Меню

Измерение емкости конденсаторов осциллографом



Как измерить ёмкость и индуктивность с помощью генератора и осциллографа + online-калькулятор

Для многих любителей электроники актуальной является задача измерения емкостей конденсаторов и индуктивностей дросселей, поскольку, в отличие от резисторов, эти компоненты нередко бывают не промаркированы (особенно SMD). Между тем, имея генератор синусоидальных колебаний и осциллограф (приборы, которые должны быть в любой радиолюбительской лаборатории), эта задача довольно просто решается. Всё, что для этого нужно — это вспомнить начальный курс электротехники.

Рассмотрим простейшую схему — последовательно соединённые резистор и конденсатор. Пусть эта схема подключена к источнику синусоидальных колебаний. Запишем уравнения для напряжений на элементах нашей схемы в операторной форме: UR = I * R, UC = -j * I / ωC. Из этих уравнений очевидно, что амплитудные значения напряжений будут относится следующим образом: UR / UC = R * ωC (конечно, напряжения будут сдвинуты по фазе, но нас это в данном случае не волнует, нас волнуют
только амплитуды).

Думаю, что многие уже догадались к чему я клоню. Да-да, из последнего уравнения довольно просто вычисляется ёмкость:

C = UR/UC * 1/ωR или, с учетом того, что ω= 2πf, получим C = UR/UC * 1/2πfR ; (1)

Итак, алгоритм простой: подключаем последовательно с измеряемой ёмкостью резистор, подключаем к этой схеме генератор синусоидальных колебаний и осциллографом измеряем амплитуды напряжений на нашем конденсаторе и резисторе. Изменяя частоту, добиваемся, чтобы амплитуда напряжений на обоих элементах была примерно одинаковой (так измерение получится точнее). Далее, подставляя измеренные значения амплитуд в формулу (1), находим искомую ёмкость конденсатора.

Аналогично можно вывести формулу для подсчета индуктивности:

L = UL/UR * R/ω или, с учётом того, что ω= 2πf, получим L = UL/UR * R/2πf ; (2)

Таким образом, имея генератор синусоидальных колебаний и осциллограф, с помощью формул (1) и (2) оказывается довольно просто вычислить неизвестную ёмкость или индуктивность (благо резисторы практически всегда имеют маркировку).

Алгоритм действий следующий:

1) Собираем схему из последовательно соединённых резистора известного номинала и исследуемой ёмкости (индуктивности).

2) Подключаем эту схему к генератору синусоидальных колебаний и изменением частоты добиваемся того, чтобы амплитуды напряжений на обоих элементах схемы были примерно одинаковы.

3) По формуле (1) или (2) вычисляем номинал исследуемой ёмкости или индуктивности.

Несмотря на то, что наши элементы не идеальные, есть допуск на номинал резистора и всегда есть некоторые погрешности измерений, результат получается довольно точным (по крайней мере можно без труда идентифицировать ёмкость в стандартном ряду). Пусть у меня при измерении ёмкости получилась величина 1,036 нФ. Очевидно, что на исследуемом конденсаторе должна была быть нанесена маркировка 1 нФ.

Для того, чтобы вам легче было сориентироваться с номиналами резисторов, приведу некоторые примеры:

— для ёмкости 15 пФ в схеме с резистором 200 кОм амплитуды напряжений будут примерно равны на частоте 53 кГц;

— для ёмкости 1 нФ в схеме с резистором 10 кОм амплитуды напряжений будут примерно равны на частоте 15,9 кГц;

— для ёмкости 0,1 мкФ в схеме с резистором 680 Ом амплитуды напряжений будут примерно равны на частоте 2,34 кГц;

— для индуктивности 3 мкГн в схеме с резистором 120 Ом амплитуды напряжений будут примерно равны на частоте 6,3 МГц;

— для индуктивности 100 мкГн в схеме с резистором 120 Ом амплитуды напряжений будут примерно равны на частоте 190 кГц.

Таким образом, диапазон измеряемых емкостей и индуктивностей зависит только от диапазона частот, с которыми могут работать ваши генератор и осциллограф.

На основе этого метода можно изготовить прибор для автоматического измерения емкостей и индуктивностей.

Online-калькулятор для расчёта емкостей и индуктивностей:

(для правильности расчётов используйте в качестве десятичной точки точку, а не запятую)

Источник

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:

  1. Измерьте напряжение источника питания щупами контактов измерительного прибора.
  2. Образуйте RC-цепочку с конденсатором и выводами резистора номиналом 1 – 10 кОм.
  3. Закоротите выводы конденсатора и подключите RC-цепочку к источнику питания.
  4. Замерьте напряжение образованной цепи с помощью мультиметра.
  5. Если напряжение изменилось, необходимо подогнать его до значения, близкого к тому, которое вы получили на выходе источника питания.
  6. Вычислите 95% от полученного значения. Запишите показатели измерений.
  7. Возьмите секундомер и включите его одновременно с убиранием закоротки.
  8. Как только мультиметр покажет значение напряжения, которое вы вычислили (95%), остановите секундомер.
  9. 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.
Читайте также:  Вилка нагрузочная для измерения заряда акб 12v н2001 н 2001 mini

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*Xc , где f частота тока, а Xc 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:

  1. Подключите осциллограф к электрической схеме. При подключении щупов прибора к электролитам соблюдайте полярность электрического тока.
  2. Измерьте амплитуды напряжений на конденсаторе и на резисторе.
  3. Путём подстройки частоты генератора добивайтесь, чтобы значения амплитуд на обоих элементах сравнялись (хотя бы приблизительно).
  4. 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, U – 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 F или Ф). Это очень большая величина, поэтому на практике используются дольные величины:

  • миллифарады (mF, мФ ) = 10 -3 Ф;
  • микрофарады (µF, uF, mF, мкФ) = 10 -3 мФ = 10 -6 Ф;
  • нанофарады (nF, нФ) = 10 -3 мкФ =10 -9 Ф;
  • пикофарады (pF, mmF, uuF) = 1 пФ = 10 -3 нФ = 10 -12 Ф.

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 нФ ± 20%.

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:

  1. Две цифры и одна буква. Цифры обозначают ёмкость, обычно в пикофарадах, а буква – допуски.
  2. 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.
  3. 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 .
Читайте также:  Nanocad линейка измерить размеры

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.

Видео в помощь

Источник

Проверка радиодеталей осциллографом

При изготовлении и ремонте радиоэлектронной аппаратуры устанавливаются различные радиоэлементы. Чтобы убедиться в их исправности, проводится предварительный (входной) контроль, который можно осуществлять с помощью приставки к любому осциллографу.

Принципиальная схема

Принципиальная схема приставки изображена на рис. 1. Приставка к осциллографу позволяет проверять практически все элементы, устанавливаемые в радиоэлектронные устройства бытовой аппаратуры: от резисторов до управляемых вентилей (тиристоров), а также дает возможность оценить качество потенциометров, катушек индуктивности, исправность переключателей, реле, трансформаторов и т. д.

Таким образом, один осциллограф может заменить почти всю измерительную лабораторию входного контроля. Необходимо иметь в виду, что осциллограф служит не только для наблюдений различных процессов, связанных с изменением формы напряжения.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема приставки к осциллографу.

Осциллограф можно использовать как электронный вольтметр, омметр, а применяя приставку к осциллографу, можно наблюдать на экране осциллографа характеристики транзисторов, что расширяет возможности использования осциллографа в ремонтной и любительской практике.

Конструкция и работа с приставкой

Приставка собирается в металлическом или пластмассовом корпусе размерами 50 X 75 X 100 мм с использованием малогабаритного трансформатора, понижающего напряжение с 220 до 6,3 В. Мощность трансформатора небольшая (20 мВт), а потребляемый ток не превышает 2—3 мА.

Рис. 2. Соединение приставки с осциллографом.

Работа с приставкой. Выводы приставки 1, 2, 3 соединяют с соответствующими выводами осциллографа (рис. 2). Осциллограф переводят в режим работы с внешней синхронизацией или с разверткой от внешнего источника. Подключают приставку к сети. На экране появится горизонтальная линия (если выводы 1 и 2 не замкнуты).

Затем Нажимают кнопку КН1, линия на экране осциллографа должна при этом отклониться на некоторый угол. Ручками «Усиление по горизонтали», «Усиление по вертикали» и «Установка по вертикали» добиваются того, чтобы линия располагалась в центре экрана под углом 45° к горизонтальной оси. Длина изображения должна быть равна половине диаметра экрана (рис. 3).

Проверяемый элемент всегда подключают к выводам приставки 3 я 2. Вертикальная линия на экране (см. рис. 3) свидетельствует о коротком замыкании, горизонтальная — об обрыве в цепи или в элементе. Характер изображения на экране осциллографа определяется зависимостью сопротивления испытуемого элемента от величины и полярности подводимого к нему синусоидального напряжения.

Проверка электронных компонентов

Покажем, что можно увидеть на экране осциллографа при исследовании следующих элементов.

Полупроводниковые диоды. Полярность включения и вид кривых на экране показаны на рис. 3, а, б. При обратном включении диода получается кривая, изображенная на рис. 3, в. Так можно определить выводы анода и катода диодов, у которых стерта маркировка.

Если вершина угла на экране скруглена или одна из его сторон много больше другой, или направление прямых сильно отличается от горизонтального и вертикального, то диод должен быть забракован.

Стабилитроны. Если напряжение стабилизации стабилитрона меньше 10 В, на горизонтальной линии появится излом (рис. 3,г). Расстояние от излома до вертикальной линии будет соответствовать напряжению стабилизации (в нашем случае 10 В).

Селеновые вентили. Если элемент исправный, то луч на экране будет вычерчивать горизонтальную линию, которая плавно переходит в вертикальную (рис. 3, д).

У неисправного элемента вертикальная часть осциллограммы будет очень короткой или с большим наклоном. Такая кривая свидетельствует о большом падении напряжения на вентиле при прохождении тока в прямом направлении. Падение напряжения на селеновых выпрямителях много больше, чем на германиевых или кремниевых.

Рис. 3. Осциллограммы, полученные при проверке электрорадиоэлементов

Читайте также:  Прибор для измерения квч

Туннельные диоды. Способ включения показан на рис. 3, е. Характеристика исправного диода изображена на рисунке (кривая 1). Иногда, увеличивая усиление по горизонтали, удается получить картину, показанную на рисунке (кривая 2), которая представляет собой типичную характеристику туннельного диода. Перед проверкой других деталей ручку «Усиление по горизонтали» необходимо перевести в положение, найденное во время калибровки.

Управляемые вентили (тиристоры) (рис. 3,ж). Вид Ірольтамперной характеристики для исправного элемента (с отключенным управляющим выводом—УЭ) показан на рис. 3, ж,1. Когда управляющий электрод соединяют с зажимом 2, тиристор открывается и луч рисует на экране кривую, похожую на характеристику дабычного диода, включенного в проводящем направлении (рис. 3, ж, 2),

Транзисторы. Подключение их к приставке показано на рис. 3, з. Если выводы эмиттера и коллектора поменять местами, рисунок иа экране не изменится (база остается не подключенной). Луч на экране прочертит горизонтальную линию, она может быть слегка изогнута. Затем присоединяют базу к зажиму 2 и получают характеристику, изображенную на рис. 3, з (1 — для транзистора типа р-п-р, 2— для «типа п-р-п). Это еще один способ определения выводов электродов неизвестных транзисторов. При переключении вывода базы на зажим 3 ^первая осциллограмма, изображенная на рис. 3, з, будет соответствовать транзистору п-р-п.

Если при испытаниях транзисторов на экране не появится характеристика в виде буквы L, это значит, что в цепи электродов транзистора имеется обрыв. Когда один из отрезков осциллограммы (буквы L) изогнут, это означает, что неисправен один из р-п переходов транзистора.

Изгиб вертикальной линии свидетельствует о большом сопротивлении в прямом направлении, наклон горизонтальной линии — о малом Обратном сопротивлении перехода (большой обратный ток коллектора). Отклонение сторон угла от горизонтали и вертикали указывает на плохое качество переходов.

Обычно у мощных транзисторов (даже у самых лучших) всегда наблюдается большой обратный ток коллектора. Поэтому сначала надо испытать несколько исправных мощных транзисторов и затем уже по инм, как по эталонам, проверять другие. Явления, указывающие на короткое замыкание или обрыв в транзисторе, одинаковы для всех типов транзисторов.

Однопереходные транзисторы. Схема включения показана на рис. 3, к. Сначала следует провести измерение с отключенным эмиттером. На экране осциллографа должна появиться прямая линия с наклоном 30° по отношению к горизонтальной оси (рис. 3, к,

1). Затем соединяют эмиттер с зажимом 2, при этом часть прямой на экране должна изогнуться вверх (рис. 3, к, 2). Если эмиттер подключить к зажиму 3 (к базе транзистора), вертикальным станет нижний конец прямой (рис. 3, к, 3).

Резисторы (постоянные и переменные). Измеряя транспортиром угол наклона прямой на экране относительно горизонтали, можно приблизительно определить величины сопротивлений различных резисторов. Для этого следует использовать схему рис. 3, л и график, изображенный на рис. 4. Для резисторов с сопротивлением до 100 Ом луч на экране будет вычерчивать вертикальную ось, свыше 100 кОм — горизонтальную.

Рис. 4. График для определения величины сопротивления постоянных и переменных резисторов.

Эти две прямые определяют диапазон измерений осциллографа. Перед измерением резистор следует подключить к зажимам 3 и 2. Один из крайних выводов и средний вывод регулируемого резистора (потенциометра) подключают к приставке. При повороте оси исследуемого переменного резистора наклон прямой на экране должен измениться. Нечеткое изображение линии на экране указывает на загрязнение подвижного контакта резистора.

Фоторезисторы подключают к зажимам 3 и 2. Если входное отверстие фоторегулятора прикрыть, то на экране появится прямая, имеющая небольшой угол наклона. Если прибор осветить, появится вертикальная прямая. Используя график, приведенный на рнс. 81, можно определить сопротивление прибора при освещении с различной интенсивностью. Так подбирают фоторезисторы с близкими характеристиками, а также калибруют фотоэкспонометры.

Конденсаторы любого типа также присоединяют к зажимам 3 к 2. Для исправных конденсаторов емкостью до 0,85 мкФ на экране появится эллипс с горизонтальной большой осью (см. рис. 3, м). При емкости, близкой к 0,85 мкФ, на экране получится круг, а при емкости, превышающей эту величину, снова эллипс, но с большой вертикальной осью.

Рис. 5. График для нахождения емкостей проверяемых конденсаторов.

Измеряя отношения большой и малой осей эллипса, можно по графику, приведенному на рис. 5, найти приблизительную емкость конденсатора. Если большая ось эллипса наклонена, это свидетельствует о слишком большом токе утечки конденсатора.

Катушки, реле и трансформаторы. Выводы катушек, реле и обмоток трансформаторов подключают к зажимам 3 и 2 приставки и наблюдают эллипс иа экране осциллографа. При индуктивности катушки меньше 5 Г на экране получится эллипс, большая ось которого слегка наклонена относительно вертикали, при индуктивности 5 Г на экране будет круг, а выше 5 Г — эллипс, большая ось которого немного отклонена от горизонтальной оси.

Естественно, что точность таких измерений не высока, так как на вид осциллограммы влияет не только индуктивность, но и емкость обмоток. Форма осциллограммы, отличающаяся от описанной, указывает на короткое замыкание в катушке. Имея катушки, индуктивность которых известна, измеряемую индуктивность можно определить сравнением.

Проверка электрических цепей. Так как устройство позволяет оценивать очень малые значения сопротивления между зажимами 3 и 2, его можно использовать для проверки выключателей, электроламп, предохранителей, монтажных проводов и электрических цепей.

Источник