Esr метр на микроконтроллере: ИЗМЕРИТЕЛЬ ESR НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ

ИЗМЕРИТЕЛЬ ESR НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ

Какой главный параметр для оценки исправности конденсаторов? Конечно их ёмкость. Но по мере распространения импульсной высоковольтной техники, стало очевидно, что надо обратить внимание на ещё один параметр, от которого зависит надёжность и качество работы импульсных преобразователей – это эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, по англ. ESR – equivalent series resistance). Применение конденсаторов с увеличенным значением ЭПС приводит к росту пульсаций выходного напряжения по сравнению с расчётными значениями, и бстрому выходу их из строя из-за повышенного нагрева за счёт выделения тепла на ЭПС, нередки даже случаи закипания электролита, деформация корпуса, а также взрывы конденсаторов. Особая выраженность негативного влияния ЭПС именно в силовых импульсных преобразователях вызвана, работой на больших токах заряда-разряда, а также тем, что с ростом рабочей частоты ЭПС возрастает. Наличие ESR объясняется конструкцией оксидного конденсатора и обусловлена сопротивлением обкладок, сопротивлением выводов, переходным сопротивлением контактов между обкладками и выводами, а также потерями в материале диэлектрика.

С течением времени ESR конденсатора возрастает, что совсем не хорошо.

ESR конденсаторов разных типов

   Естественно, проконтролировать обычным Омметром эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора невозможно – тут нужен специальный прибор. В интернете есть несколько простых конструкций ESR-метров, но при желании, можно собрать более точный и удобный измеритель на микроконтроллере. Например из журнала Радио 7-2010.

 

Схема измерителя ESR конденсаторов на 
Attiny2313

   Все необходимые файлы и прошивки – в архиве. После сборки и включения крутим регулятор контрастности до появления на экране LCD надписи в две строки. Если её нет – проверяем монтаж и правильность прошивки МК ATtiny2313. Если всё ОК – нажимаем кнопку “Калибровка” – в прошивку внесётся поправка на скорость срабатывания входной части измерителя. Далее понадобится несколько новых электролитических конденсаторов высокого качества ёмкостью 220…470 мкФ разных партий, лучше всего – на разные напряжения.

Подключаем любой из них к входным гнёздам прибора и начинаем подбирать резистор R2 в пределах 100…470 ом (у меня получилось 300 ом; можно применить временно цепочку постоянный+подстроечный) так, чтобы значение ёмкости на экране ЖКИ примерно было похоже на номинал конденсатора. К большой точности пока что стремиться не стОит – ещё будет корректироваться; затем проверить и с другими конденсаторами. 

   Для настройки измерителя ESR нужна таблица с типовыми значениями этого параметра для разных конденсаторов. Эту табличку рекомендуется приклеить на корпус прибора под дисплеем.

   В следующей табличке указаны максимальные значения эквивалентного последовательного сопротивления для электролитических конденсаторов. Если у измеряемого конденсатора оно будет выше, то его уже нельзя использовать для работы в сглаживающем фильтре выпрямителя:

   Подключаем конденсатор 220 мкФ и, незначительным подбором сопротивления резисторов R6, R9, R10 (на схеме и на моём сборочном чертеже обозначены со звёздочками), добиваемся показаний Esr, близких к указанным в таблице. Проверяем на всех имеющихся заготовленных эталонных конденсаторах, в т.ч. уже можно использовать и конденсаторы от 1 до 100 мкФ.

   Так как для измерения ёмкости конденсаторов от 150 мкФ и для измерителя ESR применяется один и тот же участок схемы, после подбора сопротивления этих резисторов несколько изменится точность показаний измерителя ёмкости. Теперь можно подстроить ещё сопротивление резистора R2, чтобы эти показания стали точнее. Другими словами, нужно подбирая сопротивление R2 – уточнить показания измерителя ёмкости, подстраивая резисторы в делителе компараторов – уточнить показания ESR-метра. Причём, приоритет надо отдавать измерителю внутреннего сопротивления.

   Теперь надо настроить измеритель ёмкости конденсаторов диапазона 0,1…150 мкФ. Так как для этого в схеме предусмотрен отдельный источник тока, измерение ёмкости таких конденсаторов можно сделать очень точным. Подключаем конденсаторы малой ёмкости к входным гнёздам прибора и, подбором сопротивления R1 в пределах 3,3…6,8 кОм добиваемся максимально точных показаний. Этого можно достичь, если в качестве эталонных применить не электролитические, а высокоточные конденсаторы К71-1 ёмкостью 0,15 мкФ с гарантированным отклонением 0,5 или 1%.

   Когда собрал данный измеритель ESR – схема завелась сразу, понадобилась только калибровка. Этот измеритель много раз помогал при ремонте БП, так что устройство рекомендуется к сборке. Схему разработал – DesAlex, собрал и испытал: sterc.

   Форум по конденсаторам

измеритель ESR микроконтроллере PIC16F873 — MBS Electronics

---

Самодельный измеритель ESR с возможностью измерений бьез выпаивания конденсаторов из печатной платы

Что такое ESR?

Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) — это исключительно важный параметр электролитического конденсатора, характеризующий его работоспособность, качество и степень старения. С точки зрения ремонта электронной техники этот параметр даже более важен, чем емкость.

Если, например, мы измерили емкость конденсатора номиналом 1000 микрофарад и она оказалась 650 микрофарад, конденсатор еще может долгое время работать в устройстве практически без заметного ухудшения характеристик (это конечно сильно зависит от конкретной схемы), в случае, если его ESR остается в приемлемых рамках. С другой стороны, если у конденсатора сильно выросло ESR, то во многих схемах, особенно в импульсных блоках питания, такой конденсатор уже не сможет выполнять своих функций даже если у него сохранилась номинальная емкость. Однако на практике такое бывает не часто, так как емкость и ESR — параметры взаимосвязанные и при росте ESR очень часто уменьшается и емкость конденсатора. Обычно ESR возрастает по мере высыхания электролита конденсатора.

В чем же смысл параметра ESR и почему он так важен? SER (Equivalent Series Resistance) или эквивалентное последовательное сопротивление — это паразитное сопротивление, которое можно представить себе как резистор, включенный последовательно с идеальным конденсатором.

То есть это дополнительное сопротивление, которое имеет место быть в любом реальном конденсаторе, которое ухудшает качество этого конденсатора. Иными словами — это параметр, который показывает насколько наш конденсатор не идеален. Таким образом, чем больше ESR, тем хуже конденсатор.

Нужно сказать, что допустимое ESR — это параметр не постоянный, он зависит от емкости и рабочего напряжения конденсатора. Поэтому сделать вывод о пригодности конденсатора после измерения его ESR можно с помощью специальной таблицы максимально допустимых значений ESR. Вы можете ее увидеть на фотографии прибора на его лицевой панели. Я распечатал таблицу и приклеил ее на панель прибора:

Как измерить ESR?

Эквивалентное последовательное сопротивление, так же, как и обычное сопротивление, измеряется в Омах. В отличие от обычного омметра, прибор, измеряющий ESR, производит измерения не на постоянном токе, а на переменном токе сравнительно высокой частоты, обычно в районе 100 килогерц. На такой частоте емкость конденсатора практически не оказывает влияния на сопротивление конденсатора, поэтому измеряется именно последовательное эквивалентное сопротивление, а не емкость конденсатора. Фактически это главное и единственное отличие измерителя ESR от простого омметра.

В общем виде метод измерения ESR показан на схеме ниже:

Большинство измерителей работают именно по этому принципу. У нас есть генератор переменного напряжения G, резистор известного сопротивления R и измеряемый конденсатор Cx. Этот резистор совместно с измеряемым конденсатором образуют делитель напряжения. Дальше идет детектор, преобразующий переменное напряжение в постоянное и узел индикации этого постоянного напряжения, пересчитанного в Омы. Это может быть аналоговая или цифровая схема индикации, суть от этого не меняется.

Схема прибора

Описываемый прибор исключительно удобен тем, что может проверять конденсаторы без выпаивания их из схемы и в большинстве случаев это срабатывает. Исключением может быть например если вы хотите проверить конденсатор, параллельно которому включены другие конденсаторы. Такое включение иногда бывает в блоках питания. В таком случае прибор покажет наименьший ESR (то есть ESR лучшего конденсатора).

Схема измерителя ESR (кликните чтобы увеличить)

Прибор собран на основе микроконтроллера PIC16F873. Микроконтроллер измеряет выпрямленное напряжение, пересчитывает его значение в сопротивление в Омах. Кроме того микроконтроллер генерирует переменное напряжение прямоугольной формы частотй 100 кГц, которое используется для проведения измерений.

Для того, чтобы было возможно измерять ESR конденсаторов, не выпаивая их из схемы, измерительное напряжение должно быть достаточно низким, обычно 0,2-0,4 вольта, то есть меньше порога открывания pn — переходов полупроводниковых приборов.

Фактичекски представляет собой цифровой омметр работающий на переменном напряжении частотой 100кГц и позволяющий измерять сопротивления от 0 до 25,5Ом.

Узел формирования образцового напряжения 2.5 В для АЦП контроллера в оригинальной схеме собран на микросхеме TL431. В то время, когда я собирал этот измеритель у меня такой микросхемы не было и я заменил его стабилитроном на 3.3 В и подстроечным резистором на 10 К. Подстроечником я установил на ножке 5 контроллера требуемое напряжение 2.5 В.

Исходный узел на TL431

Я заменил его вот так

Сейчас TL431 — это очень распространенная и дешевая микросхема и проблем с ее приобретением нет. Так что если вы будете использовать мою печатную плату, то установите TL431. Подстроечник в таком случае устанавливать не нужно.

Блок питания собран на сетевом трансформаторе T1, диодном мостике и стабилизаторе напряжения LM7805 (K142ЕН5А). В своей версии прибора я отказался от трансформатора, оставив, тем не менее, диодный мостик на печатной плате. Я использовал малогабаритный импульсный сетевой блок питания (адаптер) на напряжение 12 вольт,

который, благодаря наличию диодного мостика, можно подключать в любой полярности или вообще использовать адаптер с переменным напряжением на выходе (просто трансформатор).

В принципе можно избавиться вообще от блока питания, если использовать пяти-вольтовый адаптер — зарядку от смартфона.

Меандр с частотой 100кГц снимается с ножки RC2 микроконтроллера и через резистор R3 подается на усилитель тока, собранный на транзисторах VT1,VT2. Я использовал КТ3102 и КТ3107. Хорошей идеей здесь будет использовать современные транзисторы BC547 и bc557. Нагрузкой усилителя служит резистор R1 и диоды VD5,VD7, включенные встречно-параллельно для ограничения амплитуды на измеряемом конденсаторе. Далее переменное напряжение, через конденсатор С1 и измеряемый конденсатор Cx поступает на первичную обмотку повышающего трансформатора Т2. далее импульсы снимаются со вторичной обмотки и выпрямляются диодом VD6, после чего полученное пульсирующее напряжение сглаживается конденсатором С3. Далее сформированное постоянное напряжение через подстроечный резистор R4 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера D3. Конденсатор С9 устраняет возможные высокочастотные помехи.

Информация отображается на трехразрядном семи-сегментном ЖК индикаторе. Транзисторы VT3, VT4, VT5 — ключи коммутации ЖК индикаторов (используется принцип динамической индикации.

Сетевой трансформатор (если вы решите его использовать) со вторичной обмоткой на 9-12 вольт. Повышающий трансформатор Т2 намотан на ферритовом кольце марки М2000НМ и размером К10х6Х3 (можно использовать кольцо других размеров, не сильно отличающихся от указанных. Это не критично). Первичная обмотка намотана проводом диаметром 0,26мм, и состоит из 42 витков. Вторичная обмотка содержит 700витков провода диаметром 0,08мм.

Налаживание устройства. Подключаем к щупам измерителя резистор известного сопротивления в диапазоне 1 .. 5 Ом и подстроечным резистором добиваемся корректных показаний на дисплее. После такой настройки мой прибор при соединенных вместе щупах показывал сопротивление отличное от нуля, поэтому я еще слегка подкорректировал положение движка резистора таким образом чтобы на дисплее были нулевые показания при замкнутых щупах.

Печатная плата устройства когда-то была разведена в программе PCAD2006, а в последствии я импортировал файл платы в программу DIPTRACE.

Прошивка (программа) для микроконтроллера PIC16F873 написана на ассемблере. Архив с прошивкой и чертежом печатной платы вы можете скачать по ссылке а конце этой статьи.

Я разрабатывал печатную плату, когда у меня еще не было в наличии светодиодных 7-сегментных индикаторов, поэтому индикатор я установил на отдельной плате. Эта плата — кусок обычной макетной платы, куда были припаяны индикаторы. То есть, печатную плату для индикатора я не разводил.

Со стороны лицевой панели индикатор закрыт куском оргстекла синего цвета. Это улучшает контрастность дисплея.

Провода щупов измерителя желательно выполнить из толстого многожильного провода, чтобы их сопротивление было как можно меньше. Сами щупы я сделал из толстых стальных швейных игл, такими щупами очень удобно измерять ESR конденсаторов непосредственно на печатных платах.

Провода щупов измерителя желательно выполнить из толстого многожильного провода, чтобы их сопротивление было как можно меньше. Сами щупы я сделал из толстых стальных швейных игл, такими щупами очень удобно измерять ESR конденсаторов непосредственно на печатных платах.

Ссылка для скачивания архива с прошивкой и печатной платой измерителя ESR

Ссылки для заказа некоторых компонентов схемы

• Микроконтроллер PIC16F873
• Программатор для микроконтроллеров PIC
• Стабилизатор TL431

---

Измеритель ESR с использованием микроконтроллера pic

Измеритель ESR идеально подходит для любого специалиста по ремонту электроники, инженера или любителя. Этот удобный измеритель измеряет эквивалентное последовательное сопротивление электролитического конденсатора (ESR) в цепи. ESR — очень важная характеристика конденсаторов емкостью более 1 мкФ. Этот измеритель выполняет измерения, которые часто невозможно проверить с помощью стандартных цифровых измерителей емкости.

Рабочий:

Емкость тестируемого устройства (ИУ) измеряется путем нахождения времени, необходимого для его зарядки до определенного напряжения.

Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) тестируемого устройства измеряется путем подачи на него импульса известного тока и определения напряжения, возникающего на нем.
Измерение емкости:
Имеется два диапазона: Сопротивление 4,7 МОм напрямую подключается от «горячей» клеммы ИУ к положительному напряжению питания. Сопротивление 4,7 кОм можно подключить к положительной шине, включив транзистор.
Первоначально производится попытка измерения с резистором 4,7 кОм. Измеряется время, необходимое ИУ для зарядки до определенного напряжения. Если результат слишком мал, резистор выключается и снова предпринимается попытка измерения с резистором 4,7 МОм. Таким образом, два диапазона различаются в 1000 раз.

Измерение ESR:
Существует два диапазона: во-первых, включается источник постоянного тока около 5 мА и измеряется напряжение на ИУ. Если показания слишком низкие, показания напряжения повторяются с током 50 мА. Таким образом, два диапазона различаются в 10 раз.

Тестируемое устройство разряжается, используя один компаратор в LM339 в качестве переключателя. Между измерениями должно быть достаточно времени, чтобы DUT полностью разрядился.

Измерение ESR допустимо только для конденсаторов емкостью более 10 микрофарад или около того. Это связано с тем, что конденсаторы меньшего размера заряжаются от импульса тока, используемого для их проверки.

Принцип измерения: емкость

Тестируемое устройство разряжается, чтобы избавиться от любого заряда, который мог накопиться во время предыдущего цикла измерения.

Затем он подключается к положительной шине через резистор 4,7 кОм. Два компаратора в LM339 контролируют напряжение на тестируемом устройстве по мере его зарядки.

Два компаратора подключены как оконный дискриминатор. Общий выход этих двух компараторов будет иметь высокий уровень, когда входной сигнал превышает нижний порог около 10 % напряжения питания, и станет низким, когда он пересечет верхний порог около 50 % напряжения питания. Нижний порог использовался для того, чтобы избежать ошибок из-за неполного разряда тестируемого устройства.

Ширина импульса оконного дискриминатора пропорциональна емкости ИУ. Это измеряется в цикле. Калибровка заключается в настройке задержек внутри этого цикла путем добавления к нему goto и nop.

Если результат указывает на маленькое значение емкости, измерение повторяется снова только с резистором 4,7 МОм. На этот раз ширина импульса измеряется отдельной петлей, чтобы диапазон можно было откалибровать отдельно. В этой петле предусмотрена компенсация постоянной емкости цепи параллельно с ИУ (зануление).

Принцип измерения: эквивалентное последовательное сопротивление

Опять же, тестируемое устройство разряжается, чтобы избавиться от любого заряда, который он мог накопить во время предыдущего цикла измерения.
Затем на него подается короткий импульс тока, которого достаточно для того, чтобы АЦП внутри ПОС смог получить показания. Поскольку импульс короткий, предполагается, что емкостная часть ИУ не заряжена. Падение напряжения на тестируемом устройстве в этом случае обусловлено только его ESR. Таким образом, напряжение, считанное с АЦП, пропорционально ESR и может отображаться как таковое.

Это измерение калибруется путем регулировки опорного напряжения, подаваемого на внутренний АЦП PIC.

Калибровка

Возьмите хороший конденсатор емкостью около 100 или 1000 мкФ и последовательно с ним подключите небольшой резистор 10 или 5 Ом. Подключитесь к измерителю и регулируйте этот потенциометр, пока измеритель не покажет сопротивление этого резистора. Повторите с другими конденсаторами и резисторами для проверки калибровки.

Ограничения

Конденсаторы менее 10 микрофарад не могут быть измерены для ESR. Однако можно измерять емкость до 10 пикофарад. Емкость устройств со значительной утечкой вообще нельзя измерять.

Простой измеритель ESR с ATmega8 и прошивкой с открытым исходным кодом (собственное хобби)

Поскольку вышедший из строя алюминиевый электролитический конденсатор является источником отказов номер один вездесущих импульсных блоков питания ремонтнику (любителю) удобно иметь измеритель ESR, чтобы иметь возможность быстро (в цепи) проверить эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) электролитических конденсаторов.

Существует по крайней мере два способа измерения ESR конденсаторов, один из них — балансная мостовая конфигурация, где сопротивление конденсатора ИУ выведет мост из равновесия, в то время как достаточно высокое Частота измерения используется для того, чтобы реактивная составляющая была незначительной. В другом методе используются фиксированные импульсы тока, достаточно короткие, чтобы зарядить конденсатор лишь незначительно. и измеряет напряжение на ESR конденсатора по закону Ома. Я также построил ESR/миллиомметр на основе последнего подхода, используя микроконтроллер STM32F373 и усилитель AD8253. В этом направлении также есть проект Arduino, но я выбрал для этой цели 32-битный микроконтроллер с более точными АЦП. (Мне также постепенно надоели 8-битные микроконтроллеры, в то время как 32-битные на самом деле стали ОЧЕНЬ конкурентоспособными по цене, у них мощность процессора и количество периферии на порядок лучше, а разработка под эти архитектуры под Linux так же просто, как и для 8-битных. )

В конструкции, описанной ниже, я принял мостовую конфигурацию для измерения ESR и использовал микроконтроллер Atmel AVR ATmega8. Как обычно, я построил только один прототип для собственного обучения и использования, поэтому доступна только схема, написанная от руки. здесь из-за нехватки времени и мотивации для разработки печатной платы. Рисуется только аналоговая часть, очевидные соединения MCU с кристаллом и дисплеем просто перечислены в исходном коде. Принята мостовая конфигурация, на которую посылаются импульсы, управляемые PB1, с заданной частотой. Операционный усилитель TL084 используется для обработки разностного сигнала от моста, сначала усиления постоянного тока, затем Связь по переменному току, выпрямление, второй каскад усиления и АЦП. Резисторы, образующие мост, должны быть подобраны вручную, чтобы как можно лучше сбалансировать мост, что значительно упрощает калибровку. Возможно, можно добавить триммер для достижения идеального баланса. Не забудьте прочные диоды и (более быстрый) переходник на щупах тестируемого устройства, чтобы предотвратить повреждение из-за случайного подключения заряженного конденсатора.

Как и для всех моих опубликованных конструкций, я использую бесплатную лицензию GNU GPL для исходного кода esr.c. В некоторых средах сборки могут потребоваться дополнительные заголовки back.h и old_sfrdefs.h.
Обратите внимание, что фьюз-биты ATmega должны быть установлены для отключения сброса детектора отключения питания, в противном случае произойдет автоматическое отключение питания. измерителя работать не будет.

Так как коэффициент усиления первой ступени усиления и выпрямитель зависят от частоты, необходимо откалибровать устройство для каждой частоты измерения отдельно. Я использовал четыре максимально свободных от индуктивности (определенно не проволочных) резистора: 0R22, 1R, 4R7 и 15R, измеренных точным (милли)омметром, в качестве эталонов калибровки. Для идеально сбалансированного моста результирующее значение ESR линейно зависит от обратной величины считываемого значения АЦП — вывод см. здесь. (Опорное напряжение фактически компенсирует, поэтому я подключил Vdd микроконтроллера к Vref. ) Если бы мост не был сбалансирован, потребовалась бы нелинейная подгонка с 4 параметрами. Для калибровки программа выводит показания АЦП на порт RS232 со скоростью 115200 бод. После выполнения подгонки (x=1/показание АЦП, y=эталонное сопротивление), Acoef в коде должен быть установлен равным -16000*(постоянный коэффициент) и Bcoef равным 16000/2048*(линейный коэффициент). (Выполняется усреднение по 2048 выборкам для подавления шума, расчет выполняется в миллиомах, чтобы избежать плавающей запятой, и масштабируется от 16 до учитывать ошибки округления.) После того, как это будет сделано, измеритель, скорее всего, все еще будет показывать небольшое ненулевое сопротивление с закороченными щупами, по крайней мере, в некоторых случаях. частоты. Это смещение относится к Ccoef (непосредственно в миллиомах).

Обновление: Обратите внимание, что часть схемы «идеальный выпрямитель» может быть несколько улучшена, см. ВИКИ и EEVBLOG для получения подробной информации.

Устройство питается от 9В (перезаряжаемой) батареи. У него две кнопки, левая для включения (выключается автоматически через некоторое время) и правую для изменения частоты измерения. Сопротивление показано с точностью до 3 знаков после запятой, а 3 параллельно включенных резистора 0R22 действительно отображали 0,07, по крайней мере на некоторых частотах :-), так что при отсутствии более качественного оборудования аппарат можно было использовать не по назначению еще и как грубую замену миллиомметра. Однако очень низкое ESR огромных конденсаторов определенно не измеряется точно, вероятно, из-за пренебрежения емкостным реактивным сопротивлением или эффекты последовательной индуктивности на более высоких частотах (помните, что 1 микрогенри дает j63 мОм на частоте 10 кГц, и мы используем прямоугольные импульсы с большим количеством гармоник!). Если вы сомневаетесь, вы всегда можете проверить показания двух идентичных колпачков, подключенных параллельно и последовательно, чтобы убедиться, что показания надежны. Наиболее точные результаты были получены на частотах от 2 кГц до 100 кГц, выбранных в соответствии со значением емкости.