Чем измерить емкость конденсатора

Как измерить емкость конденсатора своими руками

Конденсатор — элемент электрической цепи, состоящий из проводящих электродов (обкладок), разделённых диэлектриком. Предназначен для использования его электрической ёмкости. Конденсатор, ёмкостью С, к которому приложено напряжение U, накапливает заряд Q на одной стороне и — Q — на другой. Ёмкость здесь в фарадах, напряжение — вольтах, заряд — кулоны. Когда ток силой 1 А протекает через конденсатор ёмкостью 1 Ф напряжение изменяется на 1 В за 1 с.

Одна фарада ёмкость огромная, поэтому обычно применяются микрофарады (мкФ) или пикофарады (пФ). 1Ф = 106 мкФ = 109 нФ = 1012 пФ. На практике используются значения от нескольких пикофарад до десятков тысяч микрофарад. Зарядный ток конденсатора отличается от тока через резистор. Он зависит не от величины напряжения, а от скорости изменения последнего. По этой причине для измерения ёмкости требуются специальные схемные решения, применительно к особенностям конденсатора.

Обозначения на конденсаторах

Проще всего определить значение ёмкости по маркировке, нанесённой на корпус конденсатора.

Электролитический (оксидный) полярный конденсатор, ёмкостью 22000 мкФ, рассчитанный на номинальное напряжение 50 В постоянного тока. Встречается обозначение WV — рабочее напряжение. В маркировке неполярного конденсатора обязательно указывается возможность работы в цепях переменного тока высокого напряжения (220 VAC).

Плёночный конденсатор ёмкостью 330000 пФ (0.33 мкФ). Значение в этом случае, определяется последней цифрой трёхзначного числа, обозначающей количество нолей. Далее буквой указана допустимая погрешность, здесь — 5 %. Третьей цифрой может быть 8 или 9. Тогда первые две умножаются на 0.01 или 0.1 соответственно.

Ёмкости до 100 пФ маркируются, за редкими исключениями, соответствующим числом. Этого достаточно для получения данных об изделии, так маркируется подавляющее число конденсаторов. Производитель может придумать свои, уникальные обозначения, расшифровать которые не всегда удаётся. Особенно это относится к цветовому коду отечественной продукции. По стёртой маркировке узнать ёмкость невозможно, в такой ситуации не обойтись без измерений.

Вычисления с помощью формул электротехники

Простейшая RC — цепь состоит из параллельно включённых резистора и конденсатора.

Выполнив математические преобразования (здесь не приводятся), определяются свойства цепи, из которых следует, что если заряженный конденсатор подключить к резистору, то он будет разряжаться так, как показано на графике.

Произведение RC называют постоянной времени цепи. При значениях R в омах, а C — в фарадах, произведение RC соответствует секундам. Для ёмкости 1 мкФ и сопротивления 1 кОм, постоянная времени — 1 мс, если конденсатор был заряжен до напряжения 1 В, при подключении резистора ток в цепи будет 1 мА. При зарядке напряжение на конденсаторе достигнет Vo за время t ≥ RC. На практике применяется следующее правило: за время 5 RC, конденсатор зарядится или разрядится на 99%. При других значениях напряжение будет изменяться по экспоненциальному закону. При 2.2 RC это будет 90 %, при 3 RC — 95 %. Этих сведений достаточно для расчёта ёмкости с помощью простейших приспособлений.

Схема измерения

Для определения ёмкости неизвестного конденсатора следует включить его в цепь из резистора и источника питания. Входное напряжение выбирается несколько меньшим номинального напряжения конденсатора, если оно неизвестно — достаточно будет 10–12 вольт. Ещё необходим секундомер. Для исключения влияния внутреннего сопротивления источника питания на параметры цепи, на входе надо установить выключатель.

Сопротивление подбирается экспериментально, больше для удобства отсчёта времени, в большинстве случаев в пределах пяти — десяти килоом. Напряжение на конденсаторе контролируется вольтметром. Время отсчитывается с момента включения питания — при зарядке и выключении, если контролируется разряд. Имея известные величины сопротивления и времени, по формуле t = RC вычисляется ёмкость.

Удобнее отсчитывать время разрядки конденсатора и отмечать значения в 90 % или 95 % от начального напряжения, в этом случае расчёт ведётся по формулам 2.2t = 2.2RC и 3t = 3RC. Таким способом можно узнать ёмкость электролитических конденсаторов с точностью, определяемой погрешностями измерений времени, напряжения и сопротивления. Применение его для керамических и других малой ёмкости, с использованием трансформатора 50 Hz, вычислением емкостного сопротивления — даёт непрогнозируемую погрешность.

Измерительные приборы

Самым доступным методом замера ёмкости является широко распространённый мультиметр с такой возможностью.

В большинстве случаев, подобные устройства имеют верхний предел измерений в десятки микрофарад, что достаточно для стандартных применений. Погрешность показаний не превышает 1% и пропорциональна ёмкости. Для проверки достаточно вставить выводы конденсатора в предназначенные гнёзда и прочитать показания, весь процесс занимает минимум времени. Такая функция присутствует не у всех моделей мультиметров, но встречается часто с разными пределами измерений и способами подключения конденсатора. Для определения более подробных характеристик конденсатора (тангенса угла потерь и прочих), используются другие устройства, сконструированные для конкретной задачи, не редко являются стационарными приборами.

В схеме измерения, в основном, реализован мостовой метод. Применяются ограничено в специальных профессиональных областях и широкого распространения не имеют.

Самодельный С — метр

Не принимая во внимание разные экзотические решения, такие как баллистический гальванометр и мостовые схемы с магазином сопротивлений, изготовить простой прибор или приставку к мультиметру по силам и начинающему радиолюбителю. Широко распространённая микросхема серии 555 вполне подходит для этих целей. Это таймер реального времени со встроенным цифровым компаратором, в данном случае используется как генератор.

Частота прямоугольных импульсов задаётся выбором резисторов R1–R8 и конденсаторов С1, С2 переключателем SA1 и равняется: 25 kHz, 2.5 kHz, 250 Hz, 25Hz — соответственно положениям переключателя 1, 2, 3 и 4–8. Конденсатор Сх заряжается с частотой следования импульсов через диод VD1, до фиксированного напряжения. Разряд происходит во время паузы через сопротивления R10, R12–R15. В это время образуется импульс длительностью, зависимой от емкости Сх (больше ёмкость — длиннее импульс). После прохождения интегрирующей цепи R11 C3 на выходе появляется напряжение, соответствующее длине импульса и пропорциональное величине ёмкости Сх. Сюда и подключается (Х 1) мультиметр для измерения напряжения на пределе 200 mV. Положения переключателя SA1 (начиная с первого) соответствуют пределам: 20 пФ, 200 пФ, 2 нФ, 20 нФ, 0.2 мкФ, 2 мкФ, 20 мкФ, 200 мкФ.

Наладку конструкции необходимо делать с прибором, который будет применяться в дальнейшем. Конденсаторы для наладки надо подобрать с ёмкостью, равной поддиапазонам измерений и как можно точнее, от этого будет зависеть погрешность. Отобранные конденсаторы поочерёдно подключаются к Х1. В первую очередь настраиваются поддиапазоны 20 пФ–20 нФ, для этого соответствующими подстроечными резисторами R1, R3, R5, R7 добиваются соответствующих показаний мультиметра, возможно придётся несколько изменить номиналы последовательно включённых сопротивлений. На других поддиапазонах (0.2 мкФ–200 мкФ) калибровка проводится резисторами R12–R15.

Провода, соединяющие резисторы с переключателем должны быть как можно короче, а если позволяет конструкция — размещены на его выводах. Переменные желательно использовать многооборотные, лучше вообще — постоянные, но это не всегда возможно. Тщательнейшим образом необходимо отмыть печатную плату от флюса и другой грязи, иначе паразитные ёмкости и сопротивления между проводниками могут привести к полной неработоспособности изделия.

При выборе источника питания следует учитывать, что амплитуда импульсов напрямую зависит от его стабильности. Интегральные стабилизаторы серии 78хх вполне здесь применимы Схема потребляет ток не более 20–30 миллиампер и конденсатора фильтра ёмкостью 47–100 микрофарад будет достаточно. Погрешность измерений, при соблюдении всех условий, может составить около 5 %, на первом и последнем поддиапазонах, по причине влияния ёмкости самой конструкции и выходного сопротивления таймера, возрастает до 20 %. Это надо учитывать при работе на крайних пределах.

Конструкция и детали

R1, R5 6,8k R12 12k R10 100k C1 47nF

R2, R6 51k R13 1,2k R11 100k C2 470pF

R3, R7 68k R14 120 C3 0,47mkF

Диод VD1 — любой маломощный импульсный, конденсаторы плёночные, с малым током утечки. Микросхема — любая из серии 555 (LM555, NE555 и другие), русский аналог — КР1006ВИ1. Измерителем может быть практически любой вольтметр с высоким входным сопротивлением, под который проведена калибровка. Источник питания должен иметь на выходе 5–15 вольт при токе 0.1 А. Подойдут стабилизаторы с фиксированным напряжением: 7805, 7809, 7812, 78Lxx.

Вариант печатной платы и расположение компонентов

Видео по теме

Источник

Как выбрать RLC измеритель

На практике часто нужно определить тип или параметры резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности. Радиодетали несовершенны, как всё в нашем мире, зачастую из-за отсутствия или повреждения маркировки, износа или старения радиокомпонентов, определение номинала становится сложной задачей.

Чтобы определить сопротивление, емкость или индуктивность применяют измерители RLC, ESR. В статье разберем на примерах как провести замеры и подскажем, как выбрать оптимальное техническое решение для ваших прикладных задач.

Время чтения: 20 минут

Автор статьи — Андрей Кириченко

Что такое измеритель импеданса и тестер полупроводников

Так уж сложилось, что чаще всего радиолюбители пользуются тремя основными приборами — вольтметром, амперметром, омметром, но иногда возникают ситуации, когда для работы необходим более сложный, редкий прибор — измеритель RLC иммитанса или LCR-метр.

При этом конечно подобные измерительные устройства также бывают как профессиональные, так и «любительские», но для начала о том, что это вообще такое.

Как уже следует из названия, прибор позволяет измерять три основных величины:

L — Индуктивность;
C — Ёмкость;
R — Сопротивление;

Конечно емкость и сопротивление могут замерять большинство современных мультиметров, но LCR-метры это делают обычно точнее, в большем диапазоне. Также RLC метры позволяют проводить дополнительные измерения, например добротности, коэффициента потерь, ESR (эквивалентного последовательного сопротивления, сокращенно ЭПС) и делать это на разных частотах.

Подобный функционал необходим там, где уже не хватает обычных мультиметров, например при диагностике неисправностей импульсных блоков питания, преобразователей напряжения, радиочастотных цепей.

Типовые примеры использования LCR-метра и транзистор тестера для проверки радиодеталей

Резисторы – самый распространенный вид радиокомпонентов

Проволочные резисторы отличающиеся по номинальной мощности

Если с распространенными номиналами проблем не возникает, то измерение низкоомных резисторов может добавить сложностей. Обычный мультиметр часто может измерить нормально сопротивление порядка 1-2 Ома и выше, если ниже, то начинает сильно влиять сопротивление проводов, щупов и низкое разрешение. Даже довольно точный UNI-T UT61E имеет дискретность измерения в таком режиме всего 10 мОм, при том что даже у недорого LCR-метра минимальная дискрета 0,1 мОм. высокой точности с возможностью подключения к ПК для снятия логов Соответственно если при помощи мультиметра можно относительно точно измерить резисторы с сопротивлением от 0,05-0,1 Ома, то при измерении 10 мОм он фактически ничего уже измерять не будет, для сравнения ниже измерение двух резисторов номиналом 1 и 2,2 мОм. Часто измерение малых сопротивлений необходимо при проверке, подборе или изготовлении токоизмерительных шунтов. Альтернативный вариант измерения по падению напряжения, но необходим регулируемый блок питания, амперметр, вольтметр. Возможность измерения малых сопротивлений также полезна для выявления таких проблем как неправильная маркировка, особенно низкоомных резисторов. Слева резистор промаркированный как 0,1 Ома, справа как 0,22 Ома, но реально у них почти одно и то же сопротивление. Такие ошибки могут стоить иногда очень дорого. Транзисторы Измерение малых сопротивлений поможет в оценке оригинальности полевых транзисторов. Сейчас на рынок все чаще поступают поддельные, перемаркированные транзисторы. Хотя простое измерение сопротивления в открытом состоянии не дает полной информации, оно позволяет быстро понять что перед вами. Для теста кроме измерителя надо иметь только батарейку на 9 вольт. Зачастую данные в даташитах приводятся к напряжению на затворе в 10 вольт, но в данном случае это не существенно. Кроме того корректно измерять сопротивление сток-исток под током, обычно он указан в документации, но это требует наличия как минимум лабораторного блока питания. Чтобы проверить транзистор: подключаем тестовые щупы к выводам сток и исток (обычно средний и правый), подаем 9 вольт на крайние выводы. Постоянно подавать напряжение не требуется, достаточно зарядить затворную емкость, но надо быть внимательным, не подключите случайно батарейку к щупам тестера. Можно даже сначала «зарядить» транзистор, а только потом подключить щупы. Конденсаторы Конденсаторы используются немного реже, но имеют свои особенности. Например в отличие от резисторов они гораздо больше подвержены старению, особенно если речь идет об электролитических конденсаторах установленных в импульсных блоках питания, преобразователях материнских плат, т.п. Особое значение имеет ESR конденсаторов. Когда конденсатор высыхает почти не теряя при этом емкость, у него значительно увеличивается внутреннее сопротивление. Обычным мультиметром такое не диагностируется, можно менять всё подряд, но это не всегда удобно, часто сложно или дорого. Кроме того часто RLC измерители позволяет проводить измерения без выпаивания компонента, хотя, конечно это зависит от схемы включения. Для примера сравнение двух конденсаторов, дешевого китайского и фирменного. Хоть точный, но обычный мультиметр считает их почти одинаковыми, показывая только небольшую разницу в емкости. Но если подключить конденсаторы к LCR-метру, то видно что отличие во внутреннем сопротивлении у них почти в 5 раз! Если планируете применять конденсаторы в импульсных блоках питания, то именно эта разница в сопротивлении скажется на нагреве, а соответственно и на сроке службы, характеристиках блока питания. Конденсаторы с большим внутренним сопротивлением не могут эффективно гасить выбросы. Дроссели и катушки индуктивности Дроссели, трансформаторы и вообще моточные узлы, в отличие от конденсаторов и резисторов проверяются еще сложнее, и редко какой мультиметр вообще способен измерять индуктивность. Измеритель иммитанса облегчает производство моточных узлов, а также поиск межвиткового КЗ. Путем сравнения с исправным компонентом или известным значением можно понять, что трансформатор или дроссель неисправен, так как у него сильно изменится индуктивность. Вообще для поиска короткозамкнутых витков существуют индикаторы, но измеритель иммитанса также определит эту проблему. Например слева исправный трансформатор, справа он же, но с одним накоротко замкнутым витком. Видно, что индуктивность обмотки стала существенно меньше, также виток повлиял и на результат измерения активного сопротивления обмотки. Как итог, несколько рекомендаций перед выбором RLC измерителя: Обзор особенностей, основных технических характеристик и возможностей измерителей LCR-параметров Сравним несколько измерителей разной цены, оценим их преимущества, недостатки. Транзистор тестер Маркуса с AVR микроконтроллером Для начала конечно знаменитый транзистор тестер Маркуса. Он существует в различных вариантах: в корпусе и без, со встроенным частотомером, с проверкой стабилитронов, самодельный или фабричный. Иногда его ошибочно называют ESR-метром – это не совсем корректно, так как изначально это именно тестер транзисторов, а замер ESR – только одна из его функций, которая была добавлена значительно позже. Кроме того, устройство имеет очень большое комьюнити на известном сайте vrtp.ru, где можно узнать как прошить транзистор тестер.

Транзистор тестер TC1

Транзистор тестер LCR-T4

Популярные транзистор тестеры EZM Electronics MK-168 и M8

Пожалуй, для новичка – это действительно выход: такой тестер умеет измерять очень много различных компонентов. Особенно удобно проверять транзисторы, например облегчить такую задачу как найти базу эмиттер коллектор транзистора. Он также вполне нормально проверяет конденсаторы с резисторами.

Но более важно то, что этот тестер умеет измерять емкость и индуктивность, причем проводить комплексное измерение. То есть, например, у дросселя показать не только индуктивность, а активное сопротивление обмотки, также у конденсаторов, не только емкость, но и внутреннее сопротивление.

Есть конечно недостатки, из-за простой схемотехники и двухпроводного подключения компонента ему сложно работать с малыми сопротивлениями.

LC метры

Следующим шагом идут устройства на шаг выше – LCR-метры. Они не умеют проверять параметры транзисторов, но индуктивность или малое сопротивление измерят лучше чем универсальный тестер. Типичный представитель — LC100-A компании Juntek.

В отличие от предыдущего прибора прошивка ESR тестера закрыта, потому возможность обновления отсутствует.

У таких измерителей, остался недостаток универсального прибора — двухпроводное подключение. Поэтому на результат измерений может сильно влиять качество контакта с компонентом и длина проводов. Калибровка ESR тестера, конечно решает проблему длины проводов, но лучше использовать провода минимальной длины и большого сечения.

LCR+ESR метры

Для более опытных есть прибор, который относят если не к профессиональным, то уж точно близким к ним — это XJW01. Кроме стандартных замеров, он позволяет проводить комплексные, а также измерять добротность, диэлектрические потери. Тестер имеет четырехпроводное подключение.

XJW01 позволяет проводить измерения на трех частотах: 100 Гц, 1 и 7.8кГц. Продается XJW01 в виде конструктора для сборки, или собранным устройством.

Тестер может работать как в автоматическом режиме выбора измеряемой величины, так и в ручном. Лучше использовать с ручным режимом, так как автоматика иногда неверно определяет тип компонента.

Наличие четырехпроводного подключения сразу ставит XJW01 на голову выше многих других любительских приборов: такое подключение позволяет разделить цепи генератора тока и измерительной части, за счет чего длина проводов и сопротивление контакта перестает влиять на результаты замеров.

Такой тип подключения применяется в профессиональных приборах: даже там где компонент подключается прямо в клеммы прибора, также используется специальная контактная группа, состоящая из четырех контактов.

Для подключения радиодеталей используются зажимы, пинцеты или выносные контактные группы, а так как они также используют разъемы BNC для подключения, то даже фирменные устройства совместимы с показанным выше XJW01.

Фактически все то же самое есть у фирменных, но относительно бюджетных LCR-метров от фирм UNI-T и Hantek. Они также имеют четырехпроводное подключение, измерение емкости, индуктивности и сопротивления включая ESR и комплексные измерения.

Особенно выделяется новая модель измерителя Hantek 1832C, с которой можно проводить измерения на семи вариантах частоты с верхним пределом в 40 кГц. Базовая погрешность до 0,3%, есть автоматический режим измерения, режимы комплексных измерений.

В этой серии есть старшая модель – Hantek 1833C, отличающаяся расширенным диапазоном частот, но имеющая большую цену.

Hantek 1832C имеет большой экран, на который выводится одновременно все результаты тестирования. Подключение тестируемого компонента двух и четырех проводное (трех и пяти с учетом защитного контакта).

Размах тестового сигнала составляет 0,6 вольта, из-за чего можно проводить замеры многих пассивных радиокомпонентов без выпаивания из платы.

Заявленные диапазоны измеряемых параметров:

При этом часто современные устройства могут измерять на частотах до 100 кГц (например Hantek 1833C), что позволяет тестировать компоненты на более высоком уровне. Особенно это помогает при отборе конденсаторов для работы в импульсных блоках питания, частота работы которых находится на сопоставимом значении.

Но нужно быть внимательным: у многих измерителей LCR часто декларируется диапазон частот до 100 кГц. Однако если внимательно прочитать инструкцию, то станет ясно, что в режиме измерения на такой частоте максимальная измеряемая емкость существенно ниже.

Сравнение и рейтинг измерителей импеданса: лучшие измерители RLC 2020 года — основные достоинства и недостатки

Чтобы выбрать оптимальный с точки зрения мастера по ремонту формат или тип прибора для измерения ESR проведем сравнение 3-х основных категорий:

Лучшие LCR-метры профессионального уровня	Цифровой измеритель LCR Hantek 1832C	Основные плюсы: точность измерения, частота до 40 кГц, прибор уже готов к использованию. Минусы: цена
	Высокоточный RLC метр XJW01	Основные плюсы: точность измерения, измерение индуктивности до 1000 Гн, цена. Минусы: только три тестовые частоты с максимальной в 7,8 кГц, упрощенная индикация, необходимость доработки для автономного питания.
Лучший LCR-метр среднего класса	Измеритель LC100-A с щупами для SMD	Основные плюсы: простая конструкция, компактность, большой диапазон измерения, низкая цена. Минусы: невысокая точность измерения, двухпроводная схема подключения компонента.
Лучшие бюджетные транзистор тестеры базового уровня	Тестер компонентов LCR-T4	Основные плюсы: очень высокая функциональность, кроме измерения LCR можно тестировать транзисторы, диоды, тиристоры и пр., возможность обновления прошивки, цена. Минусы: не очень высокая точность измерение малых сопротивлений и ESR, двухпроводное подключение компонента, измерение на низкой частоте, невозможность измерения без выпаивания компонента.
	Многофункциональный тестер элементов GM328 ESR

Из особенностей — измерение на частотах до 200 кГц, до 12 измерений в секунду, напряжение смещения внешнего конденсатора до 40 В.

Резюмируя все вышесказанное подчеркнем, что для начинающего радиолюбителя более чем достаточно обычного транзистор тестера, который перекроет 90% его задач. Опытным скорее всего потребуется измеритель посложнее, и здесь можно смотреть либо на готовые приборы от брендов среднего уровня, либо на конструкторы типа XJW01.

Тем, кто работает в организациях на которые распространяется сфера государственного регулирования обеспечения единства измерений, будут нужны приборы, числящиеся в госреестре, к которым можно заказать метрологическую поверку. Это также отличие профессиональных приборов от любительских, хотя и качественных.

Источник