Измеритель выполнен в виде приставки к мультиметрам серий М-83х и DT-83x. В отличие от большинства любительских устройств, предназначенных для измерения эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС) конденсаторов, в том числе и разработанных автором ранее [ 1, 2], он измеряет только активную составляющую этого параметра, тестируя конденсаторы синусоидальным сигналом частотой 100 кГц. Питание измеритель получает от встроенного в АЦП мультиметра источника питания 3 В, используя штатное гнездо для оценки коэффициента передачи по току маломощных транзисторов.
Сконструировать приставку для измерения активной составляющей ЭПС оксидных конденсаторов синусоидальным сигналом на частоте 100 кГц предложил автору один из читателей журнала "Радио". К его письму прилагалась схема такого измерителя, найденная в Интернете. Измеритель был собран на микросхеме УМЗЧ TDA7052A, мультиплексоре серии 4053, n-канальном MOSFET-транзисторе, питался от батареи напряжением 9 В и потреблял ток до 13 мА. Читателя интересовал вопрос о возможности доработать этот прибор так, чтобы он питался от встроенного в АЦП мультиметра источника питания 3 В и при этом, конечно, потреблял минимальный ток. Хотя в настоящее время интерес к измерению ЭПС значительно спал, измеритель был доработан, и его схемно-конструктивное решение представлено ниже.
Схема измерителя ЭПС в виде приставки к мультиметрам серий М-83х и DT-83x приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема измерителя ЭПС в виде приставки к мультиметрам серий М-83х и DT-83x
Основные технические характеристики
Максимальное измеряемое ЭПС, Ом......................20
Дискретность измерения мультиметром, Ом ...........0,01
Амплитуда тока через тестируемый конденсатор, мА........10
Частота тестирования, кГц........100
Напряжение питания, В ............3
Потребляемый ток, мА, не более ........................2,7
На ОУ DA1.1 собран генератор синусоидального напряжения частотой 100 кГц. Частотно-задающая часть выполнена по схеме моста Вина на элементах R1, R2, C1, C2. Коэффициент передачи цепи ООС задают резисторы R3, R4 и зависимое от измеряемого ЭДС сопротивление канала полевого транзистора VT1 с управляющим p-n переходом. На ОУ DA1.2 и резисторах R6, R7 собран инвертор выходного напряжения генератора. На выходах (выводы 1 и 7) ОУ DA1 формируется парафазное напряжение удвоенной амплитуды.
Выходы ОУ нагружены резистором R8 сопротивлением 2 кОм и комплекс-ным сопротивлением первичной обмотки (I) трансформатора Т1. К его вторичной обмотке (II) подключают тестируемый конденсатор Сх через гнёзда XS1 и XS2. Ток, текущий через резистор R8, совпадает по фазе с током через активное ЭПС конденсатора. Коэффициент трансформации Т1 равен 10:1, поэтому при измеряемом ЭПС, равном 20 Ом, выходы ОУ будут нагружены активным сопротивлением 4 кОм (2 кОм + 2 кОм).
Со среднего вывода трансформатора снято напряжение для узла АРУ. Он содержит полевой транзистор VT1, упомянутый выше, и выпрямитель по схеме с удвоением напряжения на элементах VD1, VD2, СЗ, С4, R5. Для минимизации нелинейных искажений, вносимых каналом транзистора в цепь ООС генератора, амплитуда переменного напряжения между выводами сток-исток уменьшена до 60 мВ. АРУ стабилизирует напряжение на среднем выводе трансформатора Т1 размахом 2 В. Управление коэффициентом передачи цепи ООС осуществляется за счёт изменения сопротивления канала полевого транзистора VT1. Очевидно, что такое включение АРУ обеспечивает стабильность переменного тока в обмотке I трансформатора Т1. Последнее означает, что напряжение на выводах конденсатора Сх, а значит, и показания прибора при линейном выпрямлении прямо пропорциональны измеряемому ЭПС.
Напряжение с ЭПС тестируемого конденсатора, повышенное обмоткой II трансформатора Т2, поступает на вход синхронного детектора С6, выполненного на мультиплексоре DD1 и элементах R9, R10, Сб. Резисторы задают напряжение на цифровом входе 1 мультиплексора, равное пороговому. При этом синусоидальное напряжение частотой 100 кГц, поступающее с отвода трансформатора Т1 через конденсатор С6 на вход 1 мультиплексора, вызывает в каждый полупериод при переходе через ноль синхронные переключения входов Y0 и Y1 на выход Y Выделенное детектором напряжение положительной полярности в виде выпрямленной синусоиды через цепь R11C7 поступает на вход мультиметра для измерения. Следует отметить, что цепь R11C7 формирует на выходе не действующее, а среднее (средневыпрямленное) значение.
Отрицательное напряжение для питания ОУ -2,9 В получено от преобразователя на коммутируемых конденсаторах, собранного на микросхеме DA2 серии 7660 по типовой схеме.
Для частичной защиты при подключении заряженного конденсатора к гнёздам XS1, XS2 "Cx" установлены диоды VD3-VD5. Конденсатор С5 устраняет отставание по фазе напряжения на обмотке I трансформатора Т1, вызванное потерями в его магнитопроводе, для корректной работы синхронного детектора. Для этой же цели, помимо развязки по постоянному напряжению, ёмкость конденсатора С6 обеспечивает опережающий сдвиг фазы для напряжения, поступающего с отвода трансформатора Т1, устраняя задержку переключения входов мультиплексора, которая при питании 3 В может достигать 1...1,5 мкс.
Чертёж печатной платы и расположение элементов показаны на рис. 2. Поверхностно монтируемые элементы - конденсаторы и резисторы типоразмера 1206, диоды Шоттки VD1, VD2 и защитный TVS-диод VD3 (супрессор) - монтируют со стороны печатных проводников. Диод VD3 устанавливают на конденсаторе C5. Остальные элементы - выводные для монтажа в отверстия, установлены на лицевой стороне платы.
Рис. 2. Чертёж печатной платы и расположение элементов на ней
Вместо транзисторов серии КП103 с индексом 1 предусмотрена замена на транзисторы серии КП303. Чертёж печатной платы под транзисторы КП303 имеется по электронному адресу, указанному редакцией в конце статьи. При этом полярность включения диодов VD1 и VD2 выпрямителя следует поменять на противоположную. Микросхема LMV822 в корпусном исполнении SOIC-8, содержащая два ОУ, заменима на ОРА2340 в корпусном исполнении PDIP, но потребляемый приставкой ток возрастёт на 1,5...2 мА. Можно применить микросхемы LMV821 и ОРА340, которые содержат один ОУ. Для перечисленных ОУ автором разработаны переходники с корпусов SOIC-8, SOT-23-5 на DIP. Чертежи переходников также имеются по адресу, указанному редакцией в конце статьи. Диоды Шоттки можно заменить кремниевыми маломощными импульсными, например LL4148, но при этом выбор полевого транзистора по напряжению отсечки будет более ограничен в сторону меньших значений. Диоды UF4002 заменимы аналогичными из серий HER10x, MUR120. Подстроечный резистор - PVG3K фирмы Murata заменим PVG3A, PVG3G, но у них доступ к движку подстройки будет со стороны печатных проводников. Резисторы R1, R2 и конденсаторы С1, С2 желательно отобрать с точностью до 1 %. Штырь ХР1 - от подходящего разъёма. Штыри ХР2 и ХР3 - от измерительных щупов. Входные гнёзда XS1, XS2 "Сх" - клеммник винтовой ED350V-02P фирмы DINKLE или подобный. Трансформаторы Т1 и Т2 намотаны на кольцевых отечественных магнитопроводах М2000НМ или зарубежных N87 фирмы Epcos с типоразмерами 16x10x6 мм и 10x6x4,5 мм соответственно. Обмотка I T1 содержит 50+50 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,24 мм, обмотка II - 10 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,33 мм. Обмотка IT2 содержит 20 витков, а обмотка II - 33+33 витка провода ПЭВ-2 диаметром 0,1 мм. Обмотки укладывают в один слой виток к витку, при этом укладку обмоток с отводом ведут в два провода. Следует отметить, что укладку обмотки II трансформатора Т1 необходимо вести по кольцу в обратном направлении. Это связано только с удоб-ством разводки контактных площадок для выводов трансформатора на плате. Если в двухпроводных обмотках не было скручиваний, все выводы трансформаторов при монтаже попадают через отверстия в предназначенные для них контактные площадки согласно рис. 2. Для уменьшения потерь на перемагничивание трансформаторы рассчитаны на работу в слабых полях, индукция в обоих магнитопроводах - около 1,5 миллитеслы, что на два порядка меньше индукции насыщения на частоте 100 кГц.
Налаживание измерителя требует наличия осциллографа. Движок под-строечного резистора R5 переводят в нижнее по схеме положение. Гнёзда XS1, XS2 надёжно замыкают перемычкой из короткого отрезка медного провода. Измерьте омметром сопротивление канала сток-исток транзистора VT1. Оно должно находиться в пределах 450...1200 Ом (по этому параметру транзистор лучше отобрать заранее). При меньших значениях сопротивления канала от указанных следует увеличить сопротивление резистора R3 до 9,1 кОм. Чтобы не вывести из строя встроенный в АЦП мультиметра стабилизатор, напряжение питания 3 В при налаживании подают от отдельного источника. Вход осциллографа подключают к выходу ОУ DA1. 1 или к выходу DA1.2. На экране должны наблюдаться импульсы трапецеидальной формы с частотой, меньшей 100 кГц, и размахом около 6 В. Движком подстроечного резистора R5 устанавливают размах напряжения 2 В. Частота генерации при этом увеличится до требуемых 100 кГц. Если снизить напряжение до указанного значения не удаётся, следует, как сказано выше, увеличить сопротивление R3 до 9,1 кОм и повторить установку размаха. Отметим, что чем меньше сопротивление канала, тем больше напряжение отсечки полевого транзистора. Конечно, экземпляры транзисторов с большими напряжениями отсечки не позволят выставить указанный размах.
С гнёзд XS1, XS2 снимают перемычку, и вместо неё подключают резистор сопротивлением 20 Ом. Размах напряжения увеличится вдвое (сопротивление нагрузки 20 Ом в пересчёте на первичную обмотку возрастает в квадрат коэффициента трансформации). Вход осциллографа подключают к точке соединения резистора R8 с трансформатором T1. Размах напряжения не должен превышать 150...200 мВ. В противном случае следует подобрать ёмкость конденсатора С5, который корректирует фазу напряжения на среднем выводе трансформатора. Далее вход осциллографа подключают к выходу Y (выводу 3) мультиплексора DD1. На экране должны быть видны выпрямленные синусоиды положительной полярности амплитудой около 0,315 В без видимых искажений, как показано на рис. 3,а. В противном случае подбирают ёмкость конденсатора С6. На рис. 3,б показана форма выпрямленного сигнала, когда эта ёмкость больше требуемой. Детектирование синусоид отрицательной полярности свидетельствует о том, что выводы у одной из обмоток, подключённой к гнёздам "Cx", необходимо поменять местами. Рис. 3,в демонстрирует случай, когда пороговое напряжение цифрового входа 1 мультиплексора отлично от половины напряжения питания. В этом случае следует подобрать резистор R9. На печатной плате предусмотрены места для установки двух резисторов при его подборе - R9.1 и R9.2. Точной установки показаний мультиметра 200 мВ соответствующим ЭПС 20 Ом добиваются движком подстроечного резистора R5. На этом налаживание можно считать законченным. Измерение ЭПС производят на пределе 200 мВ мультиметра, при этом показания индикатора в милливольтах (результат измерения) следует разделить на десять.
Рис. 3. Осциллограммы
На фото рис. 4 и рис. 5 показан авторский вариант платы приставки с применением двух ОУ LMV821, а фото рис. 6 демонстрирует результат тестирования оксидного конденсатора ёмкостью 1 мкФ фирмы NEC с низким ЭПС.
Рис. 4. Авторский вариант платы приставки с применением двух ОУ LMV821
Рис. 5. Авторский вариант платы приставки с применением двух ОУ LMV821
Рис. 6. Результат тестирования оксидного конденсатора ёмкостью 1 мкФ фирмы NEC с низким ЭПС
В заключение отмечу, что, по мнению автора статьи, этот измеритель ЭПС всё-таки весьма сложен в схемном отношении и налаживании. Его целесообразно применять при тестировании оксидных конденсаторов ёмкостью менее 5...10 мкФ, когда измерители, основанные на методе зарядки конденсаторов постоянным током, требуют значительной поправки показаний из-за влияния ёмкостной составляющей, если они, конечно, не построены с применением микроконтроллера, позволяющего сделать поправку программно.
Чертежи печатных плат в форматах Sprint LayOut 5.0 и TIFF имеются здесь.
Литература
1. Глибин С. Измеритель ЭПС - приставка к мультиметру. - Радио, 2011, № 8, с. 19, 20.
2. Глибин С. Замена микросхемы 74АС132 в измерителе ЭПС. - Радио, 2013, № 8, с. 24.
Автор: С. Глибин, г. Москва