Réparation alims à découpage: Mesurer la résistance équivalente série de condensateurs

[Yvan_Delaserge]

Bonjour à tous,

Au fil des années, j'ai quelques appareils équipés d'alimentations à découpage qui sont tombés en panne et que j'ai gardés, espérant pouvoir les réparer un jour. Ce jour est enfin arrivé. je viens de réparer coup sur coup quatre récepteurs satellite digitaux.
La panne était toujours la même: le vieillissement des condensateurs électrochimiques. Appelez ça de l'obsolescence programmée si vous voulez. Dans le cas des récepteurs satellite digitaux, la platine signal se comporte comme un ordinateur et refuse de booter si l'alim ne fournit pas les tensions correctes, comportant moins qu'un certain niveau de bruit (mauvais filtrage). Il s'agit d'alimentations multi-tension: 3,3V, 5V, 12V, 24 V et 30 V. Les deux dernières probablement pour les Varicaps des tuners.

Ce qui m'a permis de réparer ces alimentations, c'est un mesureur de résistance équivalente série que j'ai construit. Il permet de tester les condensateurs électrochimiques SANS les dessouder du circuit. C'est un gros avantage lorsque l'on sait que les alimentations à découpage de ces appareils sont câblées plutôt serré!

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[Yvan_Delaserge]

Le principe est simple: Il s'agit d'appliquer une impulsion aux bornes du condensateur préalablement déchargé et de mesurer la tension aux bornes de celui-ci.

Il existe un certain nombre de descriptions pour de tels appareils. Un mesureur de résistance équivalente série était disponible en kit au milieu des années 90, qui était proposé par une maison australienne, nommée Silicon Chip. Cet appareil n'est plus fabriqué actuellement. Le schéma se présentait ainsi:



Le principe est le suivant: Les transistors Q3, Q4 ou Q5 envoient une impulsion au condensateur à tester, à travers une résistance de 100 Ohms, 1 K ou 10 K. Cette impulsion ne peut pas dépasser 0,7 V car elle est limitée par les diodes D3 et D4. C'est ce qui permet de tester les condensateurs sans les dessouder du circuit. On travaille toujours avec des tensions inférieures au seuil de conduction des semi-conducteurs.

Pour ne pas détruire l'appareil de mesure, il faut toujours décharger le condensateur avant de le tester. En outre, le transistor Q6 se charge de le faire entre deux impulsions de mesure.

Si la résistance équivalente série du condensateur à tester était nulle, l'impulsion qu'on lui envoie serait parfaitement court-circuitée par celui-ci et on mesurerait une tension nulle à ses bornes. En revanche, si la résistance équivalente série est non nulle, on mesurera une tension non nulle aux bornes du condensateur, ce qui permettra de quantifier la RES.

[Yvan_Delaserge]

On voit que le montage est ancien. Le microcontrôleur est un Zilog. Il fallait ajouter une gestion de l'affichage externe et il n'y avait pas de convertisseur analogique-digital dans le microcontrôleur.

A l'heure actuelle, il est possible de remettre ce montage au goût du jour avec un Arduino. Il est facile de gérer un afficheur LCD et on dispose d'un convertisseur analogique-digital pour mesurer la tension qui subsiste aux bornes du condensateur lorsqu'on lui applique une impulsion.

Avec un Arduino, le prix de l'appareil de mesure devient dérisoire et le schéma devient beaucoup plus simple:



Il y a eu une discussion sur le forum Arduino il y a quelques années à ce propos et c'est là que j'ai trouvé ce schéma et que je l'ai modifié un peu.

Le principe est le même que celui du premier schéma, sauf qu'il n'y a que deux types d'impulsions: à travers une résistance de 100 ohms, ou une de 1 K. Mais on pourrait rajouter un troisième transistor comme sur le premier schéma. Les diodes limitant l'amplitude de l'impulsion sont ici des Schottky.

Mais de toutes manières, on va toujours s'arranger pour que la tension aux bornes du condensateur que l'on teste ne dépasse pas 200 mV, en sélectionnant automatiquement (par soft) d'envoyer une impulsion à travers 100 ohms ou 1 K.

[Yvan_Delaserge]

Les fabricants de l'appareil Silicon chip mentionné ci-dessus fournissaient aussi une table montrant les RES maximales admissibles pour un condensateur donné. La RES dépend à la fois de la capacité et de la tension de service du condensateur.
Heureusement, ces deux valeurs, ainsi que la polarité, figurent sur les boîtiers des condensateurs.



Tout cela date d'une vingtaine d'années. On peut espérer que les condensateurs que l'on trouve actuellement soient meilleurs...A moins qu'une nouvelle norme ROHS ne soit passée par là!

Il est facile avec ce tableau de sélectionner une capacité sur l'axe vertical, une tension de service sur l'axe horizontal et de voir dans la case correspondante la résistance équivalente série maximale admissible pour ce type de condensateur.
On voit qu'il ne va pas être possible d'utiliser cet appareil pour tester des condensateurs de moins de 1 uF. Il est facile de comprendre pourquoi: L'impulsion de mesure est très brève, mais elle charge quand même un peu le condensateur, ce qui s'oppose à l'établissement du courant et fausse la mesure de la RES vers une valeur trop élevée.
On voit aussi qu'il n'est pas utile de mesurer une RES supérieure à une vingtaine d'Ohms. Par contre, il est nécessaire de pouvoir mesurer des RES de l'ordre de 30 mOhms! On va y revenir.

Sur les condensateurs que j'ai dû changer dans les alims de mes récepteurs satellite, on peut mesurer une capacité diminuée ( 2 à 10 fois moins) et/ou une résistance équivalente série fortement augmentée (de l'ordre de 2 à 10 fois plus). Parfois une seule chose, parfois les deux.

Dans les deux cas, que ce soit une baisse de la capacité seule ou une augmentation de la RES seule, le condensateur est à changer. Il ne peut pas fonctionner correctement, surtout dans une alim à découpage.

A noter que l'aspect extérieur des dits condensateurs est absolument normal. Pas de gonflement, de traces de fuite d'électrolyte, etc.
Donc pour moi dorénavant, chaque fois qu'il va s'agir de réparer un appareil, la première chose à vérifier, ce sera la RES des électrolytiques de l'alimentation à découpage. Et ce sera vite fait, puisqu'il n'y aura même pas besoin de les dessouder du montage!

Un point intéressant: sur les platines "signal" des récepteurs satellite, on trouve aussi de très nombreux condensateurs électrolytiques. Mais ils sont toujours en bon état. La raison est facile à comprendre: Ils ne traitent qu'un courant presque continu, ou alors avec une très faible ondulation, puisque l'alim fournit à la platine signal, des tensions continues.
Par contre, les condensateurs de filtrage des alims à découpage sont, eux soumis à un bombardement constant, 60 000 fois par seconde, ce qui explique leur vieillissement rapide.

Lorsqu'un condensateur voit sa RES augmenter, il va s'échauffer, par effet Joule. Mais paradoxalement, l'échauffement tend à réduire la RES. On n'aura donc pas d'emballement avec explosion du condensateur. L'alim va démarrer un certain nombre de fois et le condensateur malade fonctionner tant bien que mal grâce à l'échauffement. Jusqu'au jour où la RES et/ou la capacité seront tombées à de telles valeurs à froid, qu'elles empêcheront l'alim de démarrer lorsque l'on tentera d'allumer l'appareil.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Yvan_Delaserge]

Abordons le software.

Nous sommes en présence d'un diviseur de tension.



U1 représente la tension de l'impulsion de mesure. Elle vaut 5 volts, moins la tension de saturation du transistor qui commute l'impulsion.
R1 représente la résistance en série avec le transistor de commutation. elle vaudra 100 Ohms ou 1 KOhm.
C et R2 représentent le condensateur en cours d'examen, Respectivement sa capacité et sa résistance équivalente série.
U2 représente la tension que l'on va lire avec le CAN de l'Arduino, avant de calculer la RES.

La capacité peut être ignorée tant que l'on a affaire à un condensateur de plus de 1 uF. Elle ne va pas influencer la mesure de U2.

La formule utilisée pour le calcul de R2 est la suivante:
R2 = R1 * U2 / ( U1 - U2)

Le soft est le suivant:

#include <LiquidCrystal.h>
#include <avr/eeprom.h>

//we have to change prescaler for the ADC to make the conversion happen faster this code section was sugested on the arduino forum
//
#define FASTADC 1    // defines for setting and clearing register bits
#ifndef cbi
#define cbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) &= ~_BV(bit))
#endif
#ifndef sbi
#define sbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) |= _BV(bit))
#endif

//define the input and output pin we will use

#define DISCHARGE_PIN 3
#define PULSE_HighRange_PIN 5
#define PULSE_LowRange_PIN 4
#define ESR_PIN A0
#define BUTTON_PIN 2

//function prototype
unsigned long measureESR(void);    //measuring function, increases ADC to 14-bit resolution by oversampling

//global variables
unsigned long esrSamples;
double milliVolts;
double esrCalib;
double vRef = 1.1;                //voltage on the Vref pin (this sketch uses internal voltage reference 1.1V)
double milliAmps = 1.4;         // (in mA) needed only for "Zeroing". Proper calibration can be done entering the right value for the milliAmps, (U=I*R).
double Rs = 100.0;               //proper calibration can be done entering the right value for Rs. Enter the value also in the "IF" branch! This is only the initialization of the Upper Range!
double Vin = 4900;
double Rm;
boolean esrRange = false;
int stabilizer = 0;

//idealy milliAmps is 50 mA, this condition is fufiled only if R10 is 100 Ohm, Vcc is exactly 5V and the transistor while fully saturated idealy is at 0 ohm.


LiquidCrystal lcd(13,12,11,10,9,8);    //this is my display setup, I'm using standard 4-bit control.

byte Omega[8] = {0b00000,0b01110,0b10001,0b10001,0b10001,0b01010,0b11011,0b00000};  //Omega special character
byte micro[8] = {0b00000,0b00000,0b10010,0b10010,0b10010,0b11100,0b10000,0b00000};  //micro sign

void setup(void)
{

  if (FASTADC)
    {
          sbi(ADCSRA,ADPS2); //seting prescaller to 32 for faster adc (500khz)
          cbi(ADCSRA,ADPS1); //at 500khz  results are still looking good (same values as if 250khz ADC clock)
          sbi(ADCSRA,ADPS0); // the shorter the pulse on a small value capacitor it has no time to charge and denaturate de result
    }

  pinMode(ESR_PIN, INPUT);                      //reading miliVolts
  pinMode(PULSE_HighRange_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(PULSE_HighRange_PIN,HIGH);       //low enables T1
  pinMode(PULSE_LowRange_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(PULSE_LowRange_PIN,HIGH);        //low enables T1'
  pinMode(DISCHARGE_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(DISCHARGE_PIN,HIGH);             //low disables T2
  pinMode(BUTTON_PIN,INPUT);                    //setting up for a button (will use this for zeroing)
  digitalWrite(BUTTON_PIN,HIGH);                //enabling the pull up on the button, when button pressed to the ground zeroes out the cable

  analogReference(INTERNAL);                   //setting vRef to internal reference 1.1V

  lcd.createChar (0, Omega);
  lcd.createChar (1, micro);
  lcd.begin(16,2);
  lcd.setCursor(0,0);
  lcd.print("ESR meter");
  lcd.setCursor(5,1);
  lcd.print("version 1.0");
  delay(500);

  eeprom_read_block((void*)&esrCalib, (void*)0, sizeof(esrCalib));   //reading calibration value, it will be ok if already calibrated, else it might be bogus depends on the content of EEPROM but will be ok after first calibration  
  lcd.clear();
}
//**************************************************************************************************************************

void loop(void)
{
      esrSamples = measureESR(); 
      milliVolts = (esrSamples * vRef) / 16.384;    //Divide by 16.384 due to a 14-bit oversampling
      milliVolts = esrSamples * vRef;
//        Rm = Rs / ((Vin / milliVolts) - 1);         //Voltage Divider (R2=R1(U2/(U1-U2)))
      Rm = milliVolts * Rs / (Vin - milliVolts);           
      
      Rm = Rm - esrCalib;                           //Compensate Cable Resistance
//      if (Rm < 0) Rm = 0;                           //Do not show eventual negative values
    
      if (stabilizer == 3) {                        //Make three measurements before autoranging the ESR. This is hysteresis to avoid oscillation when autoranging.
            if (Rm < 5.5) {
              Rs = 100.0;              //If needed, adjust this value for low range measurement (Below 6 Ohms)
              esrRange = false;
            }
            else if (Rm > 5.8) {
              Rs = 1050.0;                          //If needed, adjust this value for high range measurement (Above 6 Ohms and below 50 Ohms)
              esrRange = true;
            }
            stabilizer = 0;
            }
      lcd.clear();    
      lcd.setCursor(0,0);
      lcd.print("Vout = ");
      lcd.print(milliVolts);
      lcd.print("mV");
      lcd.setCursor(1,1);
        
      if (Rm <= 50){                                //If measurement is less than 50 Ohms show the result, otherwise show <OL> (Overload) on the display
            lcd.print("ESR = ");
            lcd.print(Rm,2);
            lcd.write(byte(0));
          }
      else {
            lcd.print("ESR = <OL>     ");
      }
    
      //for zeroing the cables, this can be quite a big resistance compared to the values we intend to measure
      //so it is a good idea to try to reduce in any way posible this influence (short cables, soldering the cables, etc)
    
      if(!digitalRead(BUTTON_PIN)){
            lcd.clear();
            lcd.print("Zeroing...");
            esrCalib = milliVolts/milliAmps;
            lcd.print(" done!");
            lcd.setCursor(0,1);
            eeprom_write_block((const void*)&esrCalib, (void*)0, sizeof(esrCalib));
            lcd.print("saved to EEPROM");
            delay(1000);
      }
    
}

//**************************************************************************************************************************
unsigned long measureESR()
{
  unsigned long accumulator = 0;
  unsigned int sample = 0;
  int i = 0;
// oversampling 256 times (for 14 bit is 4^(desiredResolution - ADCresolution) where is 4^(14-10) = 4^4 = 256)
  while ( i++ < 256 )
  {
            digitalWrite(DISCHARGE_PIN, HIGH);                 // discharge the capacitors
            delayMicroseconds(600);                            // discharge wait time
            digitalWrite(DISCHARGE_PIN, LOW);                  // disable discharging
            if (esrRange == false) {
                  digitalWrite(PULSE_LowRange_PIN,LOW);        // start milliAmps pulse
                  delayMicroseconds(5);                        // on the scope it appears that after enabling the pulse a small delay is needed for oscillations to fade away
                  sample = analogRead(ESR_PIN);                // read ADC value
                  digitalWrite(PULSE_LowRange_PIN, HIGH);      // stop milliAmps pulse
                }
            if (esrRange == true)  {
                  digitalWrite(PULSE_HighRange_PIN,LOW);       // start milliAmps pulse
                  delayMicroseconds(5);                        // on the scope it appears that after enabling the pulse a small delay is needed for oscillations to fade away
                  sample = analogRead(ESR_PIN);                // read ADC value
                  digitalWrite(PULSE_HighRange_PIN, HIGH);     // stop milliAmps pulse
            }
            accumulator += sample;                             // accumulate sampling values
  }
  esrSamples = accumulator >> 4;                               // decimate the accumulated result
  stabilizer ++;

  return sample;
}

Quelques commentaires:

Le soft vient directement du site Arduino. Il fonctionne bien.

Le procédé est similaire à celui du montage du circuit de Silicon Chip.
1) on applique 5 V en série avec la résistance Rs au condensateur à mesurer.
2) on mesure la tension aux bornes du condensateur.
3) On arrête d'appliquer 5 V (en série avec la résistance Rs).
4) on active Q2 pour décharger le condensateur.
Tout ceci se fait très rapidement, à 256 reprises, puis on fait une moyenne de la valeur trouvée pour la tension aux bornes du condensateur. Puis on calcule la RES et on l'affiche sur le LCD.

J'ai modifié quelques détails, comme par exemple le numéro des pins, pour l'adapter au shield que j'ai réalisé.

Il y avait aussi quelques questions que je me posais concernant la formule utilisée pour le calcul de R2.

Rm = Rs / ((Vin / milliVolts) - 1); ça, c'est la formule utilisée par l'auteur du programme pour le calcul de la RES du condensateur que l'on examine.
Rs est la résistance de 100 Ohms ou de 1 Kohm, précédemment nommée R1.
Vin est le voltage de l'impulsion appliquée au condensateur ( env. 5 Volts)
Mais le hic, c'est que dans son commentaire, il utilise une autre formule: //Voltage Divider (R2=R1(U2/(U1-U2)))
Qui équivaut à celle que j'ai citée au début de ce post: Rm = milliVolts * Rs / (Vin - milliVolts);

En fait, vérification faite, les deux formules sont équivalentes.

Un autre point qui m'a demandé un peu de réflexion: On a vu plus haut que les impulsions appliquées au condensateur en cours de mesure ne peuvent jamais dépasser 0,4 V, parce qu'elles sont limitées par les deux diodes Schottky D2 et D3. Donc en toute logique, on serait tenté d'adopter 0,4 V pour Vin.
Mais non! C'est bien 5 Volts qu'il faut utiliser. Cependant, comme on l'a vu, pour ne pas avoir des résultats faussés par les autres composants de l'alim, comme par exemple des redresseurs Schottky, U2 ne doit jamais dépasser 0,4 V, mais cette limitation doit être du seul fait du diviseur de tension formé par Rm et Rs. Il faut donc tenir compte de cela pour commuter Q1 ou Q1' de manière à sélectionner la bonne valeur de Rs (100 Ohms ou 1 K).

Le programme fait ça de la manière suivante: On mesure d'abord avec la résistance Rs de 100 Ohms. Si on trouve un résultat pour Rm supérieur à 5 Ohms, cela signifie que milliVolts sera supérieur à 238 mV. Dans ce cas, on va plutôt utiliser la résistance Rs de 1000 Ohms.
Et au cas où Rm est supérieur à 50 Ohms, on affiche " Overflow".

De toutes façons, comme on l'a vu, il n'est pas utile de mesurer des résistances supérieures à 50 Ohms.

Mais alors, dans ces conditions, peut-on renoncer purement et simplement aux deux diodes Schottky D2 et D3? Je préfère les laisser, pour éviter d'infliger un éventuel dégât à l'alim que j'essaie de réparer. Il sera toujours moins grave d'appliquer 0,4 V que 5 V, même à travers 100 Ohms.

[Yvan_Delaserge]

Pour améliorer la précision, on peut faire une mise à zéro. On met les deux pointes de touche en contact et on appuie sur le bouton-poussoir. L'Arduino calcule la valeur de résistance dans ces conditions, et il la stocke dans sa mémoire flash. La valeur reste ainsi disponible indéfiniment, sans qu'il y ait besoin de répéter la mise à zéro chaque fois que l'on branche l'appareil.
Cette valeur de résistance à vide est déduite de la valeur trouvée lors de chaque mesure. En réalité, la valeur est très faible, donc ça ne fait pas une grande différence.


Pour ceux qui ont comparé les deux schémas, celui de Silicon chip et celui avec l'Arduino, une différence fondamentale vous aura sauté aux yeux:
La tension mesurée aux bornes du condensateur à tester est directement appliquée à la borne A0 de l'Arduino, alors que dans le schéma de Silicon chip, le signal est amplifié par Q7 et Q8 avant d'être envoyé au microcontrôleur pour conversion analogique-digitale. Ces deux transistors apportent un gain de 20 environ.

Pour le groupe d'Arduinistes qui ont imaginé ce circuit, il était possible de faire l'économie de cette amplification avant la conversion A-D, en utilisant une technique appelée oversampling. Il s'agit de mesurer de nombreuses fois (ici 256 fois) puis de faire une moyenne. Pour ne pas être trop pénalisés en vitesse d'exécution du programme, ils ont aussi modifié les registres du microcontrôleur de manière à accélérer la conversion A-D. C'est l'objectif des lignes de code suivantes:

//we have to change prescaler for the ADC to make the conversion happen faster this code section was sugested on the arduino forum
//
#define FASTADC 1    // defines for setting and clearing register bits
#ifndef cbi
#define cbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) &= ~_BV(bit))
#endif
#ifndef sbi
#define sbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) |= _BV(bit))
#endif

et de celles-ci:

if (FASTADC)
    {
          sbi(ADCSRA,ADPS2); //seting prescaller to 32 for faster adc (500khz)
          cbi(ADCSRA,ADPS1); //at 500khz  results are still looking good (same values as if 250khz ADC clock)
          sbi(ADCSRA,ADPS0); // the shorter the pulse on a small value capacitor it has no time to charge and denaturate de result
    }

Personnellement, je ne trouve pas que ça fasse une grande différence.

En fait, après avoir fait quelques essais, je trouve que le gros problème avec ce montage, c'est qu'on arrive péniblement à mesurer des valeurs de 0,1 Ohm et moins. Or, c'est indispensable de pouvoir le faire pour pouvoir contrôler les condensateurs de plus de quelques centaines de uF ( voir table ci-dessus): C'est là qu'est la limitation, plutôt que de mesurer les condensateurs de faible capacité, comme ce qui est dit dans les commentaires du soft.

Et la cause de cette limitation est facile à comprendre. En utilisant la résistance Rs de 100 Ohms pour mesurer un électrochimique présentant une RES de 0,1 Ohms, le convertisseur analogique-digital ne " voit" que 5 mV. C'est peu. Conclusion: Il faut obligatoirement amplifier le signal avant de l'envoyer au convertisseur analogique-numérique.

C'est ce que je suis en train de faire en ce moment. Je vous tiendrai au courant des résultats.

[Yvan_Delaserge]

L'amplificateur qui va attaquer le CAN doit être rapide. L'arduino par l'intermédiaire des transistors Q1 et Q1' va envoyer au condensateur en cours de test, des impulsions d'environ 0,05 msec toutes les 0,6 msec. Un ampli op bon marché ne va pas être assez rapide. J'ai donc repris le schéma du message #2. Le signal de sortie présente un offset et la partie horizontale des créneaux ne l'est pas tout-à-fait. Mais comme la mesure par le CAN de l'Arduino va se faire toujours au même endroit des créneaux de sortie, ce n'est pas un problème.
Le gain en voltage du circuit est de 35. L'offset est de 23 mV.

La référence du CAN de l'Arduino est laissée à la valeur par défaut: 5 V. Le CAN peut numériser cette tension en 1024 pas de 4,88 mV.

En pratique, compte tenu de l'amplification et de l'offset, on va pouvoir appliquer au condensateur en cours de test une tension maximale de 116 mV (4060 mV x 35). Pourquoi 4060 mV et pas 5000? Parce qu'il y a la tension de déchet du transistor Q1, respectivement Q1'.
Et la plage de tensions comprise entre 0 et 23 mV ne sera jamais utilisable par le CAN, car la tension de sortie de l'ampli ne sera jamais inférieure à cette valeur.
Mais en contrepartie, on pourra mesurer des résistances inférieures à 0,1 Ohm sur la gamme basse.
La commutation entre les deux gammes de mesure se fait aux alentours de 2 Ohms. La gamme haute mesure jusqu'à 25 Ohms. On arrive donc bien à ce qui était désiré.

[Yvan_Delaserge]

Voici le soft modifié de la manière appropriée, avec les commentaires qui vont bien.

#include <LiquidCrystal.h>
#include <avr/eeprom.h>

//we have to change prescaler for the ADC to make the conversion happen faster this code section was sugested on the arduino forum
//
#define FASTADC 1    // defines for setting and clearing register bits
#ifndef cbi
#define cbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) &= ~_BV(bit))
#endif
#ifndef sbi
#define sbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) |= _BV(bit))
#endif

//define the input and output pin we will use

#define DISCHARGE_PIN 3
#define PULSE_HighRange_PIN 5
#define PULSE_LowRange_PIN 4
#define ESR_PIN A0
#define BUTTON_PIN 2

//function prototype
unsigned long measureESR(void);    //measuring function, increases ADC to 14-bit resolution by oversampling

//global variables
unsigned long esrSamples;
double gainAmpli=35;              // c'est le gain de l'ampli qui précède le CAN
double offsetAmpli=23.1;          // c'est l'offset en millivolts de l'ampli qui précède le CAN. C'est la valeur de Vout lorsque les probes de l'appareil sont connectées directement l'une à l'autre
double milliVolts;
double esrCalib;
//double vRef = 1.1;                //voltage on the Vref pin (this sketch uses internal voltage reference 1.1V)
double vRef = 5;                //the default analog reference of 5 volts (on 5V Arduino boards)
double milliAmps = 49;         // (in mA) needed only for "Zeroing". Proper calibration can be done entering the right value for the milliAmps, (U=I*R).
double Rs = 100.0;               //proper calibration can be done entering the right value for Rs. Enter the value also in the "IF" branch! This is only the initialization of the Upper Range!
double Vin = 4900;
double Rm;
boolean esrRange = false;
int stabilizer = 0;

//idealy milliAmps is 50 mA, this condition is fufiled only if R10 is 100 Ohm, Vcc is exactly 5V and the transistor while fully saturated idealy is at 0 ohm.


LiquidCrystal lcd(13,12,11,10,9,8);    //this is my display setup, I'm using standard 4-bit control.

byte Omega[8] = {0b00000,0b01110,0b10001,0b10001,0b10001,0b01010,0b11011,0b00000};  //Omega special character
byte micro[8] = {0b00000,0b00000,0b10010,0b10010,0b10010,0b11100,0b10000,0b00000};  //micro sign

void setup(void)
{

  if (FASTADC)
    {
          sbi(ADCSRA,ADPS2); //seting prescaller to 32 for faster adc (500khz)
          cbi(ADCSRA,ADPS1); //at 500khz  results are still looking good (same values as if 250khz ADC clock)
          sbi(ADCSRA,ADPS0); // the shorter the pulse on a small value capacitor it has no time to charge and denaturate de result
    }

  pinMode(ESR_PIN, INPUT);                      //reading miliVolts
  pinMode(PULSE_HighRange_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(PULSE_HighRange_PIN,HIGH);       //low enables T1
  pinMode(PULSE_LowRange_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(PULSE_LowRange_PIN,HIGH);        //low enables T1'
  pinMode(DISCHARGE_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(DISCHARGE_PIN,HIGH);             //low disables T2
  pinMode(BUTTON_PIN,INPUT);                    //setting up for a button (will use this for zeroing)
  digitalWrite(BUTTON_PIN,HIGH);                //enabling the pull up on the button, when button pressed to the ground zeroes out the cable

//  analogReference(INTERNAL);                   //setting vRef to internal reference 1.1V
  analogReference(DEFAULT);
  
  lcd.createChar (0, Omega);
  lcd.createChar (1, micro);
  lcd.begin(16,2);
  lcd.setCursor(0,0);
  lcd.print("ESR meter");
  lcd.setCursor(5,1);
  lcd.print("version 1.0");
  delay(500);

  eeprom_read_block((void*)&esrCalib, (void*)0, sizeof(esrCalib));   //reading calibration value, it will be ok if already calibrated, else it might be bogus depends on the content of EEPROM but will be ok after first calibration  
  lcd.clear();
}
//**************************************************************************************************************************

void loop(void)
{
      esrSamples = measureESR();
     //la valeur de esrSamples va de 160 lorsque les probes sont directement connectées
     //à 978, lorsqu'elles sont déconnectées et en l'air 
      milliVolts = (esrSamples * vRef/gainAmpli) - offsetAmpli; 
      //on compense pour le gain de l'ampli qui précède le CAN et pour l'offset de l'ampli
      

      Rm = milliVolts * Rs / (Vin - milliVolts);           
      
      Rm = Rm - esrCalib;                           //Compensate Cable Resistance
      if (Rm < 0) Rm = 0;                           //Do not show eventual negative values
    
      if (stabilizer == 3) {                        //Make three measurements before autoranging the ESR. This is hysteresis to avoid oscillation when autoranging.
            if (Rm < 1.8) {
              Rs = 100.0;              //If needed, adjust this value for low range measurement (Below 6 Ohms)
              esrRange = false;
            }
            else if (Rm > 2.1) {
              Rs = 1250.0;                          //If needed, adjust this value for high range measurement (Above 6 Ohms and below 50 Ohms)
              esrRange = true;
            }
            stabilizer = 0;
            }
      lcd.clear();    
      lcd.setCursor(0,0);
      lcd.print("Vout = "); 
      lcd.print(milliVolts);
      lcd.print("mV");
      lcd.setCursor(1,1);
        
      if (Rm <= 25){                                //If measurement is less than 50 Ohms show the result, otherwise show <OL> (Overload) on the display
            lcd.print("ESR = ");
            lcd.print(Rm,2);
            lcd.write(byte(0));
          }
      else {
            lcd.print("ESR = <OL>     ");
      }
    
      //for zeroing the cables, this can be quite a big resistance compared to the values we intend to measure
      //so it is a good idea to try to reduce in any way posible this influence (short cables, soldering the cables, etc)
    
      if(!digitalRead(BUTTON_PIN)){
            lcd.clear();
            lcd.print("Zeroing...");
            esrCalib = milliVolts/milliAmps;
            lcd.print(" done!");
            lcd.setCursor(0,1);
            eeprom_write_block((const void*)&esrCalib, (void*)0, sizeof(esrCalib));
            lcd.print("saved to EEPROM");
            delay(1000);
      }
    
}

//**************************************************************************************************************************
unsigned long measureESR()
{
  unsigned long accumulator = 0;
  unsigned int sample = 0;
  int i = 0;
// oversampling 256 times (for 14 bit is 4^(desiredResolution - ADCresolution) where is 4^(14-10) = 4^4 = 256)
  while ( i++ < 256 )
  {
            digitalWrite(DISCHARGE_PIN, HIGH);                 // discharge the capacitors
            delayMicroseconds(600);                            // discharge wait time
            digitalWrite(DISCHARGE_PIN, LOW);                  // disable discharging
            if (esrRange == false) {
                  digitalWrite(PULSE_LowRange_PIN,LOW);        // start milliAmps pulse
                  delayMicroseconds(5);                        // on the scope it appears that after enabling the pulse a small delay is needed for oscillations to fade away
                  sample = analogRead(ESR_PIN);                // read ADC value
                  digitalWrite(PULSE_LowRange_PIN, HIGH);      // stop milliAmps pulse
                }
            if (esrRange == true)  {
                  digitalWrite(PULSE_HighRange_PIN,LOW);       // start milliAmps pulse
                  delayMicroseconds(5);                        // on the scope it appears that after enabling the pulse a small delay is needed for oscillations to fade away
                  sample = analogRead(ESR_PIN);                // read ADC value
                  digitalWrite(PULSE_HighRange_PIN, HIGH);     // stop milliAmps pulse
            }
            accumulator += sample;                             // accumulate sampling values
  }
  esrSamples = accumulator >> 4;                               // decimate the accumulated result
  stabilizer ++;

  return sample;
}

[Yvan_Delaserge]

quelques photos de la réalisation pratique:

L'ampli a été fait dans un deuxième temps. Je l'ai monté sur la platine initiale comme ceci:

[Yvan_Delaserge]

Et pour faire le "shield", j'ai utilisé une platine d'expérimentation de type courant.
Le seul problème est que les connecteurs de l'Arduino sont espacés normalement, de 2,54 mm d'un côté de la platine, mais pas de l'autre côté! Sans doute pour éviter qu'un shield ne puisse être connecté à l'envers. Un des espaces de cette rangée, mesure une fois et demie 2,54 mm. Voir photo.
J'ai contourné le problème en découpant une partie de la plaque d'expérimentation, qui ensuite a été consacrée uniquement à l'affichage et n'a besoin que d'un fil d'alim 5 V.

Pour pouvoir souder les picots à la plaque d'expérimentation simple face, j'ai utilisé le système que vous pouvez voir sur la photo.



Donc en conclusion, voilà un appareil qui vous permettra de gagner beaucoup de temps lors de la réparation de tout circuit comportant des électrolytiques, particulièrement les alimentations à découpage, et ce, pour moins de 10 Euros.

[Yvan_Delaserge]

Montage superposé des 3 platines: affichage, shield et Arduino

[Yvan_Delaserge]

et l'appareil terminé dans son boîtier

[Yvan_Delaserge]

J'ai trouvé sur le Web une autre description de mesureur de Résistance équivalente série de conception nettement moins sophistiquée. C'est ici:

Le schéma du circuit est le suivant:



U1A est un oscillateur à environ 60 KHz, qui envoie un signal faible impédance d'environ 0,5 V d'amplitude au condensateur à tester.
Le principe est l'inverse de celui du schéma à Arduino: Un bon condensateur, avec faible ESR, laissera passer un maximum de signal vers l'ampli U1B. L'affichage se fait sur un vu-mètre.

[Yvan_Delaserge]

J'ai modifié un peu le schéma:



L'alimentation se fait non pas par une pile de 9V, mais par un petit adaptateur 220V-14V comme ceux que l'on trouve sur le Web pour un prix inférieur à celui d'une pile 9V.
Comme l'adaptateur fournit une tension déjà stabilisée, on peut travailler directement à 14V. Et surtout, le jour où a besoin de l'appareil, on est sûr que la pile ne sera pas à plat!

J'ai utilisé ce circuit pour avoir une échelle telle qu'elle permette de voir en détail ce qui se passe en-dessous de 1 ohm. Il s'agit de régler R8, qui est un modèle 10 tours, pour avoir une déviation du vu-mètre exactement à pleine échelle lorsque les bornes "test leads" sont reliées directement l'une à l'autre, ce qui correspond donc à 0 ohms.

[Yvan_Delaserge]

Le circuit et l'alim dans la boîte.

SAM_5036.JPG

On distingue à gauche le petit adaptateur 220-14 V.

[Yvan_Delaserge]

Pour étalonner l'échelle du vu-mètre, j'ai simplement recouvert l'échelle existante avec une étiquette auto-collante et en connectant en série des résistances 0,1 Ohms, j'ai reporté les valeurs sur l'étiquette avec un crayon.

[invite5637435c]

Bonsoir,

je salue le travail fait, même si vous savez ce que je pense des arduino

Par contre j'aurai quelques remarques qui pourraient faire évoluer votre maquette.
Lorsqu'on veut mesurer une résistance série, il est préférable d'utiliser un générateur de courant plutôt qu'un générateur de tension.
Et pour le traitement de votre ADC (le CAN étant dédié au bus du même nom mieux vaut éviter les confusions ) vous pourriez opter pour une référence de tension de précision comme référence de calcul, aujourd'hui ça ne coûte plus rien par contre ça améliorerait nettement votre précision.
Par exemple une référence de 4.096V, ça tombe juste pour les divisions c'est fait pour et ça allège le code, ce qui n'est pas négligeable en temps de traitements.

Salutations.

[elektrax]

bonjour,
pour le systeme à ne5532/tl062, quelles sont les caractéristiques de T1 : diametre du fil ? 400 /20 = nombre de tours ? diametre du pot ferrite ?
je préfere le syteme à arduino : si on ajoute le préampli comment le connecter au adc du arduino ?
merci

[Yvan_Delaserge]

Bonsoir,

je salue le travail fait, même si vous savez ce que je pense des arduino

Par contre j'aurai quelques remarques qui pourraient faire évoluer votre maquette.
Lorsqu'on veut mesurer une résistance série, il est préférable d'utiliser un générateur de courant plutôt qu'un générateur de tension.
Et pour le traitement de votre ADC (le CAN étant dédié au bus du même nom mieux vaut éviter les confusions ) vous pourriez opter pour une référence de tension de précision comme référence de calcul, aujourd'hui ça ne coûte plus rien par contre ça améliorerait nettement votre précision.
Par exemple une référence de 4.096V, ça tombe juste pour les divisions c'est fait pour et ça allège le code, ce qui n'est pas négligeable en temps de traitements.

Salutations.

Bonjour Hulk et merci pour ces suggestions.

Dans la description du circuit original, Q3, Q4 et Q5 sont décrits comme des générateurs de courant.

J'interprète cette affirmation comme une approximation de générateur de courant, justifiée par le fait que
1) les résistances en série avec les 3 transistors sont de valeur élevée en comparaison de la résistance équivalente série que l'on cherche à mesurer.
2) les impulsions sont de très courte durée. Malgré cela, il ne faut pas espérer mesures la RES de condensateurs de moins de 1 uF.

Merci pour les références de tension ultra-précises. Je ne connaissais pas leur existence. J'en ai vu à $ 2,88, port compris. C'est vrai que ce n'est pas cher.

[Yvan_Delaserge]

bonjour,
pour le systeme à ne5532/tl062, quelles sont les caractéristiques de T1 : diametre du fil ? 400 /20 = nombre de tours ? diametre du pot ferrite ?
je préfere le syteme à arduino : si on ajoute le préampli comment le connecter au adc du arduino ?
merci

Hello Elektrax.

Pour le transfo, j'ai utilisé un composant qui traînait par là. Il s'agit d'abaisser le voltage fourni par l'oscillateur d'un facteur de 10 environ. On part de 5 V, et on obtient 500 mV. Il s'agit de rester en-dessous du seuil de conduction des diodes. J'avais aussi fait des essais avec des petits transfos comme ceux que l'on trouvait dans les étages de sortie audio des radios à transistors il y a quelques années. Certains marchent bien, d'autres moins. Surtout à 60 KHz. Il vaut mieux faire l'essai avec un générateur et un oscilloscope.

Il faut intercaler le préampli à l'endroit marqué d'une crois, c'est-à-dire juste avant l'entrée du CAN de l'Arduino.

Pour l'instant, je vais en rester là. J'ai deux appareils qui fonctionnent bien.

Mais si je devais construire maintenant quelque chose, je verrais bien un circuit hybride entre les deux montages, ce qui permettrait une simplification à la fois du hardware et du software.
Il s'agirait d'utiliser la fonction TONE de l'Arduino pour lui faire générer un signal carré à 60 KHz. On réduit la tension de ce signal avec un transfo et on utilise les deux amplis op en cascade pour obtenir deux gammes de mesure: 0 à 1 Ohm et 1 Ohm à 20 Ohms, en envoyant le signal de sortie redressé de chacun des deux amplis op à deux entrées analogiques de l'Arduino. Le soft sélectionne la gamme de mesure.

[invite5637435c]

J'interprète cette affirmation comme une approximation de générateur de courant, justifiée par le fait que
1) les résistances en série avec les 3 transistors sont de valeur élevée en comparaison de la résistance équivalente série que l'on cherche à mesurer.
2) les impulsions sont de très courte durée. Malgré cela, il ne faut pas espérer mesures la RES de condensateurs de moins de 1 uF.

Idéalement il faudrait un générateur de courant constant pour avoir une rampe de charge bien linéaire.

[Yvan_Delaserge]

On pourrait imaginer un générateur de courant constant en série avec chacun des trois transistors Q3, Q4 et Q5, en lieu et place des résistances R6, R8 et R10.
Le courant constant serait fixé par la résistance R.

[invite5637435c]

Je ne vois pas encore ta pièce jointe mais oui dans le principe le résultat serait bien meilleur, surtout pour les petites valeurs.
@+

[elektrax]

bonjour,
le post datant du milieu 2016, je souhaiterai connaitre la version ide arduino qui contient la bonne version de la biblio eeprom, sur le ide 1.8.4 j'ai EEPROM.h dans hardware/avr/libraries, même si çà compile sans erreur quand je remplace eeprom.h par EEPROM.h, vu que je n'ai pas construit le hardware, aucune idée si cette biblio convient ?
Merci
lcmetre condos/selfs, epemag juin 2018 a adapté la méthode a base de lm311 sur arduino, systeme ingénieux inventé par Nick Heckt ( dcd 09/08/2015) en 1996, plusieurs versions vendues en kit ou montés sous la marque AADE, des dizaines de versions sur internet avec pic 16f84,628, etc.. je possede le kit aade "L/C meter II" avec pic 16c54 en version uveprom...

[invite5637435c]

systeme ingénieux inventé par Nick Heckt

Que nenni.
Le principe utilisé dans ce petit montage est bien connu depuis fort longtemps, Nick Heckt n'a rien inventé du tout, il a juste mis en pratique un principe physique tout simple c'est très différent de l'invention.
Il faut faire attention aux mots employés

[elektrax]

au temps pour moi concernant les inventeurs....qui n'en sont pas

[invite5cb86c95]

Bonjour. N'étant pas un grand specialiste de l'electronique, j'ai quand même pu suivre et assez bien comprendre le fonctionnement du montage. A l'exception de la partie Amplification du signal avant l'entrée au CAN de l'Arduino. Y a t il possibilité de faire un schéma de cette partie "Amplification" SVP ? Merci.

[Yvan_Delaserge]

Bonjour,
Je n'ai pas realise ce preampli. Pour mes besoins, le circuit fonctionne de maniere satisfaisante tel quel. Mais si je devais realiser un preampli, je pense que je commencerais par un circuit a ampli op de type courant, comme ceux que l'on utilise dans les preamplis audio.

[invite5cb86c95]

Bonjour,
Je n'ai pas realise ce preampli. Pour mes besoins, le circuit fonctionne de maniere satisfaisante tel quel. Mais si je devais realiser un preampli, je pense que je commencerais par un circuit a ampli op de type courant, comme ceux que l'on utilise dans les preamplis audio.

Donc la limitation concernant la mesure de condensateurs de quelques centaines de uF (resistance de 0,1 ohm et moins) est toujours là non?

Autre question : avec le recul quelle est votre préférence entre le montage basé sur l'Arduino et celui basé sur le TL072 ? Merci.

[Yvan_Delaserge]

Oui, pour le moment, les montages me satisfont. En general, je me sers plutot de celui avec l'Arduino.