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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Mesure de capacité et ESR de condensateurs avec un instrument combiné. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Technique de mesure L'auteur propose aux radioamateurs qui ont assemblé l'appareil [1] un accessoire pour celui-ci, avec lequel ils peuvent mesurer la capacité et l'ESR des condensateurs. La connaissance de ces paramètres, notamment ESR, est aujourd'hui assez souvent nécessaire, par exemple dans la fabrication de divers dispositifs à impulsions. Lors de la modernisation de l'appareil combiné [1], j'ai décidé, en créant de petites pièces jointes pour celui-ci, d'introduire dans l'appareil de nouvelles fonctions relativement rarement utilisées qui ne peuvent être implémentées uniquement sous forme logicielle. Cela permet de ne rien changer en lui-même, à l'exception du programme du microcontrôleur. La mise en œuvre de cette méthode de modernisation est assurée par la présence dans l'appareil d'un connecteur auquel sont sorties quatre lignes d'informations de son microcontrôleur et la tension d'alimentation. Les décodeurs sont connectés à ce connecteur. La première étape dans cette direction a été la création d'un accessoire pour mesurer l'inductance, décrit dans [2]. Le nouvel accessoire est conçu pour sélectionner des condensateurs qui sont uniquement censés être installés dans certains appareils, et non pour mesurer leurs paramètres sans les retirer de l'appareil. Sur cette base, j'ai trouvé qu'il était possible d'augmenter la tension sur le condensateur mesuré, ce qui a permis de réduire l'erreur de mesure. Avec l'accessoire proposé, l'appareil en mode de mesure de capacité et ESR a les caractéristiques suivantes Traits:
La base de la mesure de la capacité et de l'ESR est le principe consistant à charger le condensateur mesuré avec un courant stable et à enregistrer les moments où la tension atteint deux niveaux de contrôle (seuils). Ce principe est utilisé dans de nombreux autres appareils, par exemple [3]. Structurellement, l'accessoire considéré répète la partie mesure de cet appareil.
Le schéma de fixation est présenté sur la Fig. 1. Par rapport à [3], les modifications suivantes ont été apportées : - les diodes ont été supprimées, ce qui devrait protéger les éléments de l'appareil contre les dommages lors de la connexion d'un condensateur chargé de haute capacité. Il y a deux raisons. Premièrement, selon l’auteur, ils remplissent leur fonction protectrice dans une mesure très limitée. Par exemple, ils ne vous épargneront toujours pas un condensateur d'une capacité de plusieurs milliers de microfarads connecté accidentellement à un appareil et chargé à une tension de 50 V ou plus. Deuxièmement, les diodes ne permettent pas à la tension sur le condensateur mesuré d'être supérieure à leur niveau d'ouverture. Si les diodes sont abandonnées, la fonction de protection dans les mêmes limites peut être réalisée à l'aide du transistor VT3 s'il est correctement contrôlé par le microcontrôleur. Et du point de vue de la sécurité du travail avec l'appareil, il serait correct qu'avant de connecter un gros condensateur (surtout à haute tension) à l'appareil, veillez à le décharger ; - le décodeur utilise un seul générateur de courant stable (GCT), qui fournit des mesures sur toute la plage de capacités indiquée ci-dessus. Il diffère de l'original par une plus grande stabilité du courant de sortie. Ceci est obtenu grâce à l'utilisation d'un stabilisateur de tension intégré en parallèle d'une précision accrue et d'un transistor avec un coefficient de transfert de courant de base élevé. De plus, le courant de sortie du GTS a été augmenté, ce qui a réduit l'erreur de mesure (notamment l'ESR) associée au courant de fuite du condensateur. Le contrôle du fonctionnement du décodeur, le traitement des signaux reçus de celui-ci et les calculs nécessaires sont effectués par le microcontrôleur de l'appareil combiné. Les intervalles de temps sont comptés par ses minuteries 32 bits, cadencées à une fréquence de 32 MHz, ce qui garantit non seulement une précision de mesure élevée, mais également une grande limite supérieure théorique de la capacité mesurée (plusieurs farads). Cependant, atteindre une telle limite est difficile en pratique car le taux d'augmentation de la tension aux bornes du condensateur mesuré devient très faible à mesure que sa capacité augmente, ce qui entraîne une augmentation de l'erreur dans la détermination du moment où le seuil est atteint par le comparateur. Par conséquent, la capacité maximale mesurée est limitée par logiciel à 99999 XNUMX µF, ce qui est tout à fait suffisant pour la plupart des applications pratiques. Après avoir connecté le décodeur à l'appareil et l'avoir commuté en mode de mesure de capacité et ESR, le microcontrôleur ouvre le transistor VT3 et ferme le transistor VT1, ce qui désactive le GTS. Les entrées inverseuses des comparateurs du microcircuit DA2 sont alimentées par des tensions de référence provenant du diviseur R4-R6, qui fixent leurs seuils de réponse (U1≈0,25V; tu2≈0,5V). Les sorties des deux comparateurs sont initialement réglées sur des niveaux de tension logiquement bas. Condensateur mesuré suivant Cx connectez-vous au connecteur X1 du décodeur et appuyez sur la touche correspondante de l'appareil pour démarrer le processus de mesure. Pendant les trois premières secondes après le démarrage, le programme maintient le transistor VT3 à l'état ouvert pour éliminer une éventuelle charge résiduelle du condensateur mesuré, après quoi il ferme ce transistor et ouvre le transistor VT1, activant ainsi le GTS. A partir de ce moment, le courant de sortie du GTS Iarticle commence à charger le condensateur Cx. Le courant d'entrée des comparateurs peut être ignoré, car par rapport à Iarticlec'est extrêmement petit. Pendant la charge, la tension aux bornes du condensateur augmente de manière linéaire. Simultanément à la mise sous tension du GTS, le programme démarre deux minuteries 32 bits du microcontrôleur pour déterminer la durée de montée en tension sur le condensateur jusqu'aux seuils de fonctionnement des comparateurs. Au moment où chaque comparateur est déclenché, le niveau de tension à sa sortie devient élevé. Après avoir enregistré cela, le programme arrête le minuteur correspondant. Une fois les deux comparateurs déclenchés, le processus de mesure se termine, le programme ferme le transistor VT1, désactivant le GTS et ouvre VT3, déchargeant le condensateur mesuré via son canal ouvert afin de préparer le décodeur pour le prochain cycle de mesure. Il effectue ensuite des calculs de capacité et d'ESR et affiche les résultats sur l'écran LCD du combiné d'instruments. Formule de calcul de capacité : C=jearticle (t2 - T1)/(U2 - U1) où t1, T2 - les moments où la tension sur le condensateur mesuré atteint respectivement le premier et le deuxième niveaux de seuil ; U1, ELLE EST2 - les tensions des premier et deuxième niveaux de seuil. Après avoir calculé la capacité, le programme calcule l'ESR. La méthode de calcul est illustrée par les graphiques de la Fig. 2. La ligne rouge dessus est le graphique de charge du condensateur réel mesuré. En raison de la présence d'EPS, la tension à ses bornes au début de la charge passe à UR - chute de tension aux bornes de l'EPS du condensateur lorsque le courant de charge Icr le traverse. Valeurs seuils U1 et toi2 la tension sur le condensateur atteint respectivement aux instants t1 et t2. La ligne bleue montre le graphique de charge d'un condensateur idéal de même capacité (rappelez-vous que la capacité a déjà été mesurée). Puisque l'ESR d'un condensateur idéal est nul, la tension aux bornes du condensateur commence à augmenter linéairement à partir de zéro. La ligne bleue est parallèle à la ligne rouge car le courant de charge Iarticle stabilisé et ne dépend pas du PSE. La tension aux bornes d'un condensateur idéal atteindrait le niveau U2 au temps t3, qui peut être déterminé par la formule t3 =U2 Cx/Iarticle. Considérons maintenant deux triangles ABC et A'B'C. Ils sont similaires, on peut donc faire une proportion : B'C/BC = A'C/AC
De la fig. 2 il en résulte que : CB=t2; CA=U2 - UR; B'C = t3; A'C = U2. En substituant ces valeurs dans la proportion ci-dessus, on obtient t3 /t2 =U2 /(U2 - UR). Étant donné la formule de calcul de t3 après de simples transformations, il est facile de déterminer que la chute de tension aux bornes de l'EPS est égale à UR =U2 - Jearticle (t2/Cx). Et enfin, nous obtenons la valeur souhaitée d'EPS en divisant par Iarticle côtés gauche et droit de la formule précédente : R = (U2/Iarticle) - (t2/Cx). Ce calcul peut également être effectué sur le premier seuil en remplaçant les variables U2 et t2 respectivement sur U1 et t1. Le programme affiche les valeurs trouvées de capacité et d'ESR du condensateur mesuré sur l'écran LCD de l'instrument combiné. L'accessoire est assemblé sur un circuit imprimé mesurant 30x60 mm, dont le dessin est représenté sur la Fig. 3. Il est conçu pour accepter les composants montés en surface.
Toutes les résistances et condensateurs sont de taille standard 1206. L'accessoire est connecté au connecteur XS1 de l'appareil [1] avec un câble plat avec fiche X2 (PLS8). La broche 2 du connecteur XS1 doit être alimentée en +5 V depuis l’alimentation interne de l’appareil. Au lieu du transistor BC857S, vous pouvez utiliser un autre transistor à structure PNP de faible puissance avec un coefficient de transfert de courant de base d'au moins 250, et au lieu du transistor BC847S, n'importe quel transistor à structure NPN de faible puissance. Les deux transistors doivent être dans le boîtier SOT23, sinon le PCB devra être repensé. Remplacement du transistor IRLL024Z - effet de champ par une grille isolée et un canal N. Il doit être conçu pour contrôler les niveaux de tension logiques, avoir une résistance de canal ouvert ne dépassant pas 50...80 mOhm, une capacité de grille ne dépassant pas 500...850 pF et un courant de drain constant admissible d'au moins 4. A. La puce de comparaison MCP6542-I /P peut être remplacée par LM293. Le tableau est placé dans n'importe quel cas pratique. Il est pratique d'utiliser des pinces à ressort comme connecteur X1 pour connecter le condensateur à mesurer à l'accessoire. La mise en place de tels dispositifs constitue généralement l'étape la plus difficile de leur fabrication. Tous les appareils de mesure de capacité et d'ESR, dont j'ai rencontré les descriptions, nécessitent la sélection précise de plusieurs pièces, et certains (par exemple, [3]) nécessitent également une série de calculs et de modifications du programme du microcontrôleur pour une instance spécifique de l’appareil fabriqué. Il s'agit d'un processus plutôt laborieux, donc lors de la conception du décodeur en question, j'ai remplacé la configuration matérielle par la mesure des valeurs des paramètres de définition et leur saisie dans le dispositif d'exploitation pour une utilisation ultérieure. Autrement dit, le processus de sélection des pièces est remplacé par une opération de calibrage logiciel. Les résultats de l'étalonnage sont stockés dans l'EEPROM du microcontrôleur de l'instrument combiné, ils ne doivent donc être effectués qu'une seule fois. Pour l'étalonnage, vous aurez besoin d'un multimètre capable de mesurer un courant continu de 5 à 20 mA avec une précision d'au moins deux décimales et une tension continue de 0 à 2 V avec une précision d'au moins trois décimales. La plupart des multimètres numériques bon marché satisfont pleinement à ces exigences. La version 2.05 du programme jointe à l'article doit être chargée dans le microcontrôleur de l'appareil. Connectez le décodeur, au connecteur X1 dont rien n'est connecté, à l'appareil et alimentez-le. Le menu principal illustré sur la figure 4 sera affiché sur l'écran LCD. XNUMX. Laissez ensuite l'appareil chauffer pendant deux à trois minutes pour établir les conditions thermiques. On accède au mode de mesure de capacité et d'EPS en appuyant une troisième fois sur la touche "GN". Ce n’est ni très rapide ni pratique, mais il n’y a plus de touches libres sur le clavier de l’appareil depuis longtemps.
Lorsque vous passez pour la première fois en mode de mesure de capacité et d'ESR, le programme du microcontrôleur, ne trouvant pas dans son EEPROM de valeurs de coefficient d'étalonnage pouvant être correctement interprétées, appellera automatiquement le sous-programme d'étalonnage. Si cela ne se produit pas, appelez-le en appuyant sur la touche "2". L'écran LCD prendra la forme montrée sur la Fig. 5.
Le programme vous demandera de saisir alternativement les valeurs de quatre paramètres : courant GTS, tensions des premier et deuxième seuils et résistance de connexion, accompagnant les demandes d'un menu interactif détaillé. La valeur exacte de chaque paramètre demandé doit être mesurée avec un multimètre et saisie sur le clavier de l'appareil. Courant GTS (Iarticle) sont mesurés en connectant un multimètre en mode mesure de courant au connecteur X1 du décodeur. Elle doit être comprise entre 10 et 25 mA. Tension U1 mesuré à la broche 6 de la puce DA2. Limites admissibles - 0,2...0,32 V. Tension U2 mesuré à la broche 2 du même microcircuit. Limites admissibles - 0,42...0,55 V. Réglez la valeur de la résistance de connexion sur zéro pour le moment. Il s'agit de la résistance des fils de connexion et des contacts du connecteur avec lesquels le condensateur mesuré est connecté au décodeur. Il est souvent comparable à l'ESR de ce condensateur. Mais nous en reparlerons plus tard. Après avoir saisi tous les paramètres requis, le message « CALIBRE » apparaîtra sur l'écran pendant 2 s et l'appareil passera en mode de mesure de capacité et ESR. L'apparence de l'écran LCD après le passage à ce mode est illustrée à la Fig. 6, et après avoir effectué la mesure - sur la Fig. 7. Si la valeur ESR mesurée est inférieure à 0,01 Ohm, elle s'affiche égale à zéro.
L'appareil est désormais opérationnel et vous permet d'effectuer la dernière étape d'étalonnage : déterminer la résistance de connexion. Pour ce faire, connectez un condensateur d'une capacité de 1...3300 μF au connecteur X4700 et, en appuyant sur le bouton « D », commencez à mesurer sa capacité et son ESR. Après avoir mémorisé la valeur ESR mesurée, vous devez répéter l'opération en connectant le même condensateur directement aux plages de contact du connecteur mentionné sur le circuit imprimé du décodeur. La différence entre les deux valeurs ESR obtenues sera la valeur de la résistance de connexion. Il ne reste plus qu'à mettre l'appareil en mode calibrage en appuyant sur le bouton « 2 » et à saisir la valeur obtenue dans le programme. L'appareil est prêt à l'emploi. Le temps nécessaire pour effectuer une mesure est compris entre 3 et 6 s. Elle ne peut pas être inférieure à 3 s, car il s'agit du temps alloué dans le programme pour décharger le condensateur mesuré. Le processus de mesure proprement dit ne prend pas plus de 3 secondes. Pendant les mesures, des messages concernant la valeur de capacité mesurée dépassant la limite supérieure ou inférieure autorisée, ainsi que sur un dysfonctionnement du décodeur, peuvent être affichés sur l'écran de l'appareil. Ce dernier indique un dysfonctionnement du système d'interruption du microcontrôleur, qui peut survenir lors de toute manipulation avec un décodeur fonctionnel utilisant des appareils alimentés sur secteur. Pour rétablir un fonctionnement normal, l'appareil combiné doit être éteint puis rallumé. L'accessoire décrit permet de mesurer une faible résistance active dans la plage de 0,01 à 0,2 Ohms, ce que les multimètres simples font mal. Pour ce faire, il convient de connecter la résistance mesurée au connecteur X1 en série avec le condensateur dont l'ESR a été préalablement mesuré. Après avoir mesuré l'ESR d'un tel circuit, la valeur de l'ESR du condensateur est soustraite du résultat. Le reste est la résistance de la résistance mesurée. L'appareil passe à d'autres modes de fonctionnement en appuyant sur les boutons « OS », « LA » ou « GN ». Si l'utilisateur dispose d'un condensateur dont les paramètres sont connus à l'avance avec une grande précision, il est conseillé de les mesurer à l'aide d'un accessoire fabriqué afin d'évaluer l'exactitude de son fonctionnement. Si des différences significatives entre les paramètres mesurés et ceux connus sont détectées, leurs causes doivent être recherchées. Il peut s'agir de pièces défectueuses ou d'erreurs de mesure et de saisie des paramètres dans le programme lors de l'étalonnage. La présence de pièces défectueuses soit déforme radicalement les résultats de mesure à plusieurs reprises, soit entraîne des sauts importants de mesure en mesure. Ce dernier est typique des comparateurs instables. S'il y a des erreurs dans la mesure et la saisie des paramètres d'étalonnage, les résultats sont stables, mais faux. Ces erreurs sont les principales sources d’erreur des instruments. Des valeurs seuils erronées ont un impact particulièrement fort sur les résultats. Ici, une erreur de 2...3 mV entraîne une modification de la valeur ESR mesurée de plusieurs ohms. Sans multimètre précis, mais avec un condensateur de référence, l'erreur peut être éliminée expérimentalement en modifiant les paramètres d'étalonnage saisis dans de petites limites. Le programme du microcontrôleur version 2.05 et le fichier de carte de circuit imprimé au format Sprint Layout 5.0 peuvent être téléchargés depuis ftp://ftp.radio.ru/pub/2017/02/2-05.zip. littérature
Auteur : A. Savchenko
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