У цій статті наведено елементарну схему вимірювача ємності на логічній мікросхемі. Таке класичне та елементарне схемотехнічне рішення досить швидко і легко можна відтворити. Тому ця стаття буде корисна початківцю радіоаматору, який задумав зібрати собі елементарний вимірювач ємності конденсатора.
Робота схеми вимірювача ємності:
Малюнок №1 – Вимірник ємності схема Перелік елементів вимірювача ємності:
R1- R4 - 47 кім
R5 – 1,1 КОМ
C3 - 1500 пФ
C4 - 12000 пФ
C5 -0,1 мкФ
З змін. – конденсатор ємність якого ви хочете вимірювати
SА1 – галетний перемикач
DA1 - К155ЛА3 або SN7400
VD1-VD2– КД509 або аналог 1N903A
PA1 – Стрілка індикаторна головка (струм повного відхилення 1 мА, опір рамки 240 Ом)
XS1-XS2 – роз'єми типу «крокодил»
Такий варіант вимірювача ємності конденсаторів має чотири діапазони, які можна вибирати перемикачем SA1. Наприклад, у положенні «1» можна проміряти конденсатори з ємністю 50 пФ, у положенні «2» — до 500 пФ, у положенні «3» — до 5000 пФ, у положенні «4» — до 0,05 мкФ.
Елементи мікросхеми DA1 забезпечують достатній струм для заряду вимірюваного конденсатора (З ізм.). Особливо важливо для точності вимірювання, адекватно підібрати діоди VD1-VD2, вони повинні мати однакові (найбільш схожі) характеристики.
Налаштування схеми вимірювача ємності:
Налаштувати таку схему досить просто, вам необхідно підключити З змін. із свідомо відомими характеристиками (з відомою ємністю). Виберіть перемикачем SА1 необхідний діапазон вимірювання і повертайте ручку резистора до того часу, поки не досягнете потрібного показання на індикаторній головці PA1 (рекомендую її проградуювати відповідно до ваших показань, це можна зробити шляхом розбирання індикаторної головки і наклеювання нової шкали з новими шкалами)
Конденсатор - елемент електричного ланцюга, що складається з електродів (обкладок), що проводять, розділених діелектриком. Призначений для використання електричної ємності. Конденсатор, ємністю, до якого прикладена напруга U, накопичує заряд Q на одній стороні і - Q - на іншій. Ємність тут у фарадах, напруга – вольтах, заряд – кулони. Коли струм силою 1 А протікає через конденсатор ємністю 1 Ф напруга змінюється на 1 за 1 с.
Одна фарада ємність величезна, тому зазвичай застосовуються мікрофаради (мкФ) або пикофаради (пФ). 1Ф = 106 мкФ = 109 нФ = 1012 пФ. Насправді використовуються значення від кількох пикофарад до десятків тисяч мікрофарад. Зарядний струм конденсатора відрізняється від струму через резистор. Він залежить немає від величини напруги, як від швидкості зміни останнього. З цієї причини для вимірювання ємності потрібні спеціальні схемні рішення стосовно особливостей конденсатора.
Позначення на конденсаторах
Найпростіше визначити значення ємності маркування, нанесеної на корпус конденсатора.
Електролітичний (оксидний) полярний конденсатор, ємністю 22000 мкФ, розрахований на номінальну напругу 50 постійного струму. Зустрічається позначення WV – робоча напруга. У маркуванні неполярного конденсатора обов'язково вказується можливість роботи в ланцюгах змінного струму високої напруги (220 VAC).
Плівковий конденсатор ємністю 330 000 пФ (0.33 мкФ). Значення в цьому випадку визначається останньою цифрою тризначного числа, що позначає кількість нулів. Далі буквою вказано допустиму похибку, тут - 5 %. Третьою цифрою може бути 8 чи 9. Тоді перші дві множаться на 0.01 чи 0.1 відповідно.
Ємності до 100 пФ маркуються, за рідкісними винятками, відповідним числом. Цього достатньо отримання даних про виробі, так маркується переважна кількість конденсаторів. Виробник може вигадати свої, унікальні позначення, розшифрувати які не завжди вдається. Особливо це стосується колірного коду вітчизняної продукції. По стертому маркування дізнатися ємність неможливо, у такій ситуації не обійтися без вимірів.
Обчислення за допомогою формул електротехніки
Найпростіший RC - ланцюг складається з паралельно включених резистора та конденсатора.
Виконавши математичні перетворення (тут не наводяться), визначаються властивості ланцюга, з яких випливає, що якщо заряджений конденсатор підключити до резистора, то він розряджатиметься так, як показано на графіку.
Добуток RC називають постійним часом ланцюга. При значеннях R в Омах, а C - у фарадах, добуток RC відповідає секундам. Для ємності 1 мкФ і опору 1 кОм, постійна часу - 1 мс, якщо конденсатор був заряджений до напруги 1, при підключенні резистора струм в ланцюгу буде 1 мА. Під час заряджання напруга на конденсаторі досягне Vo за час t ≥ RC. Насправді застосовується таке правило: за час 5 RC, конденсатор зарядиться чи розрядиться на 99%. За інших значень напруга змінюватиметься за експоненційним законом. При 2.2 RC це 90 %, при 3 RC - 95 %. Цих відомостей достатньо для розрахунку ємності за допомогою найпростіших пристроїв.
Схема виміру
Для визначення ємності невідомого конденсатора слід включити його в ланцюг із резистора та джерела живлення. Вхідна напруга вибирається дещо меншою за номінальну напругу конденсатора, якщо вона невідома - достатньо буде 10–12 вольт. Ще необхідний секундомір. Для уникнення впливу внутрішнього опору джерела живлення на параметри ланцюга, на вході треба встановити вимикач.
Опір підбирається експериментально, більше зручності відліку часу, здебільшого не більше п'яти - десяти кілоом. Напруга на конденсаторі контролюється вольтметром. Час відраховується з моменту ввімкнення живлення - при зарядці та вимкненні, якщо контролюється розряд. Маючи відомі величини опору та часу, за формулою t = RC обчислюється ємність.
Зручніше відраховувати час розрядки конденсатора і відзначати значення 90 % чи 95 % від початкової напруги, у разі розрахунок ведеться за формулами 2.2t = 2.2RC і 3t = 3RC. Таким способом можна дізнатися ємність електролітичних конденсаторів з точністю, що визначається похибками вимірювань часу, напруги та опору. Застосування його для керамічних та інших малої ємності з використанням трансформатора 50 Hz, обчисленням ємнісного опору - дає непрогнозовану похибку.
Вимірювальні прилади
Найдоступнішим методом виміру ємності є поширений мультиметр з такою можливістю.
У більшості випадків подібні пристрої мають верхню межу вимірювань у десятки мікрофарад, що достатньо для стандартних застосувань. Похибка показань вбирається у 1% і пропорційна ємності. Для перевірки достатньо вставити висновки конденсатора у призначені гнізда та прочитати показання, весь процес займає мінімум часу. Така функція присутня не у всіх моделей мультиметрів, але часто зустрічається з різними межами вимірювань і способами підключення конденсатора. Для визначення більш докладних характеристик конденсатора (тангенсу кута втрат та інших) використовуються інші пристрої, сконструйовані для конкретного завдання, нерідко є стаціонарними приладами.
У схемі виміру, переважно, реалізований мостовий метод. Застосовуються обмежено у спеціальних професійних галузях і поширення немає.
Саморобний С – метр
Не беручи до уваги різні екзотичні рішення, такі як балістичний гальванометр і мостові схеми з магазином опорів, виготовити простий прилад або приставку до мультиметра під силу і радіоаматору-початківцю. Широко поширена мікросхема серії 555 цілком підходить для цих цілей. Це таймер реального часу із вбудованим цифровим компаратором, у разі використовується як генератор.
Частота прямокутних імпульсів задається вибором резисторів R1-R8 і конденсаторів С1, С2 перемикачем SA1 і дорівнює: 25 kHz, 2.5 kHz, 250 Hz, 25Hz - відповідно до положень перемикача 1, 2, 3 і 4-8. Конденсатор Сх заряджається з частотою проходження імпульсів через діод VD1, до фіксованого напруги. Розряд відбувається під час паузи через опір R10, R12-R15. У цей час утворюється імпульс тривалістю, залежною від ємності Сх (більше ємність - довша за імпульс). Після проходження інтегруючого ланцюга R11 C3 на виході з'являється напруга, що відповідає довжині імпульсу та пропорційне величині ємності Сх. Сюди підключається (Х 1) мультиметр для вимірювання напруги на межі 200 mV. Положення перемикача SA1 (починаючи з першого) відповідають межам: 20 пФ, 200 пФ, 2 нФ, 20 нФ, 0.2 мкФ, 2 мкф, 20 мкф, 200 мкф.
Налагодження конструкції необхідно робити з приладом, який застосовуватиметься надалі. Конденсатори для налагодження треба підібрати з ємністю, що дорівнює піддіапазонам вимірювань і якомога точніше, від цього залежатиме похибка. Відібрані конденсатори по черзі підключаються до Х1. В першу чергу налаштовуються піддіапазони 20 пФ-20 нФ, для цього відповідними підстроювальними резисторами R1, R3, R5, R7 домагаються відповідних показань мультиметра, можливо доведеться змінити номінали послідовно включених опорів. На інших піддіапазонах (0.2 мкФ-200 мкф) калібрування проводиться резисторами R12-R15.
При виборі джерела живлення слід враховувати, що амплітуда імпульсів залежить від його стабільності. Схема споживає струм не більше 20-30 міліампер і конденсатора фільтра ємністю 47-100 мікрофарад буде достатньо. Похибка вимірювань, при дотриманні всіх умов, може становити близько 5%, на першому та останньому піддіапазонах, через вплив ємності самої конструкції та вихідного опору таймера, зростає до 20%. Це треба враховувати під час роботи на крайніх межах.
Конструкція та деталі
R1, R5 6,8k R12 12k R10 100k C1 47nF
R2, R6 51k R13 1,2k R11 100k C2 470pF
R3, R7 68k R14120 C3 0,47mkF
R4, R8 510k R15 13
Діод VD1 - будь-який малопотужний імпульсний, плівкові конденсатори, з малим струмом витоку. Мікросхема - будь-яка із серії 555 (LM555, NE555 та інші), російський аналог - КР1006ВІ1. Вимірювачем може бути практично будь-який вольтметр з високим вхідним опором, під який проведено калібрування. Джерело живлення повинно мати на виході 5-15 вольт при струмі 0.1 А. Підійдуть стабілізатори з фіксованою напругою: 7805, 7809, 7812, 78Lxx.
Варіант друкованої плати та розташування компонентів
Відео на тему
Із заголовка статті зрозуміло, що сьогодні йтиметься про прилад для вимірювання ємності конденсаторів. Не в кожному простому мультиметрі є ця функція. Адже при виготовленні чергової саморобки ми дуже часто замислюємося: чи працюватиме вона, чи справні конденсатори, які ми застосували, як їх перевірити. Та й просто в процесі ремонту даний прилад буде необхідний. Перевірити на цілісність електролітичний конденсатор, звісно, можна з допомогою тестера. Але ми дізнаємося: чи живий він чи ні, а ось визначити ємність, наскільки він сухий, ми не зможемо.
У деяких дешевих мультиметрах, які є зараз на ринку, є ця функція. Але межа вимірювання обмежена цифрою 200 мікрофарад. Що вочевидь мало. Потрібно хоча б чотири тисячі мікрофарад. Але такі мультиметри стоять набагато вище. Тому я нарешті вирішив купити вимірювач ємності конденсаторів. Вибирав найдешевший із прийнятними характеристиками. Зупинив свій вибір на XC6013L:
Поставляється цей пристрій у гарній коробці. Щоправда, на коробці зображення іншого мультиметра:
А зверху наклейка з моделлю даного приладу, мабуть, у китайців не вистачає коробок.
Прилад поміщений у захисний жовтий кожух із м'якої пластмаси, схожої на гуму. У руках відчувається важкість, що говорить про серйозність приладу. З нижнього боку є відкидна підставка, яка багатьом може і не знадобитися:
Живиться вимірювач ємності від батарейки напругою 9 вольт типу крона, яка постачається в комплекті:
Характеристики приладу просто чудові. Він може проводити вимірювання від 200 пикофарад до 20 тисяч мікрофарад. Що цілком достатньо для радіоаматорських цілей:
Зверху приладу розташувався великий та інформативний рідкокристалічний дисплей. Під ним є дві кнопки. Ліворуч — червона кнопка, за допомогою якої можна зафіксувати на дисплеї показ ємності. А праворуч – синя кнопка, яка дуже порадувала, – підсвічуванням екрану, що, безперечно, є плюсом даного приладу. Між кнопками є конектор для вимірювання компактних конденсаторів. Щоправда, перевірити бушні конденсатори, випаяні з донорів, не виходить, оскільки контактні майданчики розташовані досить глибоко. Тому даним конектором можна скористатися лише перевіряючи конденсатори з довгими висновками:
Під селектором вибору діапазонів вимірювань знаходиться конектор для підключення щупів. До речі, щупи виконані з такого ж матеріалу, як захисний кожух приладу, навпомацки вони м'які:
Там само знаходиться, безсумнівно, найважливіша функція приладу - це встановлення нульових показань при вимірі ємностей у розряді пикофарад. Що видно на наступних двох фотографіях. Тут навмисне витягнуто один щуп і за допомогою регулятора виставлено нуль:
Тут щуп поставлено на місце. Як бачите, ємність щупів впливає на показання. Тепер достатньо за допомогою регулятора виставити нуль і виміряти, що буде досить точно:
Тепер давайте протестуємо прилад у роботі та подивимося, на що він здатний.
Тестуємо вимірювач ємності конденсаторів
Для початку перевірятимемо конденсатори свідомо справні, нові та вилучені з плат донорів. Першим буде піддослідний на 120 мікрофарад. Це новий екземпляр. Як бачите, свідчення трохи занижені. До речі, таких конденсаторів у мене штуки 4, і жоден не показав 120 мікрофарад. Можлива похибка приладу. А може зараз роблять одну некондицію:
Ось тисяча мікрофарад, дуже точно:
Дві тисячі двісті мікрофарад теж непогано:
А ось десять мікрофарад:
Ну а тепер сто мікрофарад, дуже добре:
Давайте подивимося на показання приладу, які він покаже під час перевірки дефектних конденсаторів, які витягли під час ремонту. Як бачите, різниця відчутна:
Ось такі вийшли результати. Звісно, у деяких випадках несправність електролітичного конденсатора видно візуально. Але здебільшого без приладу обійтися важко. До того ж я тестував цей прилад на двох платах, перевіряючи конденсатори, не випоюючи їх. Пристрій показав непогані результати, тільки в деяких випадках потрібно дотримуватися полярності. Тому я раджу купити такий прилад і ви зможете вимірювати ємність конденсаторів своїми руками.
У цій статті ми дамо найбільш повну інструкцію, яка дозволить зробити вимірювач ємності конденсаторів своїми руками без допомоги кваліфікованих майстрів.
На жаль, апаратура не рідко виходить із ладу. Причина найчастіше одна – поява електролітичного конденсатора. Всі радіоаматори знайомі з так званим «висиханням», яке виникає через порушення герметичності корпусу приладу. Зростає реактивний опір через зниження номінальної ємності.
Далі під час експлуатації починають відбуватися електрохімічні реакції, вони руйнують стики висновків. В результаті контакти порушуються, утворюючи контактний опір, якою обчислюється, часом десятками Oм. Те саме відбуватиметься при підключенні до робочого конденсатора резистора. Наявність цього самого послідовного опору позначиться негативно на роботі електронного пристрою, у схемі буде спотворюватися вся робота конденсаторів.
Через сильний вплив опору в діапазоні три-п'ять Ом, стають непридатними імпульсні джерела живлення, адже в них перегорають дорогі транзистори, а також мікросхеми. Якщо деталі при збиранні приладу були перевірені, а при монтажі не допущено помилок, то з його налагодженням не виникне проблем.
До речі, пропонуємо Вам доглянути собі новий паяльник на Аліекспрес. ПОСИЛАННЯ(Чудові відгуки). Або доглянути собі що-небудь із паяльного обладнання в магазині «ВсеІнструменти.ру» посилання на розділ з паяльниками .
Схема, принцип роботи, пристрій
Ця схема використовується із застосуванням операційного підсилювача. Прилад, який ми збираємося зробити своїми руками, дозволить проводити вимірювання ємності конденсаторів в діапазоні від пари пікофарад до одного мікрофараду.
Давайте розберемося із наведеною схемою:
- Піддіапазони. У агрегату є 6 «піддіапазонів», у них високі межі дорівнюють 10, 100; 1000 пф, а також 0,01, 0,1 та 1 мкф. Відраховується ємність вимірювальної сітки мікроамперметра.
- Призначення. Основою роботи приладу є вимірювання змінного струму, він проходить крізь конденсатор, який необхідно дослідити.
- На підсилювачі DA 1 знаходиться генератор імпульсів. Коливання їх повтору підпорядковується ємності 1 - З 6 конденсаторів, а також позиції тумблера «підстроювального» резистора R 5. Частота буде змінною від 100 Гц до 200 кГц. Підстроювальному резистору R 1 визначаємо пропорційну модель коливань при виході генератора.
- Вказані на схемі діоди, як D 3 і D 6, резистори (налагоджені) R 7- R 11, мікроамперметр РА 1, становлять сам вимірювач змінного струму. Усередині мікроамперметра опір має становити трохи більше 3 кОм, з метою, щоб похибка при вимірі не перевищила десяти відсотків діапазоні до 10 пФ.
- До інших піддіапазонів паралельно Р A 1 приєднують підстроювальні резистори R 7 - R 11. Потрібний вимірювальний піддіапазон налаштовують за допомогою тумблера S А 1. Одна категорія контактів перемикає конденсатори (частотозадаючі) З 1 і С 6 в генераторі, другий перемикає в генераторі.
- Щоб прилад отримував енергію, йому потрібне 2-полярне стабілізоване джерело (напруга від 8 до 15 В). У частотозадаючого конденсатора можуть на 20% відрізнятися номінали, але самі вони повинні мати високу стабільність тимчасову і температурну.
Звичайно, для звичайної людини, яка не знається на фізиці, це все може здатися складним, але ви повинні розуміти, щоб зробити вимірювач ємності конденсаторів своїми руками, потрібно мати певні знання і навички. Далі поговоримо про те, як налагодити прилад.
Налагодження вимірювального приладу
Щоб зробити правильне налаштування, виконайте інструкції:
- Спочатку досягається симетричність коливань за допомогою резистора R 1. "Бігунок" у резистора R 5 знаходиться посередині.
- Наступною дією буде підключення еталонного конденсатора 10 пф до клем, зазначеним значком сх. За допомогою резистора R 5 переставляють стрілу мікроамперметра на відповідну шкалу ємності еталонного конденсатора.
- Далі перевіряється форма коливання при виході генератора. Тарування проводиться на всіх піддіапазонах, тут застосовують резистори R 7 та R 11.
Механізм пристрою може бути різним. Параметри розмірів залежить від типу микроамперметра. Якихось особливостей під час роботи з приладом не виділяється.
Створення різних моделей вимірювачів
Модель серії AVR
Зробити такий вимірювач можна з урахуванням змінного транзистора. Ось інструкція:
- Підбираємо контактор;
- Вимірюємо вихідну напругу;
- негативний опір вимірювача ємності не більше 45 Ом;
- Якщо провідність 40 мк, то навантаження становитиме 4 Ампера;
- Для підвищення точності вимірювання потрібно використовувати компаратори;
- Також є думка, що краще використовувати лише відкриті фільтри, тому що для них не страшні імпульсні перешкоди у разі великої завантаженості;
- Також рекомендується використовувати полюсні стабілізатори, а для модифікації пристрою не підходять тільки сіткові компаратори;
Перед тим, як включати вимірювач ємності конденсаторів, потрібно виконати вимір опору, який повинен бути приблизно 40 Ом для добре зроблених пристроїв. Але показник може відрізнятися залежно від частотності модифікації.
Детальніше про те, як зробити вимірювач ємності конденсаторів своїми руками можна дізнатися з відео нижче.
Відео інструкції
Виявивши в інтернеті статтю Digital Capacitance Meter, я захотів зібрати цей вимірник. Однак під рукою не виявилося мікроконтролера AT90S2313 та світлодіодних індикаторів із загальним анодом. Натомість були ATMEGA16 у DIP-корпусі та чотирирозрядний семисегментний рідкокристалічний індикатор. Висновків мікроконтролера саме вистачало на те, щоб підключити його до РКІ безпосередньо. Таким чином, вимірювач спростився всього до однієї мікросхеми (насправді, є і друга – стабілізатор напруги), одного транзистора, діода, жменьки резисторів-конденсаторів, трьох роз'ємів та кнопки. Прилад вийшов компактний та зручний у використанні. Тепер я не маю запитань про те, як виміряти ємність конденсатора. Особливо це важливо для SMD-конденсаторів з ємностями в кілька пікофарад (і навіть у частки пікофараду), які я завжди перевіряю перед тим, як паяти в яку-небудь плату. Зараз випускається безліч настільних та портативних вимірювачів, виробники яких заявляють про нижню межу вимірювань ємності в 0.1 пФ та достатню точність вимірювань таких малих ємностей. Однак у багатьох із них виміри проводяться на досить низькій частоті (одиниці кілогерц). Постає питання, чи можна отримати прийнятну точність вимірювань у таких умовах (навіть якщо паралельно вимірюваному підключити конденсатор більшої ємності)? Крім того, в інтернеті можна знайти досить багато клонів схеми RLC-метра на мікроконтолері та операційному підсилювачі (тій самій, що з електромагнітним реле і з одно-або дворядковим РКІ). Однак такими приладами малі ємності поміряти «по-людськи» не вдається. На відміну від багатьох інших цей вимірювач спеціально спроектований для вимірювання малих значень ємності.
Що стосується вимірювання малих індуктивностей (одиниці наногенрі), то я для цього успішно використовую аналізатор RigExpert AA-230, який випускає наша компанія.
Фотографія вимірювача ємності:
Параметри вимірювача ємності
Діапазон вимірювання: від 1 пФ до 470 мкФ.
Межі вимірювання: автоматичне перемикання меж – 0…56 нФ (нижня межа) та 56 нФ… 470 мкФ (верхня межа).
Індикація: три значущі цифри (дві цифри для менших ємностей, ніж 10 пФ).
Управління: єдина кнопка для встановлення «нуля» та калібрування.
Калібрування: одноразове, за допомогою двох зразкових конденсаторів, 100 пФ та 100 нФ.
Більшість висновків мікроконтролера підключена до РКІ. До деяких із них також підключено роз'єм для внутрішньосхемного програмування мікроконтролера (ByteBlaster). Чотири висновки задіяні у схемі вимірювання ємності, включаючи входи компаратора AIN0 та AIN1, вихід управління межами вимірювання (за допомогою транзистора) та вихід вибору порогової напруги. До єдиного висновку мікроконтролера, що залишився, підключена кнопка.
Стабілізатор напруги +5 зібраний за традиційною схемою.
Індикатор – семисегментний, на 4 знаки, із прямим підключенням сегментів (тобто не мультиплексний). На жаль, на РКІ не було маркування. Таку ж цоколівку та розміри (51×23 мм) мають індикатори багатьох фірм, наприклад, AND та Varitronix.
Схема наведена нижче (на схемі не показаний діод для захисту від "переполюсування", через нього рекомендується підключити роз'єм живлення):
Програма мікроконтролера
Оскільки ATMEGA16 - із серії "MEGA", а не з серії "tiny", особливого сенсу писати асемблерну програму немає сенсу. Мовою Сі вдається зробити її набагато швидше і простіше, а пристойний обсяг flash-пам'яті мікроконтролера дозволяє користуватися вбудованою бібліотекою функцій з плаваючою точкою при розрахунку ємності.
Мікроконтролер проводить вимірювання ємності за два кроки. В першу чергу визначається час заряду конденсатора через резистор опором 3.3 МОм (нижня межа). Якщо необхідну напругу не досягнуто протягом 0.15 секунд (що відповідає ємності близько 56 пФ), заряд конденсатора повторюється через резистор 3.3 кОм (верхня межа вимірювання).
При цьому мікроконтролер спочатку розряджає конденсатор через резистор опором 100 Ом, а потім заряджає його до напруги 0.17 В. Тільки після цього заміряється час заряду до напруги 2.5 (половина напруги живлення). Після цього цикл виміру повторюється.
При виведенні результату на висновки РКІ подається напруга змінної полярності (щодо його загального дроту) із частотою близько 78 Гц. Досить висока частота повністю усуває мерехтіння індикатора.
