Удивление
В список "Радиолюбительские проекты, которые удивили" внес еще 2 проекта, которые были описаны их авторами на форуме:
- Прецизионный вольтметр/мультиметр своими руками
- RLC Meter
Upd: раз появились вопросы по калибровке вольтметра, добавил ссылку на интересный проект калибратора:
- Самодельный ИОН на базе Linear LTZ1000 (на английском)
До прецизионного измерения напряжения я еще не дорос, а вот про измеритель RLC думал. Долгое время находился в ситуации, когда измерять индуктивности было совершенно нечем. Чаще всего под руку попадались индуктивности для импульсных источников питания, для их измерения приходилось собирать ключ на полевике, задействовать БП и осциллограф, вычисляя индуктивность по скорости нарастания тока. Что хорошо, одновременно можно было увидеть, при каком токе насыщается сердечник. Но малые индуктивности измерить таким способом нельзя. В результате я купил себе прибор UT603. Многие тогда советовали собрать самодельный измеритель RLC, он имел бы преимущества в виде более широкого диапазона измеряемых индуктивностей и емкостей, а также возможности измерения ESR. Тогда я возражал - зачем мне ESR? Стоит только озвучить какую-то мысль, как жизнь спешит показать, что ты не прав.
Друг за другом появились две ситуации, когда знать ESR не помешало бы. В первом случае я по дурости заложил в одно устройство стабилизаторы TPS7333 и TPS7350. Известно, что для LDO-стабилизаторов с устойчивостью обстоит значительно хуже, чем для обычных. Виной тому выходной каскад с ОЭ (или с ОИ), который имеет худшие частотные сфойства и высокое выходное сопротивление. Глубокую внутреннюю коррекцию делать нельзя, иначе ухудшится подавление пульсаций входного напряжения. Поэтому там балансируют на грани. На графике показана типичная диаграма Боде для интегрального стабилизатора. Для обеспечения устойчивости нужно, чтобы в точке пересечения АЧХ с линией единичного петлевого усиления сдвиг фаз не достигал 180 градусов. Или по-другому, наклон АЧХ не должен превышать 6 дБ на октаву.
Доминирующий полюс создается за счет внутренней частотной коррекции стабилизатора. Следом за ним идет полюс, создаваемый выходной емкостью и выходным сопротивлением стабилизатора. Два полюса друг задругом дают наклон 12 дБ на октаву. Если график пойдет под таким наклоном до пересечения с единичным усилением, устойчивости не будет. Спасает ситуацию то, что реальные конденсаторы имеют ESR. Вместе с емкостью ESR создает нуль на АЧХ, в результате ее наклон снова становится 6 дБ на октаву. Важно, чтобы такой наклон продолжался до пересечения с единичным усилением. Выше по частоте лежат другие полюса, самый близкий из них принадлежит регулирующему транзистору стабилизатора. Поэтому рано или поздно наклон опять станет 12 дБ на октаву. Видно, что если ESR будет ниже определенного значения (красная линия), нуль на АЧХ окажется после частоты единичного усиления - устойчивости не будет. Если ESR окажется выше определенного значения (синяя линия), нуль на АЧХ окажется слишком рано, следующий полюс окажется до частоты единичного усиления - устойчивости тоже не будет. Поэтому в datasheet и рисуют на графике зону устойчивости, с обеих сторон ограниченную заштрихованной областью, где стабилизатор будет генерить. Частотные свойства регулирующего транзистора зависят от тока коллектора (или стока), поэтому область устойчивости зависит от выхдного тока стабилизатора.
Конденсаторы, которые продаются на рынке, неизвестно какого производителя и неизвестно с каким ESR. Хотя, конечно, все танталы, по идее, имеют похожие значения ESR. В частности, case B 22 мкФ х 16 В должен иметь ESR порядка 600 мОм. На практике с ним стабилизатор 3.3 В генерил, в то время как стабилизатор 5 В был устойчивым. Впрочем, это логично, чем выше выходное напряжение, тем меньше петлевое усиление. Попробовал поставить последовательно с конденсатором резистор 1 Ом - все равно генерит, хоть по datasheet я попадал в зону устойчивости. Попробовал красивый SMD алюминиевый конденсатор - тоже генерит. И только с каким-то обычным алюминиевым конденсатором с помойки стабилизатор стал устойчивым. Все пришлось делать вслепую, а вот был бы измеритель ESR...
Вторая ситуация была связана с доработкой генератора прямоугольных импульсов. В нем уровни полок импульса формируются двумя регулируемыми стабилизаторами, выходы которых коммутируются на выход генератора быстродействующим ключом. Нагрузкой генератора может быть резистор 50 Ом. В результате стабилизаторы имеют нагрузку импульсного характера, их load transient response проявляется во всей красе. Вот эти переходные процессы и предстояло уменьшить. Не меняя самих стабилизаторов, сделать это можно только увеличением выходной емкости. Ситуация осложнялась тем, что дополнительные емкости нужно было где-то воткнуть на готовой плате, т.е. они не могли быть слишком большими. Помчался на рынок за керамикой максимальной емкости. Нашел 0805 Y5V 10 мкФ на 16 В. Поставил параллельно 4 шт. Эффект был меньше ожидаемого: виден резкий скачок напряжения из-за ESR, затем медленный спад из-за разрядки емкости. Такое впечатление, что ESR выше положенного, а емкость - ниже. Ну, с емкостью все понятно - у плохой керамики она сильно падает с напряжением. И вот опять, замерить этот эффект нечем - UT603 не позволяет подавать напряжение смещения на измеряемую емкость. Ради интереса заменил керамику танталом. Потрясающе! Тантал 10 мкФ ведет себя лучше, чем керамика 40 мкФ! Модные нынче полимерные конденсаторы с твердым электролитом вели себя еще лучше, жаль, корпуса у них круглые. Не имея приборов, чтобы как следует разобраться в ситуации, просто воткнул танталы 100 мкФ, чем проблема была решена.
Эти две ситуации заставили задуматься насчет самодельного измерителя RLC. Обязательное требование - возможность подачи напряжения смещения на измеряемый конденсатор, а также хорошо было бы иметь возможность подавать постоянный ток (причем немалый) в измеряемую катушку. Наверное, нет смысла встраивать регулируемый источник питания в сам измеритель, можно использовать внешний БП в связке с измерителем. Есть над чем подумать.