Misuratore di ESR

[elektronik]

Se il condensatore era libero è molto probabile che sia colpa dello strumento.
Comunque non si può mai sapere a priori, bisogna sempre fare una controprova o anche due.
In questo tipo di misura e facile prendere abbagli.
Ciao

quando riparo una scheda e trovo un condensatore con una ESR alta dopo averlo dissaldato lo riprofo fuori circuito per vedere se mi da la stessa misura che mi dava nel circuito, ti posso garantire che di prove ne sto facendo a schifio e so quello che faccio e quello che leggo, ci sono cose poco chiare e ogni strumento ha i pro e contro, alcune cose non riesco a spiegarmele. una cosa e certa che se avessi uno strumento come questo di Nuova Elettronica con una scala lineare non cercherei nessun altro strumento.

[setteali]

Ciao Antonio
la tua caparbietà sugli elettrolitici credo che sia nota a tutti, difatti quando vedo un tuo post vado senz'altro a leggerlo per capire se c'è qualcosa di nuovo ( per me ) da capire sui condensatori e difatti eccomi qua.

..... una cosa e certa che se avessi uno strumento come questo di Nuova Elettronica con una scala lineare non cercherei nessun altro strumento.

Credo che sia interessante sapere da te cosa intendi di preciso con " scala lineare ".

[elektronik]

Credo che sia interessante sapere da te cosa intendi di preciso con " scala lineare ".

come tu sai il tester di Nuova Elettronica con strumento analogico " che io preferisco", non ha una scala lineare come un ohmetro che ogni linea dello strumento ha lo stesso valore decimi di Ohm quindi se 10 liniette da 1 Ohm 20 daranno 2 Ohm e così via, questo per avere una misura più vicino possibile al valore reale di ESR e non dover indovinare a capocchio perché non e possibile scrivere tutti i valori e le distanze tra un valore e un altro sulla scala sono sfasati tra di loro, io non so esprimermi ma spererei di aver reso l'idea.

[stefanopc]

Si la scala non è lineare.
Come in tutti gli ohmmetri analogici.
Io mi trovo molto bene con lo strumento cinese col display digitale.
Quello non lascia dubbi.
Ma penso che ne abbiamo già parlato.
Ciao

[setteali]

ho capito benissimo Antonio.

Quindi potrebbe essere interessante uno strumento che impostando la capacità desse la ESR , senza dover fare troppi confronti !

[elektronik]

:ok: ho capito benissimo Antonio.

Quindi potrebbe essere interessante uno strumento che impostando la capacità desse la ESR , senza dover fare troppi confronti !

mi hai capito al volo, non volevo dirlo per non passare da uno che pretende
desse la esr che dovrebbe avere il conndensatore e la ESR del condensatore, con questi due parametri hai tutto ciò che ti serve. Per adesso aspetto perché quello che ho letto e tutto molto interessante

[DarwinNE]

Allora, ho riflettuto un po' ed ho messo a punto un primo accrocchio. Non è certamente un circuito finalizzato, ma si può forse iniziare a fare qualche prova. Il mio obiettivo è stato quello di misurare la ESR e non altri parametri come la capacità. Ecco il circuito (con qualche dettaglio ancora da sistemare):

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

L'idea è quella di eccitare il condensatore (Rx e Cx) con un segnale sinusoidale di circa 100mV picco picco. Il mio circuito non genera questo segnale, che dev'essere fornito dall'esterno. Io ho usato il generatore di segnali, per fare prove a frequenze diverse. L'alimentazione è singola a 5V, attenzione il U1 è un TLC084 che non è un TL084, ma una versione molto migliorata, più veloce e più adatta ad una tensione di alimentazione singola. Non è detto che sia la scelta migliore per il circuito, ho semplicemente usato quello che già avevo in casa.

Il segnale è applicato al condensatore in prova tramite la resistenza R7 che è l'unico componente un po' critico del circuito. U2 è un banale comparatore usato come rilevatore di zero crossing, che permette di ottenere un segnale logico in fase con l'eccitazione. Questo segnale viene utilizzato per pilotare U3D che è il "cuore" del circuito di lock-in.
A seconda di quale interruttore U3A, U3B o U3C è chiuso, si può ottenere:

A: il segnale di eccitazione a monte di R7
B: il segnale di eccitazione a valle di R7, sul condensatore
C: il segnale di ritorno a massa

Il circuito lock in fa abbastanza schifo, nel senso che è probabilmente la configurazione più semplice possibile e l'apertura e la chiusura di U3D non danno un transitorio simmetrico. Questo vuol dire che sull'uscita ci si ritrova un offset che dipende dalla frequenza del segnale di eccitazione. La resistenza "ON" di U3D è tutt'altro che trascurabile e nel peggiore dei casi può arrivare dalle parti del kiloohm, il che forza ad utilizzare R11 un po' elevata, a discapito del transitorio. Sarebbe meglio utilizzare un deviatore come quelli contenuti in un LTC1043, ma per il resto del circuito va benone il CD4066 e mi sembrava brutto sprecare pezzi di integrato (ed il prezzo e la reperibilità di un CD4066 vanno a suo favore).

La tensione in uscita varia ovviamente a seconda dell'ampiezza del segnale di eccitazione. Nel mio circuito per non saturare l'operazionale mi sono limitato a tensioni inferiori a 0,7V in modulo. Se si misurano le tre tensioni in uscita con si può ottenere la resistenza Rx nel modo seguente (se la frequenza è tale per cui l'impedenza di Cx è trascurabile):



In altre parole, l'offset generato dalle commutazioni del circuito lock-in viene eliminato automaticamente nel calcolo, ed il tutto non dipende dall'ampiezza del generatore. Questo però richiede un buon convertitore analogico/digitale, se possibile con ingresso differenziale per poter misurare tensioni rispetto al riferimento da 2,5V. In passato ho usato con successo con dei colleghi un MCP3425 che è un sigma-delta da 16 bit (ha un range che arriva a +/-2,048V che è perfino eccessivo).

Il filtro R13/C4 dovrebbe permettere di fare misure in 100 ms, il che vuol dire che si potrebbero fare circa tre valutazioni della ESR al secondo.

Ecco una foto del mio prototipo, montato con cablaggio volante su basetta ramata:

Ed ecco una foto di un oscillogramma (nella versione in foto, gli ingressi di U2 sono scambiati ed ho una tensione negativa in uscita di U1D):

Da sopra a sotto, si vede il segnale di eccitazione a 10kHz in ingresso del circuito (100mV/div), l'uscita di U2 (5V/div) e l'uscita di U1D prima del filtro di uscita. La base dei tempi è di 20µs/div.
Si notano nella traccia in basso le imperfezioni della commutazione del circuito lock-in.

Tuttavia, ho fatto qualche prova e dovrebbe essere possibile arrivare almeno a 50kHz con i componenti che ho usato, volendo anche a 100kHz. Le tracce sono brutte, ma alla fine i conti con le misure tornano. Una resistenza di potenza da 22mohm si misura con ottima precisione a 10kHz, mi risulta 34mohm a 100kHz ma potrebbe essere l'effetto dell'induttanza serie che inizia a farsi sentire.

Rimane qualche domanda:

- Ci sono approcci migliori in letteratura? Io ho cercato un po' ed ho trovato poco. Il meglio sono i manuali dei misuratori RLC di fascia alta (HP, Agilent, etc), ma il principio è poi sempre quello di misurare corrente e tensione. Ho cercato e la letteratura dagli anni 90 in poi parla sopratutto di misure per monitoring su circuiti in funzione.

- Per il momento, il circuito non misura la capacità e non permette di applicare un offset in continua. Per la misura della capacità, bisogna probabilmente scendere in frequenza per iniziare a vedere lo sfasamento tra corrente e tensione. In questo caso, bisogna utilizzare un riferimento in quadratura al posto del segnale in fase ottenuto con il LM311. Meglio sarebbe generare una frequenza variabile. Quello che limita la frequenza in basso è il filtro R13/C4. Attualmente, meglio non scendere sotto a qualche centinaio di Hz. Abbassando la frequenza di taglio del filtro, bisogna aspettare di più per fare la misura.

- Come generiamo il segnale di eccitazione? Oscillatorino banale a due/tre frequenze fisse o segnale generato dal processore in qualche modo a frequenza arbitraria? Quest'ultima strada è interessante per poter disporre comodamente di un segnale di riferimento in quadratura e fare misure di parte reale ed immaginaria dell'impedenza, accedendo alla misura di capacità. Se si potesse campionare la tensione ad un sottomultiplo della frequenza di eccitazione sarebbe tutto grasso che cola.

Il consumo è attorno ai 15mA, ma si può abbassare lavorando sul comparatore U2 e adottando qualche accorgimento qua e là.

Io devo ancora vedere uno o due dettagli nel prototipino che ho montato, ma poi posso spedirlo a chi volesse provare a giocare e scrivere qualche linea di codice su un micro.

[stefanopc]

Scusa se dico la mia idea in controtendenza, non si potrebbe utilizzare un adc con più ingressi ed evitare il 4066 utilizzando due operazionali in piu?
Si eliminarebbe il problema della resistenza ON che dicevi.
Ciao

[PietroBaima]

Bello!

Devo assolutamente provare a replicarlo.
Dunque... Con un micro potremmo togliere gli switch e campionare direttamente su vari canali dell’ADC i vari segnali, opportunatamente condizionati. Il lock in si potrebbe fare in digitale. Così facendo si eviterebbe anche il filtro in uscita.

Azzardo una ipotesi da testare, senza averci ancora pensato troppo su, quindi p(dire scemenze)>0.9:
Se all’ingresso fornisco un PWM, in uscita dovrei ottenere un altro PWM la cui ampiezza è il segnale che mi interessa. Potrei acquisire quella, oltretutto in sincrono.
Si potrebbe acquisire senza ADC?

[PietroBaima]

Scusa se dico la mia idea ma non si potrebbe utilizzare un adc con più ingressi ed evitare il 4066 utilizzando due operazionali in piu?
Ciao

Ci siamo sovrapposti e anche io ho pensato la stessa cosa.
Ovviamente DarwinNE ha pensato di mettere a punto un prototipo per illustrare il concetto che aveva in mente, e lo ha fatto molto bene.
In questo momento se avesse utilizzato 30 operazionali non avrebbe fatto differenza.