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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Messung der Kapazität und des ESR von Kondensatoren mit einem kombinierten Instrument. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik Der Autor bietet Funkamateuren, die das Gerät [1] zusammengebaut haben, einen Aufsatz dafür an, mit dem sie die Kapazität und den ESR von Kondensatoren messen können. Die Kenntnis dieser Parameter, insbesondere des ESR, ist heutzutage häufig erforderlich, beispielsweise bei der Herstellung verschiedener Impulsgeräte. Bei der Modernisierung des Kombigeräts [1] habe ich beschlossen, durch die Erstellung kleiner Anhänge dafür neue, relativ selten genutzte Funktionen in das Gerät einzuführen, die nicht nur in Software umgesetzt werden können. Dadurch ist es möglich, an ihm selbst außer dem Mikrocontroller-Programm nichts zu ändern. Die Umsetzung dieser Modernisierungsmethode wird durch das Vorhandensein eines Steckers im Gerät gewährleistet, an den vier Informationsleitungen seines Mikrocontrollers und die Versorgungsspannung ausgegeben werden. An diesen Anschluss werden Set-Top-Boxen angeschlossen. Der erste Schritt in diese Richtung war die Schaffung eines Aufsatzes zur Messung der Induktivität, beschrieben in [2]. Der neue Aufsatz ist für die Auswahl von Kondensatoren gedacht, die nur in ein bestimmtes Gerät eingebaut werden sollen, und nicht für die Messung ihrer Parameter, ohne sie aus dem Gerät zu entfernen. Auf dieser Grundlage habe ich herausgefunden, dass es möglich ist, die Spannung am gemessenen Kondensator zu erhöhen, wodurch der Messfehler verringert werden konnte. Mit der vorgeschlagenen Befestigung verfügt das Gerät im Modus zur Messung von Kapazität und ESR über Folgendes Features:
Die Grundlage für die Messung von Kapazität und ESR ist das Prinzip, den gemessenen Kondensator mit einem stabilen Strom zu laden und die Momente aufzuzeichnen, in denen die Spannung an ihm zwei Kontrollniveaus (Schwellenwerte) erreicht. Dieses Prinzip wird in vielen anderen Geräten verwendet, beispielsweise [3]. Strukturell wiederholt der betrachtete Aufsatz den Messteil dieses Geräts.
Das Befestigungsdiagramm ist in Abb. dargestellt. 1. Gegenüber [3] wurden folgende Änderungen vorgenommen: - Dioden wurden entfernt, die die Geräteelemente vor Beschädigung schützen sollen, wenn ein geladener Hochleistungskondensator daran angeschlossen wird. Es gibt zwei Gründe. Erstens erfüllen sie nach Angaben des Autors ihre Schutzfunktion nur in sehr begrenztem Umfang. Sie können Sie beispielsweise immer noch nicht vor einem Kondensator mit einer Kapazität von mehreren tausend Mikrofarad bewahren, der versehentlich an ein Gerät angeschlossen und auf eine Spannung von 50 V oder mehr aufgeladen wird. Zweitens erlauben Dioden nicht, dass die Spannung am gemessenen Kondensator größer als ihr Öffnungsniveau ist. Bei Verzicht auf Dioden kann die Schutzfunktion innerhalb der gleichen Grenzen mit dem Transistor VT3 umgesetzt werden, wenn dieser vom Mikrocontroller richtig angesteuert wird. Und unter dem Gesichtspunkt der Sicherheit beim Arbeiten mit dem Gerät wäre es richtig, vor dem Anschließen eines großen Kondensators (insbesondere eines Hochspannungskondensators) an das Gerät diesen unbedingt zu entladen. - Die Set-Top-Box verwendet nur einen stabilen Stromgenerator (GCT), der Messungen im gesamten oben angegebenen Kapazitätsbereich ermöglicht. Es unterscheidet sich vom Original durch eine höhere Stabilität des Ausgangsstroms. Dies wird durch die Verwendung eines parallel integrierten Spannungsstabilisators mit erhöhter Genauigkeit und eines Transistors mit einem hohen Basisstromübertragungskoeffizienten erreicht. Darüber hinaus wurde der Ausgangsstrom des GTS erhöht, wodurch der mit dem Kondensatorleckstrom verbundene Messfehler (insbesondere der ESR) verringert wurde. Die Steuerung des Betriebs der Set-Top-Box, die Verarbeitung der von ihr empfangenen Signale und die notwendigen Berechnungen werden vom Mikrocontroller des kombinierten Geräts durchgeführt. Zeitintervalle werden von seinen 32-Bit-Timern gezählt, die mit einer Frequenz von 32 MHz getaktet sind, was nicht nur eine hohe Messgenauigkeit, sondern auch eine große theoretische Obergrenze der gemessenen Kapazität (mehrere Farad) gewährleistet. In der Praxis ist es jedoch schwierig, einen solchen Grenzwert zu erreichen, da die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit am gemessenen Kondensator mit zunehmender Kapazität sehr gering wird, wodurch der Fehler bei der Bestimmung des Zeitpunkts des Erreichens des Schwellenwerts durch den Komparator zunimmt. Daher ist die maximal gemessene Kapazität per Software auf 99999 μF begrenzt, was für die meisten praktischen Zwecke völlig ausreichend ist. Nachdem die Set-Top-Box an das Gerät angeschlossen und in den Kapazitäts- und ESR-Messmodus geschaltet wurde, öffnet der Mikrocontroller den Transistor VT3 und schließt den Transistor VT1, wodurch der GTS ausgeschaltet wird. Die invertierenden Eingänge der Komparatoren der DA2-Mikroschaltung werden vom Teiler R4-R6 mit Referenzspannungen versorgt, die ihre Ansprechschwellen einstellen (U1≈0,25 V; U2≈0,5 V). Die Ausgänge beider Komparatoren sind zunächst auf logisch niedrige Spannungspegel eingestellt. Als nächstes gemessener Kondensator Cx Verbinden Sie es mit dem Anschluss X1 der Set-Top-Box und drücken Sie die entsprechende Taste am Gerät, um den Messvorgang zu starten. Während der ersten drei Sekunden nach dem Start hält das Programm den Transistor VT3 im offenen Zustand, um mögliche Restladungen des gemessenen Kondensators zu entfernen. Anschließend schließt es diesen Transistor und öffnet den Transistor VT1, wodurch das GTS eingeschaltet wird. Von diesem Moment an beträgt der Ausgangsstrom von GTS IArtikel beginnt, Kondensator C aufzuladenx. Der Eingangsstrom der Komparatoren kann vernachlässigt werden, da er mit I verglichen wirdArtikeles ist extrem klein. Beim Laden steigt die Spannung am Kondensator linear an. Gleichzeitig mit dem Einschalten des GTS startet das Programm zwei 32-Bit-Timer des Mikrocontrollers, um die Dauer des Spannungsanstiegs am Kondensator auf die Betriebsschwellen der Komparatoren zu bestimmen. In dem Moment, in dem jeder Komparator ausgelöst wird, wird der Spannungspegel an seinem Ausgang hoch. Nachdem dies aufgezeichnet wurde, stoppt das Programm den entsprechenden Timer. Nachdem beide Komparatoren ausgelöst wurden, endet der Messvorgang, das Programm schließt den Transistor VT1, schaltet den GTS aus und öffnet VT3, wodurch der gemessene Kondensator über seinen offenen Kanal entladen wird, um die Set-Top-Box für den nächsten Messzyklus vorzubereiten. Anschließend führt es Kapazitäts- und ESR-Berechnungen durch und zeigt die Ergebnisse auf dem LCD-Bildschirm des Kombiinstruments an. Formel zur Kapazitätsberechnung: C=IchArtikel (t2 - T1)/(U2 - U1) wo t1, T2 – Momente, in denen die Spannung am gemessenen Kondensator den ersten bzw. zweiten Schwellenwert erreicht; U1, SIE IST2 – Spannungen der ersten und zweiten Schwellenwerte. Nach der Kapazitätsberechnung berechnet das Programm den ESR. Die Methode seiner Berechnung wird durch die Diagramme in Abb. veranschaulicht. 2. Die rote Linie darauf ist die Ladekurve des tatsächlich gemessenen Kondensators. Aufgrund des Vorhandenseins von EPS springt die an ihm anliegende Spannung zu Beginn des Ladevorgangs auf UR - Spannungsabfall am EPS des Kondensators, wenn der Ladestrom Icr durch ihn fließt. Schwellenwerte U1 und du2 Die Spannung am Kondensator erreicht jeweils zu den Zeitpunkten t1 und t2. Die blaue Linie zeigt das Ladediagramm eines idealen Kondensators mit derselben Kapazität (denken Sie daran, dass die Kapazität bereits gemessen wurde). Da der ESR eines idealen Kondensators Null ist, beginnt die Spannung am Kondensator linear von Null an anzusteigen. Die blaue Linie verläuft parallel zur roten Linie, da der Ladestrom I beträgtArtikel stabilisiert und ist nicht von EPS abhängig. Die Spannung an einem idealen Kondensator würde den Wert U erreichen2 zum Zeitpunkt t3, die durch die Formel bestimmt werden kann t3 = U.2 · C.x/IArtikel. Betrachten Sie nun zwei Dreiecke ABC und A'B'C. Sie sind ähnlich, daher kann ein Verhältnis ermittelt werden: B’C/BC = A’C/AC
Von Abb. 2 folgt daraus: BC=t2; AC=U2 - UR; B'C = t3; A’C = U2. Wenn wir diese Werte in den obigen Anteil einsetzen, erhalten wir t3 / T2 = U.2 / (u2 - UR). Gegeben sei die Formel zur Berechnung von t3 Nach einfachen Transformationen lässt sich leicht feststellen, dass der Spannungsabfall am EPS gleich ist UR = U.2 - DieArtikel (t2/Cx). Und schließlich erhalten wir den gewünschten Wert von EPS, indem wir durch I dividierenArtikel linke und rechte Seite der vorherigen Formel: R = (U2/IArtikel) - (T2/Cx). Diese Berechnung kann auch an der ersten Schwelle durchgeführt werden, indem die Variablen U ersetzt werden2 und t2 jeweils auf U1 und t1. Das Programm zeigt die gefundenen Kapazitäts- und ESR-Werte des gemessenen Kondensators auf dem LCD-Bildschirm des Kombiinstruments an. Der Aufsatz ist auf einer Leiterplatte mit den Maßen 30x60 mm montiert, deren Zeichnung in Abb. dargestellt ist. 3. Es ist für die Aufnahme von oberflächenmontierten Komponenten ausgelegt.
Alle Widerstände und Kondensatoren haben die Standardgröße 1206. Der Aufsatz wird mit einem Flachkabel mit Stecker X1 (PLS1) an den Anschluss XS2 des Geräts [8] angeschlossen. Pin 2 des XS1-Steckers muss mit +5 V aus der geräteinternen Stromversorgung versorgt werden. Anstelle des BC857S-Transistors können Sie einen anderen Low-Power-PNP-Strukturtransistor mit einem Basisstromübertragungskoeffizienten von mindestens 250 und anstelle des BC847S-Transistors einen beliebigen Low-Power-NPN-Strukturtransistor verwenden. Beide Transistoren müssen im SOT23-Gehäuse sein, andernfalls muss die Platine neu gestaltet werden. Ersetzen des IRLL024Z-Transistors – Feldeffekt durch isoliertes Gate und n-Kanal. Es muss für die Steuerung logischer Spannungspegel ausgelegt sein, einen offenen Kanalwiderstand von nicht mehr als 50...80 mOhm, eine Gate-Kapazität von nicht mehr als 500...850 pF und einen zulässigen konstanten Drain-Strom von mindestens 4 haben A. Der Komparatorchip MCP6542-I /P kann durch LM293 ersetzt werden. Die Platine wird in jedem geeigneten Koffer untergebracht. Für den Anschluss des zu messenden Kondensators an den Aufsatz bietet es sich an, Federklemmen als Anschluss X1 zu verwenden. Der Aufbau solcher Geräte ist in der Regel der schwierigste Herstellungsschritt. Alle Geräte zur Kapazitäts- und ESR-Messung, auf deren Beschreibungen ich gestoßen bin, erfordern die genaue Auswahl mehrerer Teile, und einige (z. B. [3]) erfordern auch eine Reihe von Berechnungen und Modifikationen des Mikrocontrollerprogramms für eine bestimmte Instanz des hergestellten Geräts. Dies ist ein ziemlich arbeitsintensiver Prozess, daher habe ich beim Entwurf der betreffenden Set-Top-Box das Hardware-Setup durch das Messen der Werte der definierenden Parameter und deren Eingabe in das Bediengerät zur weiteren Verwendung ersetzt. Mit anderen Worten: Der Prozess der Teileauswahl wird durch einen Softwarekalibrierungsvorgang ersetzt. Die Kalibrierungsergebnisse werden im EEPROM des Mikrocontrollers des kombinierten Instruments gespeichert, sodass sie nur einmal durchgeführt werden müssen. Zur Kalibrierung benötigen Sie ein Multimeter, das Gleichstrom 5...20 mA mit einer Genauigkeit von mindestens zwei Dezimalstellen und Gleichspannung 0...2 V mit einer Genauigkeit von mindestens drei Dezimalstellen messen kann. Die meisten preisgünstigen Digitalmultimeter erfüllen diese Anforderungen vollständig. Die dem Artikel beigefügte Programmversion 2.05 muss in den Mikrocontroller des Geräts geladen werden. Verbinden Sie die Set-Top-Box, an deren X1-Anschluss nichts angeschlossen ist, mit dem Gerät und versorgen Sie es mit Strom. Das in Abb. 4 dargestellte Hauptmenü wird auf dem LCD-Bildschirm angezeigt. XNUMX. Lassen Sie das Gerät anschließend zwei bis drei Minuten lang aufwärmen, um die thermischen Bedingungen herzustellen. Durch ein drittes Drücken der „GN“-Taste gelangt man in den Kapazitäts- und EPS-Messmodus. Das ist weder besonders schnell noch komfortabel, allerdings gibt es auf der Tastatur des Geräts schon lange keine freien Tasten mehr.
Wenn Sie zum ersten Mal in den Kapazitäts- und ESR-Messmodus wechseln, ruft das Mikrocontrollerprogramm automatisch die Kalibrierungsunterroutine auf, da es in seinem EEPROM keine Kalibrierungskoeffizientenwerte findet, die korrekt interpretiert werden können. Sollte dies nicht der Fall sein, rufen Sie es durch Drücken der Taste „2“ auf. Der LCD-Bildschirm nimmt die in Abb. gezeigte Form an. 5.
Das Programm fordert Sie auf, abwechselnd die Werte von vier Parametern einzugeben: GTS-Strom, Spannungen der ersten und zweiten Schwelle und Verbindungswiderstand, und begleitet die Anfragen mit einem detaillierten interaktiven Menü. Der genaue Wert jedes angeforderten Parameters sollte mit einem Multimeter gemessen und über die Gerätetastatur eingegeben werden. GTS-Strom (IArtikel) werden gemessen, indem ein Multimeter im Strommessmodus an den X1-Anschluss der Set-Top-Box angeschlossen wird. Er sollte innerhalb von 10...25 mA liegen. Spannung U1 gemessen an Pin 6 des DA2-Chips. Zulässige Grenzen - 0,2...0,32 V. Spannung U2 gemessen an Pin 2 derselben Mikroschaltung. Zulässige Grenzen - 0,42...0,55 V. Stellen Sie den Verbindungswiderstandswert vorerst auf Null ein. Dies ist der Widerstand der Anschlussdrähte und Anschlusskontakte, mit denen der gemessene Kondensator an die Set-Top-Box angeschlossen wird. Er ist oft mit dem ESR dieses Kondensators vergleichbar. Aber über die Bilanzierung sprechen wir später. Nach Eingabe aller erforderlichen Parameter erscheint für 2 s die Meldung „KALIBRIERT“ auf dem Bildschirm und das Gerät wechselt in den Kapazitäts- und ESR-Messmodus. Das Aussehen des LCD-Bildschirms nach dem Umschalten in diesen Modus ist in Abb. dargestellt. 6 und nach Durchführung der Messung - in Abb. 7. Wenn der gemessene ESR-Wert weniger als 0,01 Ohm beträgt, wird er als Null angezeigt.
Jetzt ist das Gerät betriebsbereit und Sie können den letzten Schritt der Kalibrierung durchführen – die Bestimmung des Verbindungswiderstands. Schließen Sie dazu einen Kondensator mit einer Kapazität von 1...3300 μF an den Anschluss X4700 an und beginnen Sie durch Drücken der Taste „D“ mit der Messung seiner Kapazität und seines ESR. Nachdem Sie sich den gemessenen ESR-Wert gemerkt haben, sollten Sie den Vorgang wiederholen, indem Sie denselben Kondensator direkt an die Kontaktpads für den genannten Anschluss auf der Leiterplatte der Set-Top-Box anschließen. Die Differenz zwischen den beiden erhaltenen ESR-Werten ergibt den Wert des Verbindungswiderstands. Jetzt müssen Sie nur noch das Gerät durch Drücken der Taste „2“ in den Kalibriermodus schalten und den resultierenden Wert in das Programm eingeben. Das Gerät ist betriebsbereit. Die Zeit zur Durchführung einer Messung liegt im Bereich von 3...6 s. Sie darf nicht weniger als 3 s betragen, da dies die Zeit ist, die im Programm für die Entladung des gemessenen Kondensators vorgesehen ist. Der eigentliche Messvorgang dauert nicht länger als 3 Sekunden. Während der Messungen können auf dem Gerätebildschirm Meldungen angezeigt werden, dass der gemessene Kapazitätswert den oberen oder unteren zulässigen Grenzwert überschreitet, sowie über eine Fehlfunktion der Set-Top-Box. Letzteres weist auf eine Fehlfunktion des Mikrocontroller-Interrupt-Systems hin, die bei Manipulationen mit einer funktionierenden Set-Top-Box unter Verwendung von Geräten mit Netzstrom auftreten kann. Um den Normalbetrieb wiederherzustellen, muss das Kombigerät aus- und wieder eingeschaltet werden. Der beschriebene Aufsatz ermöglicht die Messung niedriger Wirkwiderstände im Bereich von 0,01...0,2 Ohm, womit einfache Multimeter schlecht zurechtkommen. Dazu sollte der gemessene Widerstand am Anschluss X1 in Reihe mit dem Kondensator geschaltet werden, dessen ESR zuvor gemessen wurde. Nach der Messung des ESR einer solchen Schaltung wird der Wert des ESR des Kondensators vom Ergebnis abgezogen. Der Rest ist der Widerstandswert des gemessenen Widerstands. Durch Drücken der Tasten „OS“, „LA“ oder „GN“ wird das Gerät in andere Betriebsarten umgeschaltet. Wenn dem Benutzer ein Kondensator zur Verfügung steht, dessen Parameter im Voraus mit hoher Genauigkeit bekannt sind, empfiehlt es sich, diese mit einem hergestellten Aufsatz zu messen, um die korrekte Funktion zu beurteilen. Werden signifikante Unterschiede zwischen den gemessenen und den bekannten Parametern festgestellt, sollte nach deren Ursachen gesucht werden. Dies können fehlerhafte Teile oder Fehler bei der Messung und Eingabe von Parametern in das Programm während der Kalibrierung sein. Das Vorhandensein fehlerhafter Teile verfälscht die Messergebnisse entweder um ein Vielfaches radikal oder führt zu erheblichen Sprüngen von Messung zu Messung. Letzteres ist typisch für instabile Komparatoren. Bei Fehlern bei der Messung und Eingabe der Kalibrierparameter sind die Ergebnisse stabil, aber nicht wahr. Diese Fehler sind die Hauptursachen für Gerätefehler. Fehlerhafte Schwellenwerte wirken sich besonders stark auf die Ergebnisse aus. Hier führt ein Fehler von 2...3 mV zu einer Änderung des gemessenen ESR-Wertes um mehrere Ohm. Ohne ein genaues Multimeter, aber mit einem Referenzkondensator lässt sich der Fehler experimentell beseitigen, indem man die eingegebenen Kalibrierparameter in kleinen Grenzen verändert. Das Mikrocontroller-Programm Version 2.05 und die Leiterplattendatei im Sprint Layout 5.0-Format können von ftp://ftp.radio.ru/pub/2017/02/2-05.zip heruntergeladen werden. Literatur
Autor: A. Savchenko
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