In circuit capacitor ESR 미터

전자회로에 문제가 생겨서 수리할 때 가장 많이 마주치는 사례가 캐패시터의 성능저하다.

특히 오래된 SMPS 가 문제를 일으킬 경우 거의 모든 경우에 캐패시터의 성능저하다. - 물론 스위칭 소자(BJT or MOS-FET) 손상을 제외한 경우..

기존의 LCR 미터를 캐패시터 측정(Rp Rs 등)에 쓸 수 있지만 정확한 측정을 위해 부품을 원래 회로와 분리해야 하는 단점이 있다.

이런 불편함을 줄이기 위해 기판에 장착된 상태에서 측정 할 수 있는 측정회로가 몇가지 있다.

그중에 "제대로" 작동 할 것 같은 회로를 하나 골랐다.

물론 아래 제시되는 회로 말고도 많은 회로가 있는데 여기서 중요한 것은 측정용 전원의 전압과 임피던스가 매우 낮아야 한다는 것이다. 다른 회로들도 있지만 실제로 낮은 임피던스의 측정용 전원을 쓰는 회로는 아래 XQ6FOD 의 설계 말고는 없다.

XQ6FOD 의 In circuit capacitor ESR

https://ludens.cl/Electron/esr/esr.html

Equivalent Series Resistance Meter

An Equivalent Series Resistance Meter Electrolytic capacitors are by far the electronic parts that suffer aging soonest. If you have any electronic equipment that over the years has degraded its performance, developed quirks, sometimes ending in complete f

ludens.cl

이외에도 XQ6FOD 루덴스는 오랜 경험에서 나온 해박한 지식으로 많은 자료를 제공하므로 다른 것들도 읽어볼 가치가 있다. 대표적으로 ARRL 핸드북(1999) 에 실린 SMPS 파워서플라이 제작 기사가 있다.

https://ludens.cl/Electron/PS40/PS40.html

Switching power supply

Build a 13.8V, 40A Switching Power Supply This compact and lightweight workhorse can power your whole station! By Manfred Mornhinweg, XQ2FOD This article was originally published (in a slightly modified form) in the QST magazine, December 1998 and January

ludens.cl

회로도는 아래 보인다.

원저자가 설명한대로 원리는 매우 간단하다.

1. 단순한 저항계이며 다만 기존의 저항계와 다른 점은 측정을 위해 교류전압을 사용한다.

2. 이 때 사용되는 교류전압은 약 0.2V 로 거의 대부분(특히 반도체) 소자의 순방향 전압 아래에 있다.

따라서 PCB 에 부착된 상태 그대로 ESR(등가직렬저항)을 측정 할 수 있다.

중요한 구성요소.

1. T1 변압기

페라이트 소재의 EI 코어로 고장난 SMPS 등에서 쉽게 회수 할 수 있다.

원저자는 400:20 이지만 내 경우 1차 와이어가 조금 두꺼운 편이라 400 회를 못 감고 300회를 감았다.

20:1 권선비를 고려할 때, 2차측은 15회가 된다.

OP 앰프의 출력저항을 고려하지 않는다면 5/20 = 0.25V 그리고 2차측의 기본 부하와 약간의 손실을 감안하면 원저자의 말대로 0.2V 부근이 될 것으로 생각된다.

2. 아나로그 미터

원저자는 매우 고감도의 50uA 미터를 쓴다.(100uA 만 해도 고감도 인데..) 미터의 감도는 크게 문제 되지 않는다. 어차피 OP AMP 에서의 출력이기 때문에.. 나의 경우 성능이 저하된 아나로그 멀티 미터의 회로를 들어내고 미터를 사용하였다.

3. TL062 OP-AMP

다른 OP-AMP 로는 원저자의 설계 범위 내에서 작동하지 않는다.

U1A 에서 발진주파수는 약 50~60KHz 부근인데 LM358 은 너무 느려서 작동하지 않는다.

이 프로젝트만을 위해서 062 를 주문하기 귀찮으므로 부품함에 있는 074(JFET Quad OP)를 쓰기로 한다.

072 와 062 는 특히 출력단에서 조금 다른 듯 싶다.(IC 내 출력 핀과 직렬 연결된 저항값이 062 가 더 낮음)

어쨌건 T1 에서의 최종 출력은 160mV 부근으로 측정되었고, U1B 에서의 피드백저항(증폭율)을 조정해야 했다.

※ 결과

잘 작동한다.

나의 경우 이미 LCR 미터가 있으므로 정확한 값을 측정할 필요는 없다.

다만, 디지털 LCR 미터의 경우 판독 속도가 너무 느려서 부품을 빠르게 "발라내기" 어렵다.

이 미터의 최대 범위를 약 10옴 범위에 오도록 조정했고, 부품 상자에 모아둔 "회수된" 캐패시터들 중에 손상되거나 성능이 저하된 캐패시터를 빠르게 찾을 수 있었다. 물론 실제 PCB 상에서도 부품이 부착된 상태로 정상적으로 측정했다.(제거 후 LCR 미터로 측정 해보면 거의 동일함)

단지, 이유는 모르겠으나 전해 캐패시터가 아닌 저용량 캐패시터는 1uF 근처에서 측정치가 너무 낮게 나온다.(0점 앞으로 이동, 지시치 상으로는 네거티브 저항), 회로 구조상 측정용 전원의 출력이 상승(어딘가에서 공진)한다고 생각되는데 나중에 작동 주파수를 변경해보든가 해야 할거 같다.

아래는 작업 사진.