Hej pane Zajíci

Dnes se teoreticky podíváme na velmi populární „měřič ESR“ nejmenované firmy z Peček. Podotýkám, že by default nemám nic proti Pečkám, ostatně pochází odtam moje bába z otcovy strany, měli v Pečkách jakýsi hostinec a byli to podle všeho obrozenci…no, nikdo není dokonalý…

Proč

Dobrá otázka, je to 23 let stará konstrukce. Jenže jsme řešili na youtube (Co mi přišlo z Číny) na jakém kmitočtu to vlastně měří a co z toho leze, o tu věc je pořád zájem, což se poněkud zvrhlo, neb jsme na výstupu nalezli toliko jakési pulzy široké (jestli si dobře pamatuji) 600µs. To zcela přirozeně vedlo na další otázky, kupříkladu jak to měří. Nebo spíše co to měří.

Podotýkám, že tu věc osobně nevlastním. Přestože to vyšlo jako článek v ARadiu firmware MCU není k disposici (docela smutné), takže analýza firmwaru nebude a to bohužel mnoho věcí posouvá do oblasti dohadů, jelikož do té věci dovnitř nevidím. Ano, existuje tu možnost koupit stavebnici, ale nepochybuji o tom, že firmware bude zamčený. Ono by šlo provést určitá měření na samotném IC, což by některé aspekty mohlo objasnit, ale nevím jestli se mi za to chce utratit 350Kč.

Užitečnost měření ESR elektrolytických kondenzátorů

Dnes jsou tím lidé posedlí, má to svoje důvody. Výměna elektrolytických kondenzátorů je jedna z jednoduchých oprav, kterou zvládne prakticky každý. Otázkou je četnost těchto poruch, jsou lidé, kteří tvrdí, že se tohle děje prakticky pořád, jenže pokud je to současně jediný problém, který umí opravit, vysvětluje se tím proč to vidí jako nejčastější příčinu závad…protože je to jediná, kterou dokáží identifikovat.

Jde mi ale spíše o užitečnost toho měření. Tak pokud je elyt nafouknutý, vytlačuje ze sebe jeden z vývodů, či je dokonce rozstřelený po půlce přístroje, není co měřit. Abyste změřili to ostatní, musíte dostat kondenzátor ven z desky, no a v tento moment už zase nedává moc smysl ho tam vracet, protože jsou velice levné a jako každá součástka mají nějakou svoji životnost. Takže k čemu je mi tady měření? Správně, k ničemu. A pokud chci ověřit kvalitu těch nových, pak mi orientační měření stačit nebude. Takže k čemu mi ta věc vlastně je? Jaký problém řeší? Buď dokážu najít vadný kondenzátor přímo z chování obvodu, čímž to vybíhá z oblasti snadných oprav, nebo mohu udělat „spray and pray“, což dělá většina fanatických měničů kondenzátorů a občas se jim tím podaří něco opravit. Ovšem na to zas nepotřebuji nic měřit. Přínos té věci je přinejmenším diskutabilní.

Ta věc smrdí na první pohled

 

A to prosím nemálo. Když se podíváte na štítek té věci, pak nejmenší ESR, které to dokáže indikovat, je 100mΩ, což je upřímně řečeno nemálo, končí na 300Ω. K nesmyslnosti hodnoty 300Ω se ještě dostanu, protože tohle je veliká pikanterie, ale nechci předbíhat. Současně s tím se mi snaží výrobce namluvit, že ESR by mělo růst s klesající kapacitou kondenzátoru. Pokud se podíváte do prakticky libovolného datasheetu od hliníkových elektrolytických kondenzátorů, zjistíte, že to není pravda. ESR na kapacitě není příliš závislé a s kapacitou dokáže chodit oběma směry. Zato ESR celkem spolehlivě roste s maximálním dovoleným napětím kondenzátoru, což má fyzikální důvody, avšak tabulka to nikterak nezohledňuje. Pokud máte pocit, že to, co měříte, není ESR, ale něco, na čem se podílí spousta parametrů toho kondenzátoru, přičemž je to silně závislé na jeho kapacitě, máte stejný pocit jako já. Další věc, kterou z datasheetů zjistíte, je to, že pokud je kondenzátor zdravý, měla by vám svítit LED 0.1Ω, protože ESR elytu by mělo být rámcově v desítkách mΩ. Ovšem ten štítek říká zase něco jiného, což zase potvrzuje předcházející domněnku.

Ta věc smrdí i na druhý pohled

 

Doporučuji Vaší pozornosti rezistor R1. Co platí o paralelní kombinaci dvou rezistorů? Například to, že jejich výsledný odpor musí být menší než odpor menšího z nich. A my máme na vstupu 10Ω R1. Pokud vezmu jako fakt, že ESR elektrolytického kondenzátoru se bude potácet někde v desítkách až nízkých stovkách mΩ, pak s paralelním 10Ω rezistorem nemám problém, protože ESR bude za všech okolností výrazně menší, takže těch paralelních 10Ω mohu zanedbat. Pokud ale budu mít na vstupu řekněme 100Ω, bude výsledný odpor 9.09Ω s 300Ω to bude 9.68Ω, čili už potřebujete solidní dynamický rozsah abyste vůbec rozlišili takto velké rezistance od těch samotných 10Ω, tedy rozpojení na vstupu. Ta stupnice viditelně neukazuje ESR, ale něco jiného, ta čísla vedle jsou poněkud mimo.

Vlastní zapojení

Aneb ach můj zasraný ateistický bože, co ta věc vlastně měří? Tady se chytím původního popisu v ARadiu a výše zmíněného měření. Na výstupu se tedy objevují nějaké pulzy. Ty viditelně vyrábí tranzistor T1 zapojený jako emitorový sledovač digitálního výstupu MCU. Pak následuje P1 a R2, které definují horkou stranu děliče, jehož studenou stranu tvoří R1 paralelně s DUT. A ano, seriová kombinace 500Ω trimru s 180Ω rezistorem je prasečina master level, bohužel to není jediné špatné v celém zapojení. Současně s pulzem se otevírá T2 (ano, je v takzvaném inverzním zapojení, vlastností tohoto zapojení je to, že tomu do báze málem nejde proud a je to schopné „nějak“ spínat…v dobách, kdy neexistovaly FETy, to dávalo smysl, dnes je to dirty and ugly…no, dnes, spíš posledních 50 let…) přes který se nabíjí C2 na napětí blízké napětí na DUT, které se následně měří A/D převodníkem MCU. Systém T2-C2 je údajně sample and hold. No, S/H obvod s keramikou je opravdu nemalý bizár, ale nějak to snad funguje). Ten C2 se musí někudy vybít, no a přes T2 do DUT to nejspíš nebude, předpokládám, že to dělá přes port PB3, který jde krom analogového vstupu A/D převodníku zkonfigurovat též jako digitální IO, jinými slovy, jde ho přítáhnout k zemi.

Čímž se dostávám k tomu, co to měří. No měří to napětí na DUT na sestupné hraně budicího pulzu, zhruba. Systém T1, P1, R2 autor prohlašuje za zdroj konstantního proudu, což je s prominutím pitomost, avšak díky 430Ω v horké straně a maximálně 10Ω (viz výše) ve studené straně se proud tím děličem bude měnit v rozsahu řekněme 2%, což vzhledem ke zbytku asi jde zanedbat. Pokud budu uvažovat 5V na výstupu stabilizátoru (proč tam musí být zas Holtek namísto něčeho normálního?…no asi aby se to mohlo podělat bez náznaku příčiny…což je typická vlastnost čehokoliv od Holteku), bude v emitoru T1 cca 4.3V, což vzhledem k cca 430Ω napříč P1, R2 znamená cca 100mA pulzy, tedy napětí na R1 potažmo DUT se bude pohybovat mezi nulou a necelým 1V…čemuž odpovídají i antiparalelní D1,D2 omezující napětí na DUT na cca 700mV.

Nyni tedy víme, že to měří napětí na DUT na konci pulzu. Co víme o napětí na DUT na konci nabíjecího cyklu? ESR vychází ze seriového modelu kondenzátoru, čili napětí na takovém kondenzátoru bude součet napětí způsobeného ESR kondenzátoru a napětí, na které se kapacita seriového modelu nabije. Proud je v tomto případě stejný napříč celým modelem, protože model je seriový, tedy tvoří jedinou smyčku. Pro napětí potom platí:

u(t)=ESR·i(t)+(1/C)·∫i(t)dt

Pokud prohlásím proud za konstantní, přičemž šířka pulzu konstantní je, bude v momentě měření konstantní jak i(t) (chodí mezi nulou a něčím) tak ∫i(t)dt (protože i(t) chodí mezi nulou a něčím, navíc to něco trvá konstantní dobu…předpokládám, že kondenzátor se přes R1 vybije), jediné, co se v závislosti na DUT mění, je ESR a 1/C, potažmo C.

Takže co to teda měří? i(t) víme, že v daném momentě bude 0.1A, pokud prohlásím délku pulzu za 600μs mohu prohlásit {∫i(t)dt}=3e-5. Teď od stolu prohlásím, že ESR bude v desítkách mΩ, čili první člen toho součtu bude řádově 0.1·0.1=1e-2. Počítám se zdravým kondenzátorem. V případě té druhé složky to už tak jednoduché nebude, protože kapacita se napříč různými kondenzátory mění řádově, takže budu uvažovat dvě v tabulce uvedené krajní hodnoty, tj. 0.1μF a 1000μF, {1/C} tedy bude v rozsahu 1e7 (nejmenší kapacita) až 1e3 (největší kapacita), což je strašný rozsah. Aby se mi tedy oba členy alespoň rámcově vyrovnaly, musím mít {1/C} řádovně někde kolem tisíce, nebo menší, což nastane na kapacitách od 1mF výše. Nad touto hodnotou indikaci dominuje ESR, pod ní kapacita kondenzátoru, což vysvětluje tu tabulku. Čím nížeji se budu dostávat pod 1mF, tím větší bude vliv kapacity, tedy ze změřeného napětí musím něco odečíst, aby to, co zbude, odpovídalo ESR. Čím menší kapacitu budu mít, tím větší bude ta odečítaná část v poměru k té způsobené ESR a tím nepřesnější to měření bude. Tohle vysvětluje nejen tu tabulku, kde se měřená hodnota zvyšuje s klesající kapacitou, ale současně to vysvětluje i to, proč tabulka končí na hodnotě 1mF, současně to vysvětluje i uživatelské zkušenosti, kdy lidem ten přístroj prostě lépe funguje na vyšších kapacitách, slyšela jsem hodnoty jako 47μF, 100μF (k čemuž bych se spíše přikládněla). A musíte samozřejmě akceptovat fakt, že ta stupnice neindikuje ESR měřeného kondenzátoru.

Co si z toho celého tedy odnést

• Ten přístroj není zcela nesmyslný
• Pro vysoké kapacity (nad 100µF) to dokáže indikovat stav kondenzátoru v souvislosti s ESR docela dobře
• Stupnice je zcela zavádějící, používejte tabulku
• Kdyby autor nenatiskl na štítek stupnici, symbol Ω vypustil zcela a tabulku zakončil na hodnotě 47µF, neměla bych proti zařízení žádné výhrady
• Pokud by se tabulka zakončila na 47μF, bylo by možné zvýšit citlivost indikace
• Některá designová rozhodnutí jsou poněkud diskutabilní

Upřímně, zařízení obsahuje MCU, zvážila bych například měření několika různými šířkami pulzů, čímž by šlo následně odhadnout kapacitu (část napětí proporcionální k převrácené hodnotě kapacity se bude měnit s šířkou pulzu, jelikož se s šířkou pulzu bude měnit ten integrál, složka daná ESR se s šířkou pulzu měnit nebude) a zjednodušit tak celou indikaci (což už je jen software). Ta myšlenka sama není špatná, ale bylo by vhodné ji uvést do reality 21. století, kde vybavit přístroj nějakou elementární inteligencí není zase tak velký problém.

Nakolik je to užitečný přístroj, řekněme, že jsem v tomto ohledu poněkud skeptická, obávám se, že je to tak trochu řešení problému, který neexistuje, ale mnozí lidé mají rádi spousty různých podivných měřicích přístrojů a princip měření, který je u tohoto přístroje použit, má pořád co říct, protože měření ESR velkých kapacit je netriviální problém. V kontextu doby, ve které to vzniklo, to nějaký smysl dávalo. Co považuji za zločin, je opravdu ta stupnice v ohmech (bez dalšího vysvětlení), protože pokud někomu, kdo tohle používal roky, dám do ruky normální RLC metr, je šance na katastrofu nemalá. A ano, uznávám, že u té stupnice nikde není uvedeno, že indikuje ESR měřeného kondenzátoru. Ona možná indikuje odpor vložený namísto kondenzátoru, ale nad tím už se mi nechce přemýšlet. Pokud není jasně napsané co indikuje, je zavádějící.