Автор продолжает тему измерения параметров оксидных конденсаторов с помощью приставки к популярным мультиметрам серии 83х. Как и в предыдущих разработках, приставка питается от внутреннего стабилизатора АЦП мультиметра. Измерение ЭПС (ESR) и ёмкости оксидных конденсаторов можно проводить без их выпаивания из платы.
В статьях [1,2] рассказано о приставке, измеряющей ЭПС оксидных конденсаторов. Было бы значительно удобнее, если бы она измеряла ещё и их ёмкость. Схема такой приставки приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема приставки
Основные технические характеристики
Интервал измерения ЭПС и сопротивления резисторов, Ом...............0,01...19,99
Пределы измерения ёмкости, мкФ..........200, 2000, 20000
Погрешность измерения от 0,1 предельного значения и выше, %...................2...5
Максимальный потребляемый ток, мА, не более ...........3
Время установления показаний, с, не более ................. 4
Приставка состоит из двух измерителей: ЭПС и ёмкости. Вид измерения выбирают переключателем SA2. В положении "ESR" измеряют ЭПС конденсатора, подключённого к гнёздам "Cx" (XS1, XS2), а в положении "C" - ёмкость.
Схемное решение измерителя ЭПС, как уже упомянуто выше, взято из [1, 2], там же приведено описание работы и налаживания. Добавлен переключатель SA2 (секция SA2.2) для отключения гнезда XS2 от общего провода при измерении ёмкости и изменено подключение выводов стока и истока транзистора VT3 для исключения шунтирующего влияния его внутреннего диода на точность её измерения. Уменьшение ёмкости конденсатора С6 до 0,22 мк сократило время установления показаний до 4 с. Влияние напряжения на конденсаторе С9 на точность измерения ЭПС иключено уменьшением сопротивления резистора R3.
Измеритель ёмкости собран по известной схеме, опубликованной ещё в 1983 г. британским журналом "Wireless World", а в русском переводе - в 1984 г. журналом "Радио" [3].
Низкое выходное напряжение (3 В) и малая нагрузочная способность стабилизатора АЦП мультиметра потребовали применения в измерителе ёмкости низковольтных ОУ DA1-DA3 Rail-to-Rail и током потребления не более 45 мкА [4]. Напряжение питания -3 В, необходимое для работы измерителя, получено от преобразователя напряжения с высоким КПД на микросхеме DA4, включённой по типовой схеме.
Функциональный генератор, собранный на ОУ DA1.1, DA1.2, DA2.1, вырабатывает двуполярные импульсные сигналы прямоугольной формы на выходе компаратора на ОУ DA1.1 и треугольной - на выходе интегратора на ОУ DA2.1, показанные соответственно на рис. 2,а и б. Узел на DA1.2 - инвертор, обеспечивающий положительную обратную связь. Предел измерения ёмкости, зависящий от частоты генератора (50, 5 или 0,5 Гц), выбирают переключателем SA1. Амплитуда сигналов треугольной формы на выходе интегратора задана соотношением сопротивлений резисторов R1 и R4 компаратора. Она равна 2 В.
Рис. 2. Импульсные сигналы функционального генератора
Эти сигналы, амплитуда которых уменьшена резистивным делителем напряжения R10R11 до 50 мВ, поступают на буферный усилитель с единичным коэффициентом передачи по напряжению, собранный на ОУ DA2.2. Сигнал с его выхода и подают на измеряемый конденсатор Сх, один вывод которого подключают к гнезду XS1. При такой амплитуде этого сигнала измерения в большинстве случаев удаётся проводить без выпаивания конденсатора из платы.
Гнездо XS2, к которому подключают другой вывод измеряемого конденсатора, соединено через резистор R17 с инвертирующим входом ОУ DA3.2. При подключении конденсатора этот ОУ и резистор R18 образуют дифференциатор, на выходе которого появляются разнополярные импульсы трапецеидальной формы (рис. 2,в). Максимальный входной ток дифференциатора, равный выходному току буферного усилителя, ограничен тем же резистором R18 (R17<<R18, см. рис. 1) и не превышает 3мА (3 В/1 кОм = 3 мА), что меньше максимально допустимого [4]. Низкоомный резистор R17 устраняет влияющее на точность измерения самовозбуждение дифференциатора при сигналах на его выходе, больших 0,1 напряжения питания.
На полевом транзисторе VT4 с изолированным затвором собран синхронный детектор. Применение здесь полевого транзистора с p-n переходом, как в [3], невозможно из-за низкого питающего напряжения. Компаратор на ОУ DA3.1 и полевой транзистор VT1 управляют состоянием синхронного детектора. Рассмотрим его работу с момента подключения конденсатора Сх.
С появлением прямоугольного импульса отрицательной полярности на выходе компаратора на ОУ DA1.1 (рис. 2,а) транзистор VT1 открывается и напряжение питания +3 В поступает на неинвертирующий вход компаратора, собранного на ОУ DA3.1. На его выходе появляется и удерживается напряжение около +3 В (рис. 2,г), поэтому транзистор VT4 закрыт. Такое состояние компаратора и транзистора VT4 сохраняется и при положительной полярности импульса треугольной формы, поступающего с выхода функционального генератора на неинвертирующий вход DA3.1 через резистор R12.
При смене полярности импульса треугольной формы, когда напряжение начинает линейно изменяться от 0 до -2 В (рис. 2,б), транзистор VT1 уже закрыт (напряжение на его затворе + 3 В) и на выходе компаратора от входного отрицательного импульса устанавливается и удерживается на время tH3M напряжение около -3 В (рис. 2,г). Транзистор VT4 синхронного детектора открывается. К этому моменту трапецеидальный импульс положительной полярности на выходе дифференциатора уже имеет максимально плоскую вершину, а значение его амплитуды, как известно, пропорционально измеряемой ёмкости Сх. С появлением следующего прямоугольного импульса отрицательной полярности на выходе ОУ DA1.1 процесс повторяется.
Продетектированные части трапецеидальных импульсов с выхода детектора (рис. 2,в, д) через резистор R19 поступают на конденсатор С9, который быстро заряжается до их амплитудного значения (рис. 2,е). Резистор ограничивает ток зарядки. С конденсатора С9 постоянное напряжение, пропорциональное ёмкости Сх, через делитель, образованный сопротивлением резистора R16 и входным сопротивлением мультиметра (1 МОм), поступает на вход "VΩmА" для измерения.
Приставка собрана на плате из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита. Чертёж печатной платы показан на рис. 3, а расположение на ней элементов - на рис. 4. Фотоснимки собранной приставки представлены на рис. 5. Одинарный штырь ХР1 "NPNc" - подходящий от разъёма. Штыри ХР2 "VΩmА" и ХР3 "СОМ" - от вышедших из строя измерительных щупов для мультиметра. Входные гнёзда XS1, XS2 - клеммник винтовой 350-02-021-12 серии 350 фирмы DINKLE. Переключатели SA1, SA2 - движковые серий MSS, MS, IS, например, MSS-23D19 (MS-23D18) и MSS-22D18 (MS-22D16) соответственно. Конденсаторы С2, С3 - импортные плёночные выводные на напряжение 63 В. Все остальные конденсаторы - для поверхностного монтажа. Конденсаторы С1, С4-С7 - керамические типоразмера 1206, C8 - 0808, С9-С11 - танталовые В. Все резисторы - типоразмера 1206. Транзисторы BSS84 заменимы на IRLML6302, а IRLML2402 - на FDV303N. При иной замене следует учесть, что пороговое напряжение, сопротивление открытого канала и входная ёмкость (Ciss) транзисторов должны быть такими же, как у заменяемых. О транзисторе IRLML6346 сказано в статье [1]. ОУ AD8442AR заменим, например, на LMV358IDR. В случае такой замены ёмкость конденсаторов С2-С4 необходимо увеличить в несколько раз (например, 1, 0,1 и 0,01 мкФ соответственно), а сопротивление резистора R5 уменьшить во столько же раз. Возможно применение и отечественных ОУ КФ1446УД4А, но потребляемый приставкой ток возрастёт на1 мА.
Рис. 3. Чертёж печатной платы приставки
Рис. 4. Расположение элементов приставки на плате
Рис. 5. Собранная приставка
Выводы защитных диодов VD3, VD4, микросхемы DA4 и переключателя SA2 в местах, где для них с обеих сторон печатной платы имеются контактные площадки, пропаивают с двух сторон. Аналогично пропаивают штыри ХP1 - XP3 , причём ХР2, XP3 закрепляют пайкой в первую очередь, а затем уже "по месту" сверлят отверстие и впаивают штырь ХР1. В отверстие около нижнего по плате вывода резистора R11 вставляют отрезок лужёного провода и пропаивают его с двух сторон. Перед монтажом вывод 7 микросхемы DA4 следует отогнуть или укоротить.
При работе с приставкой переключатель рода работ мультиметра устанавливают в положение измерения постоянного напряжения на пределе 200 мВ. Перед калибровкой приставку сначала подключают к автономному источнику питания напряжением 3 В и измеряют потребляемый ток, который не должен превышать 3 мА, а затем подключают к мультиметру. Далее устанавливают переключатель SA2 в положение "С" (нижнее по схеме на рис. 1) и подключают к гнёздам XS1, XS2 оксидный конденсатор с заведомо измеренной ёмкостью. Переключатель SA1 устанавливают на соответствующий предел и резистором R5 добиваются нужных показаний на индикаторе. Если переключатель находится в среднем положении, показания следует умножить на 10, в верхнем по схеме - на 100. Для уменьшения погрешности измерений ёмкость конденсаторов С2-С4 необходимо подобрать на каждом пределе. На плате предусмотрены контактные площадки для установки дополнительных керамических конденсаторов типоразмера 0805. Обратите внимание, что для облегчения налаживания резистор R5 на плате составлен из двух, соединённых последовательно (на рис. 4 они обозначены R5' и R5'').
Калибровка измерителя ЭПС описана в статье [1]. Если резисторами R14, R15 не удаётся выставить нулевые показания при замкнутых гнёздах "Cx" [5], а это возможно при установке транзистора VT3 с малой проходной ёмкостью и конечного сопротивления замкнутых контактов секции переключателя SA2.2, следует параллельно выводам затвор-сток транзистора подключить керамический конденсатор ёмкостью несколько десятков пикофарад и повторить налаживание. На печатной плате для конденсатора типоразмера 0805 предусмотрены контактные площадки. На рис. 6 показана приставка с мультиметром при измерении конденсатора номинальной ёмкостью 3300 мкФ.
Рис. 6. Приставка с мультиметром при измерении конденсатора номинальной ёмкостью 3300 мкФ
При частом использовании приставки контакты переключателя SA2 могут быть подвержены износу. Нестабильность сопротивления замкнутых контактов секции SA2.2 приведёт к увеличению погрешности измерения ЭПС. В таком случае целесообразно вместо механических контактов SA2.2 применить переключательный полевой транзистор, аналогичный IRLML6346 (VT2), с сопротивлением открытого канала не более 0,05 Ома. Вывод истока транзистора соединяют с общим проводом, стока - с выводом истокатранзистора VT2, затвора - с выводом 14 DD1.
Файл печатной платы в формате Sprint LayOut 5.0 можно скачать здесь.
Литература
1. Глибин С. Измеритель ЭПС - приставка к мультиметру. - Радио, 2011, № 8, с. 19, 20.
2. Глибин С. Замена микросхемы 74АС132 в измерителе ЭПС. - Радио, 2013, № 8, с. 24.
3. Преобразователь ёмкость-напряжение. - Радио, 1984, № 10, с. 61.
4. CMOS Rail-to-Rail General-Purpose Amplifiers AD8541/AD8542/AD8544. - URL: http://www. analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8541 _8542_8544. pdf (8.10.14).
5. Технический форум журнала "Радио”. Измеритель ЭПС - приставка к мультиметру. - URL: http://www.radio-forum.ru/ forum/viewtopic.php?f=1&t=1870&start = 10 (8.10.14).
Автор: С. Глибин, г. Москва