Сделай сам ESR-метр: полное руководство для энтузиастов электроники

О DIY ESR-метре, у каждого ремесла свой уникальный набор инструментов. В случае электроники у вас должен быть как минимум мультиметр, отвертка, кусачки, паяльник и провода.

Лучшая часть в том, что вы можете найти эти инструменты в любом магазине электроники и за доступную цену. Однако есть другие важные, но дорогие инструменты, которые вам понадобятся по мере продвижения по пути электроники.

И среди этих инструментов — ESR-метр.

Так что в этой статье мы покажем, как построить свой ESR-метр с готовой полосой/ Веро-платой с тем же результатом, что и ESR-метры на рынке.

Готовы? Учимся!

Полосатая плата

Что такое ESR?

Конденсаторы не иммунны к деградации. Когда вы видите некоторые нежелательные эффекты, это из-за Эквивалентного Последовательного Сопротивления (ESR). Почему? Конденсаторы имеют ограниченное внутреннее сопротивление из-за материалов, которые производители используют для их изготовления.

Также различные типы конденсаторов поставляются с разными диапазонами ESR. Поэтому критически важно измерять эквивалентное последовательное сопротивление ваших конденсаторов.

Что такое ESR-метр?

Когда речь идет об измерении конденсаторов, емкостные измерители (цифровые или аналоговые) могут ввести вас в заблуждение. С этим инструментом вы можете подумать, что неисправный конденсатор хорош. Плюс, если вы не тестируете ESR на конденсаторе, вы пропустите плохой конденсатор и не сможете сделать никакие ремонты. Так что вам понадобится ESR-метр.

ESR-метр — это двухконтактный измерительный инструмент с основной целью измерения ESR конденсаторов. Обычно плохие конденсаторы имеют высокие показания ESR, которые нельзя измерить обычным цифровым емкостным измерителем или мультиметром.

Это не всё.

Вы можете использовать ESR-метр без удаления конденсаторов из вашей схемы.

Вот лучшая часть.

Вы можете использовать ESR для других экспериментов, таких как проверка низкоомных резисторов, например 0,33 Ом и 0,22 Ом, поиск коротких замыканий на печатных платах, динамиках усилителей и проверка состояния как обычных, так и перезаряжаемых батарей.

Как работает ESR-метр?

Различные факторы способствуют потерям мощности в конденсаторах. Вы можете свести эти факторы к ESR. Чтобы полностью понять, как работает ESR-метр, давайте посмотрим на компоненты:

Осциллятор 

Осциллятор отвечает за подачу переменного сигнала, необходимого для проталкивания тока через конденсатор, который вы тестируете. Хороший пример схемы осциллятора работает примерно на 100 кГц.

Также 100 кГц — это промышленный стандарт для измерений ESR. Один участок этой схемы действует как фазосдвигающий осциллятор. Он легко реализуем и показывает отличное приближение синусоиды.

Другой участок работает как усилитель и буфер. Из-за фазосдвигающего осциллятора имеющего высокий выходной импеданс, этот участок предотвращает перегрузку схемы осциллятора. Также вы можете регулировать уровень 100 кГц сигнала с потенциометром управления усилением.

Детектор ESR

Детектор ESR — это где происходит большинство действий. Первый участок — преобразователь напряжения в ток, который конвертирует 100 кГц сигнал от осциллятора в пик-пик ток около 7 мА.

Так, вы можете подключить CUT (конденсатор под тестом) внутри контура обратной связи этой стадии. Также вы можете сделать это с двумя передними панельными соединительными столбами, так что CUT получает тот же ток.

Секция преобразования питания

В этом разделе, подход с однополярным питанием требует от вас обеспечить виртуальную опорную точку заземления по всему ESR-метру. Так, в этой стадии, обычный трехконтактный стабилизатор напряжения (на входе) подает шину +5В. 

С другой стороны, шина -5В получает питание от изысканного компонента, который выдает постоянное напряжение, равное по величине (но с обратной полярностью) к входу.

Как это работает

Схема ESR

Сначала TR1 на вышеуказанной диаграмме и закрепленный NPN транзистор создают простую обратную связь, запускающую блокирующий осциллятор. Блокирующий осциллятор начинает осциллировать на высокой частоте.

Кроме того, осцилляции создают постоянную величину напряжения на 5 витках вторичного трансформатора. Также осциллятор приложен индуцированное высокое частоте через CTU.

Также вы можете увидеть операционный усилитель, соединенный с низковольтным высокочастотным питанием. Плюс, он работает там как усилитель напряжения.

Если ESR отсутствует или у вас рабочий конденсатор, то измеритель покажет полное отклонение. Таким образом, показывая крошечный ESR через конденсатор, который в свою очередь идет до нуля для различных конденсаторов — с разными уровнями ESR.

Теперь, более низкий ESR может вызвать умеренно более высокий ток для накопления на инвертирующем чувствительном входе оп-амп. Также он соответственно отображается на измерителе вместе с высокой степенью отклонения и наоборот.

Кроме того, более высокий BC547 транзистор работает как обычный коллектор напряжения и стадия регулятора. По этой причине транзистор может управлять стадией осциллятора с минимальными 1,5 вольт. Также другие электронные устройства вокруг CUT останутся без стресса от тестовой частоты ESR-метра.

Также легко калибровать измеритель. Плюс, если вы держите тестовые выводы короткими, 100к предварительная установка близко к мкА измеритель регулируется до достижения полного отклонения на шкале измерителя.

После этого вы можете проверить различные конденсаторы с высокими значениями ESR на измерителе и примерно меньшими степенями отклонения.

Наконец, трансформатор стоит на верхушке ферритового кольца. Также он использует тонкий магнит с различными витками на диаграмме.

Как построить свой ESR-метр

Схема ESR

В этом разделе вышеуказанная схема — то, что мы научимся делать. Схема получает питание от одной 9В батареи. Вы можете использовать дешевый LDO в качестве замены, чтобы получить максимальную жизнь батареи, пока напряжение падает со временем. 

Плюс, LM2936 не так дорог и будет выполнять операции даже когда он падает до 5,5В. Также мы добавили светодиодный индикатор вкл/выкл после переключателя — хотя мы не показали это в вышеуказанной диаграмме.

Компоненты схемы

• C1- 100мкФ
• C2 – 470пФ
• C3 – 10мкФ
• C4 – 0.1мкФ
• C5 – 100нФ
• C8 – 100нФ
• R1 – 1К
• R2 – 10К
• R3 – 150
• R4 – 12
• R5 – 12
• R6 – 27К
• R7 – 100К
• R8 – 2.2К
• R9 – 100
• R10 – 10К потенциометр
• ICI – 555
• TR1 – 3904
• T1 – 2.1 трансформатор
• D1 – IN4007
• D2- IN4007
• D3 – IN4148
• D4 – IN4148

Работа схемы

Давайте посмотрим на некоторые иллюстрации, чтобы лучше понять, как работает эта схема. Так, мы проиллюстрируем с формами волн в точках 1, 2 и 3 с укороченным выводом ESR (0) и с высоким ESR (5,6) Ом. Здесь формы волн соответствуют связанным каналам и снимку осциллографа. 

Также сигнал на выходе делителя конденсатора/резистора около 232 мВ пик-пик. Плюс, транзистор умножает выходное значение на коэффициент более 10. Кроме того, канал 3 держит отфильтрованный и выпрямленный сигнал (около 1,35 В).

Формы волн с ESR (0)

Так, вот как выглядит измеритель в полном истощении после регулировки 10к потенциометра.

Полное истощение ESR (0)

С другой стороны, когда конденсатор имеет высокий ESR (5,6 Ом), вы можете вставить его через тестовые выводы. Так, выходное напряжение точки 2 снижается, и также результирующий DC уровень на точке 3.

Формы волн с ESR (5,6 Ом)

Вот как выглядит измеритель с истощением ESR = 5,6 Ом.

Измеритель для истощения ESR (5,6 Ом)

Сборка схемы

Эта схема так проста, что вы можете использовать перф-плату для сборки. Хотя не легко найти адекватный сигнальный трансформатор для T1/E1 передающих линков, у вас может быть один в вашем ящике для деталей. 

Отличная альтернатива и решение этой проблемы — трансформаторы из импульсных блоков питания (PC ATX блоки питания). Другая альтернатива — больший коэффициент витков. Но есть подвох. Вам придется отрегулировать 150 Ом последовательный резистор на более высокое значение. 

Вот как выглядит полностью собранная схема:

Сборка схемы 

После того как вы собрали схему, вы можете сделать финальную сборку внутри металлического коробка. Также вы можете использовать аудио джек и экранированный аудио кабель для подключения ваших тестовых зондов. Плюс, вы должны соединить заземление (экран) с металлическим корпусом.

Финальная сборка схемы

Ограничения почти любого ESR-метра

Вот некоторые ограничения любого ESR-метра:

1. Если у вас есть конденсатор с внутренним коротким замыканием, показания ESR-метра введут вас в заблуждение, заставив думать, что у него низкое значение ESR.

2. Измеритель не лучший вариант для тестирования конденсаторов менее 30 микрофарад. Если конденсатор под тестом слишком низок, измеряемая реактивность частоты становится высоко значимой. Так, это приводит в чрезмерный ESR.

3. Могут быть ошибки от длинных тестовых выводов CUT. Как? Потому что ESR — это низкодиапазонный омметр.

Подведение итогов

Построение ESR — это легкий и веселый проект. Лучшая часть в том, что вы можете достичь этого с обычными деталями, найденными в электронной лаборатории. ESR-метр — это главное для любого техника по ремонту электроники, хоббистов, дизайнеров и инженеров.

ESR — важный атрибут конденсаторов больше 1 микрофарада. Плюс, вам понадобится ESR-тестер, если вы хотите делать измерения, невозможные со стандартным цифровым емкостным измерителем.

Ну, это подводит итог всему, что вам нужно знать об ESR-метрах и как их строить. Если у вас есть вопросы или предложения, не стесняйтесь обращаться к нам. Мы будем рады помочь.