Witam szanownych kolegów!
Do zaprezentowania mam swoją nową konstrukcje tj. Mikroprocesorowy miernik ESR.
Parametrami które w pierwszym przybliżeniu charakteryzują kondensator elektrolityczny i mogą podlegać nieniszczącym pomiarom są: pojemność kondensatora oraz szeregowa ekwiwalentna rezystancja - ESR (Equivalent Series Resistance).
Często w praktyce serwisowej przy naprawach sprzętu RTV oraz sprzętu komputerowego zachodzi potrzeba stwierdzenia czy dany kondensator elektrolityczny pracujący w urządzeniu (najczęściej w układzie zasilania) jest sprawny, czy jego parametry nie odbiegają od prawidłowych. Do tego celu dobrze nadaje się właśnie parametr ESR gdyż jego podwyższona wartość sugeruje konieczność wymiany.
Budowa urządzenia
Oglądając na YouTube filmiki z EEV- bloga natrafiłem na interesujący miernik ESR mk II. Znalazłem opis tego układu z dokładnym wyjaśnieniem idei pomiaru parametru ESR.
Pierwotny układ zbudowany był w oparciu o 8-bitowy mikrokontroler Z86E0412 firmy Zilog. Nawet gdybym zdobył ten mikrokontroler oraz "wsad" do tego niego, nie miał bym czym go zaprogramować. Z tych powodów postanowiłem przerobić układ pod popularny mikrokontroler AVR ATmega8.
Idea pomiaru przedstawiona w opisie wspomnianego miernika ESR mkII polegała generacji krótkich 8µs szpilek prądu co 500µs, które to na rozładowanym kondensatorze (kondensator rozładowany stanowi zwarcie dla prądu stałego) dawały impulsy napięcia proporcjonalne do wartości ESR (kondensator jest rozładowywany przez pozostałą część okresu czyli 492 µs). Dobór czasu impulsu testującego oraz czasu rozładowania został dokonany przez autora pierwotnej konstrukcji jako taki, który z zapasem zapewnia poprawne działanie urządzenia przy pomiarze kondensatora 1 µF (jako skrajnego przypadku). Chodzi bowiem o to by impuls prądu badający ESR był na tyle krótki by nie spowodował przyrostu napięcia w skutek ładowania pojemności tego kondensatora.
Idea ta wydała mi się dość interesująca i łatwa do realizacji. Dokładność tej metody wydaje się być wystarczająca by w celach serwisowych stwierdzić czy kondensator „dokonał już swego żywota” czy jeszcze jest w stanie pracować w układzie.
W pierwotnym projekcie amplituda impulsów napięcia, która to wartość jest proporcjonalna do wartości parametru ESR, była mierzona w oparciu o przetwornik zbudowany na bazie komparatora oraz napięcia, które w liniowy sposób narastało w czasie (kondensator ładowany ze źródła prądowego). Przyczyną takiego podejścia do przetwarzania analogowo-cyfrowego w pierwotnym układzie był zapewne fakt, iż wspomniany mikrokontroler Zilog’a nie był wyposażony w wewnętrzny przetwornik ADC.
W mojej konstrukcji zdecydowałem się skorzystać z znajdującego się na pokładzie ATmega8, 10-bitowego przetwornika ADC z sukcesywną aproksymacją. Trochę tak "na wszelki wypadek" przy projektowaniu płytki drukowanej powieliłem na niej także rozwiązanie z komparatorem i liniowo narastającym napięciem, gdyby z jakichś przyczyn moja koncepcja okazała się być niewystarczająca. Dodatkowo w moim rozwiązaniu zdecydowałem się zastąpić dwu cyfrowy wyświetlacz LED wyświetlaczem alfanumerycznym LCD 2x16 znaków.
Schemat urządzania przedstawia poniższy rysunek.
Na schemacie wyróżniono bloki z których składa się urządzenie. Są to: mikrokontroler ATmega8A wraz z wyświetlaczem, zespół trzech źródeł prądowych wraz z tranzystorem rozładowującym, blok tranzystorowego wzmacniacza impulsów napięcia oraz blok służący wytworzeniu liniowo narastającego napięcia, który ostatecznie nie jest wykorzystywany (można go pominąć w ewentualnych kolejnych wersjach układu) .
Program mikrokontrolera został napisany w języku C w środowisku Atmel Studio 6.
Miernik ESR może dokonywać pomiaru w trzech automatycznie przełączanych zakresach : 0-5 Ω, 5-50 Ω oraz 50-600 Ω z rozdzielczością odpowiednio 0,01 Ω; 0,1 Ω oraz 1 Ω. Za pomocą tego urządzenia może także z powodzeniem być mierzona rezystancja rezystora. Miernikiem tym dzięki zastosowaniu niskiego napięcia pomiarowego ograniczonego do ok. 0.5-0.7V (ograniczonego przez diody D3 i D4) można mierzyć ESR kondensatorów elektrolitycznych bez wylutowywania ich z układu. Oczywiście sytuacja gdy wiele kondensatorów elektrolitycznych połączonych jest na płycie diagnozowanego układu równolegle uniemożliwia takie zastosowanie. Dodatkowo szczególną uwagę należy zwrócić na fakt, by kondensatory były rozładowane przed przystąpieniem do ich pomiarów- zwłaszcza gdy może na nich występować wysokie napięcie. Niezastosowanie się do tego zalecenia grozi poważnym uszkodzeniem urządzenia.
Obsługa miernika
Pomiar:
Po włączeniu urządzenia miernik po wyświetleniu ekranu powitalnego gotowy jest do pracy.
Przed przystąpieniem do pomiarów należy dokonać zerowania urządzenia zwierając wykorzystywane sondy pomiarowe i naciskając przycisk ZERO. W ten sposób dodatkowa rezystancja sond zostaje zapamiętana i nie jest uwzględniana w wyniku pomiaru. Gdy zależy nam na dokładnym pomiarze operacji zerowania należy dokonywać po każdym włączeniu miernika, gdyż wartość uzyskanej przy tej czynności rezystancji sond nie jest zapisywana do pamięci nieulotnej EEPROM. Procedurę zerowania można w razie potrzeby powtórzyć pomiędzy kolejnymi pomiarami. Można ją także anulować naciskając przycisk ZERO gdy wejścia miernika są rozwarte (zakres 50-600 Ω - OL). Po wykonaniu zerowania można już przystąpić do pomiarów parametru ESR upewniając się, że poddawany pomiarom kondensator jest rozładowany. Uzyskany wynik pomiaru oraz zakres na którym został on dokonany widnieje na wyświetlaczu miernika. Pomiar wykonywany jest cyklicznie co około pół sekundy.
Kalibracja:
W razie potrzeby miernik został „obdarzony” również procedurą kalibracji. By dokonać takowej należy wyposażyć się w 3 rezystory o rezystancji 5,1 Ω 51 Ω i 510 Ω oraz zworę z miedzianego przewodu (0 Ω). Oczywiście rezystory powinny cechować się tolerancją minimum 1% a czym ich wartość będzie bliższa podanym wartością tym lepiej.
By skorzystać z procedury kalibracyjnej należy w czasie wyświetlania ekranu powitalnego nacisnąć przycisk ZERO. Można to też uczynić trzymając przycisk ZERO wciśniętym podczas włączania miernika. Po wygaśnięciu ekranu powitalnego pojawią się komunikaty o tym jakie rezystancje mają być podłączone do wejść miernika (kolejno 0 Ω; 5,1 Ω; 51 Ω; 510 Ω). Po podłączeniu wymaganej rezystancji należy potwierdzić wciskając przycisk ZERO. Gdy zostanie odczytana ostatnia wartość 510 Ω miernik zapisuje uzyskane w procesie kalibracji wyniki do pamięci EEPROM wyświetlając je przez 5 sekund na ekranie i od tej chwili pomiary dokonywane są w oparciu o punkty uzyskane z przeprowadzonej kalibracji. Powrót do wcześniejszych danych kalibracyjnych nie jest już możliwy.
Poniżej zdjęcia prezentujące płytę drukowaną, wnętrze urządzenia oraz wygląd gotowego miernika w akcji:
Montaż mechaniczny nigdy nie był moją mocną stroną ale myślę, że jak na prototyp nie jest tragicznie.
Podsumowanie:
Urządzenie wykonane wg. zmodyfikowanego projektu miernika ESR mkII działa poprawnie i mierzy ESR zgodnie z założeniami. Jest to jednak urządzenie prototypowe i choć w tej formie nadaje się już do praktycznego wykorzystania w warsztacie serwisanta, to autor dostrzega (wg. jednego z praw Murphe’ego) potrzeby zmian i ulepszeń.
W ewentualnych przyszłych wersjach urządzeniach czy też kolejnych implementacjach tej koncepcji przez innych użytkowników układu można by pokusić się o kilka udoskonaleń. Po pierwsze można by zaimplementować (co nie jest zbyt skomplikowane) pomiar napięcia baterii który wydaje się być dość przydatną funkcją. Kolejnym udogodnieniem, mogło by być wprowadzenie automatycznego wyłączania układu w celu oszczędności baterii.
Koszty projektu:
ok. 5-10 zł -koszt wykonania płyty (metoda termotransferu, laminat + środki trawiące)
ok. 15zł –wyświetlacz LCD,
ok. 6zł- obudowa,
ok. 20zł części (mikrokontroler, stabilizator, elementy bierne, gniazda, przełączniki, kable),
Szacunkowy koszt całości to 40-50zł –w zależności od dostawcy.
By ustrzec się dalszych pytań -mogę udostępnić "wsad" czyli pliki hex oraz eep (ze wstępną kalibracją urządzenia) natomiast nie udostępnię źródeł.
Co do wzorów płytek - płytka zawierała pewne błędy oraz nadmiarowość(o której wspomniałem) tak więc z oczywistych względów także nie udostępniam.
Proszę o komentarze - zwłaszcza konstruktywną krytykę oraz pytania. W miarę możliwości będę się starał odpowiadać.
Paweł W.
Fajne? Ranking DIY
