Misuratore di ESR

[DarwinNE]

Allora, faccio il punto sulla mia versione del circuito. Per il momento, ecco i risultati a cui sono arrivato. Non ho strumenti precisi da usare per riferimento per la misura di capacità, solo un LCR-T4 che misura anche gli elettrolitici. Ricordo che ho messo tutto quello che ho qui, compreso il sorgente del firmware per il PIC16F883:

https://github.com/DarwinNE/EsrMeter

Misura di resistenze:
- La misura è possibile su un insieme discreto di frequenze: 20 Hz, 75 Hz, 200 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 2 kHz, 5 kHz, 10 kHz, 20 kHz, 50 kHz, 100 kHz, 200 kHz.
- La misura richiede meno di un secondo.
- La misura di una resistenza da 0,33 Ω misurata a 1kHz è sovrastimata di 2% rispetto ad un valore misurato con una corrente continua di 1A e due multimetri digitali.
- Un corto-circuito (con 4 coccodrilli con fili lunghi 15 cm) viene misurato 0 ohm fino a 5 kHz. 2 mΩ a 10 kHz, 13 mΩ a 20 kHz, 0 Ω a 50 kHz, 15 mΩ a 100 kHz e 54 mΩ a 200 kHz.

Misura di condensatori
- Nel peggiore dei casi, la misura è fatta in circa 6 s.
- La gamma di misura va da 10 nF a 3000 µF.
- Il circuito sovrastima nettamente i condensatori più piccoli (da 10 nF a 100 nF). Un condensatore che il T4 legge 9725 pF viene misurato a 18 nF dal mio circuito.
- Il circuito è in accordo con il LCR-T4 per un elettrolitico da 330 uF (-0,3%)
- Il circuito sottostima un elettrolitico da 1000 µF (-4% rispetto alla misura LCR-T4) (*)
- Il circuito sottostima un elettrolitico da 2200 µF (2292 µF -12% rispetto alla misura LCR-T4 2588 µF) (*)
- Il circuito è in accordo con il LCR-T4 su un elettrolitico da 4,7 µF (+0,2%, entrambi leggono attorno ai 5,200µF) (**)
- Su un condensatore da 470 nF al polipropilene da 1000V, nessuna influenza di una polarizzazione DC compresa tra -1.5 V e 1.5 V è visibile (***)

Note
(*) L'origine della differenza viene dal fatto che la misura è fatta a 20 Hz, ho abbassato le costanti di tempo dovute ai condensatori in serie agli switch analogici, ma è difficile trovare un buon compromesso con la durata complessiva di misura. Penso di avere un pochino di margine per migliorare ancora i risultati senza richiedere misure troppo lunghe.
(**) Ho misurato quel condensatore con un ponte LCR Philips. Non è precisissimo neppure lui (non sarà stato calibrato da 30 anni), che leggeva un 20% in meno del LCR-T4. Penso che sia un caso in cui il valore del condensatore dipende... da come viene misurato! I parametri parassiti iniziano ad avere una certa influenza.
(***) Il mio circuito permette di applicare da -2V a 2V. Fino a 1.5V si comporta molto bene. Sui valori estremi, però, vedo il valore della capacità variare. Forse viene da un errore sistematico introdotto dal comparatore TLV3201, non ho ancora investigato bene. Penso che limiterò la gamma di tensioni DC, tanto tra 1,5 a 2V non cambia un granché e posso conviverci.

Cose da fare
- Il circuito non si rende conto se ha a che fare con un vero condensatore o con una resistenza. Se gli faccio provare una resistenza da 120 Ω dicendogli di misurarla come se fosse un condensatore, mi calcola il valore di 228 nF
- In riferimento alla nota (*) di cui sopra, penso di poter risolvere almeno parzialmente il problema della sottostima degli elettrolitici aggiustando le costanti di tempo. Mi chiedo però fino a che punto ne varrà la pena.
- Non ho ancora capito perché i piccoli condensatori siano sistematicamente sovrastimati. Devo cercare di investigare un po' la cosa.
- Ho ordinato dei cicalini su eBay. Quando arriveranno, cercherò di far emettere un piccolo bip quando una misura valida è visibile sul display.
- Non so se una procedura di calibrazione con puntali in corto ed in circuito aperto sarebbe utile.

Per favore, ditemi cosa per voi manca e cosa è più urgente, di modo da stabilire delle priorità.

Conclusione
Mi sembra che ci stiamo avvicinando ad una versione utilizzabile del circuito. La misura dovrebbe essere possibile in-circuit (ho provato con qualche vecchio alimentatore da PC con elettrolitici scoppiati e si vede bene dove ci sono dei problemi). Speravo però di riuscire ad avere misure più precise, ma ci sono effetti abbastanza delicati da prendere in conto. Farebbe molto molto comodo avere delle misure in quadratura fatte con il lock-in, ma non val la pena in un circuito così piccolo che ha vocazione di essere utilizzato sostanzialmente come mezzo diagnostico.

Etemenanki, pensi di riuscire a fare una versione che stia in un solo PCB non troppo grande? Ti farò avere (spero presto) una lista delle modifiche che ho fatto al circuito originale. L'ideale sarebbe cercare una scatoletta carina e prevedere un circuito che possa entrarci, lasciando lo spazio per la pila ed il display. Oppure fare come il LCR T4 e lasciarlo nudo. Ci vorrà comunque un connettore adatto per poter collegare puntali o pinzette per le misure.

EDIT: aggiorno il post; ho ritoccato un po' le costanti di tempo del lock-in. Ecco una tabella che ho misurato stasera.

[elektronik]

ciao DarwinNE, grazie anche a te per il tuo impegno, un caro saluto

[Etemenanki]

...
Etemenanki, pensi di riuscire a fare una versione che stia in un solo PCB non troppo grande? Ti farò avere (spero presto) una lista delle modifiche che ho fatto al circuito originale. L'ideale sarebbe cercare una scatoletta carina e prevedere un circuito che possa entrarci, lasciando lo spazio per la pila ed il display. Oppure fare come il LCR T4 e lasciarlo nudo. Ci vorrà comunque un connettore adatto per poter collegare puntali o pinzette per le misure.

Devo vedere il circuito definitivo completo, intendi sia la parte PIC che quella analogica, giusto ?

Probabilmente si, ma non credo di riuscire a farlo stare nelle stesse dimensioni di uno dei circuiti del prototipo, spero sia possibile rimanere nei 100x100mm per usare il prezzo preferenziale dei service tipo pcbway, ma anche li e' tutta da provare.

[DarwinNE]

Sì, l'idea sarebbe di fare star tutto su un solo circuito. L'idea sarebbe anche di contenere i costi e di avere un sistema più compatto. Alla fine nessuno ha usato la parte analogica separatamente, stefanopc ha preferito sviluppare la sua versione.

Faccio una lista di quello che ho corretto sulla versione che mi hai mandato, ti ho già indicato molte modifiche, ma è l'occasione di fare il punto. Potrei ritoccare ancora qualche costante di tempo

Parte analogica
- allungare tutte le piazzole delle resistenze e dei condensatori.
- portare C19 a 47µF invece di 10nF.
- portare C2 a 33nF invece di 10nF.
- scollegare GNDREF da GND e collegarlo a V- in corrispondenza del polo freddo del condensatore C21.
- portare C6, C7 e C20 a 1µF invece di 4,7µF
- aggiungere tre resistenze da 470kΩ tra l'ingresso COM di IC4, IC5 e IC6 e GND (tengono a massa i condensatori C6, C7 e C20).
- portare C21 a 2,2µF invece che 1µF.
- portare C5 a 470nF invece che 330nF.
- portare R16 a 10kΩ invece che 47kΩ.
- portare R17 a 51kΩ invece che a 10kΩ.
- eliminare JP3
- eliminare JP2 e collegare direttamente il piedino 1 di IC8 alla resistenza R19.
- ho ancora qualche dubbio sulla DC applicata attorno a IC3, magari dopo Capodanno proverò una configurazione alternativa.

Parte digitale
- invertire piedini 1,2 e 4,5 sul connettore ICSP. PGC va collegato sulla linea 5, PGD sulla linea 4; +V va sul piedino 2 e /MCLR/THV va sul piedino 1.
- invertire la numerazione 1 -> 6 a 6 -> 1, di modo che il piedino 1 si veda a destra guardando da sopra lo stampato. Ciò permette di inserire il PICkit2 in maniera più naturale con i led e la serigrafia verso l'alto.
- aggiungere un triangolo in serigrafia in corrispondenza del piedino 1 per facilitare l'inserimento corretto del PICkit2.
- eliminare R12.
- invertire RC6 e RC2. In altre parole, RC6 deve andare a S1 mentre RC2 deve andare a PWM.
- chiamare S1 "SA", S2 "SC" e S3 "SB"
- collegare RC7 (pin 18) a X (uscita di IC3 sulla parte analogica)
- aggiungere una resistenza da 10kΩ tra PGM/RB3 e 0V (questa mi ha fatto penare alquanto, si veda pagina 224 del datasheet PIC16F883)
- portare R13 a 22kΩ al posto di 3,9kΩ.
- aggiungere un condensatore da 330 nF tra RA2 (GND) e RA0 (OUT), vicino al PIC.
- eliminare le resistenze R7, R8, R10, ho messo 0Ω e va benissimo.
- ingrandire i fori per l'encoder. Perlomeno quello che usato ho io non ci entrava proprio.
- il regolatore di tensione IC2 dissipa soltanto 80 mW, probabilmente non c'è bisogno di una grande area ramata per dissipare il calore prodotto.

Ovviamente, nel mettere insieme i due circuiti le alimentazioni vanno tenute separate e riunite solo in un punto strategico, come per esempio su C7 subito vicino a IC2. Se riesci, le serigrafie sono molto piccole, ho una buona vista ma ho avuto bisogno di una lente per leggerle e sono in qualche caso al limite della risoluzione. Anche negli schemi elettrici stampati spesso i valori dei componenti e le sigle non si leggono facilmente, probabilmente è meglio ingrandirli.

Se hai idee per ridurre il costo totale del circuito, io sono tutt'orecchi

Avevamo evocato l'eventualità di accettare sia il PIC16F883 in versione SOIC che in versione SSOP per via delle note difficoltà di reperibilità.

[stefanopc]

Complimenti a DarwinNE per la relazione sul prototipo.
Finalmente sono riuscito ad automatizzare il cambio frequenza (come desiderato in funzione del valore del condensatore sotto misura) che ora viene impostato via tabella.
Al momento il funzionamento è il seguente:
Viene fatta la misura di resistenza in continua Rdc.
Se il risultato è maggiore di 40 Ohm si procede alla misura di capacità.
Individuata la capacità si procede alla misura di Esr (alla frequenza corretta).

Se la resistenza è inferiore a 40 Ohm lo strumento misura comunque Esr alla frequenza di 10kHz.

La scala superiore va da 80mF a 0.4 uF circa.
Esr valutato con resistenza di riferimento 10 Ohm e 3 cifre decimali.

La scala inferiore va da 10 uF a 6 nf circa
Esr valutato con resistenza di riferimento 270 Ohm e 2 cifre decimali.

La frequenza di misura Esr va da 5 kHz a 1.5MHz in automatico (24 step) e viene indicata in kHz sul display.
Se lo strumento non trova un condensatore o lo stesso è di valore inadatto alla scala impostata viene visualizzato High o Low e la frequenza impostata sempre a 10 kHz.
Il cambio frequenza automatico " dovrebbe " consentire all'operatore di procedere più rapidamente in fase di ricerca guasto senza dover consultare in permanenza le tabelle o i grafici relativi.
Da verificare sperimentalmente sul campo.

Suggerimenti e critiche sono sempre ben accetti.

Al momento sono a circa il 60 % delle risorse del micro.
È probabile che si possano implementare le funzioni rimanenti.
Pulsante e buzzer sono i prossimi step Fw se non ci sono sorprese.

Scala Alta da 80mF a 0.4 uF

10uF low esr polipropilene metallizzato.

10mF elettrolitico

10 uF elettrolitico.

Sulla scala alta comincia ad andare decisamente bene .
Tempo di misura totale (differenziato in base alla costante di tempo) tra 1 e 3 secondi.
A breve la verifica sulla scala bassa, la più ostica naturalmente .

Ciao

[stefanopc]

Sulla scala bassa 50000nF - 7nF le cose vanno bene ma lo strumento misura un valore più alto al di sotto di 200nf.
Quindi nel dubbio si deve procedere o per confronto con un componente " nuovo " o facendo riferimento al grafico visto in precedenza.
Trattandosi di uno strumento per ricerca guasto su circuito ho privilegiato la ripetibilità della misura compatibilmente con la comodità e la estensione della scala.
Oltre alla reattanza dei cavi che portano ai puntali c'è da considerare la mancanza (attuale ) di condensatori di bypass su quasi tutti gli integrati della parte analogica e il tipo di realizzazione, del prototipo, non proprio adatta a lavorare a frequenze intorno a 2Mhz.
Lo stesso circuito montato su PCB con tutti gli accorgimenti del caso dovrebbe avere un comportamento decisamente migliore.


7.5 nF a 2Mhz Esr teorico circa 10

100nf Esr teorico circa 2

1000nF Esr teorico circa 0.5

47000nf Esr teorico circa 0.2

I condensatori dei convertitori dc/dc li misura decisamente bene su PCB.
E questa è la notizia più interessante
Ciao

[setteali]

Buongiorno Stefano,
mi sembra che il funzionamento sia ottimo, visto che anche le misure su PCB assemblato danno ottimi risultati.
Complimenti.

[Etemenanki]

DarwinNE, scusa ma in questi giorni di feste non so piu neppure dove sono ... appena finiscono auguri, giri di parenti e simili, cerco di capire dove sono finito, vado a riprendermi, mi riporto a casa ed inizio a farci un po di prove

[DarwinNE]

Nessun problema, Etemenanki, non c'è fretta

stefanopc anche la mia versione del circuito sovrastima i condensatori piccoli. Non ho ancora investigato opportunamente per vedere da dove viene il problema. Che sia legato a come viene fatta la misura?

[stefanopc]

Misura componenti montati su circuito.
Condensatori da 1uf poliestere, 2 in parallelo (con mutua induttanza interposta e 4 condensatori da 4.7nF verso massa ) in filtro Emi ingresso.

33uF 350V dopo ponte a diodi

Ceramico 100nF vicino a reazione dc/dc driver

1uF poli SMD

4 condensatori da 100nF in parallelo sull alimentazione +5 di 4 integrati TTL.

Statisticamente la maggior parte dei condensatori viene misurata.

Solo in alcuni casi il circuito non riesce a misurare la capacità ma misura comunque il valore di Esr.
Naturalmente dipende dal posizionamento del componente.
Se è sulla alimentazione di solito non ci sono problemi.

DarwinNE
Non ho capito se ti riferisci al valore di capacità o di Esr.
I valori molto bassi di capacità sono corretti con una funzione lineare che li decrementa.
I valori di Esr su piccole capacità invece risentono di tutto ciò che avviene aumentando la frequenza di misura 200 - 400 volte.
Il risultato è un compromesso discreto per questo utilizzo.
Sarebbe stato ideale ricreare un mini "volmetro selettivo" come quelli utilizzati storicamente in ambito FDM avendo un filtro a spillo variabile sincrono con la frequenza di prova.
È comunque già fin troppo complesso così.
Meglio non esagerare .
Il sw ora è abbastanza funzionale anche se va ulteriormente sistemato.
Le prove sul campo creano spesso condizioni impreviste.

Ciao