Способы определения емкости конденсатора
Как измерить ёмкость конденсатора мультиметром?
Ёмкость — это мера способности конденсатора накапливать заряды. Ёмкость измеряется в фарадах, по имени почетного члена Петербургского университета английского физика Майкла Фарадея.
Что такое емкость?
Если удалить одиночный электропроводник бесконечно далеко, исключить влияние заряженных тел друг на друга, то потенциал удаленного проводника станет пропорционален заряду. Но у отличающихся по размеру проводников потенциалы не совпадают.
Единицей емкости конденсатора в СИ является фарад. Коэффициент пропорциональности обозначают буквой С — это емкость, на которую влияет размер и внешняя структура проводника. Материал, фазовое состояние вещества электрода роли не играют — заряды распределяются на поверхности. Поэтому в международных правилах СГС ёмкость измеряется не в фарадах, а в сантиметрах.
Уединенный шар радиусом 9 млн км (1400 радиусов Земли) содержит 1 фарад. Отдельный проводящий элемент удерживает заряды в недостаточных для применения в технике количествах. По технологиям XXI в. создается ёмкость конденсаторов с единицами измерений выше 1 фарада.
Накапливать требуемое для работы электронных схем количество электричества способна структура из минимум 2 электродов и разделяющего диэлектрика. В такой конструкции положительные и отрицательные частицы взаимно притягиваются и сами себя держат. Диэлектрик между электронно-позитронной парой не допускает аннигиляции. Подобное состояние зарядов называется связанным.
Раньше для измерения электрических величин применяли громоздкое оборудование, не отличающееся точностью. Теперь, как измерить ёмкость тестером, знает даже начинающий радиолюбитель.
Маркировка на конденсаторах
Знать характеристики электронных приборов требуется для точной и безопасной работы.
Определение ёмкости конденсатора включает измерение величины приборами и чтение маркировки на корпусе. Обозначенные значения и полученные при измерениях отличаются. Это вызвано несовершенством производственных технологий и эксплуатационным разбросом параметров (износ, влияние температур).
На корпусе указана номинальная емкость и параметры допустимых отклонений. В бытовых устройствах используют приборы с отклонением до 20%. В космической отрасли, военном оборудовании и в автоматике опасных объектов разрешают разброс характеристик в 5-10%. Рабочие схемы не содержат значений допусков.
Номинальная емкость кодируется по стандартам IEC — Международной электротехнической комиссии, которая объединяет национальные организации по стандартам 60 стран.
Стандарт IEC использует обозначения:
- Кодировка из 3 цифр. 2 знака в начале — количество пФ, третий — число нулей, 9 в конце — номинал меньше 10 пФ, 0 спереди — не больше 1 пФ. Код 689 — 6,8 пФ, 152 — 1500 пФ, 333 — 33000 пФ или 33 нФ, или 0,033 мкФ. Для облегчения чтения десятичная запятая в коде заменяется буквой «R». R8=0,8 пФ, 2R5 — 2,5 пФ.
- 4 цифры в маркировке. Последняя — число нулей. 3 первых — величина в пФ. 3353 — 335000 пФ, 335 нФ или 0,335 мкФ.
- Использование букв в коде. Буква µ — мкФ, n — нанофарад, p — пФ. 34p5 — 34,5 пФ, 1µ5 — 1,5 мкФ.
- Планерные керамические изделия кодируют буквами A-Z в 2 регистрах и цифрой, обозначающей степень числа 10. K3 — 2400 пФ.
- Электролитические SMD приборы маркируются 2 способами: цифры — номинальная емкость в пФ и рядом или во 2 строчке при наличии места — значение номинального напряжения; буква, кодирующая напряжение и рядом 3 цифры, 2 определяют емкость, а последняя — количество нулей. А205 значит 10 В и 2 мкФ.
- Изделия для поверхностного монтажа маркируются кодом из букв и чисел: СА7 — 10 мкФ и 16 В.
- Кодировки — цветом корпуса.
Маркировка IEC, национальные обозначения и кодировки брендов делают запоминание кодов бессмысленным. Разработчикам аппаратуры и мастерам-ремонтникам требуются справочные источники.
Вычисление с помощью формул
Вычисление номинальной емкости элемента требуется в 2 случаях:
- Конструкторы электронной аппаратуры рассчитывают параметр при создании схем.
- Мастера при отсутствии конденсаторов подходящей мощности и емкости используют расчет элемента для подбора из доступных деталей.
RC цепи рассчитывают с применением величины импеданса — комплексного сопротивления (Z). Rа — потери тока на нагревание участников цепи. Ri и Rе — учитывают влияние индуктивности и ёмкости элементов. На выводах резистора в RC цепи напряжение Uр обратно пропорционально Z.
Тепловое сопротивление увеличивает потенциал на нагрузке, а реактивное уменьшает. Работа конденсатора на частотах выше резонансных, когда растет реактивная составляющая комплексного сопротивления, приводит к потерям напряжения.
Частота резонанса обратно пропорциональна способности накапливать заряд. Из формулы для определения Fр вычисляют, какие значения Ск (емкости конденсатора) требуются для работы цепи.
Для расчета импульсных схем используют постоянную времени цепи, определяющую воздействие RC на структуру импульса. Если знают сопротивление цепи и время заряда конденсатора, по формуле постоянной времени вычисляют емкость. На истинность результата влияет человеческий фактор.
Мастера используют параллельные и последовательные соединения конденсаторов. Формулы расчета обратны формулам для резисторов.
Последовательное соединение делает емкость меньше меньшей в соединении элементов, параллельная схема суммирует величины.
Как измерить ёмкость конденсатора мультиметром?
Измеряя параметры, конденсатор предварительно разряжают, замкнув выводы между собой отверткой с изоляцией на ручке. Если этого не сделать, маломощный мультиметр выйдет из строя.
Ответ на вопрос, как проверить емкость конденсатора мультиметром с режимом «Сх» такой:
- Включить режим «Сх» и подобрать предел замера — 2000 пФ — 20 мкФ в стандартном приборе;
- Вставить конденсатор в гнезда в приборе или приложить щупы к выводам конденсатора и посмотреть значение на шкале прибора.
Амперовольтметром или мультиметром определяют наличие внутри корпуса короткого замыкания или обрыва.
Полярный конденсатор включают в цепь прибора с учетом направления тока. Электроды изделия производители маркируют. Конденсатор, рассчитанный для напряжения 1-3 В, при обратном токе выше нормы выйдет из строя.
Перед тем как измерить характеристики, полярный электролитический конденсатор выпаивают из платы. Включают мультиметр в режим измерения сопротивления или проверки полупроводников. Прикладывают щупы к электродам полярного конденсатора — плюс к плюсу, минус к минусу. Исправная емкость покажет плавный рост сопротивления. По мере заряда ток уменьшается, ЭДС растет и достигает напряжения источника питания.
Обрыв в конденсаторе будет выглядеть на мультиметре как бесконечное сопротивление. Прибор не отреагирует или стрелка на аналоговом экземпляре едва шевельнется.
При пробое элемента измеряемый параметр не соответствует номинальному значению в меньшую сторону, пропорционально величине пробоя.
Если задаться вопросом, как измерить мультиметром комплексное или эквивалентное последовательное сопротивление (ESR конденсатора), то без приставки сделать это проблематично. Реактивные свойства конденсатор проявляет при высокочастотном токе.
Как определить емкость конденсатора?
Основной характеристикой конденсатора является его емкость. Очень часто замеры емкости требуется проводить в электролитическом конденсаторе. В отличие от керамических и оксидных конденсаторов, которые редко выходят из строя (разве что в результате пробоя диэлектрика), электролитическим деталям свойственна потеря ёмкости из-за высыхания электролита. Поскольку работа электронных схем сильно зависит от емкостных характеристик, то необходимо знать, как определить емкость конденсатора.
Существуют разные способы определения ёмкости:
- по кодовой или цветной маркировке деталей;
- с помощью измерительных приборов;
- с использованием формулы.
Измерить емкость проще всего с помощью измерителя C и ESR. Для этого контакты измерительных щупов подсоединяют к выводам конденсатора, соблюдая полярность электролитических деталей. При этом результаты измерений выводятся на дисплей. (Рисунок 1). Радиолюбители, которым часто приходится делать измерения, приобретают такой прибор или изготавливают его самостоятельно.
Рис. 1. Измерение ёмкости с помощью измерителя C и ESR
С использованием мультиметра и формул
Если в вашем распоряжении есть мультиметр с функцией измерения параметра «Cx», то измерить ёмкость конденсатора довольно просто: следует переключить прибор в режим «Сх», после чего выбрать оптимальный диапазон измерения, соответствующий параметрам конденсатора. Ножки конденсатора вставляем в соответствующее гнездо (соблюдая полярность подключения) и считываем его параметры.
Режим «Сх» в мультиметре
Менее точно можно определить ёмкость с помощью тестера, у которого нет режима «Сх». Для этого потребуется источник питания, к которому подключают конденсатор по простой схеме (рис. 2).
Рис. 2. Схема подключения конденсатора
Алгоритм измерения следующий:
- Измерьте напряжение источника питания щупами контактов измерительного прибора.
- Образуйте RC-цепочку с конденсатором и выводами резистора номиналом 1 – 10 кОм.
- Закоротите выводы конденсатора и подключите RC-цепочку к источнику питания.
- Замерьте напряжение образованной цепи с помощью мультиметра.
- Если напряжение изменилось, необходимо подогнать его до значения, близкого к тому, которое вы получили на выходе источника питания.
- Вычислите 95% от полученного значения. Запишите показатели измерений.
- Возьмите секундомер и включите его одновременно с убиранием закоротки.
- Как только мультиметр покажет значение напряжения, которое вы вычислили (95%), остановите секундомер.
- По формуле С = t/3R, где t – время падения напряжения, вычисляем ёмкость конденсатора в фарадах, если единицы измерения сопротивление резистора выразили в омах, а время в секундах.
Рис. 3. Измерение с помощью тестера. Проверка
Подчеркнём ещё раз, что точность измерения ёмкости данным способом не слишком высока, но определить работоспособность радиоэлемента на основании такого измерения вполне возможно. Некоторые узлы электронных приборов исправно работают, если есть небольшие отклонения от номинальных емкостей, главное, чтобы не было электрического пробоя.
Таким же методом можно вычислить параметры керамического радиоэлемента. Для этого необходимо подключить RC-цепочку через трансформатор и подать переменное напряжение. Значение ёмкости в данном случае определяем по формуле: C = 0.5*π*f* , где частота тока, а ёмкостное сопротивление
Осциллографом
С приемлемой точностью можно определить ёмкость конденсатора с помощью цифрового или обычного электронного осциллографа. Принцип похож на метод измерения ёмкости тестером. Разница только в том, что не потребуется секундомер, так как с высокой точностью время зарядки конденсатора отображается на экране осциллографа. Если применить генератор частоты и последовательную RC-цепочку (рис. 4), то ёмкость можно рассчитать по простой формуле: C = UR / UC* ( 1 / 2*π*f*R ).
Рис. 4. Простая схема
Алгоритм вычисления простой:
- Подключите осциллограф к электрической схеме. При подключении щупов прибора к электролитам соблюдайте полярность электрического тока.
- Измерьте амплитуды напряжений на конденсаторе и на резисторе.
- Путём подстройки частоты генератора добивайтесь, чтобы значения амплитуд на обоих элементах сравнялись (хотя бы приблизительно).
- Подставьте полученные значения в формулу и вычислите ёмкость конденсатора.
При измерении ёмкостей неполярных конденсаторов часто вместо RC-цепочки собирают мостовую схему с частотным генератором (показано на рис. 5), а также другие сборки. Сопротивления резисторов подбирают в зависимости от параметров номинальных напряжений измеряемых деталей. Ёмкость вычисляют из соотношения: r4 / Cx = r2 / C.
Рисунок 5. Мостовая схема
Гальванометром
При наличии баллистического гальванометра также можно определить ёмкость конденсатора. Для этого используют формулу:
C = α * Cq / U , где α – угол отклонения гальванометра, Cq – баллистическая постоянная прибора, – показания гальванометра.
Из-за падения сопротивления утечки ёмкость конденсаторов уменьшается. Энергия теряется вместе с током утечки.
Описанные выше методики определения ёмкости позволяют определить исправность конденсаторов. Значительное отклонение от номиналов говорит, что конденсаторы неисправны. Пробитый электролитический радиоэлемент легко определяется путём измерения сопротивления. Если сопротивление стремится к 0 – изделие закорочено, а если к бесконечности – значит, есть обрыв.
Следует опасаться сильного электрического разряда при подключениях щупов к большим электролитам. Они могут накапливать мощный электрический заряд от постоянного тока, который молниеносно высвобождается током разряда.
По маркировке
Напомним, что единицей емкости в системе СИ является фарада ( обозначается или ). Это очень большая величина, поэтому на практике используются дольные величины:
- миллифарады ;
- микрофарады ;
- нанофарады ;
- пикофарады (
Мы перечислили название единиц и их сокращённое обозначение потому, что они часто встречаются в маркировке крупных конденсаторов (см. рис. 6).
Рис. 6. Маркировка крупных конденсаторов
Обратите внимание на маркировку плоского конденсатора (второй сверху): после трёхзначной цифры стоит буква М. Данная буква не обозначает единицы измерения «мегафарад» – таких просто не существует. Буквами обозначены допуски, то есть, процент отклонения от ёмкости, обозначенной на корпусе. В нашем случае отклонение составляет 20% в любую сторону. Надпись 102М на большом корпусе можно было бы написать: 102
Теперь расшифруем надпись на корпусе третьего изделия. 118 – 130 MFD обозначает, что перед нами конденсатор, ёмкость которого находится в пределах 118 – 130 микрофарад. В данном примере буква М уже обозначает «микро». FD – обозначает «фарады», сокращение английского слова «farad».
На этом простом примере видно, какая большая путаница в маркировке. Особенно запутана кодовая маркировка, применяемая для крохотных конденсаторов. Дело в том, что можно встретить конденсаторы, маркировка которых выполнена старым способом и детали с современной кодировкой, в соответствии со стандартом EIA. Одни и те же символы можно по-разному интерпретировать.
По стандарту EIA:
- Две цифры и одна буква. Цифры обозначают ёмкость, обычно в пикофарадах, а буква – допуски.
- Если буква стоит на первом или втором месте, то она обозначает либо десятичную запятую (символ R), либо указывает на название единицы измерения («p» – пикофарад, «n» – нанофарад, «u» – микрофарад). Например: 2R4 = 2.4 пФ; N52 = 0,52 нФ; 6u1 = 6,1 мкф.
- Маркировка тремя цифрами. В данном коде обращайте внимание на третью цифру. Если её значение от 0 до 6, то умножайте первые две на 10 в соответствующей степени. При этом 10 0 =1; 10 1 = 10; 10 2 = 100 и т. д. до 10 6 .
Цифры от 7 до 9 указывают на показатель степени со знаком «минус»: 7 условно = 10 -3 ; 8 = 10 -2 ; 9 = 10 -1 .
- 256 обозначает: 25× 10 5 = 2500 000 пФ = 2,5 мкФ;
- 507 обозначает: 50 × 10 -3 = 50 000 пФ = 0, 05 мкФ.
Возможна и такая надпись: «1B253». При расшифровке необходимо разбить код на две части – «1B» (значение напряжения) и 253 = 25 × 10 3 = 25 000 пФ = 0,025 мкФ.
В кодовой маркировке используются прописные буквы латинского алфавита, указывающие допуски. Один пример мы рассмотрели, анализируя маркировку на рис. 6.
Приводим полный список символов:
- B = ± 0,1 пФ;
- C = ± 0,25 пФ;
- D = ± 0,5 пФ или ± 0,5% (если емкость превышает 10 пФ).
- F = ± 1 пФ или ± 1% (если емкость превышает 10 пФ).
- G = ± 2 пФ или ± 2% (для конденсаторов от 10 пФ»).
- J = ± 5%.
- K = ± 10%.
- M = ± 20%.
- Z = от –20% до + 80%.
Изделия с кодовой маркировкой изображены на рис. 7.
Рис. 7. Пример кодовой маркировки
Если в кодировке отсутствует символ из приведённого выше списка, а стоит другая буква, то она может единицу измерения емкости.
Важным параметром является его рабочее напряжение конденсатора. Но так как в данной статье мы ставим задачу по определению ёмкости, то пропустим описание маркировки напряжений.
Отличить электролитический конденсатор от неполярного можно по наличию символа «+» или «–» на его корпусе.
Цветовая маркировка
Описывать значение каждого цвета не имеет смысла, так как это понятно из следующей таблицы (рис. 8):
Рис. 8. Цветовая маркировка
Запомнить символику кодовой и цветовой маркировки довольно трудно. Если вам не приходится постоянно заниматься подбором конденсаторов, то проще пользоваться справочниками или обратиться к информации, изложенной в данной статье.
Измерение ёмкости конденсаторов
21 октября 2019
Время на чтение:
В лабораториях и на промышленных предприятиях используется измеритель ёмкости конденсаторов. Работая с двухполюсниками, возникает необходимость точного определения электрической ёмкости. Для этого доступны различные инструменты, необходимо учитывать их принцип работы и особенности.
Что такое конденсатор
Прежде чем переходить к измерительным приборам, необходимо разобрать понятие конденсатора. Элементы называют двухполюсниками, они накапливают в себе заряд. Поскольку они содержат энергию, есть возможность определить электрическую ёмкость.
Измеритель ёмкости конденсаторов
В электроприборах конденсатор выступает электронным компонентом, который состоит из пластин.
Важно! Внутри корпуса они находятся в диэлектрике и таким образом являются изолированными. Распространенными считаются компоненты цилиндрической формы.
Картинка 2 Вид конденсатора
Принцип работы
Принцип работы конденсатора построен на контроле тока саморазряда. Когда на цепь подаётся электричество, заряд двухполюсника понижается. Уровень саморазряда также понижается, однако проводимость диэлектрика растет. В такой среде напряжение повышается согласно экспоненциальному закону. Определяющим фактором является уровень сопротивления двухполюсника.
Интересный факт! Если в цепи используются конденсаторы высокой емкости, в ней процесс саморазряда отнимает больше времени и на этом можно сыграть.
Измерения с помощью формул электротехники
Для расчёта емкости двухполюсника используется формула:
В формуле f — это средняя частота в цепи, а C — уровень сопротивления. Значение «6,28» взято из расчёта математической постоянной.
Картинка 3 Проверка емкости
Измерения с помощью приборов
Чтобы измерить емкость конденсатора, необходимо использовать мультиметр. Варианты на выбор:
- мультиметр;
- прибор ESR;
- С — метр.
Приборы отличаются по конструкции и принципу действия. При рассмотрении оборудования учитываются характеристики, правила использования.
Картинка 4 Тестеры в электронике
Мультиметр
Если требуется узнать точную ёмкость конденсатора, используется мультиметр. В научной среде по-другому он может называться авометром. Электроизмерительный прибор сочетает в себе вольтметр, а также амперметр. Стандартная модель изготавливается с двумя щупами. Встречаются цифровые и аналоговые приборы, которые отличаются по принципу действия.
Учитывается параметр погрешности, точности и разрядности. Цифровой аппарат работает по принципу отслеживания сопротивления. При подключении к цепи постоянного, переменного тока происходит улавливание частоты и периода. Через плату управления удаётся определить показатель ёмкости элемента.
Картинка 5 Мультиметр
Интересно! Аналоговые приборы имеют массу недостатков, однако используются в промышленной среде. Основной проблемой считается низкая точность измерений.
По структуре используется набор резисторов, шунт и магнитоэлектрический элемент. Принцип работы построен на реагировании колебаний электрического тока. Низкоомный резистор подаёт сигналы на катушку, их улавливает проводник. Через диоды происходит преобразование в импульс, и стрелка мультиметра отклоняется в сторону.
Прибор ESR
Для измерения емкости двухполюсников разработан измерительный прибор ESR. Преимущество кроется в том, что его можно использовать без отключения элементов из цепи. Он прост в обслуживании, подходит для лабораторного тестирования.
Картинка 6 Прибор ESR
Принцип работы строится на электролитических свойствах конденсатора. Учитывается уровень нежелательного сопротивления, а также пропускная способность элемента. Прибор способен отслеживать электрический ток в определенном периоде времени, и рассчитывается уровень разряда. Полученное напряжение делится на ток, на цифровом дисплее отображается емкость конденсатора.
Недостаток кроется в том, что прибор подходит для использования лишь в цепи с переменным током. Измерители этого типа изготавливаются в Америке и Европе. Тестер активно используется радиолюбителями. Современные модели способны определить следующие параметры:
- средняя частота;
- характеристики транзистора;
- проводимость диода;
- сопротивление отдельных компонентов.
За основу у многих моделей взят микроконтроллер ATmega 328. Он отличается низким разрядом, способен долго прослужит. Выключение происходит после трех минут режима ожидания. Для определения рабочей частоты используется частотомер, который генерирует импульсы.
Картинка 7 Прибор частотомер
Важно!Современные модификации функционируют в режиме самотестирования, производя самодиагностику. Таким образом, калибровка не отнимает много времени. Модели поставляются с дисплеями, есть возможность выбирать единицы измерения.
Тестеры могут быть установлены на стол, планку. В комплекте к некоторым товарам предоставляется площадка. Чтобы определить показатель напряжения, необходимо подключить клеммники. Перед использованием прибор калибруется. В меню предусмотрены опции на выбор. С целью замыкания контактов используются перемычки. Устройства отличаются по параметру памяти, точности.
Картинка 8 Работа тестера
Учитывается рабочий температурный диапазон и проводимость. В качестве источника питания могут использоваться аккумуляторы типа «Крона». Средний показатель напряжение на блоках питания 9 вольт. Востребованными остаются варианты со штекером и без него.
С — метр
LC-метра подходят не только для измерения емкости конденсаторов, но и определения уровня индуктивности. По внешнему виду они схожи с мультиметром, однако отличаются принципом работы. Когда тестер замыкает цепь, отслеживается показатель напряжения. Измеряемая ёмкость вычисляется с высокой погрешностью, за счет использования выпрямителя.
Картинка 9 LC-метр
Даже работая с импортными конденсаторами, расчёт производится с учетом применения любого электролита. Сигнал о частоте напряжения и токе поступает на катушку индуктивности. Прибор является универсальным, однако есть недостаток. Для определения ёмкости двухполюсника требуется снять конденсатор. Распространенным вариантом является товар MY6243, это продукция китайского производителя. Она имеет следующие особенности:
- высокая допустимая емкость;
- большая стабильность;
- батарея 9 вольт;
- ручной выбор диапазона;
- имеется экран.
Устройство способно определить индуктивность низкого заряда. Модель является узкоспециализированной и востребована в лабораториях и промышленной среде. У нее используется защищенный корпус, на панели расположен круговой переключатель. На экране виден текущий режим, разрешается изменять функции.
Картинка 10 Экран тестера
Прибор автономен, используется емкостный аккумулятор. В комплекте товара предусмотрена батарея, инструкция и щупы. Также продаются высокоточные приборы класса LC200А. У них высокая разрядность, предусмотрена функция автовыключения. Гарантия на продукцию — 3 месяца, используется защищенный корпус.
Минимальная тестовая частота — от 10 Герц. Показатель ёмкости двухполюсника появляется на экране. С целью подключения измерительного прибора к технике, предусмотрен порт mini-USB. В комплекте предоставляется паспорт, кабель USB и зажимы.
Схема измерения емкости
Схема измерителя емкости электролитических конденсаторов включает множество элементов:
- переключатель;
- тумблер;
- подстроечный резистор;
- батарея питания.
Картинка 11 Схема измерителя
Также распространенными являются схемы с микросхемой К140УД608. У варианта с тестером используются биполярные транзисторы, набор диодов. Есть светодиоды, батарея питания. По схеме имеется два переключателя, предусмотрен микроамперметр.
Выше описаны измерители емкости конденсаторов. Рассмотрено понятие двухполюсника и формула нахождения значения. Также раскрыт принцип работы мультиметра, прибора ESR, LC-метра.
Способы определения емкости конденсатора
Иногда на конденсаторе не указывается его маркировка. Как узнать тогда реальную его емкость, если специального оборудования под рукой нет, а устройство без обозначений? Тогда на помощь приходят различные подручные средства и формулы. Прежде чем приступать к работе, необходимо помнить о том, что конденсатор перед проверкой должен быть разряжен (следует разрядить его контакты). Для этого можно использовать обычную отвертку с изолированной ручкой. Держась за ручку отверткой коснуться контактов, таким образом их замыкая. Далее мы подробно расскажем, как определить емкость конденсатора мультиметром, предоставив инструкцию с видео примером.
Использование режима «Cx»
После того, как контакты закоротили, можно осуществлять определение сопротивления. Если элемент исправлен, то сразу после подключения он начнет заряжаться постоянным током. В этом случае сопротивление отобразиться минимальное и будет продолжать расти.
В случае если конденсатор неисправен, то мультиметр будет сразу указывать бесконечность или будет указывать нулевое сопротивление и при этом пищать. Такая проверка осуществляется, если конструкция полярная.
Для того чтобы узнать емкость необходимо иметь мультиметр с функцией измерения параметра «Сх».
Определить емкость с помощью такого мультиметра просто: установить его в режим «Сх» и указать минимальный предел измерения, которым должен обладать данный конденсатор. В таких мультиметрах есть специальные гнезда с определенными пределами измерения. В эти гнезда вставляется конденсатор согласно его пределу измерения и происходит определение его параметров.
Если в тестере таких гнезд нет, то определить емкость можно с помощью измерительных щупов, как показано на фото ниже:
Важно! В отдельной статье мы рассказывали о том, как проверить исправность конденсатора. Рекомендуем также ознакомиться с этим материалом!
Применение формул
Что делать, если под рукой нет такого мультиметра с гнездами измерения, а есть только обычный бытовой прибор? В таком случае необходимо вспомнить законы физики, которые помогут определить емкость.
Для начала вспомним, что в случае, когда конденсатор заряжается от источника неизменного напряжения через резистор, то существует закономерность, согласно которой напряжение на устройстве будет подходить к напряжению источника и в конечном итоге сравняется с ним.
Но для того чтобы этого не ожидать, можно процесс упростить. Например, за определенное время, которое равняется 3*RC, во время заряжения элемент достигает напряжения 95% примененного к RC цепи. Таким образом, по току и напряжению можно определить константу времени. А правильнее, если знать вольтаж в блоке питания, номинал самого резистора, происходит определение постоянной времени, а затем и емкости устройства.
Например, есть электролитический конденсатор, узнать емкость которого можно по маркировке, где прописывается 6800 мкф 50в. Но что если устройство давно лежало без дела, а по надписи сложно определить его рабочее состояние? В этом случае лучше проверить его емкость, чтобы знать наверняка.
Для этого необходимо выполнить следующее:
- С помощью мультиметра измерить сопротивление резистора в 10 кОм. Например, оно получилось равно 9880 Ом.
- Подключаем блок питания. Мультиметр переводим в режим замера постоянного напряжения. Затем подключаем его к блоку питания (через его выводы). После этого в блоке устанавливается 12 вольт (на мультиметре должна появиться цифра 12,00 В). Если же не удалось отрегулировать напряжение в блоке питание, то тогда записываем те результаты, которые получились.
- С помощью конденсатора и резистора собираем электрическую RC-цепь. На схеме ниже указана простая RC-цепочка:
А как определить емкость керамического конденсатора? В этом случае можно сделать определение с помощью сетевого трансформатора. Для этого RC-цепочку подсоединяем ко вторичной обмотке трансформатора, и его подсоединяют в сеть. Далее с помощью мультиметра осуществляется замер напряжения на конденсаторе и на резисторе. После этого необходимо сделать подсчеты: высчитывается ток, что проходит через резистор, затем его напряжение делится на сопротивление. Получается емкостное сопротивление Хс.
Если есть частота тока и Хс, можно определить емкость по формуле:
Другие методики
Также емкость можно определить и с помощью баллистического гальванометра. Для этого используется формула:
- Cq — баллистическая постоянная гальванометра;
- U2 — показания вольтметра;
- a2 — угол отклонения гальванометра.
Определение значения методом амперметра вольтметра осуществляется следующим образом: измеряется напряжение и ток в цепи, после чего значение емкости определяется по формуле:
Напряжение при таком методе определения должно быть синусоидальным.
Измерение значения возможно и при помощи мостиковой схемы. В этом случае схема моста переменного тока указывается ниже:
Здесь одно плечо моста образуется за счет элемента, который необходимо измерить (Cx). Следующее плечо состоит из конденсатора без потерь и магазина сопротивлений. Оставшиеся два плеча состоят из магазинов сопротивлений. Подключаем в одну диагональ источник питания, в другую – нулевой индикатор. И рассчитываем значение по формуле:
Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:
Это все, что мы хотели рассказать вам о том, как определить емкость конденсатора мультиметром. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!
Измеритель емкости конденсаторов
Электрические цепи, состоящие из проводников и полупроводников, включают в себя элементы, позволяющие накапливать заряды и отдавать их в нужный момент. Из-за этой особенности такие элементы изначально стали называть ёмкостью. Название пришло со времён, когда электричество считали жидкостью, а её накопитель – сосудом. Это не совсем удачное определение применяется до сих пор, хотя сам элемент называется конденсатор.
Устройство и характеристики конденсатора
Конструкция конденсатора представляет собой две токопроводящие пластины, разделённые диэлектриком. Если приложить к пластинам напряжение от источника постоянного тока, то ток короткое время будет протекать через конденсатор, и он зарядится. На его пластинах (обкладках) накопится напряжение, равное напряжению источника. Длительность протекания тока и ёмкость его заряда зависят от площади обкладок и расстояния между ними. Ёмкость обозначается буквой С и измеряется в фарадах. Единица измерения в системе СИ – 1Ф (F). Обозначение принято в честь физика из Англии М. Фарадея.
Внимание! Ёмкость 1Ф – очень большая величина. Если рассматривать Землю как уединённый проводник в форме шара, то ёмкость составила бы около 700 мкФ. Поэтому электротехнические элементы измеряют в малых величинах: пикофарадах (пФ), нанофарадах (нФ), микрофарадах (мкФ).
В цепях постоянного и переменного тока ёмкостной элемент ведёт себя по-разному. Если постоянный ток конденсатор через себя не пропускает, то переменному току, проходящему через него, оказывает определённое сопротивление. Это ещё одна важная характеристика конденсатора – ёмкостное сопротивление RC.
Сопротивление из разряда реактивных сопротивлений, рассчитывается по формуле:
где:
- Rc – емкостное сопротивление, Ом;
- 6,28 – 2 π;
- f – частота тока, Гц;
- C – емкость данного конденсатора, Ф.
Важно! Как видно из формулы, для токов разной частоты сопротивление одного и того же элемента меняется. Чем выше частота тока, тем ниже ёмкостное сопротивление конденсатора.
Различают конденсаторы постоянной и переменной ёмкости. Вторые имеют конструкцию, в результате которой изменяется расстояние между пластинами.
По типу исполнения конденсаторы постоянной ёмкости бывают:
- полярные электролитические;
- однослойные и многослойные керамические;
- высоковольтные керамические;
- полиэстеровые;
- танталовые;
- полипропиленовые конденсаторы.
Конструкция зависит от порядкового разряда ёмкости элемента, применяемого материала для пластин и диэлектрика.
Обозначения на конденсаторах
От размеров элемента зависит количество данных, характеризующих его параметры. На корпус элемента наносятся обязательные электрические характеристики:
- ёмкость конденсатора, С;
- максимальное напряжение, на которое рассчитан элемент, В.
На очень мелких деталях может быть отмечена только ёмкость, по стандарту EIA. Если нарисованы только цифры и буква, то цифры обозначают ёмкость, буквы могут иметь расшифровку, применимую к типу конструкции. При наличии трёх цифр первые две – это ёмкость. Третья цифра, лежащая в пределах 0-6, – это множитель нуля (505 – 55*100000). Когда третья цифра 8, значение умножают на 0,01, если 9 – на 0,1.
К сведению. Буква, обозначающая ёмкость, может стоять как после числового значения, так перед ним и между цифрами. Например, Н15; 1Н5; 15Н. Таким образом, может обозначаться десятичный разряд числа – 0,15нФ; 1,5нФ; 15нФ.
Дополнительно могут быть обозначены значения:
- тип – конструктивное исполнение;
- вид тока – постоянный, переменный, AC — DC;
- рабочая частота, Гц;
- величина допустимых отклонений ёмкости, %;
- полярность выводов у электролитических конденсаторов, « + » и « — ».
Вычисления с помощью формул электротехники
Определить ёмкость конденсатора можно с помощью формулы, известной из школьной программы по физике:
где:
- q – заряд (Кл);
- U – разность потенциалов (ϕ1 и ϕ2) между обкладками (В).
Из формулы следует, что конденсатор, имеющий ёмкость в 1 фарад, собирает на пластинах заряд в 1 кулон, создавая напряжение между ними в 1 вольт.
Возможные неисправности конденсатора
Как и всякие элементы электрических схем, ёмкостные тоже выходят из строя, что влечёт за собой отказ в работе аппаратуры. Чаще отказываются работать электролитические конденсаторы. К их основным неисправностям можно отнести:
- обрыв конденсатора, в этом случае ёмкости нет вообще, или она снижена;
- пробой элемента в результате короткого замыкания обкладок;
- снижение максимально возможного напряжения;
- увеличение ёмкостного сопротивления Rc.
Неисправный элемент обнаружить не всегда просто, но возможно.
Как проверить исправность конденсатора
Перед измерением конденсатор желательно выпаять из гнезда. Подключить измерительный прибор к выводам. По показаниям, отображаемым на дисплее, определяют исправность радиодетали.
Схема измерения
Для производства измерений необходимо выпаять хотя бы один вывод. Выпаивание делается для того, чтобы другие детали цепи не вносили искажений в результат проверки. Контрольные приборы подключаются щупами непосредственно к контактам конденсатора.
Измерительные приборы
Как и любую радиодеталь, ёмкостной элемент можно измерить. Для этого используются измерительные приборы: омметр или мультиметр. В ходе работы неисправный конденсатор можно определить на вид ещё до того, как выпаивать из платы.
Проверка конденсатора мультиметром
Выявить обрыв детали по снижению или полному отсутствию ёмкости можно мультиметром с опцией измерителя емкости электролитических конденсаторов. Если в результате проверки ёмкость отсутствует или понижена, элемент цепи не исправен.
Когда ёмкость детали больше 20 мкФ, то проверку поможет провести любой тестер в режиме омметра. Выставляется предел измерения «200 кОм». После выпаивания для снятия остаточного заряда выводы детали кратковременно закорачиваются между собой.
На выводах измеряется сопротивление, которое будет расти в зависимости от ёмкости. Чем она меньше, тем быстрее растёт величина сопротивления и достигает бесконечности. Бесконечность показывает полностью заряженный конденсатор. Если этого не происходит, а на дисплее сразу значение бесконечности, значит, у детали есть обрыв.
Важно! При значении ёмкости менее 20 мкФ такой способ не годится. Увеличение сопротивления до бесконечной величины в этом случае происходит быстро, его невозможно заметить.
Измерение фактических емкостных значений
Пробой между пластинами происходит в результате внутреннего короткого замыкания. Измерение емкости омметром при этом показывает ноль или некоторое сопротивление, которое не растёт. Даже если чуть увеличивается, то не достигает бесконечности.
При внешнем осмотре такие элементы заметны. У электролитических конденсаторов на верхней части корпуса имеются насечки крестом. При коротком замыкании пластин электролит внутри закипает и выделяет газ. Газ пытается выйти наружу и в этом месте раскрывает деталь. Верхушки неисправных элементов разорваны или вспучены.
Измерение прибором ESR
Для измерения емкости конденсатора для определения увеличения внутреннего сопротивления применяют особый прибор – ESR. При его использовании деталь выпаивать не обязательно.
При заряде или разряде неисправного конденсатора увеличение этого параметра указывает на снижение пикового тока через элемент. Картина такая, как будто в цепи с измеряемым элементом находится последовательно подключенный резистор и вносит задержку.
Это называется эквивалентное последовательное сопротивление – ЭПС. В английском языке – ESR.
Самодельный С – метр
Собрать простой измеритель емкости конденсаторов своими руками можно на интегральной микросхеме серии 155ЛА3.
На самодельную печатную плату устанавливается микросхема К155ЛА3. Плату предварительно отмывают от грязи и флюса, которые останутся после изготовления. Используемые детали:
- микросхема К155ЛА3;
- диоды КД 509;
- подобранные резисторы 47 кОм;
- резисторы 11 кОм;
- конденсатор 0,1 мкФ;
- подобранные ёмкости: С1 0-50 пФ, С2 0-500 пФ, С3 0-5000 пФ, С4 0-0,05 мкФ.
К выводам присоединяется питание 5 В. На вывод 7 – минус, на вывод 14 – плюс. Выводы считаются от ключа, нанесённого на корпус. Источник питания – 5 В при токе 0.1 А.
Проводники, которые соединяют резисторы с переключателем, выполняются по возможности короче. Переменные резисторы после подбора заменяются постоянными эквивалентами. Настройку выполняют с измерительным прибором, который будет использоваться.
Регулировка сводится к установке максимальных границ каждого диапазона при помощи подбора резисторов 47 К.
Снижение напряжения пробоя конденсатора
Снижение максимально возможного напряжения – это так называемый обратимый пробой. Его не определить тестером. Но в схеме при работе при номинально допустимом значении напряжения элемент ведёт себя как пробитый. При этом он будет измеряться тестером как рабочий.
Определить можно постепенной подачей напряжения от отдельного источника питания до величины, указанной на корпусе. У неисправного конденсатора пробой будет происходить раньше этой величины. Электролит закипит, и корпус начнёт греться.
Внимание! Если на маркировке стоит значение «60V», то при плавной подаче напряжения на выводы от нуля до 50V элемент должен вести себя нормально. Пробоя быть не должно.
Измерение ёмкости конденсаторов с помощью измерительных приборов заводского изготовления или самодельных устройств позволяет производить ремонт и наладку электронных схем. Выявление неисправного конденсатора путём измерения его физических ёмкостных значений сохранит работоспособность электронного устройства и снизит время, затраченное на ремонт.
Видео
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:
- Сформировать и откалибровать источник тока, используя вход ANx и резистор.
- Переключение на вход ANy и разряд емкости контура.
- Таймер запускает текущую операцию источника, измеряет заданное время и останавливает источник. АЦП выполняет измерение.
- Подключается внешний конденсатор, шаги второй и третий повторяются.
- 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.
- Результаты обоих измерений конвертируются в значения пикофарад.
- Результат первого измерения вычитается из результата второго, чтобы вычесть паразитные емкости схемы.
- 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 по обсуждению материала ТОЧНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА
Источник: