|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ENCYKLOPEDIA RADIOELEKTRONIKI I INŻYNIERII ELEKTRYCZNEJ Pomiar pojemności i ESR kondensatorów za pomocą przyrządu kombinowanego. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Encyklopedia radioelektroniki i elektrotechniki / Technologia pomiarowa Autor oferuje radioamatorom, którzy zmontowali urządzenie [1], przystawkę do niego, za pomocą której można zmierzyć pojemność i ESR kondensatorów. Znajomość tych parametrów, zwłaszcza EPS, jest dziś dość często wymagana, np. przy produkcji różnych urządzeń impulsowych. Podczas modernizacji przyrządu kombinowanego [1] postanowiłem, tworząc do niego małe przystawki, wprowadzić do urządzenia nowe, stosunkowo rzadko używane funkcje, których nie da się zaimplementować jedynie programowo. Dzięki temu nie można w nim nic zmieniać, z wyjątkiem programu mikrokontrolera. Wykonanie tej metody modernizacji zapewnia obecność w urządzeniu złącza, do którego podłączone są cztery linie informacyjne jego mikrokontrolera oraz napięcie zasilania. Do tego złącza podłącza się osprzęt. Pierwszym krokiem w tym kierunku było stworzenie przystawki do pomiaru indukcyjności, opisanej w [2]. Nowa przystawka jest przeznaczona do zbierania kondensatorów, które mają być tylko zamontowane w jakimś urządzeniu, a nie do pomiaru ich parametrów bez wylutowania z urządzenia. Na tej podstawie uznałem za możliwe zwiększenie napięcia na mierzonym kondensatorze, co umożliwiło zmniejszenie błędu pomiaru. Przy proponowanym przystawce urządzenie w trybie pomiaru pojemności i ESR posiada: Cechy:
Pomiar pojemności i EPS opiera się na zasadzie ładowania mierzonego kondensatora stabilnym prądem i ustalania momentów, w których napięcie na nim osiąga dwa poziomy kontrolne (progi). Zasada ta jest stosowana w wielu innych urządzeniach, na przykład [3]. Strukturalnie rozważany przedrostek powtarza część pomiarową tego urządzenia.
Schemat mocowania pokazano na ryc. 1. W porównaniu z [3] wprowadzono następujące zmiany: - usunięto diody, które mają chronić elementy urządzenia przed uszkodzeniem w przypadku podłączenia do niego naładowanego kondensatora o dużej pojemności. Istnieją dwa powody. Po pierwsze, zdaniem autora, pełnią one swoją funkcję ochronną w bardzo ograniczonym stopniu. Na przykład z kondensatora przypadkowo podłączonego do urządzenia o pojemności kilku tysięcy mikrofaradów, naładowanego do napięcia 50 V lub więcej, nadal nie oszczędzają. Po drugie, diody nie pozwalają, aby napięcie na mierzonym kondensatorze było większe niż poziom ich otwarcia. W przypadku rezygnacji z diod, funkcję zabezpieczającą w tych samych granicach można zrealizować za pomocą tranzystora VT3 przy odpowiednim sterowaniu przez mikrokontroler. A z punktu widzenia bezpieczeństwa pracy z urządzeniem prawidłowe będzie przed podłączeniem do urządzenia kondensatora o dużej pojemności (zwłaszcza wysokiego napięcia), należy go rozładować; - dekoder wykorzystuje tylko jeden generator prądu stałego (GST), który zapewnia pomiary w całym wskazanym powyżej zakresie pojemności. Różni się od oryginału większą stabilnością prądu wyjściowego. Osiąga się to poprzez zastosowanie równolegle zintegrowanego regulatora napięcia o zwiększonej dokładności oraz tranzystora o wysokim bazowym współczynniku przenoszenia prądu. Dodatkowo zwiększono prąd wyjściowy GTS, co zmniejszyło błąd pomiaru (zwłaszcza ESR) związany z prądem upływu kondensatora. Obsługę dekodera, przetwarzanie sygnałów z niego pochodzących i niezbędne obliczenia wykonuje mikrokontroler połączonego instrumentu. Odstępy czasu są zliczane przez 32-bitowe timery, taktowane zegarem 32 MHz, co zapewnia nie tylko wysoką dokładność pomiaru, ale także dużą teoretyczną górną granicę mierzonej pojemności (kilka faradów). Osiągnięcie takiej granicy jest jednak w praktyce trudne, ponieważ wraz ze wzrostem jego pojemności szybkość narastania napięcia na mierzonym kondensatorze staje się bardzo mała, w wyniku czego błąd w wyznaczeniu momentu osiągnięcia przez komparator wartości progowej wzrasta. Dlatego maksymalna mierzalna pojemność jest ograniczona programowo do 99999 uF, co jest wystarczające do większości praktycznych celów. Po podłączeniu przystawki do urządzenia i przełączeniu go w tryb pomiaru pojemności i EPS mikrokontroler otwiera tranzystor VT3 i zamyka tranzystor VT1, co powoduje wyłączenie GTS. Wejścia odwracające komparatorów mikroukładu DA2 są zasilane przykładowymi napięciami z dzielnika R4-R6, który ustala progi ich działania (U1≈0,25 V; U2≈0,5 V). Na wyjściach obu komparatorów w stanie początkowym ustawione są logicznie niskie poziomy napięć. Następny zmierzony kondensator Cx podłącz do złącza X1 dekodera i naciskając odpowiedni przycisk na urządzeniu rozpocznij proces pomiaru. Przez pierwsze trzy sekundy po uruchomieniu program utrzymuje tranzystor VT3 w stanie otwartym w celu usunięcia ewentualnego ładunku szczątkowego mierzonego kondensatora, po czym zamyka ten tranzystor i otwiera tranzystor VT1, w tym HTS. Od tego momentu prąd wyjściowy HTS Iartykuł zaczyna ładować kondensator Cx. Prąd wejściowy komparatorów można zignorować, ponieważ w porównaniu do Iartykułjest bardzo mały. Podczas ładowania napięcie na kondensatorze rośnie liniowo. Równocześnie z włączeniem GTS program uruchamia dwa 32-bitowe timery mikrokontrolera w celu określenia czasu narastania napięcia na kondensatorze do progów komparatorów. W momencie zadziałania każdego komparatora poziom napięcia na jego wyjściu staje się wysoki. Po naprawieniu tego program zatrzymuje odpowiedni timer. Po działaniu obu komparatorów proces pomiarowy kończy się, program zamyka tranzystor VT1, wyłączając tym GTS i otwiera VT3, rozładowując mierzony kondensator przez jego otwarty kanał w celu przygotowania prefiksu do następnego cyklu pomiarowego. Następnie wykonuje obliczenia pojemności i ESR i wyświetla wyniki na ekranie LCD połączonego instrumentu. Formuła obliczania wydajności: C=Iartykuł (t2 - t1)/(U2 - U1) gdzie t1, T2 - momenty osiągnięcia napięcia na mierzonym kondensatorze odpowiednio pierwszego i drugiego poziomu progowego; u1, LUB2 - napięcia pierwszego i drugiego poziomu progowego. Po obliczeniu pojemności program oblicza EPS. Sposób jego obliczania ilustrują wykresy na ryc. 2. Czerwona linia na nim to wykres ładowania rzeczywistego zmierzonego kondensatora. Ze względu na obecność EPS napięcie na nim w momencie rozpoczęcia ładowania gwałtownie wzrasta do UR - spadek napięcia na EPS kondensatora, gdy przepływa przez niego prąd ładowania Icr. Próg U1 i Ty2 napięcie na kondensatorze osiąga odpowiednio momenty t1 oraz t2. Niebieska linia pokazuje krzywą ładowania idealnego kondensatora o tej samej pojemności (pamiętaj, że pojemność została już zmierzona). Ponieważ ESR idealnego kondensatora wynosi zero, napięcie na kondensatorze zaczyna rosnąć liniowo od zera. Niebieska linia biegnie równolegle do czerwonej linii, ponieważ prąd ładowania Iartykuł ustabilizowany i nie zależy od EPS. Napięcie na idealnym kondensatorze osiągnęłoby U2 w czasie t3, który można określić wzorem t3 =U2 Cx/Iartykuł. Rozważmy teraz dwa trójkąty ABC i A'B'C. Są podobne, dlatego możesz zrobić proporcję: B'C/BC = A'C/AC
Z ryc. 2 wynika z tego, że: BC=t2; AC=U2 - UR; B'C = t3; A'C = U2. Podstawiając te wartości do powyższej proporcji otrzymujemy t3 / T2 =U2 /(U2 - UR). Biorąc pod uwagę wzór na obliczenie t3 po prostych przekształceniach łatwo stwierdzić, że spadek napięcia na EPS jest równy UR =U2 -artykuł (t2/Cx). I na koniec otrzymujemy pożądaną wartość EPS dzieląc przez Iartykuł lewą i prawą stronę poprzedniego wzoru: R = (U2/Iartykuł) - (T2/Cx). To obliczenie można również przeprowadzić na pierwszym progu, zastępując zmienne U2 oraz t2 odpowiednio na U1 oraz t1. Znaleziona pojemność i wartości ESR mierzonego kondensatora są wyświetlane przez program na ekranie LCD połączonego instrumentu. Prefiks jest montowany na płytce drukowanej o wymiarach 30x60 mm, której rysunek pokazano na ryc. 3. Przeznaczony jest do montażu elementów do montażu powierzchniowego.
Wszystkie rezystory i kondensatory są wielkości 1206. Prefiks jest podłączony do złącza XS1 urządzenia [1] za pomocą płaskiego kabla z wtykiem X2 (PLS8). Napięcie +2 V z wewnętrznego zasilacza przyrządu należy podłączyć do pinu 1 złącza XS5. Zamiast tranzystora VS857C można zastosować inny tranzystor małej mocy o strukturze p-n-p o podstawowym współczynniku przenoszenia prądu co najmniej 250, a zamiast tranzystora VS847C można zastosować dowolny tranzystor małej mocy o strukturze npn. Oba tranzystory muszą być w pakiecie SOT23, w przeciwnym razie płytka drukowana będzie musiała zostać przerobiona. Wymiana tranzystora IRLL024Z - efekt polowy z izolowaną bramką i kanałem n. Musi być zaprojektowany do kontrolowania poziomów napięć logicznych, mieć rezystancję otwartego kanału nie większą niż 50 ... 80 mOhm, pojemność bramki nie większą niż 500 ... /P można zastąpić LM850. Tablica jest umieszczona w dowolnym wygodnym etui. Wygodne jest użycie zacisków sprężynowych jako złącza X1 do podłączenia mierzonego kondensatora do przystawki. Ustawienie takich urządzeń jest zwykle najtrudniejszym etapem ich produkcji. Wszystkie urządzenia do pomiaru pojemności i ESR, których opisy spotkałem, wymagają dokładnego doboru kilku części, a niektóre (na przykład [3]) dodatkowo wykonują szereg obliczeń i modyfikują program mikrokontrolera pod konkretny przypadek wyprodukowane urządzenie. Jest to dość pracochłonny proces, dlatego przy projektowaniu omawianego dekodera regulację sprzętową zastąpiłem pomiarem wartości wyznaczających parametry i wprowadzeniem ich do działającego urządzenia w celu dalszego wykorzystania. Innymi słowy, proces kompletacji części został zastąpiony operacją kalibracji oprogramowania. Wyniki kalibracji są przechowywane w pamięci EEPROM mikrokontrolera zespołu wskaźników, więc wystarczy to zrobić tylko raz. Kalibracja wymaga multimetru zdolnego do pomiaru prądu stałego 5...20 mA z dokładnością do co najmniej dwóch miejsc po przecinku oraz napięcia stałego 0...2 V z dokładnością do co najmniej trzech miejsc po przecinku punkt. Większość niedrogich multimetrów cyfrowych dobrze spełnia te wymagania. Program w wersji 2.05 załączony do artykułu należy załadować do mikrokontrolera urządzenia. Podłącz dekoder, do którego złącza X1 nic nie jest podłączone, do urządzenia i włącz do niego zasilanie. Na ekranie LCD pojawi się menu główne pokazane na rys. 4. Następnie pozwól urządzeniu rozgrzać się przez dwie do trzech minut, aby ustalić warunki termiczne. Wejście w tryb pomiaru pojemności i EPS następuje po trzecim naciśnięciu klawisza „GN”. Nie jest to zbyt szybkie i wygodne, ale na klawiaturze urządzenia przez długi czas nie ma wolnych klawiszy.
Przy pierwszym przełączeniu w tryb pomiaru pojemności i ESR program mikrokontrolera, nie znajdując w swojej pamięci EEPROM wartości współczynników kalibracji, które można poprawnie zinterpretować, automatycznie wywoła podprogram kalibracji. Jeśli tak się nie stanie, wywołaj go, naciskając klawisz „2”. Ekran LCD przyjmie postać pokazaną na rys. 5.
Program poprosi o podanie kolejno wartości czterech parametrów: prądu GTS, napięć pierwszego i drugiego progu oraz rezystancji połączenia, towarzysząc żądaniom szczegółowym interaktywnym menu. Dokładną wartość każdego żądanego parametru należy zmierzyć multimetrem i wpisać na klawiaturze urządzenia. Prąd GTS (Iartykuł) mierzy się podłączając multimetr w trybie pomiaru prądu do złącza X1 dekodera. Powinien mieścić się w granicach 10 ... 25 mA. Napięcie U1 mierzona na pinie 6 układu DA2. Dopuszczalne granice - 0,2 ... 0,32 V. Napięcie U2 mierzone na pinie 2 tego samego układu. Dopuszczalne granice - 0,42 ... 0,55 V. Ustaw na razie wartość rezystancji połączenia na zero. Jest to rezystancja przewodów łączących i styków złącza, za pomocą których mierzony kondensator jest podłączony do przystawki. Często jest to porównywalne z ESR tego kondensatora. Ale o jego rachunkowości porozmawiamy później. Po wprowadzeniu wszystkich wymaganych parametrów na ekranie pojawi się na 2 s napis „CALIBRATED” i urządzenie przejdzie w tryb pomiaru pojemności i ESR. Wygląd ekranu LCD po przejściu w ten tryb pokazano na rys. 6, a po pomiarze - na ryc. 7. Jeśli zmierzona wartość ESR jest mniejsza niż 0,01 oma, jest wyświetlana jako zero.
Teraz urządzenie jest sprawne i pozwala na wykonanie ostatniego kroku kalibracji - wyznaczenie rezystancji połączenia. W tym celu podłącz kondensator o pojemności 1 ... 3300 μF do złącza X4700 i naciskając przycisk „D” rozpocznij pomiar jego pojemności i ESR. Po zapamiętaniu zmierzonej wartości ESR należy powtórzyć operację podłączając ten sam kondensator bezpośrednio do pól stykowych wspomnianego złącza na płytce drukowanej dekodera. Różnica między dwoma uzyskanymi wartościami EPS będzie wartością rezystancji połączenia. Teraz pozostaje przenieść urządzenie w tryb kalibracji poprzez naciśnięcie przycisku „2” i wpisanie uzyskanej wartości do programu. Urządzenie jest gotowe do pracy. Czas wykonania jednego pomiaru mieści się w przedziale 3...6 s. Nie może być krótszy niż 3 s, bo tyle czasu w programie jest przeznaczone na rozładowanie mierzonego kondensatora. Sam proces pomiaru trwa nie dłużej niż 3 s. W trakcie pomiarów na ekranie urządzenia mogą pojawiać się komunikaty o przekroczeniu przez zmierzoną wartość pojemności górnej lub dolnej dopuszczalnej granicy, a także o nieprawidłowym działaniu przystawki. To ostatnie wskazuje na awarię systemu przerwań mikrokontrolera, która może wystąpić podczas jakichkolwiek manipulacji z działającym dekoderem za pomocą urządzeń, które mają zasilanie sieciowe. Aby przywrócić normalne działanie, należy wyłączyć i ponownie włączyć zespół wskaźników. Opisany przedrostek umożliwia pomiar niskiej rezystancji czynnej w zakresie 0,01 ... 0,2 Ohm, z czym słabo radzą sobie proste multimetry. W tym celu mierzony rezystor należy podłączyć szeregowo do złącza X1 z kondensatorem, którego ESR zostało wcześniej zmierzone. Po zmierzeniu ESR takiego obwodu od wyniku odejmuje się wartość ESR kondensatora. Reszta to rezystancja mierzonego rezystora. Urządzenie przechodzi do innych trybów pracy poprzez naciśnięcie przycisków „OS”, „LA” lub „GN”. Jeżeli użytkownik dysponuje kondensatorem, którego parametry znane są z góry z dużą dokładnością, wskazane jest dokonanie ich pomiaru za pomocą wyprodukowanej przystawki w celu oceny poprawności jego działania. W przypadku stwierdzenia znacznych różnic między parametrami mierzonymi a znanymi należy szukać ich przyczyn. Mogą to być wadliwe części lub błędy w pomiarze i wprowadzaniu parametrów do programu podczas kalibracji. Obecność wadliwych części albo radykalnie kilkukrotnie zniekształca wyniki pomiarów, albo prowadzi do ich znacznych skoków z pomiaru na pomiar. To ostatnie jest typowe dla niestabilnych komparatorów. Przy błędach pomiaru i wprowadzania parametrów kalibracyjnych wyniki są stabilne, ale nieprawdziwe. To właśnie te błędy są głównymi źródłami błędów przyrządu. Błędne wartości progowe mają szczególnie silny wpływ na wynik. Tutaj błąd 2 ... 3 mV prowadzi do zmiany zmierzonej wartości ESR o kilka omów. Bez dokładnego multimetru, ale z kondensatorem odniesienia błąd można wyeliminować eksperymentalnie, zmieniając parametry kalibracji wejściowej w małych granicach. Program mikrokontrolera w wersji 2.05 oraz plik PCB w formacie Sprint Layout 5.0 można pobrać z ftp://ftp.radio.ru/pub/2017/02/2-05.zip. literatura
Autor: A. Sawczenko
Maszyna do przerzedzania kwiatów w ogrodach
02.05.2024 Zaawansowany mikroskop na podczerwień
02.05.2024 Pułapka powietrzna na owady
01.05.2024
▪ Karta graficzna AMD FirePro W4300 ▪ Dobry cholesterol chroni przed sepsą ▪ Projektor laserowy Epson Pro L30000UNL
▪ część serwisu Transfer danych. Wybór artykułu ▪ artykuł Czy widzisz wschód i zachód słońca Ziemi na Księżycu? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Inżynier instalacji mycia par kół wózków. Standardowe instrukcje dotyczące ochrony pracy ▪ artykuł Sekret promienia słońca. eksperyment fizyczny
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony