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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 결합된 장비로 캐패시터의 커패시턴스 및 ESR 측정. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
저자는 장치[1]를 조립한 무선 아마추어에게 커패시터의 커패시턴스와 ESR을 측정할 수 있는 부착 장치를 제공합니다. 예를 들어 다양한 펄스 장치를 제조하는 경우 이러한 매개변수, 특히 ESR을 아는 것이 오늘날 매우 자주 필요합니다. 결합된 장치[1]를 현대화하는 동안 나는 장치에 작은 부착물을 만들어 소프트웨어로만 구현할 수 없고 상대적으로 거의 사용되지 않는 새로운 기능을 장치에 도입하기로 결정했습니다. 이를 통해 마이크로 컨트롤러 프로그램을 제외하고는 그 자체로 아무것도 변경할 수 없습니다. 이 현대화 방법의 구현은 마이크로 컨트롤러의 2개 정보 라인과 공급 전압이 출력되는 커넥터가 장치에 존재함으로써 보장됩니다. 셋톱박스는 이 커넥터에 연결됩니다. 이 방향의 첫 번째 단계는 [XNUMX]에 설명된 인덕턴스 측정용 부착물을 만드는 것이었습니다. 새로운 부착물은 일부 장치에만 설치해야 하는 커패시터를 선택하기 위해 설계되었으며 장치에서 제거하지 않고 해당 매개변수를 측정하기 위한 것이 아닙니다. 이를 바탕으로 측정된 커패시터의 전압을 높일 수 있다는 사실을 발견했고, 이를 통해 측정 오차를 줄일 수 있었다. 제안된 부착물을 사용하면 커패시턴스와 ESR을 측정하는 모드의 장치는 다음과 같습니다. 특징:
커패시턴스와 ESR 측정의 기본은 측정된 커패시터를 안정적인 전류로 충전하고 전압이 두 제어 레벨(임계값)에 도달하는 순간을 기록하는 원리입니다. 이 원리는 [3]과 같은 다른 많은 장치에도 사용됩니다. 구조적으로 고려 중인 부착물은 이 장치의 측정 부분을 반복합니다.
부착 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 3. [XNUMX]과 비교하여 다음과 같이 변경되었습니다. - 다이오드가 제거되어 충전된 고용량 커패시터를 연결할 때 장치 요소가 손상되지 않도록 보호합니다. 두 가지 이유가 있습니다. 첫째, 저자에 따르면 보호 기능을 매우 제한적으로 수행합니다. 예를 들어, 실수로 장치에 연결되어 50V 이상의 전압으로 충전된 수천 마이크로패럿 용량의 커패시터로부터 사용자를 구할 수는 없습니다. 둘째, 다이오드는 측정된 커패시터의 전압이 개방 레벨보다 높아지는 것을 허용하지 않습니다. 다이오드를 폐기하는 경우 마이크로컨트롤러에 의해 적절하게 제어된다면 트랜지스터 VT3을 사용하여 동일한 제한 내에서 보호 기능을 구현할 수 있습니다. 그리고 장치 작업의 안전 측면에서 대형 커패시터(특히 고전압 커패시터)를 장치에 연결하기 전에 반드시 방전시키는 것이 옳습니다. - 셋톱박스는 위에 표시된 전체 정전용량 범위에 걸쳐 측정을 제공하는 하나의 안정 전류 발생기(GCT)만 사용합니다. 출력 전류의 안정성이 높다는 점에서 원래 것과 다릅니다. 이는 정확도가 향상된 병렬 통합 전압 안정기와 베이스 전류 전달 계수가 높은 트랜지스터를 사용하여 달성됩니다. 또한, GTS의 출력 전류가 증가하여 커패시터 누설 전류와 관련된 측정 오류(특히 ESR)가 감소했습니다. 셋톱박스 작동 제어, 셋톱박스에서 수신된 신호 처리 및 필요한 계산은 결합된 장치의 마이크로컨트롤러에 의해 수행됩니다. 시간 간격은 32MHz의 주파수로 클럭되는 32비트 타이머로 계산되므로 높은 측정 정확도뿐만 아니라 측정된 정전 용량(수 패럿)의 이론적 상한선도 크게 보장됩니다. 그러나 실제로 이러한 제한을 달성하는 것은 어렵습니다. 측정된 커패시터의 전압 상승률은 커패시턴스가 증가함에 따라 매우 작아지고, 그 결과 비교기가 임계값에 도달하는 순간을 결정하는 오류가 증가하기 때문입니다. 따라서 측정된 최대 정전 용량은 소프트웨어에서 99999μF로 제한되며 이는 대부분의 실제 목적에 매우 충분합니다. 셋톱 박스를 장치에 연결하고 커패시턴스 및 ESR 측정 모드로 전환한 후 마이크로 컨트롤러는 트랜지스터 VT3을 열고 트랜지스터 VT1을 닫아 GTS를 끕니다. DA2 마이크로 회로 비교기의 반전 입력에는 응답 임계 값을 설정하는 분배기 R4-R6의 기준 전압이 공급됩니다 (U1≈0,25V; 유20,5V). 두 비교기의 출력은 처음에 논리적으로 낮은 전압 레벨로 설정됩니다. 다음 측정된 커패시터 Cx 셋톱박스의 커넥터 X1에 연결하고 장치에서 해당 키를 눌러 측정 프로세스를 시작합니다. 시작 후 처음 3초 동안 프로그램은 트랜지스터 VT1을 열린 상태로 유지하여 측정된 커패시터의 잔류 전하를 제거한 후 이 트랜지스터를 닫고 트랜지스터 VTXNUMX을 열어 GTS를 켭니다. 이 순간부터 GTS I의 출력 전류는기사 커패시터 C를 충전하기 시작합니다.x. I와 비교하기 때문에 비교기의 입력 전류는 무시할 수 있습니다.기사그것은 매우 작습니다. 충전하는 동안 커패시터 양단의 전압은 선형적으로 증가합니다. GTS를 켜는 것과 동시에 프로그램은 마이크로컨트롤러의 두 개의 32비트 타이머를 시작하여 커패시터의 전압 상승 기간을 비교기의 작동 임계값까지 결정합니다. 각 비교기가 트리거되는 순간 출력의 전압 레벨은 높아집니다. 이를 기록한 후 프로그램은 해당 타이머를 중지합니다. 두 비교기가 모두 트리거된 후 측정 프로세스가 종료되고 프로그램은 트랜지스터 VT1을 닫고 GTS를 끄고 VT3을 열어 다음 측정 주기를 위해 셋톱 박스를 준비하기 위해 열린 채널을 통해 측정된 커패시터를 방전합니다. 그런 다음 정전용량 및 ESR 계산을 수행하고 결합된 계기판의 LCD 화면에 결과를 표시합니다. 용량 계산 공식: 씨=나기사 (t2 - t1)/(유2 -U1) 여기서 t1, 티2 - 측정된 커패시터의 전압이 각각 첫 번째 및 두 번째 임계값 레벨에 도달하는 순간 유1, 또는2 - 첫 번째 및 두 번째 임계값 레벨의 전압. 용량을 계산한 후 프로그램은 ESR을 계산합니다. 그 계산 방법은 그림 2의 그래프로 설명됩니다. XNUMX. 그 위의 빨간색 선은 실제 측정된 커패시터의 충전 그래프입니다. EPS가 있기 때문에 충전 시작 시 EPS에 걸리는 전압은 U로 점프합니다.R - 충전 전류 Icr이 흐를 때 커패시터의 EPS에 걸친 전압 강하. 임계값 U1 그리고 유2 커패시터의 전압은 순간 t에 각각 도달합니다.1 и의 t2. 파란색 선은 동일한 커패시턴스의 이상적인 커패시터의 충전 그래프를 보여줍니다(커패시턴스는 이미 측정되었음을 기억하십시오). 이상적인 커패시터의 ESR은 XNUMX이므로 커패시터 양단의 전압은 XNUMX에서 선형적으로 증가하기 시작합니다. 파란색 선은 빨간색 선과 평행하게 이어집니다. 왜냐하면 충전 전류 I기사 안정적이며 EPS에 의존하지 않습니다. 이상적인 커패시터 양단의 전압은 레벨 U에 도달합니다.2 시간 t에3, 이는 공식에 의해 결정될 수 있습니다. t3 = 유2 · 씨x/I기사. 이제 두 개의 삼각형 ABC와 A'B'C를 생각해 보세요. 그들은 유사하므로 비율을 만들 수 있습니다. B'C/BC = A'C/AC
무화과에서. 2 다음을 따릅니다. BC=t2; AC=U2 -UR; BC = t3; A'C = 유2. 이 값을 위의 비율에 대입하면 다음을 얻습니다. t3 / 티2 = 유2 / (유2 -UR). 주어진 t 계산 공식3 간단한 변환 후에는 EPS 양단의 전압 강하가 다음과 같다는 것을 쉽게 확인할 수 있습니다. UR = 유2 -기사 (t2/Cx). 마지막으로 I로 나누어 원하는 EPS 값을 얻습니다.기사 이전 공식의 왼쪽과 오른쪽: R = (유2/I기사) - (티2/Cx). 이 계산은 변수 U를 대체하여 첫 번째 임계값에서도 수행할 수 있습니다.2 и의 t2 U에 각각1 и의 t1. 프로그램은 측정된 커패시터의 발견된 커패시턴스 값과 ESR을 결합된 기기의 LCD 화면에 표시합니다. 부착물은 30x60mm 크기의 인쇄 회로 기판에 조립되며 그 그림은 그림 3에 나와 있습니다. XNUMX. 표면 실장 부품을 수용하도록 설계되었습니다.
모든 저항기와 커패시터는 표준 크기 1206입니다. 부착물은 플러그 X1(PLS1)가 있는 평면 케이블을 사용하여 장치 [2]의 커넥터 XS8에 연결됩니다. XS2 커넥터의 핀 1는 장치의 내부 전원 공급 장치에서 +5V를 공급받아야 합니다. BC857S 트랜지스터 대신 기본 전류 전달 계수가 250 이상인 다른 저전력 pnp 구조 트랜지스터를 사용할 수 있으며 BC847S 트랜지스터 대신 저전력 npn 구조 트랜지스터를 사용할 수 있습니다. 두 트랜지스터 모두 SOT23 패키지에 있어야 합니다. 그렇지 않으면 PCB를 다시 설계해야 합니다. IRLL024Z 트랜지스터 - 전계 효과를 절연 게이트 및 n채널로 교체합니다. 논리 전압 레벨을 제어하도록 설계되어야 하며, 개방 채널 저항이 50~80mOhm 이하, 게이트 커패시턴스가 500~850pF 이하, 허용 가능한 상수 드레인 전류가 4 이상이어야 합니다. A. 비교칩 MCP6542-I /P는 LM293으로 대체 가능합니다. 보드는 편리한 케이스에 배치됩니다. 측정 중인 커패시터를 부착물에 연결하기 위한 커넥터 X1로 스프링 클램프를 사용하는 것이 편리합니다. 이러한 장치를 설정하는 것은 일반적으로 제조 과정에서 가장 어려운 단계입니다. 내가 본 설명에 따르면 커패시턴스 및 ESR을 측정하기 위한 모든 장치에는 여러 부품의 정확한 선택이 필요하며 일부(예: [3])에는 특정 인스턴스에 대한 일련의 계산 및 마이크로 컨트롤러 프로그램 수정도 필요합니다. 제조된 장치의. 이는 다소 노동 집약적인 프로세스이므로 문제의 셋톱박스를 설계할 때 하드웨어 설정을 정의 매개변수의 값을 측정하고 추가 사용을 위해 운영 장치에 입력하는 것으로 대체했습니다. 즉, 부품 선택 과정이 소프트웨어 교정 작업으로 대체됩니다. 교정 결과는 결합된 기기 마이크로컨트롤러의 EEPROM에 저장되므로 한 번만 수행하면 됩니다. 교정을 위해서는 최소 소수점 이하 두 자리의 정확도로 DC 전류 5~20mA를 측정하고 소수점 이하 세 자리 이상의 정확도로 DC 전압 0~2V를 측정할 수 있는 멀티미터가 필요합니다. 가장 저렴한 디지털 멀티미터는 이러한 요구 사항을 완벽하게 충족합니다. 기사에 첨부된 프로그램 버전 2.05를 장치의 마이크로 컨트롤러에 로드해야 합니다. 아무것도 연결되지 않은 X1 커넥터에 셋톱박스를 장치에 연결하고 전원을 공급합니다. 그림 4에 표시된 기본 메뉴가 LCD 화면에 표시됩니다. XNUMX. 그런 다음 장치를 XNUMX~XNUMX분 동안 예열하여 열 조건을 설정합니다. "GN" 키를 세 번째 누르면 정전 용량 및 EPS 측정 모드로 들어갑니다. 매우 빠르거나 편리하지는 않지만 오랫동안 장치 키보드에 사용 가능한 키가 없었습니다.
커패시턴스 및 ESR 측정 모드로 처음 전환하면 마이크로컨트롤러 프로그램은 EEPROM에서 올바르게 해석될 수 있는 교정 계수 값을 찾지 못해 자동으로 교정 서브루틴을 호출합니다. 이런 일이 발생하지 않으면 "2"키를 눌러 호출하십시오. LCD 화면은 그림 5과 같은 형태를 취합니다. XNUMX.
프로그램은 상세한 대화형 메뉴와 함께 요청과 함께 GTS 전류, 첫 번째 및 두 번째 임계값의 전압, 연결 저항 등 네 가지 매개변수의 값을 번갈아 입력하도록 요청합니다. 요청된 각 매개변수의 정확한 값은 멀티미터로 측정하고 장치 키보드에 입력해야 합니다. GTS 전류(I기사)는 전류 측정 모드의 멀티미터를 셋톱박스의 X1 커넥터에 연결하여 측정됩니다. 10~25mA 이내여야 합니다. 전압 U1 DA6 칩의 핀 2에서 측정되었습니다. 허용 한계 - 0,2...0,32 V. 전압 U2 동일한 마이크로회로의 핀 2에서 측정되었습니다. 허용 한계 - 0,42...0,55 V. 지금은 연결 저항 값을 XNUMX으로 설정하십시오. 측정된 커패시터가 셋톱박스에 연결되는 연결선과 커넥터 접점의 저항입니다. 이는 종종 이 커패시터의 ESR과 유사합니다. 하지만 나중에 회계 처리에 대해 이야기하겠습니다. 필요한 모든 매개변수를 입력한 후 "CALIBRATED" 메시지가 화면에 2초 동안 표시되고 장치는 정전용량 및 ESR 측정 모드로 전환됩니다. 이 모드로 전환한 후 LCD 화면의 모습은 그림 6에 나와 있습니다. 7, 측정을 수행한 후 - 그림 0,01에서. XNUMX. 측정된 ESR 값이 XNUMXΩ 미만인 경우 XNUMX으로 표시됩니다.
이제 장치가 작동 가능하며 교정의 마지막 단계인 연결 저항을 결정하는 작업을 수행할 수 있습니다. 이렇게 하려면 1~3300μF 용량의 커패시터를 커넥터 X4700에 연결하고 "D" 버튼을 눌러 커패시턴스와 ESR 측정을 시작합니다. 측정된 ESR 값을 기억한 후 동일한 커패시터를 셋톱박스 인쇄 회로 기판에 있는 언급된 커넥터의 접촉 패드에 직접 연결하여 작업을 반복해야 합니다. 얻은 두 ESR 값의 차이가 연결 저항 값이 됩니다. 이제 남은 것은 버튼 "2"를 눌러 장치를 교정 모드로 전환하고 결과 값을 프로그램에 입력하는 것입니다. 장치를 사용할 준비가 되었습니다. 한 번의 측정을 수행하는 데 걸리는 시간은 3~6초입니다. 이는 측정된 커패시터를 방전하기 위해 프로그램에서 할당된 시간이므로 3초보다 작을 수 없습니다. 실제 측정 과정은 3초도 채 걸리지 않습니다. 측정 중에 측정된 커패시턴스 값이 허용 상한 또는 하한을 초과한다는 메시지와 셋톱 박스의 오작동에 대한 메시지가 장치 화면에 표시될 수 있습니다. 후자는 주 전원이 있는 장치를 사용하여 작동하는 셋톱 박스를 조작하는 동안 발생할 수 있는 마이크로 컨트롤러 인터럽트 시스템의 오작동을 나타냅니다. 정상적인 작동을 복원하려면 복합 장치의 전원을 껐다가 다시 켜야 합니다. 설명된 부착물을 사용하면 간단한 멀티미터로는 제대로 수행할 수 없는 0,01~0,2Ω 범위의 낮은 활성 저항을 측정할 수 있습니다. 이를 위해 측정된 저항은 ESR이 미리 측정된 커패시터와 직렬로 커넥터 X1에 연결되어야 합니다. 이러한 회로의 ESR을 측정한 후 결과에서 커패시터의 ESR 값을 뺍니다. 나머지는 측정된 저항기의 저항입니다. "OS", "LA" 또는 "GN" 버튼을 누르면 장치가 다른 작동 모드로 전환됩니다. 사용자가 원하는 대로 사용할 수 있는 커패시터가 있고 그 매개변수가 높은 정확도로 미리 알려진 경우 작동의 정확성을 평가하기 위해 제조된 부착물을 사용하여 이를 측정하는 것이 좋습니다. 측정된 매개변수와 알려진 매개변수 사이에 상당한 차이가 감지되면 그 원인을 찾아야 합니다. 이는 교정 중 프로그램에 매개변수를 측정하고 입력할 때 잘못된 부품이나 오류일 수 있습니다. 결함이 있는 부품이 있으면 측정 결과가 여러 번 근본적으로 왜곡되거나 측정 간 상당한 점프가 발생합니다. 후자는 불안정한 비교기에 일반적입니다. 측정 및 교정 매개변수 입력에 오류가 있는 경우 결과는 안정적이지만 사실이 아닙니다. 이러한 오류는 기기 오류의 주요 원인입니다. 잘못된 임계값은 결과에 특히 큰 영향을 미칩니다. 여기서 2~3mV의 오류로 인해 측정된 ESR 값이 몇 옴만큼 변경됩니다. 정확한 멀티미터는 없지만 기준 커패시터를 사용하면 입력된 교정 매개변수를 작은 한계 내에서 변경하여 실험적으로 오류를 제거할 수 있습니다. 마이크로컨트롤러 프로그램 버전 2.05와 Sprint Layout 5.0 형식의 인쇄 회로 기판 파일은 ftp://ftp.radio.ru/pub/2017/02/2-05.zip에서 다운로드할 수 있습니다. 문학
저자: A. 사브첸코
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