МОДЕРНИЗИРОВАННЫЙ ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ESR С ПОВЫШЕННОЙ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ 0,0001 ОМ.

для раздела Блоги
МОДЕРНИЗИРОВАННЫЙ ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ESR С РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ 0,0001 Ом.
Опубликовано в журнале "Радиохобби" 2009 №3 стр.57 и №6 стр.43

1. Вступление.
Современные электролитические конденсаторы, особенно так называемых “Low ESR” серий (низкоимпедансные), могут иметь эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) порядка одного или нескольких миллиОм (мОм) на частоте около 100 кГц. Необходимость в измерении таких значений может возникнуть при ремонте/изготовлении импульсного преобразователя (стабилизатора) напряжения или при подборе конденсаторов с одинаковыми характеристиками (например, для стерео- или многоканальной акустики класса Hi-End). Важность параметра ESR для безотказной работы конденсаторов (и не только электролитических) обсуждалась во многих публикациях, например, в [1], [2], [3].

Измерение (именно измерение, а не приблизительная оценка) таких малых значений ESR связано с большими трудностями для значительной части энтузиастов электроники, не имеющих доступа к серьёзным промышленным измерительным приборам или заводским метрологическим лабораториям. Видимо, по этой причине в радиолюбительской периодике и в Интернете имеется большое количество схем на эту тему, в том числе сложных, с использованием микроконтроллеров с соответствующим программным обеспечением.

2. Выбор схемы.
Автору данной статьи понадобилось изготовить измеритель ESR для личного использования. Критерии для выбора схемы были следующие:
– прямое измерение или преобразование в напряжение без использования контроллера;
– достоверность и повторяемость результатов измерений;
– относительная простота схемы;
– доступность комплектующих.

Сначала было опробовано несколько простых схем. Выяснилось, что ни с одной из них невозможно измерить ESR, можно только весьма приблизительно его оценить. Пришлось браться за схему более сложную.

Выбор пал на схему цифрового измерителя ESR [4]. Имя Сергея Бирюкова, автора этой схемы, давно и хорошо известно. Очень многие радиолюбители учились (и продолжают учиться) цифровой, измерительной и преобразовательной схемотехнике по его публикациям, повторяя его конструкции. Автор данной статьи также «учится в этой школе», относится к С.А.Бирюкову с искренним уважением, и, пользуясь возможностью, выражает ему свою глубокую признательность.

3. Что можно улучшить в работе исходной схемы.
Измеритель представляет собой преобразователь сопротивления в напряжение и подробно описан в [4]. Первоначальный вариант был смакетирован в виде приставки к мультиметру и показал свою принципиальную работоспособность. Вместе с тем выявились отдельные шероховатости, о некоторых из которых упоминалось и в статье [4]:

1. Не вполне достаточная, по современным меркам, разрешающая способность;
2. Невысокая точность при измерении малых ESR;
3. Невысокая временнАя стабильность показаний при использовании в виде приставки к мультиметру;
4. Изменение знака выходного напряжения при измерении экстремально малых ESR.

Тем не менее, потенциал схемотехнического решения данной конструкции очень велик. Ценой небольшого усложнения исходной схемы, удорожания конструкции и оптимизации процедуры налаживания, удалось добиться существенного улучшения метрологических характеристик прибора. Вниманию читателей предлагается два варианта доработки исходной схемы. Вариант 1 – попроще (подешевле), в котором по мере возможности исправлены основные недостатки оригинала. Вариант 2 – чуть сложнее и дороже, в нём добавлена стабилизация тока через испытуемый конденсатор. Для обоих вариантов приведены печатные платы и особенности настройки.

4. Технические характеристики.
Используемые измерительные приборы.
Разрешающая способность и диапазоны измерения прибором зависят от разрядности применяемого мультиметра. Для широко распространённых мультиметров класса 890 или 9502 (максимальные показания 1999) диапазоны приведены в таб.1. Трехразрядные приборы класса 830 применять не рекомендуется ни при наладке, ни при измерениях, так как они не обеспечат достаточной точности. Автор использует измеритель как приставку к мультиметру MY–64. Для наладки всех экземпляров измерителей использовался В7–40. Проверка метрологических характеристик прибора проводилась при подключении измерителя к В7–40. Измерение активного сопротивления калибровочного эталона на постоянном токе проводилось Р4833. При первой же представившейся возможности все положения статьи были проверены сравнением изготовленных образцов с промышленным измерителем иммитанса Е7-14. По результатам проверки некоторые рекомендации статьи были скорректированы.


Таблица 1а.

Параметр Единица Диапазон 1 Диапазон 2 Предел измерения мультиметра
Коэфф. преобр. В/Ом 1 0,1 ––
Измеряемое ESR мОм 0,1…199,9 1…1999 200 мВ
–“– Ом 0,001…1,999 0,01…19,99 2 В
Максимальное ESR Ом 3,5 35 20 В
Разреш. способность мОм 0,1 1 200 мВ
–“– мОм 1 10 2 В



Таблица 1б.



Параметр Вариант 1 Вариант 2
Полярность выходного напряжения отрицательная положительная
Выходное сопротивление 2 кОм 2 кОм
Время предварительного прогрева для стабилизации режимов по постоянному току 5 мин. 5 мин.
Дрейф выходного напряжения при непрерывном измерении ESR = 5,2 мОм за время прогрева не более 1,2 мВ не более 1,0 мВ
То же за 1 мин. после прогрева (все последующие данные сняты на прогретом измерителе) не более 0,1 мВ не более 0,1 мВ
Время установления нулевых показаний на диапазоне 1 после пребывания в течение 1 минуты с разомкнутыми щупами 2 мин. 1 мин.
То же на диапазоне 2 1 мин. 1 мин.
Время установления показаний на диапазоне 1, после пребывания в течение 3 минут с подключенным «эталоном нулевого ESR», не более (подробно об эталоне в разделе о настройке прибора) (*) 2 с 2 с
Допустимый диапазон питающих напряжений не более 15 мА не более 16 мА
Ток через испытуемый конденсатор 10 мА 10 мА



(*) – как у обоих вариантов измерителя, так и у Е7-14 замечена особенность: при длительном, в течение нескольких минут, измерении одного и того же низкоимпедансного алюминиевого электролитического конденсатора, показания приборов начинают очень медленно дрейфовать в бОльшую сторону. Менее всего этот эффект выражен у Е7-14, а более всего – у варианта 2 на 1 диапазоне. При измерении органических и полимерных конденсаторов эффект выражен значительно слабее. Единственное, чем автор может это объяснить – некоторым разогревом глубинных слоёв электролита высокочастотным током. У Е7-14 этот ток – 2 мА, у самоделок – 10 мА. При измерениях эталонного приспособления данный эффект не наблюдается, по-видимому, из-за большого количества параллельно включенных конденсаторов. В самом худшем случае дрейф за 30 минут непрерывного измерения составил около 2 мОм при начальном ESR = 24 мОм. О том, что изменения происходят в конденсаторе, а не в измерителе, говорит тот факт, что если те же 30 минут измерять эталон, а потом подключить конденсатор – дрейф начнётся с самого начального значения, а не с завышенного.

5. Принцип действия прибора.

Рис.1. Блок – схема измерителя ESR.

Блок-схема измерителя изображена на рис. 1. Блок питания (БП) содержит стабилизатор напряжения, схему искусственной средней точки (земли) и регулятор компенсирующего напряжения (его назначение будет пояснено далее). На выходе БП имеются высокостабильные симметричные напряжения +Vcc (+4,5 В) и –Vcc (–4,5 В).

Тактовый генератор (ТГ) состоит из стабилизированного кварцевым резонатором задающего генератора (ЗГ) и делителя частоты (ДЧ).
Стабильный по частоте и скважности меандр частотой 1 МГц поступает в преобразователь сопротивления в напряжение (Пр. R–>U) на формирователь (Ф). Формирователь содержит счетчик-дешифратор. В данном устройстве вырабатываются импульсы управления (меандр) ключами на полевых MOSFET транзисторах и короткие опорные импульсы управления синхронным выпрямителем (СВ), синхронизированные с серединами меандра. Ключи коммутируют полярность зарядного тока на испытуемом конденсаторе Cx. Для исключения влияния сопротивлений подводящих проводов и контактных сопротивлений применена четырехпроводная схема подключения.

Далее курсивом приводится цитата из [4], объясняющая принцип действия преобразователя сопротивления в напряжение.
Достаточно просто определить ESR, если через конденсатор пропускать ток прямоугольной формы (меандр). В этом случае форма падения напряжения на конденсаторе соответствует приведенной на диаграмме Сх на рис. 2.


Рис. 2. Временные диаграммы (масштаб не соблюдён!).

Наклон почти горизонтальных участков определяется емкостью испытуемого конденсатора, а высота вертикальных перепадов диаграммы соответствует ESR. Если наклон «горизонтальных» участков невелик, двухполупериодное выпрямление падения напряжения на конденсаторе может дать результат, пропорциональный ESR, но он будет искажен за счет выбросов на ИНДУКТИВНОСТИ конденсатора и соединительных проводов, они для простоты на рис. 2 не показаны. При достаточно большой емкости конденсатора форма падения напряжения — меандр, если же последовательное сопротивление намного меньше емкостной составляющей, это падение приобретает треугольную форму, состоящую только из наклонных участков. В последнем случае обычное двухполупериодное выпрямление недопустимо, поскольку даст совершенно неверный результат. Синхронное выпрямление, при котором в качестве опорного напряжения используется исходная форма тока (меандр) не поможет избежать искажений результата, связанных с индуктивностями конденсатора и соединительных проводов.
Выходом может быть синхронное выпрямление, при котором в качестве опорного напряжения используются относительно короткие импульсы, соответствующие середине наклонных участков (четвертая и пятая диаграммы на рис. 2). К началу этих импульсов «звон» на паразитных индуктивностях заканчивается, и их влияние на результат исчезает.


Компенсирующее напряжение берется с отдельного потенциометра в БП и подается на масштабирующий дифференциальный усилитель–преобразователь (МДУ–П). Кроме компенсации сдвига и усиления выходного напряжения СВ в 5 раз, этот усилитель преобразует симметричное дифференциальное напряжение с выхода СВ в несимметричное однополярное напряжение отрицательной полярности.
Масштабирующий усилитель (МУ) имеет коэффициент усиления 10. Таким образом формируются два поддиапазона измерений, выбираемые переключателем SB2. В случае необходимости можно попытаться поднять коэффициент усиления МУ до 100 с тем, чтобы измерять ESR от 0,1 мОм с разрешающей способностью 0,01 мОм. В этом случае придется принимать дополнительные меры по экранировке прибора и подавлению шумов и помех. На данный момент у автора такой необходимости нет, и эксперименты в этом направлении не проводились.

6. Принципиальная схема.
Схема модернизированного по первому варианту цифрового измерителя представлена на рис.3.
Стабилизатор напряжения выполнен на микросхеме DA1 (LP2951), специально предназначенной для аппаратуры с автономным (батарейным) питанием. Схема соответствует типовой [6], и включает, кроме собственно микросхемы стабилизатора, следующие элементы:
– резисторы R1 и R2 делителя обратной связи, задающего выходное напряжение;
– входной (С1) и выходной (С3) фильтрующие электролитические конденсаторы;
– конденсатор С2, увеличивающий скорость реакции стабилизатора на импульсную нагрузку.

Операционный усилитель (ОУ) DA2 (OP177) с резисторами R6…R14 является схемой искусственной средней точки (земли). При указанных на схеме номиналах резисторов R6…R8 разность потенциалов на крайних выводах подстроечного сопротивления R9 составляет около 300 мВ, что позволяет установить уровень искусственной «земли» достаточно плавно и точно. R12 защищает выходной каскад DA2 от случайных катастрофических перегрузок, R13 и R14 снижают нагрузку на DA2. Конденсатор С5 – помехоподавляющий, С6…С9 и С17 – фильтрующие. Фильтрующие RC–цепочки R41 С10, R42 С11, и R43 С12, R44 С13 расположены непосредственно возле выводов питания ОУ DA3 и DA4 соответственно.
С фильтрующих RC–цепочек R15 C14, R16 C15, R17 C16, R18 C18 питание подается соответственно на КМОП микросхемы DD1, DD2, DD3, DD4. Такая мера понижает уровень высокочастотных импульсных помех на плюсовой шине питания.

Регулятор напряжения компенсации сдвига R4 образует совместно с R3 и R5 ещё один делитель напряжения. Пределы регулировки напряжения потенциометром R4 – от -12 мВ до +12 мВ относительно «земляного» провода. Применение R3 и R5 – мера вынужденная, т.к. при прямом подключении R4 параллельно R9 регулировка становится недопустимо грубой.

В тактовом генераторе (DD1, C19…C25, BQ1, R19, R20) сохранена возможность работы как с кварцевым резонатором, так и без него. Если используется резонатор BQ1, то следует установить конденсаторы С24 и С25, а R20 устанавливать не нужно. В этом случае номинал R19 = 47 кОм. Если же подходящего кварцевого резонатора нет, тогда поступаем наоборот – устанавливаем R20 и не устанавливаем С24, С25. Автор считает своим долгом предупредить, что вариант без резонатора им не макетировался, и работоспособность генератора и прибора в целом в таком режиме не гарантирована. Использование R19=4,3 кОм было рекомендовано в [4].


Рис. 3. Схема варианта 1.

Конденсаторы С20…С23 – дополнительные. Необходимость в них возникла из-за дефицита у автора данной статьи высокостабильных малогабаритных подстроечных конденсаторов, в то время как керамические конденсаторы имеются на неисправных компьютерных платах. Поэтому С19 впаивался только для регулировки частоты, затем он заменялся эквивалентной по ёмкости комбинацией конденсаторов С20…С23. Необходимость в дополнительных конденсаторах также может возникнуть при нехватке диапазона перестройки имеющегося подстроечного конденсатора.
Делитель частоты выполнен по типовой схеме на D-триггерах микросхемы DD2. Выбор коэффициента деления производится напайкой одной из перемычек J1…J3 согласно таб.2.
Таблица 2.

Частота ЗГ Установить элементы: Не устанавливать:
1 МГц J1 J2, J3, DD2
2 МГц J2, DD2 J1, J3
4МГц J3, DD2 J1, J2




Если предполагается обойтись без кварцевого резонатора, автор настоятельно рекомендует настроить задающий генератор на 2 или 4 МГц, т.к. в этом случае благодаря использованию делителя автоматически выравниваются длительности импульса и паузы опорной частоты, поступающей на счетчик-дешифратор DD3.

Прежде, чем перейти к описанию собственно измерительно–усилительной части схемы, хотелось бы остановиться на некоторых принципиальных вопросах.
Например, внимательный читатель, возможно, уже при первом взгляде на рис.3 огорчился большому количеству дискретных элементов в цепях подавления помех. Кое-кто, быть может, останется недовольным тем, что большинство резисторов схемы имеют однопроцентный допуск. А уж использование в качестве DD4, DA2, DA3, DA4 прецизионных микросхем производства ANALOG DEVICES может побудить некоторых к «упрощению» и «удешевлению» конструкции с «сохранением работоспособности». Спору нет, если выбросить из схемы помехоподавляющие цепочки, применить 5%-ные резисторы, заменить ADG412 на КР561КТ3, а OP177 на КР140УД608 – функционировать схема будет, но … работать с ней станет очень сложно. Показания станут нестабильны и будут зависеть от большого количества трудноучитываемых факторов. То есть одно из основных требований к измерительному прибору – достоверность и повторяемость результатов измерения, – не будет удовлетворено. Давайте обратимся к расчётам, чтобы определить порядок регистрируемых величин и оценить необходимость сделанного выбора комплектующих.
Ток через испытуемый конденсатор был выбран равным 10 мА по двум причинам. Во-первых, с учётом возможности питания устройства от 9-вольтовой батарейки типа «Крона». Если этот ток сделать выше – возрастёт и потребление от батареи (даже при 10 мА этот ток составляет более двух третей общего энергопотребления). Во-вторых, это результат компромисса между удовлетворительной точностью и приемлемым для последующего усиления уровнем полезного сигнала.
Чуть подробнее о точности. Ток через ESR конденсатора задан сопротивлениями резисторов и стабилизированными напряжениями. По закону Ома для участка цепи:
– для положительного импульса

– для отрицательного.

Пока ESR невелико (единицы и десятки миллиОм), точность вполне удовлетворительна. Например, для ESR=0,05 Ом:
=9.9988890 – отклонение тока от номинала составляет около 0,0111%, очень небольшая величина.

Подсчитаем то же самое для ESR=1 Ом:
=9.9778270 – отклонение тока примерно 0,222%, это уже заметно, хотя для наших целей может считаться допустимым. Поскольку наши интересы сосредоточены в области сопротивлений, меньших 1 Ом, понижение точности при замерах бОльших величин нас не пугает.
Теперь допустим, что мы подняли ток через ESR до 50 мА. Подсчитаем для ESR=1 Ом:
=49.45054945 – отклонение уже 1.09890%, и это без учета возросшего влияния внутренних сопротивлений ключевых транзисторов и других источников погрешностей! Такое отклонение более чем в 2 раза превышает погрешность мультиметра – по возможности следует избегать таких ситуаций. Следовательно, будем считать, что ток 10 мА является в данном случае оптимальным.
Обсудим другой аспект точности. Нами ставилась цель достоверного измерения ESR от 1 мОм. Получается, что единицы миллиОм не должны отображаться крайним правым разрядом мультиметра, т.к. обычно точность таких приборов ограничивается одной или несколькими единицами младшего значащего разряда (МЗР). Например, у не внесенного в госреестр средств измерений, но не самого плохого на нашем рынке прибора MY-64 для предела 200 мВ указана точность ± 0,5% ±1ед.МЗР. Поэтому примем, что единицы миллиОм будут отображаться во втором справа разряде. Тем не менее желательно, чтобы показания и самого младшего разряда также были стабильны (для возможности подбора пар конденсаторов с равными ESR или для последующего увеличения разрешающей способности измерений). Получается, что для достижения поставленной цели мы должны снизить влияние дестабилизирующих факторов для возможности иметь разрешающую способность хотя бы в 0,1 мОм. При этом, из-за погрешности квантования мультиметра, ESR=1 мОм будет измерено с точностью 10…20% - это предел, когда ещё можно вести речь об измерении. (Чтобы не разочаровывать читателя отметим, что уже ESR=5 мОм будет измерено с точностью 2…4%, а ESR=10 мОм – с точностью 1…2%. На взгляд автора, вполне приемлемо для нижней границы диапазона измерений.) Для уменьшения влияния ошибки квантования в качестве индикатора следует использовать вольтметр с большей разрядностью или с более чувствительными пределами измерения постоянного напряжения. Или, как упоминалось выше, поднять коэффициент усиления масштабирующего усилителя до 100.
Перейдем к оценке величин напряжений. Ток 10 мА создаст на сопротивлении 0,1 мОм падение напряжения 1 мкВ (U = IR = 10 х 10-3 х 0,1 х 10-3 = 1 х 10-6). С учетом двухполярности тока разность потенциалов на запоминающих конденсаторах – 2 мкВ. Вот такое малое напряжение надо выделить в условиях импульсных помех, температурных дрейфов пассивных (R…) и активных (DA1…4, DD4, VT1,2) компонентов, и при наличии сдвига напряжения, превышающего полезный сигнал в 20 тысяч раз (40 х 10-3 / 2 х 10-6 = 20 х 103)!
Приведённые выше соображения вынудили применить те компоненты, которые указаны на схеме. Любое «удешевление» или «упрощение» её, по мнению автора данной статьи, с высокой степенью вероятности может привести к ухудшению метрологических характеристик прибора. Ведь даже для ультрапрецизионного, как его называет уважаемый во всём мире производитель ОУ ОР177G, температурный дрейф напряжения составляет 0.1 мкВ/°C, а временной дрейф – 0,4 мкВ в месяц (сравните с двумя микровольтами измеряемого напряжения, это составляет 5% и 20% соответственно), входное напряжение смещения может быть от 20 мкВ (типовое значение) до 60 мкВ (максимальное значение) [8]. Следовательно, при наихудшем стечении обстоятельств может понадобиться дополнительная балансировка ОУ DA4 по типовой схеме рис.4 [8], а в случае повышения коэффициента усиления DA4 до 100 балансировка станет неизбежной. В двух изготовленных экземплярах прибора первого варианта дополнительная балансировка не потребовалась. Для второго варианта вновь закупленные ОУ ОР177G оказались со сдвигом 50…60 мкВ и с относительно невысокой термостабильностью, что очень затруднило отладку прибора. Пришлось их заменить.

Рис. 4.

Вернёмся к схеме. Ключи электронного коммутатора DD4 включены попарно–параллельно для уменьшения проходного сопротивления – это уменьшает время установления показаний. Токоограничивающий резистор (R8 на рис.4 в [4]) исключён за ненадобностью.
Компенсирующее напряжение с подстроечного резистора R4 через R30 подаётся на неинвертирующий вход ОУ DA3. DA3 усиливает полезный сигнал в 5 раз, формируя менее чувствительный поддиапазон измерения с коэффициентом преобразования 0,1 В/Ом. Далее, через R34 сигнал поступает на DA4, который усиливает его ещё в 10 раз. На выходе последнего формируется более чувствительный поддиапазон измерений с коэффициентом преобразования 1 В/Ом. R36 служит для точной подстройки коэффициента усиления. Поскольку рекомендованные в начале статьи мультиметры имеют наиболее чувствительный предел 200 мВ, для указанного «распределения» показаний по разрядам прибора, необходимо было усилить полезный сигнал в (0,1 х 10-3) / (2 х 10-6) = 50 раз. Как раз таков суммарный коэффициент усиления DA3 и DA4.

Схема модернизированного по второму варианту цифрового измерителя представлена на рис.5.
Основное отличие от первого варианта – стабилизатор тока через испытуемый конденсатор. За основу данного узла была взята схема токового зеркала Уилсона с умножением на 3 ([9], стр.97,98). Задатчик тока выполнен по стандартной схеме на TL431 (DA5) и n-p-n транзисторе (VT2). Он задаёт ток для обоих плеч: VT1 (набор согласованных p-n-p транзисторов) + VT4 – верхнее плечо, и VT3 (набор согласованных n-p-n транзисторов) + VT5 – нижнее. В силу несколько худших свойств p-n-p транзисторов, для симметрирования токов плеч использован резистор R44. Коммутация полярности тока осуществляется транзисторами VT1:2 и VT3:2. Резисторы R23…R25 в данной схеме выполняют исключительно предохранительные функции. Сквозной ток через транзисторы VT4 и VT5 исключён, т.к. при переходе управляющего меандра из одного состояния в другое оба эти транзистора заперты.
Джамперы Х6…Х9 используются при наладке прибора – фактически это один джампер на 4 положения.

Рис. 5. Схема варианта 2.

7. Компоненты – замены, допуски.
Комплектование резисторами производилось из наличия в собственных запасах и купленных в магазине, платы разрабатывались под корпуса имеющихся деталей. Использование выводных резисторов вызвано только отсутствием у автора SMD-деталей нужных номиналов и точности.
Для первого варианта. Подстроечные резисторы R4, R9, R36 – BOURNS 3296W. Постоянные резисторы R1, R2, R6…R8, R10…R14, R26…R28, R30…R33, R35, R37 – выводные, мощностью 0,125 Вт; все остальные – для поверхностного монтажа в корпусах 1206 или 0805. Резисторы должны быть указанной на схеме точности. При необходимости, выводные резисторы можно составить из нескольких той же точности. Резисторы, точность которых не указана, имеют 5%-ный допуск. R2 следует подобрать для получения выходного напряжения 9,0 ±0,1 В. Токозадающие сопротивления должны быть подобраны по соотношению R21+R22+R23=R24+R25+R23=450±2 Ом. Сопротивления 150 Ом ±1% во множестве применялись на системных компьютерных платах для Пентиум-4 и имели маркировку 18А по EIA-96. Для удобства поиска остальных номиналов приводим таблицу маркировки полностью [11, 12]:
Таблица 3.


Если есть желание добиться наивысшей точности, можно подобрать и резисторы аналоговой части. Методика их подбора будет изложена в разделе о настройке.
Конденсаторы С4, С5, С28…С35 – пленочные, типа К73-17 или импортные аналоги, но ни в коем случае не керамические! Для конденсаторов С28…С31 на плате предусмотрены варианты с расстоянием между выводами 5 мм, 7,5 мм, 10 мм (с небольшой очевидной доработкой платы), 15 мм. С3 – танталовый в SMD–корпусе. Остальные электролитические конденсаторы любых малогабаритных серий с расстоянием между выводами 2,5 мм и наружным диаметром не более 6,5 мм. С1 должен быть с номинальным напряжением не ниже, чем у свежей (или полностью заряженной для аккумулятора) батареи питания. Блокировочные конденсаторы – многослойные керамические, сняты с неисправных компьютерных системных плат. Каждый из конденсаторов С26 и С27 составлен из двух соединённых параллельно (напаянных один поверх другого) конденсаторов по 6,8 мкФ. О частотозадающих конденсаторах было сказано выше.
О DD4, DA2, DA3, DA4 было сказано выше – замена допустима только на приборы с лучшими параметрами, а они, как правило, ещё дороже. DD4 в SMD–корпусе, остальные – в корпусах DIP.
В качестве DD1, DD2, DD3 можно использовать импортные аналоги серии CD40xx (CD4011, CD4013 и CD4017 соответственно) в корпусах DIP.
Переключатели SB1 и SB2 – импортные аналоги П2К типа B4004 (PS-22F11) с фиксацией.
Светодиоды – любого желаемого типа и цвета с расстоянием между выводами 2,5 мм.
О кварцевом резонаторе было сказано выше.
Разъём Х2 – импортный аналог СГ5 для монтажа на плату, выпаян с компьютерной платы конструктива «до эпохи АТХ» (разъём для подключения клавиатуры). Разъёмы Х1 и Х5 – однорядные штырьковые пины из того же источника, с расстоянием между пинами 5,08 мм (Х1) и 2,54 мм (Х5). Х3 и Х4 входят в конструкцию щупов и будут описаны в следующем разделе.
VD1 и VD2 – SMD диоды со старой платы (рис.6).


Рис. 6.
Для второго варианта. TL431 (DA5) имеет множество клонов от различных производителей, в т. ч. и отечественных. Использовать можно любой из них. Альтернативы набору p-n-p транзисторов К198НТ5 автору найти не удалось, поэтому выбор типа комплементарной пары К198НТ1 был предопределён. VT2, VT4, VT5 – практически любые SMD транзисторы общего назначения соответствующей проводимости, в том числе выпаянные со старых плат. Следует только убедиться, что выпаянное устройство – действительно транзистор, а не сборка диодов, полевой или цифровой транзистор. Проверку можно выполнить мультиметром – у транзисторов прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер на несколько милливольт выше, чем на переходе база-коллектор (ориентировочно 3…5 мВ для n-p-n и 7…10 мВ для p-n-p).
Резисторы R23 и R24 должны быть равны между собой. Собственно номинал R23…R25 не является критичным в небольшом диапазоне от 10 до 33 Ом, важна их стабильность и упомянутое равенство номиналов. Автор использовал по паре напаянных друг на друга резисторов 28 Ом 1% (кодировка 44Х – см. таб. 3), из обвязки слотов памяти на компьютерных платах под Пентиум-4.
R44 подбирается при настройке и может быть составлен из нескольких параллельных (напаянных друг на друга) низкоомных резисторов 1…2,2 Ом, используемых в системных платах.

8. Печатная плата, монтаж и щупы.
Для первого варианта. Применён двусторонний фольгированный стеклотекстолит. Печатные проводники расположены на нижней стороне платы (см. рис. 7), а фольга верхней стороны сохранена и используется в качестве общего провода. Размер платы 94х67 мм.


Рис. 7. Печатная плата варианта 1.

Расположение компонентов на нижней стороне платы приведено на рис. 8.
Расположение компонентов на верхней стороне платы приведено на рис. 9.


Рис. 8. Расположение деталей на нижней стороне варианта 1.


Рис. 9. Расположение деталей на верхней стороне варианта 1.


Рис. 10. Общий вид собранной платы варианта 1.

Большинство отверстий под выводы раззенковано с верхней стороны, кроме помеченных крестиком на рис.9. Выводы, вставленные в помеченные отверстия необходимо пропаивать с обеих сторон. Если имеется помеченное отверстие, а никакой вывод по схеме для него не предназначен (всего на плате таких 3), значит это переход для подсоединения к общему проводу. Следует вставить в такое отверстие проводник и пропаять с обеих сторон (это не относится к неиспользуемым отверстиям под выводы конденсаторов С31 и С32). В качестве проводника целесообразно применять штырьковый пин. Причём укорачивать его не обязательно – при наладке к нему удобно будет подцеплять «земляной» крокодильчик щупа измерительного прибора. Поскольку щупов может быть несколько, можно припаять в удобном месте на верхней стороне скобу в виде перевёрнутой буквы «U», применяемую на системных платах для фиксации охладителей (кулеров).
BQ1 в корпусе НС-49S положен на плату плашмя, и торец его корпуса (предварительно залуженный) припаян к фольге общего провода.
Для ОР177G желательно применить панельки.
Технологические перемычки J1…J7 – SMD элементы с маркировкой «0» или «000» со старых компьютерных плат. Удобнее всего использовать те, что в корпусах 1206.
J8, J9 на рис. 8 и J10 на рис. 9 – перемычки из изолированного провода. Если в качестве R30 используется элемент с длинными выводами, вместо использования J10 можно просто надеть на выводы кембрики и верхний по рис. 9 вывод R30 припаять к точке соединения R28 и C30.
Представление о конструкции дает фото на рис.10.
По поводу фотографий обоих вариантов плат следует сказать, что уже после изготовления сфотографированных приборов в процессе их наладки вносились мелкие изменения в схемы и компоновки плат. Поэтому расположение элементов на фото не вполне соответствует чертежам печатных плат. В силу «низкой фотогеничности» по причине «высокой степени перепаханности» не приводятся полные фото нижних сторон печатных плат. На публикуемых чертежах и схемах приведены, по мнению автора на момент сдачи материала в печать, наиболее оптимальные решения, учитывающие все доработки.

Для второго варианта. Рисунок печатного монтажа – рис. 11.
Расположение компонентов на нижней стороне платы приведено на рис. 12.
Расположение компонентов на верхней стороне платы – рис. 13.
Общий вид собранной платы приведён на рис. 14.


Рис. 11. Печатная плата варианта 2.


Рис. 12. Расположение деталей на нижней стороне варианта 2.


Рис. 13. Расположение деталей на верхней стороне варианта 2.


Рис. 14. Общий вид собранной платы варианта 2.

Размер платы 95х67мм. По причине нехватки места пришлось применить формовку выводов VT1 и VT3, отличную от стандартной. Для установки на компактное посадочное место выводы микросборок загнуты «под себя», что-то вроде популярной в свое время формовки J-типа. Монтаж на плату легче выполнять в 2 этапа – сначала припаивается один ряд выводов, причем корпус почти перпендикулярен плоскости платы (см. рис. 15), а затем микросхема поворачивается параллельно плате и припаивается второй ряд выводов. По завершении наладки зазор между корпусом и платой заполните клеем «Момент-1».


Рис. 15. Монтаж транзисторных сборок.

Щупы.
Конструкция щупов основана на описанной в первоисточнике [4]. Стеклотекстолитовые напайки использованы на обеих губках каждого крокодильчика, а сам крокодильчик заземлён отдельным проводником. Проводники желательно использовать экранированные (каждый провод в своём экране), а экраны соединить с корпусом крокодильчика и с заземляющим контактом 2 вилки соединителя Х2. Витая пара искажает результат по сравнению с экранированными проводниками примерно на 1,5 мВ на диапазоне 1.

Рис. 16. Щупы.

Припаивать проводники к стеклотекстолитовой напайке желательно с противоположных краёв, а на прилегающей к месту пайки плоскости надфилем надо снять фаску. Как вариант, можно использовать напайки разной величины и формы. Плоскости напаек под действием пружины должны смыкаться плотно, без значительного зазора (рис. 16 и 17). Это позволит надёжно зажимать даже самый тонкий вывод.


Рис. 17. Напайки.

9. Наладка. Вспомогательное приспособление для калибровки.
Несмотря на то, что всё всем давно и хорошо известно, наладка измерителя будет изложена максимально подробно. Такое обширное и подробное описание может создать впечатление сложности прибора в настройке. На самом деле ничего сложного в предстоящей работе нет. Все принципы и приёмы широко известны.
Монтаж и наладку прибора целесообразно вести поэтапно. Понятно, что надо использовать антистатический браслет и низковольтный паяльник с жалом, гальванически соединённым с проводом питания –Vcc.
Сначала монтируем входные цепи по питанию, DA1 с обвязкой и С3. Вместо R2 временно подпаиваем переменное сопротивление 100 кОм. Параллельно С3 подключаем нагрузочное сопротивление 470 Ом. Подаем внешнее питание и устанавливаем выходное напряжение 9,0 ± 0,1 В. Заменяем переменное сопротивление набором постоянных сопротивлений однопроцентной точности с общим сопротивлением, равным полученному при настройке. Убираем нагрузочное сопротивление.
В дальнейшем на каждом этапе желательно после монтажа порции компонентов выполнять проверку на перегрузку по питанию. Для этого перед первым после очередного монтажа включением подключаем вольтметр к шинам питания +Vcc и –Vcc. Подаём питание и контролируем напряжение – если оно не изменилось по сравнению с ранее отрегулированным, можно продолжать наладку. Если же замечено отклонение – следует найти и устранить его причину. После отладки схемы искусственной земли следует контролировать напряжение между общим проводом и каждой из шин питания поочередно. Такой метод поэтапной проверки позволит выявлять ошибки монтажа и бракованные компоненты на ранних стадиях, и, возможно, поможет сберечь от выхода из строя дорогостоящие детали. Или, как вариант, можно контролировать потребляемый измерителем ток – он не должен превышать указанный в технических характеристиках более, чем на 20…30%.
Монтируем схему искусственной земли (R3…R14, C4…C9, DA2, впаиваем переходной штырь в отверстие между С8 и С9). Регулировкой R9 добиваемся расщепления выходного напряжения стабилизатора DA1 ровно пополам с максимально достижимой точностью. Это одна из наиболее ответственных регулировок, её необходимо выполнить максимально точно.
Далее наступает черёд цифровой части прибора. Напаиваем DD1…DD3 с обвязкой (помехоподавляющими цепями и технологическими перемычками) и частотозадающие цепи (BQ1, R19, С19, С24, С25, одну из перемычек J1…J3). Подключаем щуп осциллографа (желательно – делитель 1:10) к выв. 3 DD2. Земляной провод щупа подключаем к –Vcc . Подаём питание и проверяем наличие генерации и форму сигнала. Если при использовании резонатора вместо правильного прямоугольного сигнала размахом почти 9 В со стабильными и достаточно крутыми фронтами на экране мешанина сигналов частотой выше частоты резонатора, с большим трудом поддающаяся синхронизации – убедитесь, что вы не ошиблись, и номинал R19 действительно равен 47 кОм, а также проверьте целостность проводников и конденсаторов, относящихся к DD1. Добившись стабильной генерации, подключаем частотомер и регулировкой С19 выставляем нужную частоту. Затем проверяем форму и частоту сигнала на выв.14 DD3 – должен быть правильный меандр частотой 1 МГц. Далее проверяем выходы DD3 – на выв. 12 должен быть правильный меандр частотой 100 кГц. На выводах 3, 2, 4, 7, 10, 1, 5, 6, 9, 11 должны присутствовать положительные импульсы размахом почти 9 В и длительностью по 1 мкс.
Впаиваем компоненты формирователя тока.
Для варианта 1 это VT1, VT2, VD1, VD2, R21…R25, C26 и C27. В точке соединения R22, R23, R25 должен наблюдаться сигнал, формой похожий на тот, что имеется на выв. 12 DD3, но меньшей амплитуды.
Для варианта 2 это DA5, VT1…VT5, R21…R25, R39…R43, C26, C27, VD1, VD2, X6…X9. Вместо R44 подключаем переменный резистор с максимальным сопротивлением не более 10 (десяти) Ом. Его предварительно необходимо установить в положение минимального (нулевого) сопротивления. R43, напротив, должен быть в положении максимального сопротивления. Джампер следует установить в положение Х8. Подключаем параллельно VD1 и VD2 миллиамперметр (начинать надо с поддиапазона 200 мА или выше). Подаём питание и убеждаемся, что ток через миллиамперметр равен нулю. Так и должно быть. Если же имеется ненулевой ток – ищем и устраняем причину. Далее переставляем джампер в положение Х7, включаем питание и регулировкой R43 устанавливаем ток точно равным 10 мА. Если ток больше и не регулируется, необходимо обнаружить и устранить причину. Установив ток верхнего плеча, переставляем джампер в положение Х9. Подаем питание и, убедившись, что ток нижнего плеча превышает ток верхнего, регулировкой переменного сопротивления, впаянного вместо R44, устанавливаем ток 10 мА. Переставив джампер снова в положение Х7 убеждаемся, что ток верхнего плеча не изменился. Выключаем питание. Не следует дольше одной–двух минут держать прибор включенным с джампером, установленным в положение Х7 или Х9, т.к. в этом случае ОУ DA2 работает с перегрузкой по выходному току. Главная цель на данном этапе – добиться именно симметрии (равенства) токов. Абсолютная величина тока может быть скорректирована позже. По окончании предварительной регулировки впаиваем на место R44 набор параллельных резисторов с общим сопротивлением, равным полученному при регулировке. Снова проверяем равенство токов. При необходимости, финально корректируем R44. На время последующей предварительной отладки аналоговой части переставляем джампер в положение Х8.
Переходим к аналоговой части. При её наладке все напряжения измеряем относительно общего провода (искусственной земли). Монтируем R28 и R30. На выключенном приборе замеряем активное сопротивление между точкой соединения R28 и R30, и общим проводом. Сопротивление R33 должно быть равно измеренному значению. Далее, должно выполняться следующее соотношение:
R26 + R31 = R27 + R32 = 0,2хR33, т.е. сумма сопротивлений R26 и R31 должна быть равна одной пятой сопротивления R33. То же относится и к сумме R27 + R32.
Монтируем всё остальное, кроме коммутатора DD4. Включаем питание. Резистором R3 устанавливаем нулевое напряжение на выходе DA3. Оставляем плату включенной минут на 15 и, при необходимости, подстраиваем R3. Переключаем SB2 в положение 1 В/Ом (нажатое положение) и проверяем напряжение на Х5. Если оно существенно отличается от нуля, DA4 нуждается в балансировке. Подпаиваем балансировочное сопротивление и добиваемся, чтобы в обоих положениях переключателя SB2 на выходе Х5 было максимально близкое к нулю напряжение. На этом предварительная настройка завершена. Для дальнейшей настройки и калибровки необходимо изготовить
Вспомогательное приспособление для калибровки (далее – приспособление).
В процессе работы по модернизации у автора сложилось личное мнение о недопустимости настраивать прибор данного типа/схемотехники, просто зажав в щупах кусок провода. Из-за наличия напряжения сдвига необходима развязка по постоянному току, т.е. конденсатор, а любой конденсатор обладает ненулевым ESR. Задействуем в своих целях тот же прием, что и разработчики системных компьютерных плат – используем параллельное включение электролитических и керамических конденсаторов. Зададимся целью получить в результате конденсатор с ESR не более 0,1 мОм. В [3] в таблице 3 приведены данные, используемые фирмой «Интел» для своих расчетов. По отношению к «Интел» у автора нет оснований для недоверия. Тогда, в первом приближении, понадобятся не менее 35 керамических многослойных конденсаторов – такое их количество содержится на одной – двух компьютерных платах под ранние Пентиум-4. Но реальность всегда сложнее теоретических рассуждений – для достижения более-менее приличного ESR пришлось дополнительно параллельно подключить 6 органических и 7 полимерных конденсаторов OS-CON (SANYO), 5 полимерных конденсаторов FPCAP (FUJITSU), 5 полимерных SMD конденсаторов, и 2 алюминиевых низкоимпедансных конденсатора от Rubycon.

Следующий логичный шаг – коль скоро будет изготовлен составной конденсатор с близким к нулю ESR, почему бы не включить последовательно с ним несколько точных резисторов разных сопротивлений, чтобы иметь возможность калибровать наш измеритель? Главный плюс такого «вынесенного», или «внешнего» ESR в том, что его легко измерить любым мостовым измерителем активных сопротивлений на постоянном токе.
Количество и сопротивление резисторов может быть любым. Надо лишь постараться свести к минимуму паразитную индуктивность, т.е. не использовать витые проволочные сопротивления и излишне длинные проводники. Помните, что коммутация тока происходит с частотой 100 кГц. В идеале желательно иметь такой набор:
– несколько мОм,
– несколько десятков мОм,
– несколько сотен мОм,
– около 1 Ом,
– между 10 и 20 Ом.

Автор, по своим возможностям, изготовил устройство по схеме рис. 18, и всю дальнейшую наладку будет излагать, опираясь на неё. Читатель, изготовив и измерив своё приспособление, должен будет подставлять в необходимых местах полученные параметры.
На схеме слева указаны измеренные прибором Р4833 сопротивления (кроме «0 Ом», его измерить было нечем).


Рис. 18. Схема приспособления для калибровки.

Конструкция устройства ясна из рис. 19а и 19б.


Рис. 19а. Вид приспособления сверху.


Рис. 19б. Вид приспособления снизу.

Конденсаторы и резистор 5 мОм выпаяны с компьютерных плат. Несколько отрезков очищенного от изоляции одножильного медного провода диаметром 2,6 мм были облужены и изогнуты в форме буквы L. Короткая сторона у всех равна 25 мм. На плате 62,5 х 125 мм вдоль длинной стороны было сделано нужное количество параллельных разрезов фольги шириной около 1 мм. На двух участках фольги, между которыми припаяны конденсаторы, по возможности ближе к их выводам припаяны по одной медной шине (облуженный медный проводник диаметром 3,5 мм). К серединам этих шин, а также находящейся рядом, припаяны согнутые под прямым углом отрезки провода диаметром 2,6 мм – это контактные стойки (далее – стойки) для подключения щупов измерителя «Общ.», «0 мОм» и «5,26 мОм». По середине каждого из оставшихся участков фольги припаяно (и пропаяно по всей длине с большим количеством припоя) по одному отрезку провода нужной длины, исходя из имеющихся деталей. Короткие стороны отрезков перпендикулярны плоскости платы и образуют стойки. Паяльник понадобится мощный, например – 220 В 65 Вт. Резисторы впаяны между участками фольги, по возможности ближе к стойкам. Конденсаторы должны располагаться следующим образом –полимерные С36…С39 и органические С40…С41 максимально близко к стойкам, керамические С1…С35 в несколько столбиков между электролитическими конденсаторами, а на наибольшем удалении - алюминиевые С42 и С43. Этим достигается минимальное суммарное ESR. После изготовления приспособления необходимо дать ему остыть до температуры окружающей среды.
Необходимо прямо сказать, что точность измерения в очень значительной степени зависит от качества (читай – низкого собственного ESR) приспособления для установки нуля. Если есть возможность обмерить его на промышленном измерителе иммитанса на частоте 100 кГц – это обязательно необходимо сделать (причём не только эталон нулевого ESR, а и все имеющиеся добавочные сопротивления) и записать результаты – они понадобятся при наладке и в работе с прибором. Для других частот можно ориентироваться на данные Таб.4. Сопротивлению ESR= 2,5 мОм на частоте 10 кГц может соответствовать около 0,4…0,5 мОм на 100 кГц. Данный результат ещё можно считать удовлетворительным. Дальнейшее ухудшение уже нежелательно.
При отсутствии доступа к хорошему прибору критерием удовлетворительных характеристик приспособления является следующее практическое соображение: после калибровки по нему измерения реальных конденсаторов не должны давать несуразных результатов. А именно – алюминиевые электролитические конденсаторы с проволочными выводами, даже Low ESR серий, не могут иметь ESR менее 8…10 мОм. Полимерные и органические конденсаторы с проволочными выводами не могут иметь ESR менее 3…4 мОм. Компоненты для монтажа на поверхность могут иметь меньшее ESR. И уж конечно, изменение знака выходного напряжения недопустимо в принципе. Инверсия полярности – самый верный признак того, что собственное ESR приспособления выше, чем у испытуемого конденсатора.
Выводы о нижних пределах ESR сделаны из документации ведущих мировых производителей. Однако прогресс идёт, и возможно, что эти сведения ко времени выхода статьи из печати уже устареют. На этот случай верным средством остается поиск документации в сети Интернет.
Следующий необходимый шаг – определение с высокой точностью активных сопротивлений между стойкой «0 Ом» и каждой из последующих стоек в сторону бОльших сопротивлений. Мостовые измерители активного сопротивления очень распространены, т.к. используются и в связи, и в метрологии, и в теплотехнике, и в промышленности. Надо только приложить усилия для доступа к ним. Если уж совсем нечем измерить, придётся заниматься расчётами (MicroCap вам поможет. Или MathLab…). В этом случае резисторы желательно использовать класса точности 0,1% или более точные. Но при первой же возможности следует выполнить измерения, т.к. расчетные данные обязательно надо уточнить.
Чертёж печатной платы в силу простоты не приводится. Следует только обязательно удалить всю фольгу на нижней стороне приспособления. При калибровке измерителя недопустимо размещать приспособление на проводящей (металлической) поверхности или ближе 30 мм от неё.
Теперь предстоит финальная фаза наладки –

Завершающая регулировка.
Для варианта 1.
Монтируем коммутатор DD4.
1) Подключаем щупы к входу измерителя (Х2). Крокодильчики щупов подключаем к стойкам приспособления «ОБЩ» и «0 Ом». Включаем питание и проверяем вольтметром полярность напряжения сдвига между щупами. Если положительная полярность окажется на стойке «ОБЩ», необходимо поменять щупы местами. Щупы необходимо пометить, чтобы в дальнейшем соблюдать полярность при подключении к приспособлению или к испытуемому электролитическому конденсатору.
2) Переключаем SB2 в положение 0,1 В/Ом (отжатое положение) и подключаем вольтметр к Х5. Резистором R3 устанавливаем нулевое напряжение по вольтметру (балансируем DA3). Ноль следует проверить на самом чувствительном пределе вольтметра. Оставляем плату включенной минут на 15 и, при необходимости, подстраиваем R3. Переключаем SB2 в положение 1 В/Ом (нажатое положение). Подстройкой R39 устанавливаем нулевое напряжение (балансируем DA4). Переключаем SB2 в положение 0,1 В/Ом (отжатое положение) и убеждаемся, что на выходе по-прежнему ноль. Если это не так, необходимо вновь более точно сбалансировать DA3 и DA4.
3) Не отключая питания, переносим положительный щуп измерителя со стойки «0 Ом» на стойку «441,46 мОм». Отжимаем SB2 и ждем пару-тройку минут, пока напряжение на выходе измерителя не стабилизируется. Помните, что выходное напряжение этого варианта измерителя – отрицательное относительно искусственной земли. Записываем или запоминаем напряжение на выходе измерителя (оно должно быть около –44,15 мВ). Если чувствительности имеющегося вольтметра не хватает для измерения такого напряжения, следует использовать стойку «1,7499 Ом» – в этом случае напряжение должно быть около –175 мВ, а его смогут измерить большинство мультиметров среднего уровня на пределе «200 мВ».
4) Нажимаем SB2 и ждём столько же времени. Регулировкой R36 устанавливаем ровно в 10 раз большее напряжение на выходе измерителя, чем было при отжатой кнопке.
5) Возвращаем положительный щуп измерителя на стойку «0 Ом» и убеждаемся, что на выходе измерителя в обоих положениях SB2 по-прежнему ноль. Иначе предыдущие регулировки придётся повторить.
6) Далее переставляем щуп на оставшиеся стойки (ESR не более двух Ом! На бОльших сопротивлениях точность существенно снижается, и использовать их для регулировки бессмысленно) и, после выдержки положенного времени, записываем выходные напряжения для обоих положений SB2. Проанализируем полученные результаты. Например, если все замеры оказались выше ожидаемых на 1%, значит ток через Сх необходимо уменьшить на ту же величину (увеличением R25 на 6 Ом). Или, допустим, на всех стойках в отжатом положении SB2 результаты превышают ожидаемые на 0,5%, а в нажатом – на 3%. Это может свидетельствовать о необходимости понизить коэффициент усиления DA4 регулировкой R36.
7) Регулировка завершена. В дальнейшем может потребоваться только подстройка нуля (R4) для компенсации временных и температурных дрейфов, поэтому движки остальных подстроечных резисторов можно зафиксировать каплей быстросохнущей краски.

Для варианта 2.
Монтируем коммутатор DD4 и устанавливаем джампер в положение Х6.
8) Действия идентичны изложенным в подпункте 1) для варианта 1.
9) Переключаем SB2 в положение 0,1 В/Ом (отжатое положение) и подключаем вольтметр к Х5. Резистором R3 устанавливаем нулевое напряжение на выходе измерителя (балансируем DA3). Оставляем плату включенной минут на 5 и, при необходимости, подстраиваем R3. Ноль следует проверить на самом чувствительном пределе вольтметра. Переключаем SB2 в положение 1 В/Ом (нажатое положение). Подстройкой R45 устанавливаем нулевое напряжение (балансируем DA4). Переключаем SB2 в положение 0,1 В/Ом (отжатое положение) и убеждаемся, что на выходе по-прежнему ноль. Если это не так, необходимо более точно сбалансировать DA3 и DA4.
10) Не отключая питания, переносим положительный щуп измерителя со стойки «0 Ом» на стойку «441,46 мОм». Отжимаем SB2 и ждем пару-тройку минут, пока напряжение на выходе измерителя не стабилизируется. Помните, что выходное напряжение этого варианта измерителя – положительное относительно искусственной земли. Регулировкой R43 устанавливаем нужное напряжение (+44,15 мВ) на выходе измерителя. Если чувствительности имеющегося вольтметра не хватает для измерения такого напряжения, следует использовать стойку «1,7499 Ом» – в этом случае будем устанавливать напряжение +175 мВ, а его смогут измерить большинство мультиметров среднего уровня на пределе «200 мВ».
11) Нажимаем SB2 и ждём столько же времени. Регулировкой R36 устанавливаем ровно в 10 раз большее напряжение на выходе измерителя, чем было при отжатой кнопке.
12) Возвращаем положительный щуп измерителя на стойку «0 Ом» и убеждаемся, что на выходе измерителя в обоих положениях SB2 по-прежнему ноль. Иначе предыдущие регулировки придётся повторить.
13) Далее переставляем щуп на оставшиеся стойки (несмотря на наличие стабилизатора тока, регулировку всё-таки желательно вести на стойках с ESR не более двух Ом) и, после выдержки положенного времени, записываем выходные напряжения для обоих положений SB2. Проанализируем полученные результаты. Например, если все замеры оказались выше ожидаемых на 1%, значит ток через Сх необходимо уменьшить на ту же величину (регулировкой R43). Или, допустим, на всех стойках в отжатом положении SB2 результаты превышают ожидаемые на 0,5%, а в нажатом – на 3%. Это может свидетельствовать о необходимости понизить коэффициент усиления DA4 регулировкой R36.
Возможна ситуация, когда измеритель занижает показания, несмотря на то, что ток установлен точно на 10 мА. Убедиться в том, что ток обеих полярностей действительно составляет 10 мА можно хорошим осциллографом (с курсорными измерениями) по падению напряжения на R25. К измерителю должно быть подключено приспособление (стойки «ОБЩ» и любая другая менее 2 Ом). Подключим земляной провод осциллографа к верхнему по рис. 5 выводу R25, а потенциальный контакт – к нижнему. Осциллограммы сигнала для случая, когда R25=14 Ом приведены на рис. 20 и 21.


Рис. 20.


Рис. 21.

Итак, осциллограф подтверждает, что ток действительно установлен правильно, а показания занижены. В этом случае можно попытаться исправить ситуацию, использовав более позднее открытие коммутатора. Как видно из сравнения осциллограмм рис. 22 и 23, установление тока во втором варианте схемы происходит на 1 мкс позже, чем в первом. Чтобы коммутатор тоже открывался на 1 мкс позже, достаточно перенести нижний по рис. 12 конец перемычки J8 с выв. 4 на выв.7, а нижний конец J9 – с выв. 6 на выв. 9 (все выводы – DD3). Контактные площадки на этих выводах предусмотрены на чертеже печатных проводников. После этого всю регулировку придётся повторить.
14) Регулировка завершена. В дальнейшем может потребоваться только подстройка нуля (R4), поэтому движки остальных подстроечных резисторов можно зафиксировать каплей быстросохнущей краски.


Рис. 22. Осциллограммы варианта 1.


Рис. 23. Осциллограммы варианта 2.

Для справки на рис. 22 и 23 показаны осциллограммы сигналов в характерных точках для вариантов 1 и 2 соответственно. К измерителю было подключено приспособление – стойки «ОБЩ» и «441,46 мОм». Перечислим точки подключения пробников для показанных сигналов сверху вниз:
– выв.12 DD3;
– точка соединения R23…R25;
– конт.3 Х2;
– выв. 4 DD3.
Кстати, из сравнения этих двух осциллограмм становится понятно, почему у варианта 1 полярность выходного напряжения отрицательная, а у варианта 2 – положительная. Причина в том, что ключи на полевых транзисторах открываются в противофазе с управляющим сигналом, а схема стабилизации тока на биполярных транзисторах, наоборот, открывается синфазно. Т.е. когда управляющее напряжение равно –Vcc (левые половины осциллограмм), у варианта 1 открыто верхнее плечо, и в Сх втекает ток от +Vcc, а у варианта 2 открыто нижнее плечо, и из Сх вытекает ток к –Vcc.

10. Работа с прибором.
Напомним основные приёмы работы с прибором.
Перед первым измерением после включения необходимо выдержать измеритель включенным в течение времени прогрева (указано в технических параметрах).
Как показал опыт работы с изготовленными измерителями, дольше всего они восстанавливаются после размыкания щупов (естественно, речь о включенном состоянии). Именно поэтому в технических параметрах приведены времена восстановления после различных ситуаций. Отсюда рекомендация – во время прогрева и при длительных паузах между замерами держать включенный измеритель подключенным к эталону нулевого ESR, т.е. к стойкам приспособления «ОБЩ» и «0 Ом».
После подключения испытуемого конденсатора время установления показаний может составлять до 15 с в зависимости от его состояния (величины ESR).
Как уже упоминалось в примечании к Таб.1б, не следует слишком долго держать конденсатор подключенным к измерителю – можно получить неверный результат. Как правило, показания стабилизируются через 5…10 с после подключения – это и будет наиболее верный отсчёт. Если продолжать замер далее, показания медленно понизятся примерно на 0,5 мОм, затем станут ещё медленнее расти. Такая картина наблюдается при температуре в помещении 15…18 оС. При других температурах возможны отличия. Лучше всего сразу после замера подключить к измерителю приспособление, причём не обязательно на тех стойках, что использовались при калибровке. Для «заполнения пауз», т.е. исключения ухода прибора в насыщение между замерами, можно использовать дублирующие стойки на короткой стороне приспособления – они для этого и предназначены.
Не следует держать измеряемый конденсатор в руках, если только специально не хотите его нагреть – ESR существенно зависит от температуры.
При работе с измерителями следует помнить, что на щупах всегда присутствует небольшое напряжение сдвига (у варианта 1 от 2 до 40 мВ в зависимости от температуры в помещении, у варианта 2 около 0,5 В), испытуемые конденсаторы необходимо подключать, соблюдая полярность.

При оценке точности измерителя следует обязательно помнить об отклонениях измеряемого параметра уже в приспособлении, используемом для калибровки. Для примера разберём вариант приспособления, изложенный в данной статье. Как упоминалось выше, в качестве контактных стоек высотой около 25 мм использован облуженный медный провод диаметром 2,6 мм. Площадь поперечного сечения (3,1415*2,62)/4 = 5.30929 мм2.Удельное сопротивление медного провода при 20 оС – 0,0178 Ом*мм2/м [13] . Пусть ширина контактов щупов около 5 мм. Получается, что два крайних положения (по высоте стойки) отличаются на 20 мм длины стойки. Причём, это относится всегда к двум стойкам – «ОБЩ» и одна из прочих. Итак, для одной стойки разница сопротивлений может составить 0,0178*0,02/5.30929 = 6,7052*10–5 Ом или 0,067052 мОм. Для двух стоек – вдвое больше, чуть более 0,13 мОм. То есть только в зависимости от разницы расположения щупов на стойках при измерении приспособления, калибровке измерителя и проведении измерений показания даже самого идеального измерителя имеют полное право отличаться на 0,13 мОм (данный факт является основной причиной отсутствия большого смысла в дальнейшем повышении разрешающей способности путём повышения усиления в измерителе или увеличения чувствительности вольтметра). А ведь есть ещё ТКС меди, припоя и резисторов. Не забудем и об остаточном ESR, от которого невозможно избавиться полностью. Поэтому к отклонению показаний измерителя в небольших пределах следует относиться спокойно. Например, у Е7-14, согласно техническому описанию, на пределе от 0,1 до 1000 мОм погрешность не менее +-0,25 мОм ([14], стр.8).
Следствием указанного эффекта явились рекомендации по расположению элементов на плате приспособления – компоненты с наименьшим ESR должны располагаться по возможности ближе к стойкам, чтобы уменьшить длину проводников и их вклад в ESR. Той же причиной вызвано использование шин из более толстого провода и размещение стоек в средней части шин для наиболее низкоомных цепей.
Как вариант, можно учесть активное сопротивление проводников, и при установке нуля выставлять на выходе измерителя соответствующее напряжение вместо нуля. Но это для тех, кто не сможет изготовить приспособление с удовлетворительными параметрами, и по результатам замеров эталона нуля измерителем иммитанса получает слишком высокое значение собственного ESR. В таблице 4 указаны данные при стандартной настройке, не учитывающей сопротивление стоек.
Ещё одно следствие ненулевого сопротивления проводников очевидно – при испытании новых электролитических конденсаторов (с ещё не укороченными выводами) щупы следует подключать на выводы вплотную к корпусу. Следите только, чтобы, как упоминалось выше, оголённый корпус или выводы не касались крокодильчиков.
Ну и теперь читателю должно быть абсолютно понятно, почему автор данной статьи настоятельно рекомендует не ограничиваться расчётами и обязательно провести измерения приспособления. Ведь учесть все дополнительные сопротивления проводов и припоя будет весьма и весьма затруднительно. Измерить гораздо проще.
Для наиболее объективной оценки изготовленных приборов были проведены сравнительные измерения нескольких конденсаторов (Рис. 24). Результаты сведены в Таб. 4.


Рис. 24. Набор конденсаторов.

При оценке результатов измерений следует помнить о разных частотах измерений. Для наглядности, измерения ESR проведены на дополнительных частотах 1 кГц и 100 Гц.
Ну и, добравшись до такого замечательного прибора, как Е7-14, автор не смог отказать себе в удовольствии промерить все возможные параметры. Справочники справочниками, а посмотреть на конкретные результаты всегда интересно.

Таблица 4.

Примечания к таб.4:
В графе «Примечания» для приспособления указаны измеренные Р4833 активные сопротивления, для остальных образцов – «степень свежести». Следует учитывать, что конденсаторы были выпаяны с НЕИСПРАВНЫХ компьютерных плат, зачастую по соседству на тех же платах находились вздутые или даже лопнувшие ЭК. Да и распайка является немалым термическим и механическим стрессом для компонента. Поэтому не следует делать поспешных выводов и обвинять добросовестных производителей в несоответствии измеренных параметров гарантированным в дейташитах;
(*) – образцы 15…17 не являются Low ESR, измерены просто для сравнения;
– температура в помещении при измерениях +18 оС;
L – паразитная индуктивность, Q – добротность, D – фактор потерь;
образцы 1 и 2 – на официальном сайте SANYO найти конденсатор такого номинала не удалось, тем не менее, судя по результатам измерений, маловероятно, что это подделка (в [15], стр.41 упоминается 4SP560M - 560 мкФ 4 В, для него гарантируется ESR не более 14 мОм на 100…300 кГц. С другой стороны, там же, на стр. 58, указано: The ESR becomes about 5mΩ or less at 100kHz (560mF products) - an extremely small value. Т.е. ESR реальных конденсаторов этой серии и близкого номинала могут быть от 14 до 5мОм и ниже);
образцы 3 и 4 – указан предположительный производитель и тип, т.к. различаются цвета маркировки: на фото в документации [16] красный, а на образцах – синий. В документации указано максимальное ESR 5 мОм, и там же, на правом графике видно, что оно может быть и меньше;
– опознание образцов 9 и 10 не представляется возможным в силу отсутствия сколь-нибудь внятного упоминания производителя и типа в маркировке.

Щупы, аккумулятор питания и вольтметр использовались одни и те же. Платы были без корпуса и без какой-либо дополнительной экранировки, в том виде, как показано на фотографиях в статье. Измерения проводились после прогрева в течение 15 минут и подстройки нуля по приспособлению. Полная регулировка проводилась за год до этих замеров, регулировочные органы были закрашены и после этого их уже не трогали. Так было сделано для проверки стабильности прибора во времени. За истекший период несколько изменилась согласованность диапазонов – теперь при переходе с одного из них на другой показания меняются на одну единичку в младшем разряде.
Как видно из таблицы, вариант 2 выдаёт результаты ближе к Е7-14, чем вариант 1. Но для практических целей точность обоих приборов можно считать удовлетворительной. В связи с отсутствием у автора возможности провести замеры промышленным прибором на частоте 100 кГц, сделать окончательный вывод о действительной погрешности изготовленных приборов не представляется возможным.

Схемы и чертежи печатных плат с размещением деталей в высоком разрешении можно скачать по ссылке:
http://cp.people.overclockers.ru/cgi-bin/dl.pl?id=33898&filename=ESR_high_resolution.rar

Задать вопрос можно в конференции http://www.rom.by/forum/Elektroliticheskie_kondensatory?page=1
или на официальном форуме журнала «Радиохобби»:
http://adsh.ukrweb.net//radiohobby/index.php
Автор данной статьи присутствует на этих форумах под ником Ter_Abit.

Желаю удачи!


11. Литература.


1. А. Колпаков. Особенности применения электролитических конденсаторов. «Схемотехника» 2000 №2 с.30-31, 2001 №1 с. 20-21, №2 с. 27-29.
2. Л. Чанов. Конденсаторы. Так ли всё просто? «Электронные компоненты», 2005 №4 (http://www.russianelectronics.ru/review/acp/343/doc532.phtml)
3. Я. Малов. О применении керамических конденсаторов в цепях питания на системных (материнских) компьютерных платах. «Радиохобби» 2007 №5 с.55-59, №6 с.47-50.
4. С. А. Бирюков. Цифровой измеритель ESR. «Схемотехника» 2006 №3 с.30-32, №4 с.36-37.
5. Д. Телеш. Простой измеритель ESR. «Схемотехника» 2007 №8 с.44-45.
6. LP2951 Datasheet.
7. ADG-411/412 Datasheet.
8. OP177 Datasheet.
9. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. Изд. 5-е, переработанное. Москва «Мир» 1998.
10. TL431 Datasheet.
11. http://www.bourns.com/pdfs/CRH.pdf
12. http://www.proan.com.hk/yageo/pdf/yageo/RJ_1_4.pdf
13. Кухлинг Х. Справочник по физике. Москва, «Мир»,1980г, стр. 475.
14. Е7-14, Е7-14/1. Измерители иммитанса. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 2.724.013 ТО. Книга 1.
15. OS-CON. Aluminum Solid Capacitors with Conductive Polymer. Aluminum Solid Capacitors with Organic Semiconductive Electrolyte. TECHNICAL BOOK Ver.14 (файл OS_E.pdf на http://edc.sanyo.com/english/products/capacitor/oscon/outline.html)
16. FUJITSU. Functional Polymer Capacitors. Solid Electrolytic Capacitors with Functional Polymer FPCAP. (файл re-r5e.pdf на http://www.fme.fujitsu.com/ или http://www.fmda.fujitsu.com/ )
17. Rubycon. MINIATURE ALUMINUM ELECTROLYTIC CAPACITORS MBZ. (e_MBZ.pdf )

27.03.2008 – 11.03.2009. (с) Ярослав Малов, иначе известный как Ter_Abit.

Telegram-канал @overclockers_news - это удобный способ следить за новыми материалами на сайте. С картинками, расширенными описаниями и без рекламы.
Оценитe материал

Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают