Измеритель иммитанса DER EE DE-5000 LCR (RLC, ESR) meter

Измеритель иммитанса — радиоизмерительный прибор, предназначенный для определения параметров полного сопротивления или полной проводимости электрической цепи. Позволяет измерять: ёмкость, индуктивность, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), эквивалентное параллельное сопротивление, d-factor, добротность, фазовый сдвиг.

Материал для предварительного чтения:

• Conrad Hoffman How to Check Aluminum Electrolytic Capacitors
• IET Labs Inc. LCR Measurement Primer
• Impedance, LCR, ESR meters
• About capacitance measurement with DVMs

Отказ от ответственности: автор не обладает радиотехническим образованием и может нести чушь.

Предисловие: Сломалась стиральная машина. Гарантия вышла. Вызвал мастера из авторизованного сервисного центра. Мастер оценил замену платы в 6 000 руб. Отказался. Сходил в магазин радиодеталей, купил пару конденсаторов за 12 руб. Заменил конденсаторы. Машина с тех пор (год) работает исправно.
Аналогично с компьютером: перестал включаться, заменил конденсатор в дежурке блока питания Thermaltake, теперь работает.

Электролитические конденсаторы не обладают выдающимся сроком службы (особенно при нагреве или в ВЧ схемах, где ESR работает на нагрев конденсатора), зато в изобилии встречаются в современной технике. Иногда неисправный конденсатор заметен визуально (вздутие), иногда нет. В зависимости от места применения критичным могут являться разные параметры конденсаторов: ёмкость, ESR, постоянный ток утечки. Например, в первичке блока питания (2x50Гц) важным будет ёмкость, а во вторичке (где частоты примерно на 3 десятичных порядка выше) электролитические конденсаторы будут выбираться из соображений приемлемого ESR, а не ёмкости. При высыхании электролитического конденсатора ESR может увеличится до уровня, когда прибор перестаёт исправно работать, но ёмкость (если измерять мультиметром) всё ещё будет соответствовать номиналу (или незначительно вырастет).

Итого захотелось «волшебный» прибор, тыкая которым в плату можно было бы узнать какие конденсаторы нужно менять.

Теория (осторожно, тут может быть чушь): Если через цепь построенную из идеальных резисторов пропустить ток, то падение напряжение будет пропорционально току. Собственно закон Ома: U = I*R.
Также можно подсчитать сопротивление цепи при последовательном подключении: R=R1+R2 и параллельном R=R1*R2/(R1+R2). То есть произвольной цепи из резисторов можно поставить в соответствие один эквивалентный резистор некоторого номинала. Или обратно: набрать нужный номинал из нескольких резисторов. Пример: чтобы получить сопротивление 11 Ом можно последовательно соединить два резистора номиналами 10 Ом и 1 Ом. А чтобы получить сопротивление 0.5 Ом можно параллельно подключить два резистора номиналом 1 Ом.

С реактивными элементами интересней: для постоянного тока идеальные конденсатор и катушка индуктивности будут выглядеть как обрыв цепи и проводник соответственно. А вот для переменного синусоидального тока будет не только линейная зависимость амплитуды напряжения от амплитуды тока, но и фазовый сдвиг тока от напряжения. Например, конденсатор будет заряжаться и разряжаться обратно в источник. То есть вместо одного параметра (сопротивление) получается два: отношение амплитуд напряжения к току и величина фазового сдвига.

Однако, если рассматривать синусоидальный ток некоторой фиксированной частоты, то можно использовать указанные выше формулы, если использовать комплексные числа, а вместо сопротивления использовать импеданс: в качестве действительной части положить активную (резистивную) нагрузку, а в качестве мнимой — реактивную (разность индуктивного и ёмкостного сопротивления). Отсюда, если цепь из резисторов можно заменить на один эквивалентный резистор, то цепь из резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности можно заменить на эквивалентную схему из двух элементов: сопротивления и конденсатора (или катушки индуктивности в зависимости от знака мнимой части импеданса). Если их соединить последовательно, то получается эквивалентная последовательная цепь. Аналогично строится эквивалентная параллельная цепь.

Кроме ёмкости и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) схему можно представлять в виде различных пар чисел, например:
— ёмкость и d-factor (отношение действительной (активной) части импеданса к мнимой (реактивной));
— индуктивность и q-factor (добротность, отношение мнимой части импеданса к действительной);
— ESR и угол фазового сдвига.
Вывести формулы для пересчёта одного в другое не составляет труда.

Реактивное сопротивление зависит от частоты синусоидального сигнала. Например, меандр можно мыслить (в силу преобразования Фурье) как сумму синусоидальных волн разной частоты. Поэтому меандр может потерять свою прямоугольную форму, если разные частоты будут по разному ослаблены. За счёт этого механизма RC фильтр (состоящий из сопротивления и конденсатора) отбрасывает высокие частоты и пропускает низкие.

Реальные электронные компоненты отличаются от идеальных: конденсаторы и катушки индуктивности кроме реактивного сопротивления обладают и активным. Ёмкость некоторых видов конденсаторов меняется при изменении частоты, переменного напряжения и постоянной составляющей напряжения. Эквивалентная цепь будет эквивалентной только для выбранной частоты. Для синусоидального тока другой частоты будет другая эквивалентная цепь. Измеритель LCR должен уметь измерять обе (активную и реактивную) составляющие комплексного импеданса и возможность проводить измерения при разной частоте. Дорогие стационарные приборы позволяют большее: строить развёртку по частоте, выбирать напряжение для тестирование и так далее.

Внутрисхемные измерения. Кремниевые диоды и транзисторы имеют относительно высокую потерю напряжение. Если проводить измерения при напряжении ниже, чем потеря напряжения на полупроводниках, то полупроводники будут выглядеть как разрыв цепи. В некоторых случаях это позволяет определить неисправность электролитического конденсатора без выпаивания. В некоторых не позволяет: представим себе 2 конденсатора подключенных параллельно, один с хорошим (низким ESR), другой с плохим (высоким ESR). Если их не разъединить, то измерения покажут ESR хорошего конденсатора.

Виды измерителей, которые попались на глаза:
— Стационарные приборы. Весьма дороги.
— Портативные измерители LCR с весьма насыщенно выглядящими платами. Вроде Agilen U1733C за $400. www.youtube.com/watch?v=Mp0n-Gu0aKk#t=185
— LCR на основе чипов Cyrustek ES51919/ES51920. По характеристикам не уступают предыдущей категории, но более доступны по цене, ибо всё запихнуто внутрь чипа. То есть плата почти пустая. www.youtube.com/watch?v=ji-UT7HJm0Q#t=527
— Пинцеты. Например НВ-12 (~4000 руб) или Smart Tweezers ST-5S (~$400).
— ESR измерители. Пример: MESR-100 ($50). Некоторые приборы в этой категории имеют защиту от заряженных конденсаторов.
— Тестеры на основе МК и схемы Маркуса. Дешевы (от $20).

Последние две категории во-первых, как правило, не позволяют выбрать частоту, во-вторых для тестирования используют не очень синусоидальный сигнал, как следствие тестируют не на какой-то определённой частоте, а на сумме гармоник.

Мне понравились характеристики чипа Cyrustek ES51919/ES51920 www.cyrustek.com.tw/spec/ES51920.pdf, на нём и остановился.
На этом чипе разные фирмы выпускают приборы в разных корпусах:
1. CEM DT-9935, Aktakom AMM-3035.
www.eevblog.com/forum/testgear/cheap-lcr-meter-cem-dt-9935/
Недостаток: не поддерживает четырёхпроводную схему измерения.

2. Mastech MS5308
www.eevblog.com/forum/testgear/mastech-ms5308-lcr-meter-with-esr-measurement-on-discount-at-the-moment/
Недостатки: здоровенный корпус, блок питания искажает показания, кнопка калибровки «спрятана».

3. UNI-T UT612, Tenma 72-10465
www.eevblog.com/forum/testgear/review-and-tear-down-of-uni-t-ut612-lcr-meter/
Недостатки: не поддерживает четырёхпроводную схему измерения, жалобы на углы обзора экрана.

4. V&A VA520/VA520B, Voltcraft LCR 300, PeakTech 2170, Axiomet AX-LCR42A, Aktakom AMM-3320, Kusam KM-520B
www.eevblog.com/forum/testgear/voltcraft-lcr-300-micro-review/
www.eevblog.com/forum/reviews/some-photos-from-a-peaktech-2170-teardown/

5. Lutron LCR-9184, Extech LCR200
www.eevblog.com/forum/repair/extech-lcr-200-repair/

6. IET, DER EE DE5000, Asita AS250, IET Labs DE-6000.
www.eevblog.com/forum/testgear/der-ee-de-5000-unboxing-and-teardown/
www.eevblog.com/forum/testgear/de-500-lcr-meter-oem/
www.eevblog.com/forum/testgear/der-de-5000-measurement-accuracy/
www.eevblog.com/forum/testgear/iet-de-5000-lcr-meter-in-uk/
www.youtube.com/watch?v=ji-UT7HJm0Q

Ценообразование на последний довольно интересное. Производится он тайваньской компанией DER EE. В Японию он поставляется под маркой производителя по цене 4,700 JPY akizukidenshi.com/catalog/g/gM-06264/
В других странах он продаётся под брэндом IET по $350. То есть наценка за брэнд IET составляет примерно 666%.

В итоге я заказал DER EE DE-5000 из Японии.

Инструкция: akizukidenshi.com/download/ds/deree/DE-5000_manu_en2p.pdf
Возможности:
Выбор частоты измерения: 100 / 120 / 1k / 10k / 100k Hz
Измерение переменным током: эквивалентное параллельное и последовательное сопротивление (ESR), ёмкость, индуктивность, d-factor, q-factor (добротность), фазовый сдвиг. Измерение сопротивления постоянным током.
Двойной экран: 19999/1999 отсчётов c подсветкой. Режим сортировки элементов. Калибровка. Относительные измерения.

Мне пришло в таком комплекте: DE-5000, TL-21, TL-22, пара оригами.

После распаковки имеем: сам измеритель DE-5000, пинцет TL-22, адаптер с крокодилами TL-21, щелочная (alkaline) батарейка 9v, инструкция на японском (ссылка на английскую инструкцию выше). В других комплектах поставки может быть: сетевой блок питания, guard TL-23, адаптер для подключения к ПК (USB) и диск с ПО.

Болты батарейного отсека вкручиваются в металлическую ответную часть, а не саморезами в пластик как у некоторых других производителей. По периметру есть паз в который входит крышка, а не просто прикладывается сверху. Есть резиновые вставки, чтобы прибор не скользил по столу. Откидная подставка имеет скос внизу, что позволяет её легко выставлять. У некоторых других производителей подцепить подставку затруднительно.

Адаптеры подключаются через слот. Слот поддерживает 5 контактов: +force и +sence (когда адаптер вставляется, двухсторонняя печатная плата адаптера раздвигает force и sence, один оказывается сверху платы, другой — снизу), аналогично -force, -sence и пятый — это guard.

Кнопки очень приятные, чувствуется когда кнопка нажата. В дополнение есть звуковая индикация о нажатии кнопки. Если нажата кнопка, которая в данном режиме неактивна, то будет двойной сигнал. Тоже весьма удобно.

Экран контрастный, при наклоне не инвертируется.

Подсветка равномерная

У пинцета force и sence соединяются в паре сантиметров от кончика. Тем самым погашаются паразитные ёмкости и сопротивления кабеля.

Адаптер с крокодилами имеет 5-ти проводное подключение, что погашает паразитное сопротивление разъёма и кабелей, но сами крокодилы не являются настоящими зажимами Кельвина, так как половинки крокодилов электрически соединены между собой. Поэтому я отдельно докупил за $5 зажимы Кельвина. У них половинки электрически изолированы друг от друга. По одной половине будет идти force, по другой sense. Такой способ подключения позволяет исключить из измерений сопротивление точки контакта зажима и радиокомпонента.


Ссылки на форум, где сверяли показания прибора со стационарным прибором за $6000 я указал выше. Также по указанным ссылкам можете увидеть фотографии и видео разборки.

Плюсы:
— Самый дешёвый вариант на чипе Cyrustek ES51919/ES51920 с отличными возможностями и точностью.
— Очень хорошее качество изготовления и внимание к мелочам. Не удивительно, что IET просит за него $350. IET на измерителях LCR собаку съели.
— Поддержка измерений по 4-м проводам.
Недостатки:
— Нет защиты от заряженных конденсаторов. Нужно внимательно разряжать конденсаторы перед измерением.
— Комплектный адаптер с крокодилами не очень удобен из-за коротких проводов. Провода легко меняются на длинные экранированные, а крокодилы на зажимы Кельвина.

PS: прошу прощения за качество фотографий.