Об измерении ESR и доработке NM8032

Логическое продолжение поста "Об измерении ESR подручными средствами, доработке NM8032 и сравнении его с серийным ESR-метром Е7-22"
http://asptv.livejournal.com/3535.html

Рассматривается серийное устройство NM8032 от MasterKit, его несложная доработка с целью улучшить параметры до приемлемых в радиолюбительской практике и дальнейшая модернизация устройства путем изготовления новой печатной платы с улучшенной топологией и несколько измененной схемой питания, позволяющей значительно увеличить чувствительность прибора. Для радиолюбителей, имеющих затруднение в приобретении отечественной микросхемы К157ДА1, снятой с производства в 90-х годах, предлагается измененная схема на широкодоступной импортной микросхеме LM358.


Оригинальная конструкция

Фотографии в этом разделе и рис.1 - 8 взяты с сайта производителя набора.
Рис.1 Принципиальная схема прибора NM8032 (на клик откроется в отдельном окне)

 а)  б)
а) общий внешний вид; б) 
Рис.2 Внешний вид оригинального прибора 

 а)  б)
а - вид со стороны печати; б - вид со стороны деталей
Рис.3 Оригинальная печатная плата 

 а)  б)
а - рисунок проводников; б - монтажная схема
 Рис.4 Оригинальная печатная плата

Принцип работы

Прибор содержит в себе генератор прямоугольных импульсов (микросхема DA1 HEF4049UBP), двухполупериодныей выпрямитель и усилитель сигнала (микросхема DA2 К157ДА1 пр-ва СССР) и светодиодную шкалу с шагом 3 дБ и полным диапазоном 30дБ (микросхема DA3 LM3915, светодиоды HL1-HL10).
Прямоугольные мпульсы частотой около 70 кГц (определяются номиналами R1 и C1) с выхода DA1 через защитный разделительный конденсатор C3 попадают на исследуемый конденсатор. Конденсатор в силу своих неидеальных свойств исследуемый конденсатор Cx имеет некоторое внутренее сопротивление, на котором будет формироваться напряжение, тем большее, чем больше это внутреннее сопротивление.
Остаточное напряжение, пропорциональное внутреннему сопротивлению испытуемого конденсатора Cx, через разделительный конденсатор C4, блокирующий возможное постоянное напряжение на Cx, попадает на вход детектора-усилителя DA2, проходя последовательно через  детектор (входы   выход) и дополнительный каскад усиления (входы выход) и попадает на вход измерительной схемы, собранной на DA3 в виде светодиодной шкалы с шагом 3дБ в стандартном включении. Перемычной J1 выбирается режим "светящийся столб"  (перемычка установлена) или "бегающая точка" (перемычка снята).

Конструкция щупов

Особое внимание следует уделить конструкции щупов. Для лучшего понимания конструкция изображена максимально детально на рисунке:

а) б) в)
а - упрощённый вариант по трехточечной схеме подключения; б - упрощенный вариант по четырехточечной схеме подключения; в - рекомендуемый полный вариант, применяемый в промышленных изделиях.
Рис.5  Конструкция щупов измерителя (открывается на клик)

Кабель по упрощенной схеме (рис.5 а и б) состоит из 2-х перевитых вместе проводов с равномерным шагом 1-1.5 см, заключенных в общую трубку (рис.5а), а лучше в индивидуальный экран для каждой пары (рис.5б). Оба кабеля для удобства помещены в общую гибкую изоляционную трубку. Первая витая пара идет от генератора к исследуемому конденсатору, второй такой кабель - от конденсатора ко входу детектора. Для изготовления такого кабеля можно использовать готовый промышленный многожильный (мягкий) кабель типа UTP (рис.5а) или STP (рис.5б)
Важно выдержать именно равномерность шага по всей длине кабеля.
Длина основной части кабеля может быть 30-50 см, допускается до 1 метра, но созможно снижение качества работы прибора; длина отрезков щупов должна быть как можно короче, 5-6 см. Сами шупы должни иметь минимальное сопротивление контактов.
Если каждый провод взять экранированным, например, МГШВЭ-0,07, то кабель можно выполнить по более сложной схеме рис.9в; тогда требования по минимально короткому участку отрезка от основной части кабеля до щупов можно смягчить. Естественно, кабель измерителя, выполненный экранированный проводом по рис.9б и 9в, будет значительно жестче, чем по рис.9а.
Обязательное условие:  экраны подключаются только со стороны печатной платы. Со стороны щупов земляные проводники объединяются в точках B и C, но с проводниками общего контакта не имеют.

Недостатки

Недостатки оригинальной схемы - применение снятой с производства и недоступной для заказа микросхемы советского производства К157ДА1 и неудачная разводка цепей питания в оригинальной печатной плате, что приводит к высокой паразитной наводке на измерительные цепи DA2 и DA3 и делает невозможным измерение ESR менее 0,2-0,5 Ома. Учитывая, что современные конденсаторы имеют параметр ESR меньше 0,1 Ом, а высококачественные конденсаторы для материнских плат - ниже 0,02 Ома, поэтому применение прибора становится бессмысленным, так как он не может отличить хороший конденсатор от некондиционного.

Улучшение работы оригинальной схемы.

Повысить разрешающую способность оригинального прибора до 0,1-0,05 Ома достаточно просто.

Простой способ (переделка штатного набора)

 а)  б)
а - вид со стороны деталей; б - со стороны пайки
Рис.6  Доработка оригинальной платы MasterKit NM8032

В чём суть доработки: необходимо "отвязать" питание шумного генератора от цепей чувствительной к помехам измерительной части. 
Рис.7 Схема набора ESR-метра NM8032 с изменениями

Для этого: 
  1. в разрыв цепи питания генератора включить индуктивность номиналом 47-100 мкГн на ток не ниже 100мА (например, EC24-101K, на фото - голубая индуктивность-"капелька"); 
  2. зашунтировать питание каскада генератора высококачественным конденсатором для цифровых цепей (на фото - танталовый К53-1 золотистого цвета) номиналом 100-470мкФ на 6,3-16В, 
  3. установить в цепи питания измерительной части электролитический конденсатор максимальной емкости (на фото - черный низкопрофильный 220мк на 16В); 
  4. зашунтировать питание микросхем DA1, DA2, DA3, припаяв непосредственно на ножки керамические конденсаторы номиналом 0,22-0,33 мкф (керамический желтый импортный многослойный с маркировкой "224"). 
  5. изъять из штатного места и/или переключить верхний вывод (по схеме) диода D1 как показано на фото (импульсы через него создают помехи для DA2, поэтому катод диода, отмеченный на схеме красной точкой, следует подключить к ножке 1 микросхемы DA1 а ещё лучше на плюс вышеупомянутого танталового конденсатора, но в любом случае ПОСЛЕ дросселя); 
  6. заменить C2 на что-то побольше, например 100х16В. 
В общем, творите, пробуйте; и не повторяйте ошибок разработчиков Мастеркита.

Продвинутый способ (новая плата, детали из набора)

Следующий этап доработки для тех, кто ещё не успел собрать свой кит или собирается сделать устройство сам с максимальным количеством оригинальных деталей, заключается в изготовлении новой печатной платы, лишенной указанных недостатков в трассировке. Несмотря на трудоемкость в изготовлении новой печатной платы, результат себя оправдает с лихвой. В новой печатной плате введены все вышеперечисленные меры, кроме того, возможно использовать smd светодиоды (для поверхностного монтажа) типоразмера 1206, что гораздо удобнее  в случае их монтажа непосредственно на печатных проводниках для организации линейной шкалы.

Рис.8  Доработанная печатная плата

Дополнительно введены индуктивности L1, L2, L3 100мкГн (EC24-101K) и конденсаторы C9, C10, C11, C12, C13
Номиналы всех элементов подписаны на печатной плате; сборка не должна вызвать каких-либо затруднений.
Дополнительно введены терминалы для подключения осциллографа "Oscilloscope", на котором визуально очень удобно наблюдать не только размах, но и форму сигнала на выводах испытуемого конденсатора. По форме этого сигнала можно сделать некоторые важные выводы; например, по форме завала или наоборот, выбросе на фронтах сигнала можно судить о частотных свойствах либо  непригодности конденсатора к работе в высокочастотных (единицы-десятки килогерц) цепях, например, импульсных блоков питания.
Внимание: На плате рис.8 есть ошибка: ножка 8/DA1 не подключена на землю. 

Вместо послесловия

Существенный плюс этого типа измерителя, на линейке светодиодов - мгновенная визуальная оценка без выпайки радиоэлементов и соответствующего термоудара; динамический столбик светодиодов гораздо информативнее цифр. 
Подключив к клеммам конденсатора (входу детектора на DA2) осциллограф, можно узнать об исследуемом конденсаторе наглядным образом гораздо больше, чем с помощью любого цифрового измерителя.

Обсуждение темы на РадиоКоте (откроется в новом окне)
http://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?p=624153#p624153

Обсуждение темы на Датагоре (откроется в новом окне)
http://forum.datagor.ru/index.php?showtopic=1312&view=findpost&p=25198

Comments