Как измерить маленькую емкость

Измеритель емкости конденсаторов малого номинала

Предлагаемая конструкция позволяет определить емкость конденсатора, номинал которого лежит в пределах 5…270 пФ. После небольшой переделки диапазон измерения прибора может быть расширен до 2.5…540 пФ.

Схема прибора представляет собой измерительный мост, собранный на конденсаторах С1, С2, С3, Сх, подключенный к звуковому генератору, работающему на частоте около 1000 Гц. В другую диагональ моста включен высокоомный телефон BF1, служащий индикатором балансировки моста. Если выполняется условие С2/С3=С3/Сх, то мост считается сбалансированным и напряжение между выводами телефона равно нулю. Если мост разбалансирован, в телефоне будет слышен звук с частотой 1000 Гц тем громче, чем сильнее разбалансирован мост.

Для левого по схеме плеча моста условие С2/С3 =1 выполняется всегда, балансировка же правого проводится переменным конденсатором С1. Работают с прибором так. Измеряемый конденсатор подключается на место Сх и производится подстройка С1 до полного пропадания звука в телефоне. В таком положении можно считать, что С1=Сх. Емкость С1, а значит и емкость измеряемого конденсатора, считывают по шкале регулятора С1, которую во время настройки прибора нужно отградуировать по конденсаторам с известной емкостью (включаются вместо Сх).

В качестве измерительного конденсатора С1 используется одна секция переменного конденсатора от карманного радиоприемника. Для расширения диапазона измерения прибор можно оснастить переключателем, дополнительно включающим вторую, неиспользуемую секцию параллельно или последовательно первой. В первом случае диапазон измерения будет 10…540 пФ, во втором – 2.5…135 пФ. В качестве BF1 можно использовать любой высокоомный головной телефон, к примеру, ТОН-2 или ТОН-1.

Источник

Как измерить емкость конденсатора своими руками

Конденсатор — элемент электрической цепи, состоящий из проводящих электродов (обкладок), разделённых диэлектриком. Предназначен для использования его электрической ёмкости. Конденсатор, ёмкостью С, к которому приложено напряжение U, накапливает заряд Q на одной стороне и — Q — на другой. Ёмкость здесь в фарадах, напряжение — вольтах, заряд — кулоны. Когда ток силой 1 А протекает через конденсатор ёмкостью 1 Ф напряжение изменяется на 1 В за 1 с.

Одна фарада ёмкость огромная, поэтому обычно применяются микрофарады (мкФ) или пикофарады (пФ). 1Ф = 106 мкФ = 109 нФ = 1012 пФ. На практике используются значения от нескольких пикофарад до десятков тысяч микрофарад. Зарядный ток конденсатора отличается от тока через резистор. Он зависит не от величины напряжения, а от скорости изменения последнего. По этой причине для измерения ёмкости требуются специальные схемные решения, применительно к особенностям конденсатора.

Обозначения на конденсаторах

Проще всего определить значение ёмкости по маркировке, нанесённой на корпус конденсатора.

Электролитический (оксидный) полярный конденсатор, ёмкостью 22000 мкФ, рассчитанный на номинальное напряжение 50 В постоянного тока. Встречается обозначение WV — рабочее напряжение. В маркировке неполярного конденсатора обязательно указывается возможность работы в цепях переменного тока высокого напряжения (220 VAC).

Плёночный конденсатор ёмкостью 330000 пФ (0.33 мкФ). Значение в этом случае, определяется последней цифрой трёхзначного числа, обозначающей количество нолей. Далее буквой указана допустимая погрешность, здесь — 5 %. Третьей цифрой может быть 8 или 9. Тогда первые две умножаются на 0.01 или 0.1 соответственно.

Ёмкости до 100 пФ маркируются, за редкими исключениями, соответствующим числом. Этого достаточно для получения данных об изделии, так маркируется подавляющее число конденсаторов. Производитель может придумать свои, уникальные обозначения, расшифровать которые не всегда удаётся. Особенно это относится к цветовому коду отечественной продукции. По стёртой маркировке узнать ёмкость невозможно, в такой ситуации не обойтись без измерений.

Вычисления с помощью формул электротехники

Простейшая RC — цепь состоит из параллельно включённых резистора и конденсатора.

Выполнив математические преобразования (здесь не приводятся), определяются свойства цепи, из которых следует, что если заряженный конденсатор подключить к резистору, то он будет разряжаться так, как показано на графике.

Произведение RC называют постоянной времени цепи. При значениях R в омах, а C — в фарадах, произведение RC соответствует секундам. Для ёмкости 1 мкФ и сопротивления 1 кОм, постоянная времени — 1 мс, если конденсатор был заряжен до напряжения 1 В, при подключении резистора ток в цепи будет 1 мА. При зарядке напряжение на конденсаторе достигнет Vo за время t ≥ RC. На практике применяется следующее правило: за время 5 RC, конденсатор зарядится или разрядится на 99%. При других значениях напряжение будет изменяться по экспоненциальному закону. При 2.2 RC это будет 90 %, при 3 RC — 95 %. Этих сведений достаточно для расчёта ёмкости с помощью простейших приспособлений.

Схема измерения

Для определения ёмкости неизвестного конденсатора следует включить его в цепь из резистора и источника питания. Входное напряжение выбирается несколько меньшим номинального напряжения конденсатора, если оно неизвестно — достаточно будет 10–12 вольт. Ещё необходим секундомер. Для исключения влияния внутреннего сопротивления источника питания на параметры цепи, на входе надо установить выключатель.

Сопротивление подбирается экспериментально, больше для удобства отсчёта времени, в большинстве случаев в пределах пяти — десяти килоом. Напряжение на конденсаторе контролируется вольтметром. Время отсчитывается с момента включения питания — при зарядке и выключении, если контролируется разряд. Имея известные величины сопротивления и времени, по формуле t = RC вычисляется ёмкость.

Удобнее отсчитывать время разрядки конденсатора и отмечать значения в 90 % или 95 % от начального напряжения, в этом случае расчёт ведётся по формулам 2.2t = 2.2RC и 3t = 3RC. Таким способом можно узнать ёмкость электролитических конденсаторов с точностью, определяемой погрешностями измерений времени, напряжения и сопротивления. Применение его для керамических и других малой ёмкости, с использованием трансформатора 50 Hz, вычислением емкостного сопротивления — даёт непрогнозируемую погрешность.

Измерительные приборы

Самым доступным методом замера ёмкости является широко распространённый мультиметр с такой возможностью.

В большинстве случаев, подобные устройства имеют верхний предел измерений в десятки микрофарад, что достаточно для стандартных применений. Погрешность показаний не превышает 1% и пропорциональна ёмкости. Для проверки достаточно вставить выводы конденсатора в предназначенные гнёзда и прочитать показания, весь процесс занимает минимум времени. Такая функция присутствует не у всех моделей мультиметров, но встречается часто с разными пределами измерений и способами подключения конденсатора. Для определения более подробных характеристик конденсатора (тангенса угла потерь и прочих), используются другие устройства, сконструированные для конкретной задачи, не редко являются стационарными приборами.

В схеме измерения, в основном, реализован мостовой метод. Применяются ограничено в специальных профессиональных областях и широкого распространения не имеют.

Самодельный С — метр

Не принимая во внимание разные экзотические решения, такие как баллистический гальванометр и мостовые схемы с магазином сопротивлений, изготовить простой прибор или приставку к мультиметру по силам и начинающему радиолюбителю. Широко распространённая микросхема серии 555 вполне подходит для этих целей. Это таймер реального времени со встроенным цифровым компаратором, в данном случае используется как генератор.

Частота прямоугольных импульсов задаётся выбором резисторов R1–R8 и конденсаторов С1, С2 переключателем SA1 и равняется: 25 kHz, 2.5 kHz, 250 Hz, 25Hz — соответственно положениям переключателя 1, 2, 3 и 4–8. Конденсатор Сх заряжается с частотой следования импульсов через диод VD1, до фиксированного напряжения. Разряд происходит во время паузы через сопротивления R10, R12–R15. В это время образуется импульс длительностью, зависимой от емкости Сх (больше ёмкость — длиннее импульс). После прохождения интегрирующей цепи R11 C3 на выходе появляется напряжение, соответствующее длине импульса и пропорциональное величине ёмкости Сх. Сюда и подключается (Х 1) мультиметр для измерения напряжения на пределе 200 mV. Положения переключателя SA1 (начиная с первого) соответствуют пределам: 20 пФ, 200 пФ, 2 нФ, 20 нФ, 0.2 мкФ, 2 мкФ, 20 мкФ, 200 мкФ.

Наладку конструкции необходимо делать с прибором, который будет применяться в дальнейшем. Конденсаторы для наладки надо подобрать с ёмкостью, равной поддиапазонам измерений и как можно точнее, от этого будет зависеть погрешность. Отобранные конденсаторы поочерёдно подключаются к Х1. В первую очередь настраиваются поддиапазоны 20 пФ–20 нФ, для этого соответствующими подстроечными резисторами R1, R3, R5, R7 добиваются соответствующих показаний мультиметра, возможно придётся несколько изменить номиналы последовательно включённых сопротивлений. На других поддиапазонах (0.2 мкФ–200 мкФ) калибровка проводится резисторами R12–R15.

Провода, соединяющие резисторы с переключателем должны быть как можно короче, а если позволяет конструкция — размещены на его выводах. Переменные желательно использовать многооборотные, лучше вообще — постоянные, но это не всегда возможно. Тщательнейшим образом необходимо отмыть печатную плату от флюса и другой грязи, иначе паразитные ёмкости и сопротивления между проводниками могут привести к полной неработоспособности изделия.

При выборе источника питания следует учитывать, что амплитуда импульсов напрямую зависит от его стабильности. Интегральные стабилизаторы серии 78хх вполне здесь применимы Схема потребляет ток не более 20–30 миллиампер и конденсатора фильтра ёмкостью 47–100 микрофарад будет достаточно. Погрешность измерений, при соблюдении всех условий, может составить около 5 %, на первом и последнем поддиапазонах, по причине влияния ёмкости самой конструкции и выходного сопротивления таймера, возрастает до 20 %. Это надо учитывать при работе на крайних пределах.

Конструкция и детали

R1, R5 6,8k R12 12k R10 100k C1 47nF

R2, R6 51k R13 1,2k R11 100k C2 470pF

R3, R7 68k R14 120 C3 0,47mkF

R4, R8 510k R15 13

Диод VD1 — любой маломощный импульсный, конденсаторы плёночные, с малым током утечки. Микросхема — любая из серии 555 (LM555, NE555 и другие), русский аналог — КР1006ВИ1. Измерителем может быть практически любой вольтметр с высоким входным сопротивлением, под который проведена калибровка. Источник питания должен иметь на выходе 5–15 вольт при токе 0.1 А. Подойдут стабилизаторы с фиксированным напряжением: 7805, 7809, 7812, 78Lxx.

Вариант печатной платы и расположение компонентов

Видео по теме

Источник

Прибор для измерения малых емкостей

Этим прибором можно измерять малые емкости (от 1 пФ до 0,1 мкФ), что требуется при подборе конденсаторов в УКВ-диапазоне, емкости варикапов, а также емкость электрических линий при поиске в них обрывов или повреждений. Если попытаться измерить малые емкости мультиметрами DT9208, DT890 и им подобными, то измеренные значения емкости будут значительно завышены (скажется активная составляющая).

Прибор для измерения емкости конденсаторов

Функциональная схема разработанного прибора, поясняющая принцип измерений, изображена на сайте. Она состоит из моста, образованного 4-мя конденсаторами, в одну диагональ которого включен генератор высокой частоты, в другую индикатор нуля.

Для балансировки моста используется специальный дифференциальный конденсатор переменной емкости. При вращении ручки конденсатора в одну сторону емкость С1 увеличивается, а С2 уменьшается, и наоборот, при вращении ручки в другую сторону С1 уменьшается, а С2 увеличивается. Таким образом добиваются балансировки моста, ориентируясь на показания индикатора нуля.

Если параллельно Сх будет подключено активное сопротивление, то мост все равно сбалансируется, но не на нулевой отметке индикатора нуля. Предлагаемый прибор (рис.2) состоит из генератора, построенного на 2-х германиевых транзисторах VT1, VT2, нагруженных на высокочастотный трансформатор Т1, и моста с эталонными конденсаторами СЗ…С5 и дифференциальным конденсатором С7. Генератор вырабатывает сигнал частотой f=42 кГц. Индикатором нуля служит измерительная головка РА1 с током полного отклонения 50 мкА, включенная через мостик из германиевых диодов VD1…VD4.

Питается прибор от одного гальванического элемента G1 (1,5 В). Дифференциальный конденсатор С7 изготовлен из обычного сдвоенного конденсатора переменной емкости (Смакс=400…500 пф) от старого радиовещательного приемника. Для пайки необходим паяльник мощностью около 100 Вт.

Вначале выпаивают подвижные пластины, которые не упираются в стопорную проволочную перемычку. Они крепятся на двух опорах. Затем выпаивают неподвижные пластины. В зависимости от конструкции конденсатора, может понадобиться пластинка, на которую крепятся неподвижные пластины. Перед сборкой нужно нарезать из ватмана кусочки, которые вставляются между подвижными и неподвижными пластинами при установке их на место.

Подвижные пластины вставляют на старое место, развернув их на 180°, и припаивают к вращающейся оси конденсатора. Потом вытаскивают кусочки ватмана и проверяют, нет ли касания пластин конденсатора между собой, поворачивая его ось от упора до упора. Измерительная шкала прибора (три диапазона) крепится на барабане диаметром 50…60 мм. Развертка шкалы показана на рис.3. Через ось барабана пропускается трубка, один конец которой одевается на ось конденсатора, а второй проходит через панель, и на него крепится ручка большого диаметра (около 50 мм). Прибор размещается в подходящем металлическом корпусе (рис.4). Для монтажа схемы используются провода с медной жилой диаметром 0,8… 1,0 мм.

Провода не должны перемещаться во время измерений. В приборе нет регулятора чувствительности. Измерительная головка зашунтирована диодами VD5, VD6, которые не допускают перегрузки головки при измерениях. В схеме без изменений можно использовать и более чувствительную головку (5…10 мкА). Высокочастотный трансформатор Т1 изготовлен из 2-х чашек сердечника БЗО из феррита 2000НМ. Первичная обмотка содержит 2×67 витков, обмотка II — 300 витков с отводом от 33-го витка и обмотка III — 2×13 витков провода ПЭЛ 00,15 мм. Головка использована М494 (50 мкА).

Монтаж прибора выполнен навесным способом. Если требуется повысить чувствительность прибора, можно увеличить напряжение питания до 3 В, подстроив токи баз транзисторов. Но, как показала практика, напряжения 1,5 В вполне достаточно для большинства измерений. Питание включается кнопкой SB1 только при проведении измерений (ток потребления — около 0,5 мА).

Источник

Измерения малых ёмкостей (аналоговый ёмкостной датчик)

Предлагаю сообществу датчик малых ёмкостей, работающий почти от 0 пФ. Можно использовать в любительской электронике, роботостроении.

Разрабатывая хобби-электронику, мне понадобился какой-нибудь простой датчик расстояния на ёмкостном эффекте. Поискав в Интернете, нашёл только датчики касания, но они имеют малое расстояние срабатывания и дискретный выход. Другие же датчики слишком сложные или с долгой настройкой. Нужен был очень простой и дешёвый, работающий от микроконтроллера. Что получилось — под катом…

Схема

После нескольких экспериментов появилась схема, на рис. 1.


Рис. 1. Схема. MicroCap10

Как работает

Принцип действия основан на измерении заряда, который накопился на обкладке конденсатора при зарядке. Вторая обкладка – это объект, подносимый к датчику. Для моделирования она показана подключённой к «земле», но это не принципиально.

Обкладка конденсатора подключена к выводу микроконтроллера, который настроен на выдачу меандра частотой 120 — 180 кГц, на схеме это источник напряжения V2. Также, обкладка подключена к базе транзистора Q1. Эмиттер подключён к тому же генератору. Так как выход МК комплементарный, это означает что вывод попеременно подключён то к «+» источнику питания, то к «0». Что происходит в эти полупериоды:

    На выходе МК лог. 1: Конденсатор быстро заряжается через R1, R2. Так как ёмкость очень мала, можно обойтись без диодного разделения, сопротивление R2 достаточно для полного заряда, и нет паразитной ёмкости диодов. Транзистор закрыт, так как включён в обратном направлении UБЭ комплементарный выход

Диод D1 и конденсатор С2 образуют амплитудный детектор – на R5 создаётся напряжение, пропорциональное ёмкости С1. Транзистор Q2 нужен для согласования сопротивлений с АЦП МК. Выходное напряжение снимается с R6.

Результаты моделирования (рис. 2) при номиналах, показанных на схеме. Линейная зависимость примерно сохраняется до 10 пФ.


Рис. 2. График ёмкость — напряжение

При снижении R3 до 2 кОм, увеличивается чувствительность и снижается линейный участок примерно до 0…4 пФ.


Рис. 3. График ёмкость — напряжение

Примечание: подъём графика около 0 пФ – ошибки моделирования, там на самом деле продолжается линейность. Проверено в «железе».

Приведённая схема отличается от других (с диодной развязкой или мостами и неизменным включением БЭ транзистора) тем, что пропорция ёмкость/напряжение имеется почти с 0 пФ, без мёртвой зоны. Также, в схеме задействована только одна обкладка конденсатора.

При выполнении на плате собственная ёмкость схемы намного меньше ёмкости одной обкладки — пластины в 20 см 2 . Чувствительность датчика: для поднесённой руки примерно на 50 мм к пластине — изменение выходного сигнала более 10%. Расчётное изменение ёмкости около 2 пФ. На сетевые помехи, ЭМП и GSM датчик не реагирует.

Уточнения для реализации

  • Транзисторы должны быть с рабочей частотой от 100 МГц, и минимальной ёмкостью базы (здесь 2 пФ).
  • Диод D1 – высокочастотный типа BAV99, ёмкость единицы пФ.
  • С2 в диапазоне 10 – 30 нФ, больше не надо, растёт ток вывода МК. Для сглаживания импульсов можно поставить конденсатор параллельно R6
  • Резистор R1 в 100 Ом ограничивает ток вывода МК, импульсный 5мА, средний 0,2 мА.
  • Микроконтроллер в данной схеме – Atmega8A, выход меандр 166 кГц, АЦП его же. Увеличение частоты выше 300 кГц не рекомендуется, из-за влияния паразитных ёмкостей.

Кто реализует и применит в своих поделках — отпишитесь, интересно.

Альтернативное применение.

В комментариях под статьёй обсуждается применение в качестве датчика влажности почвы. Решил проверить, возможно ли.

Сенсорную пластину взял 40х60 мм, хорошо замотав в 4 слоя сантехнического скотча (допустим, герметизировал). Собственная ёмкость возросла, пришлось поменять номиналы в схеме, снизив чувствительность до уровня 15 пФ. Новая схема здесь :

Рис. 4. Схема для датчика влажности почвы.

Эксперименты:

Плоской земли у меня нет, есть песок, который я насыпал в банку объёмом примерно 300 мл. Доливал воды каждый раз примерно по 15. 20 мл.

Сухой песок. Собственная ёмкость сенсора.


Песок +20мл воды.


Ещё долил воды и немного утрамбовал.


… и ещё воды.


… и ещё воды.


… и ещё воды.


… и ещё воды. Стало совсем тропически сыро.

Напряжение снимал с R5, поэтому при увеличении ёмкости напряжение увеличивается.
Видно, что ёмкость возрастает при каждом доливе. Однако, то ли песок такой, то ли я не знаю что, но показания увеличиваются сразу при доливе. Я ожидал более плавное изменение U при пропитывании песка водой.

Да, я знаю о сенсорных датчиках для Ардуино с Али. Но мне хотелось разобраться самому и сделать с заданными параметрами.

Источник

Поделиться с друзьями
Моя стройка
Adblock
detector