"Ring tester" для индуктивностей

Автор: ejsanyo
Опубликовано 09.10.2025
Создано при помощи КотоРед.

Приветствую любителей аппаратной схемотехники. А любите ли вы делать свои импульсные блоки питания? Вот, к примеру, имеется у вас для такого блока самонамотанный импульсный трансформатор, или вы его купили на условном Алиэкспрессе - как узнать, хотя бы примерно, исправен ли он? Или ремонтируете подобный блок питания и хотите понять, уж нет ли проблем с его трансформатором? Первая мысль, конечно, взять и чем-нибудь померить индуктивность его обмоток. И сравнить с тем, что примерно должно быть. Да вот беда - всегда ли это помогает?

Как известно, моточным изделиям свойственна одна весьма подлая неисправность - межвитковое замыкание. Обмоточный провод, хоть и кажется порой совершенно лысым, на самом деле имеет изоляцию - он покрыт тонким слоем лака. И вот, если нам не повезло, в каком-либо месте эта изоляция получает повреждение. Не важно, каким образом - от механического удара, может, растрескается от старости или перегрева. Что при этом происходит? Чаще всего, соседние витки провода берут, да и замыкаются между собой. В результате чего, среди стройных рядов честных витков у нас заводится "предатель" - короткозамкнутый виток! Этот негодяй не желает участвовать в процессе трансформации энергии, но лишь бесполезно тратит её, превращая в токи имени мсье Фуко. Трансформатор греется, КПД падает. Более того, при достаточном перегреве, предательский виток имеет склонность вовлекать в своё грязное дело соседей, тогда трансформатор сгорает, и прибор жёстко выходит из строя.

В такой ситуации, если просто измерять индуктивность, то...один виток вклад в неё вносит не такой уж и существенный, особенно для высоковольтной обмотки, и разницу по сравнению с исправной катушкой можно не заменить, списав её на обычный разброс параметров. Так что в данном случае придётся брать на вооружение "ку-метр", или более научно, измеритель добротности. В самом деле, если что-либо вносит потери в катушку, добротность - это первый же параметр, на который они окажут влияние. Однако настоящие, метрологически нормированные измерители добротности - это приборы довольно-таки сложные, дорогие и есть не у всех. Во многих случаях, для предварительной оценки можно использовать и более простые приспособления. В частности, за рубежом часто используют схемы, называемые там "ring tester".

Что это такое, и причём здесь какой-то "ринг"?..

Проиллюстрируем общую идею:

Берём испытуемую катушку индуктивности, подключаем последовательно с ней хороший такой, качественный конденсатор с низкими потерями. Что у нас получается? Правильно, последовательный колебательный контур! Начинаем испытания, для чего вначале зарядим конденсатор контура как следует от источника ЭДС. Резистор нужен, чтобы ограничить импульс тока заряда на источник. После того, как наш голодный контур насосался энергии, быстро, решительно замыкаем ключ! Это действие тут же запускает процесс, известный как ударное возбуждение колебаний. Собственно, от названия процесса ("Звон" в колебательном контуре) и пошло название прибора.

Само собой, теория говорит нам, что амплитуда колебаний в таком контуре, затухая со временем, будет бесконечно стремиться к нулю. Но мы можем задать определённый порог и считать, что если амплитуда колебаний его не превысила, то их и нет вовсе. Так что теперь, если мы посчитаем колебания, то получим то самое число попугаев, характеризующее добротность контура. Чем число больше, тем контур добрее добротнее. А если где-то в обмотке есть короткозамкнутый виток, то он тут же подавит число колебаний, в большинстве случаев, до нуля, и это сразу будет видно.

Отметим, что таким образом можно оценивать потери не только в индуктивности, но и в ёмкости, составляющей контур. По крайней мере, если конденсатор неполярный. Для этого берём качественную "звонкую" катушку в качестве образцовой, и вуаля, теперь чем больше "рингов", тем в большей степени испытуемый кондёр - кандидат на установку в тёплый ламповый хай-энд усилитель.

Где-то мы всё это раньше видели...

Ещё бы, конечно же видели. Вот, например, одна из простых реализаций с более подробным описанием теоретической части. Там показано, что при определённых условиях подобный тестер даже может измерять настоящую добротность, а те просто "ринги". Популярны несложные коробочки под названием "Blue Ring Tester". Но в данном случае "источником вдохновения" для проекта послужила статья и видео чешского коллеги с ником DiodeGoneWild.

Он ставил задачу сделать максимально простое устройство, так что практически всё реализовал на одном контроллере ATTiny24. Но вот пришла мысль: а можно ли сделать что-то подобное без контроллера, по крайней мере, если не сильно ограничиваться бюджетом? И во что тогда это выльется? Что-ж, попробуем. Для этого определим алгоритм, который должна реализовать схема:

1. Разомкнуть ключ, чтобы зарядить контур;
2. Резко замкнуть ключ. И в этот момент запустить подсчёт импульсов с выхода компаратора, подключенного к контуру;
3. Через определённый интервал, который мы будем считать достаточным для затухания колебаний даже в самом лучшем контуре, останавливаем счёт и запоминаем результат до следующего цикла измерений. Промежуточная память результатов значительно улучшает юзер экспириенс за счёт устранения истеричного мерцания индикации в момент подсчёта импульсов. Если доводилось пользоваться древними частотомерами, вроде Ч3-34, то вы поймёте, о чём это.
4. Ну и, собственно, отобразить на индикаторе сохранённый результат.

А вот итоговая схема тестера

Начнём с подключения испытуемых деталек. Катушка подключается в схему через пару пинов XP4. Контур с ней штатно будет образовывать конденсатор C11. Для этих целей все люди, кто разбирается в теме, рекомендуют брать полипропиленовые конденсаторы, а ещё лучше, фторопластовые. И в принципе правильно рекомендуют. Впрочем, практика показала, что в наше время можно взять и качественную керамику с низкими потерями, NPO или C0G. Так что внимательно относитесь к выбору данного конденсатора. Тем не менее, возможность использовать внешний кондёр, в том числе, для целей его испытания, в схеме также заложена - он подключается к пинам XP2. Если же мы хотим использовать распаянный на плате конденсатор, тогда замыкаем джампером пины XP3.

Теперь обратим свой взор в левый угол схемы. На таймере DA1 по более-менее типовой схеме собран задающий генератор временных интервалов для реализации описанного выше алгоритма. По факту это генератор прямоугольных импульсов с относительно малой скважностью. Логическая 1 открывает ключ, так что да, большая часть периода отведена на свободные резонансные колебания, а малая - на зарядку контура через R4...хотя не всё так просто, потенциал заряда задаётся делителем R4, R5! И потенциал этот составляет всего лишь около 0,1В. Почему так сделано? Ведь, казалось бы, разумнее залить в конур полные 5В и получить максимально возможный начальный размах колебаний?

А замысел, на самом деле, состоит в том, чтобы прибор можно было подключать к катушкам даже не отпаивая их от платы, просто подключая щупы параллельно. По крайней мере, в значительной части случаев. И, понятное дело, что схема устройства на время измерений должна быть обесточена и разряжена! Вспомним, что мешает таким образом проводить измерения вообще любых параметров? Чаще всего, это какой-нибудь полупроводниковый элемент, вроде силового ключа или выпрямительного диода, который так и норовит весьма некстати открыть свой pn-переход под действием приложенного потенциала и зашунтировать испытуемый компонент. Но если мы постараемся не превышать порог открывания, то он нам, в общем-то, помешать не должен. Для обычных pn-переходов такой порог составляет, как правило, 0,5...0,9В, у переходов Шоттки - чуть выше 0,2В. Конечно, и эта идея не наше собственное "ноу-хау", наш коллега из Чехии впоследствии доработал свою самоделку аналогичным способом и сделал соответствующее описание. Изначально он в качестве "компаратора" использовал просто вход контроллера (который, конечно, имеет некоторый порог срабатывания), но для работы с низким входным сигналом ему всё-таки пришлось для этих целей поставить нормальный чип. Но о компараторе позже.

Посмотрим теперь на ключ VT1, который замыкает цепь заряда, а заодно, и колебательный контур вместе с ней. Такой запредельно мощный его тип выбран, конечно же, ради минимального сопротивления ключа в открытом состоянии, чтобы минимизировать его вклад в потери энергии колебаний. Однако мощные MOSFET-ключи имеют и недостаток в виде очень большой входной ёмкость затвора. Так что либо нужно иметь приличную импульсную мощность выхода, управляющего этим входом, либо скорость, с которой открывается ключ, будет существенно ограничена скоростью перезарядки ёмкости затвора, и удар, возбуждающий колебания, будет уже не столь резким (транзистор будет открываться постепенно), что, возможно, снизит и число колебаний. Пойдём, пожалуй, вторым путём и поставим полноценный драйвер MOSFET-ов DD1.

Наконец, компаратор DA3. В качестве которого взят NE527 К554СА4, который считался довольно-таки быстродействующим для своего времени. Это имеет значение, поскольку контур с катушкой на ферритовом сердечнике может "зазвонить" на сравнительно высокой частоте. Чип имеет прямой и инвертированный выходы, что оказалось удобно для построения схемы. На время, пока контур заряжается, выходы на всякий случай блокируются по сигналам S. Подстройка порогового значения осуществляется подстроечником R9. Цепочка R7, C13 подавляет возможные радиочастотные наводки и в некоторой степени улучшает стабильность переключения компаратора. Но, как показали практические испытания, только одной её оказалось недостаточно.

Как многие знают, компараторы ранних лет разработки имеют проблемы со стабильностью переключения в районе порогового значения, что проявляется в высокочастотном "дребезге" на фронтах и срезах основных импульсов. К554СА4, увы, исключением не стал. Эти дребезговые импульсы присчитываются счётчиком к числу импульсов от резонансного контура, и вместо результата мы в итоге получаем полный бред. Пришлось принять следующие меры для устранения "дребезга":

1. Загнать положительную обратную связь через R14, создающую небольшой гистерезис переключения. Что характерно, благодаря наличию инверсного выхода стало возможным задействовать в обратной связи инвертирующий вход, не вмешиваясь в работу основного и, самое главное, не снижая его входного сопротивления.
2. Добавить дополнительную интегрирующую цепочку R15, C25, сглаживающую оставшиеся высокочастотные выбросы.

Для обеспечения работоспособности компаратора в области низких входных напряжений требуется не только питание 5В для цифровой части, но и двухполярное для аналоговой. Эту проблему решает DA2 MAX680, который представляет собой, условно говоря, конденсаторный преобразователь напряжения, который разработчики выдрали из своего же популярного драйвера MAX232. Он, можно сказать, создан для питания К554СА4, поскольку выдаёт практически номинальные для этого компаратора ±9В с подходящим током нагрузки. Единственный его недостаток, это, пожалуй, цена, за которую его продают в наше время.

Дальше всё относительно просто: DD4, DD5 это два последовательно включенных двоично-десятичных счётчика, которые подсчитывают импульсы. Два десятичных разряда на практике вполне достаточно для подсчёта импульсов даже самого "звонкого" контура. Для обеспечения быстродействия специально взяты чипы из серии 74ALS КР1533. Счётчики сбрасываются по входам R0 после размыкания ключа, одновременно с этим подсчитанное число импульсов переносится в запоминающий регистр DD7. Текущее содержимое регистра визуально отображают классические драйверы-дешифраторы DD8, DD9. Их выходного тока в несколько мА как раз нормально хватает для зажигания современных светодиодных "восьмёрок" с общим катодом. HD1 показывает десятки "рингов", HD2 - единицы.

Но не будем останавливаться на достигнутом и добавим некоторые шашечки дополнительные функции. Как насчёт сделать индикацию того, что катушка не подключена к схеме (контур разорван)? Это сразу поможет выявить внутренний обрыв или, скажем, проблемы со щупами. Для этой цели служит R6. Его номинал подобран с учётом входного сопротивления компаратора таким образом, чтобы при отсутствии катушки гарантировать срабатывание компаратора при любом выставленном пороговом уровне. Если катушка подключена, она, разумеется, своим низким сопротивлением сольёт смещение от R6 практически в ноль. Как это всё нам поможет обнаружить обрыв? Смотрите дальше: триггер DD3:1 запоминает состояние выхода компаратора, которое он принимает в самый начальный момент после замыкания ключа. Т.е., если катушка целая, колебания в этот момент только начинают процесс раскачивания, и на выходе компаратора должен быть ноль. Если там единица, значит, отрабатывает смещение через R6, а с целостностью контура есть проблемы. Как же показать наличие проблем, если они есть? Для этого единица, если её запомнил DD3:1, активирует входы R9 счётчиков - это принудительная установка их в состояние "все девятки". А заодно, через элемент DD2:3 в обоих индикаторах зажигаются точки. Вернее даже так: если неисправность есть, на выходе DD2:3 единица, которая не мешает гореть точкам, получая питание через R12, R13. Если всё хорошо, на выходе DD2:3 ноль, который гасит точки. Падение напряжения на открытых диодах VD1, VD2 ниже, чем на светодиодах точек, потому те и не горят. Таким образом, индикация обрыва выглядит как "9.9."

Чего бы ещё добавить, может, индикацию переполнения счётчиков? Чтобы видеть ситуацию, когда счётчик, досчитав до "99", следующим импульсом сбросился в ноль и пошёл считать по второму кругу. Скажете, зачем это нужно? Разумеется, чтобы обнаруживать некоторые проблемы с самим "ринг-тестером"! В частности, мне это помогло вовремя заметить проблемы с ложными импульсами компаратора. Для реализации этой фичи стоит триггер DD3:2, который сбрасывается в ноль в начале каждого цикла измерений, а устанавливается в единицу, если в DD5 произошёл переход с 9 в 0. Состояние DD3:2 через упомянутый DD2:3 опять таки зажигает точки на индикаторах. Запомните, горящие точки - плохо, негорящие - хорошо!

Ну и во имя красоты добавим, пожалуй, гашение незначащего нуля в старшем разряде индикации? Возьмём элемент DD6 и составим из него Вольтрона 4-входовой элемент ИЛИ. Таким образом, если на информационных входах DD8 будет полный ноль, то и на входе разрешения индикации будет ноль. DD6:3, оставшийся лишним для схемы, курит в сторонке.

Стоит упомянуть роль DD2:1, DD2:2. Они не только инвертируют сигнал управления, когда необходимо, но и создают задержку его распространения, благодаря чему элементы, принимающие его, отрабатывают в нужно последовательности, и заложенный алгоритм выполняется чётко.

И что, без контроллера раньше никто такие приборы не делал?

На самом деле тот же Боб Паркер, изобретатель оригинального "Blue Ring Tester-а", чуть позже сделал его версию без контроллера. По сравнению с данной конструкцией у него чуть сложнее и менее очевидна работа аналоговой части, значительно проще цифровая часть, поменьше функционал, наверно, ещё достаточный для своих целей. Но общий принцип действия, по сути, тот же самый. Выбирайте подход по вашему вкусу.

Как обычно, полный проект платы в Altium Designer 10 в конце статьи.

Плата подогнана под корпус G203C (Gainta). Там под платой, на самом деле, у меня прячется ещё самодельный блок питания на 5В.

Если присмотреться, видны нахлобученные поверх чипов элементы, о которых упоминалось выше о доработках по стабилизации работы компаратора. В выложенном проекте платы все эти изменения уже внесены в разводку. Потребление схемы составило чуть более 300 мА, но во многом потому, что часть чипов использовалась из классической ТТЛ серии К155. При использовании всей логики в ТТЛШ исполнении, или даже перепроектировав схему под КМОП, ток потребления можно несколько снизить. Не возбраняется также попробовать применить более современный компаратор. В качестве ещё одного направления по модернизации схемы можно назвать отдельную стабилизацию опорного напряжения для компаратора, что повысит повторяемость результатов и снизит влияние на них стабильности источника питания.

Не забудьте учесть, что провода и щупы, которыми будет подключаться индуктивность (или ёмкость), также вносят свои паразитные параметры в контур и могут существенно ухудшать его добротность, искажая результаты! Используйте для соединения качественные провода минимального сопротивления с минимально необходимой длиной. Оперативная подстройка порога компаратора может понадобиться, поэтому, возможно, переменный резистор не помешает вынести на переднюю панель. Или, по крайней мере, просверлить в корпусе отверстие для доступа к его движку.

Файлы:
Файлы проекта

Все вопросы в Форум.