Miernik zastępczej rezystancji szeregowej ESR kondensatorów

Witam serdecznie i pozdrawiam wszystkich pasjonatów elektroniki!

Tym razem chciałbym kolegom zaprezentować konstrukcję, która po części jest mojego pomysłu, a po części opiera się na kicie.
Jest to miernik zastępczej rezystancji szeregowej kondensatorów elektrolitycznych ESR (z ang. Equivalent Series Resistance).

Jako iż swego czasu dostał mi się do naprawy odbiornik telewizyjny, kineskopowy Grundig ST170 IDTV 100Hz, zaistniała oczywiście konieczność wymiany tu i ówdzie kondensatorów elektrolitycznych.
Miernik pojemności na niewiele się zdał, pojemności wskazywane były w miarę prawidłowo, więc przy braku możliwości sprawdzenia parametru ESR musiałem większość kondensatorów wymienić na nowe. Zaznaczam, iż brak było jakichkolwiek zewnętrznych oznak uszkodzenia, jak np. spuchnięcie czy wylanie. Po naprawieniu telewizora postanowiłem, że taka sytuacja nie może się powtórzyć i postanowiłem zaopatrzyć się w miernik ESR. Jako iż mierniki fabryczne do najtańszych nie należą, postanowiłem zbudować własny na bazie kitu NE 261-k.

Układu samego miernika nie będę zbytnio opisywał, gdyż w pliku *.jpg zamieściłem skan oryginalnego, "fabrycznego" opisu, schematu i instrukcji, więc w tym temacie nie wniosę nic nowego i odkrywczego, a i producenta wyręczać nie mam zamiaru

Płytka tego kitu zaprojektowana jest niezbyt fortunnie. Umiejscowienie wyświetlacza nie pasuje do większości obudów przeznaczonych do urządzeń z wyświetlaczami właśnie, a płytka ma otwory montażowe tylko na dole, a do tego jest zrobiona wszerz zamiast wzdłuż. Wykonanie otworów montażowych u góry PCB jest niemożliwe ze względu na liczne ścieżki tamtędy biegnące.

Postanowiłem zaadaptować do tego celu obudowę Z-33, gdyż wymiarami najbardziej pasowała.
Jednocześnie chciałem, aby miernik miał podświetlany wyświetlacz do pracy przy słabszym oświetleniu oraz nie miał żadnych "topornych" włączników mechanicznych. Pozostawała także kwestia zasilania. Także dobrze by było, aby miernik miał jakąś bardzo prostą kontrolę napięcia baterii, dającą poglądowe informacje o ich stanie bez zbędnych fajerwerków.

Posiłkując się schematami znalezionymi w sieci, zastosowałem podwójny włącznik ON/OFF na układzie CD4069, jednak szybko z niego zrezygnowałem z uwagi na to, że w stanie czuwania pobierał zbyt duży prąd (ok. 12mA), co dyskwalifikowało go jak jedyny wyłącznik do pracy z baterii. Ostatecznie zastosowałem podwójny włącznik ON/OFF na układzie CD4013 (korzystając z bardzo prostego i niezawodnego schematu znalezionego przypadkiem w sieci), sterowany microswitch'ami, który to w pełni ukończonym mierniku pobiera prąd w następujących wartościach:

- stan spoczynku (miernik wyłączony) - 0,002mA;

- miernik włączony bez podświetlenia - 42,5mA;;

- miernik włączony z podświetleniem - 87mA.

Dodam, iż wartości podane na moim schemacie ideowym odnoszą się do włącznika bez obciążenia przekaźnikiem, symetryzatorem, miernikiem i podświetleniem, ale różnica nie jest duża.

Miernik w stanie czuwania znajduje się już ponad miesiąc i po włączeniu układ kontroli nie wskazuje na rozładowanie akumulatorków. Pomiary napięcia także dają pozytywne wyniki.

Te wartości były już do przyjęcia Zwłaszcza przy pracy na akumulatorkach. Akumulatorki 6F22 9V zastosowałem w liczbie dwóch sztuk. Z uwagi na to, iż miernik wymaga symetrycznego +/- 7 do 8V, zastosowanie dwóch akumulatorków (razem 18V) i układu symetryzacji na stabilizatorach 7808 i 7908, dało na wyjściu pożądane +8V, -8V (lekko zaniżone bo +7,9V i -7,15V, ale w dopuszczalnych granicach) do zasilania miernika.

Ale cóż zrobić z układem CD4013, dla którego datasheet producenta przewiduje maksymalne napięcie 18V? Dodam, iż świeżo naładowane akumulatorki przez pewien czas mają wspólnie napięcie ok. 20V. Rozwiązanie było proste. Dioda Zenera 4V3 zasilająca tylko sam układ ograniczyła napięcie zasilania układu CD4013 do ok. 16V, a tranzystory BC337-40 przełączają już pełne napięcie 18V na załączanie symetryzatora, miernika i podświetlania. Dodatkowo proste zabezpieczenie bezpiecznikiem topikowym 0,4A chroni akumulatorki przed przypadkowym zwarciem. Wstępnie miał być bezpiecznik polimerowy, ale zdecydowałem się na prostsze rozwiązanie.

Podświetlanie rozwiązałem poprzez modyfikację oryginalnego wyświetlacza, tzn. usunięcie polaryzatora i wstawienie paska światłowodowego z radia samochodowego. Efekt przerósł moje oczekiwania, a miernik wreszcie mógł pracować przy słabym świetle otoczenia.

W bazowej płytce PCB zastosowałem szklano-epoksydowy laminat dwustronny FR4 1,5mm, z czego od strony BOTTOM jest ekran przeciwzakłóceniowy jako kratka, a od strony TOP - cała warstwa miedzi wypolerowana i polakierowana trzema warstwami utwardzonego lakieru celem zabezpieczenia przed utlenieniem miedzi oraz ewentualnym zwarciem z którąś z nóżek elementów THT. Wstępnie miałem zamiar pocynować tę warstwę i warstwę BOTTOM za pomocą preparatu do bezprądowego cynowania, ale odstraszył mnie gigantyczny koszt w Cyfronice - 450g - 390zł, 22g - 20zł. Warstwa BOTTOM została pocynowana przy użyciu lutownicy transformatorowej i dużej ilości topnika. Każdy otwór po stronie ekranu jest podwiercony i sfazowany, by uniknąć ewentualnego zwarcia nóżki z ekranem. Płytka PCB oczywiście sporządzona z powodzeniem metodą niezawodnego, żelazkowego termotransferu. Musiałem ją robić na dwa podejścia, gdyż cała na żelazku się nie mieściła.

Pomijając żmudny i nudny opis montażu poszczególnych podzespołów, przejdźmy do etapu kalibracji. Kalibracja jest trójstopniowa. Najpierw źródłem napięcia referencyjnego własnej konstrukcji, ustawiłem w mierniku wskazania napięcia 100mV. Wiem, że wielu przyczepi się do dokładności takiego rozwiązania, ale nie dysponuję woltomierzem laboratoryjnym wysokiej klasy. Następnie przy użyciu cyfrowego częstotliwościomierza ustawiłem na nóżce 11 układu SN74HC74N, żądaną częstotliwość 200kHz. Następny etap to zerowanie miernika i ustawienie wskazań rezystancji, mierząc wiarygodny rezystor i regulując wskazania do jego wartości. Zastosowałem metalizowany rezystor 1% o wartości 3,3 Ohm.

Kontrolą napięcia baterii zajmuje się komparator LM393, który może pracować na dwa sposoby ustawiane zworkami:

- w układzie z wzorcem TL-431 i progiem zadziałania regulowanym hellitrimem;

- w układzie z diodą Zenera i progiem zadziałania sztywno zależnym od napięcia zastosowanej diody Zenera.

Zdecydowałem się na ręczną regulację progu ustawioną hellitrimem na ok. 15 - 16V. Po osiągnięciu ustalonego progu włącza się
superjasna, migająca czerwona dioda ostrzegawcza, informująca o konieczności doładowania akumulatorów lub zmiany baterii.

Początkowo z uwagi na to, że LM393 to podwójny komparator miałem zamiar kontrolować napięcie każdej baterii z osobna, jednakże ostatecznie zastosowałem kontrolę sumy napięć.

Układ kontroli spisuje się świetnie i wystarczająco wiarygodnie. Oczywiście przy pracy z zasilacza (na co zdecydowałem się pod koniec budowy miernika) układ kontroli nie jest potrzebny i raczej LED ostrzegawcza nie zadziała nigdy. Wstępnie przy niskim napięciu miał co kilkanaście sekund "pikać" buzzer, ale stwierdziłem, że to gadżet dodatkowo pożerający cenne miliampery. Zresztą, jeszcze nie wiem. Może dołożę tę dodatkową funkcję w późniejszym czasie.

Włączenie napięcia symetryzatora i tym samym miernika odbywa się za pomocą tranzystora BC337-40 uruchamiającego przekaźnik 12V. Włączanie samym tranzystorem, powodowało, że do symetryzatora dochodziło napięcie obniżone o jakieś 1,5V, co było nie do przyjęcia. Miałem zamiar zastosować miniaturowy przekaźnik kontaktronowy, lecz interesujący mnie model był zbyt drogi, a budowa miernika i tak już trochę środków płatniczych pochłonęła. Chociażby konieczność kupna mikroprocesorowego miernika częstotliwości specjalnie do celów kalibracji.

Mikrowłączniki zostały celowo obniżone, a wyrównane z poziomem obudowy za pomocą krążków z gumy. Powoduje to po naklejeniu panelu, że przyciski jako takie są niezauważalne i niewyczuwalne pod palcem i niemożliwe jest, by je włączyć przypadkowo.

Tak na marginesie - miałem taki przypadek z miernikiem pojemności firmy UNI-T, że po umieszczeniu etui z innymi miernikami na kartonie, w którym był tenże miernik pojemności, spowodowało wciśnięcie przycisku, włączenie go i całkowite rozładowanie baterii.

Front panel został wykonany w programie Front Designer 3.0, wydrukowany na papierze foto (sztywniejsza warstwa) przy użyciu drukarki atramentowej Hewlett Packard, a następnie wycięte skalpelem okienko wyświetlacza, a stalowymi przebijakami 2mm otworki dla światłowodów diod LED. Następnie całość została zalaminowana, a przeźroczysty, sztywny po zgrzaniu laminat automatycznie przejął funkcję szybki chroniącej wyświetlacz. Dodatkowo na sam wyświetlacz nakleiłem elektrostatyczną folię ochronną stosowaną w telefonach komórkowych, celem dodatkowej ochrony.

W obudowie zastosowałem mosiężne tulejki gwintowane, wtopione w kołki montażowe i dodatkowo wzmocnione Kropelką. Miało to na celu zabezpieczenie kołków przed wyrabianiem gwintu w plastiku przy rozkręcaniu obudowy przy wymianie baterii lub okresowej kalibracji.

Płytka miernika dołem spoczywa na kołkach montażowych, a w górnej części... na silikonowym klocku dystansowym od tłumika motocyklowego który pasował wręcz idealnie!!!

Na koniec dodam, iż miernik spisuje się znakomicie. Zakres trochę wąski (1 Ohm - 10 Ohm), ale trudno. Nie chciało mi się ingerować w oryginalny schemat, by go poszerzyć, poza tym na razie jest dla mnie wystarczający. Załączam pliki i pełną dokumentację zarówno miernika, jak i układu symetryzacji oraz kontroli napięcia baterii dla tych, którzy chcieliby się pokusić o podobną konstrukcję. Są to pliki zaczerpnięte z sieci oraz moje skany w dobrej jakości. Tradycyjnie zamieszczam również pliki *.sch oraz *.brd dla tych, którzy chcieliby nanieść jakieś poprawki dopasowując do własnych potrzeb.

Myślę, że opis i dokumentacja są dość szczegółowe.
Na wszelkie pytania odpowiem wyczerpująco w zależności od posiadanego czasu.
Dziękuję z góry zarówno za ciepłe słowa, jak i słowa konstruktywnej krytyki, które czasem też są cenne.

Pozdrawiam.