Прибор для измерения емкости конденсаторов. Измеритель емкости конденсаторов своими руками
Почти два года назад купил цифровой измеритель ёмкости, взял, можно сказать, первое что попалось. Так сильно меня утомила неспособность мультиметра Маstech MY62 измерять ёмкость конденсаторов более 20 микрофарад, да и меньше 100 пикофарад он правильно не мерил. Понравилось в СМ-7115А два фактора:
- Измеряет весь востребованный диапазон
- Компактность и удобство
Заплатил 750 рублей. Искренне считал, что он этих денег не стоит, а цену «взвинтили» по причине полного отсутствия конкурентной продукции. Страна производитель - конечно Китай. Опасался, что будет «привирать», больше того был в этом уверен - однако напрасно.
Ёмкостемер и провода к нему были упакованы в полиэтилен, каждый в свою оболочку и вложены в коробку из толстого картона, свободное пространство заполнено пенопластом. Так же в коробке находилась инструкция на английском языке. Габаритные размеры прибора 135 х 72 х 36 мм, вес 180 грамм. Цвет корпуса чёрный, передняя панель с сиреневым отливом. Имеет жидкокристаллический индикатор, девять диапазонов измерения, два положения отключения питания, регулятор установки нуля, 15 сантиметровые, разного цвета (красный - чёрный) провода, при помощи которых подключается к прибору измеряемый конденсатор, заканчиваются зажимами типа «крокодил», а гнёзда на корпусе прибора, для их подключения, замаркированы цветным обозначением соответствующей полярности, дополнительно возможно измерение и без них (что увеличивает точность), для чего имеются два продолговатых гнезда, которые подписаны символом измеряемого конденсатора. Используется батарея питания на 9 вольт, имеется функция автоматической индикации её разряда. Жидкокристаллический индикатор трёхразрядный +1 знак после запятой, заявленный производителем диапазон измерения составляет от 0,1 пФ до 20000 мкФ, с возможностью юстировки на диапазоне измерения от 0 до 200 пФ, для установки нуля, в пределах +/- 20 пФ, время одного измерения 2-3 секунды.
Таблица допустимых погрешностей при измерениях, индивидуально по диапазонам. Представлена изготовителем.
На задней половине корпуса имеется интегрированная подставка. Она даёт возможность более компактно разместить измеритель на рабочем месте и изменяет в лучшую сторону обзор жидкокристаллического индикатора.
Батарейный отсек выполнен полностью автономно, для смены элемента питания достаточно сдвинуть в сторону его крышку. Удобство из разряда неприметных, когда оно есть.
Для того чтобы снять заднюю крышку корпуса достаточно открутить один саморез. Самый массивный компонент печатной платы - предохранитель на 500 мА.
В основу работы измерительного прибора положен метод двойного интегрирования. Собран он на логических счётчиках HEF4518BT - 2 шт, ключе HEF4066BT, десятичном счётчике с дешифратором HCF4017 и смд транзисторах: J6 - 4 шт, М6 - 2 шт.
Открутив ещё шесть саморезов можно увидеть другую сторону печатной платы. Переменный резистор, при помощи которого производится установка на «0» стоит так, что его можно легко заменить при необходимости. Слева контакты для подключения измеряемого конденсатора, те, что выше, для непосредственного подключения (без проводов).
Прибор выставляется на нулевую точку отсчёта не сразу, но выставленный показание удерживает. С отключёнными проводами сделать это гораздо проще.
Для наглядной демонстрации разницы в точности измерения при различный способах измерений (с проводами и без) взял конденсаторы малой ёмкости с заводской маркировкой - 8,2 пФ
Видеообзор прибора
Без проводов С проводами
№1 8 пФ 7,3 пФ
№2 7,6 пФ 8,3 пФ
№3 8,1 пФ 9,3 пФ
Всё наглядно, однозначно без проводов измерения будут точнее, хотя и расхождение-то практически в пределах 1 пФ. Так же неоднократно производил измерения конденсаторов стоящих на платах - показания замера исправных вполне адекватные согласно указанного на них номинала. Если не быть сильно большим придирой, то вполне можно сказать, что добротность измерения у прибора достаточно высокая.
Недостатки прибора
- установка на ноль производится не сразу,
- у лепестков контактов, для измерения без проводов, отсутствует упругость, после разжатия в исходное положение не возвращаются,
- измеритель не укомплектован калибровочной ёмкостью.
Выводы
В общем и целом прибором доволен. Измеряет хорошо, компактен (легко помещается в карман), так что на радиорынке беру не то, что дают, а что нужно. Планирую, как будет время, доработать: заменить потенциометр и контакты непосредственного измерения. Его схему, или что-то похожее, можно поискать в разделе . Рассказал «всё как есть», а вы уже решайте сами, стоит ли пополнять домашнюю лабораторию таким прибором. Автор - Babay.
ESR метр своими руками . Есть широкий перечень поломок аппаратуры, причиной которых как раз является электролитический . Главный фактор неисправности электролитических конденсаторов, это знакомое всем радиолюбителям «высыхание», которое возникает по причине плохой герметизации корпуса. В данном случае увеличивается его емкостное или, иначе говоря, реактивное сопротивление в следствии уменьшения его номинальной емкости.
Помимо этого, в ходе работы в нем проходят электрохимические реакции, которые разъедают точки соединения выводов с обкладками. Контакт ухудшается, в итоге образуется «контактное сопротивление», доходящее иногда до нескольких десятков Ом. Это точно также, если к исправному конденсатору последовательно подключить резистор, и к тому же этот резистор размещен внутри него. Такое сопротивление еще именуют «эквивалентное последовательное сопротивление» или же ESR.
Существование последовательного сопротивления отрицательно влияет на работу электронных устройств, искажая работу конденсаторов в схеме. Чрезвычайно сильное влияние оказывает повышенное ESR (порядка 3…5 Ом) на работоспособность , приводя к сгоранию дорогих микросхем и транзисторов.
Ниже в таблице приведены средние величины ESR (в миллиоммах) для новых конденсаторов различной емкости в зависимости от напряжения, на которое они рассчитаны.
Материал: АБС + металл + акриловые линзы. Светодиодная подсветка...
Не секрет, что реактивное сопротивление уменьшается с повышением частоты. К примеру, при частоте 100кГц и емкости 10мкФ емкостная составляющая будет не более 0,2 Ом. Замеряя падение переменного напряжения имеющего частоту 100 кГц и выше, можно полагать, что при погрешности в районе 10…20% итогом замера будет активное сопротивление конденсатора. Поэтому совсем не сложно собрать .
Описание ESR метра для конденсаторов
Генератор импульсов, имеющий частоту 120кГц, собран на логических элементах DD1.1 и DD1.2. Частота генератора определяется RC-цепью на элементах R1 и C1.
Для согласования введен элемент DD1.3. Для увеличения мощности импульсов с генератора в схему введены элементы DD1.4…DD1.6. Далее сигнал проходит через делитель напряжения на резисторах R2 и R3 и поступает на исследуемый конденсатор Сх. Блок измерения переменного напряжения содержит диоды VD1 и VD2 и мультиметр, в качестве измерителя напряжения, к примеру, М838. Мультиметр необходимо перевести в режим измерения постоянного напряжения. Подстройку ESR метра осуществляют путем изменения величины R2.
Микросхему DD1 — К561ЛН2 можно поменять на К1561ЛН2. Диоды VD1 и VD2 германиевые, возможно использовать Д9, ГД507, Д18.
Радиодетали ESR метра расположены на , которую можно изготовить своими руками. Конструктивно устройство выполнено в одном корпусе с элементом питания. Щуп Х1 выполнен в виде шила и прикреплен к корпусу устройства, щуп X2 – провод не более 10 см в длину на конце которого игла. Проверка конденсаторов возможна прямо на плате, выпаивать их не обязательно, что существенно облегчает поиск неисправного конденсатора во время ремонта.
Настройка устройства
1, 5, 10, 15, 25, 30, 40, 60, 70 и 80 Ом.
К щупам X1 и X2 необходимо подсоединить резистор в 1 Ом и вращением R2 добиться, чтобы на мультиметре было 1мВ. Затем вместо 1 Ом подключить следующий резистор (5 Ом) и не изменяя R2 записать показание мультиметра. То же самое проделать и с оставшимися сопротивлениями. В результате этого получится таблица значений, по которой можно будет определять реактивное сопротивление.
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)
Это измеритель ESR (ЭПС) + измеритель ёмкости конденсаторов.
Прибор измеряет ЭПС (эквивалентное последовательное сопротивление) конденсатора и его ёмкость измеряя время зарядки постоянным током. В роли источника тока выступает управляемый стабилитрон TL431 и p-n-p транзистор.
Ёмкость меряет в пределах 1 - 150 000мкФ, ESR - до 10 Ом.
Вся конструкция была успешно позаимствована с сайта pro-radio, где Олег Гинц (он же GO и он же автор конструкции) выложил свою работу на общее обозрение. Эта конструкция была повторена не один десяток, а то и сотню раз, опробована и одобрена народом. При правильной сборке остаётся лишь выставить поправочные коэффициенты на ёмкость и сопротивление.
Прибор собран на микроконтроллере PIC16F876A, распространённом ЖК-дисплее типа WH-1602 на базе HD44780 и рассыпухе. Контроллер можно заменить на PIC16F873 - в конце статьи есть прошивки на обе модели.
Ёмкость и ESR конденсаторов около 1000 мкф измеряет за доли секунды. Так же с большой точностью измеряет малое сопротивление. То есть можно пользоваться, когда необходимо сделать шунт для амперметра:)
Так же хорошо меряет ёмкость внутрисхемно. Только, если есть индуктивности - может врать. В этом случае выпаиваем элемент.
Корпус, Z-42, в качестве коннектора подключения щупов по четырёхпроводной схеме выбрал старый, добрый, надёжный USB 2.0 порт.
Старый, советский, подсохший электролитический конденсатор.
А это нерабочий конденсатор с цепи питания процессора на материнской плате.
Как работает.
Конденсатор предварительно разряжается, включается источник тока 10 мА, оба входа измерительного усилителя подключаются на Сх, делается задержка порядка 3.6 мкс для устранения влияния звона в проводах. Одновременно через ключи DD2.3 || DD2.4 заряжается конденсатор С1, который собственно и запоминает самое большое напряжение, которое было на Cx. Следующим шагом размыкаются ключи DD2.3 || DD2.4 и выключается источник тока. Инвертирующий вход ДУ остается подключенным к Сх, на котором после выключения тока напряжение падает на величину 10мА*ESR. Вот собственно и все - далее спокойно можно мерять напряжение на выходе ДУ - там два канала, один с КУ=330 для предела 1 Ом и КУ=33 для 10 Ом.
На форуме-источнике, где выложена печатная плата и прошивки - печатка была двухсторонняя. С одной стороны - все дорожки, с другой - сплошной слой земли и просто дырки под компоненты. У меня такого текстолита на момент сборки не было, поэтому пришлось делать землю проводами. Так или иначе, особых сложностей это не доставило и на работоспособности и точности прибора никак не отразилось.
На последней картинке - источник тока, источник отрицательного напряжения и силовой ключ.
Плата простая, настройка - ещё проще.
Первое включение - проверяем наличие +5V после 78L05 и -5V (4.7V) на выходе DA4 (ICL7660). Подбором R31 добиваемся нормальной контрастности на индикаторе.
Включение прибора при нажатой кнопке Set переводит его в режим установки корректирующих коэффициентов. Их всего три - для каналов 1 Ом, 10 Ом и для ёмкости. Изменение коэффициентов кнопками + и -, запись в EEPROM и перебор - той же кнопкой Set.
Имеется так же отладочный режим - в этом режиме на индикатор выводятся измеренные значения без обработки - для емкости - состояние таймера (примерно 15 отсчетов на 1 мкФ) и оба канала измерения ESR (1 шаг АЦП=5V/1024). Переход в отладочный режим - при нажатой кнопке "+"
И еще один момент - установка нуля. Для этого замыкаем вход, нажимаем и удерживаем кнопку "+" и с помощью R4 добиваемся минимальных показаний (но не нулевых!) одновременно по обоим каналам. Не отпуская кнопку "+", нажимаем Set - на индикатор выведется сообщение о сохранении U0 в EEPROM.
Далее измеряем образцовые сопротивления 1 Ом (или меньше), 10 Ом и емкость (которой доверяете) , определяем поправочные коэффициенты. Прибор выключаем, включаем при нажатой кнопке Set и устанавливаем к-ты соответственно результатам измерений.
Плата в три этапа, вид сверху:
Схема прибора:
Привожу небольшой список FAQ, сформировавшийся на форуме-источнике.
Q. При подключении резистора в 0,22 Ома - пишет - 1 с копейками, при подключении резистора в 2,7 Ом - пишет ESR > 12.044 Ом.
A. Отклонения могут быть, но в пределах 5-10%, а тут в 5 раз. Надо проверять аналоговую часть, виновниками могут быть в порядке убывания вероятности:
источник тока,
дифф. усилитель
ключи
Начните с источника тока. Он должен выдавать 10 (+/-0.5) мА, его проверить можно либо в динамике осциллографом, нагрузив на 10 ом - в импульсе должно быть не более 100 мВ. Если ловить иголки не хочется - проверьте в статике - уберите перемычку (нулевое сопротивление) между RC0 и R3, нижний конец R3 на землю, и включаете миллиамперметр между коллектором VT1 и землей (правда возможно будет мешать VT2 - тогда при проверке коллектор VT1 лучше отключить от схемы).
На деле решение было такое: -"Перепутал я сослепу 102 и 201 - и вместо 1 килоома забубенил 200 ом."
Q. Возможна ли замена TL082 на TL072?
A. К ОУ особых требований нет кроме полевиков на входе, с TL072 должно работать.
Q. Зачем на вашей печатке сделаны два входных разъёма: один подключен к диодам-транзисторам, а другой - к DD2?
A. Чтобы скомпенсировать падение напряжения на проводах, тестируемый элемент лучше подключать по 4-х проводной схеме, поэтому и разъем 4-х контактный, а провода объединяются вместе уже на крокодилах.
Q. На холостом ходу отрицательное напряжение -4 Вольта и сильно зависит от типа конденсатора между 2 и 4 выводами ICL 7660. С обычным электролитом всего -2 В было.
A. После замены на танталовый, выдранный с 286 материнки стало -4 В.
Q. Индикатор WH-1602 не работает или греется контроллер индикатора.
A. Неверно указана цоколевка индикатора WINSTAR WH-1602 в плане разводки питания, перепутаны 1 и 2 выводы! На alldatasheet 1602L, который совпадает с цоколевкой, указанной Winstar и на схеме. Мне же попался 1602D - вот он имеет "спутанные" 1 и 2 выводы.
Надпись Cx ---- выводится в следующих случаях:
При измерении емкости срабатывает тайм-аут, т.е. за отведенное время измерения прибор не дождался переключения обоих компараторов. Это происходит при измерении резисторов, закороченных щупах, либо когда измеряемая емкость >150000 мкФ и т.п.
Когда напряжение, измеренное на выходе DA2.2 превысит 0x300 (это показания АЦП в 16-ричном коде), процедура измерения емкости не выполняется и на индикатор также выводится Cx ----.
При разомкнутых щупах (или R>10 Ом) так и должно быть.
Знак ">" в строке ESR появляется при превышении напряжения на выходе DA2.2 0x300 (в единицах АЦП)
Подводя итог: травим плату, без ошибок паяем элементы, прошиваем контроллер - и прибор работает.
Спустя пару лет решил сделать прибор автономным. По мотивам зарядного устройства для смартфонов был сделан step-up преобразователь на 7 В выходного напряжения. Можно было бы сразу на 5 В, но так как плата закреплена в корпусе на клей - отдирать не стал, да и падение напряжения на КРЕН7805 в два Вольта - небольшая потеря:)
Мой новый конструктор выглядел так:
Маленькая платка преобразователя была "обута" в термоусадку, произведена распайка всех проводов, разъём для кроны нам больше не понадобится. Просто дырка в корпусе смотрится не очень, поэтому мы его оставим, но провода откусим. Внутри корпуса не осталось места для аккумулятора, поэтому я приклеил батарею на тыльную сторону прибора и приделал ему ножки, чтобы в рабочем состоянии он не лежал на аккумуляторе.
На лицевой стороне вырезал отверстия для кнопки питания и светодиода индикации успешной зарядки. Индикацию заряда аккумулятора не делал.
Потом решил, что раз пошла такая пьянка неплохо было бы видать экран в темноте, на случай ремонта при свечах, если отключат свет, а работать хочется:)
Но это уже после того, как появился более понтовый RLC-2. Подробнее об этом приборе в этой статье.
С помощью данного измерителя ёмкости можно легко измерить любую ёмкость от единиц пФ до сотен мкФ. Существует несколько методов измерения емкости. В данном проекте используется интеграционный метод.
Главное преимущество использования этого метода в том, что измерение основано на измерении времени, что может быть выполнено на МК довольно точно. Этот метод очень подходит для самодельного измерителя ёмкости, к тому же он легко реализуем на микроконтроллере.
Принцип работы измерителя ёмкости
Явления, происходящие при изменении состояния схемы называются переходными процессами. Это одно из фундаментальных понятий цифровых схем. Когда ключ на рисунке 1 разомкнут, конденсатор заряжается через резистор R, и напряжение на нём изменятся как показано на рисунке 1b. Соотношение определяющее напряжение на конденсаторе имеет вид:
Величины выражены в СИ единицах, t секунды, R омы, C фарады. Время за которое напряжение на конденсаторе достигнет значения V C1 , приближенно выражается следующей формулой:
Из этой формулы следует, что время t1 пропорционально емкости конденсатора. Следовательно, ёмкость может быть вычислена из времени зарядки конденсатора.
Схема
Для измерения времени зарядки, достаточно компаратора и таймера микроконтроллера, и микросхемы цифровой логики. Вполне разумно использовать микроконтроллер AT90S2313 (современный аналог – ATtiny2313). Выход компаратора используется как триггер T C1 . Пороговое напряжение устанавливается резисторным делителем. Время зарядки не зависит от напряжения питания. Время зарядки определяется формулой 2, следовательно оно не зависит от напряжения питания т.к. соотношение в формуле VC 1 /E определяется только коэффициентом делителя. Конечно, вовремяизмерениянапряжениепитаниядолжнобытьпостоянно.
Формула 2 выражает время зарядки конденсатора от 0 вольт. Однако с напряжением близким к нулю сложно работать из-за следующих причин:
- Напряжение не падает до 0 Вольт. Для полной разрядки конденсатора необходимо время. Это приведет к увеличению времен иизмерения.
- Необходимо время между стартом зарядки и запуском таймера. Это вызовет погрешность измерения. Для AVRэто не критично т.к. на это необходим всего один такт.
- Утечка тока на аналоговом входе. Согласно даташиту AVR, утечка тока возрастает при напряжении на входе близком к нулю вольт.
Для предотвращения данных сложностей использовано два пороговых напряжения VC 1 (0.17 Vcc) и VC 2 (0.5 Vcc). Поверхность печатной платы должна быть чистой для минимизации токов утечки. Необходимое напряжение питания микроконтроллера обеспечивается DC-DCпреобразователем,работающего от 1.5VAA батарейки. Вместо DC-DC преобразователя, желательно использовать 9 V батарейку и преобразователь 78 L 05, желательно также не выключать BOD , иначе могут возникнуть проблемы с EEPROM .
Калибровка
 |
 |
 |
Для калибровки нижнего диапазона: С помощью кнопки SW1. Затем, соедините pin #1 и pin #3 на разъёме P1, вставьте конденсатор 1nF и нажмите SW1.
Для калибровки верхнего диапазона: Замкните pin #4 и #6 разъёма P1, вставьте конденсатор на 100nFи нажмите SW1.
Надпись “E4” при включении означает, что калибровочное значение в EEPROM не найдено.
Использование
Автоматическое определениедиапазона
Зарядка начинается через резистор 3.3М. Если напряжение на конденсаторе не достигнет 0.5 Vccменее чем за 130 mS (>57nF), происходит разрядка конденсатора и новая зарядка, но уже через резистор 3.3кОм. Если напряжение на конденсаторе не достигает 0.5 Vccза 1 секунду (>440µF),надпись “E2”. Когда время замерено, происходит вычисление и отображение ёмкости. Последний сегмент отображает диапазон измерения (pF, nF, µF).
Зажим
В качестве зажима можно использовать часть какого-нибудь сокета. При измерении малых ёмкостей (единицы пикофарад) использование длинных проводов нежелательно.
