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ESR-mètre analogique

Mis à jour : 10 avril 2024 | Publication : 23 octobre 2022 | Imprimer | Affichages : 2302

Depuis le temps que je me "frotte" à diverses alimentations en panne, et dont la cause bien souvent provient de condensateurs défectueux, il me fallait absolument un appareil capable de m'aider à vérifier leur bon état.
Cet instrument permet de mesurer la Résistance Série Equivalente (RSE) d'un condensateur sur la carte électronique (placée hors tension !) de l'appareil à contrôler ou après l'avoir dessoudé grâce à deux cordons de mesure équipés de grip-fils. Cette RSE varie bien entendu selon la valeur de chaque condensateur et trahit bien souvent leur vieillissement prononcé.

Principe de fonctionnement

Je n'ai rien inventé ici car après quelques recherches je me suis décidé à réaliser la version de George LYDECKER proposée par Elektor dans son numéro de Juillet/Août 2022 (page 70 et suivantes...). Je vous invite à lire cet excellent article pour toute information complémentaire quant à son fonctionnement détaillé.

	INFOS PROJET
Types de composants : CMS
Niveau : ◆◆◆◇◇
Temps de construction : env. 3 h
Coût : env. 95 €

Un oscillateur de type multivibrateur astable construit autour d'une porte inverseuse (Trigger de Schmitt) fournit un signal rectangulaire (rapport cyclique ~50%) d'une fréquence d'environ 120 KHz (mesurée sur mon exemplaire avec une alim. DC9V), attaquant ensuite les entrées des cinq portes restantes qui mises en parallèle établissent ainsi un générateur de courant constant. À partir de la Loi d'Ohm (R_C = U_C / I_C) et en mesurant la tension aux bornes du condensateur à tester (D.U.T.), il devient possible de déterminer la valeur de la résistance série interne de ce condensateur.
L'affichage de sa valeur RSE se lit sur un galvanomètre après amplification et mise forme du signal résultant de la mesure.

J'ai seulement effectué les quelques modifications mineures décrites ci-après :

remplacement de IC1 (74HC14 -> HEF40106BT)
remplacement de IC4 (LF356 -> TL071C)

ceci pour une simple raison de disponibilité dans mon stock personnel. Enfin j'ai aussi rajouté des condensateurs électrolytiques sur les points d'alimentation, à savoir :

C8 (100µF/35V) --> -4V5 et la masse
C9 (100µF/35V) --> +4V5 et la masse

ces deux condensateurs faisant office de réservoirs car j'ai constaté un dysfonctionnement de l'alimentation symétrique (composée de IC4, T1 et T2), notamment au niveau de T2 qui débitait et chauffait (> 40°C) anormalement, avec une forte consommation (> 140 mA). Le pont était alors déséquilibré (à cause de IC1 qui puise son alimentation entre le +4V5 et la masse) et depuis cette adjonction le fonctionnement du circuit d'alimentation est redevenu normal (< 20 mA), les températures n'excèdant plus celle ambiante.

remplacement de la résistance R26 (10k) par une résistance ajustable CMS (20k) pour pouvoir mieux équilibrer les tensions de sortie de l'alimentation symétrique.

Il est à noter que je n'ai pas corrigé mon circuit imprimé déjà fabriqué, j'ai simplement soudé les deux condensateurs par dessus au plus près des transistors de puissance.

Modification (Mars 2023)

Même si cet appareil fonctionne parfaitement bien, il lui manque cependant une petite fonctionnalité qui permette de mettre en évidence un condensateur présentant une fuite ou un court-circuit.
En effet avec pour certains modèles des valeurs ESR inférieures à l'ohm, il devient de fait compliqué de savoir si le condensateur analysé possède bien une très faible valeur ESR, ou s'il se trouve partiellement en court-circuit. C'est tout l'intérêt de la modification que je viens d'appliquer à mon exemplaire personnel. Pour ce faire je me suis un peu inspiré de la réalisation de Talino Tribuzio¹.

Dans le cas d'un condensateur présentant une fuite voire un court-circuit, le petit module d'extension permet de détecter une composante continue (totalement absente lors de l'anaylse d'un condensateur réputé bon) et ainsi d'allumer une LED rouge signalant ce défaut.

Pour réaliser cela, j'ai en tout premier lieu été contraint de remplacer le condensateur C2 (470nF) par un strap de liaison, ceci afin de pouvoir dériver une partie du signal résultant de la mesure vers un circuit d'analyse supplémentaire composé de deux AOP (IC4A et IC4B sur le nouveau schéma), et dont la sortie pilote un transistor NPN T3 (2N2222) qui se charge d'allumer la LED LD2 en cas de défaut avéré.
Le premier étage AOP (IC4A) amplifie le signal de mesure avec sa composante continue (β=47) alors que le second ne sert qu'à inverser la niveau de la tension continue détectée (β=1) afin de piloter correctement le transistor T3.

Le fait de supprimer le condensateur C2 ne permet plus d'isoler l'appareil lors de la mesure de condensateur présentant encore une charge potentiellement élevée. Il sera donc impératif, comme dans le cas d'utilisation d'un capacimètre par exemple, de préalablement décharger le condensateur à analyser, ceci évitant alors d'endommager l'ESR mètre. Ceci reste de toutes les façons toujours préférable lors de la mesure de tout condensateur, ce que je fais systématiquement.

Le circuit de détection se déclenche à partir d'une résistance de fuite d'environ 40Ω.

Le schéma modifié est visible en Figure 2, et l'implantation de ce petit module de détection d'erreur est visible en Figure 14, simplement fixé avec de la colle à chaud le long du coffret.
Je n'ai pas réalisé de nouveau circuit imprimé, ayant pour mon exemplaire opté pour une petite platine gigogne équipée de composants de type traversant.

[Edit : 24/03/2024]

À propos de l'alimentation de la LED "POWER" (LD1), celle-ci est alimentée depuis les points +4,5V/-4,5V au travers de deux résistances de 56 kΩ assemblées en série. J'ai choisi une LED bleue (tension de jonction : 2,64 V) haute luminosité que j'avais tout bonnement dans mes tiroirs. Du coup dans cette configuration et compte tenu que j'alimente exclusivement mon exemplaire avec une tension externe de +12V, le courant consommé par cette LED n'est que d'environ 80 µA ce qui suffit à l'illuminer de façon à indiquer la présence de la tension d'alimentation. Évidemment si vous utilisez d'autres types de LED (nécessitant en moyenne 5 à 10 mA) il vous faudra ajuster cette résistance série (j'en ai mis deux de 56 kΩ car je n'avais pas d'autre valeur sous la main...).

Le module de détection de court-circuit est fixé d'une part avec de la colle à chaud sur le flanc du coffret car il n'est pas possible en raison d'une piste présente sur la face inférieure du circuit principal de le percer au niveau des entretoises nylon, d'autre part grâce à une petite liaison en fil de cuivre soudé sur un des points du commutateur double circuit qui ne sont pas utilisés.
Attention donc à ce détail de conception.

L'alimentation symétrique +4,5V/-4,5V de l'AOP TL082 (IC4) se fait simplement par deux petits fils soudés respectivement sur les collecteurs des transistors T1 et T2, la masse du circuit additionnel se faisant via le fil noir soudé directement sur la masse (GND) du circuit principal. L'entrée du signal de ce module est reliée par l'intermédiaire du fil blanc visible sur la photo (voir Figure 14) qui est lui soudé directement sur la borne noire (TP2 "Measure").

Veuillez excuser mon imprécision lors de la rédaction originelle du descriptif de ce projet, il est vrai que pour moi qui en suit le concepteur tout est plus simple et clair.
Merci à Christian B qui se reconnaîtra et qui a attiré mon attention sur ce qui précède.

Schéma de principe

Circuit imprimé

Réalisation

Pour mettre en boîte cet instrument j'ai utilisé un coffret disponible dans mon stock. Il n'est certes pas super joli avec ses vis de fermeture apparentes, mais il rend service.

Finition

Pour concevoir la face avant j'ai fait appel à "Front Panel Express", et à l'excellent logiciel "Galva" écrit en Visual Basic par J.P. GANDER (F5BU) pour dessiner l'échelle du galvanomètre.

Étalonnage

Pour simplifier les choses, cet instrument fonctionne comme un ohmmètre et du coup, pour étalonner l'échelle graduée du Galvanomètre, il suffit d'utiliser des résistances de faibles valeurs (1% mini...) sur les points de mesure du D.U.T. pour marquer des repères, le dessin final étant réalisé avec "Galva" mentionné plus avant. J'ai ainsi pu définir des graduations jusqu'à 50 Ω ce qui est amplement suffisant pour un usage courant.