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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Sonde von Oxidkondensatoren. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik Bei der Reparatur moderner Haushaltsgeräte ist die Bestimmung der Gebrauchstauglichkeit von Kondensatoren einer der schwierigsten defektologischen Prozesse. Und sie „altern“ viel schneller als andere Radioelemente. Dieser Artikel widmet sich dem Problem, ein fehlerhaftes Element bei der Reparatur schnell und zuverlässig zu identifizieren. Die Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen in modernen Geräten ist so stark gestiegen, dass Oxid-Elektrolytkondensatoren hinsichtlich der Anzahl der Defekte den ersten Platz eingenommen haben [1]. Dies ist auf das Vorhandensein eines Elektrolyten in ihnen zurückzuführen. Die Einwirkung erhöhter Temperaturen, die Ableitung der Verlustleistung im Kondensator und die Druckentlastung der Gehäusedichtungen führen zur Austrocknung des Elektrolyten. Ein idealer Kondensator hat beim Betrieb in einem Wechselstromkreis nur einen reaktiven (kapazitiven) Widerstand. Der reale Kondensator kann für den unten betrachteten Fall als idealer Kondensator und einen damit in Reihe geschalteten Widerstand dargestellt werden. Dieser Widerstand wird als äquivalenter Serienwiderstand des Kondensators bezeichnet (im Folgenden als ESR bezeichnet, in der englischen Literatur findet man einen ähnlichen Begriff mit der Abkürzung ESR – Equivalent Series Resistance). Im Anfangsstadium des Auftretens von Defekten in Oxidkondensatoren wird der ESR des Kondensators überschätzt. Dadurch erhöht sich die Verlustleistung, wodurch sich der Kondensator von innen erwärmt. Diese Leistung ist direkt proportional zum ESR des Kondensators und dem Quadrat seines Ladestroms. In Zukunft schreitet der Prozess schnell voran, bis hin zum vollständigen Kapazitätsverlust des Kondensators. Das Auftreten von Mängeln an Produkten, in denen Oxidkondensatoren verwendet werden, kann in verschiedenen Phasen dieses Prozesses auftreten. Es hängt alles von den Betriebsbedingungen des Kondensators ab, einschließlich seiner elektrischen Betriebsarten und den Eigenschaften des Geräts selbst. Die Schwierigkeit bei der Diagnose solcher Defekte besteht darin, dass Kapazitätsmessungen mit herkömmlichen Instrumenten in den meisten Fällen keine Ergebnisse liefern, da die Kapazität im normalen Bereich liegt oder nur geringfügig unterschätzt wird. Besondere Anforderungen an die Qualität von Oxidkondensatoren stellen Netzteile mit Hochfrequenzwandlern dar, bei denen solche Kondensatoren als Filter und in Schaltkreisen von Leistungselementen bei Frequenzen bis 100 kHz eingesetzt werden. Die Möglichkeit, den ESR zu messen, würde sowohl die Identifizierung ausgefallener Kondensatoren (mit Ausnahme von Kurzschlüssen und Lecks) als auch die frühzeitige Diagnose von Gerätedefekten ermöglichen, die noch nicht aufgetreten sind. Dazu können Sie seinen komplexen Widerstand bei einer ausreichend hohen Frequenz messen, bei der die Kapazität deutlich unter dem zulässigen ESR liegt. Beispielsweise hat ein Kondensator mit einer Kapazität von 100 μF bei einer Frequenz von 10 kHz einen Kapazitätswiderstand von etwa 0,16 Ohm, was bereits ein recht kleiner Wert ist. Wenn ein Signal einer solchen Frequenz über einen Stromeinstellwiderstand an einen gesteuerten Kondensator angelegt wird, ist die Spannung an diesem proportional zum Modul seines komplexen Widerstands. Die Signalquelle kann jeder geeignete Generator sein, die Form des Signals spielt keine besondere Rolle und die Ausgangsimpedanz des Generators kann als Widerstand dienen. Zur Messung der Spannung an einem Kondensator kann ein Oszilloskop oder ein Wechselstrom-Millivoltmeter verwendet werden. Bei einem Generatorausgangssignalpegel von 0,6 V und einem 600-Ohm-Widerstand an einem Kondensator mit einem ESR von 1 Ohm beträgt die gemessene Spannung also etwa 1 mV und bei einem 50-Ohm-Widerstandswiderstand 12 mV. Die Praxis der Defektdiagnose von Oxidkondensatoren durch Messung des ESR hat gezeigt, dass dieser in den allermeisten Fällen bei defekten Kondensatoren mit einer Kapazität von 10 bis 100 µF deutlich über 1 Ohm liegt. Dieses Kriterium ist nicht streng und hängt von mehreren Faktoren ab. Es ist allgemein anerkannt, dass gute Kondensatoren je nach Kapazität und Betriebsspannung einen ESR im Bereich von 0,3...6 Ohm haben [2]. Die Genauigkeit der Messungen spielt bei der Feststellung defekter Kondensatoren keine besondere Rolle. Ein Fehler von bis zu 1,5...2 Mal kann als durchaus akzeptabel angesehen werden. Diese Daten wurden bei der Entwicklung des unten beschriebenen Geräts verwendet. Darüber hinaus ist es sehr wichtig, messen zu können, ohne die Kondensatoren aus dem Gerät zu entfernen. Dazu ist es erforderlich, dass der gesteuerte Kondensator nicht durch Elemente mit einem Widerstand nahe den gemessenen ESR-Werten überbrückt wird, was in den meisten Fällen der Fall ist. Halbleiterbauelemente haben keinen Einfluss auf die Messergebnisse, da die Messspannung am Kondensator mehrere zehn Millivolt beträgt. Es ist außerdem wünschenswert, die maximale Spannung an den Sonden des Geräts auf 1 bis 2 V und den durch sie fließenden Strom auf 3 bis 5 mA zu begrenzen, um andere Elemente des Geräts nicht zu deaktivieren. Was das Design des Geräts betrifft, sollte es selbstverständlich über eine eigene Stromversorgung und eine geringe Größe verfügen. Verbindungsleiter und Klemmen zum Anschluss an die geprüften Kondensatoren sind unerwünscht. Bei der Arbeit sind beide Hände beschäftigt, man benötigt einen Platz zum Abstellen des Geräts selbst und muss ständig von den Messpunkten auf die Anzeige des Geräts blicken. Diese Anforderungen erfüllt eine kleine Sonde mit spitzen Sonden. Wichtigste technische Merkmale
Darüber hinaus kann mit der Sonde die Kapazität von Elektrolytkondensatoren ausgewertet werden – in der Originalversion von 15 bis 90 μF. Das schematische Diagramm der Sonde ist in Abb. 1 dargestellt. eines.
Das DD1.1-Element der digitalen Mikroschaltung enthält einen Rechteckimpulsgenerator (Frequenzeinstellelemente R2, C2). Zur Erhöhung der Belastbarkeit werden die Leistungen der übrigen Elemente zusammengefasst. Die Widerstände R3, R4 und der Innenwiderstand der Elemente stellen den Strom durch den getesteten Kondensator Cx ein, von dem ein Signal mit einem Pegel proportional zum ESR des gesteuerten Kondensators an den Eingang des Vorverstärkers am Transistor VT1 geliefert wird. Die Zenerdiode VD1 begrenzt Spannungsimpulse beim Anschluss der Gerätesonden an nicht entladene Kondensatoren. An ihnen anliegende Restspannungen von maximal 25...50 V sind für das Gerät ungefährlich. Der DA1-Chip enthält eine fünfstufige LED-Pegelanzeige; dieser Chip wird in einigen Videorecordern verwendet. Die Mikroschaltung umfasst einen Eingangssignalverstärker, einen Lineardetektor und Komparatoren mit Stromstabilisatoren an den Ausgängen. Die Verhältnisse der Eingangssignalpegel, bei denen der nächste Komparator eingeschaltet wird, entsprechen -10; -5; 0; 3; 6 dB. Somit umfasst der gesamte Anzeigebereich 16 dB. Um alle LEDs zum Leuchten zu bringen, muss dem Eingang der DA1-Mikroschaltung (Pin 8) ein Signal mit einem Pegel von ca. 170 mV zugeführt werden. Die an Pin 7 angeschlossene RC-Schaltung bestimmt die Zeitkonstante ihres Detektors. Der Widerstand R12 begrenzt den von den LEDs aufgenommenen Strom. Kriterien für die Wahl des Wertes sind einerseits die erforderliche Helligkeit der LEDs und andererseits der von der Stromquelle aufgenommene Strom. Die Elemente R6, C6 und R11, C7 sind Filter in den Stromkreisen der entsprechenden Knoten. Die Möglichkeit des Einsatzes der Mikroschaltung bei Frequenzen bis 100 kHz wurde experimentell ermittelt. Der zertifizierte Mindestwert der Mikroschaltungs-Versorgungsspannung beträgt 3,5 V, Tests mehrerer Exemplare zeigten jedoch, dass sie bis zu einer Spannung von 2,7 V funktionieren; bei einem weiteren Spannungsabfall hören die LEDs auf zu leuchten. Das Gerät zeigt den kontrollierten ESR-Wert nach dem Prinzip an: Je geringer der Widerstand, desto geringer die Anzahl der leuchtenden LEDs. Bei geschlossenen Kontakten des Schalters SA1 ist auch der Kondensator C2 parallel zum Kondensator C1 geschaltet. In diesem Fall wird die Generatorfrequenz auf etwa 1200 Hz reduziert, sodass der Signalpegel an den Anschlüssen des zu prüfenden Kondensators hauptsächlich von seiner Kapazität abhängt. Je höher die Kapazität, desto weniger LEDs leuchten. Das Gerät verwendet Chipwiderstände und Kondensatoren, es können jedoch auch andere kleine Widerstände verwendet werden. Die Kondensatoren C3-C5, C8, C10 sind importierte kleine Keramikkondensatoren. Ihre Kapazität ist nicht kritisch. Die LEDs VD2-VD6 sind mikroverbrauchend und leuchten selbst bei einem Strom von 0,5 ... 1 mA recht hell. Sie können andere rote LEDs verwenden, die die angegebene Anforderung erfüllen, beispielsweise KIPD-05A. Schalter SA1 ist ein kleiner Schiebeschalter, SB1 ist ein Druckknopfschalter, ohne Verriegelung in der gedrückten Position. Der Transistor VT1 kann durch KT315, KT3102 (mit beliebigen Buchstabenindizes) mit einem Stromübertragungskoeffizienten von mehr als 100 ersetzt werden. Die Stromquelle für die Sonde sind zwei alkalische Elemente LR44 (357, G13) mit einer Standardgröße von 11,6 x 5,4 mm. Die Betriebsfrequenz des Generators wird durch den Widerstand R3 gesteuert. Er sollte innerhalb von 60...80 kHz liegen. Bei Bedarf erfolgt die Installation durch Auswahl der Elemente R2 oder C2. Die Spannung am Kollektor des Transistors VT1 sollte zwischen 1,0 und 1,7 V liegen und wird durch Auswahl des Widerstands R8 eingestellt. Die Sonde wird kalibriert, indem im ESR-Messmodus nichtinduktive (drahtlose) Widerstände an die Sonden angeschlossen und Widerstand R3 ausgewählt werden. Der erforderliche Bereich der Kapazitätssteuerung in der geschlossenen Position der SA1-Schaltkontakte wird durch die Auswahl des Kondensators C1 und den Anschluss von Kondensatoren mit bekannter Kapazität an die Sonden festgelegt.
Das Aussehen der Sonde ist in Abb. 2 dargestellt. XNUMX.
Die Sonden bestehen aus starrem Stahldraht mit einem Durchmesser von 1 mm, die Enden sind leicht gebogen und spitz. Der Abstand zwischen den Sonden beträgt 4 mm. Dies ermöglicht unter Berücksichtigung der Größe der Kontaktpads auf der Leiterplatte die Prüfung von Kondensatoren mit einem Abstand zwischen den Leitungen von 2,5 bis 7,5 mm. Die offensichtliche Unannehmlichkeit, die mit der Ausrichtung des Geräts relativ zu den Kondensatoranschlüssen verbunden ist, verschwindet nach einigen Tagen der Verwendung. Während der Messung muss das zu prüfende Produkt spannungsfrei sein und die Kondensatoren, die unter gefährlicher Spannung stehen können, müssen entladen sein. Die Sondenspitzen müssen gegen die Kontaktpads der Platine gedrückt werden, an die der zu testende Kondensator angelötet ist, und den Netzschalter drücken. Aufgrund transienter Vorgänge blinken alle LEDs kurz auf, danach kann der Zustand des Kondensators anhand der Anzahl der leuchtenden LEDs beurteilt werden. Daher überschreitet die Einschaltzeit der Sonde zum Testen eines Kondensators 1 s nicht. Bei guten Kondensatoren mit einer Kapazität von 10 µF und höher für Betriebsspannungen bis 100 V sollten alle LEDs erlöschen. Kondensatoren kleinerer Kapazität und höherer Betriebsspannung haben einen höheren ESR, sodass 1-2 LEDs leuchten können. Die Kriterien zur Beurteilung der Eignung von Oxidkondensatoren hängen von den Funktionen ab, die sie in den Gerätekomponenten, den elektrischen Modi und den Betriebsbedingungen erfüllen. Die kritischsten Komponenten: der Steuerkreis des Schlüsseltransistors in Netzteilen mit Hochfrequenzumwandlung, Filter in solchen Quellen, einschließlich solcher, die von einem horizontalen Abtasttransformator für Fernseher und Monitore gespeist werden, ein Filter im Stromversorgungskreis für den „Boost“. ” des Horizontal-Scan-Transistors usw. Je höher die Betriebsfrequenz und die Umladeströme, desto besser ist die Qualität der verwendeten Kondensatoren. In den oben genannten Schaltungen sollten Kondensatoren mit einem Temperaturbereich bis 105 °C eingesetzt werden, die einen deutlich geringeren ESR und eine höhere Zuverlässigkeit bei erhöhten Temperaturen aufweisen. Stehen solche Elemente nicht zur Verfügung, empfiehlt es sich, Oxidkondensatoren durch Keramikkondensatoren mit einer Kapazität von 0,33-1 µF zu umgehen. Manchmal werden solche Kondensatoren vom Gerätehersteller eingebaut. Sie können die Sondenwerte im ESR-Messmodus verfälschen (die Kapazität eines Kondensators von 1 μF bei einer Frequenz von 80 kHz beträgt etwa 2 Ohm). Es kommt vor, dass defekte Kondensatoren nach dem Auslöten aus der Platine vom Gerät beim Wählen als funktionsfähig erkannt werden können. Dies liegt offenbar an der Einwirkung hoher Temperaturen während der Demontage. Es macht keinen Sinn, solche Kondensatoren wieder in das Gerät einzubauen – der Defekt wird früher oder später wieder auftreten. Dies ist ein weiteres Argument dafür, Kondensatoren zu testen, ohne sie zu demontieren. Das Gerät wurde als „Arbeitstier“ konzipiert, das unter fast allen Bedingungen bequem zu verwenden ist, keinen Schnickschnack hat und weniger für Messungen als vielmehr für die Bestimmung nach dem „Go-no-go“-Prinzip gedacht ist. Daher sollten Sie in Zweifels- und besonders kritischen Fällen die Kondensatoren zusätzlich mit verfügbaren Methoden überprüfen oder durch bekanntermaßen gute ersetzen. Der 6-monatige Betrieb der Sonde in einer TV-Reparaturwerkstatt zeigte die Optimalität ihrer messtechnischen Parameter und der gewählten Anzeigeart. Die Diagnoseleistung ist stark gestiegen, insbesondere bei Geräten, die seit mehr als 5 bis 7 Jahren im Einsatz sind, und es ist möglich geworden, Defekte, die mit der allmählichen Verschlechterung von Oxidkondensatoren einhergehen, frühzeitig zu diagnostizieren. In diesem Zeitraum war es nicht erforderlich, die Batterien der Sonde zu wechseln. Der Bereich der überwachten ESR-Werte der Sonde kann in Richtung niedrigerer Widerstände erweitert werden, indem der Strom durch den zu prüfenden Kondensator erhöht wird. Dazu müssen Sie den DD1-Chip durch einen KR1554TLZ ersetzen, der den Ausgangsstrom des Generators erhöht, indem er den Widerstand des Widerstands R3 verringert. Es reicht aus, nur ein Element der Mikroschaltung im Generator zu verwenden und seinen Ausgang gemäß dem Diagramm mit dem linken Ausgang des Widerstands R3 zu verbinden. Verbinden Sie die Eingänge nicht verwendeter Elemente (Pins 4, 5, 9, 10, 12, 13) mit einem gemeinsamen Draht. Der vom Gerät verbrauchte Strom erhöht sich. Auf diese Weise können Sie die untere Grenze der ESR-Regelung auf 0,5...1 Ohm reduzieren. Um den empfohlenen ESR-Wertebereich abzudecken, müssen Sie einen Endschalter mit zwei schaltbaren Widerständen anstelle eines Widerstands R3 einführen. Sie können einen weiteren Kapazitätsmessbereich hinzufügen, indem Sie den Schalter SA1 auf drei Positionen stellen und einen weiteren Kondensator ähnlich C1 hinzufügen. Empfohlene Bereiche: 7...40 und 40...220 µF (Oszillatorfrequenz - ca. 2400 und 550 Hz). Im Kapazitätsmessmodus liegt an den Sonden des Geräts ein Audiofrequenzsignal an. Es kann zum Testen akustischer Strahler oder zur Überprüfung der Signalübertragung in 3H-Verstärkern eingesetzt werden. Literatur
Autor: R. Khafizov, Sarapul, Udmurtien
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