Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

miernik ESR do dużych kondensatorów

Gronczyński 03 Lip 2014 08:55 13149 10
  • miernik ESR do dużych kondensatorów

    Miernik ESR.
    Jak ważną rolę w układach elektronicznych pełnią kondensatory, nikomu nie trzeba tłumaczyć. Ale fakt, że kondensator to nie tylko pojemność, już nie dla każdego jest taki oczywisty. Kondensatory elektrolityczne -bo na nich się głównie skoncentrowałem- pełnią najczęściej rolę filtrów w układach zasilających. Ich parametry zmieniają się w czasie użytkowania, spada pojemność, zwiększa się ich upływność oraz zwiększa się rezystancja wewnętrzna. Taki „stary” kondensator przestaje poprawnie filtrować, przez co szwankuje całe urządzenie. Aby wykryć wadliwy kondensator, nie wystarczy pomiar jego pojemności – trzeba sprawdzić jeszcze jego rezystancję wewnętrzną.
    Na rynku są dostępne mierniki ESR, które można kupić od kilkuset złotych, jednakże te tańsze nie radzą sobie z dużymi kondensatorami – dlatego na zlecenie firmy Omega z Radomia, serwisującej elektronikę maszyn CNC, powstał miernik ESR do pomiaru dużych kondensatorów oraz baterii kondensatorów.
    Nowy, dobry kondensator ma znikomą wartość ESR (rezystancję wewnętrzną) liczoną
    w mΩ, jednakże z czasem może ona wzrosnąć nawet do kilku Ω, wówczas np. zasilacz, w którym pracuje taki kondensator, będzie działał niepoprawnie lub wcale.
    miernik ESR do dużych kondensatorów
    (Uproszczony schemat zastępczy kondensatora)

    Istnieje stosunkowo prosta metoda pomiaru rezystancji wewnętrznej ESR, polegająca na pomiarze spadku napięcia na tej rezystancji przy znanym przepływie prądu. Niestety nie można podłączyć woltomierza do samego ESR, trzeba się nieco pobawić oscyloskopem.
    Do tego celu potrzebny jest zasilacz, małoomowy rezystor oraz oscyloskop (najlepiej cyfrowy). Najpierw należy naładować badany kondensator, następnie podłączyć do jego końcówek oscyloskop, a potem przyłączyć ów małoomowy rezystor, przez który ten kondensator się rozładuje.
    Teraz wystarczy uchwycić na oscyloskopie moment przyłączenia rezystora. miernik ESR do dużych kondensatorów




    miernik ESR do dużych kondensatorów
    Na tym oscylogramie jeszcze niewiele widać, trzeba to nieco rozciągnąć...
    miernik ESR do dużych kondensatorów
    Tu w centralnej części widać to, co nas interesuje.
    Wystarczy policzyć...
    Kondensator naładowaliśmy do napięcia 24V, nasz małoomowy rezystor miał 1 Ω.
    W pierwszej fazie rozładowywania kondensatora nastąpił gwałtowny spadek napięcia
    na okładzinach kondensatora i wynosił 480mV – to znaczy że:
    przez nasz rezystor 1 Ω popłynął prąd (I=U/R) 24A
    Spadek napięcia (480mV ) to właśnie to, co odłożyło się na rezystancji wewnętrznej (R=U/I) czyli 500mV/24A=20mΩ.
    Teoretycznie proste, ale bardzo niepraktyczne, zwłaszcza w serwisie, gdzie do przebadania jest mnóstwo kondensatorów.
    Do takich przypadków powstał miernik ESR – krótki pomiar i gotowy wynik na wyświetlaczu.
    miernik ESR do dużych kondensatorów
    miernik ESR do dużych kondensatorów
    miernik ESR do dużych kondensatorów
    Układ zasilany jest z dwóch źródeł. Pierwszy transformator odpowiada za zasilenie części pomiarowej i automatyki. Wytwarzane z niego są napięcia +5V, +24V, 2x +15V.
    Napięcie +5V zasila mikrokontroler Atmega-8 oraz układy z serii 74xx (TTL).
    Napięcie +24V zasila wzmacniacze operacyjne oraz klucze analogowe.
    Napięcie +15V zasila driver dolnego tranzystora wykonawczego w pół-mostku oraz z tego napięcia zasilana jest przetwornica do zasilania drugiego drivera pół-mostka.
    Drugi transformator odpowiada za zasilenie stopnia mocy układu pomiarowego. Załączenie tego transformatora odbywa się dwustopniowo poprzez przekaźniki elektroniczne S202S02F sterowane z mikrokontrolera.

    W załączeniu schemat części sterującej i pomiarowej

    Pomiar rozpoczyna się po załączeniu transformatora stopnia mocy. Poprzez „górny” tranzystor pół-mostka ładowany jest badany kondensator Cx. Prąd ładowania ograniczany jest rezystorem Ra w tym przypadku jest to 0,47Ω.
    Po naładowaniu badanego kondensatora do ok. 50% wartości napięcia zasilającego stopień mocy, na wyjściu wzmacniacza operacyjnego U2D (pełniącego rolę komparatora) nastąpi zmiana stanu na niski. Spowoduje to pośrednio wyłączenie „górnego” tranzystora pół-mostka, a załączenie „dolnego tranzystora. Rozpoczyna się rozładowanie kondensatora Cx poprzez rezystor Ra oraz dolny tranzystor pół-mostka. Histereza (amplituda) tej oscylacji ustalana jest poprzez potencjometr PR1 w dodatnim sprzężeniu komparatora U2D.
    Inwertery U4 wytwarzają z przebiegu wyjściowego komparatora U2D napięcia sterujące driverami U5 oraz U6 z czasami martwymi.
    miernik ESR do dużych kondensatorów
    Przebieg czarny – wyjście komparatora
    Przebieg niebieski – wyjście załączające „dolny” tranzystor pół-mostka
    Przebieg czerwony – wyjście załączające „górny” tranzystor pół-mostka

    Odwrócony przebieg wyjściowy komparatora U2D oraz przebieg z wyjścia sterującego „dolnym” tranzystorem wyzwalają układ czasowy 74123 wytwarzający impulsy sterujące kluczami analogowymi.
    miernik ESR do dużych kondensatorów
    W czasie trwania impulsu wytworzonego w układach 74123 (U11A, U11B) następuje wyrównanie potencjałów na kondensatorach pomiarowych (C15, C17, C18) z napięciami, do których się odnoszą.
    C15 „zapamiętuje” napięcie na kondensatorze Cx tuż przed wyłączeniem ładowania tego kondensatora.
    C17 „zapamiętuje” napięcie na kondensatorze Cx tuż po włączeniu rozładowania tego kondensatora.
    C18 „zapamiętuje” napięcie wyjściu pół-mostka tuż przed wyłączeniem ładowania kondensatora Cx.
    Zapamiętane napięcia wprowadzane są na wejścia wzmacniaczy różnicowych U3A oraz U3B. Wyjścia tych wzmacniaczy podłączone są do przetworników analogowo-cyfrowych Atmegi.
    Po zmierzeniu przez mikrokontroler napięć z U3A oraz U3B następuje rozładowanie kondensatorów pomiarowych przez tranzystory Q2, Q3 oraz Q4.
    Ze zmierzonych wartości przez ADC zostają wyliczone:
    Prąd ładowania kondensatora Cx oraz spadek napięcia na rezystancji wewnętrznej kondensatora Cx podczas ładowania i rozładowania.
    Z tych wartości zostaje wyliczona rezystancja wewnętrzna kondensatora Cx.

    Dodatkowo do wejścia sprzętowego przerwania Atmegi dostarczony jest przebieg z komparatora U2D pozwala to na pomiar czasu trwania oscylacji na Cx, a tym samym na określenie pojemności badanego kondensatora.
    miernik ESR do dużych kondensatorów
    Przebieg zielony- napięcie na badanym kondensatorze
    Przebiegi niebieski i czerwony – impulsy sterujące kluczami analogowymi.
    Przebieg czarny - wyjście z komparatora U2D
    Układ zmierzył i policzył za nas ESR – brać i używać ale...
    Już podczas uruchamiania tego miernika natknąłem się na pewien dziwny problem.
    O ile podczas pomiaru pojedynczego kondensatora wszystko wydawało się być jasne i oczywiste, to podczas badania baterii złożonej z kilku czy nawet z dwóch kondensatorów, wyniki pomiarów były nieco zaskakujące.
    Otóż szeregowo połączone dwa kondensatory o podobnej pojemności i podobnym ESR dawały wyniki dalekie od spodziewanych.
    I tak dla kondensatorów 4700uF/400V ok. dwudziestoletnich o zmierzonych parametrach :
    C1 = 4400uF i ESR=150mΩ,
    C2 = 4200uF i ESR=120mΩ.
    Przy połączeniu szeregowym spodziewałbym się wyniku
    Cx = 2148uF oraz ESR = 270mΩ.
    A tu niespodzianka,
    Cx = 2157uF oraz ESR = 670mΩ.
    Oraz druga parka – tyle że nowe kondensatory,
    C1 = 4600uF i ESR=80mΩ,
    C2 = 4300uF i ESR=90mΩ.
    Przy połączeniu szeregowym spodziewałbym się wyniku,
    Cx = 2222uF oraz ESR = 170mΩ,
    A tu niespodzianka i to całkiem nowa,
    Cx = 2220uF oraz ESR = 80mΩ.
    O ile wynik pierwszej pary mogłem sobie jakoś wytłumaczyć, o tyle kompletnie nie zrozumiałem, co się stało w przypadku drugiej pary kondensatorów.
    Oczywiście pomiary wyły wykonywane zarówno miernikiem ESR mojej „produkcji”, jak również metodą „na piechotę” za pomocą oscyloskopu – wyniki pomiarów były porównywalne.
    Na szczęście zdarza się że w przypadku niektórych par kondensatorów nadal obowiązuje i sprawdza się prawo Ohma.
    Wydaje mi się że problem leży w zbyt uproszczonym pojmowaniu schematu zastępczego kondensatora – przecież to nie tylko pojemność, rezystancja ESR ale również jakaś indukcyjność.
    Możliwe, że wchodzi tu w grę jeszcze jakieś inne zjawisko, które na tę chwilę umknęło.
    Na razie mój miernik działa, a pomiary czasem zaskakują. Na potrzeby serwisu OMEGA maszyn CNC przyjęliśmy, że te zestawy kondensatorów, w których ESR dziwnie wzrasta, są do wymiany.
    Ciekaw jestem, czy ktoś spotkał się z podobnym zjawiskiem – czy problem leży może w samej metodzie pomiarowej?

    Zapraszam do dyskusji.
    Hubert Gronczyński


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • #2 04 Lip 2014 01:25
    94075
    Użytkownik usunął konto  
  • #3 05 Lip 2014 11:24
    leszek_w
    Poziom 18  

    A może spróbować zastosować jako wzorzec kondensator stały MKP lub KFMP ?
    Rezystancja ESR takiego kondensatora = 0Ω. Do tego dołożyć rezystor symulujący ESR o wartościach 10mΩ - 1Ω i wtedy zrobić testy?

    Leszek

  • #4 05 Lip 2014 23:23
    eurotips
    Poziom 35  

    Temat ciekawy. Elka Ultra LowESR np niebieski kapsel Nichicona ma rezystancję szeregową rzędu pojedynczego milioma przy pojemnościach 1000u i wyżej. I czym to mierzyć ? tu nawet prąd o natężeniu 1A wywoła spadek napięcia rzędu miliwolta czyli praktycznie na granicy mozliwości miernika cyfrowego. Może te problematyczne pomiary wynikają z kształtu przebiegu 100kHz? kiedyś próbowałem uzyskać czystą sinusoidę o takiej częstotliwości ale wydajność takiego generatorka kończyła mi się na 50mA .

  • #5 06 Lip 2014 02:47
    Gronczyński

    Poziom 19  

    Ad1,(Albert) Do miernika będę miał dostęp na tygodniu - wówczas dokonam kilku pomiarów z połączeniem szeregowym i równoległym.
    Co do wyboru metody to w moim przypadku odpowiedź jest prosta - bo taką znałem. Ale gdybym miał zbudować jeszcze jeden miernik to zdecydował bym się na troszkę inną konstrukcję. W tym mierniku po załączeniu stopnia mocy układ czeka ok 1 s zanim rozpocznie pomiar. Miało to dać pewne odwzorowanie warunków pracy badanego kondensatora do rzeczywistych panujących w układzie. Jednakże tak krótki czas raczej nie ma wpływu na "wstępne zmęczenie" kondensatora. Więc pomiar mógłby się odbywać, bez wpływy na jego dokładność, za pomocą jednego strzału.
    Takie jednostrzałowe rozwiązanie dało by prawdopodobnie pewne oszczędności w konstrukcji polegające na wyeliminowaniu tego dużego transformatora. Ale to już temat na przyszłość.
    Ad2. (Leszek) Miernik bada kondensator wymuszając na nim oscylację, której częstotliwość jest związana z pojemnością tego kondensatora. Ze względu na czasy martwe w stopniu mocy częstotliwość ta jest ograniczona od góry i nie przekracza 400kHz co odpowiada pojemności ok 60uF - więc realna najmniejsza mierzona pojemność musi być większa. Miernik z założenia przystosowany został do pomiaru pojemności z zakresu od 100uF do 40mF.
    Oczywiście kalibracja miernika odbywała się z użyciem dodatkowych rezystorów - tu pojawiły się pewne problemy związane z zastosowanymi rezystorami - rezystory dużej mocy mogące przenosić prąd na poziomie ok 20A to najczęściej duże drutowe klocki, w których przy szybkich przełączeniach większy wpływ na zachowanie układu miała ich indukcyjność niż rezystancja. Problem dał się opanować po zastosowaniu małych rezystorów metalizowanych.
    Ad3. (eurotips) Myślę że z takim kondensatorem układ powinien sobie poradzić - prąd płynący przez kondensator to ok 20A więc spadek napięcia na 1mΩ da 20mV, to napięcie jest potem wzmacniane 10x przed wejściem na ADC więc było by tam już 200mV co odpowiadało by ok 5% zakresu pomiarowego. W układzie zastosowałem osobne przewody prądowe i osobne do pomiaru aby uniknąć pomiaru spadku napięcia na samych przewodach.

  • #6 06 Lip 2014 10:13
    jarek_lnx
    Poziom 43  

    Na kondensatorze 2,2mF rozładowywanym prądem 20A szybkość narastania wyniesie 9V/ms czy ustawienie przerzutnika monostabilnego od S&H na 0,7ms (20kΩ 100nF) to nie przesada?

    To dało by błąd 0.3Ω odejmujesz go programowo? czy wartości elementów w układzie są inne? Piszesz o 400kHz więc pewnie mam złe dane.

    Druga sprawa to kondensatory w S&H mam nadzieję że nie są ferroelektryczne.

    Trudno sie analizuje schemat, brak na nim stopnia mocy, za dużo trzeba się domyślać.
    Przebiegi dla ciebie są zrozumiałe, dla mnie brak skali czasu i napiecia, więc nie wywnioskuję z nich nic, czego bym wcześniej nie wiedział.

    Jak TL074 znosi tak duże obciążenia pojemnościowe? obawiam sie że kiepsko.

    A co do testów ja bym połączył wszystkie posiadane kondensatory równolegle żeby uzyskać największą pojemność i najmniejsze ESR i dołączał do tego rezystory żeby sprawdzić liniowość i poprawność zachowania miernika.

  • #7 07 Lip 2014 08:14
    Gronczyński

    Poziom 19  

    W istocie - przy przerzutniku zmieniłem kondensator podczas uruchamiania miernika C20 oraz C14 ze 100nF na 1nF. Nie naniosłem tej zmianę na schemacie od razu, a potem po prostu zapomniałem.
    Ale to o czym pisze jarek_lnx wydaje się odpowiedzią na moje pytanie. wystarczy programowo uwzględnić szybkość narastania i to może rozwiązać problem.
    Co do TL074 oraz kondensatorów to wygląda na to, że układ daje sobie radę bo tu nie miałem żadnych problemów.

  • #8 08 Lip 2014 23:51
    jarek_lnx
    Poziom 43  

    Cytat:
    Co do TL074 oraz kondensatorów to wygląda na to, że układ daje sobie radę bo tu nie miałem żadnych problemów.
    W dokumentacji nie widziałem zakresu stabilności z obciążeniem pojemnościowym dlatego pytam, oglądałeś na oscyloskopie?, czy osiąga wartość ustaloną przed otwarciem klucza?

  • #9 16 Lip 2014 13:20
    Gronczyński

    Poziom 19  

    Po dłuższej zabawie miernikiem znalazłem problem - Prawo Ohma znowu działa.
    Problem leżał w miejscu połączenia masy pomiarowej i masy "obwodu mocy" - została teraz podłączona blisko masy U2 i pomiary zaczęły być sensowne.
    Podczas pierwszego uruchamiania masa pomiarowa przyłączona była w okolicach połączenia źródła dolnego tranzystora. Oscyloskop podłączałem bezpośrednio do kondensatora i nie widziałem tak na prawdę co się dzieje na wejściu U2. Pojawiał tam się "ujemny" pik, który w efekcie końcowym fałszował pomiar. Po przelutowaniu masy pik ten jest praktycznie niezauważalny. Zmieniło to również odczyty z samych kondensatorów.
    Teraz pomiary są bardzo sensowne ale zawęził się zakres pomiarowy. Kondensatory o ESR na poziomie 500mΩ dają odczyt poza zakresem. Na szczęście interesują mnie wartości znacznie mniejsze - i te mierzą się dobrze.
    Muszę jeszcze rozwiązać problem przyłączania kondensatorów do miernika. W tej chwili są to krokodylki na dość sztywnych kablach i nie jest to zbyt wygodne. Zobaczę na ile będzie miało wpływ zastosowanie cieńszych, giętkich przewodów na wynik pomiaru.
    Ale to już po urlopie - wówczas zamieszczę jeszcze trochę oscylogramów.

  • #10 16 Lip 2014 19:14
    jarek_lnx
    Poziom 43  

    Cytat:
    Zobaczę na ile będzie miało wpływ zastosowanie cieńszych, giętkich przewodów na wynik pomiaru.
    Pomiar powienien być czterozaciskowy, wtedy nie bedzie miało znaczenia jaki jest spadek napiecia na przewodach.

  • #11 16 Lip 2014 19:26
    Gronczyński

    Poziom 19  

    Miernik jest wyposażony w cztery przewody - dwa "zasilające" kondensator i dwa pomiarowe.
    Zastosowałem grube przewody przez co wszystko jest sztywne i mało praktyczne przy pomiarach kondensatorów o krótkich nóżkach. Ale ta część eksperymentów już urlopie.