Измерение ёмкости конденсаторов

Примечания к схеме

Схемы, приведённые в данной статье, рисовались несколько лет назад и оригинальные файлы формата .spl безвозвратно утеряны. Из-за чего проблематично было оперативно внести необходимые изменения в схему, в частности рис.1. Поэтому приведу ниже подкорректированное и правильное соответствие частот генератора и диапазонов измерений:

• 1 МГц     — 100 пФ                  — 100 мкГн
• 100 кГц   — 1000 пФ                — 1 мГн
• 10 кГц     —  0,01 мкФ               — 10 мГн
• 1 кГц       — 0,1 (+100) мкФ      — 100 мГн
• 100 Гц     — 1 (+1000) мкФ       — 1 Гн
• 10 Гц       — 10 (+10000) мкФ   — 10 Гн

(в скобках указаны значения ёмкости для электролитических конденсаторов)

Материал в редакцию сайта Радиосхемы прислал автор — Андрей Барышев.

   Обсудить статью УНИВЕРСАЛЬНЫЙ СТРЕЛОЧНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ПРОВЕРКИ ДЕТАЛЕЙ

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.

Метод баллистического гальванометра.

а затем и ис
Рис. 23. Схема для измерения емкости амперметром, вольтметром и ваттметром.
Рис. 24. Схема для измерения емкости баллистическим гальванометром.
Если переключатель П\ и Яг (рис. 24) установить в положение I, то образцовый конденсатор С0 получит заряд Qv=UiC0, где Ui — показания вольтметра. Если перевести переключатель П-л в положение 2, то конденсатор
Со разрядится и через баллистический гальванометр пройдет заряд Q0=U1C0=C0ai=C^uu где ai — угол отклонения подвижной части гальванометра.
Баллистическая постоянная гальванометра
Если при положении 1 переключателя П2 и положении 2 переключателя П1 поднять напряжение до величины Uz, то испытуемый конденсатор получит заряд
Если перебросить нож переключателя П2 из положения 1 в положение 2, конденсатор разрядится через гальванометр, т. е. через него пройдет заряд
и подвижная часть его будет отброшена на угол az-
Рис. 25. Схемы измерения емкости трехфазных конденсаторов. а — при соединении фаз треугольником; б — при соединении фаз звездой (на обеих схемах стрелки направлены к измерительным приборам).
Измеряемая емкость находится по формуле
При измерении этим методом возможны значительные погрешности вследствие остаточного заряда (неполный заряд конденсатора).
Схемы измерения емкости конденсаторов. Измерение емкости однофазных конденсаторов любым из вышеприведенных методов дает непосредственную величину емкости конденсатора без каких-либо пересчетов. Полученные замеры емкости трехфазных конденсаторов требуют соответствующего пересчета для перехода к емкости фазы.
На рис. 25 приведены схемы измерения емкости трехфазных конденсаторов. По схеме на рис. 25, а измеряется (при соединении фаз треугольником) емкость Ci-zs между зажимами I и соединенными вместе зажимами 2 и 3, а по схеме па рис. 25,6 (при соединении фаз звездой) — емкость Ci_2 между зажимами I и 2.
Для каждого трехфазного конденсатора необходимо произвести три измерения между различными сочетаниями выводов, после чего можно найти емкость каждой фазы конденсатора по формулам:
б) для трехфазного конденсатора, соединенного звездой,
а) для трехфазного конденсатора, соединенного треугольником,
В табл. 3 приведен порядок измерения емкости трехфазных конденсаторов, соединенных в треугольник.
Таблица 3
Порядок измерения емкости трехфазных конденсаторов, соединенных в треугольник

Из таблицы следует, что при измерении следует поочередно соединять попарно выводы и измерять емкость между ними и третьим выводом.
При повторном автоматическом отключении конденсаторной установки от действия реле или перегорания предохранителя включение конденсаторов разрешается только после выявления и устранения причин, вызвавших повторное отключение, с обязательной проверкой емкости каждого конденсатора.
При подключении конденсаторов непосредственно к выводам асинхронных двигателей возможно самовозбуждение последних при отключении от сети и повышение напряжения сверх нормального. Во избежание этого рекомендуется подбирать емкость конденсатора такой величины, чтобы емкостный ток был меньше тока намагничивания двигателя.
После испытания напряжением рекомендуется замерить емкость конденсаторов, имеющих последовательное соединение секций, для проверки отсутствия частичного пробоя.
Перед установкой в каркас рекомендуется подобрать однофазные конденсаторы так, чтобы емкость по фазам была равномерной (с точностью до 5%).
Конденсаторы в каркас следует располагать так, чтобы маркировочные таблички были видны обслуживающему персоналу.

• Назад

• Вперед

Устройство и характеристики конденсатора

Конструкция конденсатора представляет собой две токопроводящие пластины, разделённые диэлектриком. Если приложить к пластинам напряжение от источника постоянного тока, то ток короткое время будет протекать через конденсатор, и он зарядится. На его пластинах (обкладках) накопится напряжение, равное напряжению источника. Длительность протекания тока и ёмкость его заряда зависят от площади обкладок и расстояния между ними. Ёмкость обозначается буквой С и измеряется в фарадах. Единица измерения в системе СИ – 1Ф (F). Обозначение принято в честь физика из Англии М. Фарадея.

Внимание! Ёмкость 1Ф – очень большая величина. Если рассматривать Землю как уединённый проводник в форме шара, то ёмкость составила бы около 700 мкФ

Поэтому электротехнические элементы измеряют в малых величинах: пикофарадах (пФ), нанофарадах (нФ), микрофарадах (мкФ).

Единицы измерения ёмкости

В цепях постоянного и переменного тока ёмкостной элемент ведёт себя по-разному. Если постоянный ток конденсатор через себя не пропускает, то переменному току, проходящему через него, оказывает определённое сопротивление. Это ещё одна важная характеристика конденсатора – ёмкостное сопротивление RC.

Сопротивление из разряда реактивных сопротивлений, рассчитывается по формуле:

Rс =1/6,28*f*C,

где:

• Rc – емкостное сопротивление, Ом;
• 6,28 – 2 π;
• f – частота тока, Гц;
• C – емкость данного конденсатора, Ф.

Важно! Как видно из формулы, для токов разной частоты сопротивление одного и того же элемента меняется. Чем выше частота тока, тем ниже ёмкостное сопротивление конденсатора

Различают конденсаторы постоянной и переменной ёмкости. Вторые имеют конструкцию, в результате которой изменяется расстояние между пластинами.

По типу исполнения конденсаторы постоянной ёмкости бывают:

• полярные электролитические;
• однослойные и многослойные керамические;
• высоковольтные керамические;
• полиэстеровые;
• танталовые;
• полипропиленовые конденсаторы.

Конструкция зависит от порядкового разряда ёмкости элемента, применяемого материала для пластин и диэлектрика.

Как проверить конденсатор мультиметром не выпаивая?

Перед началом ремонта радиотехнической схемы, необходимо произвести внешний осмотр радиоэлементов, не выпаивая их из платы. Характерными признаками неисправного накопителя энергии является вздутие его корпуса, изменение цвета. Современные электролитические конденсаторы снабжены специальными щелями, для более безопасного выхода системы из строя. На плате могут появиться признаки температурного воздействия неисправного элемента – токопроводящие дорожки отслаиваются от поверхности, потемнение платы и т. п

Проверять контакт элемента можно осторожно покачав его пальцем

Если имеется электрическая схема, можно проконтролировать наличие величины напряжения на контрольных точках. Точнее, нужно произвести измерения по цепи разряда конденсатора и оценить его состояние. При подозрении на неисправность нужно параллельно подозрительному компоненту включить в схему исправный, одинакового номинала, что позволит судить о его работоспособности. Такой вариант определения неисправности приемлем в схемах с малым напряжением.

Метод амперметра и вольтметра.

Пренебрегая потерями в диэлектрике конденсатора, емкость его можно определить методом амперметра и вольтметра. Измерив ток и напряжение (рис. 22) и зная частоту переменного тока, емкость можно определить по формуле
где I—ток, а\ U — напряжение, е; m— угловая частота сети, равная 314 для установок 50 гц.
При измерении емкости этим методом напряжение должно быть синусоидальным, так как в противном случае за счет высших гармоник может произойти значительное искажение кривой тока, что может привести к большим погрешностям измерения. Наличие в кривой подводимого напряжения составляющих высших гармоник дает завышенные значения емкости. Во избежание этой ошибки при измерении емкости методом амперметра и вольтметра конденсатор должен быть присоединен к линейному, а не к фазному напряжению сети, так как в последнем (напряжение фаза — нуль) могут быть высшие гармоники.
Для уменьшения влияния высших гармоник на точность измерения по методу амперметра и вольтметра следует, кроме того, включать в цепь последовательно с конденсатором активное сопротивление, равное около 10% реактивного сопротивления конденсатора, т. е.
где и — угловая частота сети, равная 314 для установок 50 гц; С — емкость конденсатора, мф.
Это же сопротивление служит для защиты амперметра от повреждения в случае наличия короткого замыкания в испытываемом конденсаторе.
Метод ваттметра. Определив по показанию приборов (рис. 23) ток, напряжение и мощность, можно вычислить сначала активное сопротивление г~Р/1г, полное сопротивление цепи i
; или, объединив
комую емкость по формуле написанные формулы, получим:
Точность измерений при этом методе такая же или несколько выше, чем у предыдущего.
Измерение ваттметром мощности потерь в конденсаторе не всегда возможно вследствие ее малости. Поэтому чаще пользуются мостовыми методами измерения емкости.

Подробнее про мультиметр

Это компактный прибор, позволяющий делать замеры основных параметров как электрической цепи, так и отдельных его элементов для тестирования и выявления неисправностей.

Существуют 2 типа:

Аналоговый

Состоит из следующих элементов:

1. Стрелочного магнитоэлектрического индикатора.
2. Добавочных резисторов для снятия показаний напряжения,
3. Шунтов для измерения тока.

Цифровой

Более сложный и точный прибор (наиболее распространены мультиметры с точностью 1%), состоящий из набора микросхем и цифрового индикатора, который бывает в основном жидкокристаллическим.

Некоторые из замеряемых мультиметром характеристик:

1. Напряжение (переменного и постоянного тока).
2. Сила тока (переменного и постоянного).
3. Сопротивление (со звуковым сигналом, если оно менее 50 Ом).
4. Ёмкость.
5. Проверка полупроводников на целостность и полярность.
6. Температура.

Измеритель ESR конденсаторов, четвертый вариант

В заключение автор приводит схему еще одного варианта прибора (рис.4) Предпосылки для создания этого «монстра» были следующие: наличие корпуса от неисправного пульта управления видеомагнитофона (с питанием от двух батареек типоразмера ААА, 3 В); наличие много лет лежащего без применения кварца на 119 кГц; наличие не реализованных много лет ИМС К561ЛА7.

Рис. 4. Принципиальная схема измерителя ESR для оксидных конденсаторов на микросхемах К176ЛА7.

Собирать мультивибратор на транзисторах не хотелось (слишком много дискретных элементов), поэтому была проведена проверка работоспособности микросхем К561ЛА7 при пониженном напряжении питания.

Оказалось, что схема прибора, собранная на этих ИМС, начинает работать уже при Un=2,5 В, что вполне приемлемо при питании от батареек (есть запас по питанию при разряде батареи). Из-за низкой нагрузочной способности элементов КМОП на выходе генератора в качестве буферного усилителя пришлось включить пару дополнительных ИМС, однако, на по мнению автора, это не сильно усложнило схему.

Реально на плате микросхемы DD2 и DD3 запаяны «ножка в ножку» одна над другой, поэтому конструктивно добавляется как бы одна микросхема — буферный усилитель с 8-ю параллельно включенными инверторами.

Потребляемый прибором ток при Un=3 В составляет примерно 2,5 мА. Внешний вид прибора показан на рис.5, а расположение деталей внутри корпуса — на рис.6.

Налаживание прибора такое же, как и для описанных выше: отклонения стрелки измерителя на конечную отметку шкалы в положении «ESR» переключателя S1 добиваются, вращая движок подстроечного резистора R3, а в положении «Пробой» — движок резистора R4.

Достоинством схемы является низкое напряжение питания и малый потребляемый ток. Двух батареек питания хватит на много месяцев работы. А вместо кварцевого генератора можно собрать и использовать обычный RC-генератор, например, по схеме, показанной на рис.7.

Рис. 5. Внешний вид прибора.

Рис. 6. расположение деталей внутри корпуса.

Рис. 7. Схема RC-генератора.

Данный прибор — хорошее подспорье радиолюбителям в их домашней измерительной лаборатории. Особенно он будет полезен ремонтникам РЭА. Попробуйте его собрать, и Вы в этом скоро убедитесь.

Г.В. Воличенко, г. Лозовая.