Славиша Нешић

РАЗУМ Уместо медија, хуманизам уместо глобализма, рекреација уместо спорта

Електроника / ЕСР метар

ЕСР метар за кондензаторе

На Интернету постоје десетине бесплатних шема ЕСР метра за кондензаторе, уређаја намењеног за мерење еквивалентног серијског отпора кондензатора. Ако се упитамо чему толика разноврсност решења, одговор је логичан: скоро сваки од ЕСР метара има неки функционални недостатак или представља мањи проблем за самоградњу. Неки ЕСР метри су закомпликовани увођењем микроконтролера за који електроничару недостаје програматор, нека решења садрже трансформатор који електроничар жели да избегне, неки инструменти имају проблем што тешко могу да упореде ЕСР два кондензатора мале капацитивности, некима обрнуто од тога недостаје прецизност да упоређују велике кондензаторе карактерисане малим ЕСР-ом, неки не могу да разликују кондензатор са пробојем изолације од квалитетног кондензатора са малом ЕСР вредношћу, неки се произвољно калибришу на високу тачност која не одговара реалним могућностима мерења ЕСР да наведемо само неке од постојећих проблема.

 Процена тачности типичног ЕСР метра

Погледајмо на слици 1 модел кондензатора  за  високе  учестаности. 

 

 

Слика 1

 Код исправног кондензатора можемо очекивати да отпорност р из модела доминантно одређује загревање а тиме и постепену деградацију карактеристика. Ова отпорност р врло приближно одговара нашој траженој вредности ЕСР. Експерименталне вредности р наведене су у таблици 1. Важно је напоменути да приказани опсег вредности ЕСР не треба схватити као репрезент свих електролитских кондензатора на тржишту, већ само као резултат једног реалног скупа мерења ЕСР вредности неког броја расположивих кондензатора (таблица 1).

ЕСР метар се у пракси типично користи или за апсолутно мерење ЕСР вредности кондензатора, или за релативно  мерење  када  уместо  конкретне вредности ЕСР само упоређујемо два кондензатора сличних називних вредности капацитета и радног напона.

 

Одабир минималне измерене ЕСР вредности при апсолутном мерењу ЕСР

У нашем моделу кондензатора на слици 1, Rp занемарујемо за кондензатор без пробоја. На учестаности 100кХз која се користи код већине ЕСР уређаја какав је и предложен у чланку, за веће вредности тестиране капацитивности, капацитанса кондензатора C се такође може занемарити у односу на вредности р, што је видљиво у колони „грешка % од еср нормалан због C“ у таблици  1.  На  учестаности  100кХз

 

 

 

 

C [NjF]

 

 

 

 

 

врло висок

kvalitet ESR [ƻ]

 

 

висок      нормалан     низак

 

 

 

 

 

врло низак

 

 

грешка % од еср нормалан због Lc

 

 

грешка % од еср нормалан због C

 

грешка % од еср нормалан (збир претходне две)

 

1,0

2,00

5,00

12,50

31,25

78,13

0,48

12,7

13,2

 

 

 

 

 

 

 

zona apsolutnog merenja

2,2

1,13

2,81

7,03

17,57

43,94

0,9

10,3

11,1

4,7

0,65

1,62

4,04

10,10

25,24

1,5

8,4

9,9

10,0

0,37

0,93

2,33

5,82

14,55

2,6

6,8

9,4

22,0

0,21

0,52

1,31

3,27

8,18

4,6

5,5

10,1

47,0

0,12

0,30

0,75

1,88

4,70

8,0

4,5

12,5

100,0

0,07

0,17

0,43

1,08

2,71

14

3,7

17,5

220,0

0,04

0,10

0,24

0,61

1,52

25

3,0

27,6

470,0

0,02

0,06

0,14

0,35

0,88

43

2,4

45,3

1000,0

0,01

0,03

0,08

0,20

0,50

74

2,0

76,0

2200,0

0,01

0,02

0,05

0,11

0,28

 

зона релативног мерења

4700,0

0,00

0,01

0,03

0,07

0,16

10000,0

0,00

0,01

0,02

0,04

0,09

Табела 1

 паразитна индуктивност Lc има индуктансу испод 60 мΩ(конзервативан случај). У складу са овим, у извођењу овде предложеног ЕСР метра одабрана је вредност од 0,1Ωкао минимални ЕСР апсолутног мерења на скали инструмента, циме превазилазимо максималну очекивану паразитну индуктансу (слика 2, доњи део црвене скале).

Пример за употребу горњег закључивања у општем случају других ЕСР метара овог типа: документација ЕСР метра који ради на фиксираној учестаности од 100кХз или сличној садржи скалу на којој је минимални ЕСР реда десетине милиома или нижи; из претходног произилази да је  истинитост  овакве  тврдње  под сумњом и треба проверити конструкционе детаље или одбацити набавку/конструкцију таквог ЕСР метра.

 

Процена   тачности   ЕСР   мерења

Максимална грешка мерења потекла од паразитне индуктивности Lc наведена је у таблици 1 у колони „грешка % од еср нормалан због Lc“, узимајући конзервативно високу вредност Lc=100нХ. У складу са овим предложени опсег апсолутног мерења је од 1µФ до 1000µФ. Мерење ЕСР за капацитивности изнад 1000µФ препоручљиво је изводити релативним мерењем два кондензатора сличних номиналних вредности. Таблица показује да за мале кондензаторе капацитанса Ц из нашег модела умањује тачност мерења док је за велике кондензаторе паразитна индуктанса ограничавајући фактор тачности. У опсегу 147µФ очекивана грешка је испод 13%, а од 47-1000µФ практично правило је да је грешка мања од C[µФ]/10 %. Пожељно је ове вредности уписати и на скали инструмента или кућишту уређаја као подсетник кориснику.

 

Предлог за израду ЕСР инструмента

Изглед завршеног уређаја приказан је на слици 4 а изглед штампане плочице са елементима види се на слици 5. Електрична шема представљена је на слици 6, а монтажна шема веза на слици 7. Неке добре особине предложеног решења су следеће: нелинеарни опсег мерења којим се увећава тачност мерења малих вредности; уређај има два опсега мерења и то 0,1 – 5 Ω и 1 – 13 Ω; ресење не примењује трансформатор; инструмент открива пробој кондензатора аутоматски без потребе за притискањем посебног тастера или засебним мерењем омметром; аналогна конструкција уређаја релативно се лако може извести и једнослојном штампом,  погодна  за   самоградњу;

 

Слика 2. доња је црвена скала 0.1Ω-5Ω, горња је зелена скала 1Ω-13Ω

 Слика 3.

 могуће је мерење типа  „у  колу“ (in circuit) без разлемљивања кондензатора уз ограничење да је напон тестиране плоче искључен, кондензатори тестиране плоче су испражњени и тестирани кондензатор нема паралелно везане друге електролитске кондензаторе на тестној плочи. Вероватно јединствена могућност инструмента је уграђена опција провере његових сопствених електролитских кондензатора за калибрацију.

Недостаци инструмента већим делом потичу од избора саме аналогне технологије и принципа мерења: ручно се ради калибрација потенциометром на опсегу; сваки опсег калибрише се засебно (мада се овај недостатак може елиминисати како је касније објашњено); доња граница баждареног опсега од 0,1Ω узрокује да се слични кондензатори са вредношћу ЕСР<0,1 Ω мере по принципу упоређивања а не апсолутног мерења.

 Краћи опис рада подсклопова

Напонски регулатор са ИЦ2 обезбеђује стабилних 5В за рад већег дела уређаја чинећи га мање зависним од батеријског напајања 9В. Коло ИЦ1А ради као осцилатор на 100кХз који побуђује транзистор Q1 да истом учестаношћу напаја отпорнички мост. Доња половина отпорничког моста обезбеђује један или други опсег рада уређаја, кога бирамо преклопником опсега.

слика 4 слика 5

Са отпорничког моста, сигнал се доводи на ИЦ1Б који служи као диференцијални појачавач сигнала са појачањем R15/R12 у једном опсегу, тј R15/R25 у другом опсегу. Диференцијални појачавач на пину 7 кола ИЦ1 даје сигнал Ва из кога се у случају пробоја кондензатора издваја ДЦ компонента сигнала кондензатором C4 и преко транзистора Q2 побуђује ЛЕД1 диода. Наизменична компонента сигнала Va се исправља колом ИЦ1Ц, пунећи кондензатор C6. И коначно коло ИЦ1Д ради као антилогаритамски појачавач чиме је остварена нелинеарна карактеристика панел-амперметра.

 Калибрација скале предложеног ЕСР метра

Типична грешка корисника ЕСР метра је подешавање инструмента коришћењем тест отпорника директно повезаним на уређај уместо кондензатора. Овакво подешавање допуштено је само у конструкцијама које не преносе једносмерну компоненту или су конструкцијски независни од једносмерне компоненте. У нашој конкретној конструкцији ЕСР метра такво погрешно калибрисање унело би додатну грешку подешавања од око 15%. Разлог за ову појаву у предложеном решењу је промена режима рада диференцијалног појачавача. Наведени проблем уклања се тако што се за подешавање инструмента користи један велики или неколико мањих кондензатора везаних у паралелу, са којима је на ред прикључен тестни отпорник као на слици 3. На овај начин врло мала еквивалентна ЕСР вредност паралелних кондензатора неће утицати на вредност Rt а једносмерна компонента кроз Rt биће укинута и тиме омогућити исправну калибрацију уређаја.

 Калибрација мерења

Преклопником опсега одабере се опсег који калибришемо, црвени (осетљивији) или зелени. Потом преклопник за калибрацију (Ј3) пребацимо у положај Ј3_2 чиме употребљавамо паралелну везу великих капацитивности као апроксимацију кратке везе уз укидање једносмерне компоненте. Потенциометром из секције калибрација подесимо скалу на максимални отклон удесно. Пребацујемо преклопник калибрације у неутралан - средњи положај испод кога пише „Мерење“. Инструмент је спреман за мерење у одабраном опсегу.

 Детекција пробоја кондензатора

Ова уграђена опција инструмента елиминише проблем да се пробој кондензатора измери као мали ЕСР и тиме кондензатор погрешно сврста у квалитетне. Ако је дошло до пробоја тестног кондензатора, ЛЕД1 диода уређаја се аутоматски укључује. Када дође до укључења ове диоде, скала инструмента показује известан додатни отклон који потиче од присутне ДЦ компоненте и у том случају не треба очитавати вредност мерења; додатни отклон међутим не представља проблем јер се у оваквом случају кондензатор ионако одбацује као неисправан. Како да након годину дана употребе инструмента проценимо да ли се погоршао квалитет његових сопствених кондензатора Ц9 и Ц10 који служе за калибрацију опсега инструмента? Када желимо да проверимо стање квалитета уграђених кондензатора у уређају, преклопник опсега пребацујемо у положај црвене осетљивије скале, преклопник калибрације пребацујемо у положај кратке везе (Ј3 положај Ј3_3) и подешавамо потенциометром отклон скале на максимум. Потом преклопник калибрације пребацујемо у положај подешавања са кондензаторима Ц9 и Ц10 (тј преклопник Ј3 у положај Ј3_2). Ако су кондензатори Ц9 и Ц10 добри, отклон скале остаје практично на максимуму или скоро неприметно испод њега. На основу кога лако доносимо закључак да ли је потребно заменити Ц9 и Ц10 због деградације квалитета.

 

Могуће побољшање инструмента

Сваки од два опсега овог уређаја калибрише се засебно. Адекватним одабиром вредности отпорничког пара R12, R13 (или по жељи алтернативно R25, R26), могло би се подесити да калибрација једног опсега буде важећа за оба опсега мерења, што је могућност коју треба покушати у конструкцији јер је свакако врло практична.

 

slika 7: montažna šema sa vezama

 

 

 

Региструјте се да добијете е-поштом информације о новим чланцима:
Europe, Belgrade