Прибор для измерения емкости конденсаторов. Цифровой измеритель ёмкости Цифровой измеритель ёмкости

Обнаружив в интернете статью Digital Capacitance Meter , я захотел собрать этот измеритель. Однако под рукой не оказалось микроконтроллера AT90S2313 и светодиодных индикаторов с общим анодом. Зато были ATMEGA16 в DIP-корпусе и четырехразрядный семисегментный жидкокристаллический индикатор. Выводов микроконтроллера как раз хватало на то, чтобы подключить его к ЖКИ напрямую. Таким образом, измеритель упростился всего до одной микросхемы (на самом деле, есть и вторая – стабилизатор напряжения), одного транзистора, диода, горстки резисторов-конденсаторов, трех разъемов и кнопки.Прибор получился компактный и удобный в использовании. Теперь у меня нет вопросов о том, как измерить емкость конденсатора. Особенно это важно для SMD-конденсаторов с емкостями в несколько пикофарад (и даже в доли пикофарада), которые я всегда проверяю перед тем, как в паять в какую-нибудь плату. Сейчас выпускается множество настольных и портативных измерителей, производители которых заявляют о нижнем пределе измерений емкости в 0.1 пФ и достаточной точности измерений таких малых емкостей. Однако во многих из них измерения проводятся на довольно низкой частоте (единицы килогерц). Спрашивается, можно ли получить приемлемую точность измерений в таких условиях (даже если параллельно измеряемому подключить конденсатор большей емкости)? Кроме того, в интернете можно найти довольно много клонов схемы RLC-метра на микроконтолллере и операционном усилителе (той самой, что с электромагнитным реле и с одно- или двухстрочным ЖКИ). Однако такими приборами малые емкости померить «по-человечески» не удается. В отличие от многих других, этот измеритель специально спроектирован для измерения малых значений емкости.

Что касается измерения малых индуктивностей (единицы наногенри), то я для этого с успехом использую анализатор RigExpert AA-230 , который выпускает наша компания.

Фотография измерителя емкости:

Параметры измерителя емкости

Диапазон измерения: от 1 пФ до примерно 470 мкФ.
Пределы измерения: автоматическое переключение пределов – 0…56 нФ (нижний предел) и 56 нФ … 470 мкФ (верхний предел).
Индикация: три значащие цифры (две цифры для емкостей меньших, чем 10 пФ).
Управление: единственная кнопка для установки «нуля» и калибровки.
Калибровка: однократная, при помощи двух образцовых конденсаторов, 100 пФ и 100 нФ.

Большая часть выводов микроконтроллера подключена к ЖКИ. К некоторым из них также подключен разъем для внутрисхемного программирования микроконтроллера (ByteBlaster). Четыре вывода задействованы в схеме измерения емкости, включая входы компаратора AIN0 и AIN1, выход управления пределами измерения (при помощи транзистора) и выход выбора порогового напряжения. К единственному оставшемуся выводу микроконтроллера подключена кнопка.

Стабилизатор напряжения +5 В собран по традиционной схеме.

Индикатор – семисегментный, на 4 знака, с прямым подключением сегментов (т.е. не-мультиплексный). К сожалению, на ЖКИ не было маркировки. Такую же цоколевку и размеры (51×23 мм) имеют индикаторы многих фирм, например, AND и Varitronix.

Схема приведена ниже (на схеме не показан диод для защиты от «переполюсовки», через него рекомендуется подключить разъем питания):

Программа микроконтроллера

Поскольку ATMEGA16 – из серии «MEGA», а не из серии «tiny», особого смысла писать ассемблерную программу нет смысла. На языке Си удается сделать ее гораздо быстрей и проще, а приличный объем flash-памяти микроконтроллера позволяет пользоваться встроенной библиотекой функций с плавающей точкой при расчете емкости.

Микроконтроллер проводит измерение емкости за два шага. В первую очередь, определяется время заряда конденсатора через резистор сопротивлением 3.3 МОм (нижний предел). Если необходимое напряжение не достигнуто в течение 0.15 секунд (что соответствует емкости около 56 пФ), заряд конденсатора повторяется через резистор 3.3 кОм (верхний предел измерения).

При этом микроконтроллер сперва разряжает конденсатор через резистор сопротивлением 100 Ом, а затем заряжает его до напряжения 0.17 В. Только после этого замеряется время заряда до напряжения 2.5 В (половина напряжения питания). После этого, цикл измерения повторяется.

При выводе результата на выводы ЖКИ подается напряжение переменной полярности (относительно его общего провода) с частотой около 78 Гц. Достаточно высокая частота полностью устраняет мерцание индикатора.

Из заголовка статьи понятно, что сегодня речь пойдет о приборе для измерения ёмкости конденсаторов. Не в каждом простом мультиметре есть данная функция. А ведь при изготовлении очередной самоделки мы очень часто задумываемся: будет ли она работать, исправны ли конденсаторы, которые мы применили, как их проверить.Да и просто в процессе ремонта данный прибор будет необходим. Проверить на целостность электролитический конденсатор, конечно, можно при помощи тестера. Но мы узнаем: живой он или нет, а вот определить ёмкость, насколько он сухой, мы не сможем.

В некоторых дешевых мультиметрах, которые присутствуют сейчас на рынке, имеется эта функция. Но предел измерения ограничен цифрой в 200 микрофарад. Что явно мало. Нужно хотя бы четыре тысячи микрофарад. Но такие мультиметры стоят на порядок выше. Поэтому я наконец-то решил купить измеритель ёмкости конденсаторов
. Выбирал самый дешевый с приемлемыми характеристиками. Остановил свой выбор на XC6013L:

Поставляется это устройство в красивой коробке. Правда, на коробке изображение другого мультиметра:

А сверху наклейка с моделью данного прибора, наверно, у китайцев не хватает коробок:

Прибор заключён в защитный желтый кожух из мягкой пластмассы, похожей на резину. В руках чувствуется увесистость, что говорит о серьезности прибора. С нижней стороны имеется откидная подставка, которая многим может и не пригодиться:

Питается измеритель ёмкости от батарейки напряжением 9 вольт типа крона, которая поставляется в комплекте:

Характеристики прибора просто великолепны. Он может производить измерения от 200 пикофарад до 20 тысяч микрофарад. Что вполне достаточно для радиолюбительских целей:

Сверху прибора расположился большой и информативный жидкокристаллический дисплей. Под ним находятся две кнопки. Слева — красная кнопка, при помощи которой можно зафиксировать на дисплее текущее показание ёмкости. А справа — синяя кнопка, которая очень порадовала, — подсветкой экрана, что, несомненно, является плюсом данного прибора. Между кнопками имеется коннектор для измерения малогабаритных конденсаторов. Правда, проверить бушные конденсаторы, выпаянные из плат доноров, не получается, так как контактные площадки расположены достаточно глубоко. Поэтому данным коннектором можно воспользоваться, только проверяя конденсаторы с длинными выводами:

Под селектором выбора диапазонов измерений находится коннектор для подключения щупов. Кстати, щупы выполнены из такого же материала, как защитный кожух прибора, наощупь они довольно-таки мягкие:

Там же находится, несомненно, самая важная функция прибора — это установка нулевых показаний при измерении ёмкостей в разряде пикофарад. Что наглядно видно на следующих двух фотографиях. Здесь умышленно извлечен один щуп и при помощи регулятора выставлен ноль:

Здесь щуп поставлен на место. Как видите, ёмкость щупов влияет на показания. Теперь достаточно при помощи регулятора выставить ноль и произвести измерения, что будет достаточно точно:

Теперь давайте протестируем прибор в работе и посмотрим, на что он способен.

Тестируем измеритель ёмкости конденсаторов

Для начала будем проверять конденсаторы заведомо исправные, новые и извлечённые из плат доноров. Первым будет подопытный на 120 микрофарад. Это новый экземпляр. Как видите, показания слегка занижены. Кстати, таких конденсаторов у меня штуки 4, и ни один не показал 120 микрофарад. Возможна погрешность прибора. А может, сейчас делают одну некондицию:

Вот одна тысяча микрофарад, весьма точно:

Две тысячи двести микрофарад, тоже неплохо:

А вот десять микрофарад:

Ну а теперь сто микрофарад, очень хорошо:

Давайте посмотрим на показания прибора, которые он покажет при проверке дефектных конденсаторов, которые были извлечены во время ремонта . Как видите, разница ощутима:

Вот такие получились результаты. Конечно, в некоторых случаях неисправность электролитического конденсатора видна визуально. Но в большинстве случаев без прибора обойтись сложно. К тому же я тестировал данный прибор на двух платах, проверяя конденсаторы, не выпаивая их. Устройство показало неплохие результаты, только в некоторых случаях нужно соблюдать полярность. Поэтому я советую купить такой прибор, и вы сможете измерять ёмкость конденсаторов 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.

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

R4, R8 510k R15 13

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

ESR метр своими руками
. Есть широкий перечень поломок аппаратуры, причиной которых как раз является электролитический . Главный фактор неисправности электролитических конденсаторов, это знакомое всем радиолюбителям «высыхание», которое возникает по причине плохой герметизации корпуса. В данном случае увеличивается его емкостное или, иначе говоря, реактивное сопротивление в следствии уменьшения его номинальной емкости.

Помимо этого, в ходе работы в нем проходят электрохимические реакции, которые разъедают точки соединения выводов с обкладками. Контакт ухудшается, в итоге образуется «контактное сопротивление», доходящее иногда до нескольких десятков Ом. Это точно также, если к исправному конденсатору последовательно подключить резистор, и к тому же этот резистор размещен внутри него. Такое сопротивление еще именуют «эквивалентное последовательное сопротивление» или же ESR.

Существование последовательного сопротивления отрицательно влияет на работу электронных устройств, искажая работу конденсаторов в схеме. Чрезвычайно сильное влияние оказывает повышенное ESR (порядка 3…5 Ом) на работоспособность , приводя к сгоранию дорогих микросхем и транзисторов.

Ниже в таблице приведены средние величины ESR (в миллиоммах) для новых конденсаторов различной емкости в зависимости от напряжения, на которое они рассчитаны.

Не секрет, что реактивное сопротивление уменьшается с повышением частоты. К примеру, при частоте 100кГц и емкости 10мкФ емкостная составляющая будет не более 0,2 Ом. Замеряя падение переменного напряжения имеющего частоту 100 кГц и выше, можно полагать, что при погрешности в районе 10…20% итогом замера будет активное сопротивление конденсатора. Поэтому совсем не сложно собрать .

Описание ESR метра для конденсаторов

Генератор импульсов, имеющий частоту 120кГц, собран на логических элементах DD1.1 и DD1.2. Частота генератора определяется RC-цепью на элементах R1 и C1.

Для согласования введен элемент DD1.3. Для увеличения мощности импульсов с генератора в схему введены элементы DD1.4…DD1.6. Далее сигнал проходит через делитель напряжения на резисторах R2 и R3 и поступает на исследуемый конденсатор Сх. Блок измерения переменного напряжения содержит диоды VD1 и VD2 и мультиметр, в качестве измерителя напряжения, к примеру, М838. Мультиметр необходимо перевести в режим измерения постоянного напряжения. Подстройку ESR метра осуществляют путем изменения величины R2.

Микросхему DD1 — К561ЛН2 можно поменять на К1561ЛН2. Диоды VD1 и VD2 германиевые, возможно использовать Д9, ГД507, Д18.

Радиодетали ESR метра расположены на , которую можно изготовить своими руками. Конструктивно устройство выполнено в одном корпусе с элементом питания. Щуп Х1 выполнен в виде шила и прикреплен к корпусу устройства, щуп X2 – провод не более 10 см в длину на конце которого игла. Проверка конденсаторов возможна прямо на плате, выпаивать их не обязательно, что существенно облегчает поиск неисправного конденсатора во время ремонта.

Настройка устройства

1, 5, 10, 15, 25, 30, 40, 60, 70 и 80 Ом.

К щупам X1 и X2 необходимо подсоединить резистор в 1 Ом и вращением R2 добиться, чтобы на мультиметре было 1мВ. Затем вместо 1 Ом подключить следующий резистор (5 Ом) и не изменяя R2 записать показание мультиметра. То же самое проделать и с оставшимися сопротивлениями. В результате этого получится таблица значений, по которой можно будет определять реактивное сопротивление.

Измеритель емкости конденсаторов своими руками
— ниже представлена схема и описание как не прилагая больших усилий можно самостоятельно изготовить прибор для тестирования емкости конденсаторов. Такое устройство очень может пригодится при покупке емкостей на радиоэлектронном рынке. С его помощью без проблем выявляется некачественный или бракованный элемент накопления электрического заряда. Принципиальная схема данного ESRа, как его обычно называю большинство электронщиков, ничего сложного из себя не представляет и собрать такой аппарат может даже начинающий радиолюбитель.

Причем измеритель емкости конденсаторов не предполагает для его сборки длительного времени и больших денежных затрат, на изготовление пробника эквивалентного последовательного сопротивления уходит буквально два-три часа. Также не обязательно бежать в магазин радиотоваров — наверняка у любого радиолюбителя найдутся неиспользованные детали подходящие для этой конструкции. Все, что вам потребуется для повторения данной схемы — это мультиметр практически любой модели, только желательно, что бы был цифровой и с десяток деталей. Каких то переделок или модернизации цифрового тестера производить не нужно, все что необходимо с ним сделать — это припаять выводы деталей к необходимым площадкам на его плате.

Принципиальная схема устройства ESR:

Перечень элементов необходимых для сборки измерителя:

Один из главных компонентов прибора — это трансформатор, который должен иметь соотношением витков 111. Ферритовый кольцевой сердечник М2000НМ1-36 К10х6х3, который нужно предварительно обмотать изолирующим материалом. Затем намотать первичную обмотку на него, располагая витки по принципу — виток к витку, при этом заполняя всю окружность. Вторичную обмотку также необходимо выполнять с равномерным распределением по всему периметру. Примерное количество витков в первичной обмотки для кольца К10х6х3 будет 60-90 витков, а вторичка должна быть в одиннадцать раз меньше.

Диод D1 использовать можно практически любой кремневый с обратным напряжением не менее 40v, если вам не особо нужна супер точность в измерениях, то вполне подойдет КА220. Для более точного определения емкости придется поставить диод с небольшим падением напряжения в варианте прямого включения — Шоттки. Защитный супрессорный диод D2 должен быть рассчитан на обратное напряжение от 28v до 38v. Транзистор маломощный кремневый p-n-p проводимости: например КТ361 или его аналог.

Измерение величины ЭПС выполнять в диапазоне напряжения 20v. Во время подключении коннектора внешнего измерителя, ESR-приставка к мультиметру сразу же переходит в режим работы тестирования емкости. При этом будет визуально отображено на приборе показание около 35v в диапазоне проверки 200v и 1000v (это в зависимости от использования супрессорного диода). В случае исследования емкости на 20 вольтах, показание будет отображено как «выход за границу измерения». Когда коннектор внешнего измерителя отсоединяется, то и ЭПС-приставка моментально переключается на режим работы как обыкновенного мультиметра.

Заключение

Принцип работы устройства — для начала работы прибора нужно включить в сеть адаптер, при этом происходит включение измерителя ЭПС, когда отключили ESR, то мультиметр автоматически переходит в режим выполнения штатных функций. Чтобы сделать калибровку аппарата нужно подобрать постоянный резистор, так чтобы соответствовало шкале. Для наглядности картина ниже:

При замыкании щупов на шкале мультиметра будет отображено 0.00- 0.01, это показание означает погрешность прибора в диапазоне измерения до 1 Ом.