Основными параметрами, характеризующими конденсаторы, являются их электрическая ёмкость и угол потерь.

Допустимая погрешность измерения ёмкостей конденсаторов зависит от области применения последних. Ёмкость конденсаторов, входящих в состав колебательных систем, должна определяться особенно тщательно, с погрешностью, по крайней мере, 1%. При выборе конденсаторов блокировочных, разделительных, связи и т. п. обычно допускается значительный (до 20-50%) разброс ёмкостей и измерение их можно производить простейшими методами.

Рис. 1. Эквивалентные схемы (а, б) и векторная диаграмма (в) цепи с конденсатором

В каждом конденсаторе, включённом в электрическую цепь, имеют место потери энергии, возникающие главным образом в материале диэлектрика, а также вследствие несовершенства изоляции между выводами. С учётом потерь эквивалентную схему конденсатора можно представить в двух вариантах: либо в виде ёмкости С, включённой последовательно с сопротивлением потерь R п (рис. 1, а), либо в виде той же ёмкости С, шунтированной сопротивлением утечки R у (рис. 1, б). При переходе от одной эквивалентной схемы к другой для пересчёта значения активного сопротивления пользуются формулой

R у = 1/((2*π*f*C) 2 * R п) ,

где f - частота тока в цепи конденсатора.

Из векторной диаграммы на рис. 1, в, справедливой для обоих вариантов эквивалентных схем, следует, что в цепи с конденсатором из-за наличия потерь фазовый сдвиг φ между током I и напряжением U всегда меньше 90°. Потери в конденсаторе обычно характеризуют углом потерь δ = 90° - &phi, определяемым в соответствии с обозначениями на рис. 1 из формулы

tg δ = U п /U с = Iу/Iс = 2*π*f*C*R п = 1/(2*π*f*C*R у).

Потери в конденсаторе иногда выражают коэффициентом мощности cos φ или током утечки Iу, определяемым при стандартных условиях. Для большинства конденсаторов потери очень малы (tg δ < 0,001), поэтому можно считать

tg δ ≈ δ ≈ sin δ = sin (90° - φ) = cos φ .

Наибольшие потери имеют место в электролитических и бумажных конденсаторах, применение которых в основном ограничивается областью низких частот.

При некоторых методах измерений потери в конденсаторе определяются одновременно с измерением его ёмкости. При этом следует иметь в виду, что с повышением частоты потери заметно возрастают (что соответствует увеличению значения R п и уменьшению R у), тогда как ёмкость С практически не зависит от частоты. На очень высоких частотах возможно заметное возрастание действующей (измеренной по приборам) ёмкости конденсаторов из-за влияния индуктивности обкладок и подводящих проводов.

Параметры конденсатора (С, R n , R y , δ) зависят от внешних условий его работы - температуры, влажности, атмосферного давления, а также от приложенного к нему напряжения. Поэтому в ответственных случаях испытание конденсаторов осуществляется не только на их рабочих частотах, но и в условиях, близких к эксплуатационным.

Простейшие проверки конденсаторов можно производить и без специальных измерительных приборов. С помощью омметра или пробника легко обнаружить короткое замыкание или пробой между обкладками конденсатора (следует лишь учитывать, что пробой иногда проявляется только при значительном напряжении на конденсаторе, близком к его рабочему напряжению). Проверка на обрыв неэлектролитических конденсаторов ёмкостью от 0,01 мкФ и выше проще всего производится включением конденсатора в цепь переменного тока, например осветительную или трансляционную, последовательно с какой-либо нагрузкой - лампой накаливания, громкоговорителем и т. п. Нормальное или несколько ослабленное свечение лампы или звучание радиопередачи будет свидетельствовать об отсутствии обрыва.

Конденсатор, сопротивление утечки которого велико, способен удерживать длительное время без заметного уменьшения полученный им заряд; это позволяет простыми средствами оценить качество конденсаторов ёмкостью более 0,01 мкФ. При подключении к такому конденсатору омметра стрелка измерителя последнего за счёт тока заряда несколько отклонится, а затем (при большом сопротивлении утечки) возвратится в исходное или близкое к нему положение. Последующие кратковременные подключения к конденсатору омметра, повторяемые с интервалом в несколько секунд, не должны вызывать отклонения стрелки измерителя. При малом сопротивлении утечки заметное отклонение стрелки будет наблюдаться при каждом подключении омметра. Для проверки на утечку конденсаторов ёмкостью более 100 пФ можно применить головные телефоны, соединённые последовательно с низковольтной батареей. При малом сопротивлении утечки каждое подключение индикатора к конденсатору вызывает щелчок в телефонах, тогда как при хорошем конденсаторе щелчок прослушивается лишь при первом подключении. Измерение значения сопротивления утечки (на постоянном токе) может производиться индукторными или электронными мегомметрами.

Электролитические конденсаторы следует подсоединять к испытательному прибору с учётом полярности включения источника питания. При измерении сопротивления утечки таких конденсаторов рекомендуется отсчёт производить через 10 мин после их включения под напряжение, когда процесс заряда можно считать завершившимся.

Для измерения параметров конденсаторов применяются методы вольтметра - амперметра, непосредственного измерения при помощи микрофарадметров, сравнения (замещения), мостовой и резонансный.

Напряжение, приложенное к конденсатору при любом его испытании, не должно превосходить допустимого рабочего напряжения. Если в процессе испытания конденсатор заряжается до значительного напряжения, необходимо производить его разряд по окончании испытания (например, с помощью кнопки, включённой параллельно конденсатору).

Измерение ёмкостей методом вольтметра - амперметра

Рис. 2. Схемы измерения ёмкостей методом вольтметра-амперметра

Схема измерений представлена в двух вариантах на рис. 2. Проверяемый конденсатор Сх включается в цепь переменного тока известной частоты F, и реостатом (или потенциометром) R устанавливают требуемое по условиям испытания либо удобное для отсчёта значение тока I или напряжения U. По показаниям приборов переменного тока V и mА можно рассчитать полное сопротивление конденсатора

Z = (R 2 +X 2) 0,5 =U/I , (1)

где R и X = 1/(2*π*F*C x) - соответственно его активная и реактивная составляющие.

Если потери малы, т. е. R << X, то измеряемая ёмкость определяется формулой

C x = I/(2*π*F*U). (2)

Схема на рис. 2, а, даёт достаточно точные результаты при измерении больших ёмкостей, сопротивление которых X значительно меньше входного сопротивления вольтметра V. Схема на рис. 2, б, применяется для измерения меньших ёмкостей, сопротивление которых в десятки и более раз превышает сопротивление миллиамперметра mA . Предположим, что требуется измерять ёмкости в пределах 0,1-1 мкФ на частоте 50 Гц при наличии миллиамперметра переменного тока на 3 мА. Так как сопротивление этих ёмкостей X = 3200...32000 Ом во много раз больше любого возможного сопротивления миллиамперметра, то измерение следует проводить по схеме на рис. 2, б, при напряжении питания U ≥ I*X = 0,003*3200 ≈ 10 В.

Схема на рис. 2, а может быть применена и для измерения ёмкостей электролитических конденсаторов. Если напряжение питания не превышает 1-2 В, то измерение допустимо проводить при установке переключателя В в положение 1. При больших переменных напряжениях возможно повреждение конденсаторов вследствие разложения электролита. Эта опасность устраняется, если переключатель В установить в положение 2. При этом последовательно с источником переменного тока частоты F включается источник постоянного тока, напряжение на зажимах которого U 0 должно превышать амплитуду переменного напряжения. Тогда в цепи будет действовать пульсирующее напряжение, безопасное для конденсатора при условии правильной полярности его включения в схему. Пульсирующее напряжение можно также получить при последовательном включении в измерительную схему диода. Во всех случаях вольтметр V и миллиамперметр mA должны измерять лишь переменные составляющие напряжения и тока, для чего они выполняются с закрытой схемой входа.

Микрофарадметры с последовательной и параллельной схемами измерения

Приборы, у которых оценка измеряемых ёмкостей производится непосредственно по шкале стрелочного измерителя, называются микрофарадметрами. Действие этих приборов может базироваться на использовании зависимости тока или напряжения в цепи, питаемой источником переменного тока, от значения измеряемой ёмкости включённого в неё конденсатора. Схемы таких приборов во многом аналогичны схемам омметров и мегомметров.

Микрофарадметры могут иметь последовательную или параллельную схему измерения. Последовательная схема (рис. 3) применяется для измерения ёмкостей средних значений (примерно от 100 пФ до 10 мкФ). Напряжение U частоты F подводится от источника к цепи, в которой последовательно включены конденсатор опорной ёмкости С о, испытуемый конденсатор С x и микро- (или милли) амперметр переменного тока mA . Перед началом измерений при коротком замыкании входных зажимов (что эквивалентно С x = ∞) реостатом R устанавливают в цепи микроамперметра mA ток полного отклонения I п; это обеспечивается при выборе ёмкости опорного конденсатора

C 0 ≥ I п (2*π*F*U). (3)

При подключении конденсатора С x ток через микроамперметр снизится до некоторого значения I x , тем меньшего, чем меньше ёмкость С x , что позволяет измеритель снабдить шкалой с отметками значений измеряемых ёмкостей. Градуировочная характеристика прибора не зависит от частоты и формы кривой напряжения питания и приближённо определяется формулой

I x /I п ≈ С х /(С о + С x), (4)

идентичной формуле, определяющей градуировочную характеристику параллельных схем омметров. Аналогично изменяется и погрешность измерений: наименьшая в середине шкалы, она возрастает к её краям. Середине шкалы соответствует ёмкость С x ≈ С о, а диапазон измерений ограничивается значениями 0,1 С о и 10 С о. Необходимое напряжение питания определяется из условия

U ≥ I п /(2*π*F*C о).

Например, при I п = 1 мА, F = 50 Гц и С о = 20000 пФ источник питания должен обеспечивать напряжение U ≥ 160 В, но если частота колебаний источника F = 1000 Гц, то потребное напряжение питания снижается до 8-10 В.

Для измерения ёмкостей в широком диапазоне микрофарадметр должен иметь несколько пределов измерений, которые целесообразно задавать средними значениями шкалы С о при переходном коэффициенте N, кратном 10.

Рис. 3. Последовательная схема микрофарадметра с измерителем тока

Наиболее удобным источником питания микрофарадметра является сеть переменного тока частотой 50 Гц, позволяющая с помощью малогабаритного трансформатора получить любое требуемое напряжение. Высокое значение последнего необходимо лишь на пределах с самыми малыми ёмкостями С о. Если ограничить максимальное напряжение питания значением 200 В, то при наличии выпрямительного микроамперметра mA на 100 мкА можно получить, согласно (3), ёмкость С о да 1600 пФ. Высоковольтное питание допустимо включать лишь после разряда конденсатора С о и присоединения к схеме испытуемого конденсатора. Для замыкания входных зажимов с целью установки стрелки измерителя на отметку «∞» желательно использовать кнопку. Конденсаторы С о и С x должны быть рассчитаны на рабочее напряжение, не меньшее испытательного. Для предотвращения повреждения измерителя в случае пробоя конденсатора С о, последний целесообразно составлять из двух последовательно включённых конденсаторов, каждый ёмкостью 2С о. Возможно также включение в цепь питания ограничительного резистора с сопротивлением, в 5-10 раз меньшим ёмкостного сопротивления конденсатора С о.

Для расширения диапазона измерений в сторону больших значений С о в начале обычно уменьшают в N раз напряжение питания (пока оно не достигнет единиц вольт), используя отводы от обмоток силового трансформатора или с помощью резистивного делителя напряжения. Переход к пределам с ещё большим значением С о может сопровождаться понижением чувствительности индикатора посредством его шунтирования, подобно тому, как это делается в многопредельных омметрах. Верхний предел измеряемых ёмкостей обычно не превосходит 1-10 мкФ, поскольку при сопротивлении конденсатора С о, сравнимым с внутренним сопротивлением индикатора и цепи питания, сильно возрастает погрешность измерений.

При расширении диапазона измерений в сторону малых значений С о для получения приемлемых значений напряжения питания U схему приходится питать от внутреннего или внешнего генератора - источника напряжения повышенной частоты F в тысячи герц. При этом необходимо принимать меры к устранению влияния собственных ёмкостей схемы и монтажа.

Схема микрофарадметра по рис. 3 будет действовать и при замене опорного конденсатора С о на опорный резистор R о. В этом случае выбранное среднее значение С о шкалы измерения ёмкостей будет достигаться при сопротивлении

R о ≈ (4*U 2 / I 2 п - 1/(2*π*F*C о) 2) 0,5

Такой прибор можно одновременно использовать и как омметр с последовательной схемой для приближённого измерения (на частоте F) активных сопротивлений при условии выполнения отсчёта по специальной шкале, сходной со шкалой ёмкостей, но обратного расположения.

Рис. 4. Последовательная схема многопредельного микрофарадметра с измерителем напряжения

При наличии электронного вольтметра переменного тока с большим входным сопротивлением R в за основу микрофарадметра может быть принята схема, приведённая на рис. 4. Переменное напряжение U, стабилизированное цепочкой R1, Д1, Д2 и равное примерно пределу измерения U п вольтметра V, при замыкании входных зажимов воздействует на вольтметр. Регулировкой чувствительности последнего добиваются отклонения стрелки его измерителя до конца шкалы. При включении в схему испытуемого конденсатора С x образуется делитель напряжения R о, С x , с которого к вольтметру подводится напряжение U x , тем меньшее, чем меньше ёмкость С x . Выбранное среднее значение С о шкалы ёмкостей будет достигаться при сопротивлении R о ≈ 1/(11*F*C о). Переключением резисторов R о различных номиналов осуществляется смена пределов измерений ёмкостей. Минимально возможное значение ёмкости С о ограничивается предельно допустимым значением сопротивления R о ≈ 0,1 R о. Например, при R о = 1 МОм и частоте F = 50 Гц получаем ёмкость С о ≈ 1/(11*F*R о) = 1820 пФ.

Микрофарадметр в рассматриваемом режиме его работы имеет крайние отметки шкалы ёмкостей «0» и «∞». Однако если использовать в приборе чувствительный милливольтметр с пределом измерения U п << U, допускающий кратковременную случайную перегрузку до напряжения, равного U, то верхние пределы измерения прибора могут быть ограничены выбранными значениями ёмкостей С п, которым должны соответствовать сопротивления

R о ≈ U п /(U*2*π*F*C п) ;

при этом значительно расширяется рабочий участок шкалы. В данном случае при допустимом сопротивлении R о = 1 МОм, частоте F = 50 Гц и отношении напряжений U п /U = 1/30 получаем С п ≈ 100 пФ, что позволяет производить измерение ёмкостей от 10пФ и более. Если порядок измеряемой ёмкости С x неизвестен, то переключателем В следует первоначально установить предел измерений наибольших ёмкостей, при котором возможная перегрузка вольтметра ограничивается из-за возрастания падения напряжения на резисторе R1.

В микрофарадметре с ограниченными пределами измерения перед началом измерений необходимо производить калибровку прибора. В схеме на рис. 4 для этой цели служит цепочка R2, С1. При нажатии кнопки Кн с конденсатора С1 на вход вольтметра подаётся напряжение, при котором стрелка его измерителя должна отклоняться до конца шкалы (или до определённой метки на шкале), чего добиваются регулятором чувствительности. Обычно берут R2 равным сопротивлению R о одного из пределов измерения, а С 1 равной ёмкости С п того же предела.

На рис. 5, а представлен один из вариантов параллельной схемы микрофарадметра. При свободных входных зажимах (что эквивалентно ёмкости С x = 0) регулировкой чувствительности вольтметра V добиваются отклонения стрелки его измерителя до конца шкалы. Включение в схему конденсатора С x приводит к тому, что напряжение на вольтметре, первоначально равное U п, снижается до значения U x , тем меньшего, чем больше ёмкость С x . Градуировочная характеристика микрофарадметра определяется формулой

U x /U п ≈ C о /(C о + C x), (5)

аналогичной формуле, определяющей градуировочную характеристику последовательных схем омметров.

Входное сопротивление вольтметра R в и частота тока питания F ограничивают выбор опорной ёмкости конденсатора С о, определяющей среднее значение шкалы, условием

C о ≥ 1,5/(F*R в) .

Например, при R в = 1 МОм и F = 50 Гц получаем С о ≥ 30000 пФ, т. е. прибор оказывается пригодным для измерения лишь сравнительно больших ёмкостей (не электролитических!) При высокочастотном источнике питания возможно снижение допустимых значений С о до сотен пикофарад, однако погрешность измерений может оказаться большой, если не учитывать входную ёмкость вольтметра.

Рис. 5. Параллельные схемы микрофарадметров

Для измерения ёмкостей электролитических конденсаторов пригодна схема на рис. 5, б. Благодаря включению диода Д на делителе напряжения R1, R2 действует пульсирующее напряжение U о. При С х = 0 с резистора R2 на вольтметр V (он может быть сравнительно низкоомным, например выпрямительным) подаётся напряжение полного отклонения U п. Включение конденсатора С х приводит к снижению напряжения на вольтметре в соответствии с формулой (5). При выбранном среднем значении шкалы ёмкостей С о и частоте F = 50 Гц необходимые значения сопротивлений делителя напряжения определяются формулами:

R1 = U о / (U п * 180*С о); R2 = R1*U п (U о -U п).

Изменение пределов измерений осуществляется посредством использования нескольких делителей напряжения с одинаковым коэффициентом деления U о /U а, но различными значениями сопротивлений R1 и R2. Вольтметр переменного тока V должен иметь закрытую схему входа, иначе напряжение на него следует подавать через электролитический конденсатор большой ёмкости.

Все рассмотренные схемы микрофарадметров позволяют измерять ёмкости конденсаторов с погрешностью 5-10%, а иногда и более. Выполнить их шкалу на основе расчёта градуировочной характеристики не всегда удаётся вследствие влияния различных трудно учитываемых факторов, например внутренних сопротивлений источника питания и измерительных приборов, нелинейности шкалы напряжений вольтметра и т. п. Поэтому при регулировке и градуировке микрофарадметров необходимо использовать магазины ёмкостей или наборы конденсаторов с допусками по ёмкости не более 5%.

Пример 1. Рассчитать последовательную схему микрофарадметра по рис. 3 на предел измерений от С н = 200 пФ до С м = 20000 пФ при условии, что напряжение питания не должно превышать 10 В. В приборе применить в качестве измерителя миллиамперметр на 1 мА.

Указание. Середине шкалы соответствует ёмкость С о ≈ (С н С м) 0,5 .

Ответ: С о = 2000 пФ, F ≥ 8 кГц. При выборе F = 10 кГц U ≥ 8В, R = 3...5 кОм

Ответ: С о = 3 мкФ, R1 = 37 кОм, R2 = 2 кОм; С" о = 30 мкФ, R"1 = 3,7 кОм, R"2 ≈ 200 Ом.

Микрофарадметры с равномерной шкалой

Микрофарадметр с равномерной шкалой может быть выполнен по схеме, аналогичной схемам ёмкостных частотомеров, в принципе отличаясь от последних лишь тем, что объектом измерений является не частота, а ёмкость. Действие таких приборов базируется на измерении среднего значения тока заряда или разряда проверяемого конденсатора, перезаряжаемого напряжением известной частоты.

На рис. 6, а, приведена схема измерительного блока микрофарадметра, питаемого импульсным напряжением u прямоугольной формы. Во время действия импульса через диод Д происходит заряд конденсатора С х до максимального напряжения U м. В интервале между импульсами конденсатор разряжается через измеритель (магнитоэлектрический микроамперметр) И до начального напряжения U н. В установившемся режиме при частоте повторения входных импульсов f и их амплитуде U п = U м - U н среднее значение протекающего через измеритель тока I x = C x U п f. При фиксированных значениях U п и f измеритель можно снабдить равномерной шкалой с отсчётом в значениях С х в соответствии с формулой

C х = I х /(U п f).

Предельное значение измеряемых ёмкостей

C п = I и /(U п f),

где I и - ток полного отклонения измерителя. Для сглаживания пульсаций и устранения колебаний стрелки измерителя служит конденсатор С, сопротивление которого при частоте f должно быть значительно меньшим сопротивления R и измерителя.

Результаты не изменятся, если измеритель включить в цепь зарядного тока последовательно с диодом Д2 (рис. 6, б); тогда разрядный ток конденсатора С x будет замыкаться через диод Д1. При измерении малых ёмкостей иногда применяют двухполупериодную схему включения измерителя (рис. 6, в). В этом случае через измеритель протекают и зарядный и разрядный токи, что позволяет получить требуемый предел измерений при напряжении U п или частоте f, вдвое меньших, чем в схемах с однополупериодным включением измерителя.

Рис. 6. Схемы измерительных блоков микрофарадметров с равномерной шкалой

Пределы измерений прибора задаются значениями С п и для их обеспечения при переключении пределов изменяют частоту повторения импульсов источника питания, определяемую формулой

f = I и (U п C п) . (6)

Перед началом измерений на каждом пределе должна производиться калибровка микрофарадметра, для чего к нему нажатием кнопки Кн присоединяют конденсатор ёмкостью С о = С п (рис. 6, а); при этом добиваются отклонения стрелки измерителя до конца шкалы посредством плавной регулировки частоты f, амплитуды импульсов U п или чувствительности измерителя (например, с помощью шунтирующего реостата R ш). Поскольку шкала прибора равномерна, то погрешность измерения ёмкостей в основном определяется погрешностью подбора опорной ёмкости С о, отклонение которой от требуемого номинала (С п) не должно превышать 1...5%.

Для получения правильных результатов измерений необходимо, чтобы за один период входного напряжения и конденсатор С x успевал полностью зарядиться и разрядиться (в пределах напряжений U м - U н). Легче всего это обеспечивается при прямоугольной форме входных импульсов и надлежащем выборе частоты их повторения f.

Как известно, в цепи, состоящей из элементов R и С, длительность заряда (разряда) конденсатора С до значения приложенного к этой цепи постоянного напряжения определяется постоянной времени τ = RC и практически не превосходит 5τ. Для того чтобы заряд (разряд) заканчивался в течение полупериода T/2 напряжения частоты f, необходимо выполнение условия

5RС = 5 τ <= T/2 = 1/(2*f),

которое удовлетворяется при частоте

f <= 1/(10*RС). (7)

Принимая максимально возможное сопротивление цепей заряда и разряда R = 10 кОм (с учётом выходного сопротивления Rвых генератора импульсов), получаем практическую формулу для выбора частоты повторения импульсов (в килогерцах):

f ≤ 10 4 / С п (8)

(где С п - в пикофарадах). В последнем условии часто принимают знак равенства. Тогда верхним пределам измерений С п - 100, 1000, 10 000 пФ и 0,1 мкФ будут соответственно отвечать частоты f = 100, 10, 1 и 0,1 кГц.

Условие (8) и формула (6) определяют необходимую амплитуду импульсов (в вольтах):

U п ≥ 0,1*I и

(где I и - в микроамперах). Например, при работе с измерителем, имеющим ток полного отклонения I и = 100 мкА, требуется амплитуда U п ≥ 10 В.

Сопротивление резистора R д (рис. 6, а) берётся таким, чтобы сопротивление цепи измерителя R д + R и значительно превышало (по крайней мере, в десятки раз) прямое сопротивление диода Д; в то же время оно не должно увеличивать общее сопротивление цепи разряда сверх допустимого значения (10 кОм). Если оба условия не удаётся одновременно удовлетворить, то резистор R д заменяют диодом, пропускающим ток разряда; при этом измеритель оказывается включённым по схеме на рис. 6, б. При расчёте прибора учитывают также характер выходного сопротивления R вых генератора импульсов, которое в зависимости от схемы генератора может быть постоянным, регулируемым или даже нелинейным (большим во время действия импульса и малым в интервале между импульсами).

Помимо равномерной шкалы ёмкостей, микрофарадметры могут иметь неравномерную шкалу с диапазоном показаний от 0 до ∞, подобную шкалам параллельных схем омметров. Характер шкалы (равномерная - Р, неравномерная - Н) в схеме на рис. 6, а, определяется установкой переключателя B1 . В положении последнего «Н» испытуемый конденсатор С х включается последовательно с опорным конденсатором С о, ёмкость которого задаёт предел измерений прибора и примерно соответствует середине его нелинейной шкалы.

Равномерная шкала измерения ёмкостей может быть получена и некоторыми другими методами. Так, если к выходу мультивибратора подключить дифференцирующую цепочку R, С х, то среднее напряжение импульсов одной полярности, снимаемых с резистора R, оказывается пропорциональным ёмкости С х. Для работы в таком приборе требуется чувствительный милливольтметр постоянного тока. Пределы измерений могут задаваться сопротивлениями резистора R. При частоте повторения импульсов f = 100 кГц были получены верхние пределы измерения ёмкостей С п = 10 и 100 пФ.

Пример 3. Произвести ориентировочный расчёт измерительного блока микрофарадметра с равномерной шкалой (рис. 6, а) для измерения ёмкостей с верхними пределами 300 и 3000 пФ, 0,03 и 0,3 мкФ, если измеритель прибора имеет данные: I и = 50 мкА, R и = 2600 Ом.

Ответ: С о = 300 и 3000 пФ, 0,03 и 0,3 мкФ; f = 30 и 3 кГц, 300 и 30 Гц; R д = 1,5 кОм; R ш = 10 кОм; С = 5..10 мкФ; U п = 5 В; R вых ≤ 6 кОм.

Измерение ёмкостей методом сравнения (замещения)

Данный метод базируется на сравнении действия, оказываемого измеряемой ёмкостью С х и известной ёмкостью С о на режим измерительной схемы.

Простейшая схема измерений, в которой ёмкости С х и С о сравниваются по значению их сопротивления переменному току, приведена на рис. 7. При включении конденсатора С x потенциометром R устанавливают в цепи ток, удобный для отсчёта или контроля по миллиамперметру переменного тока mA или другому низкоомному индикатору. Затем вместо конденсатора С x присоединяют к схеме магазин ёмкостей или образцовый (опорный) конденсатор переменной ёмкости и изменением его ёмкости С о добиваются прежнего показания индикатора. Это будет иметь место при С о = С x . Погрешность измерений зависит от чувствительности индикатора и погрешности отсчёта ёмкости С о; она может быть получена равной примерно 1% и менее.

Рис. 7. Схема измерения ёмкостей

При измерении ёмкостей свыше методом сравнения 5000 пФ схему измерений можно питать от сети переменного тока частотой 50 Гц. Для измерения меньших ёмкостей необходим генератор, работающий на более высоких частотах. Во всех случаях для обеспечения безопасности индикатора в цепь следует включать ограничительный конденсатор (С1) или резистор.

Метод сравнения в различных вариантах широко применяется в мостовых и резонансных измерителях ёмкостей. Он может быть реализован и в микрофарадметрах, рассмотренных в предыдущих параграфах, при существенном снижении погрешности измерений.

Измерительные мосты переменного тока

Для измерения параметров конденсаторов и катушек индуктивности широко применяются уравновешенные мосты переменного тока .

В общем случае плечи измерительного моста переменного тока (рис. 8) обладают комплексными сопротивлениями Z1, Z2, Z3 и Z4, одно из которых, например Z4, является объектом измерений. Питание моста производится от источника переменного тока частоты F, напряжение которого подводится непосредственно или через трансформатор Тр к одной из диагоналей моста. В другую диагональ включается индикатор нуля переменного тока ИН .

Рис. 8. Схема моста переменного тока

Так же как и в мостах постоянного тока , процесс измерения сводится к уравновешиванию моста переменного тока, которое характеризуется отсутствием разности потенциалов между вершинами а и б ; для этого необходимо, чтобы падения напряжения в плечах Z1 и Z4 (а также в плечах Z2 и Z3) были равны по амплитуде и совпадали по фазе. Равновесие достигается при выполнении двух условий:
1) равенстве произведений модулей полных сопротивлений противоположных плеч, т. е.

Z 4 Z 2 = Z 1 Z 3 ; (9)

2) равенстве сумм фазовых углов этих же плеч, т. е.

φ4 + φ2 = φ1 + φ3 . (10)

Если плечо моста обладает активным R и реактивным (ёмкостным или индуктивным) X сопротивлениями, действующими последовательно, то модуль полного сопротивления плеча

Z = (R 2 -Х 2) 0,5 , (11)

а его фазовый угол φ определяется из формулы

tg φ = X/R . (12)

Для чисто активных плеч (X = 0) фазовый угол φ = 0; для чисто ёмкостных и индуктивных плеч (R = 0) соответственно φ = -90° и φ = +90°. Если сопротивление плеча имеет смешанный (комплексный) характер, то фазовый угол |φ| < 90°.

Если сопротивления R и X представляются в параллельном соединении, то модуль полного сопротивления плеча

Z = 1/(1/R 2 +1/Х 2) 0,5 , (13)

а фазовый угол φ находится из формулы

tg φ = R/X . (14)

В этом случае угол φ = 0 при отсутствии реактивного сопротивления (X = ∞) и φ = +-90° при отсутствии активного сопротивления (R = ∞).

Для одновременного выполнения обоих условий равновесия приходится регулировать два параметра известных плеч моста; при этом оказывается возможным определить два параметра исследуемого плеча, например активную и реактивную составляющие его полного сопротивления.

Условие (9) можно выполнить всегда посредством регулировки элементов плеч моста. Второе же условие (10) выполнимо лишь при определённой компоновке схемы моста, например в случае, если все четыре плеча состоят из одинаковых элементов - резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности. Обычно в целях упрощения схемы два плеча моста переменного тока составляются из элементов активного сопротивления - резисторов. Если эти плечи являются смежными (рис. 9), то два других плеча должны обладать реактивными сопротивлениями одинакового характера, т. е. оба должны содержать либо конденсаторы либо катушки индуктивности. Если плечи активного сопротивления являются противоположными, то два других плеча должны обладать реактивными сопротивлениями различного характера: одно - ёмкостного, а другое - индуктивного, имеющими фазовые углы разных знаков, сумма которых может быть сделана равной нулю.

В измерительных мостах переменного тока избегают применения катушек индуктивности (если, конечно, последние не являются объектами измерений), поскольку они обладают заметным активным сопротивлением и восприимчивы к магнитным полям; кроме того, при наличии стального сердечника индуктивность катушки не является стабильной. В качестве регулируемых элементов в мостах используются переменные резисторы и конденсаторы, а также магазины сопротивлений и ёмкостей.

В простейших мостах, питаемых от источников звуковой частоты, индикаторами нуля часто служат головные телефоны. Мост уравновешивают по минимальной слышимости тона основной частоты, что уменьшает ошибку измерений, обусловленную действием гармоник, и позволяет снизить требования к генератору питания.

В измерительных мостах промышленного изготовления в качестве индикаторов нуля применяют выпрямительные или электронные милливольтметры, а также осциллографические индикаторы на малогабаритных электроннолучевых трубках; последние в отличие от других индикаторов обладают фазочувствительностью, что позволяет определять направление, в котором следует производить уравновешивание моста.

Достоинствами уравновешенных мостов переменного тока являются малая погрешность измерения, не превышающая в лучших образцах 1%, широкие пределы измерений, возможность универсального применения для измерения различных электрических величин. Главным их недостатком является сложность и длительность процесса уравновешивания. В последнем отношении определённые преимущества имеют неуравновешенные и автоматические мосты переменного тока.

В неуравновешенных мостах переменного тока амплитуда и фаза выходного напряжения на зажимах индикаторной диагонали зависят как от модуля, так и от состава объекта измерений Zx. При сравнительно малом отклонении от состояния равновесия активная и реактивная составляющие выходного напряжения оказываются примерно пропорциональными приращениям аналогичных составляющих комплексного сопротивления Zx относительно тех значений, при которых мост уравновешен Посредством двух фазочувствительных систем удаётся разделить составляющие выходного напряжения, сдвинутые по фазе на 90°, которые затем раздельно измеряются двумя индикаторами; отчёт по шкалам последних производится соответственно в значениях активной и реактивной составляющих сопротивления Zx.

В автоматических мостах переменного тока выделенные фазочувствительными системами составляющие выходного напряжения приводят в действие два электродвигателя, которые посредством приводов воздействуют на элементы регулировки мостовой схемы до момента достижения состояния равновесия.

Мостовой метод измерения параметров конденсаторов

Мосты, применяемые для измерения параметров конденсаторов, разделяются на магазинные и реохордные (линейные). Простейший (однопредельный) магазинный мост, пригодный для измерения ёмкостей в десятки и сотни пикофарад, может быть составлен из четырёх конденсаторов: измеряемого, переменного со шкалой ёмкостей (в смежном плече) и двух постоянных с одинаковой ёмкостью (сотни пикофарад). При использовании в качестве индикатора головных телефонов источником питания моста может служить радиотрансляционная сеть. Широкодиапазонные магазинные мосты сложнее реохордных, однако они обеспечивают меньшую погрешность измерения и могут иметь равномерные отсчётные шкалы. Диапазон ёмкостей, измеряемых мостовым методом, лежит примерно в пределах от 10 пФ до 10...30 мкФ.

На рис. 9, а приведена схема многопредельного магазинного моста. Его уравновешивают с помощью конденсатора переменной ёмкости С1 и переменного резистора R1. Применяя к данной схеме условие равновесия (9), получаем

R2*(R x 2 + 1/(2*π*F*C x) 2) 0,5 = R3*(R1 2 +1/(2*π*F*C 1) 2) 0,5

Учитывая, что φ 2 = φ 3 = 0, второе условие равновесия (10) можно записать в виде равенства φ x = φ 1 или tg φ x = tg φ 1 или, согласно формуле (12),

1/(2*π*F*C x *R x) = 1/(2*π*F*C 1 *R 1).

Решая совместно приведённые выше уравнения, находим:

С x = С1(R2/R3) ; (15)

R x = R1(R3/R2) . (16)

При фиксированном отношении сопротивлений плеч R2/R3 конденсатор С1 и резистор R1 можно снабдить шкалами с отсчётом соответственно в значениях ёмкостей С х и сопротивлений потерь R x . Расширение диапазона измерений достигается применением группы переключаемых резисторов R3 (или R2) различных номиналов, обычно различающихся в 10 раз. Мост уравновешивается быстро, поскольку регулировки, осуществляемые конденсатором С1 и резистором R1, взаимонезависимы. Если мост предназначается для измерения ёмкостей, меньших 0,01 мкФ, для которых потери на низких частотах очень малы, то резистор R1 может отсутствовать.

Рис. 9 Схемы магазинных мостов для измерения параметров конденсаторов

В целях упрощения конструкции в некоторых измерительных мостах конденсатор С1 берётся постоянной ёмкости, а в качестве регулируемых элементов используются два переменных резистора, например R1 и R2 (рис. 9, б). Из формул (15) и (16) следует, что обе регулировки такого моста оказываются взаимосвязанными, поэтому его уравновешивание, контролируемое по показаниям выпрямительного индикатора, должно осуществляться способом последовательного приближения к минимуму путем попеременного изменения сопротивлений R1 и R2. Значения ёмкостей С х находятся по шкале резистора R2 с учётом множителя, определяемого установкой переключателя В . Поскольку непосредственная оценка сопротивлений потерь R x оказывается невозможной, то отсчёт по шкале резистора R1 обычно выполняется в значениях тангенса угла потерь:

tg δ = 2*πF*C x *R x = 2*π*F*C 1 *R 1 ,

который при фиксированной частоте F однозначно определяется значением сопротивления R1. В справедливости последней формулы легко убедиться, если перемножить соответственно левые и правые части равенств (15) и (16).

Простые измерители ёмкостей выполняются по схеме реохордного моста, в котором обычно предусматривается возможность измерения и сопротивлений, а иногда и индуктивностей. Схема универсального реохордного моста приведена в статье Измерение параметров катушек индуктивности на рис. 5.

Пример 4. Произвести поверочный расчёт схемы магазинного моста по рис. 9, б, для измерения ёмкостей на трех пределах с верхними значениями 10000 пФ, 0,1 и 1 мкФ, а также тангенса угла потерь от 0 до 0,01, если ёмкость С1 = 0,01 мкФ, а полное сопротивление R2 - 10 кОм. Напряжение питания 10 В, частота 50 Гц. Измеритель И имеет параметры: I и = 100 мкА, R и = 900 Ом.

Результаты расчёта приведены на схеме.

Резонансные измерители ёмкостей

Помимо измерения частоты электрических колебаний резонансные методы широко применяются для измерения малых ёмкостей и индуктивностей, добротности, собственной или резонансной частоты настройки и других параметров радиодеталей и колебательных систем.

Резонансная схема измерения ёмкостей (рис. 10) обычно включает в себя генератор высокой частоты, с контуром которого LС слабо связывается индуктивно (или через ёмкость) измерительный контур, состоящий из опорной катушки индуктивности L о и испытуемого конденсатора С х. Изменением ёмкости конденсатора С генератор настраивают в резонанс с собственной частотой f о измерительного контура по экстремальным показаниям индикатора резонанса, например электронного вольтметра V. При известной частоте настройки генератора f о измеряемая ёмкость определяется формулой

С х = 1/((2*π*f о) 2 *L о) ≈ 0,0253/(f о 2 L о) (17)

При фиксированном значении L о конденсатор С можно снабдить шкалой с отсчётом в значениях ёмкостей С х.

Пределы измерений ёмкостей определяются значением индуктивности L о и диапазоном частот генератора. Например, при L о = 100 мкГ и диапазоне генератора 160-3500 кГц прибор будет измерять ёмкости от десятков пикофарад до сотых долей микрофарад. Для расширения пределов измерений ёмкостей при ограниченном частотном диапазоне генератора применяют несколько сменных катушек L о различной индуктивности, а также включают испытуемые конденсаторы в измерительный контур последовательно с конденсаторами известной ёмкости. Ёмкости более 0,01-0,05 мкФ резонансным методом обычно не измеряются, так как на низких частотах резонансные кривые колебательных контуров становятся тупыми, что затрудняет фиксацию резонанса.

В качестве индикаторов резонанса используют чувствительные высокочастотные приборы, реагирующие на ток или напряжение, действующие в измерительном контуре, например электронные вольтметры со стрелочным или электронно-световым индикатором, электроннолучевые осциллографы, термоэлектрические приборы и др. Индикатор резонанса не должен вносить в измерительный контур заметного затухания.

Рис. 10. Схема измерения ёмкостей резонансным методом

Верхний предел измеряемых подобным методом ёмкостей равен разности между максимальной С м и начальной С н ёмкостями конденсатора С о. Конденсаторы, ёмкость которых превышает значение С м - С н, можно подключать к контуру последовательно с постоянным конденсатором известной ёмкости Сх. При этом порядок измерений остаётся прежним, но измеряемая ёмкость подсчитывается по формуле

С x = С1 (С о1 - С о2)/(С 1 - С о1 + С о2).

Например, при С 1 = 600 пФ, С о1 = 500 пФ и С о2 = 100 пФ получаем С x = 1200 пФ. Применяя несколько сменных конденсаторов С1 различных номиналов, можно получить ряд пределов измерений. Если задаться верхним пределом измеряемых ёмкостей С п, то необходимая ёмкость С x определится формулой:

С 1 = С п (С м -С н)/(С п -С м + С н).

Например, при С п = 2000 пФ, С м = 500 пФ и Сн = 20 пФ конденсатор должен обладать ёмкостью С1 = 630 пФ.

Различные варианты резонансных методов реализуются в специальных измерительных приборах или посредством малогабаритных приставок к типовой, имеющей частотные шкалы, радиоаппаратуре (к последним относятся высокочастотные измерительные генераторы, радиоприёмники и т. п.).

Рис. 11. Схема резонансного измерителя ёмкостей, использующего явление поглощения

На рис. 11 приведена схема резонансного измерителя ёмкостей, основанного на использовании явления поглощения (абсорбции). Прибор содержит маломощный генератор по схеме ёмкостной трёхточки, с колебательным контуром которого индуктивно связан измерительный контур L2, С6, С7. Связь между контурами устанавливается сравнительно сильной (например, посредством использования общего ферритового сердечника для катушек L1 и L2) с целью обеспечения заметного влияния измерительного контура на режим генератора. Индикатором резонанса служит микроамперметр постоянного тока mA , включённый в цепь базы транзистора Т. При настройке измерительного контура в резонанс с частотой генератора энергия, поглощаемая контуром, оказывается наибольшей. Это вызывает резкое уменьшение постоянной составляющей тока базы, измеряемой микроамперметром mA , что обеспечивает чёткую фиксацию состояния резонанса.

Для уменьшения погрешности измерения малых ёмкостей можно в измерительный контур включить два конденсатора переменной ёмкости (С6 и С7 на рис. 11) с максимальными ёмкостями, например, 500 и 50 пФ. Перед измерениями оба конденсатора устанавливаются на максимальную ёмкость и с помощью подстроечного сердечника одной из катушек добиваются резонансной настройки генератора и измерительного контура. Затем, присоединив к контуру конденсатор С х, в зависимости от предполагаемой ёмкости последнего одним из конденсаторов С6 или С7 восстанавливают резонанс. Отсчёт по шкалам конденсаторов С6 и С7 желательно производить непосредственно в значениях ёмкостей С х.

Рис 12. Схема измерения ёмкостей резонансным методом с помощью радиоприёмника

Рассмотренный вариант резонансного метода может быть реализован с помощью простейшей приставки к радиоприёмнику, имеющему внутреннюю магнитную антенну. Приставка (рис. 12) представляет собой измерительный контур L, С о, собственная частота которого при максимальном значении ёмкости С о должна находиться в пределах какого-либо частотного поддиапазона приёмника. Приёмник настраивают на частоту одной из хорошо принимаемых передающих радиостанций этого поддиапазона, а затем катушку L располагают вблизи приёмника, параллельно его магнитной антенне. При наибольшей ёмкости С о подстроечным сердечником катушки L контур настраивают в резонанс с частотой настройки приёмника, который обнаруживается по ослаблению слышимости звуковых сигналов радиостанции, а затем производят измерение ёмкости С х методом замещения.

Высокая точность фиксации состояния резонанса достигается при гетеродинном методе (методе нулевых биений). В гетеродинном измерителе ёмкостей имеется два одинаковых высокочастотных гетеродина, колебания которых смешиваются в детекторном каскаде, нагруженном на телефоны. При максимальной ёмкости основных контурных конденсаторов переменной ёмкости оба гетеродина подстраиваются на одну и ту же частоту, что контролируется по нулевым биениям. Затем параллельно одному из этих конденсаторов включают конденсатор С x , ёмкость которого определяют методом замещения.

Если оба гетеродина выполнить совершенно идентичными, то прибор можно успешно применить для выравнивания ёмкостей сдвоенных и строенных блоков конденсаторов переменной ёмкости. Для этого к контурам обоих гетеродинов одновременно подключают по одной секции проверяемого блока конденсаторов и при их максимально введённой ёмкости добиваются нулевых биений. Если обе секции одинаковы, то при сопряжённом уменьшении их ёмкостей нулевые биения должны сохраняться.

Однозначная связь между ёмкостью колебательного контура генератора и частотой возбуждаемых колебаний позволяет создать измеритель ёмкостей, состоящий из генератора, в контур которого включаются конденсаторы C x , и частотомера, имеющего шкалу с непосредственным отсчётом значений С x .

Во всех вариантах применения резонансного метода предварительную регулировку измерительной схемы следует выполнять при подключённых к ней проводниках связи с объектом измерений, длина которых должна быть возможно меньшей.

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.

Мастера, ремонтирующие радиоаппаратуру, чаще всего сталкиваются с пробоем конденсаторов либо со снижением емкости. Чтобы узнать, исправна деталь или нет, надо измерить емкость конденсатора. Для этого существуют различные приборы.

Устройство и характеристики конденсатора

Конденсатор содержит две обкладки из металла, между которыми помещается диэлектрик. Для диэлектрика используются воздух, пластик, слюда, картон, керамические материалы.

В более современных деталях вместо металла применяется фольга, которую сворачивают в рулоны. Таким образом, при меньших габаритах конденсатора можно повысить его емкость.

Конденсаторы классифицируются по диэлектрическому материалу, способам монтажа, форме обкладок и т. д. По полярности они делятся на:

• электролитические, или оксидные, обладающие полярностью;
• неполярные.

Электролитические конденсаторные элементы требуют обязательного соблюдения полярности при включении. Диэлектриком в них служит оксидный слой, формирующийся на танталовом (алюминиевом) аноде. Катод – электролит в виде жидкости или геля. Измерение емкости конденсатора такого типа должно проводиться, учитывая маркировку полюсов детали.

Основное свойство конденсатора – накопление электрического заряда, благодаря которому он широко используется в различных фильтрах. С его помощью можно передавать сигнал между каскадами усиления, разделять высокие и низкие частоты и т.д.

Параметры конденсатора:

1. Емкость. Способность к накоплению заряда, зависящая от площади обкладок, расстояния между ними, характера применяемого материала в качестве электролита. Измеряется в фарадах;
2. Номинальное напряжение. Показывает, при каком напряжении возможна длительная и стабильная работа элемента. Если параметр превышается, может наступить пробой.

Возможные неисправности конденсатора

Различают несколько видов неисправностей конденсаторов, влияющих на работу электрической схемы:

• полный пробой (замыкание между обкладками);
• нарушение внешней герметичности от механических повреждений;
• уменьшение емкости;
• возрастание внутреннего сопротивления;
• уменьшение напряжения, при котором наступает обратимый пробой элемента.

В большинстве случаев детали выходят из строя по причине продолжительной работы в условиях перегрева. Всегда важно обеспечить оптимальный режим температур для работы аппаратуры.

Как проверить исправность конденсатора

На первом этапе надо сделать визуальный осмотр детали на наличие механических повреждений, деформации корпуса, изменения цвета. У электролитических элементов это разбухание в верхней части, которое может быть небольшим, но заметным в сравнении с исправными аналогами. Зачастую деталь внешне выглядит нормально. Тогда для ее проверки потребуются специальные приборы:

• мультиметр, в котором реализована функция измерения емкости;
• специальный измеритель емкости конденсаторов;
• LC-метр;
• прибор ESR.

Используя мультиметр, иногда трудно сделать вывод о неисправности, так как емкость поврежденного конденсаторного элемента снижается на очень малые величины. С помощью LC-метров или специальных приборов определить ее значение можно точнее. Для измерений емкости электролитических конденсаторов служат приборы ESR. Причем замеры производятся без выпаивания деталей из схемы.

Если нет специального прибора, то емкостные замеры неполярных элементов можно производить мультиметром, измеряющим сопротивление. При этом они выпаиваются из платы.

1. На шкале мультиметра установить предел «200 кОм». Предел шкалы меняется в зависимости от номинального емкостного значения;
2. Разрядить выпаянные конденсаторные элементы, так как может существовать остаточный заряд. Разряд производится замыканием их выводов накоротко;
3. Щупы прибора подключить к конденсаторным выводам и наблюдать за его показаниями. Стараться не прикасаться к контактной части щупов руками.

Появившееся на экране значение сопротивления будет постепенно увеличиваться, а затем покажет «1», на цифровом приборе означающую «бесконечность». У конденсаторов с малой емкостью процесс изменения сопротивления ускорен так, что можно его не зафиксировать.

Важно! Исправный заряженный конденсаторный элемент обладает «бесконечным» сопротивлением.

Если деталь неисправна, сразу, без предшествующего нарастания, будут видны значения «1», указывающие на обрыв внутри детали, или «0» – внутреннее КЗ. Плавное нарастание сопротивления наблюдается из-за зарядки детали от батареи мультиметра.

Можно применить для емкостных замеров и старые аналоговые тестеры. При этом наблюдения ведутся за движениями стрелки. Она должна сразу отклониться вправо со скоростью, зависящей от конденсаторной емкости, продолжая свое медленное движение до пределов шкалы. Если она не дергается или, отклонившись, останавливается, это говорит о повреждении. О том же сигнализирует резкий бросок до предельных цифр.

Важно! Проверке мультиметром можно подвергнуть конденсаторные элементы емкостью до 0,25 мкФ. Для меньших параметров проверка ведется на LC-метрах.

Измерение фактических емкостных значений

Вышеописанным способом невозможно определить количественные емкостные значения, можно только сделать вывод об исправности конденсаторного элемента. По приборам, измеряющим емкость в фарадах, сразу определяется ее отклонение от номинального параметра. Нулевое значение говорит о пробое, сниженное – тоже сигнализирует о том, что деталь нужно заменить.

Опосредованно о величине емкости можно судить по скорости нарастания сопротивления в момент подключения к мультиметру. Чем она ниже, тем больше емкость. Можно подсчитать ее примерное значение, подключая исправные конденсаторные элементы с заранее известной емкостью и производя замеры времени в секундах, за которое сопротивление достигает «бесконечности». Вывод делается на основании сравнения с испытываемым конденсаторным элементом.

На лицевой панели мультиметра, предназначенного для емкостных замеров, существуют специальные входные разъемы СХ, промаркированные «плюсом» и «минусом». Вместо них могут присутствовать обыкновенные щупы. Для измерения конденсаторные элементы вставляются в эти разъемы с обязательным соблюдением полярности у электролитических деталей. Маркировка присутствует и на самих конденсаторах. Для неполярных элементов это не имеет значения. Предельное значение шкалы измеряемой емкости надо выставлять, исходя из конденсаторных параметров.

Важно! Перед подсоединением к прибору необходимо снять остаточный заряд с конденсатора.

Измерение прибором ESR

ESR означает эквивалентное последовательное сопротивление, параметр очень важный для электролитического конденсатора. Когда это сопротивление увеличивается, зарядный ток уменьшается, что вызывает сбои в работе электрической цепи. Причем емкость, измеренная традиционными способами, может не выходить из границ нормы. Особенно влияние эквивалентного сопротивления заметно у деталей емкостью больше 5 мкФ. Для стабильной работы параметр не должен превышать 1 Ом.

При проверке конденсаторных элементов без выпаивания из платы такой аппарат дает более точные результаты. Попытки аналогично замерить параметры детали мультиметром не дадут достоверной картины. Рядом с конденсатором существуют другие элементы: индуктивности, сопротивления и т.д., которые вносят искажающее влияние. Обычно делают вывод об исправности конденсаторного элемента с помощью косвенных измерений либо параллельно ему припаивают другой с идентичными характеристиками. Это возможно только в низковольтных цепях.

Снижение напряжения пробоя конденсатора

Мастерам-радиолюбителям может встретиться случай, когда все характеристики конденсатора в норме при замере мультиметром, но при работе в схеме наблюдаются признаки его пробоя. Это происходит при снижении напряжения пробоя ниже номинальной величины. Если деталь рассчитана на напряжение 25 В, а пробой наступает при 15 В, то при измерении мультиметром не будет выявлена неисправность конденсаторного элемента, так как пробой имеет обратимый характер.

Для определения такой неисправности надо использовать источник постоянного тока с возможностью регулировать уровень напряжения. Подключив к нему деталь и постепенно увеличивая подводимое напряжение, выясняется наличие повреждения, заметное по резкому возрастанию тока вплоть до срабатывания защитного отключения ИП.

Измерения конденсаторной емкости можно проводить разными способами. Просто обнаружить неисправный элемент можно омметром, более точные результаты получаются при использовании LC-метров и приборов ESR.

Видео

При ремонте радиоаппаратуры, часто приходится сталкиваться с высохшей емкостью и тогда на помощь приходить схема измерителя С

Тот, кто занимается ремонтом бытовой или промышленной радиоаппаратуры, знает, что исправность конденсаторов удобно проверять без их демонтажа. Однако многие измерители емкости конденсаторов такой возможности не предоставляют. При проектировании же нового измерителя решалась задача создания прибора с широким диапазоном, линейной шкалой и прямым отсчетом, чтобы можно было пользоваться им, как лабораторным.

Помимо этого, прибор должен быть диагностическим, т. е. способным проверять и конденсаторы, зашунтированные р-n переходами полупроводниковых приборов и сопротивлениями резисторов.

Принцип работы прибора таков. На вход дифференциатора, в котором проверяемый конденсатор используется в качестве дифференцирующего, подается напряжение треугольной формы. При этом на его выходе получается меандр с амплитудой, пропорциональной емкости этого конденсатора. Далее детектор выделяет амплитудное значение меандра и выдает постоянное напряжение на измерительную головку.

Амплитуда измерительного напряжения на щупах прибора примерно 50 мВ, что недостаточно для открывания р-n переходов полупроводниковых приборов, поэтому они не оказывают своего шунтирующего действия.

Прибор имеет два переключателя. Переключатель пределов "Шкала" с пятью положениями: 10 мкФ, 1 мкФ, 0,1 мкФ, 0,01 мкФ, 1000 пФ. Переключателем "Множитель" (Х1000, Х100, Х10, Х1) меняется частота измерения. Таким образом, прибор имеет восемь поддиапазонов измерения емкости от 10000 мкФ до 1000 пФ, что практически достаточно в большинстве случаев.

Генератор треугольных колебаний собран на ОУ микросхемы DA1.1, DA1.2, DA1.4 (рис. 1). Один из них, DA1.1, работает в режиме компаратора и формирует сигнал прямоугольной формы, который поступает на вход интегратора DA1.2. Интегратор преобразует прямоугольные колебания в треугольные. Частота генератора определяется элементами R4, С1-С4. В цепи обратной связи генератора стоит инвертор на ОУ DA1.4, который обеспечивает автоколебательный режим. Переключателем SA1 можно устанавливать одну из частот измерения (множитель): 1 Гц (Х1000), 10 Гц(х100), 100 Гц(х10), 1 кГц(х1).

Рис. 1

ОУ DA2.1 - повторитель напряжения, на его выходе сигнал треугольной формы амплитудой около 50 мВ, который и используется для создания измерительного тока через проверяемый конденсатор Сх.

Так как емкость конденсатора измеряется в плате, на нем может находиться остаточное напряжение, поэтому для исключения повреждения измерителя параллельно его щупам подключены два встречно-параллельных диода моста VD1.

ОУ DA2.2 работает как дифференциатор и выполняет роль преобразователя ток - напряжение. Его выходное напряжение: Uвых=(R12...R16) Iвх=(R12...R16)Cх dU/dt. Например, при измерении емкости 100 мкФ на частоте 100 Гц получается: Iвх=Сх dU/dt=100 100 мВ/5 мс=2мА, Uвых= R16 Iвх=1 кОм мА=2 В.

Элементы R11, С5-С9 необходимы для устойчивой работы дифференциатора. Конденсаторы устраняют колебательные процессы на фронтах меандра, которые делают невозможным точное измерение его амплитуды. В результате на выходе DA2.2 получается меандр с плавными фронтами и амплитудой, пропорциональной измеряемой емкости. Резистор R11 также ограничивает входной ток при замкнутых щупах или при пробитом конденсаторе. Для входной цепи измерителя должно выполняться неравенство: (3...5)СхR11<1/(2f).

Если это неравенство не выполнено, то за половину периода ток Iвх не достигает установившегося значения, а меандр - соответствующей амплитуды, и возникает погрешность в измерении. Например, в измерителе, описанном в , при измерении емкости 1000 мкФ на частоте 1 Гц постоянная времени определяется как Cх R25=1000 мкФ 910 Ом=0,91 с. Половина же периода колебаний Т/2 составляет лишь 0,5 с, поэтому на данной шкале измерения окажутся заметно нелинейными.

Синхронный детектор состоит из ключа на полевом транзисторе VT1, узла управления ключом на ОУ DA1.3 и накопительного конденсатора С10. ОУ DA1.2 выдает управляющий сигнал на ключ VT1 во время положительной полуволны меандра, когда его амплитуда установлена. Конденсатор С10 запоминает постоянное напряжение, выделенное детектором.

С конденсатора С10 напряжение, несущее информацию о величине емкости Сх, через повторитель DA2.3 подается на микроамперметр РА1. Конденсаторы С11, С12 - сглаживающие. С движка переменного резистора калибровки R22 снимается напряжение на цифровой вольтметр с пределом измерения 2 В.

Источник питания (рис. 2) выдает двухполярные напряжения ±9 В. Опорные напряжения образуют термостабильные стабилитроны VD5, VD6. Резисторами R25, R26 устанавливают необходимую величину выходного напряжения. Конструктивно источник питания объединен с измерительной частью прибора на общей монтажной плате.

Рис. 2

В приборе использованы переменные резисторы типа СПЗ-22 (R21, R22, R25, R26). Постоянные резисторы R12-R16 - типа С2-36 или С2-14 с допустимым отклонением ±1 %. Сопротивление R16 получено соединением последовательно нескольких подобранных резисторов. Сопротивления резисторов R12-R16 можно использовать и других типов, но их надо подобрать с помощью цифрового омметра (мультиметра). Остальные постоянные резисторы - любые с мощностью рассеяния 0,125 Вт. Конденсатор С10 - К53-1 А, конденсаторы С11-С16 - К50-16. Конденсаторы С1, С2 - К73-17 или другие металлопленочные, СЗ, С4 - КМ-5, КМ-6 или другие керамические с ТКЕ не хуже М750, их необходимо также подобрать с погрешностью не более 1 %. Остальные конденсаторы - любые.

Переключатели SA1, SA2 - П2Г-3 5П2Н. В конструкции допустимо применить транзистор КП303 (VT1) с буквенными индексами А, Б, В, Ж, И. Транзисторы VT2, VT3 стабилизаторов напряжения могут быть заменены другими маломощными кремниевыми транзисторами соответствующей структуры. Вместо ОУ К1401УД4 можно использовать К1401УД2А, но тогда на пределе "1000 пФ" возможно появление ошибки из-за смещения входа дифференциатора, создаваемого входным током DA2.2 на R16.

Трансформатор питания Т1 имеет габаритную мощность 1 Вт. Допустимо использовать трансформатор с двумя вторичными обмотками по 12 В, но тогда необходимо два выпрямительных моста.

Для настройки и отладки прибора потребуется осциллограф. Неплохо иметь частотомер для проверки частот генератора треугольных колебаний. Нужны будут и образцовые конденсаторы.

Прибор начинают настраивать с установки напряжений +9 В и -9 В с помощью резисторов R25, R26. После этого проверяют работу генератора треугольных колебаний (осциллограммы 1, 2, 3, 4 на рис. 3). При наличии частотомера измеряют частоту генератора при разных положениях переключателя SA1. Допустимо, если частоты отличаются от значений 1 Гц, 10 Гц, 100 Гц, 1 кГц, но между собой они должны отличаться точно в 10 раз, так как от этого зависит правильность показаний прибора на разных шкалах. Если частоты генератора не кратны десяти, то необходимой точности (с погрешностью 1 %) добиваются подбором конденсаторов, подключаемых параллельно конденсаторам С1-С4. Если емкости конденсаторов С1-С4 подобраны с необходимой точностью, можно обойтись без измерения частот.

Далее проверяют работу ОУ DA1.3 (осциллограммы 5, 6). После этого устанавливают предел измерения "10 мкФ", множитель - в положение "Х1" и подключают образцовый конденсатор емкостью 10 мкФ. На выходе дифференциатора должны быть прямоугольные, но с затянутыми, сглаженными фронтами колебания амплитудой около 2 В (осциллограмма 7). Резистором R21 выставляют показания прибора - отклонение стрелки на полную шкалу. Цифровой вольтметр (на пределе 2 В) подключают к гнездам XS3, XS4 и резистором R22 выставляют показание 1000 мВ. Если конденсаторы С1 - С4 и резисторы R12 - R16 точно подобраны, то показания прибора будут кратными и на других шкалах, что можно проверить с помощью образцовых конденсаторов.

Измерение емкости конденсатора, впаянного в плату с другими элементами, обычно получается достаточно точным на пределах 0,1 - 10 000 мкФ, за исключением случаев, когда конденсатор зашунтирован низкоомной резистивной цепью. Так как его эквивалентное сопротивление зависит от частоты Хс=1/wС, то для уменьшения шунтирующего действия других элементов устройства необходимо увеличивать частоту измерения с уменьшением емкости измеряемых конденсаторов. Если при измерении конденсаторов емкостью 10 000 мкФ, 1000 мкФ, 100 мкФ, 10 мкФ использовать соответственно частоты 1 Гц, 10 Гц, 100 Гц, 1 кГц, то шунтирующее действие резисторов скажется на показании прибора при параллельно включенном резисторе сопротивлением 300 Ом (ошибка около 4 %) и меньше. При измерении конденсаторов емкостью 0,1 и 1 мкФ на частоте 1 кГц ошибка в 4 % будет из-за влияния параллельно включенного резистора уже сопротивлением 30 и 3 кОм соответственно.

На пределах 0,01 мкФ и 1000 пФ конденсаторы целесообразно проверять все-таки с отключением шунтирующих цепей, так как измерительный ток мал (2 мкА, 200 нА). Стоит, однако, напомнить, что надежность конденсаторов небольшой емкости заметно выше благодаря конструкции и более высокому допустимому напряжению.

Иногда, например, при измерении некоторых конденсаторов с оксидным диэлектриком (К50-6 и т. п.) емкостью от 1 мкФ до 10 мкФ на частоте 1 кГц появляется погрешность, связанная, по всей видимости, с собственной индуктивностью конденсатора и потерями в его диэлектрике; показания прибора оказываются меньшими. Поэтому бывает целесообразно производить измерения на более низкой частоте (например, в нашем случае на частоте 100 Гц), хотя при этом шунтирующие свойства параллельных резисторов будут сказываться уже при большем их сопротивлении.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кучин С. Прибор для измерения емкости. - Радио, 1993, № 6, с. 21 - 23.
2. Болгов А. Испытатель оксидных конденсаторов. - Радио, 1989, № 6, с. 44.

В этой статье приведено элементарную схему измерителя ёмкости на логической микросхеме. Такое классическое и элементарное схемотехническое решение достаточно быстро и просто можно воспроизвести. Потому данная статья будет полезна начинающему радиолюбителю, который задумал собрать себе элементарный измеритель ёмкости конденсатора.

Работа схемы измерителя ёмкости:

Рисунок №1 – Измеритель ёмкости схема

Перечень элементов измерителя ёмкости:

R1- R4 – 47 КОм

R5 – 1,1 КОм

C3 – 1500 пФ

C4 – 12000 пФ

C5 –0,1 мкФ

C изм. – конденсатор ёмкость которого вы хотите измерять

SА1 – галетный переключатель

DA1 – К155ЛА3 или SN7400

VD1-VD2– КД509 или аналог 1N903A

PA1 – Стрелочная индикаторная головка (ток полного отклонения 1 мА, сопротивление рамки 240 Ом)

XS1- XS2 – разъёмы типа «крокодил»

Такой вариант измерителя ёмкости конденсаторов имеет четыре диапазона, которые можно выбирать переключателем SA1. На пример в положении «1» можно промерять конденсаторы с ёмкостью 50 пФ, в положении «2» — до 500 пФ, в положении «3» — до 5000 пФ, в положении «4» — до 0,05 мкФ.

Элементы микросхемы DA1 обеспечивают достаточный ток для заряда измеряемого конденсатора (С изм.). Особенно важно для точности измерения, адекватно подобрать диоды VD1-VD2, они должны иметь одинаковые (наиболее похожие) характеристики.

Настройка схемы измерителя ёмкости:

Настроить такую схему достаточно просто, вам необходимо подключить С изм. с заведомо известными характеристиками (с известной ёмкостью). Выберите переключателем SА1 необходимый диапазон измерения и вращайте ручку построечного резистора до тех пор, пока не добьётесь нужного показания на индикаторной головке PA1 (рекомендую её проградуировать в соответствии с вашими показаниями, это можно сделать путём разбора индикаторной головки и наклеивания новой шкалы с новыми надписями)