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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Misurazione della capacità e della ESR dei condensatori con uno strumento combinato. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Tecnologia di misurazione L'autore offre ai radioamatori che hanno assemblato l'apparecchio [1] un allegato con il quale possono misurare la capacità e l'ESR dei condensatori. La conoscenza di questi parametri, in particolare della VES, è oggi richiesta abbastanza spesso, ad esempio nella produzione di vari dispositivi a impulsi. Durante la modernizzazione del dispositivo combinato [1], ho deciso, creando piccoli allegati, di introdurre nel dispositivo nuove funzioni, utilizzate relativamente raramente, che non possono essere implementate solo nel software. Ciò consente di non modificare nulla in esso stesso, ad eccezione del programma del microcontrollore. L'implementazione di questo metodo di modernizzazione è assicurata dalla presenza nel dispositivo di un connettore a cui vengono emesse quattro linee di informazione del suo microcontrollore e la tensione di alimentazione. I set-top box sono collegati a questo connettore. Il primo passo in questa direzione è stata la realizzazione di un accessorio per la misura dell'induttanza, descritto in [2]. Il nuovo allegato è progettato per selezionare i condensatori che dovrebbero essere installati solo in alcuni dispositivi e non per misurare i loro parametri senza rimuoverli dal dispositivo. Sulla base di ciò, ho scoperto che è possibile aumentare la tensione sul condensatore misurato, riducendo così l'errore di misurazione. Con l'allegato proposto, il dispositivo in modalità di misurazione della capacità e della VES ha quanto segue Lineamenti:
La base per misurare la capacità e l'ESR è il principio di caricare il condensatore misurato con una corrente stabile e di registrare i momenti in cui la tensione su di esso raggiunge due livelli di controllo (soglie). Questo principio è utilizzato in molti altri dispositivi, ad esempio [3]. Strutturalmente, l'allegato in esame ripete la parte di misurazione di questo dispositivo.
Lo schema di attacco è mostrato in Fig. 1. Rispetto a [3] sono state apportate le seguenti modifiche: - sono stati rimossi i diodi, che dovrebbero proteggere gli elementi del dispositivo da danni quando si collega ad esso un condensatore carico ad alta capacità. Ci sono due ragioni. Innanzitutto, secondo l'autore, svolgono la loro funzione protettiva in misura molto limitata. Ad esempio, non ti salveranno ancora da un condensatore con una capacità di diverse migliaia di microfarad collegato accidentalmente a un dispositivo e caricato con una tensione di 50 V o più. In secondo luogo, i diodi non consentono che la tensione sul condensatore misurato sia superiore al loro livello di apertura. Se si abbandonano i diodi, la funzione protettiva entro gli stessi limiti può essere implementata utilizzando il transistor VT3 se adeguatamente controllato dal microcontrollore. E dal punto di vista della sicurezza del lavoro con il dispositivo, sarebbe corretto che prima di collegare un grande condensatore (soprattutto ad alta tensione) al dispositivo, assicurarsi di scaricarlo; - il set-top box utilizza un solo generatore di corrente stabile (GCT), che fornisce misurazioni nell'intero intervallo di capacità sopra indicato. Si differenzia da quello originale per una maggiore stabilità della corrente di uscita. Ciò è ottenuto attraverso l'uso di uno stabilizzatore di tensione integrato in parallelo di maggiore precisione e di un transistor con un elevato coefficiente di trasferimento della corrente di base. Inoltre, la corrente di uscita del GTS è stata aumentata, il che ha ridotto l'errore di misurazione (in particolare l'ESR) associato alla corrente di dispersione del condensatore. Il controllo del funzionamento del set-top box, l'elaborazione dei segnali da esso ricevuti e i calcoli necessari vengono eseguiti dal microcontrollore del dispositivo combinato. Gli intervalli di tempo vengono contati dai suoi timer a 32 bit, con frequenza di 32 MHz, che garantisce non solo un'elevata precisione di misurazione, ma anche un ampio limite superiore teorico della capacità misurata (diversi farad). Tuttavia, in pratica, raggiungere un tale limite è difficile perché la velocità di aumento della tensione attraverso il condensatore misurato diventa molto piccola con l'aumentare della capacità, per cui aumenta l'errore nella determinazione del momento in cui la soglia viene raggiunta dal comparatore. Pertanto, la capacità massima misurata è limitata dal software a 99999 μF, che è abbastanza sufficiente per la maggior parte degli scopi pratici. Dopo aver collegato il set-top box al dispositivo e averlo commutato sulla modalità di misurazione della capacità e dell'ESR, il microcontrollore apre il transistor VT3 e chiude il transistor VT1, che spegne il GTS. Gli ingressi invertenti dei comparatori del microcircuito DA2 sono forniti con tensioni di riferimento dal divisore R4-R6, che ne impostano le soglie di risposta (U1≈0,25 V; u2≈0,5 V). Le uscite di entrambi i comparatori sono inizialmente impostate su livelli di tensione logicamente bassi. Successivo condensatore misurato Cx collegarsi al connettore X1 del set-top box e premere il tasto corrispondente sul dispositivo per avviare il processo di misurazione. Durante i primi tre secondi dopo l'avvio, il programma mantiene il transistor VT3 nello stato aperto per rimuovere l'eventuale carica residua del condensatore misurato, dopodiché chiude questo transistor e apre il transistor VT1, accendendo il GTS. Da questo momento in poi la corrente in uscita da GTS Iarticolo inizia a caricare il condensatore Cx. La corrente in ingresso ai comparatori può essere ignorata, poiché rispetto a Iarticoloè estremamente piccolo. Durante la carica, la tensione ai capi del condensatore aumenta linearmente. Contemporaneamente all'accensione del GTS, il programma avvia due timer a 32 bit del microcontrollore per determinare la durata dell'aumento di tensione sul condensatore fino alle soglie operative dei comparatori. Nel momento in cui ciascun comparatore viene attivato, il livello di tensione alla sua uscita diventa elevato. Dopo aver registrato questo, il programma ferma il timer corrispondente. Dopo che entrambi i comparatori sono stati attivati, il processo di misurazione termina, il programma chiude il transistor VT1, spegnendo il GTS, e apre VT3, scaricando il condensatore misurato attraverso il suo canale aperto per preparare il set-top box per il successivo ciclo di misurazione. Esegue quindi i calcoli di capacità ed ESR e visualizza i risultati sullo schermo LCD del quadro strumenti combinato. Formula di calcolo della capacità: C=Iarticolo (t2 - t1)/(u2 - U1) dove t1, T2 - momenti in cui la tensione sul condensatore misurato raggiunge rispettivamente il primo e il secondo livello di soglia; U1, LEI È2 - tensioni del primo e del secondo livello di soglia. Dopo aver calcolato la capacità, il programma calcola la VES. Il metodo del suo calcolo è illustrato dai grafici di Fig. 2. La linea rossa su di essa è il grafico di carica del condensatore misurato reale. A causa della presenza dell'EPS, la tensione ai suoi capi all'inizio della ricarica salta a UR - caduta di tensione sull'EPS del condensatore quando la corrente di carica Icr lo attraversa. Valori soglia U1 e tu2 la tensione sul condensatore arriva rispettivamente agli istanti t1 e t2. La linea blu mostra il grafico di carica di un condensatore ideale della stessa capacità (ricordate che la capacità è già stata misurata). Poiché la ESR di un condensatore ideale è zero, la tensione ai capi del condensatore inizia ad aumentare linearmente da zero. La linea blu corre parallela alla linea rossa perché la corrente di carica Iarticolo stabilizzato e non dipende dall’EPS. La tensione ai capi di un condensatore ideale raggiungerebbe il livello U2 al tempo t3, che può essere determinato dalla formula t3 = u2 Cx/Iarticolo. Consideriamo ora due triangoli ABC e A'B'C. Sono simili, quindi si può fare una proporzione: B'C/BC = A'C/AC
Dalla fig. 2 ne consegue che: BC=t2; AC=U2 - UR; B'C = t3; A'C = U2. Sostituendo questi valori nella proporzione sopra, otteniamo t3 / T2 = u2 /(U2 - UR). Data la formula per calcolare t3 dopo semplici trasformazioni è facile determinare che la caduta di tensione ai capi dell'EPS è pari a UR = u2 - Iarticolo (t2/Cx). Infine, otteniamo il valore desiderato di EPS dividendo per Iarticolo lati sinistro e destro della formula precedente: R = (U2/Iarticolo) - (T2/Cx). Tale calcolo può essere effettuato anche sulla prima soglia, sostituendo le variabili U2 e t2 rispettivamente su U1 e t1. Il programma visualizza i valori trovati di capacità e ESR del condensatore misurato sullo schermo LCD dello strumento combinato. L'attacco è assemblato su un circuito stampato di dimensioni 30x60 mm, il cui disegno è mostrato in Fig. 3. È progettato per accettare componenti a montaggio superficiale.
Tutti i resistori e i condensatori sono della dimensione standard 1206. L'attacco è collegato al connettore XS1 del dispositivo [1] con un cavo piatto con spina X2 (PLS8). Il pin 2 del connettore XS1 deve essere alimentato con +5 V dall'alimentatore interno del dispositivo. Invece del transistor BC857S, è possibile utilizzare un altro transistor con struttura pnp a bassa potenza con un coefficiente di trasferimento della corrente di base di almeno 250 e invece del transistor BC847S, qualsiasi transistor con struttura npn a bassa potenza. Entrambi i transistor devono essere nel package SOT23, altrimenti il PCB dovrà essere riprogettato. Sostituzione del transistor IRLL024Z - effetto di campo con gate isolato e canale n. Deve essere progettato per controllare i livelli di tensione logici, avere una resistenza del canale aperto non superiore a 50...80 mOhm, una capacità di gate non superiore a 500...850 pF e una corrente di drain costante consentita di almeno 4 A. Il chip comparatore MCP6542-I /P può essere sostituito con LM293. La tavola viene posizionata in qualsiasi custodia conveniente. È conveniente utilizzare morsetti a molla come connettore X1 per collegare il condensatore da misurare all'attacco. L'installazione di tali dispositivi è solitamente la fase più difficile della loro produzione. Tutti i dispositivi per misurare la capacità e l'ESR, le cui descrizioni ho incontrato, richiedono la selezione precisa di più parti e alcuni (ad esempio [3]) richiedono anche una serie di calcoli e modifiche del programma del microcontrollore per un'istanza specifica del dispositivo prodotto. Questo è un processo piuttosto laborioso, quindi durante la progettazione del set-top box in questione ho sostituito la configurazione dell'hardware misurando i valori dei parametri di definizione e inserendoli nel dispositivo operativo per un ulteriore utilizzo. In altre parole, il processo di selezione delle parti viene sostituito da un'operazione di calibrazione del software. I risultati della calibrazione sono memorizzati nella EEPROM del microcontrollore dello strumento combinato, quindi è necessario eseguirla una sola volta. Per la calibrazione è necessario un multimetro in grado di misurare la corrente continua 5...20 mA con una precisione di almeno due cifre decimali e la tensione continua 0...2 V con una precisione di almeno tre cifre decimali. I multimetri digitali più economici soddisfano pienamente questi requisiti. Nel microcontrollore del dispositivo deve essere caricata la versione 2.05 del programma allegato all'articolo. Collegare il set-top box, al connettore X1 a cui non è collegato nulla, al dispositivo e alimentarlo. Sullo schermo LCD verrà visualizzato il menu principale mostrato in Fig. 4. XNUMX. Lasciare quindi riscaldare il dispositivo per due o tre minuti per stabilire le condizioni termiche. Si accede alla modalità di misurazione della capacità e dell'EPS premendo il tasto "GN" una terza volta. Questo non è molto veloce o conveniente, ma da molto tempo non ci sono tasti liberi sulla tastiera del dispositivo.
Quando si passa per la prima volta alla modalità di misurazione della capacità e della ESR, il programma del microcontrollore, non trovando nella sua EEPROM valori dei coefficienti di calibrazione che possano essere interpretati correttamente, chiamerà automaticamente la subroutine di calibrazione. Se ciò non accade, chiamalo premendo il tasto "2". Lo schermo LCD assumerà la forma mostrata in Fig. 5.
Il programma ti chiederà di inserire alternativamente i valori di quattro parametri: corrente GTS, tensioni della prima e della seconda soglia e resistenza di connessione, accompagnando le richieste con un dettagliato menù interattivo. Il valore esatto di ogni parametro richiesto deve essere misurato con un multimetro e inserito sulla tastiera del dispositivo. corrente GTS (Iarticolo) vengono misurati collegando un multimetro in modalità di misurazione della corrente al connettore X1 del set-top box. Dovrebbe essere compreso tra 10 e 25 mA. Tensione U1 misurato al pin 6 del chip DA2. Limiti ammessi - 0,2...0,32 V. Tensione U2 misurato sul pin 2 dello stesso microcircuito. Limiti consentiti - 0,42...0,55 V. Imposta il valore della resistenza di connessione su zero per ora. Questa è la resistenza dei cavi di collegamento e dei contatti del connettore con cui il condensatore misurato è collegato al set-top box. È spesso paragonabile all'ESR di questo condensatore. Ma di come tenerne conto ne parleremo più avanti. Dopo aver inserito tutti i parametri richiesti, sullo schermo apparirà il messaggio “CALIBRATED” per 2 s e il dispositivo passerà alla modalità di misurazione della capacità e della ESR. L'aspetto dello schermo LCD dopo il passaggio a questa modalità è mostrato in Fig. 6, e dopo aver effettuato la misurazione - in Fig. 7. Se il valore ESR misurato è inferiore a 0,01 Ohm, viene visualizzato uguale a zero.
Ora il dispositivo è operativo e consente di eseguire l'ultima fase di calibrazione, determinando la resistenza della connessione. Per fare ciò, collegare un condensatore con una capacità di 1...3300 μF al connettore X4700 e, premendo il pulsante “D”, iniziare a misurare la sua capacità e ESR. Dopo aver ricordato il valore ESR misurato, è necessario ripetere l'operazione collegando lo stesso condensatore direttamente ai contatti del connettore menzionato sul circuito stampato del set-top box. La differenza tra i due valori ESR ottenuti sarà il valore della resistenza di connessione. Ora non resta che commutare il dispositivo in modalità calibrazione premendo il pulsante “2” e inserire il valore risultante nel programma. Il dispositivo è pronto per l'uso. Il tempo necessario per eseguire una misurazione è compreso tra 3 e 6 s. Non può essere inferiore a 3 s, poiché questo è il tempo previsto nel programma per scaricare il condensatore misurato. Il processo di misurazione effettivo non richiede più di 3 secondi. Durante le misurazioni, sullo schermo del dispositivo potrebbero essere visualizzati messaggi relativi al valore di capacità misurata che supera il limite massimo o inferiore consentito, nonché a un malfunzionamento del set-top box. Quest'ultimo indica un malfunzionamento del sistema di interruzione del microcontrollore, che può verificarsi durante qualsiasi manipolazione con un set-top box funzionante utilizzando dispositivi alimentati a rete. Per ripristinare il normale funzionamento è necessario spegnere e riaccendere l'apparecchio combinato. L'accessorio descritto consente di misurare una bassa resistenza attiva nell'intervallo 0,01...0,2 Ohm, cosa che i semplici multimetri non riescono a fare bene. A tale scopo, la resistenza misurata deve essere collegata in serie al connettore X1 con il condensatore, la cui ESR è stata precedentemente misurata. Dopo aver misurato la ESR di tale circuito, dal risultato viene sottratto il valore della ESR del condensatore. Il resto è la resistenza del resistore misurato. Il dispositivo viene commutato su altre modalità operative premendo i pulsanti “OS”, “LA” o “GN”. Se l'utente ha a disposizione un condensatore, i cui parametri sono noti in anticipo con elevata precisione, è consigliabile misurarli utilizzando un accessorio fabbricato per valutare la correttezza del suo funzionamento. Se si rilevano differenze significative tra i parametri misurati e quelli noti, è necessario ricercarne le cause. Potrebbero trattarsi di parti difettose o di errori nella misurazione e nell'immissione dei parametri nel programma durante la calibrazione. La presenza di parti difettose distorce radicalmente i risultati della misurazione più volte o porta a salti significativi da una misurazione all'altra. Quest'ultimo è tipico dei comparatori instabili. Se ci sono errori nella misurazione e nell'immissione dei parametri di calibrazione, i risultati sono stabili, ma non veri. Questi errori sono le principali fonti di errore dello strumento. Valori soglia errati hanno un impatto particolarmente forte sui risultati. Qui un errore di 2...3 mV porta ad una variazione del valore ESR misurato di diversi ohm. Senza un multimetro accurato, ma con un condensatore di riferimento, l'errore può essere eliminato sperimentalmente modificando entro piccoli limiti i parametri di calibrazione immessi. Il programma del microcontrollore versione 2.05 e il file del circuito stampato in formato Sprint Layout 5.0 possono essere scaricati da ftp://ftp.radio.ru/pub/2017/02/2-05.zip. Letteratura
Autore: A. Savchenko
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