RLC та ESR-метр, або прилад для вимірювання конденсаторів, індуктивностей і низькоомних резисторів.

Останнім часом вихід з ладу електролітичних конденсаторів став однією з основних причин поломок радіоапаратури. Але для правильної діагностики не завжди достатньо мати лише вимірювач ємності, тому сьогодні поговоримо про ще один параметр — ESR.
Що це таке, на що впливає і чим його вимірюють, я спробую розповісти в цьому огляді.

Для початку скажу, що цей огляд кардинально відрізнятиметься від попереднього, хоча обидва огляди присвячені вимірювальним приладам радіоаматора.
1. Цього разу не конструктор, а радше «напівфабрикат»
2. Паяти в цьому огляді я нічого не буду.
3. Схеми в цьому огляді також не буде, думаю, що до кінця огляду стане зрозуміло чому.
4. Цей прилад має дуже вузьке призначення, на відміну від попереднього «майстра на всі руки».
5. Якщо про попередній прилад знало дуже багато людей, то цей майже нікому не відомий.
6. Огляд буде невеликим

Для початку, як завжди, упаковка.


До упаковки приладу претензій не виникло, просто й компактно.


Комплектація зовсім спартанська: у комплекті лише сам прилад та інструкція, щупи й батарейка не входять.


Інструкція також не вирізняється інформативністю: загальні фрази та картинки.


Технічні характеристики приладу, зазначені в інструкції.


А тепер зрозумілішою мовою.
Опір
Діапазон — 0,01 — 20 Ом
Точність — 1% + 2 розряди.

Еквівалентний послідовний опір (ESR)
Діапазон — 0,01 — 20 Ом, працює з конденсаторами ємністю від 0.1мкФ
Точність — 2% + 2 розряди

Ємність
Діапазон — 0,1мкФ — 1000мкФ (3-1000 мкФ вимірюються на частоті 3КГц, 0.1-3мкФ — 72КГц)
Точність — залежить від частоти вимірювання, але становить близько 2% ± 10 розрядів

Індуктивність
Діапазон — 0-60 мкГн на частоті 72КГц і 0-1200 мкГн на частоті 3КГц.
Точність — 2% + 2 розряди.

Для початку розповім, що ж таке ESR.
Багато хто досить часто чув слово «конденсатор», а дехто навіть бачив їх :)
Якщо не бачили, то на фото нижче — найпоширеніші в техніці представники.


Зовні конденсатор — це зазвичай деталька з двома виводами, але насправді всі компоненти складніші, ніж здаються на перший погляд.
Почнімо з того, що всі деталі неідеальні й, крім свого основного параметра, мають ще купу «паразитних».
Оскільки ми говоримо про конденсатори, розгляньмо уважніше саме його.

У реальному житті еквівалентна схема конденсатора має приблизно такий вигляд, як показано на рисунку нижче.
На малюнку показано —
C — еквівалентна ємність, r — опір витоку, R — еквівалентний послідовний опір, L — еквівалентна індуктивність.

А якщо спростити, то
Еквівалентна ємність — це конденсатор у «чистому» вигляді, тобто без недоліків.
Опір витоку — це опір, через який конденсатор розряджається незалежно від зовнішніх кіл. Якщо провести аналогію з бочкою води, то це природне випаровування. Воно може бути більшим або меншим, але буде завжди.
Еквівалентна індуктивність — можна сказати, що це дросель, увімкнений послідовно з конденсатором. Наприклад, це обкладки конденсатора, згорнуті в рулон. Цей параметр заважає конденсатору працювати на високих частотах, і що вища частота, то більший вплив.
Еквівалентний послідовний опір, ESR — ось той параметр, який ми й розглядаємо.
Його можна уявити як резистор, увімкнений послідовно з ідеальним конденсатором.
Це опір виводів, обкладок, фізичні обмеження тощо.
У найдешевших конденсаторів цей опір зазвичай вищий, у дорожчих LowESR — нижчий, а є ще й Ultra LowESR.
А якщо просто (але дуже умовно), то це все одно, що набирати воду в бочку через короткий і товстий шланг або через тонкий і довгий. Бочка наповниться в будь-якому разі, але що тонший шланг, то довше це триватиме й більше часу буде втрачено.


Через цей опір неможливо миттєво розрядити або зарядити конденсатор, крім того, під час роботи на високих частотах саме цей опір нагріває конденсатор.
Але найгірше те, що звичайний вимірювач ємності його не вимірює.
У мене часто траплялися випадки, коли під час вимірювання поганого конденсатора прилад показував нормальну ємність (і навіть вищу), але пристрій не працював. Під час вимірювання ESR-метром одразу ставало зрозуміло, що внутрішній опір у нього дуже високий і нормально працювати він не може (принаймні там, де стояв раніше).
Дехто напевно бачив здуті конденсатори. Якщо не брати до уваги випадки, коли конденсатори здувалися, просто лежачи на полиці, то все інше є наслідком підвищення внутрішнього опору. Під час роботи конденсатора внутрішній опір поступово зростає — це відбувається через неправильний режим роботи або перегрівання.
Що більший внутрішній опір, то сильніше конденсатор нагрівається зсередини; що сильніше нагрівання зсередини, то більше зростає опір. Зрештою електроліт починає «кипіти», і через підвищення внутрішнього тиску конденсатор здувається.

Але конденсатор не завжди здувається: іноді на вигляд він цілком нормальний, ємність у нормі, а працює неправильно.
Підключаєш його до ESR-метра, а замість звичних 20-30мОм у нього вже 1-2 Ома.
У роботі я користуюся саморобним ESR-метром, зібраним багато років тому за схемою з форуму ProRadio; автор конструкції — Go.
Цей ESR-метр досить часто трапляється в моїх оглядах, і мене часто про нього запитують. Коли ж я побачив серед нових надходжень магазину вже готовий прилад, то вирішив замовити його на пробу.
Інтерес підігрівало ще й те, що інформації про цей прилад я ніде не знайшов, ну тим цікавіше :)

Зовні прилад схожий на «напівфабрикат», тобто зібрану конструкцію, але без корпусу.
Щоправда, для зручності виробник установив усю цю конструкцію на такі ось пластикові «ніжки», навіть гайки пластикові :)


На правому торці приладу розташовані клеми для підключення елемента, який вимірюють.
На жаль, схема підключення двопровідна, а отже, що довшими будуть дроти щупів (якщо їх використовувати), то більшою буде похибка показань.
У досконаліших конструкціях використовують чотирипровідне підключення: однією парою конденсатор заряджається/розряджається, а іншою вимірюється напруга на конденсаторі. У такому варіанті дроти можна зробити хоч метровими — суттєвої різниці в показаннях не буде.
Також поруч із клемами є два контакти друкованої плати, які використовуються для калібрування приладу (це я зрозумів уже потім).


Знизу передбачено місце для встановлення батареї живлення типу 6F22 9 В (Крона).


Прилад також може живитися від зовнішнього джерела живлення, яке підключається через роз'єм MicroUSB. Під час підключення живлення до цього роз'єму батарея автоматично від'єднується. За частого використання я б радив живити прилад від USB-роз'єму, оскільки батареї розряджаються досить відчутно.
На фото також видно, що стяжка, якою кріпиться батарея, багаторазова. Замок стяжки має язичок: якщо натиснути на нього, її можна відкрити.


У зібраному вигляді конструкція має приблизно такий вигляд.


Прилад вмикається й керується лише однією кнопкою.
Увімкнення — натиснути й утримувати понад 1 с.
Натискання в робочому режимі перемикає прилад між вимірюванням L і C-ESR.
Вимкнення — натиснути й утримувати кнопку понад 2 секунди.


Після ввімкнення приладу спочатку відображаються його назва й версія прошивки, а потім з'являється попередження про те, що перед перевіркою конденсатори обов'язково треба розрядити.
Якщо утримувати кнопку понад дві секунди, з'являється напис «Вимкнення живлення», а після відпускання кнопки прилад вимикається.


Як я вже писав вище, прилад має два робочі режими.
1. вимірювання індуктивності
2. вимірювання ємності, опору (або ESR).
В обох режимах на екрані відображається напруга живлення приладу.


Звісно, подивімося, що являє собою начинка цього приладу.
На вигляд вона помітно складніша, ніж у попереднього тестера транзисторів, що опосередковано свідчить або про непродуманість схеми, або про кращі характеристики. Мені здається, що в цьому випадку ймовірніший другий варіант.


Дисплей особливо описувати немає сенсу — класичний варіант 1602. Єдине, що здивувало, — чорний колір текстоліту.


Загальне фото друкованої плати я зробив у двох варіантах — зі спалахом і без. Узагалі прилад дуже не хотів фотографуватися, всіляко мені заважав, тож заздалегідь перепрошую за якість.
Про всяк випадок нагадую, що всі фото в моїх оглядах клікабельні.




«Серцем» приладу є мікроконтролер 12le5a08s2. Інформації саме про цей контролер я не знайшов, але в даташиті іншої його версії траплялася згадка, що він побудований на ядрі 8051.


Вимірювальна частина містить чимало елементів. До речі, заявлено, що процесор має 12-бітний АЦП, який використовується для вимірювань. Така розрядність доволі непогана, цікаво лише, наскільки це відповідає дійсності.
Спочатку я думав накреслити схему всього цього «безладу», але потім зрозумів, що особливого сенсу в цьому немає, адже характеристики приладу, зокрема діапазон вимірювання, не надто вражають. Але якщо комусь цікаво, можна спробувати перемалювати схему.


У вимірювальній схемі також задіяний операційний підсилювач, як на мене, доволі непоганий. Такий я використовував у підсилювачі сигналу з токового шунта електронного навантаження.


Схоже, це вузол перемикання живлення між батареєю та USB-роз’ємом.


Знизу плати майже нічого цікавого — крім кнопки, жодних компонентів немає :(


Але я знайшов дещо цікаве навіть на порожній друкованій платі :)))
Річ у тім, що коли я отримав прилад і бавився з ним, то ніяк не міг змусити його показувати ємність конденсатора понад 680мкФ: він уперто показував OL і все.
Оглядаючи плату, я не міг не помітити три пари контактів для підключення кнопок (судячи з маркування).
Спочатку я замкнув key2, у відповідь на екрані з’явилося — калібрування нуля (вільний переклад) — ОК.
Ха, думаю, ну зараз ми тебе.
А от і ні: калібрування забрало в мене купу часу, бо через рідкісність приладу інформації про нього немає взагалі. Єдина згадка зі словом «калібрування» була тут.


Замикання інших пар контактів виводить на екран значення констант (схоже на те).
Причому були й інші варіанти, з іншими літерами, а ще іноді під час замикання key3 з’являвся напис — Збережено ОК (англійською, звісно).


Але повернімося до калібрування.
Прилад опирався з усіх сил.
Спочатку я спробував замкнути клеми пінцетом і так відкалібрувати, але зрештою прилад показував правильну ємність і від’ємний опір конденсаторів.
Після цього я замкнув два тестові контактні майданчики на платі: прилад почав показувати правильний опір, але діапазон вимірювання ємності звузився до 220-330 мкФ.
І вже після довгих пошуків в інтернеті я натрапив на фразу (посилання трохи вище) — Use 3cm thick copper wire for short circuit to clear
У перекладі це означало — використовуйте мідний дріт завтовшки 3см. Я подумав, що завтовшки 3см — це якось круто, і, найімовірніше, йшлося про довжину 3см.
Відрізав шматочок дроту завдовжки близько 3см і замкнув контактні майданчики на платі — запрацювало значно краще, але все одно не так, як треба.
Взяв дріт удвічі довший і повторив операцію. Після цього прилад уже працював цілком нормально, і подальші тести я проводив після цього калібрування.

Спочатку я підібрав різні компоненти, за допомогою яких перевірятиму роботу приладу.
На фото вони розкладені в порядку тестування, тільки дроселі лежать навпаки.
Усі компоненти перевірялися від меншого номіналу до більшого.


Перед тестами я подивився осцилографом, що прилад видає на свої вимірювальні клеми.
Судячи з показів осцилографа, частоту встановлено приблизно на 72КГц.


Щодо вимірювання індуктивності — покази цілком збіглися із зазначеними на компонентах.
1. індуктивність 22мкГн
2. індуктивність 150мкГн
До речі, під час калібрування я помітив, що жодні маніпуляції не впливали на точність вимірювання ємності й індуктивності, а позначалися лише на точності вимірювання опору.


З індуктивністю 150мкГн форма сигналу на клемах мала такий вигляд


З конденсаторами невеликої ємності проблем також не виникло.
1. 100нФ 1%
2. 0.39025 мкФ 1%


Форма сигналу під час вимірювання конденсатора 0.39025 мкФ


Далі пішли електроліти.
1. 4.7мкФ 63В
2. 10мкФ 450В
3. 470мкФ 100 Вольт
4. 470мкФ 25 В lowESR
Окремо скажу про конденсатор 10мкФ 450 Вольт. Мене дуже здивували покази, і це не дефект конкретного елемента, адже конденсатори нові, і в мене їх два однакових. Покази в обох також були однакові, а інші прилади показували саме ємність близько 10мкФ. Ба більше, навіть на цьому приладі пару разів проскакували покази зі значенням близько 10мкФ. Чому так — мені незрозуміло.


1. 680мкФ 25 Вольт низькоімпедансний
2. 680мкФ 25 Вольт lowESR.
3. 1000мкФ 35 Вольт звичайний Samwha.
4. 1000мкФ 35 Вольт Samwha RD серія.


Форма сигналу на контактах під час тестування звичайного 1000мкФ 35 Вольт Samwha.
За ідеєю, під час вимірювання ємних електролітів частота мала б упасти до 3КГц, але на осцилограмі чітко видно, що частота не змінювалася протягом усіх тестів і становила близько 72КГц.


1000мкФ 35 Вольт Samwha RD серії іноді видавав і такий результат. Це траплялося за поганого контакту виводів із вимірювальними клемами.


Уже після того, як зробив спільне фото, виміряв і розклав деталі по своїх місцях, я згадав, що забув виміряти опір резисторів.
Для вимірювання я взяв пару резисторів
1. 0.1 Ома 1%
2. 0.47 Ома 1%
Опір другого резистора дещо завищений і явно виходить за межі 1%, радше навіть ближче до 10%. Але думаю, що це, найімовірніше, пов'язано з тим, що вимірювання відбувається на змінному струмі, і впливає індуктивність дротяного резистора, адже маленький резистор на 2.4 Ома показав опір 2.38 Ома.


Коли шукав інформацію про прилад, то пару разів натрапляв на фото цього приладу, де показано одночасне вимірювання на різних частотах, але мій прилад такого не показує. І знову ж таки, незрозуміло чому :(
Чи то інша версія, чи ще щось, але різниця є. У мене взагалі склалося враження, що він вимірює лише на частоті 72КГц.
Висока частота вимірювання — це добре, але завжди зручно мати альтернативу.


Підсумок
Переваги
Під час роботи прилад показав доволі непогану точність (щоправда, після калібрування)
Якщо не зважати на те, що мені довелося його калібрувати, можна сказати, що конструкція готова до роботи «з коробки», але припускаю, що мені просто «пощастило».
Подвійне живлення.

Недоліки
Повна відсутність інформації про калібрування приладу
Вузький діапазон вимірювання
У мене прилад нормально запрацював лише після калібрування.

Моя думка. Якщо чесно, у мене склалося стійке подвійне враження про прилад. З одного боку, я отримав цілком непогані результати, а з іншого — більше запитань, ніж відповідей.
Наприклад, я так і не зрозумів на 100%, як його правильно калібрувати, також не зрозумів, чому мій конденсатор на 10мкФ відображається як 2.3, та й, крім того, незрозуміло, чому вимірювання відбувається лише на частоті 72КГц.
Я навіть не знаю, рекомендувати його чи ні. Якщо зовсім не хочеться паяти, можна скористатися цим приладом або тестером транзисторів із минулого огляду, а якщо потрібні кращі характеристики (переважно ширший діапазон) і не потрібно вимірювати індуктивність, можна зібрати C-ESR метр від Go.
Дуже засмутив верхній діапазон вимірювання ємності — 1000мкФ, хоча я спокійно вимірював і 2200 мкФ, але точність приладу падала, і він починав явно завищувати покази ємності.

Загалом, на цьому поки все. Буду дуже радий будь-якій інформації про прилад і з задоволенням додам її до огляду. Припускаю, що він є ще в когось, хоча це й дуже малоймовірно, адже я не знайшов про нього нічого, хоча часто всі прилади є повторенням якихось уже відомих конструкцій.

Товар надано магазином для написання огляду.