2001.03 Miernik rezystancji kondensatorów, Projekty AVT
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Projekty AVT
Miernik
rezystancji
kondensatorów
2404
Układ przeznaczony do badania wła−
ściwości wszelkich kondensatorów
elektrolitycznych, zwłaszcza do prze−
twornic i zasilaczy.
* pomiar rezystancji szeregowej ESR
* możliwość pomiaru pojemności
* sprawdzenie wzrostu temperatury
w warunkach pracy
* łatwa, intuicyjna obsługa
* współpraca z dowolnym
oscyloskopem
Kondensator podczas pracy niewątpliwie
będzie się nagrzewał. Ponieważ rezystancja
Rs nie jest stała, tylko zależy (między inny−
mi) od częstotliwości, problem nadmiernego
wzrostu temperatury „elektrolitów” daje
osobie znać głównie wukładach przetwornic
i zasilaczy impulsowych. Nic więc dziwne−
go, że dla kondensatorów elektrolitycznych
podaje się żywotność w temperaturze
+85°C lub +105°C. Kluczowe znaczenie ma
tu nie maksymalna temperatura otoczenia,
tylko podwyższona temperatura wnętrza
kondensatora, związana z wydzielaniem się
ciepła na rezystancji szeregowej.
Z podanego uzasadnienia jasno widać, że
zastosowanie w układzie filtru kondensatora
o zbyt dużej rezystancji szeregowej Rs może
doprowadzić do wzrostu temperatury wnę−
trza kondensatora znacznie powyżej +100°C,
co w krótkim czasie doprowadzi do awarii.
Problem rezystancji szeregowej kondensa−
torów występuje także w innych dziedzinach,
między innymi w obwodach antenowych
nadajników radiowych, a w mniejszym stop−
niu także w obwodach filtrów klasycznych
zasilaczy z transformatorem sieciowym
50Hz. Dlatego każdy elektronik powinien
przynajmniej z grubsza rozumieć problem re−
zystancji kondensatorów iumieć ją zmierzyć.
Rezystancja Rs, pokazana na
rysunku 1
,
nazywana jest bardzo często ESR − Equiva−
lent Series Resistance, czyli dosłownie za−
stępczą rezystancją szeregową. W tym arty−
kule, zamiast ESR, będzie ona konsekwent−
nie oznaczana Rs.
Niestety, szkodliwej rezystancji wewnę−
trznej z rysunku 1 nie można zmierzyć omo−
mierzem. Trzeba ją badać metodami nieco
bardziej skomplikowanymi. Opisany dalej
przyrząd jest przystawką, pozwalającą okre−
ślić wartość tej rezystancji za pomocą jakie−
gokolwiek oscyloskopu. Układ przeznaczony
jest
przede wszystkim do
pomiaru „elektrolitów”, zarów−
no aluminiowych, jak i tantalo−
wych, ale można nim mierzyć
również rezystancję szeregową
kondensatorów stałych (folio−
wych i ceramicznych) o pojem−
nościach powyżej 10nF. Układ
nie jest natomiast przeznaczony do badań
kondensatorów w.cz. o małej pojemności.
Rys. 1
Tytuł projektu może się wydać spektakular−
nym efektem działalności chochlika drukar−
skiego. Tak jednak nie jest. Opisany przyrząd
jest przystawką, pozwalającą mierzyć rezy−
stancję wewnętrzną kondensatorów. Tylko
początkujący elektronicy uważają, że pojem−
ność to jedyny istotny parametr kondensatora.
Wprawdzie pojemność rzeczywiście jest naj−
ważniejsza, jednak wwielu wypadkach pomi−
nięcie rezystancji wewnętrznej spowoduje, że
układ nie będzie pracował według założeń,
a nawet może ulec uszkodzeniu.
Oto uzasadnienie. Obecnie wiele urządzeń
zawiera przetwornice, zasilacze impulsowe
i podobne układy, gdzie kondensatory elektroli−
tyczne filtrują przebiegi o częstotliwościach rzę−
du dziesiątek anawet setek kiloherców. Konden−
satory te są gwałtownie ładowane i rozładowy−
wane − płynie przez nie znaczny prąd (zmienny)
o dużej częstotliwości. W ogromnej większości
przypadków nie trzeba wgłębiać się wszczegóły
(które są krótko omówione w końcowej części
artykułu). Wystarczy pamiętać o istnieniu rezy−
stancji szeregowej, czyli rozpatrywać prościutki
układ zastępczy zrysunku 1. Prąd zmienny prze−
pływający przez kondensator płynie także przez
rezystancję szeregową Rs, co oczywiście powo−
duje wydzielanie się ciepła (Joule’a). Moc strat
cieplnych określa znany wzór:
P= I
2
* Rs
Opis układu
Podstawową zasadę działania miernika,
a właściwie oscyloskopowej przystawki do
pomiaru rezystancji kondensatorów, ilustruje
rysunek 2
. Badany kondensator jest na prze−
mian ładowany i rozładowywany znacznym
prądem przez rezystor Ra.
Rys. 2
Gdyby kondensator był idealny, przebiegi
wyglądałyby na przykład tak, jak na
rysunku
3
. Ale żaden kondensator nie jest idealny. Jak
pokazuje
rysunek 4a
, w czasie ładowania
oscyloskop pokazuje sumę spadku napięcia na
rezystancji Rs i napięcia na „czystej pojemno−
ści” C. Natomiast w czasie rozładowania na−
pięcie na zaciskach kondensatora jest różnicą
napięcia na „czystym kondensatorze” ispadku
napięcia na rezystancji Rs −
rysunek 4b
Elektronika dla Wszystkich
19
Projekty AVT
pokazuje sytuację, gdy kondensator został
wcześniej naładowany do napięcia U
B
.
W pierwszej chwili po włączeniu tranzystora
T3, napięcie na „czystym kondensatorze” wy−
nosi U
B
, a w obwodzie zacznie płynąć prąd
o wartości
I= U
B
/ (Rs+Ra)
Rys. 5
ciu pracy, jest znacznie lepszy od „elektrolita”,
którego pojemność inapięcie pracy wydawały−
by się wystarczające do danego zastosowania.
Schemat ideowy układu pomiarowego
jest pokazany na
rysunku 6
. Bramka
U1Ajest generatorem przebiegu prostokątne−
go. Częstotliwość można zmieniać w bardzo
szerokim zakresie, dołączając równolegle do
C9 dowolne kondensatory C1...C8.
Ze względu na obecność diody D1 i rezy−
stora R2, współczynnik wypełnienia przebie−
gu na nóżce 3 U1Awynosi około 20%. Prze−
bieg ten steruje ładowaniem irozładowaniem
badanego kondensatora Cx, dołączonego do
zacisku ARK2, oznaczonego Z1.
Gdy na wyjściu generatora U1A pojawia
się stan niski, zostaje otwarty tranzystor T2,
a T3 jest zamknięty. Badany kondensator Cx
ładuje się przez obwód z rezystorami R9,
R11, R12 (zależnie od ustawienia przełączni−
ka P1). Gdy z kolei na wyjściu generatora
U1A pojawi się stan wysoki, zatyka się T2
aodtyka T3. Badany kondensator zostaje roz−
ładowany w obwodzie z elementami R10,
R13, R14. Trzypozycyjne przełączniki P1
i P2 umożliwiają zmianę rezystancji (prądu)
ładowania i rozładowania w szerokich grani−
cach. Nie bez przyczyny przewidziano czas
ładowania znacznie dłuższy od czasu rozłado−
wania, a prąd ładowania radykalnie mniejszy
od prądu rozładowania − porównaj wartości
rezystancji R9, R11, R12 oraz R10, R13, R14.
Przyczyna jest jak najbardziej praktyczna.
Kondensatory o dużej pojemności mają nie−
wielką rezystancję szeregową, i aby ją zmie−
rzyć, trzeba pracować przy odpowiednio du−
żych prądach. Opisywana przystawka pod−
czas pracy będzie dołączona do jakiegoś zasi−
lacza. Aby nie obciążać nadmiernie zasilacza,
Rys. 3
gdy Ra=Rs. Gdy rezystancja Rs jest większa
od rezystancji Ra, wtedy przebiegi wygląda−
ją mniej więcej tak, jak na rysunku 5c.
Długości odcinków U
Ra
, U
Rs
z rysunków 4,
5 są proporcjonalne odpowiednio do zewnę−
trznej rezystancji Ra i rezystancji Rs kon−
densatora. Rysunek 4 pokazuje, że podana
zależność jest słuszna w każdej chwili łado−
wania i rozładowania, ale w praktyce
trzeba mierzyć wysokość „schodków”
w chwili przełączania − zobacz rysunek
5. Tym samym rezystancję Rs można
określić, mierząc na ekranie długość
odcinków U
Ra
, U
Rs
i porównując z aktu−
alną wartością Ra, wynikającą z usta−
wienia przełącznika P1 bądź P2.
Wpraktyce niekoniecznie trzeba obli−
czać dokładną wartość rezystancji Rs.
Zresztą ze względu na niecodzienne wła−
ściwości kondensatora, omówione wdal−
szej części artykułu, dolna część „schod−
ka” będzie zaokrąglona. Nie jest to istot−
ne. Najważniejszy jest fakt, że kondensa−
tor podczas testów pracuje w warunkach
zbliżonych do naturalnych i można w bardzo
prosty sposób sprawdzić, na ile się grzeje.
Grzanie to, jak wspomniano, wynika z prze−
pływu prądu przez rezystancję szeregową Rs.
Zazwyczaj
wystarczy porównanie „na
oko” właściwości kilku kondensatorów
o różnych pojemnościach, napięciach pra−
cy i różnej budowie
. Czym wyższy „scho−
dek”, tym większa rezystancja Rs i tym wię−
cej będzie się grzał kondensator.
Często okaże się, że „tantal”, o znacznie
mniejszej pojemności, albo zwykły „elektro−
lit”, omniejszej pojemności iwiększym napię−
Rys. 4
Jak widać, napięcie U
B
podzieli się na
dwie części: spadek napięcia na Rs oraz
napięcie na Ra, obserwowane na oscylosko−
pie. Przebieg oglądany na oscyloskopie,
zaznaczony linią czerwoną, będzie miał
swego rodzaju „schodki” − w chwili przełą−
czania pojawi się wyraźny pionowy
odcinek, związany z obecnością rezystancji
wewnętrznej Rs.
Rysunek 5
pokazuje kilka
przypadków. Przy jakiejś niewielkiej rezy−
stancji Rs przebiegi będą wyglądać jak na
rysunku 5a. Rysunek 5b pokazuje sytuację,
Rys. 6 Schemat ideowy
20
Elektronika dla Wszystkich
Projekty AVT
wykorzystano przebieg sterujący o niewiel−
kim współczynniku wypełnienia. Tym sa−
mym kondensator można naładować stosun−
kowo niewielkim prądem przez dłuższy
okres, a potem szybko rozładować dużym
prądem, umożliwiając pomiar nawet niewiel−
kiej rezystancji Rs. Dzięki temu zastosowany
zasilacz nie musi mieć dużej wydajności prą−
dowej − całkowicie wystarczy wydajność 1A,
a nawet mniej.
Ponieważ zastosowany zasilacz może
mieć kiepskie parametry wyjściowe, w przy−
stawce przewidziano miejsce na cztery duże
kondensatory filtrujące. Kondensatory o wy−
ższym napięciu nominalnym mają rezystan−
cję Rs mniejszą niż podobne o niższym na−
pięciu pracy. Choć w czasie pracy przyrząd
będzie zasilany napięciem w zakresie
8...15V, kondensatory filtrujące C12...C15
powinny mieć napięcie nominalne 63V, osta−
tecznie 50V. Chodzi o to, by obwód zasilania
miał jak najmniejszą rezystancję wewnętrz−
ną. W tym wypadku jest to nader istotne, po−
nieważ przebieg na oscyloskopie ma
odzwierciedlać tylko właściwości badanego
kondensatora Cx, a nie kondensatorów filtru−
jących C12...C15.
Oile ogólna za−
sada działania
przyrządu jest ja−
sna, o tyle wyja−
śnienia wymaga
budowa obwodów
sterujących z
bramkami U1B...D
i tranzystorami T1,
T4...T6. Teoretycz−
nie bramki MO−
SFET−ów T2, T3
mogłyby być sterowane wprost z wyjścia
generatora U1A według
rysunku 7
albo
w inny prosty sposób. W pierwszej wersji
przyrządu (o czym świadczy płytka modelu
pokazanego na fotografii) przewidziane by−
ły dodatkowe obwody podwajaczy napięcia
z kondensatorami, które umożliwiałyby peł−
ne otwieranie MOSFET−ów nawet przy na−
pięciu zasilającym 4...6V. Próby wykazały,
że obwody takie zdają egzamin przy mniej−
szych częstotliwościach. Jednocześnie pod−
czas testów okazało się możliwe i celowe
poszerzenie możliwości pomiarowych przez
zwiększanie częstotliwości generatora. Dla−
tego przekonstruowano obwody sterujące,
nadając im kształt jak na rysunku 6. Pary
tranzystorów T1, T5 oraz T4, T6 umożli−
wiają szybkie ładowanie pojemności wej−
ściowej tranzystorów MOSFET. T4 i T6
tworzą najprostszy symetryczny wtórnik.
Tranzystory T1, T5 pracujące w układzie
OE zastosowano tylko dlatego, by nie stoso−
wać jeszcze jednej bramki z następnej kost−
ki CMOS. To wymusiło obecność rezysto−
rów R5...R8 ikondensatorów przyspieszają−
cych C10, C11.
Zagadką może być obecność elementów
R3, R4, D2. Pełnią one ważną rolę. W pier−
wotnej wersji przewidziane były dwa dodat−
kowe kondensatory włączone między nóżki
9, 13 amasę. Testy wykazały, że kondensato−
ry takie nie są potrzebne − całkowicie wystar−
czy pojemność wejściowa bramek CMOS,
wynosząca 5...10pF. Rolę elementów
opóźniających ilustrują przebiegi czasowe,
pokazane na
rysunku 8
.
Jak widać,
elementy R3,
R4 zapobie−
gają jedno−
czesnemu
przewodze−
niu tranzysto−
rów T2, T3,
a jednocze−
śnie opóźnia−
ją przebiegi,
umożliwiając
obserwację
na jakimkol−
wiek oscylo−
skopie wszystkich zboczy kluczowych prze−
biegów. W większości przypadków, gdy na
ekranie oscyloskopu widoczny będzie jeden
pełny okres albo kilka okresów przebiegu,
opóźnienie nie jest potrzebne. Przy bardziej
szczegółowych badaniach, gdy obserwowa−
ny jest tylko początek przebiegu rozładowa−
nia, obwód opóźniania jest wręcz niezbędny.
Wtedy oscyloskop jest synchronizowany
(wyzwalany) zewnętrznie przebiegiem z ge−
neratora, czyli z punktu B, i dzięki opóźnie−
niu wprowadzanemu przez R3, R4 na ekranie
oscyloskopu na pewno będzie widoczne całe
zbocze. Kto nie do końca zrozumiał, o co
chodzi, przekona się o zaletach takiego
opóźnienia podczas praktycznych prób.
F/50V.
Ponieważ układ jest przystawką inie będzie
używany codziennie, nie przewidziano obudo−
wy. W rogach płytki umieszczono otwory,
które mogą posłużyć do zmontowania nóżek.
Jak wspomniano, po testach modelu
wprowadzono do układu zmiany, dlatego
model pokazany na fotografii różni się kil−
koma szczegółami od schematu i płytki
z rysunków 6 i 9.
W egzemplarzu modelowym pokazanym
na fotografii nie wmontowano kondensatora
C9, auzyskany zakres częstotliwości generato−
ra okazał się całkowicie wystarczający do po−
miaru wszelkich elektrolitów, których pojem−
ność nie jest mniejsza niż 1
Rys. 8
F. Kto chciałby
jeszcze bardziej przesunąć w górę zakres
częstotliwości generatora U1A i mierzyć
µ
Rys. 7
Rys. 9 Schemat montażowy
Elektronika dla Wszystkich
21
Montaż i uruchomienie
Przystawkę można zmontować na płytce,
pokazanej na
rysunku 9
. Montaż nie sprawi
trudności. Montaż należy rozpocząć od wlu−
towania elementów najmniejszych. Pod
układ scalony można dać podstawkę. Prze−
łączniki P1, P2, zgodnie z fotografią, należy
wlutować w płytkę. Rezystory R11...R14 na−
leży wlutować nieco wyżej nad płytką, co po−
lepszy warunki ich chłodzenia.
Nie należy oszczędzać na kondensatorach
filtrujących C12...C15. Powinny mieć jak
największą pojemność ijak najwyższe napię−
cie pracy. W modelu zastosowano dwa o po−
jemności 4700
µ
Projekty AVT
kondensatory stałe (foliowe i ceramiczne)
o mniejszej pojemności, może proporcjonalnie
zmniejszyć wartość R1 iR2, np. do 3k
Ω
, 1k
Ω
.
18V ze względu na obecność kostek CMOS.
Wwiększości przypadków układ będzie zasi−
lany napięciem 9Vlub 12Vz zasilacza o wy−
dajności 1Alub ostatecznie nawet 0,5A.
Przełącznik (DIP−switch) SW1 umożliwia
dobór potrzebnej częstotliwości. Jeśli badany
kondensator ma pracować wprzetwornicy czy
zasilaczu impulsowym, częstotliwość genera−
tora U1A powinna być zbliżona do planowa−
nej częstotliwości roboczej, by warunki po−
miaru były jak najbardziej zbliżone do rzeczy−
wistych. Oczywiście generalnie biorąc, kon−
densatory można badać przy dowolnej często−
tliwości pracy, co pozwoli zbadać zmiany re−
zystancji Rs w funkcji częstotliwości.
Przełączniki P1, P2, współpracujące z re−
zystorami R9...R14, umożliwiają skokową
regulację prądu ładowania i rozładowania.
Aby obliczyć rezystancję Rs, należy usta−
wić za pomocą SW1 potrzebną częstotli−
wość (za pomocą oscyloskopu), dołączyć
badany kondensator do zacisków Z1 i obser−
wować na oscyloskopie przebieg ładowania
i rozładowania. Przełączając P1 i P2 należy
doprowadzić do sytuacji, gdy wysokość
„schodka” będzie wynosić 10...90% napię−
cia zasilającego.
Jak wyjaśniono wcześniej, porównując
wysokość „schodka” zrezystancją ładowania
lub lepiej rozładowania, można ze znaczną
dokładnością oszacować wartość rezystancji
szeregowej.
W praktyce nie jest to konieczne.
Wystarczy porównać wysokość „schod−
ka” kilku kondensatorów i sprawdzić wzrost
temperatury w warunkach pracy zbliżonych
do naturalnych.
Na podstawie kształtu krzywej ładowania
i rozładowania można także określić pojem−
ność kondensatora. Oile rezystancję szere−
gową mierzy się przy dużych prądach, o tyle
pojemność należy mierzyć przy prądach
możliwie najmniejszych, czyli przy ustawie−
niu przełączników P1, P2 wśrodkowych po−
łożeniach. Wtedy „schodek” bę−
dzie mały, a wynik bardzo zbliżo−
ny do prawdy. Przy jak najmniej−
szej częstotliwości generatora na−
leży odczytać na oscyloskopie sta−
łą czasową T = RC, gdzie C to
„czysta pojemność”, a R to suma
rezystancji wewnętrznej Rs irezy−
stancji (roz)ładowania − czyli R10
bądź R9. Znając stałą czasową T,
można obliczyć C
C = T/ R
Stała czasowa T=RC to czas,
w którym napięcie na kondensatorze wzro−
śnie od zera do 63% napięcia zasilającego,
albo też opadnie ze 100 do 37 procent warto−
ści napięcia zasilającego. Ilustruje to
rysu−
nek 12
. Tyle o pomiarze pojemności.
Oprócz sprawdzenia wysokości „schod−
ka”, podczas pomiarów koniecznie trzeba
zwracać uwagę na temperaturę badanego
kondensatora. Testy układu modelowego wy−
kazały, że przy najwyższych częstotliwo−
ściach i większych prądach bardzo łatwo
przegrzać i nieodwracalnie uszkodzić niedu−
że, zwykłe, aluminiowe „elektrolity”.
Pomiary
Pomiary wbrew pozorom przeprowadza
się wbardzo prosty sposób. Co bardzo ważne,
podobnie jak w przypadku miernika cewek,
nie trzeba od razu rozumieć wszystkich szcze−
gółów. Wystarczy pół godziny eksperymen−
tów z różnymi kondensatorami, a wszystko
stanie się jasne. Dlatego nie ma sensu tłuma−
czenie wartykule wszystkich zależności iopi−
sywanie drobiazgowo możliwych przypad−
ków. Trzeba po prostu trochę poeksperymen−
tować przy różnych częstotliwościach i róż−
nych ustawieniach przełączników P1, P2.
Wwiększości przypadków należy zestawić
układ według
rysunku 10
. Sondę oscyloskopu
najlepiej dołączyć wprost do końcówek bada−
nego kondensatora.
*
Przy sprawdzaniu kondensatorów elek−
trolitycznych należy zwrócić baczną uwagę
na biegunowość − odwrotne włączenie „elek−
trolita” spowoduje jego wybuch i poważne
niebezpieczeństwo dla zdrowia (np. wybicie
oka).
Rys. 12
Tylko dla dociekliwych −
schematy zastępcze
Każdy kondensator ma specyficzne wła−
ściwości i uproszczony schemat zastępczy
zrysunku 1 zupełnie ich nie uwzględnia. Ry−
sunek 13 pokazuje schemat zastępczy kon−
densatora, spotykany w wielu podręczni−
kach. Nie jest to wydumana teoria. Rzeczy−
wisty kondensator naprawdę zachowuje się
tak, jakby oprócz „czystej pojemności” miał
wewnątrz rezystory i cewkę. Ma to duże
znaczenie w układach w.cz. Okazuje się bo−
wiem, że przy odpowiednio dużych często−
tliwościach kondensator zachowuje się... jak
rezystor albo jeszcze gorzej, jak kiepskiej ja−
kości cewka.
Rezystancja równoległa, oznaczona Rp, re−
prezentująca prąd upływu, zazwyczaj ma bardzo
dużą wartość. Najczęściej można ją pominąć.
Jedynie w niezaformowanych kondensatorach
elektrolitycznych prąd upływu jest znaczny.
Gorzej jest ze znaną rezystancją szerego−
wą Rs. Wynika ona z wielu czynników i nie−
stety nie jest stała − zależy między innymi od
częstotliwości.
Przy bardzo dużych częstotliwościach,
rzędu megaherców, trzeba też uwzględnić
indukcyjność doprowadzeń i elektrod. In−
dukcyjność ta (oznaczona L) powoduje, że
kondensator zachowuje się jak szeregowy
obwód rezonansowy. Dla jakiejś częstotli−
wości fg jego oporność (moduł impedancji)
jest najmniejsza. Tylko poniżej tej częstotli−
wości kondensator jest godny swej nazwy.
Powyżej tej częstotliwości zachowuje się
jak cewka − jego oporność rośnie ze wzglę−
du na wzrost reaktancji indukcyjnej. Gene−
ralnie, czym większa pojemność kondensa−
tora, tym mniejsza częstotliwość rezonan−
sowa fg. Rysunek 14 pokazuje przebieg
oporności (modułu impedancji) różnych
kondensatorów: foliowych MKT, ceramicz−
nych oraz „elektrolitów” o pojemnościach
1nF, 10nF, 100nF, 1µF, 10µF i 100µF.
Początkującym elektronikom wydaje się,
że zwiększenie pojemności kondensatora fil−
trującego czy (od)sprzęgającego nigdy nie
zaszkodzi. Tymczasem
rysunki 13
i
14
Rys. 10
Rys. 11
Bardziej wnikliwi eksperymentatorzy,
którzy będą chcieli zbadać bliższe szczegóły,
wykorzystają wejście synchronizacji zewnę−
trznej oscyloskopu według
rysunku 11
.
Wartość napięcia zasilającego nie jest kry−
tyczna. Nie powinno być niższe niż 8V ze
względu na konieczność pełnego otwarcia
MOSFET−ów. Nie może być większe niż
22
Elektronika dla Wszystkich
Projekty AVT
wskazują, że przy dużych częstotliwościach
kondensatory o wysokich nominałach mogą
się okazać nawet gorsze od mniejszych
kondensatorów stałych. Tłumaczy to także,
dlaczego zaleca się równolegle do “elektro−
litów” stosować w obwodach zasilania rów−
noległe kondensatory ceramiczne o warto−
ści 10...100nF.
maleje. To również ma zna−
czenie przy dobieraniu „elek−
trolitów” do filtrów przetwor−
nic i zasilaczy impulsowych,
pracujących przy częstotliwo−
ściach 15kHz...500kHz. Czę−
sto się okazuje, że warto za−
stosować kilka mniejszych
kondensatorów zamiast jed−
nego większego.
Schemat zastępczy z rysunku 16 oraz
rysunek 17
wpewnym stopniu ilustrują ko−
lejne szkodliwe zjawisko. Chodzi o to, że
kondensatory (nie tylko elektrolityczne) nie
dają się w pełni rozładować w krótkim cza−
sie. Kondensator naładowany ze źródła na−
pięcia o jakiejś rezystancji wewnętrznej, po
zwarciu zacisków zostaje rozłado−
wany przez niewielką rezystancję
ścieżek i przewodzącego tranzysto−
ra MOSFET. Niestety, nie rozładu−
je się całkowicie. Choć w drugiej
fazie napięcie na zaciskach kon−
densatora szybko zmaleje do zera,
jednak po rozwarciu zacisków
znów pojawi się na nich jakieś na−
pięcie. Co ciekawe, napięcie to na−
rasta stopniowo. Właśnie schemat
zastępczy z rysunku 16 tłumaczy
zachowanie kondensatora podczas
takiej próby (w niektórych konden−
satorach stałych także występuje podobne
zjawisko, ale napięcie resztkowe jest znacz−
nie mniejsze − w grę wchodzi tam inne sub−
telne zjawisko, tzw. absorpcja dielektryczna).
Nie tłumaczy go natomiast ani najprostszy
schemat zastępczy zrysunku 1, ani zrysunku
14. Gdyby kondensator zachowywał się jak
układ zastępczy z rysunku 1, po zwarciu
i rozwarciu końcówek ewentualne napięcie
resztkowe (rys. 17) pojawiałoby się skoko−
wo.
Oprócz tych cech, można rozpatrywać je−
szcze inne − np. wpływ temperatury, starze−
nie, itp. Nie jest to jednak temat artykułu.
W każdym razie praktyczne konsekwencje
opisywanych zjawisk dają się boleśnie od−
czuć nie tylko w układach filtrów przetwor−
nic, ale na przykład przy próbach skonstruo−
wania generatora przebiegu prostokątnego
o małym współczynniku wypełnienia − kon−
densatory, zwłaszcza wszelkie elektrolity, nie
dadzą się szybko rozładować − porównaj ry−
sunki 16 i 17. Właśnie kłopoty z takim gene−
ratorem zaowocowały powstaniem opisywa−
nego przyrządu.
Powyższe rozważania wska−
zują, że nawet tak „prymitywny”
element jak kondensator może
wniektórych układach spowodo−
wać przykre niespodzianki. Dla−
tego każdy, kto próbuje konstruować jakie−
kolwiek układy elektroniczne, powinien wy−
konać opisany miernik, przetestować posia−
dane kondensatory i wyrobić sobie jasną opi−
Rys. 17
Rys. 13
nię o rezystancji szeregowej zwykłych alu−
miniowych „elektrolitów”, „tantali” oraz
kondensatorów stałych foliowych iceramicz−
nych o większych pojemnościach (powyżej
100nF).
Rys. 14
Piotr Górecki
Zbigniew Orłowski
Wykaz elementów
Rezystory
R1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..12k
Ω
R2,,R5−R8 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..3,,3k
Ω
Ω
R4 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..150k
Ω
R9 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1k
Ω
0,,5W
R10 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10
Ω
0,,5W
R11 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100
Trzeba lojalnie przyznać, że schemat za−
stępczy z rysunku 13 też nie uwzględnia
wszystkich właściwości kondensatora.
Zwłaszcza w kondensatorach elektrolitycz−
nych występują nieoczekiwane zjawiska.
Dlatego czasem w podręcznikach spotyka
się inne schematy zastępcze „elektrolita”,
na przykład jak na
rysunkach 15
i
16
. Łań−
cuch ogniw RC z rysunku 16 na pewno po−
woduje jakieś opóźnienie − tym większe, im
większa jest rezystancja. Ponadto, ze
względu na to opóźnienie, czym większa
częstotliwość, tym mniej sekcji jest czyn−
nych. Przy dużych częstotliwościach czyn−
ne będą tylko pierwsze sekcje.
Ω
0,,5W
R12 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10
Ω
5W
5W
R14 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..0,,1
Ω
5W
Kondensatory
C1,,C1A,,C2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1µF
C12−C15 .. .. ..4sztt.. 1000µF//63V llub 2sztt.. 2200µF//63V
llub 2sztt.. 4700µF//50V
C3 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..330nF
C4 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 100nF
C5 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..33nF
C6,,C10,,C11 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10nF
C7 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..3,,3nF
C8 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1nF
C9 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..0......82pF (75pF))
Półprzewodniki
D1,,D2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1N4148
T1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. BC558
T2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. BUZ71
T3 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. BUZ11
T4,,T5 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..BC548
T6 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..BC558
U1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..4093
Pozostałe
P1,,P2 .. .. .. .. prrzełłączniik 3−pozycyjjny jjednoobwodowy
SW1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. DIIP SWIITCH 8
ARK2
Ω
Rys. 15
Rys. 16
Nawet takie bardzo uproszczone rozu−
mowanie tłumaczy, dlaczego wraz ze
zwiększaniem częstotliwości pojemność
kondensatora elektrolitycznego znacząco
Komplet podzespołów z płytką jest
dostępny w sieci handlowej AVT jako
kit szkolny AVT−2404
Elektronika dla Wszystkich
23
R3 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..47k
R13 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
zanotowane.pl doc.pisz.pl pdf.pisz.pl charloteee.keep.pl
Projekty AVT
Miernik
rezystancji
kondensatorów
2404
Układ przeznaczony do badania wła−
ściwości wszelkich kondensatorów
elektrolitycznych, zwłaszcza do prze−
twornic i zasilaczy.
* pomiar rezystancji szeregowej ESR
* możliwość pomiaru pojemności
* sprawdzenie wzrostu temperatury
w warunkach pracy
* łatwa, intuicyjna obsługa
* współpraca z dowolnym
oscyloskopem
Kondensator podczas pracy niewątpliwie
będzie się nagrzewał. Ponieważ rezystancja
Rs nie jest stała, tylko zależy (między inny−
mi) od częstotliwości, problem nadmiernego
wzrostu temperatury „elektrolitów” daje
osobie znać głównie wukładach przetwornic
i zasilaczy impulsowych. Nic więc dziwne−
go, że dla kondensatorów elektrolitycznych
podaje się żywotność w temperaturze
+85°C lub +105°C. Kluczowe znaczenie ma
tu nie maksymalna temperatura otoczenia,
tylko podwyższona temperatura wnętrza
kondensatora, związana z wydzielaniem się
ciepła na rezystancji szeregowej.
Z podanego uzasadnienia jasno widać, że
zastosowanie w układzie filtru kondensatora
o zbyt dużej rezystancji szeregowej Rs może
doprowadzić do wzrostu temperatury wnę−
trza kondensatora znacznie powyżej +100°C,
co w krótkim czasie doprowadzi do awarii.
Problem rezystancji szeregowej kondensa−
torów występuje także w innych dziedzinach,
między innymi w obwodach antenowych
nadajników radiowych, a w mniejszym stop−
niu także w obwodach filtrów klasycznych
zasilaczy z transformatorem sieciowym
50Hz. Dlatego każdy elektronik powinien
przynajmniej z grubsza rozumieć problem re−
zystancji kondensatorów iumieć ją zmierzyć.
Rezystancja Rs, pokazana na
rysunku 1
,
nazywana jest bardzo często ESR − Equiva−
lent Series Resistance, czyli dosłownie za−
stępczą rezystancją szeregową. W tym arty−
kule, zamiast ESR, będzie ona konsekwent−
nie oznaczana Rs.
Niestety, szkodliwej rezystancji wewnę−
trznej z rysunku 1 nie można zmierzyć omo−
mierzem. Trzeba ją badać metodami nieco
bardziej skomplikowanymi. Opisany dalej
przyrząd jest przystawką, pozwalającą okre−
ślić wartość tej rezystancji za pomocą jakie−
gokolwiek oscyloskopu. Układ przeznaczony
jest
przede wszystkim do
pomiaru „elektrolitów”, zarów−
no aluminiowych, jak i tantalo−
wych, ale można nim mierzyć
również rezystancję szeregową
kondensatorów stałych (folio−
wych i ceramicznych) o pojem−
nościach powyżej 10nF. Układ
nie jest natomiast przeznaczony do badań
kondensatorów w.cz. o małej pojemności.
Rys. 1
Tytuł projektu może się wydać spektakular−
nym efektem działalności chochlika drukar−
skiego. Tak jednak nie jest. Opisany przyrząd
jest przystawką, pozwalającą mierzyć rezy−
stancję wewnętrzną kondensatorów. Tylko
początkujący elektronicy uważają, że pojem−
ność to jedyny istotny parametr kondensatora.
Wprawdzie pojemność rzeczywiście jest naj−
ważniejsza, jednak wwielu wypadkach pomi−
nięcie rezystancji wewnętrznej spowoduje, że
układ nie będzie pracował według założeń,
a nawet może ulec uszkodzeniu.
Oto uzasadnienie. Obecnie wiele urządzeń
zawiera przetwornice, zasilacze impulsowe
i podobne układy, gdzie kondensatory elektroli−
tyczne filtrują przebiegi o częstotliwościach rzę−
du dziesiątek anawet setek kiloherców. Konden−
satory te są gwałtownie ładowane i rozładowy−
wane − płynie przez nie znaczny prąd (zmienny)
o dużej częstotliwości. W ogromnej większości
przypadków nie trzeba wgłębiać się wszczegóły
(które są krótko omówione w końcowej części
artykułu). Wystarczy pamiętać o istnieniu rezy−
stancji szeregowej, czyli rozpatrywać prościutki
układ zastępczy zrysunku 1. Prąd zmienny prze−
pływający przez kondensator płynie także przez
rezystancję szeregową Rs, co oczywiście powo−
duje wydzielanie się ciepła (Joule’a). Moc strat
cieplnych określa znany wzór:
P= I
2
* Rs
Opis układu
Podstawową zasadę działania miernika,
a właściwie oscyloskopowej przystawki do
pomiaru rezystancji kondensatorów, ilustruje
rysunek 2
. Badany kondensator jest na prze−
mian ładowany i rozładowywany znacznym
prądem przez rezystor Ra.
Rys. 2
Gdyby kondensator był idealny, przebiegi
wyglądałyby na przykład tak, jak na
rysunku
3
. Ale żaden kondensator nie jest idealny. Jak
pokazuje
rysunek 4a
, w czasie ładowania
oscyloskop pokazuje sumę spadku napięcia na
rezystancji Rs i napięcia na „czystej pojemno−
ści” C. Natomiast w czasie rozładowania na−
pięcie na zaciskach kondensatora jest różnicą
napięcia na „czystym kondensatorze” ispadku
napięcia na rezystancji Rs −
rysunek 4b
Elektronika dla Wszystkich
19
Projekty AVT
pokazuje sytuację, gdy kondensator został
wcześniej naładowany do napięcia U
B
.
W pierwszej chwili po włączeniu tranzystora
T3, napięcie na „czystym kondensatorze” wy−
nosi U
B
, a w obwodzie zacznie płynąć prąd
o wartości
I= U
B
/ (Rs+Ra)
Rys. 5
ciu pracy, jest znacznie lepszy od „elektrolita”,
którego pojemność inapięcie pracy wydawały−
by się wystarczające do danego zastosowania.
Schemat ideowy układu pomiarowego
jest pokazany na
rysunku 6
. Bramka
U1Ajest generatorem przebiegu prostokątne−
go. Częstotliwość można zmieniać w bardzo
szerokim zakresie, dołączając równolegle do
C9 dowolne kondensatory C1...C8.
Ze względu na obecność diody D1 i rezy−
stora R2, współczynnik wypełnienia przebie−
gu na nóżce 3 U1Awynosi około 20%. Prze−
bieg ten steruje ładowaniem irozładowaniem
badanego kondensatora Cx, dołączonego do
zacisku ARK2, oznaczonego Z1.
Gdy na wyjściu generatora U1A pojawia
się stan niski, zostaje otwarty tranzystor T2,
a T3 jest zamknięty. Badany kondensator Cx
ładuje się przez obwód z rezystorami R9,
R11, R12 (zależnie od ustawienia przełączni−
ka P1). Gdy z kolei na wyjściu generatora
U1A pojawi się stan wysoki, zatyka się T2
aodtyka T3. Badany kondensator zostaje roz−
ładowany w obwodzie z elementami R10,
R13, R14. Trzypozycyjne przełączniki P1
i P2 umożliwiają zmianę rezystancji (prądu)
ładowania i rozładowania w szerokich grani−
cach. Nie bez przyczyny przewidziano czas
ładowania znacznie dłuższy od czasu rozłado−
wania, a prąd ładowania radykalnie mniejszy
od prądu rozładowania − porównaj wartości
rezystancji R9, R11, R12 oraz R10, R13, R14.
Przyczyna jest jak najbardziej praktyczna.
Kondensatory o dużej pojemności mają nie−
wielką rezystancję szeregową, i aby ją zmie−
rzyć, trzeba pracować przy odpowiednio du−
żych prądach. Opisywana przystawka pod−
czas pracy będzie dołączona do jakiegoś zasi−
lacza. Aby nie obciążać nadmiernie zasilacza,
Rys. 3
gdy Ra=Rs. Gdy rezystancja Rs jest większa
od rezystancji Ra, wtedy przebiegi wygląda−
ją mniej więcej tak, jak na rysunku 5c.
Długości odcinków U
Ra
, U
Rs
z rysunków 4,
5 są proporcjonalne odpowiednio do zewnę−
trznej rezystancji Ra i rezystancji Rs kon−
densatora. Rysunek 4 pokazuje, że podana
zależność jest słuszna w każdej chwili łado−
wania i rozładowania, ale w praktyce
trzeba mierzyć wysokość „schodków”
w chwili przełączania − zobacz rysunek
5. Tym samym rezystancję Rs można
określić, mierząc na ekranie długość
odcinków U
Ra
, U
Rs
i porównując z aktu−
alną wartością Ra, wynikającą z usta−
wienia przełącznika P1 bądź P2.
Wpraktyce niekoniecznie trzeba obli−
czać dokładną wartość rezystancji Rs.
Zresztą ze względu na niecodzienne wła−
ściwości kondensatora, omówione wdal−
szej części artykułu, dolna część „schod−
ka” będzie zaokrąglona. Nie jest to istot−
ne. Najważniejszy jest fakt, że kondensa−
tor podczas testów pracuje w warunkach
zbliżonych do naturalnych i można w bardzo
prosty sposób sprawdzić, na ile się grzeje.
Grzanie to, jak wspomniano, wynika z prze−
pływu prądu przez rezystancję szeregową Rs.
Zazwyczaj
wystarczy porównanie „na
oko” właściwości kilku kondensatorów
o różnych pojemnościach, napięciach pra−
cy i różnej budowie
. Czym wyższy „scho−
dek”, tym większa rezystancja Rs i tym wię−
cej będzie się grzał kondensator.
Często okaże się, że „tantal”, o znacznie
mniejszej pojemności, albo zwykły „elektro−
lit”, omniejszej pojemności iwiększym napię−
Rys. 4
Jak widać, napięcie U
B
podzieli się na
dwie części: spadek napięcia na Rs oraz
napięcie na Ra, obserwowane na oscylosko−
pie. Przebieg oglądany na oscyloskopie,
zaznaczony linią czerwoną, będzie miał
swego rodzaju „schodki” − w chwili przełą−
czania pojawi się wyraźny pionowy
odcinek, związany z obecnością rezystancji
wewnętrznej Rs.
Rysunek 5
pokazuje kilka
przypadków. Przy jakiejś niewielkiej rezy−
stancji Rs przebiegi będą wyglądać jak na
rysunku 5a. Rysunek 5b pokazuje sytuację,
Rys. 6 Schemat ideowy
20
Elektronika dla Wszystkich
Projekty AVT
wykorzystano przebieg sterujący o niewiel−
kim współczynniku wypełnienia. Tym sa−
mym kondensator można naładować stosun−
kowo niewielkim prądem przez dłuższy
okres, a potem szybko rozładować dużym
prądem, umożliwiając pomiar nawet niewiel−
kiej rezystancji Rs. Dzięki temu zastosowany
zasilacz nie musi mieć dużej wydajności prą−
dowej − całkowicie wystarczy wydajność 1A,
a nawet mniej.
Ponieważ zastosowany zasilacz może
mieć kiepskie parametry wyjściowe, w przy−
stawce przewidziano miejsce na cztery duże
kondensatory filtrujące. Kondensatory o wy−
ższym napięciu nominalnym mają rezystan−
cję Rs mniejszą niż podobne o niższym na−
pięciu pracy. Choć w czasie pracy przyrząd
będzie zasilany napięciem w zakresie
8...15V, kondensatory filtrujące C12...C15
powinny mieć napięcie nominalne 63V, osta−
tecznie 50V. Chodzi o to, by obwód zasilania
miał jak najmniejszą rezystancję wewnętrz−
ną. W tym wypadku jest to nader istotne, po−
nieważ przebieg na oscyloskopie ma
odzwierciedlać tylko właściwości badanego
kondensatora Cx, a nie kondensatorów filtru−
jących C12...C15.
Oile ogólna za−
sada działania
przyrządu jest ja−
sna, o tyle wyja−
śnienia wymaga
budowa obwodów
sterujących z
bramkami U1B...D
i tranzystorami T1,
T4...T6. Teoretycz−
nie bramki MO−
SFET−ów T2, T3
mogłyby być sterowane wprost z wyjścia
generatora U1A według
rysunku 7
albo
w inny prosty sposób. W pierwszej wersji
przyrządu (o czym świadczy płytka modelu
pokazanego na fotografii) przewidziane by−
ły dodatkowe obwody podwajaczy napięcia
z kondensatorami, które umożliwiałyby peł−
ne otwieranie MOSFET−ów nawet przy na−
pięciu zasilającym 4...6V. Próby wykazały,
że obwody takie zdają egzamin przy mniej−
szych częstotliwościach. Jednocześnie pod−
czas testów okazało się możliwe i celowe
poszerzenie możliwości pomiarowych przez
zwiększanie częstotliwości generatora. Dla−
tego przekonstruowano obwody sterujące,
nadając im kształt jak na rysunku 6. Pary
tranzystorów T1, T5 oraz T4, T6 umożli−
wiają szybkie ładowanie pojemności wej−
ściowej tranzystorów MOSFET. T4 i T6
tworzą najprostszy symetryczny wtórnik.
Tranzystory T1, T5 pracujące w układzie
OE zastosowano tylko dlatego, by nie stoso−
wać jeszcze jednej bramki z następnej kost−
ki CMOS. To wymusiło obecność rezysto−
rów R5...R8 ikondensatorów przyspieszają−
cych C10, C11.
Zagadką może być obecność elementów
R3, R4, D2. Pełnią one ważną rolę. W pier−
wotnej wersji przewidziane były dwa dodat−
kowe kondensatory włączone między nóżki
9, 13 amasę. Testy wykazały, że kondensato−
ry takie nie są potrzebne − całkowicie wystar−
czy pojemność wejściowa bramek CMOS,
wynosząca 5...10pF. Rolę elementów
opóźniających ilustrują przebiegi czasowe,
pokazane na
rysunku 8
.
Jak widać,
elementy R3,
R4 zapobie−
gają jedno−
czesnemu
przewodze−
niu tranzysto−
rów T2, T3,
a jednocze−
śnie opóźnia−
ją przebiegi,
umożliwiając
obserwację
na jakimkol−
wiek oscylo−
skopie wszystkich zboczy kluczowych prze−
biegów. W większości przypadków, gdy na
ekranie oscyloskopu widoczny będzie jeden
pełny okres albo kilka okresów przebiegu,
opóźnienie nie jest potrzebne. Przy bardziej
szczegółowych badaniach, gdy obserwowa−
ny jest tylko początek przebiegu rozładowa−
nia, obwód opóźniania jest wręcz niezbędny.
Wtedy oscyloskop jest synchronizowany
(wyzwalany) zewnętrznie przebiegiem z ge−
neratora, czyli z punktu B, i dzięki opóźnie−
niu wprowadzanemu przez R3, R4 na ekranie
oscyloskopu na pewno będzie widoczne całe
zbocze. Kto nie do końca zrozumiał, o co
chodzi, przekona się o zaletach takiego
opóźnienia podczas praktycznych prób.
F/50V.
Ponieważ układ jest przystawką inie będzie
używany codziennie, nie przewidziano obudo−
wy. W rogach płytki umieszczono otwory,
które mogą posłużyć do zmontowania nóżek.
Jak wspomniano, po testach modelu
wprowadzono do układu zmiany, dlatego
model pokazany na fotografii różni się kil−
koma szczegółami od schematu i płytki
z rysunków 6 i 9.
W egzemplarzu modelowym pokazanym
na fotografii nie wmontowano kondensatora
C9, auzyskany zakres częstotliwości generato−
ra okazał się całkowicie wystarczający do po−
miaru wszelkich elektrolitów, których pojem−
ność nie jest mniejsza niż 1
Rys. 8
F. Kto chciałby
jeszcze bardziej przesunąć w górę zakres
częstotliwości generatora U1A i mierzyć
µ
Rys. 7
Rys. 9 Schemat montażowy
Elektronika dla Wszystkich
21
Montaż i uruchomienie
Przystawkę można zmontować na płytce,
pokazanej na
rysunku 9
. Montaż nie sprawi
trudności. Montaż należy rozpocząć od wlu−
towania elementów najmniejszych. Pod
układ scalony można dać podstawkę. Prze−
łączniki P1, P2, zgodnie z fotografią, należy
wlutować w płytkę. Rezystory R11...R14 na−
leży wlutować nieco wyżej nad płytką, co po−
lepszy warunki ich chłodzenia.
Nie należy oszczędzać na kondensatorach
filtrujących C12...C15. Powinny mieć jak
największą pojemność ijak najwyższe napię−
cie pracy. W modelu zastosowano dwa o po−
jemności 4700
µ
Projekty AVT
kondensatory stałe (foliowe i ceramiczne)
o mniejszej pojemności, może proporcjonalnie
zmniejszyć wartość R1 iR2, np. do 3k
Ω
, 1k
Ω
.
18V ze względu na obecność kostek CMOS.
Wwiększości przypadków układ będzie zasi−
lany napięciem 9Vlub 12Vz zasilacza o wy−
dajności 1Alub ostatecznie nawet 0,5A.
Przełącznik (DIP−switch) SW1 umożliwia
dobór potrzebnej częstotliwości. Jeśli badany
kondensator ma pracować wprzetwornicy czy
zasilaczu impulsowym, częstotliwość genera−
tora U1A powinna być zbliżona do planowa−
nej częstotliwości roboczej, by warunki po−
miaru były jak najbardziej zbliżone do rzeczy−
wistych. Oczywiście generalnie biorąc, kon−
densatory można badać przy dowolnej często−
tliwości pracy, co pozwoli zbadać zmiany re−
zystancji Rs w funkcji częstotliwości.
Przełączniki P1, P2, współpracujące z re−
zystorami R9...R14, umożliwiają skokową
regulację prądu ładowania i rozładowania.
Aby obliczyć rezystancję Rs, należy usta−
wić za pomocą SW1 potrzebną częstotli−
wość (za pomocą oscyloskopu), dołączyć
badany kondensator do zacisków Z1 i obser−
wować na oscyloskopie przebieg ładowania
i rozładowania. Przełączając P1 i P2 należy
doprowadzić do sytuacji, gdy wysokość
„schodka” będzie wynosić 10...90% napię−
cia zasilającego.
Jak wyjaśniono wcześniej, porównując
wysokość „schodka” zrezystancją ładowania
lub lepiej rozładowania, można ze znaczną
dokładnością oszacować wartość rezystancji
szeregowej.
W praktyce nie jest to konieczne.
Wystarczy porównać wysokość „schod−
ka” kilku kondensatorów i sprawdzić wzrost
temperatury w warunkach pracy zbliżonych
do naturalnych.
Na podstawie kształtu krzywej ładowania
i rozładowania można także określić pojem−
ność kondensatora. Oile rezystancję szere−
gową mierzy się przy dużych prądach, o tyle
pojemność należy mierzyć przy prądach
możliwie najmniejszych, czyli przy ustawie−
niu przełączników P1, P2 wśrodkowych po−
łożeniach. Wtedy „schodek” bę−
dzie mały, a wynik bardzo zbliżo−
ny do prawdy. Przy jak najmniej−
szej częstotliwości generatora na−
leży odczytać na oscyloskopie sta−
łą czasową T = RC, gdzie C to
„czysta pojemność”, a R to suma
rezystancji wewnętrznej Rs irezy−
stancji (roz)ładowania − czyli R10
bądź R9. Znając stałą czasową T,
można obliczyć C
C = T/ R
Stała czasowa T=RC to czas,
w którym napięcie na kondensatorze wzro−
śnie od zera do 63% napięcia zasilającego,
albo też opadnie ze 100 do 37 procent warto−
ści napięcia zasilającego. Ilustruje to
rysu−
nek 12
. Tyle o pomiarze pojemności.
Oprócz sprawdzenia wysokości „schod−
ka”, podczas pomiarów koniecznie trzeba
zwracać uwagę na temperaturę badanego
kondensatora. Testy układu modelowego wy−
kazały, że przy najwyższych częstotliwo−
ściach i większych prądach bardzo łatwo
przegrzać i nieodwracalnie uszkodzić niedu−
że, zwykłe, aluminiowe „elektrolity”.
Pomiary
Pomiary wbrew pozorom przeprowadza
się wbardzo prosty sposób. Co bardzo ważne,
podobnie jak w przypadku miernika cewek,
nie trzeba od razu rozumieć wszystkich szcze−
gółów. Wystarczy pół godziny eksperymen−
tów z różnymi kondensatorami, a wszystko
stanie się jasne. Dlatego nie ma sensu tłuma−
czenie wartykule wszystkich zależności iopi−
sywanie drobiazgowo możliwych przypad−
ków. Trzeba po prostu trochę poeksperymen−
tować przy różnych częstotliwościach i róż−
nych ustawieniach przełączników P1, P2.
Wwiększości przypadków należy zestawić
układ według
rysunku 10
. Sondę oscyloskopu
najlepiej dołączyć wprost do końcówek bada−
nego kondensatora.
*
Przy sprawdzaniu kondensatorów elek−
trolitycznych należy zwrócić baczną uwagę
na biegunowość − odwrotne włączenie „elek−
trolita” spowoduje jego wybuch i poważne
niebezpieczeństwo dla zdrowia (np. wybicie
oka).
Rys. 12
Tylko dla dociekliwych −
schematy zastępcze
Każdy kondensator ma specyficzne wła−
ściwości i uproszczony schemat zastępczy
zrysunku 1 zupełnie ich nie uwzględnia. Ry−
sunek 13 pokazuje schemat zastępczy kon−
densatora, spotykany w wielu podręczni−
kach. Nie jest to wydumana teoria. Rzeczy−
wisty kondensator naprawdę zachowuje się
tak, jakby oprócz „czystej pojemności” miał
wewnątrz rezystory i cewkę. Ma to duże
znaczenie w układach w.cz. Okazuje się bo−
wiem, że przy odpowiednio dużych często−
tliwościach kondensator zachowuje się... jak
rezystor albo jeszcze gorzej, jak kiepskiej ja−
kości cewka.
Rezystancja równoległa, oznaczona Rp, re−
prezentująca prąd upływu, zazwyczaj ma bardzo
dużą wartość. Najczęściej można ją pominąć.
Jedynie w niezaformowanych kondensatorach
elektrolitycznych prąd upływu jest znaczny.
Gorzej jest ze znaną rezystancją szerego−
wą Rs. Wynika ona z wielu czynników i nie−
stety nie jest stała − zależy między innymi od
częstotliwości.
Przy bardzo dużych częstotliwościach,
rzędu megaherców, trzeba też uwzględnić
indukcyjność doprowadzeń i elektrod. In−
dukcyjność ta (oznaczona L) powoduje, że
kondensator zachowuje się jak szeregowy
obwód rezonansowy. Dla jakiejś częstotli−
wości fg jego oporność (moduł impedancji)
jest najmniejsza. Tylko poniżej tej częstotli−
wości kondensator jest godny swej nazwy.
Powyżej tej częstotliwości zachowuje się
jak cewka − jego oporność rośnie ze wzglę−
du na wzrost reaktancji indukcyjnej. Gene−
ralnie, czym większa pojemność kondensa−
tora, tym mniejsza częstotliwość rezonan−
sowa fg. Rysunek 14 pokazuje przebieg
oporności (modułu impedancji) różnych
kondensatorów: foliowych MKT, ceramicz−
nych oraz „elektrolitów” o pojemnościach
1nF, 10nF, 100nF, 1µF, 10µF i 100µF.
Początkującym elektronikom wydaje się,
że zwiększenie pojemności kondensatora fil−
trującego czy (od)sprzęgającego nigdy nie
zaszkodzi. Tymczasem
rysunki 13
i
14
Rys. 10
Rys. 11
Bardziej wnikliwi eksperymentatorzy,
którzy będą chcieli zbadać bliższe szczegóły,
wykorzystają wejście synchronizacji zewnę−
trznej oscyloskopu według
rysunku 11
.
Wartość napięcia zasilającego nie jest kry−
tyczna. Nie powinno być niższe niż 8V ze
względu na konieczność pełnego otwarcia
MOSFET−ów. Nie może być większe niż
22
Elektronika dla Wszystkich
Projekty AVT
wskazują, że przy dużych częstotliwościach
kondensatory o wysokich nominałach mogą
się okazać nawet gorsze od mniejszych
kondensatorów stałych. Tłumaczy to także,
dlaczego zaleca się równolegle do “elektro−
litów” stosować w obwodach zasilania rów−
noległe kondensatory ceramiczne o warto−
ści 10...100nF.
maleje. To również ma zna−
czenie przy dobieraniu „elek−
trolitów” do filtrów przetwor−
nic i zasilaczy impulsowych,
pracujących przy częstotliwo−
ściach 15kHz...500kHz. Czę−
sto się okazuje, że warto za−
stosować kilka mniejszych
kondensatorów zamiast jed−
nego większego.
Schemat zastępczy z rysunku 16 oraz
rysunek 17
wpewnym stopniu ilustrują ko−
lejne szkodliwe zjawisko. Chodzi o to, że
kondensatory (nie tylko elektrolityczne) nie
dają się w pełni rozładować w krótkim cza−
sie. Kondensator naładowany ze źródła na−
pięcia o jakiejś rezystancji wewnętrznej, po
zwarciu zacisków zostaje rozłado−
wany przez niewielką rezystancję
ścieżek i przewodzącego tranzysto−
ra MOSFET. Niestety, nie rozładu−
je się całkowicie. Choć w drugiej
fazie napięcie na zaciskach kon−
densatora szybko zmaleje do zera,
jednak po rozwarciu zacisków
znów pojawi się na nich jakieś na−
pięcie. Co ciekawe, napięcie to na−
rasta stopniowo. Właśnie schemat
zastępczy z rysunku 16 tłumaczy
zachowanie kondensatora podczas
takiej próby (w niektórych konden−
satorach stałych także występuje podobne
zjawisko, ale napięcie resztkowe jest znacz−
nie mniejsze − w grę wchodzi tam inne sub−
telne zjawisko, tzw. absorpcja dielektryczna).
Nie tłumaczy go natomiast ani najprostszy
schemat zastępczy zrysunku 1, ani zrysunku
14. Gdyby kondensator zachowywał się jak
układ zastępczy z rysunku 1, po zwarciu
i rozwarciu końcówek ewentualne napięcie
resztkowe (rys. 17) pojawiałoby się skoko−
wo.
Oprócz tych cech, można rozpatrywać je−
szcze inne − np. wpływ temperatury, starze−
nie, itp. Nie jest to jednak temat artykułu.
W każdym razie praktyczne konsekwencje
opisywanych zjawisk dają się boleśnie od−
czuć nie tylko w układach filtrów przetwor−
nic, ale na przykład przy próbach skonstruo−
wania generatora przebiegu prostokątnego
o małym współczynniku wypełnienia − kon−
densatory, zwłaszcza wszelkie elektrolity, nie
dadzą się szybko rozładować − porównaj ry−
sunki 16 i 17. Właśnie kłopoty z takim gene−
ratorem zaowocowały powstaniem opisywa−
nego przyrządu.
Powyższe rozważania wska−
zują, że nawet tak „prymitywny”
element jak kondensator może
wniektórych układach spowodo−
wać przykre niespodzianki. Dla−
tego każdy, kto próbuje konstruować jakie−
kolwiek układy elektroniczne, powinien wy−
konać opisany miernik, przetestować posia−
dane kondensatory i wyrobić sobie jasną opi−
Rys. 17
Rys. 13
nię o rezystancji szeregowej zwykłych alu−
miniowych „elektrolitów”, „tantali” oraz
kondensatorów stałych foliowych iceramicz−
nych o większych pojemnościach (powyżej
100nF).
Rys. 14
Piotr Górecki
Zbigniew Orłowski
Wykaz elementów
Rezystory
R1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..12k
Ω
R2,,R5−R8 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..3,,3k
Ω
Ω
R4 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..150k
Ω
R9 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1k
Ω
0,,5W
R10 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10
Ω
0,,5W
R11 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100
Trzeba lojalnie przyznać, że schemat za−
stępczy z rysunku 13 też nie uwzględnia
wszystkich właściwości kondensatora.
Zwłaszcza w kondensatorach elektrolitycz−
nych występują nieoczekiwane zjawiska.
Dlatego czasem w podręcznikach spotyka
się inne schematy zastępcze „elektrolita”,
na przykład jak na
rysunkach 15
i
16
. Łań−
cuch ogniw RC z rysunku 16 na pewno po−
woduje jakieś opóźnienie − tym większe, im
większa jest rezystancja. Ponadto, ze
względu na to opóźnienie, czym większa
częstotliwość, tym mniej sekcji jest czyn−
nych. Przy dużych częstotliwościach czyn−
ne będą tylko pierwsze sekcje.
Ω
0,,5W
R12 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10
Ω
5W
5W
R14 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..0,,1
Ω
5W
Kondensatory
C1,,C1A,,C2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1µF
C12−C15 .. .. ..4sztt.. 1000µF//63V llub 2sztt.. 2200µF//63V
llub 2sztt.. 4700µF//50V
C3 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..330nF
C4 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 100nF
C5 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..33nF
C6,,C10,,C11 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10nF
C7 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..3,,3nF
C8 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1nF
C9 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..0......82pF (75pF))
Półprzewodniki
D1,,D2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1N4148
T1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. BC558
T2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. BUZ71
T3 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. BUZ11
T4,,T5 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..BC548
T6 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..BC558
U1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..4093
Pozostałe
P1,,P2 .. .. .. .. prrzełłączniik 3−pozycyjjny jjednoobwodowy
SW1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. DIIP SWIITCH 8
ARK2
Ω
Rys. 15
Rys. 16
Nawet takie bardzo uproszczone rozu−
mowanie tłumaczy, dlaczego wraz ze
zwiększaniem częstotliwości pojemność
kondensatora elektrolitycznego znacząco
Komplet podzespołów z płytką jest
dostępny w sieci handlowej AVT jako
kit szkolny AVT−2404
Elektronika dla Wszystkich
23
R3 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..47k
R13 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1
[ Pobierz całość w formacie PDF ]