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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Sonda de capacitor de óxido. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Tecnologia de medição Ao reparar eletrodomésticos modernos, um dos processos defectológicos mais difíceis é determinar a operacionalidade dos capacitores. E eles “envelhecem” muito mais rápido que outros radioelementos. Este artigo é dedicado ao problema de identificação rápida e confiável de um elemento defeituoso durante o reparo. A confiabilidade dos dispositivos semicondutores em equipamentos modernos aumentou tanto que os capacitores eletrolíticos de óxido ocuparam o primeiro lugar em termos de número de defeitos [1]. Isto é devido à presença de eletrólito neles. A exposição a temperaturas elevadas, a dissipação das perdas de energia no capacitor e a despressurização nas vedações da carcaça levam ao ressecamento do eletrólito. Um capacitor ideal quando operando em um circuito de corrente alternada possui apenas resistência reativa (capacitiva). Um capacitor real, para o caso considerado a seguir, pode ser representado como um capacitor ideal e um resistor conectado em série com ele. Este resistor é chamado de resistência em série equivalente do capacitor (doravante denominada ESR; na literatura inglesa você pode encontrar um termo semelhante com a abreviatura ESR - Equivalent Series Resistance). No estágio inicial de ocorrência de defeitos nos capacitores de óxido, a ESR do capacitor é superestimada. Por conta disso, a perda de potência aumenta, aquecendo o capacitor por dentro. Esta potência é diretamente proporcional à ESR do capacitor e ao quadrado de sua corrente de recarga. Posteriormente, o processo progride rapidamente, até que o capacitor perca completamente sua capacidade. O aparecimento de defeitos em produtos que utilizam capacitores de óxido pode ocorrer em diferentes etapas deste processo. Tudo depende das condições de operação do capacitor, incluindo seus modos elétricos e as características do próprio dispositivo. A dificuldade de diagnosticar tais defeitos é que medir a capacidade com instrumentos convencionais na maioria dos casos não dá resultados, uma vez que a capacidade está dentro da normalidade ou apenas ligeiramente subestimada. Particularmente exigentes quanto à qualidade dos capacitores de óxido são as fontes de alimentação com conversores de alta frequência, onde tais capacitores são usados como filtros, e em circuitos de comutação de elementos de potência em frequências de até 100 kHz. A capacidade de medir a ESR tornaria possível tanto a identificação de capacitores com falha (exceto curtos-circuitos e vazamentos) quanto o diagnóstico precoce de defeitos do dispositivo que ainda não apareceram. Para fazer isso, você pode medir sua resistência complexa em uma frequência suficientemente alta, na qual a capacitância é significativamente menor que o ESR permitido. Por exemplo, a uma frequência de 100 kHz, um capacitor com capacidade de 10 μF tem uma resistência de capacitância de cerca de 0,16 Ohm, o que já é um valor bastante pequeno. Se você aplicar um sinal dessa frequência através de um resistor de ajuste de corrente a um capacitor controlado, a tensão neste último será proporcional à magnitude de sua resistência complexa. A fonte do sinal pode ser qualquer gerador adequado, e o formato do sinal não desempenha um papel especial, e a resistência de saída do gerador pode servir como um resistor. Você pode usar um osciloscópio ou um milivoltímetro CA para medir a tensão no capacitor. Assim, com um nível de sinal de saída do gerador de 0,6 V, uma resistência de resistor de 600 Ohm em um capacitor com ESR igual a 1 Ohm, a tensão medida será de cerca de 1 mV, e com uma resistência de resistor de 50 Ohm - 12 mV. A prática de diagnosticar defeitos em capacitores de óxido medindo ESR mostrou que, na grande maioria dos casos, em capacitores defeituosos com capacidade de 10 a 100 μF, excede visivelmente 1 Ohm. Este critério não é rigoroso e depende de vários fatores. É geralmente aceito que bons capacitores possuem uma ESR na faixa de 0,3...6 Ohms, dependendo da capacitância e da tensão de operação [2]. A precisão das medições não desempenha um papel especial na determinação de capacitores defeituosos. Um erro de até 1,5...2 vezes pode ser considerado bastante aceitável. Esses dados foram utilizados no desenvolvimento do dispositivo descrito a seguir. Além disso, a capacidade de medir sem remover os capacitores do dispositivo é muito importante. Para isso, é necessário que o capacitor controlado não seja desviado por elementos com resistência próxima aos valores ESR medidos, o que é feito na maioria dos casos. Dispositivos semicondutores não afetam os resultados da medição, uma vez que a tensão de medição no capacitor é de unidades e dezenas de milivolts. Também é aconselhável limitar a tensão máxima nas pontas de prova do dispositivo a 1...2 V e a corrente através delas a 3...5 mA, para não danificar outros elementos do dispositivo. Quanto ao design do dispositivo, obviamente ele deve ser autoalimentado e de tamanho pequeno. A conexão de condutores e braçadeiras para conexão aos capacitores em teste não é recomendada. Ao trabalhar com eles, ambas as mãos estão ocupadas, você precisa de espaço para colocar o próprio dispositivo e precisa olhar constantemente dos pontos de medição para o indicador do dispositivo. Esses requisitos são atendidos por uma pequena sonda com sondas pontiagudas. Principais características técnicas
Além disso, a sonda pode ser utilizada para avaliar a capacitância de capacitores eletrolíticos - na versão original, de 15 a 90 μF. O diagrama esquemático da sonda é mostrado na fig. 1.
O elemento DD1.1 do microcircuito digital contém um gerador de pulso retangular (elementos de ajuste de frequência R2, C2). As saídas dos restantes elementos são combinadas para aumentar a capacidade de carga. Os resistores R3, R4 e a resistência interna dos elementos definem a corrente através do capacitor testado Cx, a partir do qual um sinal com nível proporcional ao ESR do capacitor controlado é fornecido à entrada do pré-amplificador no transistor VT1. O diodo Zener VD1 limita os pulsos de tensão ao conectar as pontas de prova do dispositivo a capacitores não descarregados. Tensões residuais neles não superiores a 25...50 V não são perigosas para o dispositivo. O chip DA1 contém um indicador de nível LED de cinco estágios; este chip é usado em alguns videocassetes. O microcircuito inclui um amplificador de sinal de entrada, um detector linear, comparadores com estabilizadores de corrente nas saídas. As relações dos níveis do sinal de entrada nas quais o próximo comparador é ligado correspondem a -10; -5; 0; 3; 6dB. Assim, toda a faixa de indicação cobre 16 dB. Para acender todos os LEDs, deve-se fornecer um sinal com nível de cerca de 1 mV na entrada do microcircuito DA8 (pino 170). O circuito RC conectado ao pino 7 determina a constante de tempo do seu detector. O resistor R12 limita a corrente consumida pelos LEDs. Os critérios para a escolha do seu valor são: o brilho necessário dos LEDs, por um lado, e a corrente consumida da fonte de alimentação, por outro. Os elementos R6, C6 e R11, C7 são filtros nos circuitos de potência dos nós correspondentes. A possibilidade de utilização do microcircuito em frequências de até 100 kHz foi determinada experimentalmente. O valor mínimo certificado da tensão de alimentação do microcircuito é de 3,5 V, porém, testes de vários exemplares mostraram seu desempenho até uma tensão de 2,7 V; com uma diminuição adicional da tensão, os LEDs param de brilhar. O dispositivo exibe o valor ESR controlado de acordo com o princípio: quanto menor a resistência, menor o número de LEDs acesos. Quando os contatos da chave SA1 estão fechados, o capacitor C2 também é conectado em paralelo com o capacitor C1. Neste caso, a frequência do gerador será reduzida para aproximadamente 1200 Hz, portanto o nível do sinal nos terminais do capacitor em teste dependerá principalmente de sua capacitância. Quanto maior a capacitância, menor será o número de LEDs acesos. O dispositivo usa resistores e capacitores de chip, mas outros pequenos podem ser usados. Os capacitores C3-C5, C8, C10 são importados de cerâmica de pequeno porte. A sua capacidade não é crítica. Os LEDs VD2-VD6 são microconsumidores e brilham bastante mesmo com uma corrente de 0,5...1 mA. Você pode usar outros LEDs vermelhos que atendam aos requisitos especificados, por exemplo, KIPD-05A. A chave SA1 é uma chave deslizante de pequeno porte, SB1 é uma chave de botão, sem travamento na posição pressionada. O transistor VT1 pode ser substituído por KT315, KT3102 (com qualquer índice de letras) com um coeficiente de transferência de corrente superior a 100. A fonte de alimentação da sonda são dois elementos alcalinos LR44 (357, G13) com tamanho padrão de 11,6x5,4 milímetros. A frequência operacional do gerador é controlada pelo resistor R3. Deve estar entre 60...80 kHz. Se necessário, instala-se selecionando os elementos R2 ou C2. A tensão no coletor do transistor VT1 deve estar entre 1,0...1,7 V, é definida selecionando o resistor R8. A sonda é calibrada conectando resistores não indutivos (sem fio) às sondas no modo de medição ESR e selecionando o resistor R3. A faixa necessária de controle de capacitância na posição fechada dos contatos da chave SA1 é estabelecida selecionando o capacitor C1, conectando capacitores com capacitância conhecida às pontas de prova.
A aparência da sonda é mostrada na fig. 2.
As sondas são feitas de fio de aço rígido com diâmetro de 1 mm, as pontas são levemente curvadas e pontiagudas. A distância entre as pontas de prova é de 4 mm, o que permite, levando em consideração o tamanho das placas de contato da placa de circuito impresso, testar capacitores com distância entre os fios de 2,5 a 7,5 mm. O aparente inconveniente associado à orientação do dispositivo em relação aos terminais do capacitor desaparece após alguns dias de uso. Durante as medições, o produto testado deve ser desenergizado e os capacitores, que podem conter tensões perigosas, devem ser descarregados. As pontas de prova devem ser pressionadas contra as almofadas de contato da placa, às quais o capacitor sendo testado está soldado, e pressionar o botão liga / desliga. Devido a processos transitórios, todos os LEDs piscam brevemente, após o que a condição do capacitor pode ser avaliada pelo número de LEDs acesos. Assim, o tempo de ativação da sonda para testar um capacitor não excede 1 s. Para bons capacitores com capacidade de 10 µF e superiores para tensões operacionais de até 100 V, todos os LEDs devem apagar. Capacitores de menor capacidade e maior tensão operacional têm um ESR mais alto, portanto, 1-2 LEDs podem acender. Os critérios para avaliar a adequação dos capacitores de óxido dependem das funções que desempenham nos componentes do dispositivo, dos modos elétricos e das condições de operação. Os componentes mais críticos: o circuito de controle do transistor chave em fontes de alimentação com conversão de alta frequência, filtros nessas fontes, inclusive aquelas alimentadas por transformador de varredura horizontal para televisores e monitores, filtro no circuito de alimentação para o “boost ”do transistor de varredura horizontal, etc. Quanto maior a frequência de operação e as correntes de recarga, melhor será a qualidade dos capacitores utilizados. Nos circuitos acima, devem ser utilizados capacitores com faixa de temperatura de até 105°C, que apresentam ESR significativamente menor e maior confiabilidade em temperaturas elevadas. Se tais elementos não estiverem disponíveis, é aconselhável desviar os capacitores de óxido com capacitores cerâmicos com capacidade de 0,33-1 μF. Às vezes, esses capacitores são instalados pelo fabricante do dispositivo. Eles podem distorcer as leituras da sonda no modo de medição ESR (a capacitância de um capacitor de 1 μF a uma frequência de 80 kHz é de cerca de 2 ohms). Acontece que capacitores defeituosos, após soldá-los na placa, podem ser identificados como utilizáveis quando discados pelo dispositivo. Aparentemente, isso se deve à exposição a altas temperaturas durante a desmontagem. Não faz sentido instalar esses capacitores de volta no dispositivo - o defeito reaparecerá mais cedo ou mais tarde. Este é outro argumento a favor da verificação dos capacitores sem desmontá-los. O dispositivo foi criado como um “burro de carga”, fácil de usar em quase todas as condições, sem frescuras e destinado não tanto a medições, mas a determinar de acordo com o princípio “go-no-go”. Portanto, em casos duvidosos e especialmente críticos, você deve verificar adicionalmente os capacitores usando os métodos disponíveis ou substituí-los por outros em boas condições. A operação da sonda em uma oficina de TV por 6 meses mostrou a otimização de seus parâmetros metrológicos e do tipo de indicação selecionado. O desempenho do diagnóstico aumentou acentuadamente, especialmente em dispositivos que estão em uso há mais de 5 a 7 anos, e tornou-se possível diagnosticar precocemente defeitos associados à deterioração gradual dos capacitores de óxido. Não houve necessidade de troca das baterias da sonda nesse período. A faixa de valores ESR monitorados da sonda pode ser expandida para resistências mais baixas, aumentando a corrente através do capacitor que está sendo testado. Para fazer isso, você precisa substituir o chip DD1 por um KR1554TLZ, que aumentará a corrente de saída do gerador reduzindo a resistência do resistor R3. Basta utilizar apenas um elemento do microcircuito no gerador, conectando sua saída à esquerda, conforme diagrama, saída do resistor R3. Conecte as entradas dos elementos não utilizados (pinos 4, 5, 9, 10, 12, 13) a um fio comum. A corrente consumida pelo dispositivo aumentará. Desta forma, você pode reduzir o limite inferior do controle ESR para 0,5...1 Ohm. Para cobrir a faixa recomendada de valores ESR, você terá que introduzir uma chave fim de curso usando dois resistores comutáveis em vez de um resistor R3. Você pode adicionar outra faixa de medição de capacitância usando a chave SA1 em três posições e adicionando outro capacitor semelhante a C1. Faixas recomendadas: 7...40 e 40...220 µF (frequência do oscilador - aproximadamente 2400 e 550 Hz). No modo de medição de capacitância, um sinal de frequência de áudio está presente nas pontas de prova do dispositivo. Pode ser usado para testar emissores acústicos ou para verificar o fluxo de sinal em amplificadores 3H. Literatura
Autor: R. Khafizov, Sarapul, Udmúrtia
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