стеклотекстолита с односторонней металлизацией.

Применены как обычные, так и SMD компоненты. Микроконтроллер установлен на разъемной колодке. Его можно заменить на PIC16F876A. Индикатор можно заменить на FYQ3641AH, а так же, практически, любой подобных размеров и красного цвета свечения как с ОА, так и с ОК. DA3 допустимо применить типа  TL431, но тогда несколько снизится точность измерения напряжения батареи BAT1. Последнюю обязательно нужно брать  со встроенной схемой защиты. Емкость его здесь практически не имеет значения. Даже аккумулятора в 100 мА/ч хватит до подзарядки на 2-3 недели достаточно интенсивного использования. В случае применения для питания прибора трех элементов ААА, детали VT3, R21, R23 и разъем microUSB можно не устанавливать, но резистор R20 обязателен для измерения напряжения батареи. Он, кстати, во время зарядки может прилично нагреться, поэтому, надо проследить, чтобы он при установке физически не касался индикатора. В качестве DA2 подойдет NCP551SN33, но с изменением рисунка платы. MOSFET транзисторы VT2 и VT3 можно заменить транзисторами типа IRLML6401, а VT1 – типа AO4404, AO4406 и даже IRLML2502 (на плате для него предусмотрено место). Диоды VD4, VD5 можно заменить на BAT42 или BAT43 . В качестве VD1, VD2 подойдут HER506 – HER508. HER501 – HER505 менее предпочтительны из-за меньшего прямого падения напряжения, что при токе через них (в режиме ожидания) в 1 мкА может быть критично. Стабилитрон VD3 – на напряжение 3.3 В и мощность 1 – 1.5 Вт. Разъем S1 – двухконтактная винтовая колодка.

Особо следует остановиться на выборе ОУ DA1. Если важно полное соответствие характеристик прибора заявленным выше, следует применить более дорогой AD8032A с той же распиновкой либо AD8031A с изменением рисунка платы. С ОУ LM358P погрешность прибора при измерении ESR емкостей до 4.7 мкФ больше (занижение ESR) из-за недостатка быстродействия. Кроме того, возможно, его придется подобрать из нескольких экземпляров (с буквами P и N). Без подбора хорошо работает MCP602 (распиновка та же) при тех же примерно  параметрах прибора, что и с LM358P . Для возможности оперативной замены, ОУ следует установить через контактную колодку. 

Как уже упоминалось выше, резисторы R4, R7, R9, R10 и R12 нужно брать с допуском не более ±1%. В крайнем случае, их можно отобрать из экземпляров с допуском ±5%, подбирая с точностью не менее ±0.5% омметром с классом точности не хуже 0.5%. Остальные резисторы – с допуском ±5%. Все SMD конденсаторы – типоразмера 1206, а резисторы – 0805. C1 - на напряжение не менее 630 вольт.

Плата с припаянными деталями и аккумулятор размещаются в готовом пластмассовом корпусе с внешними размерами 100х60х25 мм, ранее приобретенном в Китае. В нем проделаны отверстия под разъем зарядки и под провода к щупам напротив входной винтовой колодки. Так же, напротив индикатора прорезано прямоугольное окно , которое заклеено прозрачным оргстеклом красного цвета. Входные щупы изготовлены из кусков гвоздей и секций винтового разъема, применяемого в электрике.

Ниже привожу фотографии платы и внешнего вида прибора (на плате пришлось сделать некоторые корректировки, которые, конечно же, учтены в чертежах плат).

Программа для МК написана на языке Си и оттранслирована в среде MikroC for PIC.

В приложенном архиве: проект и код в MikroC, плата в формате LAY, Proteus - модель, а также файлы прошивок для PIC16F873A и PIC16F876A (как оказалось, при использовании прошивки от 873а для PIC16F876A, некорректно работает запись в EEPROM).

Устройство не требует наладки и начинает работать сразу, при отсутствии ошибок, конечно. При применении деталей с указанными допусками, заявленная погрешность обеспечивается автоматически, однако, необходимо произвести программную калибровку прибора.

Описание работы прибора

РЕЖИМ ОЖИДАНИЯ. При неподключенных щупах прибор переходит в режим ожидания и на экране попеременно загораются средние сегменты 2-го и 3-го разрядов. В этом режиме, через 8 секунд и далее, каждые 16 с, в течении 2 с индицируется напряжение батареи питания в виде “bAtt”+”uX.XX” (здесь и далее запись вида “XXXX”+”YYYY” означает попеременную индикацию “XXXX” и “YYYY” с интервалом 0.5 с), где Х.ХХ – напряжение аккумулятора. Если к прибору ничего не подключено в течении 60 с, он переходит в спящий режим (выключается) с полным гашением индикатора. В таком состоянии прибор может находиться сколь угодно долго, пока щупы не будут замкнуты между собой либо не будет к ним подключен измеряемый элемент.

РЕЖИМ ОЖИДАНИЯ+ПОДКЛЮЧЕНО ЗУ. Если подключено ЗУ, индикация в режиме ожидания меняется (индикация меняется с задержкой, только в момент после отображения напряжения питания – особенность конструкции). На экран, в данном случае, выводится стилизованное изображение наполняющегося сосуда, размер которого зависит от степени зарядки аккумулятора.

С данного режима перехода в спящий режим не происходит.

РЕЖИМ ОЖИДАНИЯ+РАЗРЯЖЕННАЯ БАТАРЕЯ. Если напряжение батареи питания менее 3.6 В, слегка меняется первая индикация напряжения батареи через 8 с после перехода в режим ожидания – “bat.L”+”uX.XX”, а сразу после этого прибор «засыпает», то есть через 10, а не 60 секунд. При напряжении батареи менее 3.3 В, прибор выключается и включается только после подключения ЗУ.

ИЗМЕРЕНИЕ КОНДЕНСАТОРА. При подключении к щупам измеряемого конденсатора, на экране будут выводиться данные типа “cXX.X”+”rX.XX” (собственно, емкость и сопротивление). Первая часть может принимать следующие другие значения: “cXXX” – емкость 1 – 999 мкФ; “XXXX” – емкость 1000 – 9999 мкФ; “F.XXX” – емкость 0.01 – 0.999 Ф; “F.99ˉ” – емкость >0.999 Ф. Вторая часть может принимать следующие другие значения: “rXX.X” – при измерении применялся второй предел тока – 1 мА; “rXXX” - при измерении применялся третий предел тока – 0.1 мА. Все численные значения второй части означают сопротивление в Ом-ах. При слишком малой емкости или слишком большом сопротивлении выводится “c __”+”r99ˉ”.

ИЗМЕРЕНИЕ РЕЗИСТОРА. При подключении к щупам резистора, на экране будут выводиться данные типа “rES_”+”rX.XX”. Другие значения второй части аналогичны предыдущему случаю.

КАЛИБРОВКА. Если держать щупы замкнутыми (либо с подключенным резистором) непрерывно в течении 30 сек, то прибор перейдет в режим калибровки. Высвечивается две секунды “CALI”+”CALI“ (что означает несменяемую надпись), затем, приглашение разомкнуть щупы “OPEn”+”Prob” (Open probes). Если после этого не разомкнуть щупы в течении 10 с, происходит аварийный  выход из режима с выводом “CALI”+”Err_”. Если же вовремя разомкнуть щупы, то через 3 с прибор предложит замкнуть щупы: “CLOS”+”Prob” (Close probes). Опять же, не позднее 10 с надо надежно замкнуть щупы прибора. После этого калибровка корректно закончена и выводится “CALI”+End_”. В процессе калибровки во время размыкания щупов происходит калибровка первого предела тока (10 мА), а во время замыкания – вычисляется собственное сопротивление проводов и щупов, которое потом будет вычитаться от измеренного значения ESR/R.  При вычислении сопротивления щупов, производится десятикратное измерение с интервалом в 50мс и за результат принимается минимальное из этих значений. Если на запрос "CLOS"+"Prob" не замыкать щупы, их сопротивление принимается равным нулю, то есть не учитывается.   Результат калибровки сохраняется в EEPROM (энергонезависимой памяти) и не теряется даже при отключении батареи питания.

ИЗМЕРЕНИЕ ИОНИСТОРОВ. Особенность возникает при подключении к прибору заряженного ионистора. Предположим, к прибору подключен ионистор емкостью 0.47 Ф, заряженный до 4 В (не забываем про предельную энергию в 10 Дж!). Разряд его прибором до требуемых для начала измерения 50мВ займет примерно 10 с! В это время прибор информирует пользователя о процессе разряда ионистора: “ion_”+”Uˉ-_”. Однако, здесь есть один нюанс: прибор сможет определить подключенный заряженный ионистор только если его положительный вывод соединен с верхним по схеме контактом входного разъема S1, а отрицательный – с нижним. В противном случае, прибор определит его как  резистор с нулевым сопротивлением. При этом, все равно, примерно через 15 - 20 с ионистор разрядится и прибор измерит его параметры. Это единственный случай, когда для устройства имеет значение полярность подключения щупов, хотя корректная работа  прибора сохраняется в любом случае.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Микроконтроллер
• ESR-метр
• Proteus
• Sprint-Layout
• PIC