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無線電子工学および電気工学の百科事典 複合機器によるコンデンサの静電容量とESRの測定。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
著者は、この装置を組み立てたアマチュア無線家 [1] に、コンデンサの静電容量と ESR を測定できるアタッチメントを提供しています。 これらのパラメータ、特に ESR を知ることは、今日、たとえばさまざまなパルスデバイスの製造において非常に頻繁に必要とされます。 結合デバイス [1] の最新化の際、私は、そのデバイス用の小さなアタッチメントを作成することで、ソフトウェアだけでは実装できない、比較的まれに使用される新しい機能をデバイスに導入することにしました。 これにより、マイクロコントローラープログラムを除いて、それ自体は何も変更しないことが可能になります。 この最新化方法の実装は、マイクロコントローラーの 2 本の情報ラインと電源電圧が出力されるコネクターがデバイス内に存在することによって保証されます。 セットトップ ボックスはこのコネクタに接続されます。 この方向への最初のステップは、[XNUMX] で説明されている、インダクタンスを測定するためのアタッチメントの作成でした。 新しいアタッチメントは、デバイスに取り付けることのみが想定されているコンデンサを選択するために設計されており、デバイスから取り外さずにパラメータを測定するためのものではありません。 これにより、被測定コンデンサの電圧を大きくすることができ、測定誤差を低減できることが分かりました。 提案されたアタッチメントを使用すると、静電容量と ESR を測定するモードのデバイスは次のようになります。 特長:
静電容量とESRの測定の基礎は、測定されたコンデンサを安定した電流で充電し、コンデンサの電圧が3つの制御レベル(しきい値)に達した瞬間を記録するという原理です。 この原理は、たとえば [XNUMX] など、他の多くのデバイスでも使用されています。 構造的には、検討中のアタッチメントはこのデバイスの測定部分を繰り返します。
取り付け図を図に示します。 1. [3] と比較して、次の変更が加えられました。 - ダイオードが削除されています。これにより、充電された大容量コンデンサを接続するときにデバイス要素が損傷するのを防ぎます。 理由は 50 つあります。 第一に、著者によれば、それらは非常に限られた範囲で保護機能を果たします。 たとえば、容量が数千マイクロファラッドのコンデンサが誤ってデバイスに接続され、3 V 以上の電圧に充電されても、それでもあなたを救うことはできません。 第二に、ダイオードでは、測定されるコンデンサの電圧がその開度レベルを超えることはできません。 ダイオードが廃止された場合でも、マイクロコントローラーによって適切に制御されていれば、トランジスタ VTXNUMX を使用して同じ制限内の保護機能を実装できます。 また、デバイスを使用する際の安全性の観点から、大きなコンデンサ (特に高電圧のもの) をデバイスに接続する前に、必ず放電するのが正しいでしょう。 - セットトップ ボックスは、安定電流発生器 (GCT) を XNUMX つだけ使用し、上記の静電容量範囲全体にわたって測定を提供します。 純正品との違いは出力電流の安定性が高いことです。 これは、精度が向上した並列統合電圧安定化装置と、ベース電流伝達係数の高いトランジスタを使用することによって実現されます。 さらに、GTS の出力電流が増加したため、コンデンサの漏れ電流に関連する測定誤差 (特に ESR) が減少しました。 セットトップ ボックスの動作の制御、セットトップ ボックスから受信した信号の処理、および必要な計算は、組み合わせたデバイスのマイクロコントローラーによって実行されます。 時間間隔は、32 MHz の周波数でクロックされる 32 ビット タイマーによってカウントされ、高い測定精度だけでなく、測定される静電容量の理論上の大きな上限 (数ファラッド) も保証されます。 しかし、そのような制限を実際に達成することは、静電容量が増加するにつれて被測定コンデンサの両端の電圧上昇率が非常に小さくなり、その結果、コンパレータが閾値に達する瞬間を決定する際の誤差が増加するため、困難です。 したがって、測定される最大静電容量はソフトウェアで 99999 µF に制限されており、ほとんどの実用的な目的には十分です。 セットトップ ボックスをデバイスに接続し、静電容量および ESR 測定モードに切り替えた後、マイクロコントローラーはトランジスタ VT3 を開き、トランジスタ VT1 を閉じます。これにより、GTS がオフになります。 DA2マイクロ回路のコンパレータの反転入力には、応答しきい値(U)を設定する分圧器R4～R6からの基準電圧が供給されます。1約0,25V; U2≈0,5 V）。 両方のコンパレータの出力は、最初は論理的に低い電圧レベルに設定されます。 次に測定されたコンデンサ Cx セットトップ ボックスのコネクタ X1 に接続し、デバイスの対応するキーを押して測定プロセスを開始します。 起動後の最初の 3 秒間、プログラムはトランジスタ VT1 を開いた状態に保持して、測定されたコンデンサの残留電荷を除去します。その後、このトランジスタを閉じてトランジスタ VTXNUMX を開いて、GTS をオンにします。 この瞬間から、GTS I の出力電流はV コンデンサCの充電を開始しますx。 コンパレータの入力電流は無視できます。V非常に小さいです。 充電中、コンデンサの両端の電圧は直線的に増加します。 GTS をオンにすると同時に、プログラムはマイクロコントローラーの 32 つの XNUMX ビット タイマーを開始し、コンデンサーの電圧がコンパレーターの動作しきい値まで上昇する時間を決定します。 各コンパレータがトリガーされた瞬間に、その出力の電圧レベルが高くなります。 これを記録すると、プログラムは対応するタイマーを停止します。 両方のコンパレータがトリガーされると、測定プロセスが終了し、プログラムはトランジスタ VT1 を閉じて GTS をオフにし、VT3 を開いて、セットトップ ボックスを次の測定サイクルに備えるために、開いたチャネルを通じて測定されたコンデンサを放電します。 次に、静電容量と ESR の計算を実行し、その結果を複合計器パネルの LCD 画面に表示します。 容量計算式： C=IV (t2 - t1）/（U2 -U1) ここで、t1、T2 - 測定されたコンデンサの電圧がそれぞれ第 XNUMX および第 XNUMX のしきい値レベルに達した瞬間。 U1、または2 - 第 2 および第 XNUMX の閾値レベルの電圧。 容量を計算した後、プログラムは ESR を計算します。 その計算方法を図にグラフで示します。 XNUMX. その上の赤い線は、実際に測定されたコンデンサの充電グラフです。 EPS の存在により、充電開始時の EPS 両端の電圧は U にジャンプします。R - 充電電流 Icr が流れるときのコンデンサの EPS 両端の電圧降下。 閾値U1 とU2 コンデンサの電圧はそれぞれの時点 t に達します。1 иのトン2。 青い線は、同じ静電容量の理想的なコンデンサの充電グラフを示しています (静電容量はすでに測定されていることに注意してください)。 理想的なコンデンサの ESR はゼロであるため、コンデンサの両端の電圧はゼロから直線的に増加し始めます。 充電電流 I が大きいため、青い線は赤い線と平行に走ります。V 安定しており、EPS に依存しません。 理想的なコンデンサの両端の電圧はレベル U に達します。2 時刻tに3、式によって決定することができます t3 =U2 ・Cx/IV. ここで、XNUMX つの三角形 ABC と A'B'C について考えてみましょう。 それらは似ているため、次のように比例させることができます。 B'C/BC = A'C/AC
図から2次のようになります。 BC=トン2; AC=U2 -UR; B'C = t3; A'C = U2. これらの値を上記の比率に代入すると、次のようになります t3 /t2 =U2 /（U2 -UR). tを計算するための式が与えられた3 単純な変換の後、EPS の両端の電圧降下が以下に等しいことを簡単に判断できます。 UR =U2 - V (t2/Cx). そして最後に、I で割って EPS の目標値を取得します。V 前の式の左辺と右辺: R =（U2/IV) - (t2/Cx). この計算は、変数Uを置き換えて、最初のしきい値で実行することもできます。2 иのトン2 U 上でそれぞれ1 иのトン1. プログラムは、測定されたコンデンサの静電容量とESRの測定値を組み合わせた機器のLCD画面に表示します。 アタッチメントは 30x60 mm のプリント基板上に組み立てられます。その図を図に示します。 3. 表面実装コンポーネントを受け入れるように設計されています。
すべての抵抗とコンデンサは標準サイズ 1206 です。アタッチメントは、プラグ X1 (PLS1) 付きのフラット ケーブルを使用してデバイス [2] のコネクタ XS8 に接続されます。 XS2 コネクタのピン 1 には、デバイスの内部電源から +5 V が供給される必要があります。 BC857S トランジスタの代わりに、ベース電流伝達係数が少なくとも 250 の別の低電力 pnp 構造トランジスタを使用できます。また、BC847S トランジスタの代わりに、任意の低電力 npn 構造トランジスタを使用できます。 両方のトランジスタが SOT23 パッケージに含まれている必要があります。そうでない場合は、PCB を再設計する必要があります。 IRLL024Z トランジスタ - 電界効果を絶縁ゲートと n チャネルに置き換えます。 論理電圧レベルを制御し、オープンチャネル抵抗が 50 ～ 80 mOhm 以下、ゲート容量が 500 ～ 850 pF 以下、および許容定ドレイン電流が少なくとも 4 であるように設計する必要があります。 A. コンパレータ チップ MCP6542-I /P は LM293 に置き換えることができます。 ボードは便利なケースに入れられます。 測定対象のコンデンサをアタッチメントに接続するコネクタX1にはスプリングクランプを使用すると便利です。 このようなデバイスのセットアップは、通常、製造の中で最も困難な段階です。 私が遭遇した静電容量と ESR を測定するすべてのデバイスでは、いくつかの部品を正確に選択する必要があり、一部 (たとえば [3]) では、特定のインスタンスに合わせて一連の計算とマイクロコントローラー プログラムの変更も必要になります。製造されたデバイスの。 これはかなり労働集約的なプロセスであるため、問題のセットトップボックスを設計するときは、ハードウェアのセットアップを、定義パラメータの値を測定し、その後使用するために操作デバイスに入力することに置き換えました。 言い換えれば、部品を選択するプロセスがソフトウェア キャリブレーション操作に置き換えられます。 校正結果は、組み合わされた計測器用マイクロコントローラの EEPROM に保存されるため、実行する必要があるのは XNUMX 回だけです。 校正には、DC 電流 5 ～ 20 mA を小数点以下 0 桁以上の精度で、DC 電圧 2 ～ XNUMX V を小数点以下 XNUMX 桁以上の精度で測定できるマルチメータが必要です。 ほとんどの安価なデジタル マルチメーターは、これらの要件を完全に満たしています。 記事に添付されているプログラム バージョン 2.05 をデバイスのマイクロコントローラーにロードする必要があります。 何も接続されていないX1コネクタにセットトップボックスを機器に接続し、電源を供給します。 図 4 に示すメインメニューが LCD 画面に表示されます。 XNUMX. 次に、デバイスを XNUMX ～ XNUMX 分間ウォームアップして、温度条件を確立します。 「GN」キーを XNUMX 回押すと、静電容量および EPS 測定モードに入ります。 これはそれほど高速でも便利でもありませんが、デバイスのキーボードには長い間空きキーがありませんでした。
初めて静電容量および ESR 測定モードに切り替えると、マイクロコントローラー プログラムは、正しく解釈できる校正係数値を EEPROM 内に見つけられず、自動的に校正サブルーチンを呼び出します。 これが起こらない場合は、「2」キーを押して呼び出してください。 LCD 画面は図のような形になります。 5.
プログラムは、GTS 電流、第 XNUMX および第 XNUMX のしきい値の電圧、接続抵抗の XNUMX つのパラメーターの値を交互に入力するように求め、詳細な対話型メニューによる要求を伴います。 要求された各パラメーターの正確な値はマルチメーターで測定し、デバイスのキーボードに入力する必要があります。 GTS 電流 (IV) は、マルチメータを電流測定モードでセットトップ ボックスの X1 コネクタに接続することによって測定されます。 10 ～ 25 mA 以内である必要があります。 電圧U1 DA6チップのピン2で測定。 許容限界 - 0,2...0,32 V。電圧 U2 同じマイクロ回路のピン 2 で測定。 許容限界 - 0,42...0,55 V。 とりあえず接続抵抗値をゼロに設定します。 これは、測定されたコンデンサがセットトップ ボックスに接続されている接続ワイヤとコネクタ接点の抵抗です。 多くの場合、このコンデンサの ESR に匹敵します。 ただし、その会計処理については後で説明します。 必要なパラメータをすべて入力すると、「CALIBRATED」というメッセージが画面に 2 秒間表示され、デバイスは静電容量および ESR 測定モードに切り替わります。 このモードに切り替えた後の LCD 画面の外観を図に示します。 図6、および測定実行後の図。 7. 測定された ESR 値が 0,01 オーム未満の場合、ゼロと表示されます。
これでデバイスが動作可能になり、接続抵抗を決定するキャリブレーションの最終段階を実行できるようになります。 これを行うには、1 ～ 3300 μF の容量を持つコンデンサをコネクタ X4700 に接続し、「D」ボタンを押してその静電容量と ESR の測定を開始します。 測定した ESR 値を記憶したら、同じコンデンサをセットトップ ボックスのプリント基板上の前述のコネクタの接触パッドに直接接続して操作を繰り返す必要があります。 得られた2つのESR値の差が接続抵抗の値となります。 あとは、ボタン「XNUMX」を押してデバイスを校正モードに切り替え、結果の値をプログラムに入力するだけです。 デバイスは使用する準備ができています。 3 回の測定にかかる時間は 6 ～ 3 秒の範囲です。 これは、プログラム内で測定されたコンデンサの放電に割り当てられた時間であるため、3 秒未満にすることはできません。 実際の測定プロセスには XNUMX 秒もかかりません。 測定中、測定された静電容量値が許容上限または下限を超えていること、およびセットトップ ボックスの誤動作に関するメッセージがデバイスの画面に表示される場合があります。 後者は、マイクロコントローラーの割り込みシステムの誤動作を示しており、主電源が供給されているデバイスを使用してセットトップ ボックスが動作しているときにあらゆる操作中に発生する可能性があります。 通常の動作を復元するには、複合デバイスのスイッチをオフにして再度オンにする必要があります。 説明されているアタッチメントを使用すると、単純なマルチメータでは測定できない 0,01 ～ 0,2 オームの範囲の低いアクティブ抵抗を測定できます。 これを行うには、測定した抵抗をコネクタ X1 にコンデンサと直列に接続し、その ESR を事前に測定する必要があります。 このような回路の ESR を測定した後、結果からコンデンサの ESR の値が差し引かれます。 残りは測定された抵抗の抵抗値です。 「OS」、「LA」または「GN」ボタンを押すと、デバイスは他の動作モードに切り替わります。 ユーザーが自由に使えるコンデンサを持っており、そのパラメータが事前に高精度にわかっている場合は、その動作の正確さを評価するために、製造された付属品を使用してコンデンサを測定することをお勧めします。 測定されたパラメータと既知のパラメータの間に大きな違いが検出された場合は、その原因を追求する必要があります。 これらは、部品の欠陥、または校正中の測定およびプログラムへのパラメータの入力におけるエラーである可能性があります。 欠陥のある部品が存在すると、測定結果が数倍も根本的に歪むか、測定結果が測定ごとに大幅に変動する可能性があります。 後者は、不安定なコンパレータによく見られます。 測定および校正パラメータの入力にエラーがある場合、結果は安定していますが、真実ではありません。 これらの誤差は、機器誤差の主な原因となります。 しきい値の誤りは、結果に特に大きな影響を与えます。 ここで、2...3 mV の誤差により、測定された ESR 値が数オーム変化します。 正確なマルチメータがなくても、基準コンデンサを使用すれば、入力された校正パラメータを小さな制限内で変更することで誤差を実験的に排除できます。 マイクロコントローラー プログラム バージョン 2.05 と Sprint Layout 5.0 形式のプリント基板ファイルは、ftp://ftp.radio.ru/pub/2017/02/2-05.zip からダウンロードできます。 文学
著者: A. サフチェンコ
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