Отдел продаж

Телефоны: (3532) 25-27-22, 93-60-02, 93-50-02

E-mail: [email protected]

г.Оренбург, ул.Беляевская, д.50/1, стр.1

 

Разное

Измерение емкости конденсатора мультиметром: ТОЧНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА

Содержание

ТОЧНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА

Сейчас практически каждый универсальный мультиметр имеет возможность измерения емкости конденсаторов. Это особенно полезно, когда имеем дело с конденсаторами, маркировка которых нечитаема или отсутствует. В этом случае достаточно измерения с точностью до нескольких процентов, потому что во-первых, сами конденсаторы не так точны, а во-вторых, для устройств этого хватает. Но иногда необходимо знать точное значение емкости конденсатора. Ведь прецизионные конденсаторы труднодоступны и довольно дороги. Поэтому просто берем упаковку одинаковых и подбираем подходящий. Так как точно измеряется емкость конденсатора? Есть несколько способов сделать это.

Метод 1: мост Вина

Это один из первых методов точного измерения емкости, изобретенный Максом Вином в 1891 году. С помощью моста Вина можно точно измерить как емкость, так и сопротивление. А после преобразования в мост Максвелла еще и индуктивность. Все аналоговые мосты RLC основаны на принципе этой схемы.

Вход Uwe подключен к генератору синусоидальной волны с фиксированной или регулируемой частотой. К Uwy подключен вольтметр. Rx и Cx — искомые сопротивление и емкость. R3 и C2 известны и постоянны. R2 и R4 — потенциометры, снабженные шкалами, с которых считываются значения Rx и Cx. Эти потенциометры регулируются до тех пор, пока мост не будет сбалансирован и вольтметр не покажет ноль. Тогда удовлетворяются две зависимости:

     

Точность измерения зависит от стабильности генератора питающего мост, и знания номинала резисторов и емкости C2. Используя известные значения Rx и Cx, его можно откалибровать.

Метод 2: измерение частоты LC-генератора

В схеме использован простой LC-генератор с компаратором. В резонансном контуре работают известная емкость и известная индуктивность. Дополнительная, подключаемая к реле, позволяет рассчитать точные значения L и C используемых компонентов. Во время измерения добавленная внешняя емкость или индуктивность изменяет частоту колебаний генератора и это изменение позволяет рассчитать измеренное значение.

Эта схема существует в нескольких вариантах, часто с использованием встроенных в микроконтроллер компараторов. Точность расчетов в исходной версии — 0,1%. Точность калибровки зависит от точности калибровочного конденсатора.

Метод 3: измерение ёмкости с помощью CTMU

CTMU или блок измерения времени зарядки — это модуль имеющийся во многих микроконтроллерах PIC, предназначенный в основном для управления клавиатурами и сенсорными интерфейсами. Модуль также позволяет точно измерять емкость, измеряя напряжение на тестируемом конденсаторе, питаемом от источника тока в течение определенного периода времени. В основе работы системы лежит формула заряда:

Поскольку нам известны ток I и время t, и можем измерить напряжение V, то чтоб вычислить значение C. Метод работы показан на рисунке ниже из документации к AN1375. Тут видно, как откалибровать и измерить емкость.

Предпосылками для точного измерения абсолютного значения емкости являются точная калибровка источника тока, относительно точный таймер микроконтроллера и хороший источник опорного сигнала для АЦП. Источник тока можно легко откалибровать — просто подсоедините внешний точный резистор и измерьте приложенное к нему напряжение. Кстати, прецизионные резисторы найти легче, чем прецизионные конденсаторы.

Но прямое измерение емкости имеет еще один недостаток — вся схема нагружена различными паразитными емкостями. Поэтому рекомендуется постоянно подключать конденсатор параллельно измерительному входу, проводить измерения и использовать это значение как «ноль».

Последовательность шагов:

  1. Сформировать и откалибровать источник тока, используя вход ANx и резистор.
  2. Переключение на вход ANy и разряд емкости контура.
  3. Таймер запускает текущую операцию источника, измеряет заданное время и останавливает источник. АЦП выполняет измерение.
  4. Подключается внешний конденсатор, шаги второй и третий повторяются.
  5. Если значение АЦП близко к нулю, повторим все измерение с более высоким током или более длительным временем. Когда значение близко к максимальному значению, время измерения сокращается.
  6. Результаты обоих измерений конвертируются в значения пикофарад.
  7. Результат первого измерения вычитается из результата второго, чтобы вычесть паразитные емкости схемы.
  8. Результат форматируется и отображается на дисплее.

Источник тока CTMU имеет четыре возможных значения: 0,55 мкА, 5,5 мкА, 55 мкА и 550 мкА и регулируется в диапазоне 0,341 мкА для основного диапазона с шагом 0,011 мкА. Для измерения большой емкости потребуется увеличенное время зарядки источника, но такой измеритель должен иметь приличную точность 0,1% и диапазон измерения от единиц пикофарад до тысяч микрофарад. При измерении больших емкостей может потребоваться добавить внешний транзистор для разряда емкости, поскольку внутренний транзистор может не выдержать больших токов.

Метод 4: измерение ёмкости с помощью внешнего источника тока

Для этого метода требуются три PNP-транзистора, согласованные по Vbe и усилению, соединенные вместе для термостатики, и несколько резисторов с точностью 0,1%. Посмотрим на схему:

Резисторы R1-R3 и транзисторы Q1-Q3 образуют токовое зеркало. Резисторы R4 — R8 подключены к цифровым выходам микроконтроллера. Установив низкое состояние на одном из них, в то время как остальные находятся в состоянии высокого сопротивления, можно выбрать одно из пяти значений тока: 1 мкА, 10 мкА, 100 мкА, 1 мА и 10 мА. В свою очередь, установка низкого состояния на одном из выходов, подключенных к R9, R10 или R11, позволяет измерять ток, генерируемый источником, путем измерения напряжения на соответствующем резисторе.

Q4 и R12 используются для разряда емкости между измерениями. Измерение точно такое же, как и для метода CTMU. Подбираем зарядный ток, замеряем заданное время, останавливаем ток, измеряем напряжение на конденсаторе. При необходимости меняем время зарядки или ток зарядки.

Измерения этим методом ограничиваются только разрешающей способностью АЦП, стабильностью опорного напряжения и точностью резисторов. Подключив мультиметр вместо Cx, можно предварительно откалибровать все диапазоны. Большинство недорогих мультиметров имеют довольно точные диапазоны тока, хотя измерение напряжения на резисторах R9-R11 может быть более точным.

Метод 5: измерение ёмкости с помощью модуля CVD

Модуль CVD, емкостной делитель напряжения, можно найти в некоторых микроконтроллерах PIC. Это еще одна идея Microchip для создания сенсорных клавиатур, например в семействе PIC18FQ41.

Интересно, что измерение с помощью этого метода может выполняться без этого модуля, манипулируя битами конфигурации порта микроконтроллера и его модуля АЦП, соответственно.

Предположим, имеется конденсатор емкостью 1 нФ, заряженный напряжением 5 В. Подключим к нему второй конденсатор емкостью 1 нФ. Какое напряжение будет у обоих? Правильный ответ — 2,5 В. Теперь возьмем два других конденсатора: 10 нФ и 22 нФ. Первый заряжен на 5 В, второй замкнут на массу. Затем соединяем их обоих вместе. Какое будет напряжение? 1,5625 В. Теперь зарядим второй конденсатор до 5 В, разрядим первый и подключим два. Какое будет напряжение? 3,4375 В. Модуль CVD выполняет именно это измерение, при этом конденсатор выборки АЦП (плюс дополнительно подключенные емкости внутри микроконтроллера) действует как первый конденсатор, а все что подключено к выводу АЦП, на котором выполняется измерение, как конденсатор 2.

Модуль CVD сначала автоматически загружает внутреннюю емкость, подключает внешнюю емкость и измеряет ее, затем разряжает внутреннюю емкость, заряжает внешнюю емкость и выполняет второе измерение. Результаты автоматически вычитаются друг из друга, а полученное значение сравнивается с заданным пороговым значением — таким образом, модуль в основном используется для управления сенсорными кнопками, но вы также можете измерить значение присоединенной внешней емкости как изменение в дифференциальное напряжение. Но тут измерение будет менее точным, чем измерение CTMU.

Метод 6: измерение ёмкости RC-генератором

Этот метод частично относится к методу номер 2. Основа — RC-генератор, у которого значение R ровно 10 кОм. RC-генератор настроен на непрерывную работу и генерирует сигнал в диапазоне 1 / 3–2 / 3 напряжения питания. Схема всего прибора выглядит так:

Основа — PIC16F628 (A) с кварцем 16 МГц, что означает внутренний таймер имеет частоту 4 МГц. Во время измерения модуль Capture / Compare / PWM (CCP1) подсчитывает значения модуля Timer1 для каждого переднего фронта сигнала от компаратора. Программа подсчитывает и суммирует значения таймера и количество подсчитанных передних фронтов, пока не наберет значение более 2 миллионов отсчетов, то есть >0,5 секунды. Этот результат увеличивается в тысячу раз, а затем делится на количество измеренных наклонов. Результат преобразуется и отображается как значение емкости в пико-, нано- или микрофарадах: Диапазоны 0,00-18000,00 пФ; 18,000-999,000 нФ; 1,0000-50,0000 мкФ. Разрешение измерений намного выше, чем у других любительских решений. По тестам точность измерения лучше 0,2%. В схеме есть возможность сброса и режим относительного измерения для сравнения конденсаторов. Так что методов измерения ёмкости есть несколько — просто выбираем самый подходящий для своих целей и собираем С-метр.

   Форум

   Форум по обсуждению материала ТОЧНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА


ПРОВОДНИКИ И ИЗОЛЯТОРЫ

Что такое изолятор и чем он отличается от токопроводящего материала. Занимательная теория радиоэлектроники.

Как проверить конденсатор с помощью мультиметра

Устройства хранения напряжения, такие как конденсаторы используются в различных схемах, таких как компрессоры, системы отопления, электродвигатели вентилятора переменного тока и т. д. Они доступны в двух типах, например электролитический и неэлектролитический. Электролитический тип используется с вакуумной трубкой, а также с источниками питания транзистора, тогда как неэлектролитический тип используется для управления скачками постоянного тока. Электролитический тип может быть поврежден из-за короткого замыкания из-за разряда избыточного тока. Неэлектролитические типы чаще всего выходят из строя из-за утечки накопленного заряда. Существуют разные методы проверки конденсатора, поэтому в этой статье обсуждается обзор конденсатора и способы проверки конденсатора.

Что такое конденсатор?

Определение: Конденсатор — это один из видов электрических компонентов, используемых для хранения энергии в форме электрического заряда. Они используются в различных электрических и электронных схемах для выполнения различных функций. Зарядка конденсатора может производиться с помощью конденсатор в активной цепи. Как только он будет подключен, электрический заряд начнет проходить через конденсатор. Когда первичная обкладка конденсатора не удерживает электрический заряд, он возвращается обратно в цепь через вторичную обкладку. Этот процесс в конденсаторе известен как зарядка и разрядка.

Конденсатор

US Tech Online -> Точное измерение чрезвычайно малых значений емкости

Пользователи также могут вручную выбрать режим измерения, а частоту тестового сигнала можно выбрать в диапазоне фиксированных значений от 100 Гц до 100 кГц. Испытательное напряжение может быть установлено на 1,0, 0,5 и 0,1 В (среднеквадратичное значение).

Путем пропускания постоянного тока через измеряемый компонент можно измерить напряжение и ток. По закону Ома рассчитывается сопротивление постоянному току (RDC). Подачей постоянного напряжения в прямом и обратном направлении обнаруживаются диоды и определяется полярность p-n перехода.

Для конденсаторов емкостью более 40 мФ емкость рассчитывается с использованием изменения напряжения на измеренном конденсаторе при его зарядке в течение определенного интервала времени и приложенного тока.Принцип работы частотомера основан на подсчете импульсов опорного генератора между двумя рампами входного сигнала за определенный период. При этом также подсчитывается количество периодов входного сигнала.

Затем вычисляется частота путем деления количества периодов входного сигнала на количество импульсов от опорного генератора и умножения на частоту опорного генератора. По сути, принцип измерения напряжения основан на сравнении входного сигнала с опорным напряжением.

Калибровка смещения емкости
Siborg также предлагает калибровочную плату смещения емкости, которая обеспечивает надежный метод определения паразитного смещения между измерительными проводами. Макет печатной платы использует отверстия для представления компонентов различных размеров.

После надлежащего проведения открытой калибровки прибора для конкретного размера компонента можно производить абсолютные измерения значений компонентов с точностью до трех фемтофарад.

Например, открытая калибровка была выполнена с размером компонента 2920 (7.4 мм между кончиками пинцета). Результаты различаются незначительно, в зависимости от расстояния между кончиками пинцета и их окружением. Поднесение руки к пинцету может привести к смене нескольких фемтофарад.

На практике при использовании компонента 01005 и расстояния между концами пинцета 0,4 мм измеренная емкость составляет 0,249 пикофарад. 0201 с расстоянием между кончиками пинцета 0,6 мм показывает значение 0,225 пикофарад. Другим примером является значение измерения 0,177 пикофарад для компонента 0402 с 1 мм между кончиками пинцета.

Siborg Systems разрабатывает и производит цифровые мультиметры с 2004 года. Основная линейка продуктов компании — это мультиметры LCR-Reader, которые являются универсальными и точными пинцетами и обеспечивают базовую точность 0,1 процента для измерений L-C-R.

Измерение емкости с помощью различных измерительных приборов

Емкость измеряется с помощью мультиметра, LCR-метра и осциллографа.

Обычно конденсаторы снабжены метрическими параметрами — емкостью и рабочим напряжением — напечатанными или нанесенными цветовой маркировкой на компоненте.Емкость, указанная на этикетке, обычно соответствует разумным допускам. Для большинства приложений широкий диапазон значений будет работать должным образом. Что касается рабочих вольт, вы никогда не знаете, пока не станет слишком поздно, и единственный способ проверить это — деструктивно.

Существует несколько способов проверки емкости. Если у вас есть мультиметр с режимом проверки конденсаторов, это то, что вам нужно. В противном случае вам придется использовать режим омов, с помощью которого можно получить определенное количество информации, но не точное значение емкости.

Это мультиметр Fluke 287 True RMS, очень качественный прибор. Для измерения конденсатора подключите черный щуп к общему порту, а красный щуп к комбинированному порту диод-конденсатор. При включенном приборе нажмите F1, что, как видно на дисплее, соответствует Меню. Используйте стрелку вверх или вниз, чтобы выделить Diode-Capacitor. Затем нажмите F2, что соответствует конденсатору. В конденсаторном режиме прибор автоматически выбирает диапазон, поэтому он сам о себе позаботится.

Теперь мы готовы провести некоторые измерения емкости. Вот несколько примеров.

Это умножитель розетки переменного тока, обычно называемый кубом. Мы могли бы ожидать, что он имеет измеримую емкость, потому что есть два электрода на конечном расстоянии друг от друга, а воздух между ними составляет слой электролита. Поскольку пластины маленькие и относительно далеко друг от друга, а электролитическая постоянная воздуха не очень высока, емкость будет довольно маленькой. И, как вы можете видеть, это даже не делает чтения.

Другой эксперимент заключается в том, чтобы обернуть один из зондов бумагой и привести его в соприкосновение с другим зондом, расположив их параллельно друг другу. И здесь есть определенное прочтение.

Электролитические конденсаторы можно проверить мультиметром в режиме Ом. Если измеритель не поддерживает автоматический выбор диапазона, установите его на мегаомный диапазон и подключите щупы к проводам. Если устройство закорочено или разомкнуто, конечно, оно неисправно. В противном случае, в зависимости от полярности подключения, сопротивление в омах будет увеличиваться или уменьшаться определенным образом. Скорость кажется сначала очень стабильной, заметно замедляясь только по мере приближения к конечной точке. Происходит то, что конденсатор заряжается или разряжается из-за внутренней батареи измерителя, которая через делитель напряжения подает что-то вроде смещения в три вольта, которое используется для измерения сопротивления. Электрики, проверяющие конденсатор двигателя, называют это странное явление «счетчиком», и оно свидетельствует о том, что конденсатор исправен.

Если эти типы измерений недостаточны для вашего приложения, следующим шагом будет измеритель LCR.Процедура использования этого прибора такая же, как и для мультиметра в емкостном режиме. Просто закрепите провода и снимите показания.

Измеритель LCR — очень сложный прибор. Во-первых, он имеет возможность измерять индуктивность в компоненте, в электронном оборудовании или распределенном по сети связи или сети питания.

Измеритель LCR работает, подавая переменное напряжение на рассматриваемое устройство. Затем измеряются напряжение и ток через компонент.Кроме того, в высокотехнологичных приборах измеритель LCR вычисляет фазовый угол между напряжением и током, тем самым отображая емкость или индуктивность с высокой степенью воспроизводимости.

Осциллограф также можно использовать для измерения емкости. Для этого прямоугольная волна от генератора произвольной функции подается на известное сопротивление последовательно с неизвестной емкостью.

Используйте курсоры, чтобы найти прошедшее время. Курсор Y установлен на уровне 63,2% от пикового значения сигнала, что по определению представляет собой амплитуду, соответствующую постоянной времени цепи, состоящей из последовательно соединенных резистора и конденсатора.Затем курсор X опускается вниз, чтобы пересечь ось X, а расстояние между этой точкой и пересечением осей X и Y (известное как начало координат) является прошедшим временем.

Прошедшее время вместе с известным сопротивлением подставляются в известное уравнение:

С = Р/т

Где C — емкость, R — номинал резистора, t — прошедшее время. Для облегчения вычислений следует выбрать резистор номиналом 1 кОм, а прямоугольную волну в генераторе произвольной функции установить на один вольт от пика к пику, что для прямоугольной волны совпадает со среднеквадратичным значением.

Существуют и другие методы определения емкости или индуктивности с помощью осциллографа. Например, можно построить резонансный контур с известными и неизвестными устройствами и измерить пиковую частоту.

Спасибо за просмотр. Новые видео добавляются периодически, поэтому заходите почаще.

Как проверить конденсатор мультиметром? (Полезные примеры) – Приобретите мультиметр

Значение конденсаторов в наших повседневных бытовых приборах слишком велико, чтобы его игнорировать.Основной особенностью конденсатора является накопление электрического заряда, и он играет решающую роль в зарядке и разрядке устройства.

Он играет жизненно важную роль в запуске устройств от внешнего источника, высвобождая заряд в цепь с помощью пластины, удерживающей ток. Наиболее распространенными факторами, вызывающими повреждение конденсатора, являются высокое напряжение, тепло, влажность, химическое загрязнение и влажность.

Одной из основных причин электрических и электронных поломок являются слабые конденсаторы.Они должны быть проверены вовремя, чтобы избежать каких-либо электрических или электронных поломок в будущем. Мультиметр — это прибор для поиска и устранения неисправностей, который используется для выявления слабых конденсаторов.

Метод 1: использование мультиметра с настройкой емкости

Цифровой мультиметр с настройкой емкости — идеальный выбор для проведения этого теста, поскольку он дает самые быстрые и точные результаты.

Эффект конденсатора известен как «Емкость», а единицей измерения емкости является «Фарады».Следовательно, мультиметр может измерять емкости как ниже нанофарад, так и выше микрофарад.

  • Отсоедините конденсатор:  Чтобы проверить конденсатор с помощью мультиметра, первое, что вам нужно сделать, это отсоединить конденсатор от печатной платы.
  • Подключение к резистору: Следующий шаг — полностью разрядить конденсатор, подключив его к светодиоду или мощному резистору.
  • Номинальное напряжение:  Далее следует записать емкость и номинальное напряжение, указанные на задней стороне конденсатора.
  • Подсоедините ручку:  Используйте ручку на цифровом мультиметре , чтобы настроить его на параметры емкости, а затем прикрепите щупы к клеммам конденсатора. На электролитическом конденсаторе соедините отрицательную клемму с черным щупом, а положительную клемму с красным, чтобы получить точные показания. Клеммы могут быть подключены любым способом для неэлектролитических конденсаторов.
  • Проверьте показания:  Если все эти шаги выполнены правильно, проверьте показания на экране мультиметра и сравните их с заданными значениями.

Небольшая разница в показаниях и указанном номинале допустима, поскольку электролитические конденсаторы имеют тенденцию к высыханию, но значительная разница должна указывать на то, что конденсатор неисправен и является потенциальной причиной неполадок вашего устройства.

Способ 2. Использование мультиметра без настройки емкости

Некоторые мультиметры могут не иметь настройки емкости, но их можно использовать для проверки конденсаторов.

  • Разрядка конденсатора:  Разрядка конденсатора также является первым шагом в этом типе мультиметра.
  • Подключение к омам:  В отличие от предыдущего метода, на этот раз мультиметр должен быть настроен на омы для измерения сопротивления, а настройка должна быть отрегулирована для измерения в верхнем диапазоне.
  • Соединение с электролитом:  Подключите положительную клемму к красному щупу, а отрицательную клемму к черному щупу электролитического конденсатора. Вы можете подключить датчики любым способом, если у вас есть неэлектролитический конденсатор.
  • Проверьте показание:  Быстро запишите показание сопротивления, отображаемое на экране, прежде чем оно изменится на сопротивление разомкнутой цепи, равное бесконечности.
  • Отключение от конденсатора:  Наконец, отсоедините щупы от конденсаторов и повторите процесс несколько раз. Если каждый тест показывает разные показания сопротивления, этого должно быть достаточно, чтобы доказать, что конденсатор работает правильно, но если он каждый раз показывает одни и те же результаты, ваш конденсатор поврежден.

Как проверить конденсатор с помощью мультиметра на центральных кондиционерах?

В установках кондиционирования воздуха или ОВК в основном используются конденсаторы двух типов, а именно «рабочие конденсаторы» и «пусковые конденсаторы».

Рабочие конденсаторы: «Рабочие конденсаторы» используются в двигателях вентиляторов и компрессорах.

Пусковые конденсаторы: «Пусковые конденсаторы» используются в кондиционерах и тепловых насосах.

Для проверки этих типов конденсаторов необходимо отключить питание и отсоединить клеммы с помощью отвертки. После этого следует отсоединить провода на конденсаторах и подключить щупы мультиметра, чтобы получить показание на экране мультиметра.

Как проверить микроволновый конденсатор с помощью мультиметра?

Микроволны также питаются от конденсаторов. Если вы собираетесь проверить конденсатор микроволновки, во-первых, вам нужно отключить питание. Затем снимите крышку микроволновой печи и обратите внимание на провод, подключенный к клеммам конденсатора.

Проверьте, нет ли в вашей микроволновой печи продувочного резистора; если он установлен, его необходимо удалить перед тестированием. Теперь поместите каждый щуп мультиметра на каждую клемму конденсатора и запишите показания, а затем поменяйте местами щупы так, чтобы каждый из них касался другого вывода.Проделайте тот же процесс несколько раз, обратите внимание на чтение.

Чем LCR-метр лучше мультиметра для…

LCR-метр — это цифровой измерительный прибор. Как и цифровой мультиметр, его можно использовать для измерения индуктивности, емкости и сопротивления компонентов. В дополнение к этому, измеритель LCR также может измерять сопротивление переменного тока резистора, эквивалентное последовательное или параллельное сопротивление, D-фактор (рассеивание) и добротность (качество) катушек индуктивности и конденсаторов.

Конденсаторы и катушки индуктивности часто используются в устройствах, чувствительных к частоте, таких как фильтры и схемы настройки радио.У катушек индуктивности и конденсаторов их полное сопротивление изменяется с частотой. Для чистого индуктора или конденсатора этот импеданс состоит только из реактивного сопротивления. Однако все компоненты содержат некоторое паразитное сопротивление, и, следовательно, термин импеданс (который включает в себя как сопротивление, так и реактивное сопротивление) будет более точным. Это паразитное сопротивление можно смоделировать в эквивалентном последовательном сопротивлении или эквивалентном параллельном сопротивлении.

Когда мы используем цифровой мультиметр для измерения L или C, он полностью игнорирует последовательное и параллельное сопротивление компонентов.Кроме того, он использует величины постоянного тока для выполнения измерения. Например, для измерения емкости цифровой мультиметр пропускает постоянный ток через конденсатор для его зарядки и записывает время, необходимое для зарядки конденсатора до определенного напряжения. Из этого записанного значения времени отображается емкость конденсатора, полученная из простого выражения:

Обратите внимание, что сопротивление слишком мало и, следовательно, не учитывается в приведенном выше выражении. Затем конденсатор безопасно разряжается через встроенный резистор и возвращается в разряженное состояние, чтобы с ним можно было безопасно обращаться.

Этот метод использования цифрового мультиметра для измерения емкости может работать для случайных измерений, но когда мы намерены использовать конденсатор в приложениях, зависящих от частоты, например, в RC-фильтре, где конденсатор в основном определяет параметры схемы, такие как частота среза фильтра. схемы, нужны более точные измерения.

Истинное представление о качестве и ожидаемых характеристиках L- или C-компонента можно получить, измерив его импеданс специально в предполагаемом диапазоне рабочих частот схемы, в которой мы хотим использовать L- и C-компоненты.Для этого необходимо измерять параметры компонентов на тестовой частоте, близкой к рабочей частоте схемы – это невозможно с цифровым мультиметром, поскольку он выполняет измерения только с помощью величин постоянного тока.

Измеритель LCR, с другой стороны, имеет встроенный генератор, который может генерировать слабый сигнал переменного тока в диапазоне частот. Этот генератор питает мост переменного тока. Чтобы полностью понять работу измерителя LCR, полезно рассмотреть концепцию мостов переменного тока.

Как видно из приведенной ниже схемы, мост переменного тока состоит из 4 ветвей и 4 узлов (узлы a, b, c и d).Детектор (D) подключается между узлами a и b, а источник переменного тока подключается между узлами c и d. Одно из плеч (скажем, плечо 1) зарезервировано для тестируемого устройства (DUT).

Когда мост переменного тока находится в несбалансированном состоянии, существует разность потенциалов между узлами a и b и, следовательно, на детекторе (D). В этом случае через детектор протекает ток. Теперь, чтобы мост переменного тока был в сбалансированном состоянии, ток через детектор (D) должен быть равен нулю.Это можно сделать, изменяя импеданс плеч 2, 3 и 4 до тех пор, пока разность потенциалов между узлами a и b не станет равной 0. В сбалансированном состоянии

Конструкция измерителя LCR показана на схематическом изображении ниже. . Пользователь может измерять необходимые параметры компонента при любой из доступных настроек тестовой частоты — 100 Гц, 1 кГц, 10 кГц и даже 100 кГц для измерителей верхнего уровня. Тестируемое устройство подключено к плечу 1. Плечо 4 моста, как показано, имеет две подсхемы — настройку D и настройку Q.Соответствующая подсхема подключается к плечу в зависимости от того, хочет ли пользователь измерить коэффициент рассеяния или добротность компонента. Варьируя сопротивления в плечах 2, 3 и 4, достигается сбалансированное состояние и определяется импеданс ИУ. Затем это рассчитанное значение отображается на передней панели в качестве измеренного значения.

Возможно измерение паразитного сопротивления элементов как в режимах эквивалентного последовательного, так и эквивалентного параллельного сопротивления.Автоматический режим в измерителе LCR интеллектуально моделирует сопротивление на основе значения L/C компонентов. Однако основную идею выбора режима измерения сопротивления можно резюмировать на графике ниже:

Нижние индексы p и s обозначают параллельный и последовательный режим соответственно.

Многочисленные превосходные функциональные возможности измерителя LCR делают его очевидным выбором, когда нам нужны точные измерения для применения на определенной частоте, например, в аудиосхемах, радиочастотных схемах, схемах фильтров и лабораторных проектах.Однако для хобби-проектов цифрового мультиметра будет достаточно.

Измерительные конденсаторы — журнал DIYODE

Измерьте неизвестные конденсаторы или проверьте неисправные, используя различные методы и инструменты.

В прошлом месяце мы коснулись конденсаторов, рассматривая катушки индуктивности и способы их измерения. Нам нужно было это объяснение, чтобы понять, что происходит с цепями катушек индуктивности, но у нас не хватило места, чтобы обсудить, как измерять сами конденсаторы. Это оказалось хорошо, потому что сказать можно гораздо больше, чем мы изначально планировали.

Несмотря на то, что на многих конденсаторах указаны номиналы, все же бывают ситуации, когда это значение необходимо измерить. Иногда можно заподозрить неисправность, и сравнение измеренного значения с обозначенным значением даст ответы. В других случаях допуск может быть проблемой, когда общедоступные диапазоны конденсаторов часто в лучшем случае имеют допуск 10%. Это нормально для фильтра шины питания, но не для настроенной схемы. Кроме того, все больше и больше систем маркировки используются, поскольку китайские производители идут своим путем.Иногда значение просто непонятно. Кроме того, вам может понадобиться найти емкость цепи или группы компонентов.

Для краткого обзора теории самих конденсаторов вы можете посетить классную комнату прошлого месяца (выпуск 44), посвященную конструкции и эксплуатации конденсаторов. Тем не менее, очень краткое резюме в порядке.

Конденсатор состоит из двух проводящих пластин, разделенных изолятором, называемым диэлектриком. Если к пластинам приложена разность потенциалов, заряд накапливается.Заряд в кулонах (Q) равен емкости в фарадах (Кл), умноженной на разность потенциалов в вольтах (В): Q=CV

Основное свойство, которое нас интересует для целей тестирования, — это Постоянная времени. Это представлено греческой буквой Тау, появляющейся как «Т». Постоянная времени — это время, за которое конденсатор заряжается через последовательное сопротивление, чтобы достичь 63,2% приложенного постоянного напряжения. Также можно принять за время разрядки от приложенного напряжения до 36,8%. Так уж получилось, что T = RC, где T — время в секундах, R — сопротивление в Омах, а C — емкость в Фарадах.

Очень полезной особенностью постоянных времени в RC-сетях является то, что кривая зарядки общеизвестна. И так уж получилось, что конденсатор заряжается на 63,2% за одну постоянную времени, потом график мельчает по мере замедления зарядки. Это становится очень полезным позже, так как эти 63,2% приходятся на точку пять восьмерок. Многие доступные производителям осциллографы имеют восемь или десять градуировок по вертикали.

Технически понятие постоянной времени применимо к любому конденсатору без резистора, включенного последовательно, потому что все конденсаторы имеют некоторое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR).Однако часто СОЭ трудно определить или она слишком мала, чтобы быть полезной. Как правило, инструменты для измерения емкости, будь то автономные или мультиметры, используют известное внутреннее сопротивление и прямоугольную волну. Затраченное время и напряжение на конденсаторе измеряются и используются для расчета емкости.

Ни один компонент, изготовленный людьми, не является чистым или совершенным. Уроки теории часто предполагают идеальные компоненты при изучении концепций, и это правильный подход.Бесполезно объяснять усложняющие или посторонние факторы тому, кто все еще пытается понять основную концепцию. То же самое и с конденсаторами. Как правило, у каждого конденсатора есть элемент сопротивления и индуктивности. Мы не очень часто сосредотачиваемся на одной индуктивности в этой настройке, потому что она в основном академическая и редко, если вообще когда-либо, приводит к какому-либо эффекту. Эквивалентное последовательное сопротивление отличается, и в нем учитывается влияние индуктивности.

ESR

является свойством всех резисторов, но сильно различается в зависимости от материала и типа конструкции.В некоторых меньших конденсаторах или некоторых конструкциях этим можно пренебречь. В других это серьезная проблема. Это особенно относится к алюминиевым электролитическим конденсаторам. Поскольку ESR влияет на скорость заряда и разряда, он влияет на максимальный ток, который может выдержать конденсатор. Поскольку большие электролиты часто используются для подачи большого тока при фильтрации источника питания или в подобных ситуациях, необходимо соблюдать осторожность при выборе правильного конденсатора. Большинство качественных электролитов имеют достаточно низкое ESR, чтобы выполнять поставленные перед ними задачи, но некоторые очень дешевые электролиты представляют собой проблему.

Просмотр многих каталогов поставщиков электроники показывает, что также производятся электролиты с низким ESR. Они специально сконструированы так, чтобы иметь меньше ESR, чем их аналоги, и особенно полезны для высокочастотных цепей. Помните, что если ESR влияет на время, в течение которого конденсатор может заряжаться и разряжаться, то он влияет и на максимальную частоту, на которой может использоваться конденсатор. Это связано с тем, что чем выше частота, тем короче время, доступное для цикла зарядки/разрядки.

Существуют разные стандарты для измерения СОЭ. Фактически, один из источников, упомянутых в этой статье, отметил, что СОЭ «легче определить, чем указать». Одна из причин этого в том, что СОЭ непостоянна. Поскольку он состоит из случайной индуктивности в материалах и выводах конденсатора, а также сопротивления, создаваемого ими, на ESR влияют температура, частота и возраст. Многие материалы изменяются или деградируют с течением времени, и электролиты являются здесь серьезной проблемой. При очень высоких частотах или температурах они могут высохнуть и стать неактуальными.

Мы склонны беспокоиться только об ESR в электролитических конденсаторах. Другие типы, как правило, лучше герметизированы, изготовлены из более стабильных материалов и менее чувствительны к температуре и частоте. Однако большинство других типов обычно используются только для значений ниже 1 мкФ. После этого основным вариантом являются либо алюминиевые, либо танталовые электролиты. Для линейных источников питания стандарт ESR обычно составляет 120 Гц, в то время как компоненты импульсного источника питания должны быть сертифицированы для работы на частоте 100 кГц или выше.Другие приложения обычно рассматривают ESR на собственной резонансной частоте компонента или предполагаемой рабочей частоте.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. Убедитесь, что все конденсаторы безопасно разряжены до и после любых испытаний. Чтобы избежать слишком высоких разрядных токов, используйте сопротивление не менее 1 кОм, что подходит для напряжения в безопасном для производителя диапазоне ниже 50 В.

Исправный конденсатор покажет «обрыв цепи» на обычном мультиметре, настроенном на сопротивление постоянному току, потому что даже путь тока, который существует в неисправном компоненте, имеет более высокое сопротивление, чем может работать большинство мультиметров.Многие мультиметры останавливаются на сопротивлении 10 МОм. Наш цифровой мультиметр имеет диапазон 40 МОм, а протестированное нами электрическое напряжение 1000 мкФ 16 В показало 39 МОм.

Если измерение сопротивления электролитического конденсатора показывает, что значение сопротивления высокое, но все же ниже 1 МОм (другими словами, если вы вообще видите показания на большинстве счетчиков), конденсатор, вероятно, имеет очень большую утечку и выходит из строя. Просто для сравнения мы протестировали 10 мкФ 16 В и 1 мкФ 63 В и получили показания O/L (вне диапазона) на обоих.

В некоторых случаях показания будут действительно низкими. Любой конденсатор, показания мультиметра которого меньше шести цифр, можно считать коротким замыканием, хотя есть несколько необычных исключений и предостережений. Еще менее вероятно, что неэлектролиты дадут показания в диапазоне измерителя.

Из-за вышеперечисленных факторов СОЭ трудно проверить. Хотя существует множество способов сделать это, они даже более сложны, чем те, которые мы собираемся подробно описать для поиска неизвестных конденсаторов.Для большинства производителей, которым необходимо знать значение ESR конденсаторов, приобретение специального измерителя ESR является лучшим вариантом. Если вы регулярно работаете с источниками питания, высокочастотными или звуковыми цепями, то измеритель ESR значительно облегчит вам жизнь.

Измеритель ESR не только позволяет получить данные для некоторых сложных расчетов, связанных с этими цепями (намного выше возможностей Classroom), но и значительно упрощает поиск неисправностей. Имеются данные об ожидаемом ESR большинства типов конденсаторов, поэтому сравнение их с измеренным значением может помочь определить неисправный элемент.

Недавно мы приобрели себе измеритель ESR у наших друзей в Element 14. Мы купили модель Peak Electronic Design Atlas ESR70. Это имеет то преимущество, что он является испытательным измерителем для определения значения малых сопротивлений, а также для определения значения измеренного конденсатора. Он тестируется на стандартной частоте 100 кГц. Он включает в себя функцию автоматического разряда, но любой конденсатор, заряженный до опасного напряжения или значительного тока, все равно должен быть сначала разряжен. Мы протестировали наш на стандартном алюминиевом электролитическом конденсаторе 1000 мкФ 16 В с допуском 10%.

Одна из причин, по которой нам так нравится этот инструмент, заключается в простоте его использования:

ШАГ 1: Подключите компонент к проводам.

ШАГ 2: Нажмите кнопку «Тест».

ШАГ 3: Подождите.

ШАГ 4: Считайте значение с экрана.

Просто для тщательности мы подключили тот же конденсатор, после его разрядки, к нашему недавно рассмотренному Peak Atlas LCR40. Этот прибор более точен в определении фактической емкости, поскольку измеритель ESR выполняет эту функцию только как второстепенную функцию на частоте 100 кГц. LCR40 выполняет тест постоянным током и измеряет время зарядки и время разрядки после отключения тока. В то время как измеритель ESR показал емкость 1116 мкФ, LCR40 показал 1088 мкФ. Это довольно близко для конденсатора такого размера в таких разных условиях испытаний.

Конечно, в этой части Classroom мы действительно намеревались продемонстрировать несколько методов определения номинала неизвестных конденсаторов.Это могут быть немаркированные конденсаторы или конденсаторы, маркировка которых повреждена, но гораздо чаще эти методы используются для определения того, имеет ли конденсатор номинал, который он должен иметь. Мы рассмотрим несколько вариантов, в которых используется тестовое оборудование или специальные схемы, прежде чем поделиться дизайном, который мы модифицировали и скомпилировали из нескольких различных онлайн-проектов с использованием Arduino для создания базового измерителя емкости.

Мультиметры

становятся все более и более доступными, а примеры с возможностью измерения емкости теперь можно найти менее чем за 50 долларов.На самом деле, мы нашли образцы менее чем за 20 долларов, но они были не от уважаемых продавцов и, похоже, не обладали качеством сборки или дизайна.

Проблема с этими счетчиками — точность. В то время как многие заявляют 5% или даже меньше, наш опыт не вселил в нас уверенности в истинности этих заявлений, даже среди единиц от крупных розничных продавцов. Если они действительно точны до 5% или меньше, то этого достаточно, чтобы определить, неисправен ли ваш конденсатор или нет. Однако этого недостаточно для построения, скажем, настроенной схемы, если только она не будет спроектирована с достаточным диапазоном регулировки.

Кроме того, могут возникать проблемы с верхним и нижним пределами диапазона. Часто конденсаторы с низким пикофарадом не могут быть измерены должным образом. Функция емкости нашего мультиметра имеет самый низкий диапазон 4 нФ, но мы обнаружили, что значения 500 пФ или меньше начинают показывать результаты, подразумевающие отсутствие точности. Кроме того, заявлен верхний диапазон 100 мкФ, и, конечно же, конденсатор на 1000 мкФ, подключенный к пробникам, показывает O/L.

Несмотря на это, если ваши наиболее распространенные потребности в конденсаторах попадают в указанные диапазоны, вариант по-прежнему привлекателен.

Для использования мультиметра, измеряющего емкость, может потребоваться выбрать специальную позицию на диске режимов или групповую позицию на диске режимов и использовать кнопку функции или режима для выбора емкости. Будьте осторожны, потому что в последнем варианте действительно легко забыть о шаге кнопки режима и сильно запутаться в чтении. Если показание, скажем, в омах, вы поймете. Если показание просто O/L (вне диапазона), вы можете не понять и списать конденсатор как неисправный.

Лучший совет — внимательно прочитать руководство к измерителю и ознакомиться с его функциями, методами и ограничениями, прежде чем пытаться проверить конденсатор. Таким образом, вы с большей вероятностью получите нужный результат.

Одним из старейших методов определения неизвестной емкости является мостовая схема. Мостовые схемы могут быть созданы для определения неизвестного значения многих различных компонентов и работают, уравновешивая известное значение неизвестным значением и измеряя разницу.Все они являются вариациями или производными Венского моста.

В своей простой форме мост состоит из двух резисторов и двух конденсаторов, нулевого детектора и источника переменного напряжения. Один конденсатор известен, а другой нет. Резистор, включенный последовательно с неизвестным конденсатором, должен быть переменным. Посередине установлен «нулевой детектор», который представляет собой чувствительный вольтметр, способный считывать напряжение переменного тока и имеющий центральную нулевую точку. Переменный резистор регулируется до тех пор, пока вольтметр не покажет 0 В, что представляет собой симметричную цепь.В этом случае необходимо измерить сопротивление переменного резистора и выполнить следующее уравнение:

Где C X — неизвестная емкость в фарадах, RV — значение приведенного сопротивления в омах, RF — значение фиксированного сопротивления в омах, а C S — значение известного конденсатора в фарадах. Известный конденсатор называется «стандартным» конденсатором и часто относится к высокоточному типу, предназначенному для испытаний, отсюда и обозначение «s».

Однако простые схемы емкостного моста, часто встречающиеся в Интернете и в учебных пособиях, имеют одну серьезную проблему: они действительно работают только с почти идеальными конденсаторами, что означает конденсаторы с воздушным зазором, качественные слюдяные конденсаторы или некоторые пленочные и керамические конденсаторы. Во всем остальном пути паразитного напряжения вызывают проблемы. Однако, когда дело доходит до определения неисправных крышек, это, вероятно, поможет вам довольно близко. Это может быть даже достаточно для некоторых схем фильтров, если не требуется абсолютная точность, и, безусловно, будет хорошим упражнением для тех, кто склонен сравнивать результаты с другими методами.

Альтернативой является емкостной мост с последовательным сопротивлением. Схема построена из последовательного резистора и известного слюдяного конденсатора (выбранного из-за их превосходной стабильности и постоянства), а другим сопротивлением является ESR целевого конденсатора. С этой схемой связано слишком много проблем, чтобы объяснять ее: математика выходит далеко за рамки Classroom благодаря множеству других факторов, а необходимые слюдяные конденсаторы трудно достать.

Этот конкретный метод является грубым, довольно неточным, но очень доступным.Используя резистор большого номинала для создания RC-цепи, мы можем замедлить время зарядки настолько, чтобы использовать мультиметр и секундомер. В то время как у немногих из нас есть секундомер, почти у всех из нас он есть в приложении часов на наших смартфонах. Единственная необходимая вещь — это мультиметр для измерения напряжения и, возможно, калькулятор, чтобы вычислить, что составляет 63,2% приложенного напряжения, если вы не хотите использовать бумагу, ручку или голову. Опять же, это в вашем телефоне.

Начните с измерения напряжения питания.Это даст точное число для расчета 63,2%, а не номинальное значение блока питания. Затем отключите питание и с помощью зажимов подключите его и щупы мультиметра к сети RC. Убедитесь, что резистор находится на положительной стороне конденсатора (этот метод действительно работает только со значениями, достаточно большими, чтобы быть недоступным для чего-либо, кроме электролитов), и коснитесь им земли, чтобы убедиться, что вы начинаете с разряженным конденсатором.

Теперь приготовьте секундомер.Включите питание и запустите секундомер в тот же момент. Наблюдайте за дисплеем мультиметра, и когда напряжение приблизится к расчетному значению, составляющему 63,2% от напряжения питания, приготовьтесь нажать кнопку остановки на секундомере. Это время в секундах, включая десятичные дроби, является значением для ваших вычислений. Из-за неточностей, присущих этому методу, вы можете повторить его несколько раз и найти среднее значение времени.

Если T = RC, то C = T ÷ R, с емкостью C в фарадах, временем T в секундах и сопротивлением R в омах.

Гораздо более точным способом проведения предыдущего теста является использование осциллографа. Поскольку почти все современные осциллографы являются цифровыми запоминающими осциллографами (DSO), их можно построить в виде графика сигнала и сохранить изображение. Используя градуировку на экране, можно получить более точное измерение времени, чем при использовании метода секундомера.

Значение используемого здесь резистора может и должно быть намного меньше, хотя точное значение зависит от номинала конденсатора.Для конденсаторов в пикофарадном диапазоне может подойти резистор в десятки Ом. Для конденсатора в миллифарадном диапазоне резистор в несколько тысяч Ом может быть лучше. Фактические значения могут зависеть от выбранного вами генератора сигналов, и в некоторых случаях выход 50 Ом подойдет. Если это не так, не забудьте добавить его к номиналу резистора в своих расчетах.

Необходимые элементы: DSO, функциональный генератор с возможностью генерировать выходной сигнал прямоугольной формы, тестовый конденсатор и известный резистор.Вы также можете использовать мультиметр для измерения точного значения резистора. Как правило, здесь лучше всего работает DSO с двумя каналами и генератором функций с двумя выходами. Вы поймете почему, когда мы запустим настройку.

Подключите первый канал функционального генератора к первому каналу DSO. Это лучше всего сделать с помощью кабеля BNC-BNC, но при необходимости можно выполнить с помощью кабеля BNC-крокодил и зонда DSO. Этот канал является опорным для регулировки частоты тестового сигнала.Настройте генератор на отображение прямоугольной волны номинальной частоты, которая может сильно различаться. Смотри ниже. Теперь подключите BNC к проводу типа «крокодил» от второго канала функционального генератора к сети RC. Закрепите зонд DSO на другой стороне и подключите его ко второму каналу DSO. Соблюдайте полярность; то есть заземление обоих выводов вместе и с отрицательным выводом конденсатора, если он поляризован.

Поскольку первая постоянная времени достигается, когда конденсатор наполовину заряжен, измерение с помощью экрана DSO становится намного проще. Отрегулируйте разрешение по вертикали, пока эталонный сигнал не займет восемь делений. Выключите второй канал, если это упростит задачу. Теперь включите второй канал и регулируйте частоту генератора сигналов до тех пор, пока конденсатор не завершит зарядку очень близко к концу высокого периода сигнала прямоугольной формы. Если частота слишком низкая, конденсатор заканчивает зарядку слишком рано, а если слишком высокая, конденсатор не зарядится до конца.

Когда у вас есть формы сигналов, какими они должны быть, отрегулируйте горизонтальные элементы управления DSO, чтобы распространить сигнал и позволить использовать большую часть оси x для расчета времени.Это делает измерение более точным. Время может быть в миллисекундах или микросекундах, поэтому обязательно конвертируйте обратно в секунды для расчета.

Теперь вы можете выполнить тот же расчет, что и в версии с мультиметром, но мы повторим его здесь, чтобы вам не приходилось переворачивать или прокручивать страницы.

Если T = RC, то C = T ÷ R, с емкостью C в фарадах, временем T в секундах и сопротивлением R в омах.

Вот и все, вы измерили номинал неизвестного или подозрительного конденсатора.Мы рекомендуем сначала попробовать его на нескольких хороших конденсаторах, чтобы получить правильную технику, прежде чем пробовать подозрительный.

Последний метод проверки неизвестного конденсатора — подключить его к измерителю LCR. Как и в случае с катушками индуктивности в прошлом месяце, этот метод немного проще, чем любой из описанных выше. Устройство покажет, какие параметры оно использовало для выполнения теста, но обычно емкость проверяется с помощью сигнала постоянного тока.

ШАГ 1: Подключите компонент к проводам.

ШАГ 2: Нажмите кнопку «Тест».

ШАГ 3: Подождите.

ШАГ 4: Считайте значение с экрана, включая параметры.

Хотя эта сборка может и не превратиться в серьезное испытательное оборудование, она все же может быть удобной для почти достаточного количества измерений. Это также немного весело.

В сборке снова используется принцип постоянной времени.Основная предпосылка состоит в том, чтобы Arduino подавал напряжение на тестовый конденсатор и запускал таймер в тот же момент. Он использует аналого-цифровой преобразователь для отслеживания возрастающего напряжения и времени между пуском и напряжением, достигающим 63,2% от общего значения. Для большей точности мы включили раздел кода для ссылки на напряжение питания перед выполнением теста, чтобы исключить ошибки из-за разницы между номинальным и фактическим напряжением питания.

Сборка настолько проста, что мы не чувствуем необходимости в пошаговых инструкциях.Фрицинга и схемы должно быть достаточно. Однако есть некоторые особенности, на которые стоит обратить внимание. Arduino может потреблять 6 мА или 9 мА в зависимости от версии, поэтому мы выбрали максимум 6 мА. При 5 В для этого требуется резистор 830 Ом. Мы выбрали 1 кОм, чтобы быть безопасным и простым. Когда Arduino разряжает конденсатор, он будет использовать тот же контакт, который использовался для его зарядки.

Мы включили в код некоторые математические операции для возврата значения в микрофарадах, нанофарадах или пикофарадах. Вы должны выбрать, какой, однако.Вы можете сделать это, удалив разделители // комментариев перед соответствующим разделом кода. Мы также настроили систему для измерения времени зарядки от 0% до 63,2% и времени разрядки от 100% до 36,8%, а затем усреднили их для получения более точного результата.

Последнее, что следует отметить, это то, что 63,2% и 36,8% сигнала АЦП 1024 не являются целыми битами, поэтому мы перешли к ближайшему биту. И в обоих случаях он был очень близок. 63,2% равняется 646,168 (помните, что мы начинаем с 0 и считаем до 1023 для 1024-битного числа, то есть 1024 x 63.2% на самом деле 647,168), поэтому мы выбрали 646. 36,8% равно 375,832, поэтому мы выбрали 376. Вывод идет на последовательный монитор, поэтому он должен оставаться подключенным к компьютеру, на котором он размещен. Нажатие кнопки запускает тест.

Все остальное будет объяснено с комментариями в коде, чтобы мы могли обновлять и изменять его, не делая эту статью устаревшей, по мере того, как мы находим проблемы или лучшие способы делать что-то.

Требуемые детали:

381 1 х Материал пайки

1 х 10 км Ом *

1 х

1 х Пакет макета проволоки Ссылки
5 X X Plug-Plug Jumper Leads
1 х Arduino Uno или совместимый Доска
1 х 1 кОм резисторы * R1
R2
C1
1 х тактильный pushbutton * SW1

903 x 11 x

1 х

PB8820
1 x Pack из макета проволоки PB8850
5 x 111 WC6027 WC6027
1 х Arduino Uno или совместимый Совет XC4410
1 х 1кИе Резисторы * RR0573
1 х 10кИе резисторы * RR0596
1 х 100nF конденсатор RM7125
1 х Тактильная Кнопочный * SP0608
1 x

P1002
1 х Pack из макета проволоки P1014A
5 x X X,

5 x Plug-Plug jumper Leads P1017
1 X Arduino Uno или совместимый Совет Z6240
1 х 1кИе Резисторы * R7558
1 х 10кИе резисторы * R7582
1 х 100nF конденсатор R3025B
1 х Тактильная Кнопочный * S1135

* Количество указано, возможна продажа упаковками.

Вы можете изменить код, чтобы выполнить тест несколько раз и взять среднее значение, чтобы получить более точный результат, или сравнить его и посмотреть, есть ли разница. Другое важное изменение, которое мы можем придумать, — это встроить в код ЖК-дисплей или какой-либо другой дисплей и сделать всю схему автономной. Если вы действительно любите приключения, вы можете вычислить ожидаемое время зарядки различных конденсаторов и учесть это в результате синхронизации, чтобы автоматически указать значение в пико, нано или микрофарадах в зависимости от того, в какой диапазон попадает время.Математика для этого потребует убедиться, что базовый расчет остается в фарадах, чтобы результат можно было сравнить с диапазоном ожидаемых значений до выполнения преобразования.

Измерения емкости и индуктивности с помощью осциллографа и функционального генератора

В большинстве лабораторий имеется достаточный запас цифровых мультиметров для измерения сопротивления постоянному току, но когда
речь идет об измерении индуктивности, емкости и импеданса, это не всегда
легко найти LCR метр.

Счетчики

LCR работают, подавая переменное напряжение на устройство.
при тестировании и измерения результирующего тока, как по амплитуде, так и по
фазы относительно сигнала напряжения переменного тока.Емкостное сопротивление будет иметь
форма волны тока, которая опережает форму волны напряжения. Индуктивное сопротивление будет
имеют форму волны тока, которая отстает от формы волны напряжения. К счастью, если
у вас есть осциллограф и генератор функций в вашей лаборатории, вы можете использовать
аналогичный метод для проведения многочастотных измерений импеданса с хорошим
Результаты. Этот подход также может быть адаптирован для использования в качестве учебной лаборатории.
упражнение.


Рис. 1.
Импеданс моделируется как
конденсатор или катушка индуктивности с эквивалентным последовательным сопротивлением.

Что такое импеданс?

Импеданс – это полное сопротивление протеканию тока в
цепь переменного тока. Он состоит из сопротивления (действительного) и реактивного сопротивления.
(мнимый) и обычно представляется в комплексной записи как Z = R + jX ,
где R — сопротивление, а X — реактивное сопротивление.

Реальные компоненты состоят из проводов, соединений,
проводников и диэлектрических материалов. Эти элементы в совокупности составляют
характеристик импеданса компонента, и этот импеданс изменяется в зависимости от
частота тестового сигнала и уровень напряжения, наличие постоянного напряжения смещения
или факторы тока и окружающей среды, такие как рабочая температура или
высота.Из этих потенциальных влияний частота тестового сигнала часто является
наиболее значимый фактор.

В отличие от идеальных компонентов, реальные компоненты не являются чисто
индуктивная или емкостная. Все компоненты имеют последовательное сопротивление, т.
Параметр R в его импедансе. Но у них также есть несколько вкладчиков в их
реактивное сопротивление. Например, конденсатор имеет последовательную индуктивность, которая становится больше
проявляется на высоких частотах. Когда мы измеряем реальный конденсатор, ряд
индуктивность (ESL) повлияет на показания емкости, но мы не сможем
измерять его как отдельный компонент.

Методы измерения импеданса

Метод ВАХ, описанный в этих указаниях по применению, просто
один из многих методов измерения импеданса. Другие включают метод моста.
и резонансный метод.

Метод ВАХ использует значение напряжения и тока через
тестируемое устройство (DUT) для расчета неизвестного импеданса, Z x . Текущий
измеряется путем измерения падения напряжения на последовательно включенном прецизионном резисторе
с тестируемым устройством, как показано на рисунке 2.Уравнение 1 показывает, как можно использовать схему
найти Z х .
Уравнение 1:

Теоретическая точность

В этих указаниях по применению мы будем использовать Tektronix AFG2021.
генератор сигналов произвольной формы и осциллограф Tektronix серии MDO4000.
измерение. Полоса пропускания AFG2021 20 МГц хорошо подходит для этого.
измерение. Точность усиления по постоянному току MDO4000 составляет 2 % при настройке 1 мВ/дел.
1,5% при других настройках по вертикали. Как вы можете видеть в уравнении 1,
Точность измерения напряжения осциллографом является наиболее важным фактором в
общая точность теста.

На основании уравнения 1 теоретическая точность этого
метод измерения должен составлять около 4% при настройке MDO4000 1 мВ/дел и 3%
при других настройках.

Так как частота дискретизации осциллографа намного
выше частот стимулов, используемых в этих тестах, ошибка
вклад фазовых измерений будет пренебрежимо мал.


Рис. 3.
Тестовая установка для
оценка конденсатора, как в примере 1.

Пример испытаний

В следующих двух примерах представлены конденсатор/катушка индуктивности/
Измерение ESR с помощью осциллографа и функционального генератора.

Используемое оборудование:
  • AFG2021 Генератор сигналов/функций
  • Осциллограф MDO4104C
  • А 1 кОм
    прецизионный резистор
  • Конденсаторы и катушки индуктивности, подлежащие испытанию
  • Два пробника напряжения Tektronix TPP1000

Для этого применения большинство осциллографов и функций
генераторы дадут приемлемые результаты, так как тестовые частоты ниже
100 кГц. Однако мы воспользуемся статистикой измерений на MDO4000.
Серия в этом примере.


Рис. 4.
Осциллограммы напряжения и
измерения, проведенные в узлах A1 и A2.

Пример 1: керамический конденсатор 10 мкФ

Настройте тестовую схему, как показано на рис. 3. Примечание.
что R ESR и
C связаны с тестируемым керамическим конденсатором, и что R fg представляет собой выходное сопротивление 50 Ом конденсатора.
генератор функций.

Установите генератор функций на вывод 1,9 В
амплитуда, синусоида 100 Гц.Вы можете использовать ручку или клавиатуру AFG2021 для
установить напряжение и частоту. Отрегулируйте настройку масштаба по вертикали
осциллограф, чтобы использовать как можно больше экрана — используя как можно больше
диапазон, насколько это возможно, вы улучшите точность вашего напряжения
измерения.

С помощью осциллографа проверьте узлы A1 и A2. Рисунок 4
показывает результирующую форму волны.

Выберите режим получения среднего значения осциллографа.
и установите количество средних значений равным 128. Это уменьшит влияние случайных
шум в ваших измерениях.Настройте осциллограф на измерение канала 1.
частота, фаза между каналом 2 и каналом 1, амплитуда канала 1 и
амплитуда канала 2, как показано на рис. 4. Если ваш осциллограф поддерживает
статистики измерений, таких как серия MDO4000, записывайте средние значения для
расчеты. В противном случае запишите самые последние значения.

Из настройки измерений мы знаем:

  • Частота стимула, f = 100 Гц
  • Прецизионный резистор, Rref = 1 кОм

Из измерений, сделанных на осциллографе и показанных
на рисунке 4:

  • Амплитуда напряжения, измеренная на A1, В A1 = 1.929 В
  • Амплитуда напряжения, измеренная на A2, В A2 = 0,310 В
  • Разность фаз между напряжением, измеренным на A2, относительно A1, θ = -79,95°

Обратите внимание, что в узле A1 напряжение имеет фазовый угол 0°,
то есть он находится в фазе с выходным сигналом функционального генератора. На А2 напряжение равно
смещены вперед на фазовый угол θ.

Можно найти полное сопротивление тестируемого конденсатора
используя уравнение 1.

Полное сопротивление может быть выражено в полярной форме, где
величина определяется уравнением 2.

Уравнение 2:

Угол импеданса определяется путем вычитания двух
углы:

Уравнение 3:

Для теста в нашем примере мы можем использовать уравнение 2
и Уравнение 3, чтобы найти величину и угол импеданса
проверяемый конденсатор:

Теперь мы можем преобразовать импеданс в прямоугольную форму.
найти сопротивление и емкость.

Используя приведенные выше уравнения, мы можем найти ESR и
Емкость ИУ:

Уравнения 4 и 5:

Используя уравнение 4 и уравнение 5, мы можем рассчитать ESR
и емкость испытуемого конденсатора:

 

по
Объем/ФГ

по
USB ВНА

по
ЛКР

по
Объем/ФГ

по
USB ВНА

по
ЛКР

Частота

емкость
(мкФ)

емкость
(мкФ)

емкость
(мкФ)

СОЭ (Ом)

СОЭ (Ом)

СОЭ (Ом)

10 Гц

10. 3

10,4

 Н/Д

28,3

32,8

 Н/Д

30 Гц

10,1

10,4

 Н/Д

9.1

7,8

 Н/Д

100 Гц

9.8

10,3

10.22

2,4

3,2

2,3

300 Гц

9,8

10,1

 Н/Д

0,7

1.1

 Н/Д

1 кГц

9.7

9,8

9,96

0,3

0,3

0,21


Таблица 1. Сравнительная таблица примера 1. LCR
в руководстве сказано, что точность составляет 0,05%, а в руководстве USB VNA указано, что это
точность 2%.

В таблице 1 сравниваются результаты, полученные с помощью осциллографа.
и генератор функций для результатов, достигнутых с помощью недорогого ВАЦ и
традиционный LCR-метр.Измеритель LCR, использованный в этом случае, поддерживал только тест
частоты 100 Гц и 1 кГц, которые являются общими тестовыми частотами компонентов.
Вы заметите, что эти три метода достаточно хорошо коррелируют друг с другом.

Значения пассивных компонентов указаны с особым
с учетом частоты, и измерители LCR часто имеют более одной тестовой частоты для
эта причина. В таблице 1 показаны результаты с использованием осциллографа/функции
комбинация генераторов на пяти различных частотах. Вы можете увидеть эффект от
паразитная индуктивность в испытательной цепи по мере увеличения испытательной частоты –
измеренная емкость падает по мере увеличения испытательной частоты. См. раздел о
«Диапазон измерения» для получения дополнительной информации о тестовых частотах.

Для достижения наилучших результатов вам необходимо сохранить значение
прецизионного резистора (R ref )
достаточно низким, чтобы дать значительную волну напряжения в узле A2. Резистор
также должно быть больше 50 Ом или выходного импеданса функционального генератора.
будет учитываться при измерении.


Рисунок 5.
Тестовая установка для
оценка индуктора, как в примере 2.

Пример 2: дроссель 10 мГн

Тестовая схема и процедура практически идентичны
те, которые использовались для проверки конденсатора в примере 1.

Используйте генератор функций для вывода сигнала 1,9 В.
амплитуда синусоиды 10 кГц. Сигнал подается на эталонный резистор и
проверяемый индуктор.

С помощью осциллографа проверьте узлы A1 и A2. Рисунок 6
показывает два результирующих сигнала.


Рисунок 6. Кривые напряжения и измерения
взятых в узлах A1 и A2.

Выберите режим получения среднего значения осциллографа.
и установите количество средних значений равным 128. Это уменьшит влияние случайных
шум в ваших измерениях.Настройте осциллограф на измерение канала 1.
частота, фаза между каналом 2 и каналом 1, амплитуда канала 1 и
амплитуда канала 2, как показано на рис. 6. Если ваш осциллограф предлагает
статистики измерений, таких как серия MDO4000, записывайте средние значения для
расчеты. В противном случае запишите самые последние значения.

Из настройки измерений мы знаем:

  • Частота стимула, f = 10 кГц
  • Прецизионный резистор, R № по каталогу = 1 кОм

Из измерений, сделанных на осциллографе и показанных
на рисунке 6:

  • Амплитуда напряжения, измеренная на A1, В A1 = 1.832 В
  • Амплитуда напряжения, измеренная на A2, В A2 = 0,952 В
  • Разность фаз между напряжением
    измерено на A2 относительно A1, θ
    = 56,03°
  • Обратите внимание, что в узле A1 напряжение имеет фазовый угол 0°,
    то есть он находится в фазе с выходным сигналом функционального генератора. На А2 напряжение равно
    смещены вперед на фазовый угол θ.

    Мы можем использовать те же уравнения для расчета импеданса
    ИУ, которое мы использовали для измерения конденсатора в примере 1. Импеданс может
    быть выражено в полярной форме, где величина и угол импеданса равны
    предоставлено:

    Теперь мы можем преобразовать в прямоугольную форму
    импеданс найти сопротивление и индуктивность

    Используя приведенные выше уравнения, мы можем найти ESR и
    Индуктивность ИУ:

    Уравнения 6 и 7:

    Используя уравнение 6 и уравнение 7, мы можем рассчитать ESR
    и индуктивность для тестируемого индуктора:

     

    по
    Объем/ФГ

    через USB
    ВНА

    по LCR

    по
    Объем/ФГ

    через USB
    ВНА

    по LCR

    Частота

    Индуктивность
    (мГн)

    Индуктивность
    (мГн)

    Индуктивность
    (мГн)

    СОЭ (Ом)

    СОЭ (Ом)

    СОЭ (Ом)

    10 Гц

    12

    10. 3

     Н/Д

    20,5

    20,8

    Н/Д

    100 Гц

    10,1

    10,4

    10.31

    20,6

    20,9

    20,9

    1 кГц

    10,3

    10.2

    10,1

    20,5

    22

    21,5

    10 кГц

    10

    9,8

    9,76

    29,8

    31,5

    29,4


    Таблица 2. Сравнительная таблица примера 2.

    Опять же, в Таблице 2 сравниваются полученные результаты с
    осциллограф и генератор функций для достижения результатов с помощью недорогого ВАЦ и
    традиционный LCR-метр. Эти три метода хорошо коррелируют.

    В таблице 2 также показаны результаты с использованием осциллографа/
    Комбинация функциональных генераторов на четырех различных частотах. См. раздел
    в разделе «Диапазон измерения» для получения дополнительной информации о тестовых частотах.

    Еще раз, вам, возможно, придется поэкспериментировать со значением R ref , чтобы получить лучшее
    Результаты.


    Рисунок 7.
    Емкость/частота
    коробка.

    Рисунок 8.Индуктивность/частота
    коробка.

    Диапазон измерений

    Существуют практические ограничения на частоту стимула и
    значения конденсатора или катушки индуктивности тестируемого устройства для этого метода измерения импеданса.

    На рис. 7 показана коробка емкости/частоты. Если емкость
    значение и частота тестирования попадают в поле, тогда вы сможете
    измерить это. В заштрихованной области точность измерения будет около 3%,
    а вне заштрихованной области точность падает примерно до 5%.Эти неопределенности
    предположим, что вы позаботились о том, чтобы использовать весь экран осциллографа,
    усреднил 128 циклов сигналов и использовал среднее значение
    амплитуды и фазы для выполнения вычислений.

    Аналогичный блок индуктивности/частоты показан на рис.
    8 для испытания индуктора.

    Заключение

    Если в вашей лаборатории нет измерителя LCR или вы
    хочу продемонстрировать поведение конденсаторов и катушек индуктивности при синусоидальном
    стимул, осциллограф и генератор функций могут помочь вам сделать простое,
    прозрачное измерение импеданса.Вы можете ожидать емкость и индуктивность
    значения с погрешностью 3%-5%. Чтобы воспользоваться этим методом, вы
    нужен только функциональный генератор с хорошим частотным и амплитудным диапазоном,
    осциллограф с хорошими характеристиками и функциями, которые мы обсуждали, несколько
    прецизионные резисторы, а также калькулятор или электронную таблицу.