Измеритель емкости и еср конденсаторов на микроконтроллере attiny2313

Советы и рекомендации

Приступая к проверке элементов необходимо четко понимать, что даже самые современные мультиметры не способны измерять очень большую емкость таких устройств, в большинстве своем максимальным пределом является измерение как полярных, так и неполярных элементов емкостью до 200 мкФ (200uF).

Не лишне радиолюбителям помнить и о технике безопасности при проверке подобных утройств высоковольтных схемах.

Ремонт бытовой радиоаппаратуры в которой применяются высоковольтные схемы, должен начинаться после выключения прибора и разрядки электронного компонента разрядной цепью из резистора номиналом 2 кОм…1 Мом, которая соединяется с общим проводом схемы или корпусом:

в низковольтных цепях с емкостями до 1000 мкФ и напряжением до 400 В достаточно 2 кОм (25 Вт);
для цепей с емкостями до 2 мкФ и со средними рабочими напряжениями до 5000 В — 100 кОм (25 Вт);
для высоковольтных цепей с емкостями до 2 нФ и рабочими напряжениями до 50 кВ — 1 МОм (10 Вт).

Ну и для любителей экстрима вполне может подойти древнейший способ проверки устройств большой емкости. После полной зарядки, а свойство заряжаться и копить заряд электричества в данном случае будет иметь основное значение, выводы элемента замыкаются на металлическом предмете, при этом желательно не только изолировать сам предмет, но и руки резиновыми перчатками.

Результат должен проявиться в неповторимой искре и одновременном звуковом сопровождении процесс разряда.

Что такое конденсатор

Среди электронных компонентов, наиболее часто встречающихся в рекомендациях по ремонту оборудования наверно более 50% всех случаев поломки случаются из-за неисправности конденсаторов. Как электрический прибор конденсатор участвует во множестве электрических схем. Основа работы такого элемента основана на постепенном накоплении электричества разного потенциала между обкладками и его последующего резкого разряда.

Сегодня наиболее распространенными в схемотехнике являются два вида конденсаторов:

электролитические или полярные, называются так, потому что при включении в схему аппаратуры требуют установки согласно полярности: «плюс» к плюсу схемы, а вот «минус» к отрицательному;
неполярные все остальные типы конденсаторов.

Конструкция подобного рода электронных компонентов для элементарного представления довольно проста и состоит из двух проводящих электрический ток изолированных диэлектриком обкладок. В качестве диэлектрика используются различные вещества и материалы, не проводящие электрический ток – воздух, керамические пластины, специальная бумага, слюда.

На практике эти электронные компоненты являются небольшими по размерам приборами, но при этом имеют очень большую и довольно чувствительную емкость, поэтому при работе с ними необходимо максимально соблюдать осторожность и внимательность

Теория

Итак, обо всем по порядку.

Для начала позвольте немного теории, чтобы полнее представлять суть проблемы. ESR — это аббревиатура от английских слов Equivalent Serial Resistance, в переводе означает «эквивалентное последовательное сопротивление».

В упрощенном виде электролитический (оксидный) конденсатор представляет собой две алюминиевые ленточные обкладки, разделенные прокладкой из пористого материала, пропитанного специальным составом — электролитом.

Диэлектриком в таких конденсаторах является очень тонкая оксидная пленка, образующаяся на поверхности алюминиевой фольги при подаче на обкладки напряжения определенной полярности.

К этим ленточным обкладкам присоединяются проволочные выводы. Ленты сворачиваются в рулон, и все это помещается в герметичный корпус. Благодаря очень малой толщине диэлектрика и большой площади обкладок оксидные конденсаторы при малых габаритах имеют большую емкость.

В процессе работы внутри конденсатора протекают электрохимические процессы, разрушающие место соединения вывода с обкладками.

Контакт нарушается, и в результате появляется так называемое переходное сопротивление, достигающее значения десятков ом и более, что эквивалентно включению последовательно с конденсатором резистора, причем последний находится в самом конденсаторе.

Зарядные и разрядные токи вызывают нагрев этого «резистора», что еще больше усугубляет разрушительный процесс. Другая причина выхода из строя электролитического конденсатора — это известное радиолюбителям «высыхание», когда из-за плохой герметизации происходит испарение электролита.

В этом случае возрастает реактивное емкостное (Хс) сопротивление конденсатора, так как емкость последнего уменьшается.

Наличие последовательного сопротивления негативно сказывается на работе устройства, нарушая логику работы конденсатора в схеме. (Если включить, например, последовательно с конденсатором фильтра выпрямителя резистор сопротивлением 10…20 Ом, на выходе последнего резко возрастут пульсации выпрямленного напряжения.).

Особенно сильно сказывается повышенное значение ESR конденсаторов (причем всего до 3…5 Ом) на работе импульсных блоков питания, выводя из строя более дорогостоящие транзисторы или микросхемы.

Принцип работы описываемых измерителей ESR основан на измерении емкостного сопротивления конденсатора, т.е., по сути, это омметр, работающий на переменном токе. Из курса радиотехники известна формула:

где Хс — емкостное сопротивление, Ом; f -частота, Гц; С — емкость, Ф. Например, конденсатор емкостью 10 мкФ на частоте 100 кГц будет иметь емкостное сопротивление 0,16 Ом, 100 мкФ — 0,016 Ом и т.д. В реальном конденсаторе это значение будет несколько выше из-за наличия паразитной индуктивности (сопротивления потерь), однако для наших целей особая точность измерений не нужна.

Выбор частоты измерения 100 кГц обусловлен тем, что многие фирмы, производящие конденсаторы с низким ESR, максимальный импеданс конденсатора (т.е. ESR) задают именно на этой частоте.

Следует отметить, что формула (1) справедлива для переменного тока синусоидальной формы, описываемые же измерители работают с генераторами прямоугольных импульсов. Но, как было замечено выше, нам нужно не точность измерений, а возможность различать конденсаторы с ESR, например, 0,5 и 5 Ом.

Работа с прибором

Автор не разделяет мнения, что электролитические конденсаторы с ESR более 1 Ом всегда нужно выбрасывать. Значение ESR новых исправных конденсаторов зависит от фирмы-производителя, типа, свойств применяемых при изготовлении материалов и др.

Как-то на радиорынке автор купил миниатюрные электролитические конденсаторы емкостью 10 мкфхі 6 В. ESR у них у всех оказалось на уровне 2,5…3 Ом, — это не брак. Повышенным (до 3…6 Ом) ESR обладает большинство конденсаторов емкостью 1 …4,7 мкФх50…400 В, а также низковольтные малогабаритные конденсаторы. Проверенный же конденсатор, например, емкостью 1000 мкф 16В, имеющий ESR 5 Ом, явно плохой и подлежит замене.

Как было отмечено выше, в особо ответственных узлах радиоаппаратуры, например в импульсных блоках питания, схемах развертки телевизоров, должны использоваться качественные конденсаторы с ESR не более 0,5… 1 Ом.

Для междукаскадных конденсаторов НЧ цепей эти требования могут быть не такими жесткими. Именно в УНЧ, собранном пару лет назад, благополучно работают упомянутые выше миниатюрные электролитические конденсаторы.

Для проверки возможности прибора обнаруживать короткозамкнутые витки проведите такой эксперимент: подключите прибор к исправному дросселю, например, ДМ-0,1 с индуктивностью 20…100 мкГн на измерительной частоте 100 кГц.

Стрелка прибора слегка отклониться в сторону уменьшения измеряемого сопротивления. Затем намотайте поверх дросселя 2-3 витка монтажного провода со снятой изоляцией и скрутите вместе его концы.

Снова подключите прибор. На этот раз стрелка должна отклониться на значительно больший угол, показывая сопротивление несколько ом. Следует подчеркнуть, что функция проверки катушек индуктивности является дополнительной для данного прибора, и полученные результаты могут быть весьма приблизительными.

Почему вредно большое значение ESR

На нулевой частоте (постоянный ток) и низких частотах, как вы помните из статьи конденсатор в цепи постоянного и переменного тока, конденсатор сам оказывает большое сопротивление электрическому току. В этом случае какие-то паразитные доли Ома сопротивления ESR не будут влиять на параметры электрической цепи. Все самое интересное начинается тогда, когда конденсатор работает в высокочастотных цепях (ВЧ).

Мы с вами знаем, что конденсатор пропускает через себя переменный ток. И чем больше частота, тем меньше сопротивление самого конденсатора. Вот вам формула, если позабыли:

где, ХС – это сопротивление конденсатора, Ом

П – постоянная и равняется приблизительно 3,14

F – частота, измеряется в Герцах

С – емкость, измеряется в Фарадах

Но, одно то мы не учли… Сопротивление выводов и пластин с частотой не меняется! Так… и если пораскинуть мозгами, то получается, что на бесконечной частоте сопротивление конденсатора будет равняться его ESRу? Получается, наш конденсатор превращается в резистор? А как ведет себя резистор в цепи переменного тока? Да точно также как и в цепи постоянного тока: греется! Следовательно на этом резисторе будет рассеиваться мощность P в окружающую среду. А как вы помните, мощность через сопротивление и силу тока выражается формулой:

P=I2xR

где

I – это сила тока, в Амперах

R – сопротивление резистора ESR, в Омах

Значит, если ESR будет больше, то и мощность рассеивания тоже будет больше! То есть этот резистор будет хорошенько нагреваться.

Догоняете о чем я вам толкую?

Из всего выше сказанного можно сделать простенький вывод: конденсатор с большим ESR в высокочастотных цепях с большими токами будет нагреваться. Ну да ладно, пусть себе греется… Резисторы и микросхемы тоже ведь греются и ничего! Но весь косяк заключается в том, что с увеличением температуры конденсатора меняется и его емкость! Есть даже такой интересный параметр конденсатора, как ТКЕ или Температурный Коэффициент Емкости. Этот коэффициент показывает, насколько поменяется емкость при изменении температуры. А раз уже “плавает” емкость, то вслед за ней “плывет” и схема.

Проверка исправности конденсаторов

Современные мультиметры способны измерять и проверять работоспособность любых радиодеталей. Но не всегда этот прибор есть под рукой. Проверить конденсатор можно с помощью тестера.

Мультиметр

Если мультиметр имеет специальную функцию измерения емкости, значит с его помощью можно проверить любой тип устройства. Керамические, электролитические, пусковые радиодетали имеют одинаковый принцип работы, а значит и проверка исправности может проводиться одинаково.

Для проверки необходимо:

Выпаять испытуемую деталь с платы и разрядить ее, замкнув контакты.
Установить мультиметр в режим определения емкости «cX».
Переключить прибор на определение максимального диапазона емкости.
Щупы присоединить к ножкам или выводам конденсатора.
Мультиметр покажет значение емкости. Если перед значением высвечивается один или несколько «0», то прибор переключается на более низкий параметр.

Полярные конденсаторы (если правильно соблюдена полярность) показывают постепенно повышающиеся значения от «0» до «1». Если дисплей показывает «1» без изменений, значит конденсатор нерабочий. Если показания равны «0», значит элемент замкнут внутри.

Неполярные конденсаторы проверяют, выставив мультиметр на значение 2 Мом. Если показания выше этого значения, значит устройство исправно. Значения менее 2 МОм говорят о неисправности.

Тестер

Провести проверку конденсатора при помощи тестера можно только для определения общей исправности. Определить потерю емкости или разброс напряжения невозможно.

Инструкция:

Для проверки необходимо установить тестер в режим сопротивления.
Выпаять и разрядить проверяемый элемент.
Если радиодеталь является полярной, нужно подключить клеммы тестера к выводам согласно полярности.
Полярные конденсаторы (имея большую емкость) несколько секунд будут заряжаться, неполярные покажут свое значение сразу.

Полярные конденсаторы должны показать медленно нарастающее значение более 100 кОм. Если это значение ниже, конденсатор является неисправным.

Неполярные покажут значение в 1 Ом. Если значение равное «1» достигнуто мгновенно, значит конденсатор неисправен. Значение в «0» говорит о внутреннем замыкании.

Обозначения на конденсаторах

Проще всего определить значение ёмкости по маркировке, нанесённой на корпус конденсатора.

Электролитический (оксидный) полярный конденсатор, ёмкостью 22000 мкФ, рассчитанный на номинальное напряжение 50 В постоянного тока. Встречается обозначение WV — рабочее напряжение. В маркировке неполярного конденсатора обязательно указывается возможность работы в цепях переменного тока высокого напряжения (220 VAC).

Плёночный конденсатор ёмкостью 330000 пФ (0.33 мкФ). Значение в этом случае, определяется последней цифрой трёхзначного числа, обозначающей количество нолей. Далее буквой указана допустимая погрешность, здесь — 5 %. Третьей цифрой может быть 8 или 9. Тогда первые две умножаются на 0.01 или 0.1 соответственно.

Ёмкости до 100 пФ маркируются, за редкими исключениями, соответствующим числом. Этого достаточно для получения данных об изделии, так маркируется подавляющее число конденсаторов. Производитель может придумать свои, уникальные обозначения, расшифровать которые не всегда удаётся. Особенно это относится к цветовому коду отечественной продукции. По стёртой маркировке узнать ёмкость невозможно, в такой ситуации не обойтись без измерений.

Как проверить конденсатор цифровым тестером на пробой

Начнем с самого простого. Пробитый конденсатор образуется, если на него подали слишком большое напряжение. Для начала проводим визуальный осмотр. Все «пробитые» конденсаторы имеют на корпусе следы воздействия излишней силы тока — пластмассовые корпус — оплавлен:

На металлическом корпусе — так же дыры или ожоги:

На пленочном конденсаторе так же можно безошибочно определить пробой. А вот SMD- кондесатор проще рассматривать под лупой, а иногда и под микроскопом:

В случае, когда не удается визуально определить пробит конденсатор или нет — на помощь приходит обычный мультиметр. Здесь нужно перевести его в режим измерения сопротивления. Природа конденсатора такова, что если он исправен — его сопротивление будет бесконечным, прибор покажет единицу. Поэтому переводим его в самый максимальный режим (или в режим проверки диодов) и промеряем. По мере того как конденсатор будет заряжаться сопротивление будет расти, пока не дойдет до единицы:

Если конденсатор пробит, то он будет вести себя как обычный электрический провод. Сопротивление его не будет бесконечным, а если переключить мультиметр в режим прозвонки , то иногда такой конденсатор может даже и «зазвенеть».

Еще одной неисправностью конденсатора, которая фиксируется визуально является вздутие корпуса. Эта особенность присуща так называемым электролитическим конденсаторам. Они имеют полярные контакты для подключения и внутри есть электролит. Со временем (а так же при частых перегреавах) электролит начинает испаряться. Корпуса электролитических конденсаторов делают герметичными. Пары электролита сначала раздувают корпус, а потом уходят постепенно через образовавшиеся щели. Конденсатор теряет емкость, «высыхает» и перестает обеспечивать заданные характеристики.

Как проверить конденсатор (пусковой/высоковольтный/пленочный и т.д.) мультиметром

Самым простым и надежным способом проверки неисправного конденсатора является проверка его омметром, или специально собранной проверочной схемы. Омметр покажет сопротивление электронного устройства, по которому можно судить о целостности диэлектрика, и делать выводы об исправности элемента.

Сам процесс можно описать алгоритмом:

измерительный прибор переводится в режим омметра;
омметр выставляется в верхний режим измерения сопротивления – бесконечность значения;
проводится измерение сопротивления устройства на выводах – в случае если прибор показывает низкое значение сопротивления (любое отличное от значения «бесконечность») то тестируемый элемент непригоден к дальнейшей работе, внутри имеется пробой диэлектрика или утечка электролита.

Небольшое отклонение стрелки на циферблате тестера при проверке подобного типа электронных устройств с последующим возвращением в исходное нулевое положение свидетельствует о том, что конденсатор исправен и начал набирать небольшую емкость.

Отклонение стрелки мультиметра на определенную величину с последующим возвращением и фиксацией на каком-либо значении сопротивления говорит о неисправности элемента.

Принцип действия прибора для проверки конденсаторов

Перед тем, как производить измерение, нужно выполнить разрядку конденсатора. Для этого его выводы соединяют друг с другом.

Щупы мультиметра обеспечивают разность потенциалов, которая может быть использована для зарядки конденсатора. По времени зарядки можно приблизительно оценить емкость. Измеряя сопротивление, можно определить наличие повреждений или пробой конденсатора.

Вам это будет интересно Правила проверки стабилитрона

При измерении параметра ESR используются сложные алгоритмы. В таком тестере используются специальные микросхемы для управления процессом проверки.

Виды конденсаторов

Доработанная схема измерителя

Схема, показанная на рис. 1, вполне работоспособна, однако имеет один существенный недостаток. Нетрудно заметить, что если к схеме подключить неисправный конденсатор, имеющий пробой диэлектрика, стрелка прибора так же, как и в случае проверки исправного конденсатора, приблизится к нулевой отметке. Для устранения указанного недостатка в схему введен переключатель S1 (рис.2).

Рис. 2. Модернизированная схема измерителя ESR для оксидных конденсаторов.

В верхнем положении контактов переключателя (как показано на схеме) прибор работает как измеритель ESR, и стрелка измерительной головки отклоняется под воздействием выпрямленного напряжения

генератора. В нижнем же положении контактов переключателя S1 стрелка измерителя отклоняется под воздействием постоянного напряжения источника питания, а измеряемый конденсатор подключают параллельно головке.

Процедура измерения выглядит так: подключают щупы к измеряемому конденсатору и наблюдают за стрелкой. Допустим, стрелка приблизилась к нулю, по части ESR конденсатор исправен. Переключают S1 в нижнее положение.

При исправном конденсаторе стрелка измерительного прибора должна вернуться в положение «бесконечность», так как конденсаторы не проводят (вернее, не должны проводить) постоянный ток. Пробитый же конденсатор зашунтирует головку, и стрелка измерителя останется в нулевом положении. Отклонения стрелки на конечную отметку шкалы на постоянном токе (в нижнем положении S1) добиваются подбором резистора R3.

Для защиты измерительной головки от механических повреждений импульсом разрядного тока (при случайном подключении измерительных щупов к заряженному конденсатору) служат кремниевые диоды VD2, VD3. Заряженный конденсатор будет разряжаться через обмотку I трансформатора Т1.

Будьте внимательны, не подключайте щупы к заряженному конденсатору! Автор как-то подключил прибор к конденсатору на 220 мкФх400 В в схеме компьютерного монитора, только что отключенного от сети. Прибор выдержал, но щупы приварились к выводам конденсатора. Пришлось менять «цыганские» иголки, которые служили щупами.

Естественно, подключать щупы к измеряемому конденсатору нужно в верхнем положении переключателя S1, чтобы он разрядился через обмотку трансформатора, в противном случае можно сжечь головку и диоды! Чтобы не задумываться, в каком положении находится переключатель, в качестве S1 лучше применить кнопку (или переключатель типа П2К) без фиксации. Подключают щупы, измеряют ESR, конденсатор разрядился, затем нажимают кнопку и проверяют конденсатор на пробой.

Наличие переключателя S1 дает возможность «прозванивать» проводники печатной платы, позволяя выявлять обрывы, микротрещины или случайные замыкания между дорожками.

На переменном токе этого сделать нельзя, так как, например, из-за наличия в схеме блокировочного конденсатора прибор покажет замыкание между общим проводом и проводником питания.

Существуют и другие области применения прибора. С его помощью, благодаря наличию генератора импульсов, можно проверять исправность трактов РЧ и ПЧ радиоприемников и телевизоров, а также видеоусилители, формирователи импульсов и т.д.

Спектр гармоник сигнала прямоугольной формы генератора, работающего на частоте 100 кГц, простирается вплоть до сотен мегагерц. Телевизор реагирует на подключение щупов прибора даже к антенному входу ДМВ диапазона! В диапазоне МВ на экране телевизора отчетливо просматриваются горизонтальные полосы.

Предлагаемый метод

Предположим, что модель, показанная на рисунке 1, представляет собой тестируемый конденсатор (CUT, Capacitor Under Test):

Рисунок 1 – Модель тестируемого конденсатора

Эта модель игнорирует индуктивность выводов. Предположим, что, как показано на рисунке 2, тестируемый конденсатор подключен к генератору синусоидального сигнала с частотой F_г, внутреннее сопротивление генератора равно r_г:

Рисунок 2 – Тестируемый конденсатор подключен к генератору синусоидального сигнала

Передаточная функция этой схемы:

Уравнение 1 показывает высокочастотный характер этой цепи. Поэтому мы можем аппроксимировать передаточную функцию как:

Уравнение 2 является основой для нашего измерения ESR конденсатора. Когда входная частота достаточно высока, мы можем упростить отношение входного и выходного напряжений до алгебраического уравнения 2. Для высоких частот схема действует как аттенюатор с коэффициентом ослабления:

Измерение коэффициента затухания цепи и внутреннего сопротивления генератора приводит к r_к, то есть эквивалентному последовательному сопротивлению (ESR) конденсатора:

Вместо использования синусоидального возбуждения мы можем использовать прямоугольный сигнал. Это позволяет нам использовать ряд Фурье для записи уравнения с уровнями + Vm и -Vm и периодом T:

где:

Прямоугольный сигнал состоит из нечетных гармоник. Когда основная гармоника достаточно высока, конденсатор действует как короткое замыкание, а выходное напряжение примерно является ослабленной версией входного напряжения в устойчивом состоянии. Затухание цепи в установившемся режиме напрямую связано с эквивалентным последовательным сопротивлением конденсатора, r_к, которое может быть получено путем измерения коэффициента затухания цепи и использования уравнения 3.

Что такое конденсатор

Сегодня наиболее распространенными в схемотехнике являются два вида конденсаторов:

электролитические или полярные, называются так, потому что при включении в схему аппаратуры требуют установки согласно полярности: «плюс» к плюсу схемы, а вот «минус» к отрицательному;
неполярные все остальные типы конденсаторов.

Как узнать ёмкость конденсатора

В большинстве случаев емкость прибора указывается в маркировке на корпусе элемента. Однако зачастую существует необходимость определения емкости электронных компонентов с недостаточно четко промаркированными данными.

В таком случае необходимо использование специализированного мультиметра, имеющего в своем арсенале функцию измерения емкости.

В большинстве мультиметров имеется 5 пределов измерения:

20 нФ (20nF)
200 нФ (200nF)
2 мкФ (2uF)
20 мкФ (20uF)
200 мкФ (200uF)

Такой диапазон измерения емкости элементов позволяет проводить тестирование, как неполярных конденсаторов, так и полярных, то есть электролитических. Сам процесс проведения тестирования выглядит так:

Контрольные щупы прибора переключаются к специальным гнездам измерения емкости (гнезда Сх).
Внимание! При работе обязательно соблюдать указанную полярность контрольных щупов!

Тестируемый образец полностью разряжается.
Контрольные щупы соединяются с местами выводов на тестируемом образце.

Полученное значение и показывает емкость электронного компонента схемы.

В отдельных мультиметрах, вместо специальных гнезд на рабочую панель выведены металлические пластины. Проверка элемента проводится путем присоединения выводов к платинам с соблюдением полярности.

↑ Итого

Данный прибор работает у меня около месяца, его показания при измерениях конденсаторов с ESR в единицы Ом совпадают с прибором по схеме Ludens. Он уже прошёл проверку в боевых условиях, когда у меня перестал включаться компьютер из-за емкостей в блоке питания, при этом не было явных следов «перегорания», а конденсаторы были не вздувшимися.

Точность показаний в диапазоне 0,01…0,1 Ом позволила отбраковать сомнительные и не выбрасывать старые выпаянные, но имеющие нормальную ёмкость и ESR конденсаторы. Прибор прост в изготовлении, детали доступны и дёшевы, толщина дорожек позволяет их рисовать даже спичкой. На мой взгляд, схема очень удачна и заслуживает повторения.