Хакерский тестер. Собираем индикатор ЭПС своими руками

Неисправности вокруг нас

В статье «Зап­латка на асме» я опи­сал спо­соб прог­рам­мно­го «ремон­та» дефек­та жид­кокрис­талли­чес­кого монито­ра. Но мы живем не в иде­аль­ном, а в матери­аль­ном мире (по край­ней мере, пересе­лить­ся в вир­туаль­ную все­лен­ную и пол­ностью изба­вить­ся от матери­аль­ной сос­тавля­ющей пока что не уда­ется). Так что не все воз­ника­ющие проб­лемы мож­но решить уси­лием мыс­ли. А проб­лем хва­тает: при­ходит в негод­ность одеж­да и обувь, лома­ются двер­ные зам­ки, водоп­ровод­ные кра­ны и авто­моби­ли. Хло­пот дос­тавля­ют и полом­ки раз­нооб­разных элек­трон­ных устрой­ств.

Не­исправ­ности в элек­тро­нике отли­чают­ся от механи­чес­ких тем, что их слож­нее выявить. Мы не видим течение элек­три­чес­кого тока по дорож­кам на пла­тах. А если бы и видели, то быс­тро­дей­ствия нашей нер­вной сис­темы не хва­тило бы для оцен­ки пра­виль­нос­ти работы тран­зистор­ных клю­чей, выпол­няющих сот­ни мил­лионов перек­лючений в секун­ду. Поэто­му для поис­ка таких неис­прав­ностей при­бега­ют к кос­венным методам. На вид оце­нива­ют сос­тояние элек­трон­ных ком­понен­тов (чер­ный обуг­ленный резис­тор, пах­нущий сго­рев­шей элек­троп­ровод­кой, ско­рее все­го, тре­бует замены). На ощупь — их тем­перату­ру (что тре­бует опре­делен­ной осто­рож­ности, что­бы не попасть под дей­ствие высоко­го нап­ряжения и не получить тер­мичес­кий ожог, если эле­мент дей­стви­тель­но неис­пра­вен или ока­зал­ся в корот­козам­кну­той цепи). Но спра­вить­ся с серь­езны­ми неполад­ками все рав­но не удас­тся без спе­циаль­ных изме­ритель­ных и диаг­ности­чес­ких при­боров.

Пер­вый помощ­ник мас­тера — прос­тей­ший муль­тиметр, и во мно­гих слу­чаях его ока­зыва­ется дос­таточ­но. Боль­шой плюс это­го при­бора в том, что поль­зовать­ся им могут все, кто не про­гули­вал в шко­ле уро­ки физики. Пожалуй, самая полез­ная его фун­кция — изме­рение соп­ротив­лений. Ведь, в кон­це кон­цов, элек­тро­тех­ника — это наука о кон­тактах, и неполад­ки воз­ника­ют там, где кон­такт раз­рыва­ется, или, наобо­рот, там, где его быть не дол­жно. Целесо­образно про­бежать­ся щупами по элек­трон­ной пла­те неис­прав­ного устрой­ства (обя­затель­но вык­лючен­ного!), изме­ряя соп­ротив­ление на кон­денса­торах. Оно дол­жно быть дос­таточ­но боль­шим, до бес­конеч­ности. Если при­бор вдруг показал ноль — это озна­чает, что либо сам кон­денса­тор «про­бит», либо воз­никло корот­кое замыка­ние на под­клю­чен­ных к нему дорож­ках, воз­можно, через вышед­ший из строя сосед­ний эле­мент. В любом слу­чае круг поис­ка зна­читель­но сужа­ется. Ана­логич­но про­водит­ся про­вер­ка резис­торов, толь­ко их соп­ротив­ление, наобо­рот, не дол­жно быть боль­ше номина­лов — мень­ше может дать резис­тор, под­клю­чен­ный парал­лель­но про­веря­емо­му.

Но быва­ет и так, что муль­тиметр помочь не в силах. Зна­читель­ную долю проб­лем в элек­трон­ных устрой­ствах соз­дают элек­тро­лити­чес­кие кон­денса­торы. Нап­ример, устрой­ство ни с того ни с сего ста­ло вес­ти себя стран­но: то вклю­чает­ся, то вык­люча­ется, то работа­ет, то не работа­ет. В такой ситу­ации пос­ле исклю­чения неис­прав­ности в «мак­ровык­лючате­лях» — кон­тактах кноп­ки, розет­ки и удли­ните­ля — сле­дует про­верить элек­тро­лити­чес­кие кон­денса­торы в бло­ке питания и осталь­ных узлах. Иног­да винов­ника проб­лемы выда­ет дефор­мирован­ная (выг­нутая вверх, «взду­тая» или даже разор­ванная) вер­хняя крыш­ка или «выпав­шее» дно. В дру­гих слу­чаях кон­денса­торы выг­лядят исправ­ными, но все рав­но не выпол­няют свою фун­кцию. Что же про­исхо­дит?

Несовершенство конденсаторов

Кон­денса­тор — это сис­тема про­вод­ников, спо­соб­ная накап­ливать и отда­вать элек­три­чес­кие заряды. Иде­аль­ный кон­денса­тор харак­теризу­ется толь­ко сво­ей элек­три­чес­кой емкостью, которая изме­ряет­ся в фарадах. В реаль­ном мире про­явля­ются и дру­гие его свой­ства, обус­ловлен­ные конс­трук­цией кон­денса­тора, спо­собом его изго­тов­ления и исполь­зован­ными матери­ала­ми.

Для всех типов реаль­ных кон­денса­торов уста­нав­лива­ется мак­сималь­но допус­тимое нап­ряжение, пре­выше­ние которо­го может обер­нуть­ся элек­три­чес­ким про­боем и выходом устрой­ства из строя. При вклю­чении элек­тро­лити­чес­ких кон­денса­торов сле­дует обя­затель­но соб­людать поляр­ность — если ее нарушить, может закипеть элек­тро­лит. Это завер­шает­ся харак­терным «выс­тре­лом» с раз­рывом обо­лоч­ки и выб­росом содер­жимого наружу в виде сим­патич­ного белого облачка. Если иде­аль­ный кон­денса­тор обла­дает толь­ко реак­тивным соп­ротив­лени­ем, которое опре­деля­ется его емкостью и умень­шает­ся с уве­личе­нием час­тоты перемен­ного тока, то реаль­ный кон­денса­тор добав­ляет к нему активную сос­тавля­ющую, как буд­то пос­ледова­тель­но с ним под­клю­чен резис­тор. Эта активная сос­тавля­ющая называ­ется экви­вален­тным пос­ледова­тель­ным соп­ротив­лени­ем (ЭПС), в англо­языч­ной литера­туре equivalent series resistance (ESR).

Не­дос­таточ­ное качес­тво изго­тов­ления и осо­бен­ности усло­вий работы элек­тро­лити­чес­ких кон­денса­торов могут при­водить к тому, что их ЭПС уве­личи­вает­ся. А это, в свою оче­редь, ведет к уве­личе­нию их наг­рева и незап­ланиро­ван­ному изме­нению режимов работы цепей, в которых они сто­ят. Резуль­татом может стать как выход из строя самого кон­денса­тора, так и раз­рушение дру­гих эле­мен­тов элек­три­чес­кой цепи. С течени­ем вре­мени элек­тро­лити­чес­кие кон­денса­торы «ста­реют», что выража­ется в умень­шении их емкости. Про­цесс дег­радации уско­ряет­ся, если на них пос­тоян­но воз­дей­ству­ет высокая тем­перату­ра. В резуль­тате они всё хуже выпол­няют воз­ложен­ные на них фун­кции.

Итак, у тебя с некото­рого вре­мени регуляр­но перезаг­ружа­ется мар­шру­тиза­тор. Элек­три­чес­кая розет­ка, в которую вклю­чено устрой­ство, не вызыва­ет подоз­рений, прох­ладу в помеще­нии обес­печива­ет кон­дици­онер, и кор­реляции перезаг­рузок с момен­тами вклю­чения и вык­лючения 40-лет­него холодиль­ника «Саратов» в сосед­ней ком­нате ты не обна­ружил. Что ж, тог­да надо исклю­чить фак­тор дег­радации элек­тро­лити­чес­ких кон­денса­торов.

Ты берешь в руки муль­тиметр... и кла­дешь его на мес­то. В прос­тей­ших моделях муль­тимет­ров отсутс­тву­ет даже фун­кция изме­рения элек­три­чес­кой емкости, не говоря уже про ЭПС. Сей­час в про­даже появи­лись удоб­ные и недоро­гие мно­гофун­кци­ональ­ные LCR-тес­теры, спо­соб­ные опре­делять тип элек­трон­ных ком­понен­тов и изме­рять их важ­ней­шие парамет­ры. Но, во‑пер­вых, такой при­бор надо заказы­вать в интернет‑магази­не и ожи­дать его дос­тавки, а во‑вто­рых, для про­вер­ки деталей их надо сна­чала выпа­ять с мон­тажной пла­ты. Может, луч­ше сра­зу заменить все элек­тро­лити­чес­кие кон­денса­торы новыми, как иног­да совету­ют? Но ведь тог­да их все рав­но надо выпа­ивать и впа­ивать... А если дело не в кон­денса­торах?

Простой ESR-пробник

Из‑за широко­го рас­простра­нения проб­лемы дег­радации элек­тро­лити­чес­ких кон­денса­торов воп­росом их диаг­ности­ки оза­дачи­лись мно­гие ради­олю­бите­ли. Они изоб­рели мно­жес­тво при­боров раз­личной сте­пени слож­ности и точ­ности для про­вер­ки кон­денса­торов пря­мо на элек­трон­ных пла­тах, без демон­тажа. Ког­да у меня воз­никли подоз­рения в исправ­ности бло­ка питания, я нашел любопыт­ную схе­му в статье SharmuttaDJ от 1 мар­та 2022 года «Как быс­тро про­верить все кон­денса­торы на пла­те. Прос­той ESR-проб­ник». В нем­ного пре­обра­зован­ном виде конс­трук­ция устрой­ства показа­на на сле­дующем рисун­ке.

Да­вай раз­берем­ся в общих чер­тах, как этот при­бор работа­ет. Изоб­ражение сер­дечни­ка тран­сфор­матора в виде длин­ной вер­тикаль­ной линии наг­лядно делит схе­му на две час­ти. Генера­тор, при­сутс­тву­ющий на левой час­ти схе­мы, обес­печива­ет фор­мирова­ние элек­три­чес­ких импуль­сов с час­тотой 50–100 кГц. Они соз­дают в тран­сфор­маторе перемен­ное маг­нитное поле, а оно, в свою оче­редь, инду­циру­ет ЭДС в инди­катор­ной и изме­ритель­ной обмотках тран­сфор­матора. Цепь инди­като­ра, изоб­ражен­ная в пра­вой час­ти схе­мы свер­ху, напоми­нает клас­сичес­кий детек­тор прос­тей­шего ради­опри­емни­ка. Она зам­кну­та, поэто­му ЭДС индукции соз­дает в ней перемен­ный элек­три­чес­кий ток, который вып­рямля­ется диодом, сгла­жива­ется кон­денса­тором и пос­тупа­ет на мил­лиам­перметр (см. рис.). Стрел­ка мил­лиам­пермет­ра откло­няет­ся в зависи­мос­ти от силы тока, которую мож­но регули­ровать подс­тро­ечным резис­тором.

Из­меритель­ная цепь, изоб­ражен­ная в пра­вой час­ти схе­мы сни­зу, сей­час разом­кну­та, поэто­му ЭДС индукции изме­ритель­ной катуш­ки не может ини­цииро­вать в цепи элек­три­чес­кий ток, а зна­чит, в дан­ный момент эта цепь никако­го вли­яния на работу при­бора не ока­зыва­ет. Но ситу­ация в кор­не меня­ется, если ее зам­кнуть, нап­ример кос­нувшись изме­ритель­ными щупами выводов про­веря­емо­го кон­денса­тора. Как тебе извес­тно, кон­денса­тор перемен­ный ток про­водит, в отли­чие от пос­тоян­ного. О под­боре соп­ротив­ления резис­тора в изме­ритель­ной цепи погово­рим нем­ного поз­же, сей­час отме­тим лишь, что оно невели­ко. В изме­ритель­ной цепи воз­ника­ет перемен­ный ток, на который рас­ходу­ется энер­гия маг­нитно­го поля тран­сфор­матора. ЭДС на инди­катор­ной обмотке умень­шает­ся, и сни­жение тока в инди­катор­ной цепи сра­зу же отра­жает­ся на показа­ниях мил­лиам­пермет­ра.