Измеритель ЭПС — приставка к мультиметру

Не ослабевает интерес наших читателей и авторов к разработке и изготовлению устройств измерения ЭПС (ESR) оксидных конденсаторов. Предлагаемая ниже приставка к мультиметрам серии 83х продолжает эту тему. Мультиметры, далее приборы, серии 83х — очень популярны среди радиолюбителей из-за доступной цены и приемлемой точности измерений.

     На страницах журнала "Радио" неоднократно публиковались статьи по расширению возможностей этих приборов, например, [1—3]. При разработке предлагаемой приставки, так же как и в [2, 3], была поставлена задача не применять дополнительный источник питания. Схема приставки показана на рис. 1.

Рис.1

В приборах, построенных на микросхемах АЦП ICL71x6 или их аналогах, есть внутренний стабилизированный источник напряжения 3 В с максимальным током нагрузки 3 мА [4]. С выхода этого источника подано напряжение питания на приставку через разъём "СОМ" (общий провод) и внешнее гнездо "NPNc", которое входит в состав восьмиконтактной розетки для подключения маломощных транзисторов в режиме измерения статического коэффициента передачи тока. Метод измерения ЭПС аналогичен применённому в цифровом измерителе, который описан в статье [5]. По сравнению с этим устройством предлагаемая приставка существенно отличается простотой схемы, малым числом элементов и их низкой ценой.

Основные технические характеристики
Интервал измерения ЭПС, Ом:
  при разомкнутых контактах выключателя SA1            0,1... 199,9
  при его замкнутых контактах (положение "х0,1")         0,01...19,99
Ёмкость проверяемых конденсаторов, не менее, мкФ  20
Ток потребления, мА                                                    1,5

При работе с приставкой переключатель рода работ прибора устанавливают в положение измерения напряжения постоянного тока с пределом "200 мВ". Внешние вилки приставки "СОМ", "VΩmA", "NPNc" стыкуются с соответствующими гнёздами прибора. Временная диаграмма показана на рис. 2. Генератор, собранный на логическом элементе DD1.1 — триггере Шмитта, диоде VD1, конденсаторе С1 и резисторах R1, R2, вырабатывает последовательность положительных импульсов длительностью t_r = 4 мкс с паузой 150 мкс и стабильной амплитудой около 3 В (рис. 2, а). Эти импульсы можно наблюдать осциллографом относительно общего провода гнезда "СОМ". Во время каждого импульса через проверяемый конденсатор, подключённый к гнёздам "Сх" приставки, протекает заданный резисторами R4, R5 стабильный ток, который равен 1 мА при разомкнутых контактах выключателя SA1 или 10 мА при его замкнутых контактах (положение "х0,1").

Рассмотрим работу узлов и элементов приставки с подключённым проверяемым конденсатором с момента появления очередного импульса длительностью t_r на выходе элемента DD1.1. От инвертированного элементом DD1.2 импульса низкого уровня длительностью t_r транзистор VT1 закрывается на 4 мкс. После зарядки ёмкости сток—исток закрытого транзистора VT1 напряжение на выводах проверяемого конденсатора будет зависеть практически только от тока протекающего через его ЭПС. На логическом элементе DD1.3, резисторе R3 и конденсаторе С2 собран узел задержки фронта импульса генератора на 2 мкс. За время задержки t₃ ёмкость сток—исток закрытого транзистора VT1, шунтирующая испытуемый конденсатор, успевает зарядиться и практически не влияет на точность следующего после t₃ процесса измерения (рис. 2,б). Из задержанного на 2 мкс и укороченного по длительности до 2 мкс импульса генератора на выходе инвертора DD1.4 формируется измepиteльный импульс длительностью t_изм= 2 мкс (рис. 2,в) высокого уровня. От него открывается транзистор VT2, а запоминающий конденсатор СЗ начинает заряжаться от падения напряжения на ЭПС проверяемого конденсатора через резисторы R6, R7 и открытый транзистор VT2. По окончании измерительного импульса и импульса с выхода генератора от высокого уровня на выходе элемента DD1.2 транзистор VT1 открывается, a VT2 от низкого уровня на выходе элемента DD1.4 закрывается. Описанный процесс повторяется каждые 150 мкс, что приводит к зарядке конденсатора СЗ до падения напряжения на ЭПС проверяемого конденсатора после нескольких десятков периодов. На индикаторе прибора отображается значение эквивалентного последовательного сопротивления в омах. При положении выключателя SA1 "х0,1" показания индикатора нужно умножить на 0,1. Открытый между импульсами генератора транзистор VT1 устраняет рост напряжения (заряд) на ёмкостной составляющей проверяемого конденсатора до значений ниже минимальной чувствительности прибора, равной 0,1 мВ. Наличие входной ёмкости транзистора VT2 приводит к смещению нуля прибора. Для устранения её влияния применены резисторы R6 и R7. Подбором этих резисторов добиваются отсутствия напряжения на конденсаторе СЗ при замкнутых гнёздах "Сх" (установка нуля).

О погрешностях измерений. Во-первых, имеет место систематическая погрешность, достигающая примерно 6 % для сопротивлений, близких к максимуму в каждом интервале. Она связана с уменьшением тока тестирования, но не так важна — конденсаторы с такими ЭПС подлежат браковке. Во-вторых, существует погрешность измерения, зависящая от ёмкости конденсатора.
Объясняется это ростом напряжения во время импульса с генератора на ёмкостной составляющей конденсаторов: чем меньше ёмкость, тем быстрее её зарядка. Эту погрешность нетрудно рассчитать, зная ёмкость, ток и время зарядки: U = М/С. Так, для конденсаторов ёмкостью более 20 мкФ она не влияет на результат измерений, а вот для 2 мкФ измеренное значение будет больше реального примерно на 1,5 Ома (соответственно, 1 мкФ — 3 Ома, 10 мкФ — 0,3 Ома и т. п.).

Чертёж печатной платы показан на рис. 3. Три отверстия под штыри следует просверлить так, чтобы последние входили в них с небольшим усилием.

Это облегчит процесс их пайки к контактным площадкам. Штырь "NPNc" — позолоченный от подходящего разьёма, подойдёт и кусок лужёного медного провода. Отверстие под него сверлят в подходящем месте после установки штырей "СОМ" и "VΩmA". Последние — от вышедших из строя измерительных щупов. Конденсатор СЗ желательно применить из группы ТКЕ не хуже Н10 (X7R). Транзистор IRLML6346 (VT1) можно заменить на IRLML6246, IRLML2502, IRLML6344 (в порядке ухудшения). Критерии замены — сопротивление открытого канала не более 0,06 Ом при  напряжении  затвор—исток 2,5 В, ёмкость сток—исток — не более 300...400 пФ. Но если ограничиться только интервалом 0,01...19,00 Ом (выключатель SA1 в этом случае заменяют перемычкой, резистор R5 удаляют), то максимальная ёмкость сток—исток может достигать 3000 пФ. Транзистор 2N7000 (VT2) заменим на 2N7002, 2N7002L, BS170C пороговым напряжением не более 2...2,2 В. Перед монтажом транзисторов следует проверить соответствие расположения выводов проводникам печатной платы. Гнёзда XS1, XS2 в экземпляре автора — клеммник винтовой 306-021-12.

Перед налаживанием приставку следует подключить не к мультиметру, чтобы не вывести его из строя, а к автономному источнику питания напряжением 3 В, например, к двум последовательно соединённым гальваническим элементам. Плюс этого источника временно подключают к штырю "NPNc" приставки (не подключая этот штырь к мультиметру), а минус — к её общему проводу. Измеряют потребляемый ток, который не должен превышать 3 мА, после чего автономный источник отключают. Гнёзда "Сх" временно замыкают коротким отрезком медного провода диаметром не менее 1 мм. Штыри приставки вставляют в одноимённые гнёзда прибора. Подбором резисторов R6 и R7 устанавливают нулевые показания прибора при обоих положениях выключателя SA1. Для удобства эти резисторы можно заменить одним подстроечным, а после настройки нуля впаивают резисторы R6 и R7 с суммарным сопротивлением,   равным   подстроечному.

Удаляют отрезок провода, замыкающий гнёзда "Сх". К ним подключают резистор 1...2 0м при замкнутом положении SA1, затем — 10...20 Ом при разомкнутом. Сверяют показания прибора с сопротивлениями резисторов. В случае необходимости подбирают R4 и R5, добиваясь желаемой точности измерения. Внешний вид приставки показан на фото рис. 4.
Приставку можно использовать как омметр малых сопротивлений Также ею можно измерять внутреннее сопротивление малогабаритных гальванических или аккумуляторных элементов и батарей через последовательно соединённый конденсатор ёмкостью не менее 1000 мкФ, соблюдая полярность его подключения. Из полученного результата измерения необходимо вычесть ЭПС конденсатора, который должен быть измерен заранее.

ЛИТЕРАТУРА
1. Нечаев И. Приставка к мультиметру для измерения емкости конденсаторов. — Радио, 1999, №8,с.42,43.
2. Чуднов В. Приставка к мультиметру для измерения температуры. — Радио, 2003, № 1, с. 34.
3. Подушкин И. Генератор + одновибратор = три приставки к мультиметру. — Радио, 2010, № 7, с. 46, 47; № 8, с. 50—52.
4. Даташит ICL7136   /modules/datasheets/2232-icl7136
5. Бирюков С. Цифровой измеритель ESR. — Схемотехника, 2006, № 3, с. 30—32; №4, с. 36,37.

6. Печатная плата в формате lay - скачать

Радио, №8 2011г стр. 19-20

С. ГЛИБИН, г. Москва