Прибор для проверки электролитических конденсаторов

Мастера, ремонтирующие радиоаппаратуру, хорошо знают, как часто в отказе аппаратуры виноват электролитический конденсатор. Причем неисправность конденсатора заключается не в потере емкости, а в увеличении активного паразитного сопротивления и обычный измеритель емкости не позволяет выявить такую неисправность.

  Эта статья знакомит с несложным и недорогим прибором, позволяющим достаточно достоверно проверить качество электролитических конденсаторов без их демонтажа. Прибор можно самостоятельно собрать из деталей предлагаемого набора Он позволяет измерять ESR — «последовательное эквивалентное сопротивление» конденсаторов (ESR — Equivalent Series Resistance). Дополнительно прибор позволяет измерять сопротивление низкоомных резисторов, контактных сопротивлений реле и переключателей. Прибор имеет два диапазона измерений: 1:1 и 1:10. Выбор диапазона осуществляется переключателем.

 Немного информации для радиолюбителей, начинающих заниматься ремонтом радиоаппаратуры. Существует обширный класс неисправностей радиоэлектронной аппаратуры, связанный с отказами электролитических конденсаторов. Электролитические конденсаторы — это сложные электрохимические устройства, содержащие жидкий активный электролит, в них применяется точечная сварка и клепка химически несовместимых металлов. Изготовление электролитических конденсаторов требует строгого соблюдения технологической дисциплины, так как малейшее ее нарушение ведет к отказам компонентов Причем коварство этих отказов заключается в том, что их часто невозможно обнаружить при входном контроле, они проявляются в процессе эксплуатации радиоаппаратуры. А так как электролитические конденсаторы используются чаще всего как фильтры питания и переходные конденсаторы, происходит постепенное ухудшение качества работы аппаратуры. Увеличивается количество помех на экране телевизора, усилители начинают все больше «фонить», звук в них постепенно теряет басы, а управляющие микроконтроллеры все чаще начинают давать сбои. Потребители обычно такие дефекты даже не относят к поломкам, а считают это результатом старения аппаратуры. Но даже когда отказ конденсатора привел к полной неработоспособности устройства, замена отказавшего конденсатора не гарантирует качественного ремонта. Ведь велика вероятность того, что и другие конденсаторы в устройстве уже находятся на грани отказа, и это приведет к повторным ремонтам. По этой причине некоторые мастера предпочитают в случае отказа одного из электролитических конденсаторов заменять на плате все конденсаторы на новые. Способ конечно надежный, но весьма трудоемкий и дорогостоящий. Имея же прибор для внутрисхемной диагностики электролитических конденсаторов, можно быстро проверить все конденсаторы и заменить только низкокачественные.

 Диагностика электролитических конденсаторов основывается на принципе: «сопротивление конденсатора должно быть бесконечно большим на постоянном токе и предельно малым на высокой частоте». Сопротивление конденсатора на постоянном токе легко проверить при помощи омметра, работающего на постоянном токе. Для проверки сопротивления конденсаторов на высокой частоте существуют специальные приборы — измерители последовательного эквивалентного сопротивления (ESR). Известные приборы с цифровой индикацией имеют высокую стоимость. Цифровая индикация, необходимая при точных измерениях, оказывается неудобной для быстрых качественных оценок. К тому же конструкция щупов, несмотря на использование цифровой коррекции, не позволяет проводить правильные измерения озчень малых сопротивлений. Это связано с тем, что приборы измеряет модуль комплексного сопротивления цепи между своими клеммами, но она состоит из суммы сопротивления щупов и сопротивления Тестируемого конденсатора. Теоретически можно вычесть сопротивление щупов из суммарного сопротивления цепи и получить точное знамение сопротивления конденсатора. Но на практике комплексное сопротивление щупов в процессе измерений меняется из-за нестабильности контакта в клеммах прибора, изменения индуктивности прово-дов при изменении их взаимного расположения и влияния на них окружающих предметов. Все это не позволяет правильно оценивать сверхмалые сопротивления.

Описание прибора

 Прибор, который можно собрать из набора, работает на принципе тестирования конденсатора переменным током фиксированной величины. В этом случае падение напряжения на конденсаторе прямо пропорционально модулю его комплексного сопротивления. Такой прибор реагирует не только на увеличенное внутреннее сопротивление, но и на потерю конденсатором емкости. Функционально прибор состоит из трех основных узлов: генератора прямоугольных импульсов, прецизионного преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение и блока индикации {Рис. 3).

 Генератор прямоугольных импульсов выполнен на логической интегральной схеме DA1. состоящей из шести логических элементов НЕ. Преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение выполнен на специализированной интегральной микросхеме DA2. Микросхема имеет широкий диапазон линейного преобразования переменного в постоянное напряжение (40 дБ). Блок индикации выполнен на микросхеме специализированного усилителя индикации DA3. В приборе использован аналоговый индикатор на 10 светодиодах с логарифмической шкалой. Шкала измерителя нелинейная. Она сжата в области больших сопротивлений и растянута в области малых сопротивлений. Такая шкала удобна для считывания показаний и обеспечивает наглядный отсчет в широком диапазоне измерений. Для дополнительного расширения диапазона измерений в прибор введен переключатель диапазонов.

 Другая особенность прибора — это использование четырехпроводной схемы подключения измерительных щупов. При такой схеме к измеряемому конденсатору двумя проводами подводится сигнал от генератора, а двумя другими проводами к тому же конденсатору подключается измерительная цепь. Между собой эти две пары проводов соединяются только на конденсаторе. При такой схеме подключения сопротивление соединительных проводов не влияет на результаты изменений, что позволило надежно регистрировать сопротивления порядка 0,05 Ом.

Основные технические характеристики прибора демонстрируют возможности его применения.

Технические характеристики

Напряжение питания [В]................................................................6 (4 элемента AAA)

Ток потребления, не более [мА].................................................... 100

Щиапазон измерения малых сопротивлений [Ом]...........................0.1—3

Диапазон измерения больших сопротивлений [Ом]........................1.0—30

Индикация....................................................................................10 светодиодов

Формат индикации.......................................«светящийся столб»/«бегущая точка»

Габаритные размеры корпуса [мм]................................................120x70x20

Принцип действия

 Прибор выполнен в корпусе BOX-G080 (Рис. 1). В корпусе закреплена печатная плата и кассета на 4 батареи размера AAA (Рис. 2).

 Принцип действия прибора заключается в следующем. На делитель напряжения, образованный образцовым резистором и проверяемым конденсатором, подается переменное напряжение с генератора прямоугольных импульсов. Конденсатор включен в нижнее плечо делителя. С выхода делителя переменное напряжение пропорциональное ESR измеряемого конденсатора поступает на вход преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение. С выхода преобразователя постоянное напряжение поступает на блок индикации, который преобразует поступившее на его вход постоянное напряжение в соответствующее ему количество светящихся светодиодов. Таким образом, измеряемое значение ESR в приборе преобразуется в количество «горящих» светодиодов.

 Рассмотрим электрическую схему устройства. На микросхеме DA1 (HEF4049BP) выполнен генератор прямоугольных импульсов, частота которого определяется элементами времязадающей цепи Rl, C1 (- 80 кГц). С выхода генератора (выводы 2, 4, 6, 11, 15 DA1) прямоугольные импульсы поступают на конденсатор СЗ и далее на делитель напряжения, образованный резистором R3/R2 и испытуемым конденсатором С. Переключатель SW1 позволяет в качестве верхнего плеча делителя выбрать резистор R3 или R2. Так как значения измеряемых сопротивлений много меньше номиналов токоограничивающих резисторов, можно считать, что конденсатор тестируется фиксированным током. Напряжение на конденсаторе будет определяться его емкостным сопротивлением и ESR, то есть будет прямо пропорционально его комплексному сопротивлению.

Переменное напряжение с испытуемого конденсатора через конденсатор С4 поступает на вход (вывод 5 DA2) микросхемы преобразователя КР157ДА1. Микросхема представляет собой сдвоенный линейный детектор с динамическим диапазоном более 50 дБ. Здесь эта микросхема использована в нестандартном включении. Одна ее половина включена в режиме линейного усилителя переменного тока с коэффициентом усиления около 10, а другая в режиме линейного детектора. Такое включение позволило увеличить чувствительность прибора без увеличения постоянного смещения на выходе детектора. Микросхема с высокой точностью преобразует переменное напряжение на ее входе в пропорциональное ему постоянное напряжение на ее выходе. Поскольку входное напряжение, снимаемое с конденсатора С, пропорционально измеряемому значению ESR, напряжение на выходе преобразователя будет также пропорционально ESR.

 С выхода преобразователя (вывод 12 DA2), постоянное напряжение поступает на сглаживающий фильтр R9, С7 и далее на вход логарифмического индикатора на микросхеме LM3915 (вывод 5 DA3). Значения сигнала с шагом 3 дБ отображаются линейкой из 10 светодиодов. Использование логарифмического индикатора позволило обеспечить широкий диапазон измеряемых значений при относительно небольшом числе светодиодов индикации. Особенностью включения микросхемы является то, что опорное напряжение на вывод 6 микросхемы подается не от внутреннего стабилизатора, а с делителя R10, R12, подключенного непосредственно к шине питания. При таком включении при снижении напряжения питания повышается чувствительность индикатора. Одновременно при этом снижается выходное напряжение генератора на микросхеме DA1. Оба эти эффекта компенсируют друг друга, и поэтому удается обеспечить правильные показания прибора при изменении напряжения питания без использования дополнительных стабилизаторов. Яркость свечения светодиодов индикатора задается резистором R11. Итак, микросхема DA3 преобразовала входное постоянное напряжение в соответствующее количество светящихся светодиодов, подключенных к ее выходам. Суммарный потребляемый прибором ток определяется главным образом током «потребления светодиодов индикации. На плате предусмотрена съемная перемычка J1, определяющая режим работы индикатора. При установленной перемычке индикатор работает в режиме «светящийся столб», а при снятой — в более экономичном режиме «бегущая точка», при котором снижается ток потребления прибора. Последний режим будет полезен при питании прибора от батарей.

 Диоды D1 и D2 предназначены для защиты прибора при подключении его к неразряженным конденсаторам. С той же целью рекомендуется использовать конденсаторы СЗ и С4 на рабочее напряжение не менее 250 В.

Монтаж и настройка

 Приборы подобного вида являются достаточно сложными радиоэлектронными устройствами. Однако используя элементы из набора NM8032 (Табл. 1), можно собрать устройство всего за 30...40 мин. В наборе имеется все, что нужно для сборки прибора, включая подробную инструкцию, печатную плату, корпус и даже наклейку на лицевую панель. Расположение элементов на плате показано на Рис. 4.

Рис.4  Расположение элементов

Табл. 1 Перечень элементов         

Сборка прибора производится в следующей последовательности:

•  срежьте у печатной платы два угла по пунктирным линиям;

•  временно установите печатную плату в корпус и, используя ее как трафарет, просверлите для светодиодов 10 отверстий 03 мм;

•  извлеките печатную плату из корпуса и смонтируйте на ней все радиодетали, за исключением светодиодов. Конденсаторы С5 и С8 установмие горизонтально (Рис. 5а);

•  впаяйте провода щупов в контактные отверстия 1, 2 и 3, 4. Перевейте между собой с шагом 5...8 мм провода, подходящие к контактам 1 и 3. Подпаяйте к зажимам типа «крокодил» провода, подходящие к контактам 1,3 и 2, 4. Провода должны соединяться между собой непосредственно на зажимах;

•  припаяйте  светодиоды  согласно Рис. 5б;

•  подпаяйте кассету питания;

•  приклейте на двусторонний скотч кассету с батареями (может потребоваться удаление неиспользуемых стоек в корпусе);

•  проверьте правильность монтажа;

•  закрепите шнур питания, как показано на Рис. 4, сделайте в корпусе отверстия для переключателей и проводов щупов и соберите корпус.

 Правильно собранный прибор, как правило, настройки не требует. После окончания сборки можно включить питание и проверить работоспособность прибора при помощи низкоомного безиндуктивного резистора 1.5 Ом. При подключении такого резистора к щупам прибора, он должен показывать правильное значение номинала. При необходимости чувствительность прибора на шкале «xl» можно подстроить, изменяя номинал резистора R2, а на шкале «х10» — изменяя номинал резистора R3.

 Калибровочная шкала прибора приведена в Табл. 2. Эти данные отражают также соответствие числа горящих светодиодов величине SR испытуемого конденсатора.

Таблица 2. Калибровочная шкала прибора

 Пользоваться прибором еще проще, чем собрать его из набора. Для проведения измерений надо подсоединить измерительные щупы прибора к выводам проверяемого конденсатора. Если нажать кнопку SW2, то по количеству загоревшихся светодиодов, пользуясь наклейкой на Лицевой панели корпуса, можно определить ESR испытуемого конденсатора (Табл. 2). В Табл. 3 для справки даны максимально допустимые значения ESR для новых электролитических конденсаторов.

Таблица 3. Максимально допустимые значения ESR для новых электролитических конденсаторов в зависимости от их номинала и рабочего напряжения

Внимание!

 При работе с прибором ремонтируемое устройство должно быть выключено из сети и конденсаторы в нем разряжены!

 Некоторые замечания по использованию прибора

 Если в своей работе вы чаще пользуетесь прибором для внутрисхемной проверки конденсаторов, то удобнее сделать щупы в виде вилки из двух острых иголок с возможностью изменения расстояния между ними в пределах 3...20 мм.

 Практика использования прибора показала, что большинство отказов электролитических конденсаторов успешно диагностируется с помощью описанного прибора. Но некоторые виды отказов, такие как повышенные токи утечки и короткие замыкания, им не обнаруживаются. Кроме того, исправные конденсаторы различных номиналов и на разные напряжения имеют разные допустимые значения ESR. Поэтому, чтобы избежать ошибок, при принятии окончательного решения рекомендуется сравнить результаты измерений с числами, приведенными в Табл. 3. Эта таблица ориентировочная, реальные значения в ней зависят от производителя, типа конденсаторов и даже от допустимого емпературного диапазона. В процессе практической работы ее можно будет откорректировать.

 При измерении низкоомных проволочных резисторов нужно помнить, что измерение производится на переменном токе и на результат влияет индуктивность резисторов. Это не является недостатком прибора, а наоборот, позволяет более точно оценить возможность использования резисторов в высокочастотных схемах — импульсных преобразователях, усилителях, ШИМ-регуляторах.

Прибор поможет подобрать электролитические конденсаторы для высококачественных УНЧ по минимальному ESR. Сегодня существуют рекомендации по использованию в таких усилителях конденсаторов только от некоторых ведущих производителей. Использование прибора позволит подбирать конденсаторы по реальным характеристикам, а не ориентироваться на рекламируемый бренд. Имеется и еще одно, довольно необычное, применение данного срибора — он позволяет оценить состояние батарей и аккумуляторов. дело в том, что батареи, так же как и конденсаторы, имеют свое внут-еннее сопротивление, которое составляет у свежих батарей величину >,1...5 Ом в зависимости от типа и емкости батареи. При выработке батареи или аккумулятора это сопротивление существенно возрастает. подбирая в аккумуляторную батарею элементы с близкими значениями ESR, можно существенно увеличить срок ее службы.

Источники:

NM8032 - Прибор для проверки электролитических конденсаторов

По материалам книги "Собери Сам" вып. 55 2003г.

Скачать плату (lay)

Комментарий от КТ361.

На фото: к щупам подключён резистор МЛТ-2 / 5,6 Ом. Свечением  светодиода (шестого сверху), шкала  показывает измеренное сопротивление  = 5,3 Ом (на диапазоне «х10».
Таким способом можно произвести поверку всех значений диапазонов.

Собрал этот приборчик. Правда, плату трассировал сам (скачать плату от КТ), та, что в статье – несколько гробовата.
Резисторы использовал все 0,25 Вт. Светодиоды плоские (круглые 3 мм не влезали ). Конденсаторы керамические, но два, которым было уделено особое внимание в статье – плёночные, типа К73-17, на 100 Вольт.
Провода щупов  использовал длиной 10 см.

Соединял с платой и «крокодилами», так, как запостили в комментариях:
«Скрутите между собой провода, подходящие к контактам 1-2 и 3-4. Подпаяйте к зажимам типа «крокодил» провода, подходящие к контактам 1-3 и 2-4... Скрутить надо одни пары, а подпаять к крокодилам другие пары».
 При разомкнутых щупах, на обоих диапазонах, светится светодиод, индицирующий самое высокое сопротивление (что логично – сопротивление же бесконечно). При замкнутых – не горит ни один (R измеренное равно нулю).

Полярность подключаемых к щупам конденсаторов любая.
Перемерил ESR своих новеньких конденсаторов (около 20 различных номиналов ёмкости).  Сверяясь с таблицей, обнаружил, что у небольшой части, абсолютно не паянных конденсаторов, ESR завышено!