Экономичный измеритель C/ESR с усиленной защитой. Версия 2

Измеритель ESR один из самых востребованных приборов для любого радиолюбителя, а особенно, для профессионалов, занимающихся ремонтом разного рода радиотехники. Так и прибор, ранее опубликованный на сайте, вызвал немалый интерес у пользователей. Вместе с тем использование в нем некоторых типов деталей оказалось не совсем удачным решением. Кроме того, прибор оказался «слишком» экономичным и использование в качестве источника питания литий-ионного аккумулятора теперь кажется избыточным. В моем экземпляре использовался аккумулятор емкостью 1000 мА/ч и, представьте себе, он уже год работает без единой подзарядки! С учетом сказанного, была разработана версия прибора с питанием всего от одного элемента ААА и свободная от недостатков прототипа при сохранении мощной защиты входа и неплохой точности при внутрисхемных измерениях.

В некоторых местах текст этой статьи дублирует вышеуказанную статью. Это сделано для лучшего понимания излагаемого материала без постоянного переключения между ними.

Основные возможности описываемого прибора: измерение емкости и ESR конденсаторов без выпаивания из схемы; питание от одного элемента ААА; малый потребляемый ток в  режиме ожидания и переход в спящий режим с экстремально малым потреблением; достаточно совершенная защита от случайного  подключения заряженного конденсатора; одновременная индикация как емкости, так и эквивалентного последовательного сопротивления конденсатора, либо сопротивления резистора; добавлен режим измерения малых сопротивлений на постоянном токе. Прибор позволяет проверять конденсаторы не выпаивая, практически, в 100% случаев.

Технические характеристики C/ESR-измерителя:

• Напряжение питания, В ………………………….………………………… 1.1 – 1.6  
• Средний ток потребления: в режиме измерения, мА .…………………… 50
•    в режиме ожидания, мА ……...…………….. 16
•    в спящем режиме, мкА  ..…………………..... 55
• Погрешность измерения ESR/R в диапазоне 0.01 – 60 Ом, не более, % ... ±(3+2ед. индикации)
• Общий диапазон измерения ESR/R, Ом …………………………………… 0.01 – 700
• Погрешность измерения емкостей 0.1 – 9999 мкФ, не более, % ……........ ±(5+2ед. индикации)
• Общий диапазон измерения емкости, мкФ ……………………………….. 0.1 – 999999
• Диапазон измерения в режиме «миллиомметр», Ом …………………….. 0.01 – 9.00
• 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.

Остановимся, в основном, на отличиях схемы от опубликованной ранее версии. Микроконтроллер (МК) PIC16F873A питается напряжением 3.3В с повышающего преобразователя на микросхеме DA2 типа NCP1402SN33 и элементах VD5, L1, C4-C6. Данная микросхема характеризуется высоким КПД и малым собственным током потребления. Питание МК дополнительно фильтруется от высокочастотных (около 150 кГц) помех фильтром L2C7.

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 все без изменений - 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. 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. На тот же вход через элементы VD4, R13 подается для контроля напряжение питания. Диод Шоттки VD4 при малом прямом токе (менее 0.5 мкА) практически не влияет на результаты измерений (падение напряжения на нем около 20 мВ корректируется программно). Этот диод уменьшает утечку тока с порта МК на элемент питания в спящем режиме.

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». Здесь тоже без изменений.

В данном приборе применяется способ измерения ESR и емкости путем заряда конденсатора стабильным током. Для упрощения схемы в качестве источника тока используется простой резистор. Напряжение на конденсаторе в процессе зарядки не превышает 0.1 В, в то время как ток определяется напряжением питания МК (3.3 В), поэтому ток зарядки меняется незначительно, а погрешность, вызванная этим изменением, корректируется программно. Подключаемые к 3.3В посредством портов МК резисторы R9, R8+R12 и R10 обеспечивают соответственно 10 мА, 1 мА и 0.1 мА.

В данном случае, последовательно с ними включен R1 (влияние не существенно) 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 R9 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, VD3, R5. 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 R2, VD3, R5 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). Система защиты прибора позволяет защитить прибор от подключения практически любого заряженного конденсатора, важно только не увлечься и не подключить прибор к  необесточенному ремонтируемому устройству.  

В приборе применен быстродействующий rail-to-rail ОУ MCP6022 с малым током потребления – не более 1.5 мА. Это позволило питать его непосредственно с «запараллеленных» для уменьшения падения напряжения портов МК RA2 и RA5.

Цепь R2, R4 создает положительное смещение на ОУ для компенсации напряжения начального смещения. Смещение выбрано избыточным, а «излишек» оного вычитается из результата измерений.  Кроме того, слабый ток через R4 создает необходимый потенциал на входе прибора в режиме ожидания. Конденсатор C1 улучшает стабильность в режиме ожидания.

Процесс измерения ESR и емкости подробно рассмотрен в статье по ссылке выше. Здесь все осталось без изменений, и в данной статье опустим рассмотрение принципа работы прибора.    Транзистор VT1 и резистор R3 кроме разряда конденсатора, также используются при калибровке прибора. В этом режиме, при открытом транзисторе через резистор R3 протекает измерительный ток 10 мА (через R9 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 R3 желательно брать с допуском не более ±0.5%, в крайнем случае – ±1%.

В спящем режиме на сегменты и разряды индикатора подается высокий уровень, что обесточивает индикатор. Из этого состояния МК выходит по прерыванию от таймера WDT, после чего прибор переходит в рабочий режим в случае неразомкнутых щупов (прибор может перейти в спящий режим и при длительном -более 40 с- замыкании щупов – в этом случае  переход в рабочий режим происходит  при размыкании щупов). 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, включая элемент питания, размещены на печатной плате размерами 80мм на 50мм из фольгированного стеклотекстолита с односторонней металлизацией. Применены как обычные, так и SMD компоненты. Микроконтроллер установлен на разъемной колодке. Его можно заменить на PIC16F876A, прошивка на который также есть в наличии. Индикатор можно заменить на FYQ3641AH, а так же, практически, любой подобных размеров, конфигурации выводов и красного цвета свечения, как с ОА, так и с ОК.   ОУ DA1 в корпусе SOP-8. Его, без ухудшения параметров прибора, можно заменить на AD8032, но он значительно дороже. Если не критично незначительное увеличение погрешности в интервале до 5 мкФ, можно применить более доступный MCP602. В качестве VD1, VD2 подойдут HER506 – HER508. Диоды VD4, VD5 можно заменить на 1N5818. Дроссель L1 использован заводской на магнитопроводе в виде «гантельки». Его индуктивность может быть от 47 до 68 мкГн, а активное сопротивление – не более 0.3-0.4 Ома. L2 – типа ДПМ или аналогичный импортный, с активным сопротивлением не более 1 Ом. Индуктивность 22 – 68 мкГн, а вообще, чем больше, тем лучше, но с соблюдением условия по сопротивлению.  Стабилитрон VD3 – на напряжение 3.3 В и мощность 1 – 1.5 Вт. Разъем S1 – двухконтактная винтовая колодка. SMD конденсаторы C2, C4, C5, C7 – керамические, типоразмера 1206.

Резисторы R3, R6-R8,  R10 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 резисторы – типоразмера 0805. Входные щупы изготовлены из кусков гвоздей, а лучше из латунных штырей, и секций винтового разъема, применяемого в электрике.

В приборе не предусмотрен выключатель питания, так как, даже солевого элемента хватает на срок до 1 года в спящем режиме. При необходимости, например, в случае очень редкого использования, можно перерезать «дорожку» около положительного вывода элемента питания и на проводах подключить выключатель.

Фотографии собранной платы

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

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.

Перейдем к подробному описанию 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+РАЗРЯЖЕННАЯ БАТАРЕЯ. Если напряжение батареи питания менее 1.1 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 1.0 В, прибор выключается и включается только после замены элемента питания.

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.

ВНУТРИСХЕМНЫЙ МИЛЛИОММЕТР. Если держать щупы замкнутыми (либо с подключенным резистором) непрерывно в течении 30 сек, то прибор начнет индицировать сообщение типа “dir_” + “_rES”, что означает переход в режим измерения малых сопротивлений при постоянном измерительном токе. Переход в этот режим происходит при размыкании щупов не позднее 4 секунд после появления сообщения. Смены величин каждую секунду здесь не происходит, непрерывно индицируется измеряемое сопротивление. В этом режиме стабильность и точность измерения выше. Измерительный ток 10 мА подается на щупы постоянно (если они разомкнуты, ток течет через диоды VD1, VD2). При этом на результат практически не влияют емкости, подключенные параллельно измеряемой цепи, а так же, при измерении активного сопротивления катушек и трансформаторов, их индуктивность. Диапазон измерений 0.00 – 9.00 Ом, при превышении его прибор индицирует “r.99ˉ”. Выход из режима происходит при нахождении прибора с разомкнутыми щупами в течении двух минут.

КАЛИБРОВКА. Этот режим включается, если при появлении сообщения “dir_” + “_rES” из предыдущего пункта не размыкать щупы более 4 секунд. Надпись на две секунды сменяется на “CALI”+”CALI“ (что означает несменяемую надпись), затем, приглашение разомкнуть щупы “OPEn”+”Prob” (Open probes). Если после этого не разомыкать щупы в течении 10 с, происходит аварийный выход (“CALI” + “Err_” на 2 с) и переход прибора в спящий режим с выходом по размыканию, так как, это интерпретируется как случайное замыкание щупов во время хранения. Если же вовремя разомкнуть щупы, то через 3 с прибор предложит их опять замкнуть: “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. Если в последнем случае не замыкать щупы более 10 секунд, сопротивление щупов сохранится как нулевое. Результат калибровки записывается в EEPROM (энергонезависимой памяти) и сохраняется 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 работоспособность прибора сохраняется в любом случае.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

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