Miernik RLC i ESR, czyli przyrząd do pomiaru kondensatorów, indukcyjności i rezystorów o małej rezystancji.

W ostatnim czasie awarie kondensatorów elektrolitycznych stały się jedną z głównych przyczyn usterek sprzętu elektronicznego. Do prawidłowej diagnostyki nie zawsze wystarczy jednak sam miernik pojemności, dlatego dziś porozmawiamy o jeszcze jednym parametrze — ESR.
Spróbuję wyjaśnić w tej recenzji, co to jest, na co wpływa i czym się go mierzy.

Na początek powiem, że ta recenzja będzie się zasadniczo różnić od poprzedniej, choć obie dotyczą przyrządów pomiarowych dla radioamatorów.
1. Tym razem nie jest to zestaw do samodzielnego montażu, a raczej „półprodukt”
2. W tej recenzji niczego nie będę lutować.
3. Nie będzie też schematu. Myślę, że pod koniec recenzji będzie jasne dlaczego.
4. Ten przyrząd ma bardzo wąskie zastosowanie, w przeciwieństwie do poprzedniego „kombajnu”.
5. O poprzednim przyrządzie słyszało bardzo wiele osób, a ten jest prawie nikomu nieznany.
6. Recenzja będzie krótka

Na początek, jak zawsze, opakowanie.


Nie mam zastrzeżeń do opakowania przyrządu — jest proste i kompaktowe.


Zawartość zestawu jest bardzo skromna: sam przyrząd i instrukcja. Przewody pomiarowe i bateria nie są dołączone.


Instrukcja również nie zachwyca ilością informacji — ogólniki i obrazki.


Dane techniczne przyrządu podane w instrukcji.


A teraz w bardziej zrozumiałym języku.
Rezystancja
Zakres — 0,01–20 Ω
Dokładność — 1% + 2 cyfry.

Rezystancja szeregowa (ESR)
Zakres — 0,01–20 Ω, pomiar kondensatorów o pojemności od 0,1 µF
Dokładność — 2% + 2 cyfry

Pojemność
Zakres — 0,1 µF–1000 µF (3–1000 µF mierzone przy częstotliwości 3 kHz, 0,1–3 µF — 72 kHz)
Dokładność — zależy od częstotliwości pomiaru, ale wynosi około 2% ± 10 cyfr

Indukcyjność
Zakres — 0–60 µH przy częstotliwości 72 kHz i 0–1200 µH przy częstotliwości 3 kHz.
Dokładność — 2% + 2 cyfry.

Na początek wyjaśnię, czym właściwie jest ESR.
Wiele osób często słyszało słowo „kondensator”, a niektórzy nawet je widzieli :)
Jeśli nie, na zdjęciu poniżej widać najczęściej spotykane w sprzęcie rodzaje.


Z zewnątrz kondensator to zwykle mały element z dwoma wyprowadzeniami, ale w rzeczywistości wszystkie komponenty są bardziej złożone, niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka.
Zacznijmy od tego, że żaden element nie jest idealny i oprócz swojej podstawowej właściwości ma jeszcze mnóstwo parametrów „pasożytniczych”.
Skoro mówimy o kondensatorach, przyjrzyjmy się bliżej właśnie jemu.

W rzeczywistości schemat zastępczy kondensatora wygląda mniej więcej tak, jak pokazano na rysunku poniżej.
Na rysunku oznaczono —
C — pojemność zastępczą, r — rezystancję upływu, R — zastępczą rezystancję szeregową, L — zastępczą indukcyjność.

A w uproszczeniu:
Pojemność zastępcza — to kondensator w „czystej” postaci, czyli bez wad.
Rezystancja upływu — to rezystancja, przez którą kondensator rozładowuje się niezależnie od obwodów zewnętrznych. Można to porównać do beczki z wodą: chodzi o naturalne parowanie. Może być większe albo mniejsze, ale zawsze występuje.
Indukcyjność zastępcza — można powiedzieć, że to dławik połączony szeregowo z kondensatorem. Na przykład zwinięte w rolkę okładki kondensatora. Ten parametr przeszkadza kondensatorowi w pracy przy wysokich częstotliwościach, a im wyższa częstotliwość, tym większy ma wpływ.
Zastępcza rezystancja szeregowa, ESR — to właśnie parametr, któremu się przyglądamy.
Można ją sobie wyobrazić jako rezystor połączony szeregowo z idealnym kondensatorem.
To rezystancja wyprowadzeń i okładek, a także ograniczenia fizyczne itp.
W najtańszych kondensatorach ta rezystancja jest zwykle większa, w droższych typu LowESR — mniejsza, a są jeszcze kondensatory Ultra LowESR.
A mówiąc prościej (choć mocno upraszczając), to tak, jakby napełniać beczkę wodą przez krótki i gruby wąż albo przez cienki i długi. Beczka napełni się w obu przypadkach, ale im cieńszy wąż, tym dłużej to potrwa i tym więcej czasu się zmarnuje.


Z powodu tej rezystancji nie da się natychmiast rozładować ani naładować kondensatora. Ponadto podczas pracy przy wysokich częstotliwościach to właśnie ona powoduje jego nagrzewanie.
Najgorsze jest jednak to, że zwykły miernik pojemności jej nie mierzy.
Często zdarzało mi się, że podczas pomiaru uszkodzonego kondensatora miernik pokazywał prawidłową pojemność (a nawet większą), ale urządzenie nie działało. Pomiar miernikiem ESR od razu wyjaśniał sprawę: rezystancja wewnętrzna była bardzo wysoka i kondensator nie mógł prawidłowo pracować (przynajmniej w miejscu, w którym wcześniej był zamontowany).
Niektórzy na pewno widzieli spuchnięte kondensatory. Jeśli pominiemy przypadki, gdy kondensatory spuchły, po prostu leżąc na półce, to pozostałe są skutkiem wzrostu rezystancji wewnętrznej. Podczas pracy kondensatora jego rezystancja wewnętrzna stopniowo rośnie, na skutek niewłaściwych warunków pracy lub przegrzania.
Im większa rezystancja wewnętrzna, tym bardziej kondensator nagrzewa się od środka. Im większe nagrzewanie, tym bardziej rośnie rezystancja. W końcu elektrolit zaczyna „wrzeć”, a wzrost ciśnienia wewnątrz powoduje spuchnięcie kondensatora.

Kondensator nie zawsze jednak puchnie. Czasem wygląda zupełnie normalnie, jego pojemność jest w porządku, a mimo to nie działa prawidłowo.
Podłączasz go do miernika ESR, a zamiast typowych 20-30 mΩ ma już 1-2 Ω.
W pracy korzystam z samodzielnie zbudowanego miernika ESR, który złożyłem wiele lat temu według schematu z forum ProRadio. Autorem konstrukcji jest Go.
Ten miernik ESR dość często pojawia się w moich recenzjach i często o niego pytacie. Kiedy jednak zobaczyłem wśród nowości sklepu gotowy przyrząd, postanowiłem zamówić go na próbę.
Dodatkowo zachęcił mnie fakt, że nigdzie nie znalazłem informacji o tym przyrządzie. Tym ciekawiej :)

Z zewnątrz przyrząd wygląda jak „półprodukt”, czyli zmontowana konstrukcja bez obudowy.
Dla wygody producent zamontował jednak całość na takich plastikowych „nóżkach”. Nawet nakrętki są plastikowe :)


Z prawej strony urządzenia znajdują się zaciski do podłączenia badanego elementu.
Niestety układ połączeń jest dwuprzewodowy, a więc im dłuższe będą przewody sond (jeśli ich użyjemy), tym większy będzie błąd pomiaru.
W lepszych konstrukcjach stosuje się połączenie czteroprzewodowe: jedną parą kondensator jest ładowany i rozładowywany, a drugą mierzy się napięcie na kondensatorze. W takim układzie przewody mogą mieć nawet metr długości, a różnica wskazań będzie pomijalna.
Obok zacisków znajdują się też dwa pola na płytce drukowanej, używane do kalibracji urządzenia (zorientowałem się dopiero później).


Od spodu przewidziano miejsce na baterię 6F22 9 V (Krona).


Urządzenie można też zasilać z zewnętrznego źródła przez złącze MicroUSB. Po podłączeniu zasilania do tego złącza bateria jest automatycznie odłączana. Przy częstym użytkowaniu polecałbym zasilać urządzenie przez USB, bo baterie rozładowują się dość szybko.
Na zdjęciu widać też, że opaska mocująca baterię jest wielokrotnego użytku. Zamek opaski ma języczek, po naciśnięciu którego można ją otworzyć.


Po złożeniu całość wygląda mniej więcej tak.


Urządzenie włącza się i obsługuje jednym przyciskiem.
Włączenie — przytrzymanie przycisku przez ponad 1 s.
Naciśnięcie przycisku w trybie pracy przełącza urządzenie między pomiarem L a pomiarem C-ESR.
Wyłączenie — przytrzymanie przycisku przez ponad 2 sekundy.


Po włączeniu urządzenia najpierw wyświetla się jego nazwa i wersja firmware'u, a następnie komunikat przypominający, że przed pomiarem kondensatory trzeba koniecznie rozładować.
Po przytrzymaniu przycisku przez ponad dwie sekundy wyświetla się komunikat „Wyłączanie zasilania”, a po zwolnieniu przycisku urządzenie się wyłącza.


Jak pisałem wyżej, urządzenie ma dwa tryby pracy.
1. pomiar indukcyjności
2. pomiar pojemności i rezystancji (lub ESR).
W obu trybach na ekranie wyświetlane jest napięcie zasilania urządzenia.


Oczywiście sprawdzimy, co kryje się w środku tego przyrządu.
Na pierwszy rzut oka układ jest wyraźnie bardziej złożony niż w poprzednim testerze tranzystorów, co pośrednio może świadczyć albo o nieprzemyślanej konstrukcji, albo o lepszych parametrach. Wydaje mi się, że w tym przypadku bardziej prawdopodobna jest ta druga opcja.


Nie ma chyba sensu szczegółowo opisywać wyświetlacza — to klasyczny wariant 1602. Zdziwił mnie tylko czarny laminat.


Zdjęcie całej płytki zrobiłem w dwóch wersjach: z lampą błyskową i bez. Przyrząd bardzo nie chciał dać się sfotografować i przeszkadzał mi na wszelkie możliwe sposoby, więc z góry przepraszam za jakość zdjęć.
Na wszelki wypadek przypominam, że wszystkie zdjęcia w moich recenzjach można powiększyć, klikając je.




„Sercem” przyrządu jest mikrokontroler 12le5a08s2. Nie znalazłem informacji o tym konkretnym układzie, ale w nocie katalogowej innej jego wersji była wzmianka, że bazuje na rdzeniu 8051.


Część pomiarowa zawiera całkiem sporo elementów. Co ciekawe, producent deklaruje, że procesor ma 12-bitowy przetwornik ADC, wykorzystywany do pomiarów. Taka rozdzielczość jest całkiem niezła — pytanie tylko, na ile jest to realne.
Początkowo chciałem narysować schemat całego tego „bałaganu”, ale potem uznałem, że nie ma to większego sensu, bo zakresy pomiarowe przyrządu nie są zbyt duże. Jeśli jednak kogoś to interesuje, mogę spróbować go odtworzyć.


W układzie pomiarowym pracuje też wzmacniacz operacyjny, moim zdaniem całkiem niezły. Użyłem takiego samego we wzmacniaczu sygnału z bocznika prądowego obciążenia elektronicznego.


Wygląda na to, że jest to układ przełączający zasilanie między baterią a złączem USB.


Na spodzie płytki nie ma prawie nic ciekawego — poza przyciskiem nie ma tam żadnych elementów :(


Ale coś ciekawego znalazłem nawet na pustej płytce drukowanej :)))
Chodzi o to, że kiedy dostałem przyrząd i się nim bawiłem, za nic nie mogłem zmusić go do wyświetlenia pojemności kondensatora większej niż 680 µF — uparcie pokazywał OL i nic więcej.
Oglądając płytkę, nie mogłem nie zauważyć trzech par styków do podłączenia przycisków (sądząc po oznaczeniach).
Najpierw zwarłem key2 i na ekranie pojawił się komunikat — kalibracja zera (wolne tłumaczenie) — OK.
Ha, pomyślałem, no to teraz cię mamy.
A jednak nie. Kalibracja zajęła mi mnóstwo czasu, bo ze względu na rzadkość tego przyrządu nie ma o nim żadnych informacji. Jedyne wzmianki o kalibracji znalazłem tutaj.


Zwarcie pozostałych par styków wyświetla wartości stałych (jak sądzę).
Były też inne warianty, z innymi literami, a czasem po zwarciu key3 pojawiał się komunikat — Zapisano OK (oczywiście po angielsku).


Wróćmy jednak do kalibracji.
Przyrząd stawiał opór na wszystkie możliwe sposoby.
Na początek spróbowałem zewrzeć zaciski pęsetą i tak przeprowadzić kalibrację, ale w rezultacie przyrząd pokazywał prawidłową pojemność i ujemną rezystancję kondensatorów.
Potem zwarłem dwa pola testowe na płytce. Przyrząd zaczął pokazywać prawidłową rezystancję, ale zakres pomiaru pojemności zawęził się do 220–330 µF.
Dopiero po długich poszukiwaniach w internecie natknąłem się na zdanie (link jest nieco wyżej): Use 3cm thick copper wire for short circuit to clear
W tłumaczeniu oznaczało to: użyj miedzianego przewodu o grubości 3 cm. Pomyślałem, że grubość 3 cm to trochę przesada i najpewniej chodziło o długość 3 cm.
Odciąłem kawałek przewodu o długości około 3 cm i zwarłem pola na płytce. Zaczęło działać znacznie lepiej, ale nadal nie tak, jak powinno.
Wziąłem przewód dwa razy dłuższy i powtórzyłem operację. Po tym przyrząd zaczął działać już całkiem normalnie, a dalsze testy przeprowadzałem po tej kalibracji.

Na początek dobrałem różne komponenty, za pomocą których sprawdzę działanie przyrządu.
Na zdjęciu ułożone są w kolejności testowania, tylko dławiki leżą odwrotnie.
Wszystkie komponenty sprawdzałem od najmniejszej wartości do największej.


Przed testami sprawdziłem oscyloskopem, co przyrząd podaje na zaciskach pomiarowych.
Sądząc po wskazaniach oscyloskopu, częstotliwość jest ustawiona na około 72 kHz.


W przypadku pomiaru indukcyjności wyniki zgadzały się z wartościami podanymi na komponentach.
1. indukcyjność 22 µH
2. indukcyjność 150 µH
Przy okazji, podczas kalibracji zauważyłem, że żadne manipulacje nie wpływały na dokładność pomiaru pojemności ani indukcyjności, a jedynie na dokładność pomiaru rezystancji.


Przy indukcyjności 150 µH przebieg sygnału na zaciskach wyglądał tak


Z kondensatorami o małej pojemności również nie było problemów.
1. 100 nF 1%
2. 0,39025 µF 1%


Przebieg sygnału podczas pomiaru kondensatora 0.39025 µF


Teraz przyszła kolej na elektrolity.
1. 4.7 µF 63 V
2. 10 µF 450 V
3. 470 µF 100 V
4. 470 µF 25 V lowESR
Osobno wspomnę o kondensatorze 10 µF 450 V. Jego wskazania bardzo mnie zaskoczyły i nie jest to wada konkretnego egzemplarza, bo kondensatory są nowe, a mam dwa identyczne. Oba wskazywały to samo, a inne przyrządy pokazywały pojemność około 10 µF. Co więcej, nawet ten miernik kilka razy pokazał wartość około 10 µF. Nie wiem, dlaczego tak się dzieje.


1. 680 µF 25 V, niskoimpedancyjny
2. 680 µF 25 V lowESR.
3. 1000 µF 35 V, zwykły Samwha.
4. 1000 µF 35 V, Samwha z serii RD.


Przebieg sygnału na stykach podczas testowania zwykłego kondensatora Samwha 1000 µF 35 V.
Teoretycznie podczas pomiaru kondensatorów elektrolitycznych o dużej pojemności częstotliwość powinna spaść do 3 kHz, ale na oscylogramie wyraźnie widać, że podczas wszystkich testów się nie zmieniała i wynosiła około 72 kHz.


Samwha RD 1000 µF 35 V czasami dawał też taki wynik; zdarzało się to przy słabym kontakcie wyprowadzeń z zaciskami pomiarowymi.


Dopiero po zrobieniu wspólnego zdjęcia, zmierzeniu i odłożeniu elementów na miejsce przypomniałem sobie, że zapomniałem zmierzyć rezystancję rezystorów.
Do pomiaru wziąłem dwa rezystory:
1. 0.1 Ω 1%
2. 0.47 Ω 1%
Rezystancja drugiego rezystora jest nieco zawyżona i wyraźnie przekracza tolerancję 1%, a nawet jest bliższa 10%. Myślę jednak, że wpływ na to ma raczej fakt, że pomiar odbywa się prądem przemiennym, a także indukcyjność rezystora drutowego, bo mały rezystor 2.4 Ω wykazał rezystancję 2.38 Ω.


Szukając informacji o tym przyrządzie, kilka razy natknąłem się na jego zdjęcia, na których pokazano jednoczesny pomiar przy różnych częstotliwościach, ale mój miernik tego nie wyświetla. Znowu nie wiadomo dlaczego :(
Może to inna wersja, a może coś innego, ale różnica jest. Odniosłem wrażenie, że mój mierzy wyłącznie z częstotliwością 72 kHz.
Wysoka częstotliwość pomiaru to dobra rzecz, ale zawsze warto mieć alternatywę.


Podsumowanie
Zalety
Podczas pracy urządzenie wykazało całkiem niezłą dokładność (ale dopiero po kalibracji)
Jeśli pominąć konieczność kalibracji, można powiedzieć, że konstrukcja jest gotowa do pracy „prosto z pudełka”, ale dopuszczam, że po prostu miałem „szczęście”.
Podwójne zasilanie.

Wady
Całkowity brak informacji o kalibracji urządzenia
Wąski zakres pomiarowy
Moje urządzenie zaczęło działać poprawnie dopiero po kalibracji.

Moja opinia. Szczerze mówiąc, mam o tym urządzeniu bardzo mieszane uczucia. Z jednej strony uzyskałem całkiem niezłe wyniki, a z drugiej pojawiło się więcej pytań niż odpowiedzi.
Na przykład nadal nie wiem na 100%, jak prawidłowo je skalibrować. Nie rozumiem też, dlaczego mój kondensator 10 µF jest wyświetlany jako 2,3, a poza tym nie wiadomo, dlaczego pomiar odbywa się tylko przy 72 kHz.
Sam nie wiem, czy je polecać. Jeśli zupełnie nie chcecie lutować, można użyć tego urządzenia albo testera tranzystorów z poprzedniej recenzji. Jeśli natomiast zależy wam na lepszych parametrach (głównie szerszym zakresie) i nie musicie mierzyć indukcyjności, możecie zbudować miernik C-ESR od Go.
Bardzo rozczarował mnie górny zakres pomiaru pojemności, wynoszący 1000 µF. Bez problemu mierzyłem wprawdzie także 2200 µF, ale dokładność urządzenia spadała i wyraźnie zawyżało ono wynik pomiaru pojemności.

Na razie to wszystko. Będę bardzo wdzięczny za wszelkie informacje o tym urządzeniu i chętnie dodam je do recenzji. Dopuszczam, że ktoś jeszcze je ma, choć jest to mało prawdopodobne, bo niczego na jego temat nie znalazłem, a przecież często urządzenia są kopiami znanych już konstrukcji.

Produkt udostępnił do recenzji sklep.