Электролитический конденсатор - радиоэлемент, который более остальных подвержен старению и как следствие, часто выходит из строя. В условиях мастерской по ремонту промышленного оборудования, а также практики ремонта бытовой электронной техники в домашних условиях, прибор для диагностики неисправности электролитических конденсаторов мог бы сильно ускорить процес ремонта. Применение приборов промышленного производства не всегда возможно из-за цены или массо-габаритных характеристик, тем более если работа связана с выездом к месту ремонта. Имеющиеся в продаже емкостемеры китайского производства достаточно хорошо справляются с измерением емкости исправных конденсаторов, но не позволяют определить неисправный элемент если эта неиспривность связана с увеличением внутреннего сопротивления или утечки конденсатора.
     На страницах разных изданий не раз описывались приборы, которые измеряли емкость тем или иным способом, но все они по разным причинам не всегда справлялись со своей задачей. В последнее время, с появлением электролитических конденсаторов предназначеных для работы на высоких частотах, стал популярен способ оценки качества конденсаторов путем измерения ЭПС (эквивалентного последовательного сопротивления или ESR в англоязычной литературе). В конференциях на тему ESR конденсаторов и на страницах разных изданий не раз описывались приборы, которые измеряют ЭПС конденсаторов следующим способом. С генератора достаточно высокой частоты, обычно 50 - 100 кГц синусоидальный (а и иногда и прямоугольный) сигнал подают на делитель напряжения, образованный тестируемым конденсатором и эталонным резистором. Измеренное переменное напряжение на конденсаторе или эталонном резисторе (от этого меняется только направление отсчета показаний и соответственно ноль, в конце или начале шкалы), пропорционально ЭПС конденсатора. Амплитуда выходного напряжения генератора обычно выбирается 50 - 900 мВ, чтобы можно было проверять конденсаторы без выпайке из схемы. Выход генератора и вход измерительной части таких приборов обычно выполняют с использованием трансформаторов для надежной защиты от заряженных конденсаторов. Фактически таким способом измеряется не ЭПС, а полное сопротивление конденсатора (импеданс, или Z) на частоте генератора. (На другой частоте оно будет другим.)
     Для электролитических конденсаторов на низкой частоте в полном сопротивлении конденсатора доминирует величина реактивного сопротивления емкости Cид. (Cид. на рисунке - идеальная емкость), на высоких частотах доминирует величина реактивного сопротивления индуктивности Lэпи (эквивалентная последовательная индуктивность, далее ЭПИ), и только на частоте собственного резонанса конденсатора, сумарная величина реактивного сопротивления элементов Cид. и Lэпи равна нулю. И полное сопротивление конденсатора (Z) практически равно Rэпс. Для подавляющего большинства конденсаторов частота собственного резонанса лежит в полосе 20 - 200 кГц. Она зависит от емкости и рабочего напряжения.
     Сначала в основу прибора для тестирования конденсаторов была положена эта идея. Планировалось изготовить прибор который похож на выше описанные и по сути является обычным омметром на малые величины сопротивления, только измерение происходит не на постоянном токе, а на переменном, с изменяемой частотой от 20 до 200 кГц. Микроконтроллер плавно изменяет значение частоты от одного крайнего значения до другого, непрерывно измеряя сопротивление тестируемого конденсатора. Наименьшее измеренное значение сопротивления случится на частоте собственного резонанса конденсатора, оно и будет являться ЭПС, его и отобразит микроконтроллер на индикаторе.
     Но такому способу, как и вышеописанным присущи следующие недостатки :
     - Так как величина ЭПС современных электролитических конденсаторов большой емкости может быть менее 0.01 Ома измерение придется производить по 4-х проводной схеме, что не очень удобно. Это дополнительно усложняется еще и тем, что измерение будет происходить на достаточно высокой частоте.
     - Измерение одного значения ЭПС в отрыве от емкости обуславливает применение таблицы по которой определяется, на сколько нормально ЭПС для данного конденсатора. А в зависимости от типа конденсатора, его емкости и рабочего напряжения его ЭПС может находится в пределах 0.01 - 100 Ом.
     - Такой способ измерения (без дополнительного замера тестером) не позволит отличить высококачественный конденсатор от конденсатора с огромной утечкой, что, согласитесь, не редкость.
     - Измерение ЭПС таким способом без выпайки из схемы тоже накладывает определенные ограничения. Например в типовой схеме фильтра питания параллельно электролитическому конденсатору обычно ставят керамический конденсатор (а иногда и не один), в этом случае измеренное значение ЭПС совершенно не несет информации о исправности электролитического конденсатора.
     Все это побуд5ило к созданию описываемому в этой статье прибора, свободного от этих недостатков и способного удовлетворить следующим требованиям :
      - измерение емкости до 13000 мкф, без переключения диапазонов.
      - точность измерения емкости - не хуже 10%, что более чем достаточно для определения неисправности конденсатора.
      - проверка конденсатора (или схемы в которую он впаян) на утечку.
      - измерение и индикация одновременно с емкостью величины внутреннего сопротивления в условных единицах 0 - 512.
      - отсутствие необходимости выпаивать конденсатор из схемы (не всегда), так как иногда, при нагреве выводов конденсатора он полностью или частично восстанавливает свои параметры.
     Так же прибор должен быть прост в сборке, наладке и эксплуатации. Быть достаточно малогабаритным и дешевым. И в самом приборе не должны использоваться электролитические конденсаторы (шутка).

     Тестирование конденсатора описываемый прибор производит следующим образом: сначала заряжает его до определенного напряжения стабильным током с измерением времени заряда, которое прямо пропорционально емкости. Затем несколькими прибор замыкает конденсатор сильноточным ключом, управляемым короткими импульсами. Число этих импульсов вычисляется микроконтроллером и зависит от предварительно измеренной емкости. Так как сопротивление ключа в открытом состоянии очень мало, а разрядные импульсы достаточно короткие, то напряжение, до которого успел разрядиться конденсатор, будет соответствовать величине потерь в нем. Чем больше напряжения осталось, тем больше суммарная величина потерь, в которую входят и Rэпс, и Lэпи.
     Разряд конденсатора нескольки короткими импульсами, а не одним определенной длинны, (чтобы усилить влияние Lэпи на измеренную величину) сделано потому что, как показывает опыт, в конденсаторе со временем может увеличиваться не только Rэпс, а еще и Lэпи. А в сильноточных (от 20А), высокочастотных (от 100 кГц) импульсных преобразователях он имеет первостепенное значение.
     Напряжение, прикладываемое к проверяемому конденсатору не превышает 1.2В, поэтому в подавляющем большинстве случаев, конденсаторы можно тестировать и без выпайки их из схемы.
     Так как количество разрядных импульсов вычисляется из измеренной емкости, на измеряемую величину внутреннего сопротивления практически не влияют керамические конденсаторы которые могут быть подключены паралельно тестируемой емкости. Так, при подключении паралельно к проверяемому конденсатору К50-24, 1000 мкф, 63В другого конденсатора К73-17, 680 нф показания внутреннего сопротивления изменялись менее чем на 4 %.
     Сердцем прибора был выбран микроконтроллер PIC16F876A. Выбор именно этого микроконтроллера обусловлен тем, что он имеет в своем составе и 10-разрядный АЦП и компаратор. Можно было применить более дешевый микроконтроллер и внешний отдельный компаратор, но это усложнило бы схему и как следствие сборку устройства. К тому же этот контроллер уже был в наличии. В качестве индикатора для отображения велечин емкости и внутреннего сопротивления, применен индикатор, который был снят со старого телефона PANAPHONE. Используя небольшое количество дополнительных деталей, примененный микроконтроллер кроме, непосредственно, режима емкостемера позволил реализовать в приборе еще некоторое количество полезных функций:
     - частотомер до 30 МГц, входном уровне 0.3 - 3 В, младший разряд - 1 Гц.
     - модуль проверки сточной развертки при низком напряжении питания.
     - тестер строчных и импульсных трансформаторов.
     - генератор синусоидального напряжения 1 кГц, амплитудой 100 мВ. Кг менее 1%.
     - прибор так же может измерять напряжение собственной батареи питания.
     Прибор питается от батареи "Крона" и сохраняет работоспособность до 6 В. Потребляемый ток в зависимости от режима 3 - 20 мА.
     На микросхеме DA2 собран стабилизатор питания микроконтроллера. Сначала в качестве источника питания планировалось использовать три пальчиковые батарейки без стабилизатора и без выключателя питания, но это повлекло бы за собой применения источника опорного напряжения и пришлось бы применять на много более сложный схемотехнически источник стабильного тока, для заряда конденсатора, так как узлу на микросхеме DA2 LM317 для правильной работы необходим перепад между вхом и выходом 3 и более вольт. А при питании от 4.5В, при падении напряжения на ключе включающем источник тока 0.5В и на тестируемом конденсаторе 1.2В, остается всего 2.8В. Поэтому в качестве элемента питания применена 9В батарея.
     На VT1 и VT2 собран ключ включающий источник стабильного тока. DA3 выполняет функцию ключа разряжающего тестируемый конденсатор. D1 вместе с FU1 служит для защиты устройства от не разряженного конденсатора и прочих превышений режимов эксплуатации прибора. R5 нужен для смещения по постоянному току в режиме теста трансформаторов.
     На VT4 собран простейший усилитель для частотомера. На элементах R20,R21,C9-C11 собран фильтр который подавляет высокочастотные составляющие сигнала широтно импульсной модуляции, которым формируется синусоидальный сигнал частотой около 1 кГц. Его можно использовать, например, при ремонте УНЧ. На резисторах R22 и R23 собран делитель напряжения для измерения напряжения собственного источника питания. Элементы R16,C6 и D3-D5 выполняют роль стабилизатора питания индикатора 1.5В. R12-R15 приводят напряжения с микроконтроллера к логическим уровням необходимым индикатору.
     На VT3 собран ключ для работы прибора в режиме теста строчной развертки. D2 - ограничитель напряжения на 350В можно не устанавливать, но это уменьшит защитные свойства прибора по этому выходу. R10 - шунт для измерения тока потребляемого разверткой. R6 и R9 служат для защиты аналоговых входов микроконтроллера. В тактовом генераторе микроконтроллера применен кварцевый резонатор на 4000 кГц.
     Теперь о программе. При включении питания микроконтроллер инициализирует всю периферию настраивает прерывание от кнопки S2 и переходит на подпрограмму измерения емкости. При нажатии на S2 происходит подавление дребезга контактов и переход на следующую подпрограмму. Смена программ происходит в следующем порядке : емкостемер, тестер трансформаторов, частотомер, режим теста строчной развертки, генератор 1 кГц, и далее по кругу с начала. Для входа в режим измерения напряжения собственной батареи надо включить питание прибора при нажатой кнопке S2. Прибор включит источник стабильного тока и откроет ключ DA3, создавая тем самым нагрузку для батареи и будет непрерывно измерять напряжение и отображать на индикаторе. Если кнопку отпустить то прибор передет в режим измерения емкости.
     Проверяемый конденсатор подключается к гнездам Х7 - "-" и Х2 - "+". Подробное описание алгоритма программы в режиме измерения емкости :
     В начале цикла (t1) открывается ключ DA3 и выдерживается пауза около 300 мС для разряда конденсатора. Затем после размыкания ключа DA3, в момент t2 запускается таймер и включается источник стабильного тока около 10 мА. Разрядность таймера равна 17 битам, т.е максимальное число до которого может считать таймер 131071. Счет идет в сотнях нанофарад, следовательно максимальная измеренная емкость может быть 13107.1 мкф. Прибор находится в таком режиме до момента t3, когда напряжение на конденсаторе не достигнет порога.
     Напряжение этого порога - 1.2 В. Это-же напряжение является опорным и для АЦП, оно генерируется внутренним источником опорного напряжения контроллера с вывода RA2. В момент равенства напряжения на конденсаторе опорному напряжению останавливается таймер и отключается источник стабильного тока. Содержимое таймера является емкостью конденсатора. Далее измеряется и запоминается напряжение на конденсаторе, из емкости вычисляется задержка, после которой в момент t4 произвотся второе измерение. Чем больше разница между этими напряжениями, тем больше величина утечки (саморазряда) конденсатора. Если значение утечки изменит значение емкости более чем на 10%, то измерение внутреннего сопротивления не производятся. При токе утечки ниже максимально допустимой прибор продолжает цикл измерения. Снова включается источник стабильного тока для того, что-бы скомпенсировать разряд конденсатора при измерении тока утечки.
     При достижении напряжения 1.2В в момент t5 отключается источник стабильного тока и ключ DA3 короткими импульсами замыкает выводы конденсатора. Количество этих разрядных импульсов вычисляется из ранее измеренной емкости (на рисунке 5 показано три импульса "имп" жирными вертикальными линиями). Длительность одного импульса - около 1 мкс. Далее внутренним АЦП с 9-ти разрядной точностью измеряется напряжение оставшееся после разрядных импульсов. В момент t6 опять открывается ключ DA3 что-бы разрядить конденсатор для следующего цикла измерения.
     Обе величины и емкость, и значения с АЦП выводятся на индикатор, причем если измеренная емкость более 999.9 мкф то разряд сотен нанофарад не выводится так как не несет полезной информации.
Вид информации на индикаторе такой :
     123 - величина потерь; 10200 мкф - емкость;
     При емкости менее 1000 мкф такой :
     43 - величина потерь; 200.5 мкф - емкость; Сотни нанофарад отделены от микрофарад пробелом так как примененный индикатор не позволяет отображать точку.
     При большом токе утечки вместо величины потерь отображается прочерк :
     4700 мкф - емкость (ориентировочно);
     После этого цикл измерения повторяется. При измерении маленьких емкостей цикл измерения происходит очень быстро и чтобы показания на индикаторе не мелькали, в программе предусмотрена задержка около 350 мС, которая при величине емкости более 5000 мкф не производится. При большом токе утечки конденсатора напряжение на нем никогда не достигнет порогового уровня и цикл измерения остановится. Для отслеживания такой ситуации каждый цикл измерения между двумя величинами на индикаторе отображается мигающая черточка. Ток потребления в этом режиме 3 мА на холостом ходу и до 18 мА при заряде конденсатора.
     Режим теста импульсных трансформаторов в приборе реализовано на тех-же элементах, что и измерение емкости. Трансформатор подключается к гнездам Х1 и Х7. Цикл теста проходит так : на время, примерно 4 мкс включается источник тока и сразу после этого на, примерно, 5 мкс открывается ключ. После этого с выхода компаратора подсчитывается количество импульсов высокочастотного звона. Это затухающие колебания, которых тем больше, чем больше добротность трансформатора.
     Если в трансформаторе есть короткозамкнутые витки или изменились свойства феритового сердечника, то этих импульсов будет меньше 5. У хорошего трансформатора импульсов будет более 9. Идея этого теста была взята из Радио N10, 2003г, стр.7 - "Тестирование строчной развертки при малом напряжении питания".
     В этом режиме индикатор имеет вид :
     - стилизованное FBt - название строчного трансформатора в англоязычной литературе (`Flyback' transformer). Черточка мигает. И цифра - количество затухающих колебаний. Уровень напряжения импульса до которого срабатывает компаратор - 200 мВ. Ток потребления - около 7 мА.
     Способ теста строчной развертки основан на ее включении при напряжении питания гораздо ниже номинального. Применяется внешний ключевой транзистор, при этом штатный можно оставить в схеме, так как он (если конечно исправен) не оказывает влияния. В таком режиме измеряется потребляемый разверткой ток и контролируется форма напряжений осциллографом. На основании этих данных можно судить о исправности тех или иных узлов развертки. Подробное описание работы такого способа описано в Радио N10, 2003г, стр.7 - "Тестирование строчной развертки при малом напряжении питания", Д. Малород. и Радио N1, 2004г, стр.14 - "Прибор для тестирования строчной развертки", И. Коротков.
     Подключается прибор следующим образом :
     коллектор(сток) транзистора проверяемой развертки подключается к гнезду Х5, землю проверяемой развертки к Х6. Минус внешнего блока питания к гнезду Х7 прибора, а плюс к точке питания строчной развертки. Внешний блок питания должен обеспечивать выходное напряжение 15 В и ток 500 мА. Ключ VT3 открывается на 50 мкс и закрывается на 14 мкс, т.е. с частотой 15625 Гц. Этот сигнал генерируется модулем ШИМ микроконтроллера CCP1. На индикаторе отображается :
     - черточка мигает. Число - это ток в миллиамперах, потребления разверткой, при превышении которым значение 200 мА модуль ШИМ прекращает работу и прибор выводит на индикатор прочерки. Запустить ШИМ снова можно нажатием на кнопку S2. Ток потребления - 3 мА.
     Принцип измерения частоты основан на подсчете количество импульсов за определенный период времени. Таймер TMR1 контроллера отсчитывает интервалы времени равные 1 секунде. А таймер TMR0 c предделителем подсчитывает количество входных импульсов. Как только секундный интервал заканчивается запрещается счет TMR0, производится досчет импульсов из предделителя, так как в микроконтроллере непосредственно прочитать данные из предделителя нельзя. После этого, значение частоты выводится на индикатор и выполняется следующий цикл измерения. В этом режиме на индикаторе отображается частота в герцах. В старшем разряде с периодом счета мигает буква "F". Между мегагерцами, килогерцами и герцами, для наглядности, выводятся пробелы. Когда измеряемая частота превышает 999 999 кГц мигающая буква "F" не выводится. Ток потребления - 7 мА.
     В режиме генератора на гнезде Х3 присутствует синусоидальный сигнал около 1 кГц с амплитудой примерно 100 мВ. Коэффициент нелинейных искажений не превышает 1%. Принцип генерации синусоидального сигнала ШИМ описан в Application Note AN655,и основан на использовании ШИМ с выходным фильтром НЧ в качестве цифро-аналогового преобразователя. Через определенные промежутки времени в этот ЦАП выводятся значения напряжений для данного сдвига фазы. В описываемом приборе примерно каждые 30 мкс в ЦАП выводится значение для фазы на 11.25 градуса сдвинутое относительно предыдущего значения. Всего 32 значения, которые размещены в таблице. Вывод всех 32 значений формирует полный период (360 градусов) сигнала 32 * 30мкс = 0.96 мс, т.е. 1041 Гц. Во время этого режима на индикаторе отображается стилизованный движущейся прямоугольный сигнал. Сдвиг происодит с частотой около 2 Гц. Процедура вывода на индикатор написана таким образом, что-бы время, через которое пересылаются значения из таблицы в модуль ШИМ не изменялось. Ток потребления - 3 мА.
     Об использовании прибора. Максимальный эффект прибор даст после того, как наберется определенный опыт работы с ним. В режимах емкостемера и тестера трансформаторов прибор показывает не абсолютные значения, а относительные еденицы, которые могут очень сильно разниться в зависимости от типа проверяемого объекта, и здесь для окончательного вывода может потребоваться сравнение с похожим об`ектом, а это на первых порах может показать этот прибор не таким уж эффективным. Использование режима теста строчной развертки для получения хорошего результата, вообще предполагает очень хорошее понимание физических процессов происходящих в схеме развертки. Использование режимов частотомера и генератора особенностей не имеют. В режиме емкостемера при неподключенном входе на индикаторе вместо 0 может отображаться прочерк.
     Перед включением устройства нужно поставить R4 в среднее положение. На коллекторе VT4 подбором резистора R19 добиться напряжения 3 - 3.7 В. И по эталонному конденсатору около 100 мкф откалибровать прибор резистором R4. Для более точного измерения частоты можно подобрать или поставить подстроечный конденсатор 4-25 пФ вместо C3 и по эталонному сигналу выставить точные показания частоты.
     Конструктивно прибор выполнен в пластмассовом корпусе подходящих размеров. В виду простоты схемы печатная плата не изготавливалась, прибор сделан на макетной плате. Так как, разрядные импульсы очень короткие и ток разряда достаточно большой - длина проводников которыми конденсатор подключается к прибору должна быть как можно меньше. Гнездо Х2 расположено на приборе таким образом, чтобы в него жестко вставлялся заостренный щуп. К Х7 подключается отрезок мягкого многожильного провода сечением не менее 1 мм и длиной около 10 см с другим заостренным щупом. Такими щупами удобно протыкать лак на платах, при проверке конденсаторов без выпайки их из схемы.
     Микроконтроллер программируется одним из свободно распространяемых программаторов, например Ic-Prog или PonyProg. Первый более предпочтителен, так как не требует установки вручную значений конфигурационных бит (Fuses), которые отвечают за тип тактового генератора, за защиту кода от считывания и т.д. Он эти значения берет непосредственно из hex-файла прошивки. PonyProg`у необходимо указывать эти значения вручную. Вот значения конфигурационных бит для описываемого прибора :

     Осциллятор - HS.
     WRT - OFF.
     WDT - OFF.
     PWRT - ON.
     BODEN - ON.
     LVP - OFF.
     CPD - OFF.
     CP - OFF.
     DEBUGGER - OFF.

     Используемые детали. Вместо микроконтроллера PIC16F876A возможно использовать PIC16F873A без какого-либо изменения программы. Микроконтроллер может быть в любом температурном исполнении и в любом корпусе. Применение микроконтроллера PIC16F873 или PIC16F876 не возможно про причине отсутствия в них встроенных компараторов.
     Микросхема DA1 - LP2950-05 - микромощный (собственный ток потребления 75 мка) стабилизатор с малым перепадом напряжения (микросхема обеспечивает стабилизацию выходного напряжения 5В при 5.5В входном). DA2 - заменима на свой отечественный аналог КР142ЕН12А. В место DA3 можно применить любой ключевой MOSFET с максимальным током стока не менее 3А и сопротивлением канала в открытом состоянии не более 0.3 ома, например BUZ11. IRF7102 содержит пару транзисторов, которые в схеме включены параллельно. Эта микросхема была снята со старого неисправного винчестера, которые наверняка есть у многих радиолюбителей.
     Транзисторы VT1 - КТ3107 или КТ361 с любым буквенным индексом, VT2 - КТ3102 или КТ315 с любым буквенным индексом, VT4 - КТ368 с любым буквенным индексом или любой другой n-p-n, маломощный, кремневый транзистор с граничной частотой статического коефициента передачи тока не менее 300 МГц. VT3 - мощный ключевой MOSFET с максимальным напряжением исток-сток не менее 500 В, например IRFBC30 или P6NA60E. HG1 - 10 разрядный жидкокристаллический индикатор с последовательным интерфейсом на контроллере HT1613.
     D2 - 1.5KE350V. D1 - стабилитрон на 3.3 - 4.7 В. D3-D5 - 1N4148, КД521, КД522 с любым буквенным индексом. Конденсаторы любые малогабаритные. Резистор R10 составлен из двух резисторов 11 и 12 ом включенных параллельно, суммарной мощностью не менее 0.5 Вт, R22 из последовательно соединенных 6.8 и 1.6 килоом, остальные - любые. Резистор R4 желательно применить многооборотный, например СП5-3 или СП5-22. Номиналы резисторов и конденсаторов могут отличаться от указанных на схеме на 10%, кроме R10, R22 и R23, у них точность должна быть не хуже 1%. Недостатком прибора является достаточно большой ток потребления для используемого источника питания. Но это решается применением аккумулятора или более емкого источника с соответствующим увеличением размеров корпуса. Так же, при разных значениях измеренной емкости, порог величины внутреннего сопротивления по которому судят о годности конкретного конденсатора будет разным. Это связано с тем, что в программе прибора для вычисления задержки при измерении утечки и количества разрядных импульсов при определении внутреннего сопротивления применяются простейшие вычисления. Для более точных вычислений потребовалось бы использовать более мощный микроконтроллер и серьезно усложнить программу. При таких спорных случаях можно всегда сравнить показания прибора при измерении другого, заведомо хорошего конденсатора. По мере накапливания опыта работы с прибором таких спорных случаев будет все меньше и меньше.
Внешний вид изнутри :

Файлы в архиве:
Прошивка микроконтроллера прибора emk_v1.hex

pribismkondtrfres.rar [29,18 Kb] (cкачиваний: 601)