Схема измерителя емкости конденсаторов: Цифровой измеритель емкости электролитических конденсаторов (без выпаивания из схемы)

Содержание

РадиоКот :: Измеритель ESR/L/C/F/P/t на PIC16F876A

РадиоКот >Схемы >Цифровые устройства >Измерительная техника >

Измеритель ESR/L/C/F/P/t на PIC16F876A

      Вот и утихли страсти по конкурсным работам, теперь можно спокойно обсудить и собрать понравившиеся конструкции. Я тоже, в свою очередь, поздравляю Радиокота с днем рождения! Как и обещал, предлагаю описание собранного прибора.
      Потребность в измерителе параметров конденсаторов возникла около трех лет назад, поэтому был приобретен, не дешевый, специализированный LC-метр (марку не озвучиваю). Но в процессе работы выяснилось, что у него слишком большая погрешность при замерах электролитических конденсаторов, емкостью более 6000 мкФ. Второй отрицательный момент, это «прожорливость» прибора. «Крону» приходилось менять каждый месяц. Решил сделать свой измеритель. В качестве вариантов для изучения и повторения рассматривались несколько разработок: 

                Измеритель C и ESR+LCF ( Степан Миронюк ( miron63) с сайта pro-radio.ru)
                Измеритель C и ESR ( Гинц Олег ( GO ) с сайта pro-radio.ru)
                ESR/R/L/C/F meter ( by R2-D2 с сайта vrtp.ru, несколько вариантов)

     Все приборы хороши по-своему, но хотелось объединить достоинства каждого в своей конструкции. Только, по моему мнению и для моих задач, лучшим вариантом для повторения и модернизации явился измеритель C и ESR+LCF от Степана Миронюка, тем более, автор любезно поделился с общественностью исходниками прошивки МК, за что ему огромная благодарность. Поэтому, задача что-либо изменить или доработать сильно облегчилась. Были сомнения в необходимости оформлять свою конструкцию в виде отдельной статьи, ведь в сети и так полно похожих измерителей. С другой стороны, возможно, именно этот вариант кому-то оптимально подойдет для изготовления, к тому же, внесено достаточно много изменений и доработок. На авторство схемы и метода измерений не претендую, но некоторые улучшения реализовать удалось. Используемый способ измерения емкости конденсаторов, заряжая их стабильным током за определенное время, позволяет получить достаточно точные замеры, но при условии очень малых собственных токов утечек конденсатора. При значительных утечках, сравнимых с токами заряда, получить достоверные замеры емкости практически невозможно. В этом измерителе я попытался анализировать и ориентировочно вычислять такие токи утечек. Главная задача это выявить подозрительные конденсаторы, а уж отбраковывать можно другими способами и приборами. 

     Для питания измерителя хотелось использовать более распространенные источники, например, «пальчиковые» батарейки типоразмера АА или аккумуляторы от сотовых телефонов. Включение и выключение прибора желательно осуществлять одной кнопкой. Хотелось бы исключить процесс изготовления корпуса, а применить какой-либо готовый, из имеющихся в наличии. Это, в свою очередь, потребовало применения более миниатюрного индикатора. Замена строчно-символьного ЖКИ на графический позволила повысить удобство в работе с прибором, улучшилось восприятие и количество выводимой информации, как раз при анализе исправности конденсаторов. Еще захотелось подключить к измерителю датчик температуры, превратив прибор в термометр (иногда в работе требуется). При помощи датчика DS18B20 можно точно измерять температуру внутри корпусов оборудования, а термопарой мерить уже более высокие ее значения (паяльник, фен). Вот такие «хотелки» и реализованы.
     Вопросов по переделке схемы не возникло, а вот последующая доработка ПО вытекла в длительный процесс. Менять все было рискованно, поэтому назначение портов МК старался сохранить как в исходной схеме, чтобы в случае неудачи с доработкой, сохранить возможность вернуться к авторской прошивке МК. Это, в свою очередь, не позволило осуществить некоторые дополнительные возможности. Например: управление и вывод информации через UART в порт компьютера, использовать аппаратный ШИМ для формирования отрицательного питания ОУ и др. Без изменений остался только режим счетчика импульсов (на практике никогда еще не потребовался). 

           Готовый прибор выглядит так:

     В моем распоряжении имелся лишний пульт ДУ от видеомагнитофона «Фунай», корпус которого и использовал. Он же определил конструктивные особенности изготовления платы прибора и применяемые детали. С левой стороны имеются входные гнезда для подключения проводов, или панелек под измеряемые компоненты. Лишние отверстия передней панели заклеены декоративной пластиной, на ней расположены ЖКИ и 5 кнопок: «Set», « + » , « - » , вкл./выкл. питания, выбор измерения Cx или Lx. Компоновка и расположение элементов на плате тоже привязано к имеющимся отверстиям в корпусе. ЖКИ установлен под платой, а распайка проводов от него – в соответствующие контактные площадки платы.

          Вид на расположение компонентов со стороны монтажа:

     Отсек для двух батареек типоразмера АА (аккумуляторов) определил вопрос с питанием. Теоретически допустимое входное напряжение питания не менее 2В и не более 5В. Преобразователь MAX756EPA может запускаться и при 1В, но вот полевые транзисторы при этом работают плохо. В готовом приборе потребляемый ток меняется от 20 до 40 мА при различных режимах работы. В режиме частотомера потребление максимально. Настройка прибора и отладка программы проводилась на уже использованных батарейках от фотоаппарата, с суммарным начальным напряжением 2,5В. Фотик уже отказывался от них работать, а в измерителе они еще послужили около месяца. Так что для питания подойдут самые дешевые китайские батарейки или уже отслужившие свой срок щелочные, которых иногда бывает предостаточно. Есть мысли сделать питание от USB разъема через последовательно включенный диод, или, по крайней мере, подзаряжать аккумуляторы, но это дело будущего. Обычно доводка конструкции до желаемого результата может длиться годами по мере возникновения новых идей.

       

Схема состоит из нескольких основных функциональных узлов:
             1. Питание прибора 
             2. Цифровая часть (микроконтроллер PIC16F876A, ЖКИ и коммутатор)
             3. Блок измерений конденсаторов 
             4. LC-генератор на LM311
             5. Входной формирователь частотомера

       Схема питания прибора

     Включение и выключение питания производится одной кнопкой KN1. В исходном состоянии VT6 и VT4 закрыты, С15 заряжен до напряжения батареи, питание на схему не подается. При нажатии на кнопку затвор VT4 соединяется с конденсатором С15, открывая оба транзистора, включается DC/DC преобразователь. После инициализации портов на RB6 устанавливается высокий уровень сигнала, удерживая VT4 в открытом состоянии. Конденсатор С15 медленно разряжается через открытый транзистор и R22. Даже если продолжать удерживать кнопку нажатой, то напряжение на затворе не опустится ниже 2.5В, что удержит схему во включенном состоянии. При отпускании кнопки C15 разрядится до минимума. Выключается питание двумя способами: повторным нажатием на кнопку или программно. Выключение кнопкой происходит следующим образом: разряженный конденсатор С15 шунтирует цепь затвора VT4, вызывая его закрытие, а затем закрывается и VT6, снимая питание со схемы DC/DC преобразователя. Выключение питания программным способом осуществляется установкой низкого уровня сигнала на RB6 (автоматическое выключение по времени или при разряде аккумулятора ниже нормы). В преобразователе возможно применение микросхем: MAX756, MAX856, отечественного аналога КР1446ПН1, или вместо DD1 запаять DD5 типа NCP1400ASN50T1. Можно применить и другие аналогичные преобразователи на выходное напряжение +5В.

     В качестве ключей питания отдельных узлов схемы использованы полевые транзисторы IRLML6402. Конечно, их стоимость немного выше, чем биполярных, но по параметрам они подходят значительно лучше. Падение напряжения на открытом транзисторе мизерное, да и ток управления затвором нулевой. Несмотря на это, резисторы в цепях затвора пришлось оставить, даже увеличить номинал до 200...470кОм, чтобы «затянуть» время открытия транзисторов (около 300мкС). Иначе бывали сбои в работе МК в моменты переключения режимов измерений, появлялись помехи по питанию при быстром перезаряде шунтирующих емкостей.
     Использование микроконтроллера PIC16F876A обусловлено несколькими причинами. Для графического ЖКИ потребовался дополнительный объем памяти (таблицы символов). Так же, наличие встроенного компаратора и цепочки резистивного делителя в формирователе опорного напряжения позволяют отказаться от использования медленного АЦП в некоторых замерах. Программируется МК внутрисхемно, программатором PICkit-2.

       Схема цифровой части схемы с «обвязкой» МК
 
     Применение ЖКИ от сотового телефона «Trium mars» связано с его малыми размерами, удобством распайки, ну и, конечно, с наличием такового. С коррекцией прошивки можно применить дисплеи от Nokia 1110i или 1200. ЖКИ от Nokia 3310 подходит хуже всех (маленькое поле 84х48), удобен только тот, у которого на стекле есть позолоченные контакты. Китайский вариант с металлической рамкой не влезал в корпус, а без рамки его подключить почти невозможно. В общем, многое зависит от применяемого корпуса прибора.
     После включения питания измеритель переходит в тот режим измерений, в котором он находился до выключения. Соответствующая надпись выводится на ЖКИ в первой строке. Там же отображается знак полноты заряда батареи с числовым значением измеренного напряжения. Последовательным нажатием на кнопку «Set» (или ввод) можем «по кругу» менять режимы измерений:

             С/ESR – metr ( измерение емкостей и ЭПС конденсаторов )
             Cx-metr / Lx-metr ( измерение малых емкостей или индуктивности катушек )
             F- metr / P-metr ( частотомер или счетчик импульсов )
             Termo – metr ( термометр, на DS18B20 или термопаре)

                       

                   
  
       Кнопки « + » и « - » служат для установок параметров и значений в сервисных меню, для быстрой установки нуля. В режиме С/ESR-metr при отключенных щупах на ЖКИ выводится название режима, состояние батареи питания, надписи «сканирование» и значение АЦП в десятичном виде. При подключении конденсатора или резистора происходит замер их параметров и в 3-6 строках ЖКИ крупным шрифтом выводятся измеренные значения емкости и сопротивления. Если ток утечки конденсатора превышает уст. порог, то в нижних строках выводится ориентировочное значение сопротивления Rу. в Омах. 

       Схема измерения ESR конденсаторов и их емкости:
 
        Схема в особых пояснениях не нуждается, хотя методы замера и расчета при одинаковых схемах часто отличаются. В данном приборе, использован способ замера емкости при помощи источника стабильного тока и заданного интервала времени заряда. Этот метод двухточечного замера хорошо описал Степан в своей конструкции. Внесены некоторые изменения в алгоритм самих замеров. Для вычислений емкости и ESR все сводится к измерению двух напряжений за определенные промежутки времени. Исходя из минимального тока заряда и минимального усиления на ОУ, сопротивление резисторов (а так же ESR) измеряется только от 0 до 130 Ом. Этого достаточно, ведь большие сопротивления резисторов можно определить и обычным тестером, а конденсатор с повышенным сопротивлением лучше забраковать.

  
        Для определения емкости конденсатора нужно знать, как изменится на нем напряжение при заряде стабильным током за калиброванный промежуток времени: Сx=I*dt/dU=const/(Umax–Umin)
А вычисление ESR сводится к расчету величины «скачка» напряжения (Ur) на конденсаторе в момент подачи зарядного тока. Причем, расчетная величина не зависит от емкости конденсатора, т.е. с одинаковым успехом можно измерять и обычные резисторы. После подачи тока, независимо от времени, напряжение на резисторе меняться не будет, а значит Umax = Umin (dU=0), тогда
Rx= Ur/I = (Ut2–dU)/I = (Umax – (Umax–Umin))/I=Uadc/I  В исходном состоянии (сканирование) циклически проверяется подключение измеряемого элемента. Подается ток заряда 2мА на входные клеммы прибора при минимальном усилении ОУ, через фиксированное время t1 (20мкС) считывается значение АЦП и проверяется на «зашкаливание». Если значение АЦП не превышает порога 4,5В., то производим 50 циклов замеров, и в каждом вычисляются и суммируются соответствующие напряжения (U1 и U2) для последующего усреднения. Каждый цикл начинается с разряда конденсатора (транзистором VT1), затем включается зарядный ток и через время t1 считывается значение АЦП (U1). Затем снова разряжаем конденсатор и включаем ток заряда, но преобразование и считывание АЦП (U2) производится через время t2. Для простоты расчетов время t2 равно удвоенному времени t1. Измерения на всех диапазонах происходят по одинаковому алгоритму. Далее математический расчет dU и Ur для определения емкости конденсатора и его ESR. Если dU менее определенной величины, то возможно подключен конденсатор большой емкости или резистор. Алгоритм замера конденсаторов большой емкости изменять не стал, точность вполне устраивает. Его суть такова: измеряется время заряда конденсатора током 10мА до уровня половины опорного напряжения АЦП (2,5В). Далее аналогично, имея время dt и фиксированное значение dU, вычисляется емкость.
         Планирую опробовать аналогичный метод измерений, используя стабильный ток заряда и фиксированную величину напряжения заряда. В этом случае емкость пропорциональна времени заряда конденсатора.
 
        В этом варианте используется компаратор с внутренним источником опорного напряжения. Измерение времени заряда таймером происходит при условии, что напряжение на конденсаторе уже достигло нижнего порога +1,25В и еще не превысило верхнего +3,75В. В этом случае dU всегда будет 2,5В, естественно после усиления ОУ. Этот метод пока не реализован.
        Определение тока утечки конденсатора основано на его способности сохранять заряд, в течение фиксированного промежутка времени. Используя встроенный в МК компаратор, заряжаем испытуемый конденсатор до 0,2В. Потом отключается ток заряда и задается выдержка времени, по окончании которой измеряем падение напряжения на конденсаторе. Точно определить токи утечки достаточно сложно, ведь имеем две неизвестные и взаимозависимые величины. Нельзя определить ток утечки пока достоверно не вычислили емкость. А емкость зависит от тока заряда, который, в свою очередь, уменьшается на неизвестный ток утечки, влияющий на замеры. Поэтому меня вполне устроил приблизительный расчет, выраженный как сопротивление утечки. Если это сопротивление более 2 кОм (ток менее 0,2/2000=100мкА), то можно считать, что конденсатор исправен, измеренному значению емкости можно доверять. На ЖКИ выводятся только значения емкости и ЭПС. Если сопротивление менее 2 кОм, то на дисплей дополнительно выводится это сопротивление Rу. Если напряжение на конденсаторе упало почти до нулевого значения, емкость явно рассчитана не верно, отображается надпись «Cx: БРАК»
        В приборе осталась возможность измерения сопротивлений при постоянном токе, к тому же, диапазон расширен до максимального значения. Все происходит аналогично замеру ESR, но ток заряда в циклах замеров не отключается. Для измерений в этом режиме нужно удерживать нажатой кнопку «плюс». Обновление показаний замеров на ЖКИ происходит значительно чаще.
        Калибровка смещения нуля АЦП происходит автоматически, при нажатии кнопки «минус». При этом щупы или входные гнезда измерителя должны быть замкнуты, иначе будет выведено сообщение об ошибке. Числовые значения смещения условного нуля АЦП (для каждого диапазона) потом используются в расчетах. Они содержат в себе компенсацию сопротивлений проводов, входных контактов разъема, напряжение смещения усилителя. Калибровка делается так: подается ток заряда, считываются 50 замеров АЦП, с суммированием значений. Если условный порог не превышен, то сумма записывается в памяти EEPROM. Аналогично калибруются все 3 диапазона (при выключенном и включенном усилении, токе 10мА и токе 2мА). По окончании на ЖКИ выводится сообщение «Запись EEPROM» и три значения калибровки в десятичном виде. Через 3 секунды прибор возвращается к исходному состоянию и готов к работе.
        Для проверки токов заряда включить прибор, удерживая нажатой кнопку «Set» выбрать контролируемый ток (кнопками «+» и «–» ). Миллиамперметр должен быть подключен к входным клеммам прибора. Отклонение токов от номинального значения не должны превышать +/– 5%. Важнее не их абсолютное значение, а стабильность во времени и по температуре.
        Установка диапазонов измерения производится по точным и известным величинам компонентов. От них зависит точность самого прибора. Для установки диапазонов измерения сопротивлений включить прибор, удерживая нажатой кнопку «плюс». Далее:   
        1. подключить резистор малого сопротивления 0,5… 2 Ом к клеммам прибора, кнопками «+» и «–» добиться показаний требуемой величины этого резистора, нажатием кнопки «Set» записать значение в память. 
        2. подключить резистор сопротивлением 10 … 20 Ом к клеммам прибора, кнопками «+» и «–» добиться показаний требуемой величины этого резистора, нажатием кнопки «Set» записать значение в память. 
        3. подключить резистор сопротивлением 30 … 100 Ом к клеммам прибора, кнопками «+» и «–» добиться показаний требуемой величины этого резистора, нажатием кнопки «Set» записать значение в память.
        Аналогично произвести настройку диапазонов измерения емкостей, для этого включить прибор, удерживая нажатой кнопку «минус». Для настройки использовать конденсаторы 1… 2 мкФ для первого диапазона, 4…20 мкФ для второго, более 1000 мкФ для третьего диапазона.

       Схема LC-генератора и входной части частотомера:
  
        Измерение конденсаторов малой емкости и катушек индуктивности при помощи генератора на компараторе хорошо описано в статье «L/C Meter IIB» (с сайта www.aade.com). В схеме LC-генератора следует особое внимание уделить стабильности параметров дросселя Lх1 и конденсатора С22. Дроссель (по рекомендациям от Степана Миронюка) в виде катушки с подстроечным сердечником найти не удалось, да и по габаритам он не поместится в имеющийся корпус. Поэтому пришлось экспериментировать и подбирать из того, что есть. На кольце от мат. платы (зеленое с синим торцом) с размерами 8x4x3 намотал 56 витков провода ПЭВ-2-0.33. Индуктивность получилась 101.2 мкГн, а добротность Q=11,3. При незначительном прогреве готового дросселя уход его индуктивности не обнаружен. В таком варианте дроссель был пропитан лаком и запаян в схему. Конденсатор С22 составлен из нескольких чип-1206 МП0 (трех штук по 200пФ и одного 100пФ). Конденсаторы С21 и С18 так же составные (по 2 шт.), использованы керамические от материнских плат емкостью 4,7мкФ. 
        Группа разработчиков с сайта vrtp.ru в подобном приборе (ESR/R/L/C/F meter от R2-D2 второй версии) внесли некоторые изменения в схему, что улучшило стабильность работы генератора и расширились измеряемые диапазоны. Сам пока эти улучшения не опробовал.
        Принцип измерения индуктивности и малых емкостей конденсаторов основан на расчете частоты колебаний LC контура по формуле: F=1/(2п*sqr(LC)) 
 Можно ее преобразовать в другой вид: F^2=0,025330296/(LC)  Отсюда можно вычислить нужные нам величины, измерив частоту генератора на компараторе и LC-контуре. Паразитные значения схемы монтажа (Cs и Ls) вычисляются в программе установки нуля, так же учитываются в расчетах. Настройку LxCx измерителя пока описывать не буду, хочется автоматизировать этот процесс, возможно будут изменения.
        Входной формирователь частотомера тоже "без особенностей", многими опробован, работает отлично, нареканий нет, поэтому и изменять в нем ничего не стал. Есть маленький минус, но, возможно, это только у моей конструкции: не получается проверять кварцевые резонаторы на частоте менее 1МГц и более 40МГц. Низкочастотные – не возбуждаются, а высокочастотные – работают на кратных гармониках, например, вместо 48МГц возникает возбуждение на 16МГц. Вообще, такие мелочи можно не учитывать, т.к. это не основная задача прибора.
        Настройка частотомера сводится к проверке входного формирователя на прохождение импульсов от входа схемы до 11 вывода МК, а так же подгонке поправочного коэффициента для кварцевого резонатора. Подаем от генератора на вход частотомера сигнал известной, калиброванной частоты, проверяем соответствие измеренного значения и установленного на генераторе. В случае отклонения от заданной величины, входим в режим коррекции времени замера длительным нажатием на кнопку «минус». На дисплее появится сообщение «настройка N=1.000». Далее кнопками «плюс» или «минус» подогнать соответствие показаний измеренного значения частоты входному сигналу. Каждое нажатие на соответствующую кнопку уменьшает или увеличивает измерительный интервал на 1мкС (при частоте кварца 4МГц). Сохранить корректировку нажатием кнопки «Set». Формат вывода измеренной частоты зависит от ее величины. Если частота менее 1МГц, то выводится число в единицах Герц. Если превышен этот порог, то выводится число МГц с разделительной десятичной точкой (возможно, еще придется корректировать).

       Режим измерения температуры:
       Процесс измерения температуры датчиком DS18B20 хорошо изложен в описании на микросхему. Подключается он по трехпроводной схеме к разъему программатора.
 
        Пока реализовано только измерение температуры и ее вывод на ЖКИ, никаких действий по анализу значений не предусматривал. Имеется распознавание идентификационного кода датчика и вывод его на ЖКИ, чисто для проверки самих микросхем. При отсутствии датчика или ошибки его инициализации, измеритель переключается на замеры термопарой, используя входной усилитель ESR-метра. Для проверки использовал покупную термопару от тестеров. Если и она не подключена, то выводится сообщение «НЕТ ДАТЧИКА». Коэффициент ее температурного преобразования хранится в памяти EEPROM, корректируется для соответствия показаний прибора реальным замерам. Температура холодных концов фиксирована и равна +25 гр.С (учитывать при измерениях). 
        Примеры замера температуры термопарой:
            

         В памяти EEPROM расположены все калибровочные значения и настройки измерителя.
 
        По начальным адресам записаны калибровки для измерений, их изменять нет смысла, т.к. в процессе настройки они все равно изменятся. С адреса 0x2140 в порядке возрастания ячеек можно включить или выключить требуемые режимы работы:
             0x2140 (01h) - включен режим ESR/C измерителя (00h – выключен режим)
             0x2141 (01h) - включен режим LxCx метра (00h – выключен режим)
             0x2142 (01h) - включен режим частотомера (00h – выключен режим)
             0x2143 (64h) - включен термометр, 64h=100 Кус. термопары (проценты) 
При нулевом значении в ячейке соответствующий режим работы будет исключен, естественно, эту часть схемы можно не собирать.

        Вот на этом пока все. Учитывая длительный период разработки, возможны мелкие несоответствия конструкции и схемы этому описанию. 

 

Файлы:
Архив RAR
Архив RAR
Архив RAR
Архив RAR
Архив RAR
Архив RAR
ESR_LCFPT_metr_PCB
Документ PDF
Документ PDF
Документ PDF

Все вопросы в Форум.


Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

Цифровой измеритель ёмкости

Предлагаемый прибор позволяет измерять емкость конденсаторов в диапазоне 1...10000 мкФ. Он портативен и потребляет от девятивольтовой батареи всего 7 мА. Принцип роботы прибора основан на измерении продолжительности разряда конденсатора при фиксированных уровнях заряда и разряда.

Измеритель состоит из генератора тактовых импульсов, делителя частоты, порогового устройства (триггера Шмитта), электронного ключа, счетчиков-дешифраторов, стабилизатора +5 В и жидкокристаллического индикатора (ЖКИ).

Делитель частоты собран на микросхемах D3, D4 и элементах D1.3, D1.4, D1.6 (см. рис.). На его выходе формируются импульсы с частотой 1000 Гц. Если сопротивление разрядного резистора 1000 Ом, то число импульсов, подсчитанных за время разряда конденсатора до величины 0,368ипит, равно емкости (в микрофарадах).

При подключении испытуемого конденсатора к входу прибора "Сх", он через резистор R1 заряжается до напряжения источника питания. После нажатия кнопки SB1 триггер Шмитта переключается в противоположное состояние и высокий уровень на коллекторе VT3 разрешает прохождение тактовых импульсов через D4.3 на вход линейки счетчиков-дешифраторов D5 - D8.

Спустя некоторый промежуток времени (пропорциональный емкости) конденсатор разряжается через R2-R3 до уровня, при котором пороговое устройство возвращается в исходное состояние, и счет импульсов прекращается.

В генераторе применен кварц на 215 кГц, но можно использовать и другой с частотой до 256 кГц, кратной целому числу килогерц. При этом порядок подключения выходов D3 к D4.1 и D4.2 будет другим. Счетчик D2 формирует низкочастотные импульсы управления полярностью, необходимые для нормальной работы ЖКИ. Конденсаторы С2 - С5 служат для устранения импульсных помех в цепях питания микросхем D1 - D8.

Прибор собран на пластине из стеклотекстолита толщиной 1 мм, в которой просверлены отверстия для микросхем, дискретных элементов и выводов ЖКИ. В нем применены резисторы типа С2-23 с допуском 5%, подстроечный резистор типа СПЗ-19а, конденсаторы типа К50-35 и КМ. Кнопка "Измерение"" типа МП-7, кнопка "Сброс" типа ПКн150-1, выключатель питания типа ПД9-1.

При работе с прибором нужно соблюдать полярность подключения конденсатора Сх и не отпускать преждевременно кнопку "Измерение". В противном случае результаты измерения будут искажены.

Автор:  Т. Киричук, г.Харьков

Измеритель емкости конденсаторов на операционном усилителе

Самодельные измерительные приборы

материалы в категории

Вашему вниманию предлагается простая схема измерителя ёмкости на операционном усилителе. Устройство,схема которого приведена на рисунке, позволяет измерять ёмкость конденсаторов от нескольких пикофарад до 1 мкф.


Нижняя граница измерений во многом зависит от конструкции прибора, в частности, от паразитной ёмкости между клеммами для подключения исследуемого конденсатора.

схема измерителя емкости


Прибор имеет шесть под-диапазонов, верхние пределы для которых равны соответственно 10пф, 100пф, 1000пф, 0,01мкф, 0,1мкф и 1мкф.
Отсчёт ёмкости производится по линейной шкале микроамперметра.

Принцип действия прибора основан на измерении переменного тока, протекающего через исследуемый конденсатор. На операционном усилителе DA1 собран генератор прямоугольных импульсов. Частота повторения этих импульсов зависит от ёмкости одного из конденсаторов С1-С6 и положения движка подстроечного резистора R5. В зависимости от поддиапазона, она меняется от 100Гц до 200кГц. Подстроечным резистором R1 устанавливаем симметричную форму колебаний (меандр) на выходе генератора.

Диоды D3-D6, подстроечные резисторы R7-R11 и микроамперметр PA1 образуют измеритель переменного тока. Для того,чтобы погрешность измерений не превышала 10% на первом поддиапазоне (ёмкость до10пФ),внутреннее сопротивление микроамперметра должно быть не более 3кОм.На остальных поддиапазонах паралельно PA1 подключают подстроечные резисторы R7-R11.

Требуемый поддиапазон измерений устанавливают переключателем SA1. Одной группой контактов он переключает частотозадающие конденсаторы С1-С6 в генераторе,другой - подстроечные резисторы в индикаторе. Для питания прибора необходим стабилизированный двуполярный источник на напряжение от 8 до 15В. Номиналы частотозадающих конденсаторов С1-С6 могут отличаться на 20%, но сами конденсаторы должны иметь достаточно высокую температурную и временную стабильность.

Налаживание прибора производят в следующей последовательности. Сначала на первом поддиапазоне добиваются симметричных колебаний резистором R1. Движок резистора R5 при этом должен быть в среднем положении. Затем, подключив к клеммам "Сх" эталонный конденсатор 10пф, подстроечным резистором R5 устанавливают стрелку микроамперметра на деление соответствующее ёмкости эталонного конденсатора (при использовании прибора на 100мка, на конечное деление шкалы).

После этого проверяют форму колебаний на выходе генератора и,  при необходимости,ещё раз подстраивают резисторы R1,R5. На остальных поддиапазонах калибровку прибора также производят  по эталонным конденсаторам,используя для этого подстроечные резисторы R7-R11.

Поскольку переменное напряжение на выходе генератора двуполярное(практически,оно изменяется от +Uпит до -Uпит),то измерять этим прибором ёмкость электролитических конденсаторов нельзя.

 

РАДИО для ВСЕХ - Измеритель R/L/C/ESR

Прибор R/L/C/ESR-Meter для измерения малых сопротивлений, индуктивностей, емкостей конденсаторов и эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС) или по английски Equivalent Series Resistance (ESR) электролитических конденсаторов

В связи с тем, что в настоящее время очень широкое применение получили импульсные блоки питания, инверторы и пр. преобразователи, работающие на высоких частотах, то при их ремонте возникла необходимость в приборе для измерения ESR электролитических конденсаторов. Несколько месяцев я "гулял" по просторам Интернета в поисках нужного мне прибора, собрал несколько аналоговых и цифровых приборов для измерения ESR и остановился на одном, который и предлагаю к повторению. Множество предлагаемых в Интернете приборов, в том числе и тестер полупроводниковых приборов описание которого приведено здесь, кроме своих основных функций могут измерять и ёмкости, и индуктивности, и т.д. Но, к сожалению, я не нашёл универсальный измерительный прибор, который может измерять абсолютно всё и качественно. Просмотрел кучу схем и видеороликов на YouTube и для себя решил, что нужно иметь несколько разных приборов, умеющих делать свою работу. В любом случае, все наши самоделки не являются высокоточными измерительными приборами, но обеспечивают измерения с достаточной для нашего творчества точностью. Дополнительно радует, лично меня, то, что устройство собрано моими руками, да ещё и работает 🙂 короче говоря, кому интересно - читаем дальше о конструкторе который я всем предлагаю...

С помощью конструктора можно собрать очень полезный и, что самое главное, простой в сборке и наладке прибор, который будет  очень полезен в повседневной работе специалисту по ремонту радиоаппаратуры, радиолюбителю и т.д. – измеритель индуктивности, ёмкости и эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС или ESR) электролитических конденсаторов, очень маленьких сопротивлений (миллиомметр) - «LCM TESTER». Индикация выполнена на жидкокристаллическом дисплее 2х16 символов с функцией подсветки.

Технические характеристики:

  • Напряжение питания (при питании от батарейки 6F22)        9 В
  • Ток потребляемый при работе от батарейки                    8-10 мА
  • Напряжение питания (при питании от блока питания)         9-12 В
  • Тип индикатора                                                   ЖКИ 2х16
  • Ток, потребляемый от сетевого адаптера                       60-100 мА
  • Максимальное измеряемое сопротивление                      30 Ом
  • Диапазон измерения ёмкости                                    0,1 пФ-0,1 Ф
  • Погрешность при измерении ёмкости 0,1 пФ-200нФ           1%
  • Погрешность измерения ёмкости >200 нФ                       2,5%
  • Погрешность измерения сопротивления до/более 500 мОм    5%/10%
  • Диапазон измерения индуктивности (погр. 5%)                 10 нГн-20 Гн
  • Диапазон измерения сопротивлений (погр. 5%)                0-30 Ом
  • Размеры печатной платы                                         80х65 мм

Что такое ЭПС или ESR? Зачем нужно его измерять?

ESR (Equivalent Series Resistance) - эквивалентное последовательное сопротивление, представляет собой сумму последовательно включенных омических сопротивлений контактов выводов и электролита с обкладками (пластинами) электролитического конденсатора, что является важнейшим параметром электролитических конденсаторов. В русскоязычной аббревиатуре - Эквивалентное Последовательное Сопротивление – ЭПС. По сути, измеритель ESR - это омметр переменного тока, работающей на частоте 50...120 кГц. На этих частотах емкостное сопротивление электролитических конденсаторов мало (около нуля), поэтому показания этого омметра при проверке конденсаторов как раз и дают ESR. Чем меньше это сопротивление - тем качественнее электролитический конденсатор! Потери в диэлектрике, обусловленные особенностями его поляризации, составляют основную часть потерь в конденсаторе и определяются материалом, а так же толщиной слоя диэлектрика. Рассматривать детально процессы всех видов поляризации нет необходимости, но вкратце это можно пояснить следующим образом. Частицы диэлектрика, обладающие зарядом, под воздействием переменного электрического поля вынуждены совершать непроизвольные механические колебания, обусловленные их переориентацией и смещением (поляризацией). В слоях диэлектрика, близких к обкладкам, заряды, не покидая своих связей, активно участвуют в общем процессе перезаряда конденсатора. По сути, уменьшается толщина реального диэлектрика. В результате существенно повышается ёмкость конденсатора но, по причине инертности и внутреннего трения связанных частиц, процессы сопровождаются выделением тепла и потерями энергии в токопроводящих слоях диэлектрика. С увеличением частоты, диэлектрические потери пропорционально возрастают. В результате угол сдвига фаз между током и напряжением составит не 90°, как в идеальном конденсаторе, а несколько меньше. Тангенс угла δ, составляющего эту разницу с 90°, называют тангенсом угла диэлектрических потерь. Аналогичный сдвиг происходит в цепи при последовательном включении конденсатора и резистора. В связи с этим для расчётов принято понятие последовательного эквивалентного сопротивления ESR, в котором диэлектрические потери суммируются с активным сопротивлением обкладок, соединений и выводов, представляя собой, по сути, резистор, подключенный последовательно с конденсатором. В электролитических конденсаторах значимой частью ESR является сопротивление жидкого электролита, который используется в качестве составляющей одной из обкладок для обеспечения максимальной площади соприкосновения с диэлектриком. Если сопротивление электролита в конденсаторе рассмотреть как проводник с поперечным сечением, равным площади одной из обкладок и длиной проводника, приблизительно равной толщине пропитанной бумаги, можно предположить, что эта величина будет относительно небольшой. В реальных конденсаторах средних размеров типовое значение составит 0,01 Ом при 20°C. Но, следует учитывать, что для конденсаторов большой ёмкости, используемых в фильтрах выпрямителей импульсных источников питания  на рабочей частоте порядка 100 кГц, когда его реактивное сопротивление измеряется тысячными долями Ома, эта величина будет составлять достаточно большие потери. Величина диэлектрических потерь на таких частотах в электролитических конденсаторах фильтров импульсных источников питания обычно в несколько раз больше, и лишь в самых лучших случаях может быть примерно равна и даже меньше потерь в электролите. Сопротивление электролита существенно зависит от температуры по причине изменения степени его вязкости и подвижности ионов. В процессе работы происходит нагрев диэлектрика и электролита переменным током, в связи с чем, может существенно уменьшаться сопротивление электролита, тогда ESR конденсатора будет определяться, главным образом, его диэлектрическими потерями. В случаях разогрева до температуры кипения, электролит утрачивает свои первоначальные свойства и при последующем охлаждении становится более вязким, что значительно повышает его сопротивление. Дальнейшая эксплуатация будет вызывать ещё больший разогрев и ухудшение качества электролита, что, впоследствии приведёт к непригодности конденсатора для дальнейшей работы в устройстве. Обычно неисправные электролитические конденсаторы, в которых кипел электролит, определяются визуально по вздувшемуся и разгерметизированному корпусу. Для надёжности работы электролитических конденсаторов очень важен правильный выбор его типа, номинала и максимального напряжения в зависимости от режимов. Для фильтров преобразователей, работающих на частотах десятков килогерц, производители выпускают специальные конденсаторы с малым ESR и указывают полное сопротивление переменному току (импеданс Z) для всех номиналов в таблицах. Тип таких конденсаторов сопровождается пометкой в технической документации - Low impedance или Low ESR. Увеличение ESR конденсатора на несколько Ом, а иногда на несколько десятых долей Ома, может являться причиной неработоспособности устройства, в котором он установлен, что иногда невозможно выявить существующими измерителями ёмкости, не способными учитывать другие параметры конденсатора! Обычно в ремонтной практике не требуется особой точности в измерении ESR, поэтому ощутимая погрешность пробников чаще не вызывает неудобств в отыскании неисправных элементов, а определение состояния конденсатора пробником может упрощаться до оценки его качества по принципу – годен или не годен для работы в конкретном узле устройства. Но, следует отметить, что для конденсаторов, работающих при больших импульсных токах, например, в фильтрах преобразователей, требуется более объективная оценка качества, а погрешность в десятые и даже сотые доли Ома может иметь существенное значение.

Данная информация позаимствована с сайта http://tel-spb.ru, там размещена более подробная теоретическая информация по вопросам измерения ESR

В отличие от универсальных измерителей, предлагаемых на рынке, да и измерителей специализирующихся именно на измерении ESR, данный прибор обладает высокой точностью и отображает на дисплее достоверные данные измеренных величин, а не шо попало, абы только носить гордое имя измерителя ESR – это проверено неоднократно на практике. 

Сборка и калибровка прибора:

В набор входят: печатная плата с маской и маркировкой радиокомпонентов, все необходимые для сборки тестера радиокомпоненты, кнопки с колпачками, провод с разъёмом для батарейки типа «крона», гнездо для подключения вешнего блока питания, ЖКИ дисплей 2х16. Необходимо запаять в плату все детали согласно принципиальной схеме, смыть флюс и выполнить осмотр печатной платы на предмет отсутствия ненужных перемычек из припоя между дорожками. После этого можно подключать дисплей и источник питания. Собранное без ошибок устройство начинает работать сразу. Только необходимо при первом включении отрегулировать контрастность ЖКИ дисплея при помощи подстроечного резистора RV1. Для этого необходимо подать напряжение питания на тестер - нажать кнопку «POWER» и отрегулировать контрастность дисплея. После включения прибора необходимо выполнить его калибровку.

Начальная калибровка в режиме «С» происходит при включении прибора (прибор должен быть в этом режиме при включении прибора).

Если ноль "ушел", то для калибровки нужно:

1. Включить кнопку калибровки.

2. Дождаться появления сообщения типа R=0238 Ом

3. Отключить кнопку повторным нажатием и убрать руки от прибора.

4. Дождаться сообщения о подтверждении калибровки типа С->0. Показания сопротивления должны сброситься в ноль. Если ноль "ушел", то можно повторить калибровку. Но надо обязательно дать возможность процессору запомнить состояние, не прерывать процесс.

Для режима «L» все точно также, только нужно замкнуть  контакты разъема измерения индуктивности перемычкой (для режима «С» контакты открытые).

Аналогично для режима ESR нужно обязательно сделать калибровку, иначе малые значения R могут "съедаться":

1. Замкнуть контакты разъема измерения ёмкости и ESR перемычкой.

2. Нажать кнопку калибровки и будет выведена информация на экран о напряжении, прилагаемом к конденсатору, и частота измерения ESR.

3. После этого дождаться появления сообщения R= 0238 Ом, отжать кнопку. Показания сопротивления должны сброситься в ноль. Если ноль "ушел", то можно повторить калибровку. Но надо обязательно дать возможность процессору запомнить состояние, не прерывать процесс.

Ток, потребляемый устройством очень мал, порядка 8-10 мА, поэтому батарейки 6F22 «Крона» 9В хватит на очень долгое время. При этом подсветка дисплея не работает. Чтобы работала подсветка дисплея необходимо подключить к разъёму на плате внешний сетевой адаптер 7-12В.

Диаграмма ESR электролитических конденсаторов:

По приведенным выше графикам можно определить максимально допустимое сопротивление (значение ESR) электролитического конденсатора в зависимости от ёмкости и рабочего напряжения. Следовательно, для определения наибольшего эквивалентного сопротивления электролита необходимо на вертикальной оси найти значение (отметить точку) ёмкости указанное на корпусе конденсатора и провести через это значение горизонтальную прямую линию до пересечения с необходимым графиком. График нужно выбрать исходя из номинального рабочего напряжения конденсатора. Из точки пересечения горизонтальной прямой и графика опускаем перпендикуляр на горизонтальную ось. По шкале на горизонтальной оси определяем наибольшее допустимое значение ESR для испытываемого конденсатора. Кроме того, прибор отображает тангенс угла диэлектрических потерь диэлектрика. Отображение выполняется при помощи индикатора Bar Graph (закрашиваемый столбик). Чем больше закрашен индикатор, тем хуже состояние диэлектрика и наоборот.

Что значит надпись m60 и т.п.? Эффект памяти конденсатора. Конденсатор заряжается постоянным напряжением, затем оставляется в покое на некоторое время, после этого проверяется напряжение на конденсаторе. Чем меньше "m**", тем лучше, для m60 памяти, я думаю это что-то похожее на плохой конденсатор из какого-то блока питания, хороший же электролитический конденсатор имеет "m20" или меньше, по крайней мере большинство из них которые я измерял, имели такую величину. И наилучшие могут иметь "m1-m2", это в основном металлизированные конденсаторы. Однако действительно очень хорошие электролитические конденсаторы могут иметь такие величины тоже. Теперь понятно также, что означают буквы и цифры типа "m60" в строке где показывается емкость - это эффект памяти конденсатора. Т.е. чем меньше это значение, тем лучше качество конденсатора.

Дополнительные функции:

Если дополнительно изготовить простенькие щупы, то можно производить измерение ESR конденсаторов непосредственно в печатной плате без выпаивания и без вреда компонентам платы! На схеме: резистор R1 0,6-2 Вт, 22±1% Ом, конденсатор С1 полипропиленовый с малыми потерями типа WIMO, D1 и D2 диоды с барьером Шоттки типа BAT46. 

Доступны собранные приборы и наборы для сборки с ЖКИ дисплеем с синей подсветкой и белыми символами:

В варианте с синим дисплеем подсветка включается при питании как от батарейки, так и от сетевого адаптера. Ток, потребляемый от источника питания при работе измерителя, составляет 20...22 мА.

Схема электрическая принципиальная:

Видео работы прибора можно увидеть здесь:

Стоимость печатной платы с маской и маркировкой: 90 грн.

Стоимость набора для сборки измерительного прибора: 430 грн.

Стоимость собранного и проверенного прибора: 460 грн.

Краткое описание, инструкция по сборке, схема и состав набора находится здесь >>>

Для заказа устройства просьба обращаться сюда >>> или сюда >>>

Удачи, мирного неба, добра! 73!

Микроконтроллерный измеритель емкости конденсаторов - Устройства на микроконтроллерах - Схемы устройств на микроконтроллерах

В основу работы устройства заложен известный метод измерения длительности зарядки и разрядки конденсатора от источника напряжения через резистор известного сопротивления. Диапазон измеряемых значений емкости - от 1 нФ до 12000 мкФ. Он разделен на два поддиапазона, которые условно названы "нФ" и "мкФ". Для измерения емкости конденсаторов без их выпаивания из платы необходима малая амплитуда напряжения на конденсаторе, чтобы этому процессу не мешали р-n переходы полупроводниковых приборов, поэтому образцовый источник имеет напряжение 0,5 В.
Схема устройства показана на рис. 1.

Рис. 1

Основную "работу" выполняет микроконтроллер DD1. Синхронизация работы его узлов осуществляется от встроенного генератора с внешним кварцевым резонатором ZQ1. В составе микроконтроллера DD1 есть аналоговый компаратор, который использован для контроля за напряжением зарядки и разрядки измеряемого конденсатора. Входы этого компаратора соединены с портами
РВОРВ1. Измеряемый конденсатор подключают к гнездам XS1, XS2, и напряжениями высокого или низкого уровня с порта РВЗ через резистивный делитель R1-R3R7R10 осуществляется его зарядка и разрядка. Контакты переключателя SA1.1 шунтируют резистор R2 на пределе "мкФ", увеличивая значения как зарядного, так и разрядного тока. Контакты переключателя SA1.2 на поддиапазоне "нФ" соединяют линии PD1 и PD3 через резистор R19, что фиксируется микроконтроллером DD1 как установка этого поддиапазона. Резистивный делитель R9R6 при напряжении высокого уровня на линии РВ2 формирует на резисторе R6 образцовое напряжение 0,316 В для инвертирующего входа встроенного компаратора (линия РВ1), которое является пороговым для зарядки измеряемого конденсатора.

При переводе линии РВ2 в высоко-импедансное состояние образцовое напряжение отключается и вход компаратора будет подключен через резистор R6 и гнездо XS2 к измеряемому конденсатору - это "общий" вывод конденсатора, что обеспечивает фиксацию нулевого напряжения на конденсаторе при его разрядке. Напряжение с конденсатора через резистор R4 поступает на другой вход компаратора (линия РВО). Цепь C3R5, подключенная параллельно входам компаратора, способствует снижению "цифрового" шума. Цепь R8VD5 "поможет" микроконтроллеру DD1 определить, подключен ли к гнездам XS1, XS2 конденсатор или они замкнуты.
Еще один источник образцового напряжения, относительно которого производятся измерения, собран на ОУ DA2. Делитель R27R29 формирует напряжение около 2,5 В, оно поступает на ОУ DA2, выполняющий роль буферного усилителя.
Вывод результатов измерения микроконтроллер осуществляет на светодиодные семиэлементные индикаторы HG1-HG3 в динамическом режиме с периодичностью около 20 мс. Коммутация анодов индикаторов осуществляется транзисторами VT1, VT3, VT4, а на их катоды сигналы в соответствующем коде поступают с линий PD0-PD6 через резисторы R12-R18. Коды хранятся в памяти микроконтроллера DD1 и заносятся в нее на этапе программирования. "Зажигание" на индикаторах десятичной точки осуществляется через линию РВ4 и резисторы R11, R21.

Эта же линия используется для формирования импульсных сигналов 34, поступающих на акустический пьезоиз-лучатель НА1 через резистор R24.
Питание устройства осуществляется от батареи, состоящей из двух Ni-Cd аккумуляторов типоразмера АА с общим напряжением 2,4 В, которое преобразователем DA1 повышается до стабилизированного 5 В для питания микроконтроллера DD1 и источника образцового напряжения на ОУ DA2. Конденсатор С7 - сглаживающий, резистивный делитель R23R25 задает нижний предел напряжения аккумуляторной батареи
. При его снижении до 2...2,1 В на выходе LBO (вывод 2) преобразователя DA1 формируется напряжение низкого уровня, которое через резисторы R33 и R12 поступает на линию PD0 (вывод 2) микроконтроллера DD1. При очередном опросе этой линии микроконтроллер DD1, обнаружив низкий уровень, останавливает работу основной программы, отключает светодиодный индикатор, генерирует продолжительный сигнал, поступающий на акустический излучатель НА1, и переходит в "спящий" экономичный режим, из которого он выходит только при отключении питающего напряжения и последующем его подключении.

Для защиты микроконтроллера и других элементов устройства от напряжения заряженного измеряемого конденсатора применен узел активной защиты, состоящий из диодного моста VD6, транзистора VT2 и светодиода HL1. При подключении заряженного конденсатора, напряжение на котором превышает 4...5 В, через светодиод HL1 протекает ток, открывающий транзистор VT1. В этом случае большая часть напряжения конденсатора приложена к резисторам R3, R7 - происходит разрядка этого конденсатора. В качестве дополнительной защиты линии РВЗ микроконтроллера DD1 применены диоды VD3, VD4 и резистор R10, а линии РВО - VD1, VD2 и R4. Для программирования микроконтроллера к вилке ХР1 подключают программатор.
В устройстве использованы резисторы МЛТ, ОМЛТ с допуском не более 5 %, оксидные конденсаторы - К53-16, остальные - К10-17, КМ, КД, кварцевый резонатор - НС-49, дроссели L1, L2 - ELC06D фирмы Panasonic. Вилка ХР1 является ответной частью розетки ЮС-10. Такие вилки продаются в магазинах радиодеталей в виде линеек, от них отделяют необходимое число контактов. Переключатель SA1 - любой малогабаритный движковый на два направления и два положения, желательно в металлическом корпусе, например В1561, что позволит закрепить его на плате пайкой. Пьезо-излучатель НА1 - пьезокерамический FML-15T-7.9F1-50 с резонансной частотой около 8 кГц. В качестве XS1-XS3 применены контакты с внутренним диаметром 1,5 мм (они припаяны к контактным площадкам на плате) от разобранного разъема РГ4Т. Для измерений отдельных конденсаторов использованы зажимы "крокодил", которые припаяны к вилкам, подключаемым к гнездам XS1, XS2 "Сх", а для измерения впаянных конденсаторов применяют соединительные экранированные провода, экраны которых соединены с вилкой, подключаемой к гнезду XS3 "Общий". Необходимо помнить, что измерительный кабель вносит дополнительную погрешность при измерении конденсаторов с малой емкостью.

Для прибора использован пластмассовый корпус от калькулятора БЗ-26, его отсек питания был уменьшен для размещения двух аккумуляторов. С внутренней стороны корпус оклеен экраном из тонкой алюминиевой фольги. Для контакта с этим экраном применены упругие посеребренные пластины, которые припаяны к общему проводу на плате. Штатный выключатель питания калькулятора использован для включения питания прибора, а гнездо блока питания - для подключения зарядного устройства. Блок питания БП2-1М от калькулятора переделан под зарядное устройство для аккумуляторной батареи. Для этого в плюсовую линию питания устанавливают два резистора и светодиод (рис. 2). По яркости свечения этого светодиода можно судить о степени заряженности аккумуляторной батареи.

Рис. 2

Чертежи печатной платы из двусторонне фольгированного стеклотекстолита показаны на рис. 3-5. Не удалось обойтись без применения переходных отверстий, особенно около цифровых индикаторов. Поэтому при монтаже в первую очередь следует установить и запаять в переходные отверстия проволочные перемычки и затем уже выполнить монтаж остальных элементов. Выводы некоторых элементов также используются в качестве переходных перемычек, потому необходима их пайка с обеих сторон платы. Со стороны установки большинства элементов (рис. 4) оставлен участок фольги, соединенный с общим проводом, который осложняет пайку элементов, но повышает надежность работы устройства. Отверстия для выводов элементов, не соединенных с общим проводом, на этом участке зенкуют (на рис. 4 зенковка не показана).

Рис. 3

Рис. 4

Соединение элементов R4, СЗ, VD1, VD2 и вывода 12 микроконтроллера DD1 необходимо выполнить навесным монтажом. При установке микроконтроллера на плату этот вывод следует отогнуть, резистор R4 установить перпендикулярно плате, пропаяв его вывод со стороны установки гнезда XS1, к другому выводу резистора припаять луженую проволочную перемычку, идущую к выводу 12 микроконтроллера DD1, и уже потом к этой перемычке припаять выводы элементов СЗ, VD1 и VD2.
Для измерения конденсатор подключают к гнездам "Сх". Микроконтроллер, обнаружив подключенный конденсатор, начнет процесс измерения его емкости, при этом станет светить десятичная точка на индикаторе HG3. По окончании процесса результат выводится на светодиодные индикаторы, затем выводятся символы единиц измерения. При подключенном конденсаторе процесс измерения будет периодически повторяться. С целью экономии энергии аккумуляторной батареи, которая максимально расходуется при индикации результатов, необходимо своевременно отключать измеряемый конденсатор. Если при включении прибора или во время его работы зазвучит длинный звуковой сигнал без включения индикации, нужно зарядить аккумуляторную батарею.
Для отображения единиц измерения использованы символы: "nF" - нанофара-ды; "nF"- микрофарады; "nnF"-тысячи микрофарад. Для отображения различных ситуаций, требующих выполнения каких-либо действий, совместно со звуковой индикацией применены символы:
"ссс" - измеряемый конденсатор имеет остаточный заряд, его необходимо отключить и полностью разрядить до повторного измерения;
"ггг" - замыкание в измерительной цепи, необходимо убедиться в отсутствии случайного замыкания измерительных гнезд(проводов)или проверить измеряемый конденсатор на пробой;
"ппп" - емкость конденсатора выходит за пределы диапазона измерения, необходимо выбрать другой поддиапазон или убедиться, что ожидаемая емкость измеряемого конденсатора соответствует измерительным возможностям устройства;
"---" - потеря значений поправочных коэффициентов, необходима повторная загрузка.
При подключении заряженного конденсатора с напряжением более 4...5 В включается система защиты и вспыхивает светодиод HL1. Микроконтроллер обнаружит заряженный конденсатор и сообщит об этом световой и звуковой индикацией, но с некоторой задержкой. Поэтому при подключении измеряемого конденсатора необходимо следить за индикатором защиты и немедленно отключать такой конденсатор. При проведении измерений нужно помнить, что к устройству нельзя подключать конденсатор, заряженный до напряжения более 100 В.
В устройстве отсутствует режим самокалибровки. Поэтому использована более трудоемкая, но, по мнению автора, более надежная процедура установки поправочных коэффициентов с помощью программатора, которая может производиться как на этапе изготовления, так и после его ремонта или при возникновении большой погрешности измерения. Для данной работы можно использовать любое доступное средство программирования микроконтроллеров ATMEL.

Прежде всего, используя, например, программу "Блокнот" в ОС WINDOWS, открывают файл cmetr.eep и убеждаются, что третья строка имеет вид

:0C002000FFFF00FFFF00FFFF00FFFF00DC

Здесь в первом байте указано число байтов данных в строке. Следующие два байта - адрес ячейки памяти, в которой хранится первый байт данных строки, четвертый байт - служебный. Затем следуют двенадцать байтов данных, и последний байт - контрольная сумма. Теперь можно загрузить файлы cmetr.hex и cmetr.eep в память микроконтроллера имеющимися программными и аппаратными средствами. Если все сделано правильно, при включении устройства зазвучит короткий звуковой сигнал и пройдет тест цифровых светодиодных индикаторов - сдвиг цифры 8 по всем разрядам. Затем индикаторы погаснут, и измеритель будет ожидать подключения конденсатора, подавая короткие звуковые сигналы с периодом следования около 4 с.
После проверки работоспособности устройства необходимо определить поправочные коэффициенты для двух поддиапазонов. Для этого потребуются образцовые конденсаторы (Собр). желательно с малыми потерями. Например, для поддиапазона "мкФ" подойдет конденсатор емкостью 100 мкФ. Если такой возможности нет, то следует выбрать неполярный конденсатор с емкостью не менее 10 мкФ.
Предположим, что при подключении образцового конденсатора емкостью 100 мкФ показания прибора составляют 106 мкФ (Сх). Значение поправочного коэффициента определяют по формуле К = Сх/(Собр - Сх) = 106/(100 - 106) = = -17,66. Принимаем значение К = -18. В поддиапазоне "нФ" в качестве образцовых можно использовать более доступные конденсаторы К71, К73 емкостью около 0,1 мкФ. Предположим, что измеренное устройством значение образцовой емкости (0,1 мкФ) составляет 99,7 нФ, тогда поправочный коэффициент будет равен: К = 99,7/ /(100 - - 99,7) = 332,3. Принимаем К = 332.
Полученные значения коэффициентов переводят в шестнадцатеричный вид, они будут 12Н и 14СН соответственно. Нет противоречия в том, что чем меньше погрешность измерения, тем больше поправочный коэффициент, просто таков алгоритм вычисления поправки. Теперь необходимо вернуться к описанию процесса программирования и в файле cmetr.eep в третьей строке заменить значения двенадцати байтов данных, чтобы строка имела вид

:0C0020001200FF1200FF4C01004C010064

Первые шесть байтов данных содержат продублированную информацию о коэффициенте для поддиапазона "мкФ", дальше следуют шесть байт (также продублированные) для поддиапазона "нФ". Причем первые два байта - численное значение коэффициента, а третий указывает на его знак. Например, на поддиапазоне "мкФ" получено отрицательное значение коэффициента, поэтому третий и шестой байты данных содержат число FF, что "сообщает" микроконтроллеру о необходимости вычитания поправочного коэффициента. Для поддиапазона "нФ" коэффициент положительный, поэтому девятый и двенадцатый байты содержат число 00, это означает, что поправочный коэффициент нужно прибавлять.
Теперь следует подсчитать значение контрольной суммы в этой строке. Сделать это можно с помощью специализированных программ или инженерного калькулятора ОС WINDOWS в режиме Hex. Для этого необходимо сложить все байты этой строки, включая байт числа байтов данных в строке, два байта адреса ячейки и все байты данных, затем определить, какое число нужно прибавить к этой сумме, чтобы младший байт результата был равен нулю. Это число и будет контрольной суммой, в приведенном выше примере получится 64н. Затем следует выполнить стирание информации в памяти микроконтроллера и повторную загрузку файлов cmetr hex и cmetr.eep. Измеряя образцовые конденсаторы, убеждаются в правильной установке поправочных коэффициентов.
При измерении необходимо учитывать, что в поддиапазоне "нФ" емкость измеряемого конденсатора не должна превышать 12 мкФ, в поддиапазоне "мкФ" - 12000 мкФ, а измерение конденсаторов емкостью менее 1000 пФ имеет приближенный характер, поскольку сказывается емкость измерительной цепи.

Программу микроконтроллера измерителя емкости можно скачать здесь

Измеритель емкости - 7 Апреля 2013

Автор разработки: В.Календо


Оксидные конденсаторы обладают неприятным свойством терять емкость — "высыхать", что является одной из основных причин отказов радиоаппаратуры, находящейся в длительной эксплуатации. Предлагаю схему прибора для измерения емкости конденсаторов. Прибор позволяет измерять емкость на пяти поддиапазонах: 1. 0,1...3.1 ±0,1 мкФ; 2. 1,0... 31 ±1 мкФ; 3. 10...310 ±10 мкФ; 4. 100...3100 ±100 мкФ; 5. 1000...31000 ±1000 мкФ. Принципиальная схема приведена на рис.1. На транзисторе VT1 и микросхеме DD1 собран генератор эталонных частот. Генератор работает постоянно, и при высоком уровне на выводе 10 DD1.4 импульсы эталонной частоты поступают на пятиразрядный двоичный счетчик DD5, DD6, DD4.2. Информация о количестве поступивших на вход счетчика (вывод 11) DD5.1 импульсов отображается светодиодами VD2...VD6 в двоичном коде. На элементах DD2 и DD3.1 собран второй генератор, импульсная последовательность которого формируется с участием конденсатора Сх, емкость которого необходимо измерить. Высокий уровень на выводе 5 DD2.3 разрешает его работу. На VT2, DD3.2, DD3.3, DD3.4 собран генератор импульсов индикации. В течение одного периода собственных колебаний этого генератора информация на счетчик не поступает, счетчик индицирует свое состояние, светодиод VD1 "Измерение" погашен. В качестве переключателя режима измерение/индикация используется RS-триггер DD4.1. Переключается триггер по входу R импульсами с генератора индикации, по входу S — импульсами с генератора Сх. Временные диаграммы работы схемы приведены на рис.2. В зависимости от предполагаемой емкости Сх. переключателем SA1 выбирается определенная частота генерации, подстраиваемая резисторами R2...R6. Если емкость Сх точно равна верхнему пределу измерений на любом из поддиапазонов, то количество импульсов, поступивших на счетчик, должно быть равно 31 (полная емкость счетчика). При меньшем значении Сх количество импульсов, поступивших на счетчик, будет соответственно меньше. Пусть измерение ведется на 5-м поддиапазоне. Светодиоды высветили код 1, 4, 16. В этом случае емкость определяется так: Сх = (1+4+16) х 1000 = 21000 (мкФ). Погрешность измерения на этом поддиапазоне составляет ±1000 мкФ. Если данная точность недостаточна, необходимо провести еще одно измерение на 4-м поддиапазоне. В этом случае счетчик будет работать с переполнением: 21000 : 3100 = 6 и 24 в остатке (31 х 100 — шаг измерения на 4-м поддиапазоне). Остаток будет высвечен числами 8, 16. Сх = (31 х 6+8+16) х 100 = 21000 ±100(мкФ). Если нет ошибок в монтаже, настройка прибора сводится к его калибровке. Начинать нужно с 5-го поддиапазона. Сначала надо подключить к гнездам Сх конденсатор емкостью в несколько десятков тысяч микрофарад. Его лучше составить из нескольких конденсаторов, включенных параллельно. Вместо подстроечного резистора R2, временно впаять переменный с номиналом 100...200 кОм и добиться показаний счетчика, соответствующих емкости подключенного конденсатора. Измерить сопротивление резистора и заменить его последовательно соединенными постоянным и подстроечным (величина подстроечного должна быть примерно 1/3 необходимого номинала). Уточнить величину подстроечного резистора подключением Сх других номиналов. Данные операции следует проделать на остальных поддиапазонах. Время индикации устанавливается подбором R13. Для четкой работы прибора необходим хороший источник питания, в котором емкость фильтрующего конденсатора в выпрямителе после диодного моста должна быть не менее 2000 мкФ. Хорошие результаты получаются, если в стабилизаторе использовать микросхемы серии 142. Рисунок печатной платы приведен со стороны печатных проводников (рис.3). Перемычки помечены штриховой линией. Детали расположены с противоположной стороны платы, значком "х" помечены выводы деталей, припаянные к общему проводу, разводка которого не приведена. В приборе использованы микросхемы серии 155, применение менее энергоемких серий нежелательно. Это потребует переработки схемы. Транзисторы — КТ315, светодиоды — АЛ102, АЛ307. При разработке прибора основным критерием была простота. Двоичные счетчики можно заменить десятичными на ИМС К155ИЕ2, дополнив их соответствующими дешифраторами и индикаторами, но конструкция заметно усложнится. С1, С2 — К52, К53; С3, С4, С5 — МБМ, К73, КМ. Остальные детали — любого типа с допуском ±20%. SA1 — галетный или П2К. На свободных местах платы установлены С1...С4, R2...R6. Из разводка не приведена, так как они могут иметь иные размеры, чем у автора. Светодиоды впаиваются так. чтобы при установке платы они выступали на лицевой панели. В качестве гнезд для С использованы одиночные розетки от разъемов ШР. Источник: В.Календо, журнал "Радиолюбитель". Схемы и статьи публикуются с разрешения редакции журнала.

Изготовление цифрового измерителя емкости на микроконтроллере

Конденсаторы

являются одними из наиболее распространенных пассивных электрических компонентов, которые широко используются во всех видах электронных схем. В этом проекте мы обсудим метод построения цифрового измерителя емкости с использованием микроконтроллера PIC. Этот проект может измерять значения емкости от 1 нФ до 99 мкФ с разрешением 1 нФ. Метод основан на измерении времени, прошедшего, когда конденсатор заряжается до известного напряжения через последовательный резистор.В этом проекте используется микроконтроллер PIC16F628A.

Измеритель емкости

Теория

Этот измеритель емкости основан на принципе зарядки конденсатора через последовательный резистор. В последовательной RC-цепи, как показано на рисунке ниже, напряжение на конденсаторе экспоненциально увеличивается по мере его заряда. Предположим, что изначально конденсатор был полностью разряжен. Когда Vin подается на RC-цепь, конденсатор начинает заряжаться, и, следовательно, напряжение (Vc) на нем увеличивается от 0 до Vin экспоненциально, как показано в правой части рисунка.Уравнение, представленное на рисунке, описывает, как напряжение на конденсаторе изменяется со временем. Если мы знаем время, которое требуется для зарядки конденсатора до известного напряжения, то мы можем решить это уравнение относительно C, зная значение R.

Напряжение конденсатора экспоненциально возрастает со временем

Идея измерения времени, прошедшего, когда конденсатор заряжается от 0 до известного напряжения, может быть реализована с помощью любого микроконтроллера. Здесь мы используем микроконтроллер PIC16F628A, который имеет два встроенных аналоговых компаратора.В этом проекте мы используем модули аналогового компаратора 2 и TIMER2 для определения времени, необходимого конденсатору для зарядки от 0 В до 0,5 В. Положительный и отрицательный входы аналогового компаратора 2 доступны извне через контакты RA2 и RA1 PIC16F628A соответственно. На рисунке, показанном ниже, два резистора 2,2 кОм создают делитель напряжения, который устанавливает положительный вход (RA2) компаратора на половину напряжения, приложенного к выводу RA0. Отрицательный вход (RA1) компаратора идет к положительному концу конденсатора через 330? резистор.Резистор используется для разряда конденсатора перед его измерением путем установки низкого уровня RA1. Когда на вывод RA0 подается напряжение, конденсатор (Cx), изначально полностью разряженный, заряжается через резистор 22 кОм. Когда вывод RA0 просто установлен на высокий уровень (скажем, около 5 В), выход компаратора высокий, поскольку положительный вход компаратора имеет более высокое напряжение (около 2,5 В), чем отрицательный вход, который близок к 0 В в качестве конденсатора. полностью разряжен. Теперь конденсатор начинает заряжаться через последовательный резистор (22K), и когда напряжение на нем превышает половину напряжения на выводе RA0, выход компаратора переключается на низкий уровень.Флаг прерывания компаратора (CMIF) устанавливается всякий раз, когда происходит изменение выходного значения компаратора. Модуль Timer2 используется для вычисления времени, прошедшего между установкой высокого уровня RA0 и низким уровнем на выходе компаратора. Это время, необходимое конденсатору для зарядки от 0 В до половины напряжения питания.

RC-цепь и входы компаратора

Зная значение зарядного резистора (в данном случае 22 кОм) и время зарядки (от Timer2), теперь мы можем решить уравнение конденсатора, упомянутое выше, для вычисления C.Вот математика, участвующая в этом процессе. Для простоты Timer2 инициализируется значением 104, так что он переполняется за 256-104 = 152 тактовых цикла (число 152 взято из математических расчетов, показанных ниже). Если мы используем внешний источник тактовой частоты 4,0 МГц, это эквивалентно 152 мкс. Таким образом, расчеты значительно упрощаются, как описано ниже. Окончательное уравнение предполагает, что для данной схемы измеренная емкость (в нФ) просто умножается на 10 на количество переполнений Timer2, начиная с 104 каждый раз.Это дает разрешение 10 нФ, которое можно дополнительно улучшить до 1 нФ, учитывая значение самого Timer2 в момент, когда выход компаратора переключается на низкий уровень и модуль Timer2 останавливается.

Расчет C по времени зарядки

Полная схема схемы для этого проекта представлена ​​ниже. Выводы RA0-RA2 идут на описанную ранее схему делителя напряжения и заряда конденсатора. Измерение начинается при нажатии кнопки Start .Измеренная емкость отображается на стандартном символьном ЖК-дисплее. Источник питания +5 В получается от батареи 9 В с использованием микросхемы регулятора LM7805. Я использую свою плату ввода-вывода DIY Experimenter для ЖК-части этого проекта и мою 18-контактную плату PIC16F для простого прототипирования с микроконтроллером PIC16F628A.

Схема измерителя емкости

Делитель напряжения и RC-цепь

Полная установка эксперимента

Программное обеспечение

Прошивка для микроконтроллера PIC16F628A написана на C и скомпилирована с помощью компилятора mikroC Pro для PIC.Максимальное значение измеряемой емкости установлено на 99,99 мкФ. Программа отображает сообщение «Вне диапазона» при измерении значения емкости выше этого. Обычно на выводе RA0 устанавливается низкий уровень, так что конденсатор разряжается через резистор 22 кОм перед измерением. При нажатии кнопки Start вывод RA1 устанавливается на низкий уровень на 2 секунды, что ускоряет процесс разрядки, поскольку конденсатор разряжается намного быстрее через 330? резистор, по сравнению с 22К.Затем инициализируется Timer2 и разрешается соответствующее прерывание. RA1 и RA2 сконфигурированы как входы аналогового компаратора. Затем RA0 устанавливается на высокий уровень и Таймер 2 включается. Как только выход компаратора (CMCON.C2OUT) переключается с высокого на низкий, модуль Timer2 останавливается. Время, необходимое конденсатору для зарядки от 0 В до половины напряжения на RC-цепи, рассчитывается из количества переполнений Timer2 и конечного значения самого регистра Timer2. Эта временная информация используется для оценки значения емкости с использованием математических расчетов, описанных в теоретическом разделе.

 / *
 Проект: Измеритель емкости
 Описание: CapMeter на основе постоянной времени RC
 MCU: PIC16F28A
 Осциллятор: HS, 4,0000 МГц внешний
 Автор: Раджендра Бхатт (www.embedded-lab.com)

* /

// Подключения ЖК-модуля
сбит LCD_RS на RB2_bit;
сбит LCD_EN при RB3_bit;
сбит LCD_D4 на RB4_bit;
сбит LCD_D5 на RB5_bit;
сбит LCD_D6 на RB6_bit;
сбит LCD_D7 на RB7_bit;
sbit LCD_RS_Direction на TRISB2_bit;
sbit LCD_EN_Direction на TRISB3_bit;
sbit LCD_D4_Direction на TRISB4_bit;
sbit LCD_D5_Direction на TRISB5_bit;
sbit LCD_D6_Direction на TRISB6_bit;
sbit LCD_D7_Direction на TRISB7_bit;

сбит Va при RA0_bit;
sbit Switch at RB0_bit;

char message1 [] = "Емкость";
char message2 [] = "Счетчик";

беззнаковое int T_Value, Num;
беззнаковый короткий i, j, TimerValue, OverRange = 0;
char Capacitance [] = "00.000 мкФ ";

void interrupt () {
  if (PIR1.TMR2IF) {
  TMR2 = TimerValue;
  Num ++;
  если (Num & gt; 9999) OverRange = 1; // Диапазон 99,99 мкФ
  PIR1.TMR2IF = 0; // Очистить флаг прерывания TMR0
  }
}

void Display_Cap (unsigned int n) {
 Емкость [0] = n / 10000 + 48;
 Емкость [1] = (n / 1000)% 10 + 48;
 Емкость [3] = (n / 100)% 10 + 48;
 Емкость [4] = (n / 10)% 10 + 48;
 Емкость [5] = (T_Value * 10) / 153 + 48;
 Lcd_Cmd (_Lcd_Clear);
 Lcd_Out (1, 1, «C =»);
 Lcd_Out (1, 5, емкость);

}

void reset () {
 TRISA = 0b00000100;
 CMCON = 7;
 RA1_bit = 0;
 Delay_ms (2000);
 TRISA = 0b00000110;
 CMCON = 5;
}

пустая функция(){

  char cap_size;
  TRISB = 0b00000001;
  ПОРТБ = 0;
  TRISA = 0b00000110;
  OPTION_REG.T0CS = 0;
  INTCON.GIE = ​​1; // Включение глобального прерывания
  INTCON.PEIE = 1; // Разрешить периферийное прерывание

  // Настраиваем модуль Timer2
  PIE1.TMR2IE = 1; // Разрешить прерывание от Timer2
  T2CON = 0; // Предделитель 1: 1, и Таймер 2 изначально выключен
  PIR1.TMR2IF = 0; // Очистить int бит

  // Настроить модуль компаратора
  CMCON = 5; // Независимый компаратор между RA1 (-) и RA2 (+)

  Lcd_Init ();
  Lcd_Cmd (_Lcd_Clear);
  Lcd_Cmd (_LCD_CURSOR_OFF);
  Lcd_Out (1, 1, сообщение1);
  Lcd_Out (2, 1, сообщение2);
  delay_ms (2000);
  Lcd_Cmd (_Lcd_Clear);

  Lcd_Out (1, 1, «C =»);
  Lcd_Out (1, 5, емкость);
  Va = 0;
  TimerValue = 108; // 104 + 4 дополнительных тактовых цикла задержки при переходе к ISR
  в то время как (1) {
   if (! Switch) {
   Num = 0;
   OverRange = 0;
   Lcd_Cmd (_Lcd_Clear);
   Lcd_Out (1, 1, «Тестирование.");
   Lcd_Out (2, 1, «...»);
   TMR2 = TimerValue; // Инициализируем Timer2
   Va = 1; // подаем напряжение
   T2CON.TMR2ON = 1; // запускаем таймер
   while (CMCON.C2OUT) {
    если (OverRange) перерыв;
   }
   T2CON.TMR2ON = 0; // остановка таймера
   T_Value = TMR2 - TimerValue; // T_Value используется для улучшения разрешения
   Va = 0;
  // ---------------------------------
  if (! OverRange) {
    Display_Cap (число * 10);
  }
  else {
    OverRange = 0;
    Lcd_Cmd (_Lcd_Clear);
    Lcd_Out (1, 1, «Вне диапазона!»);
   }
   сброс();
  }
 }
} 

Скачать исходный код и файлы HEX

Выход

С помощью этого измерителя емкости тестируются различные значения емкости, и результаты довольно хорошо согласуются с их номинальными значениями.Вот несколько снимков, показывающих работу счетчика.

Измерение конденсатора номиналом 1 нФ

Измерительный конденсатор номиналом 15 нФ

Измерение конденсатора номиналом 100 нФ

Измерительный конденсатор номиналом 10 мкФ

Конденсатор на 22 мкФ

Конденсатор более 100 мкФ

Сводка

Явление зарядки конденсатора через последовательный резистор обсуждалось и использовалось для создания очень простого измерителя емкости. Микроконтроллер PIC16F628A использовался для управления процессом зарядки / разрядки конденсатора.С помощью встроенного аналогового компаратора и модуля таймера микроконтроллер PIC вычислил время, необходимое конденсатору для создания на нем известного напряжения при зарядке через заданное последовательное сопротивление. Используя всю эту информацию, микроконтроллер вычислил емкость. Было обнаружено, что измеренный выходной сигнал в достаточной степени соответствует номинальному значению при испытаниях с широким диапазоном значений емкости.

Примечание: Все конденсаторы, но особенно высоковольтные конденсаторы, должны быть сначала должным образом разряжены перед измерением , чтобы избежать любого повреждения цепи измерителя емкости.

Похожие сообщения

Последовательный и параллельный калькулятор емкости

[1] 2020/11/19 01:33 Мужской / До 20 лет / Другое / Очень /

Цель использования
Выяснение, какая комбинация конденсаторов у меня под рукой создать нужное мне значение в данной схеме
Комментарий / Запрос
Возможность добавления более двух конденсаторов

[2] 2020/08/13 03:32 Мужчина / Уровень 30 лет / Инженер / Полезно /

Цель использования
Проверить мою собственную работу по созданию задач, которые должны решить младшие технические специалисты

[3] 2019/11/15 17:26 Мужчина / 20-летний уровень / Средняя школа / Университет / аспирант / Полезно /

Цель использования
ДЛЯ ПОНИМАНИЯ
Комментарий / Запрос
ПОЛУЧИТЬ ЗНАНИЯ

[4] 2019/04/10 15:25 Мужской / Уровень 30 лет / Самостоятельно занятые люди / Очень /

Цель использования
Генератор Колпитца на УКВ , рассчитайте общую емкость на двух диодах варикапа, используемых для настройки, а также общую емкость на делителе обратной связи.

[5] 2019/03/08 07:04 Мужчина / 60 лет и старше / Пенсионер / Очень /

Цель использования
Помимо того, что я радиолюбитель, я также делаю кристаллические радиоприемники .
Для многих конструкций требуется воздушный конденсатор емкостью 500 пФ, но все, что я смог найти, это 630 пФ.
Итак, используя ваш калькулятор, я смог увидеть, сколько емкости мне нужно было добавить последовательно, чтобы снизить емкость конденсатора 630 пФ до 500 пФ.

Отлично сработало, мои искренние благодарности.

[6] 2018/08/27 21:07 Мужской / 40-летний уровень / Другое / Очень /

Цель использования
За исключением правильных значений на двух крышках. Используется для расчета заменяемых колпачков для старой магнитофонной деки.
Комментарий / запрос
Очень полезно

[7] 17.08.2018 13:15 Мужчина / Уровень 40 лет / Самостоятельно занятые люди / Очень /

Цель использования
рассчитать шину питания для ламповый усилитель

[8] 2018/08/12 01:16 Мужчина / 60 лет и старше / Офисный работник / Государственный служащий / Полезно /

Цель использования
Устранение неисправностей источника питания.У него был счетчик, который показывал максимум 10000 мкФ. Итак, мне пришлось последовательно подключить два одинаковых, чтобы проверить значение крышки фильтра.

[9] 2018/08/06 18:40 Мужчина / Уровень 20 лет / Инженер / Очень /

Цель использования
Расчет емкости для настройки антенны

[10] 2018/06 / 13 16:08 Мужской / возраст 50 лет / средняя школа / университет / аспирант / очень /

Цель использования
Два последовательно соединенных диода общей емкости для проектирования антенны.

MMC / Емкость конденсатора

Опубликовано: 07. Февраль 2019

Это глава 7 руководства по проектированию DRSSTC: Конструкция MMC / резонансного емкостного конденсатора для катушек Тесла и инверторов.

MMC - это сокращение от «мульти-мини-конденсатор» и используется для описания резонансного емкостного конденсатора, сделанного из множества меньших конденсаторов для достижения необходимых характеристик.

Как и в случае со всеми другими аспектами проектирования катушки Тесла, многие из вариантов выбора компонентов и конструкции взаимосвязаны нелогичным образом, и это часто затрудняет разделение конструкции, как я пытаюсь сделать в этом руководстве.Это означает, что некоторые данные и ввод, используемые при выборе MMC, основаны на предварительном выборе в отношении IGBT, топологии или вторичной цепи. Для большинства людей MMC будет спроектирована прежде всего с финансовой точки зрения, конденсаторы с высокой импульсной мощностью не из дешевых.

Я расскажу о следующих трех способах разработки MMC:

  1. Расчет по номинальному напряжению постоянного тока конденсатора и максимально приближенный к этому
  2. Проектирование с учетом пикового / среднеквадратичного тока и повышения температуры и обеспечение номинального напряжения постоянного тока в качестве вторичного параметра, часто с большим запасом прочности
  3. Расчет по пиковому напряжению конденсатора на резонансной частоте и определение максимально допустимого времени включения.

1. Расчет по номинальному напряжению постоянного тока и пиковому току - это быстрый, грязный и простой метод. В результате получается рабочая и дешевая MMC, но следует ожидать выхода из строя при длительном времени работы и сокращении срока службы.

2. Расчет по номинальному пиковому / среднеквадратичному току и повышению температуры приводит к набору данных, где необходимо выбрать приемлемое значение, номинальное напряжение постоянного тока также является его частью, и необходимо всегда адаптировать проект к таким методом накладные расходы по номинальному напряжению составляют около 10-20%.В результате получается прочная и недорогая MMC.

3. Расчет по номинальному пиковому напряжению и максимальному времени включения для тока, протекающего в цепи LC до достижения номинального напряжения MMC. Консервативный подход, особенно если используется номинальное напряжение переменного тока. В результате получается неразрушимая, но очень дорогая MMC.

Я использую и рекомендую метод пикового тока, среднеквадратичного значения тока и повышения температуры, который также используется в моем калькуляторе MMC. Это более подробный набор результатов, но здесь я продемонстрирую все три метода.

Если вы ищете список хороших конденсаторов MMC или калькулятор MMC, перейдите по этим ссылкам. Примеры и пояснения из списка и калькулятора будут использоваться в этом руководстве.

Каков ожидаемый срок службы катушки Тесла?

Первое важное решение, которое необходимо принять - это ожидаемый срок службы катушки Тесла.

  1. Это просто эксперимент на выходных?
  2. Вы хотите показать это семье и друзьям?
  3. Это то, с чем вы хотите выступить в шоу?
  4. Это то, что будет ежедневно использоваться в музее?

Чем дальше вы попадаете в этот список, тем важнее то, что катушка Тесла надежна, и здесь MMC часто выходит из строя из-за неадекватной конструкции и неправильного обращения с недооцененной деталью, которая работает под большим напряжением.

Для 1 и 2 можно разработать простой и дешевый дизайн, как это будет показано в примере бюджета, для 3 и 4 настоятельно рекомендуется использовать расширенные и более дорогие критерии проектирования, которые будут показаны в расширенных примерах.

Как выбрать значение емкости MMC?

Этот выбор также связан с денежной проблемой: первичные цепи с высоким импедансом имеют меньшую емкость, работают дольше, имеют более низкие пиковые токи и, как правило, дешевле в изготовлении.Первичные цепи с низким импедансом имеют более высокую емкость, работают с коротким временем включения, имеют очень высокие пиковые токи и, как правило, более дороги в изготовлении из-за большего количества конденсаторов, необходимых для получения емкости и соответствующего номинального напряжения для более высоких пиковых токов. Более подробная информация о низком и высоком импедансе также рассмотрена в части «Вторичная катушка» этого руководства.

Чем больше система, тем больше должна быть MMC, чтобы соответствовать энергии, необходимой для проталкивания более длинных искр, также требуется больший запас энергии импульса.

Общее руководство с использованием тех же размеров катушек Тесла, что и в части проектирования вторичной катушки, можно увидеть в таблице 1. Я рассмотрю пять различных размеров систем катушек с приблизительной оценкой потребляемой мощности:

  • Micro, менее 0,5 кВт
  • Mini, менее 2 кВт
  • Средняя, ​​менее 10 кВт
  • Большой, менее 20 кВт
  • Очень большой, более 20 кВт
Таблица 1: Расчетные диапазоны общей емкости
Диаметр рулона Длина рулона Диапазон емкости
Микро 40 мм
50 мм
160-200 мм
200-250 мм
0.1 - 0,2 мкФ
Мини 75 мм 300-375 мм 0,15 - 0,45 мкФ
Средний 110 мм
160 мм
440-550 мм
640-800 мм
0,3 - 0,6 мкФ
Большой 200 мм
250 мм
800-1000 мм
1000-1250 мм
0,45 - 1 мкФ
Очень большой 315 мм
400 мм
1250-1575 мм
1600-2000 мм
0.6 - 2 мкФ

1. Как спроектировать MMC на основе номинального напряжения постоянного тока и первичного пикового тока

Я считаю, что самый простой способ спроектировать первичную цепь DRSSTC - это выбрать максимальный первичный пиковый ток, с которым могут справиться IGBT, а затем спроектировать MMC на его основе. Итак, используя известное значение в следующем примере, я продемонстрирую, как спроектировать MMC 0,45 мкФ для использования в катушке 70 кГц с пиковым первичным током 800 ампер, системе среднего размера, которая может производить где-то около 1.Искры от 5 до 2 метров.

Сначала нам нужно рассчитать реактивное сопротивление MMC, F - частота в герцах, а C - емкость в Фарадах.

Теперь мы можем рассчитать импеданс MMC, ESR - это суммарное ESR последовательно и параллельно соединенных конденсаторов в MMC. Для MMC 0,45 мкФ я решил использовать 6 параллельных цепочек из 2 последовательно включенных конденсаторов CDE 942C20P15K-F. Каждый конденсатор имеет номинальное напряжение постоянного тока 2000 В и номинальное последовательное сопротивление (ESR) 5 мОм, что дает номинальное значение 4000 В и 1.Номинальное значение 66 мОм для выбранной MMC.

Как можно видеть, для полипропиленовых импульсных конденсаторов с низким ESR, при расчете импеданса можно пренебречь ESR.

Наконец, мы можем вычислить пиковое напряжение на MMC и посмотреть, выше или ниже оно объединенного номинального постоянного напряжения конденсаторов. Zc - импеданс MMC сверху и пиковый ток первичной обмотки в амперах.

Умноженный номинал постоянного тока конденсаторов, соединенных последовательно, как раз соответствует тому, что необходимо для работы системы на пике 800 ампер.Теперь вы можете просто отрегулировать первичный пиковый ток в этой последней формуле, чтобы узнать, когда вы будете ниже или выше номинального напряжения вашей MMC.

2. Разработка MMC на основе пикового тока, среднеквадратичного значения тока и повышения температуры

Это будет довольно длинная часть, так как расчеты и объяснения будут идти рука об руку с моим калькулятором MMC, поскольку это инструмент, который я создал после этого метода проектирования, но также для более глубокого ознакомления с теми, кто использует Калькулятор MMC.

Этот метод основан на проектировании MMC на основе определенного максимального пикового тока, поскольку IGBT часто являются неотъемлемым параметром, и они являются ограничивающим фактором в конструкции.

Затем есть семь важных спецификаций конденсаторов, чтобы получить наиболее точные результаты. Это емкость, номинальное напряжение, номинальный пиковый ток, номинальный ток RMS, рейтинг dV / dt, рейтинг ESR и удельный коэффициент рассеяния. Эти значения также должны быть рассчитаны / экстраполированы для выбранной резонансной частоты.Помощь в получении этих значений можно найти в конце списка хороших конденсаторов MMC.

Входные параметры для первичной цепи катушек Тесла также важны для расчета номинальных характеристик MMC. Когда все эти числа нанесены на график, это так же просто, как с помощью кнопок +/- отрегулировать количество конденсаторов, время включения, бит / с или первичный пиковый ток, чтобы убедиться, что результаты равны или лучше, чем требования.

Чтобы использовать тот же пример, я снова буду использовать 0.45 мкФ MMC, где я решил использовать шесть параллельных цепочек из двух последовательно соединенных конденсаторов CDE 942C20P15K-F. Каждый конденсатор имеет номинальное напряжение постоянного тока 2000 В при последовательном номинальном напряжении 4000 В. MMC, который будет использоваться в катушке 70 кГц с пиковым первичным током 800 ампер.

Мы можем повторно использовать расчеты и результаты из приведенного выше примера, поэтому мы можем продолжить с расчетного импеданса MMC 5,05 Ом и пикового напряжения на MMC 4040 В.

Стив МакКоннер предложил следующее уравнение для расчета среднеквадратичного значения тока через MMC на основе прямоугольной формы волны, бит / с и времени включения

6 параллельных цепочек конденсаторов CDE 942C20P15K-F, у которых есть 13.Номинальный ток 5 A RMS дает нам рейтинг 81 A, поэтому фактическая нагрузка просто не соответствует рейтингу, поэтому нам следует серьезно подумать об ограничении времени включения, BPS, пиковых значений тока или общей продолжительности времени работы. Пиковый ток этих конденсаторов составляет 432 А каждый, умноженный на 6 параллельных цепочек, что дает нам общий пиковый ток 2592 А, что является большим запасом по сравнению с пиковым током 800 А, который мы планировали использовать в этой катушке. в.

Нам также необходимо проверить, что скорость изменения напряжения на MMC не превышает номинальных значений MMC.Сначала мы вычисляем фактическое значение dV / dt, наложенное на MMC. V - пиковое напряжение постоянного тока на MMC, F - частота в герцах. Это даст результат в В / мкс.

Фактический рейтинг dV / dt MMC представляет собой простое уравнение, и это число должно быть выше, чем рассчитанное выше обязательное значение dV / dt. Первичный пиковый ток в А и емкость MMC в F.

В этом случае имеется большой запас для dV / dt.

Последний шаг к тому, чтобы у нас была прочная MMC, способная работать в течение продолжительных периодов времени, - это вычислить превышение температуры одиночного конденсатора в соответствии с его рассеиваемой мощностью.

Сначала нам нужно рассчитать рассеиваемую энергию в одном конденсаторе за период времени в 1 секунду. Таким образом, это означает, что мы разделим объединенный результат Irms для 80A, полученный ранее, на шесть параллельных строк, и это дает нам 13,33A.

Повышение температуры для одного конденсатора теперь может быть вычислено, теперь это последняя простая задача умножения рассеяния на коэффициент рассеяния. Для этого примера я указал в таблице как 11 ° C / Вт, что означает, что этот конденсатор будет повышаться на 11 ° C на каждый 1 Вт рассеиваемой мощности.Если вы можете найти рейтинг только в W / K, посмотрите внизу этой страницы, как преобразовать это значение.

Хотя почти 10ºC звучит немного, мы должны помнить, что это для одной секунды работы. Важно, чтобы мы позволяли конденсатору достаточно остыть между импульсами, чтобы температура не увеличивалась до тех пор, пока не произойдет катастрофа.

Чтобы лучше понять, насколько допустима температура, вот список практических правил для повышения температуры в секунду.

  • 0 - 5 ºC = Очень хорошо
  • 5–10 ºC = Хорошо
  • 10–15 ºC = Не хорошо
  • 15+ ºC = Плохо

3. Разработка MMC на основе номинального пикового напряжения и максимальной продолжительности включения

Этот путь дизайна принадлежит Мэтту «Sigurthr» Джордано, и он начинает свой проект с двух вопросов: «Какую длину пакета я могу использовать?» и «какое номинальное напряжение мне нужно на емкостном конденсаторе?».

Это не столько проектирование MMC, сколько способ проверить, насколько сильно вы можете управлять существующей MMC, не повредив конденсаторы.

Максимальное время включения в US и номинальное напряжение, необходимое для MMC, взаимосвязаны, но связь не прямая, поскольку она связана с некоторой теорией инвертора индуктивной нагрузки.

Каждый полупериод инвертор переключает полярность, он добавляет больше напряжения, и, таким образом, больше тока течет в контур резервуара. Чем больше длина пакета, тем больше может возникать напряжение и ток. Итак, как мы узнаем, когда напряжение или ток слишком высоки?

Мы хотели бы знать максимальный первичный пиковый ток, на который мы можем настроить нашу схему OCD.Это зависит от напряжения, которое мы допускаем в соответствии со снижением напряжения, которое мы выбираем для конденсаторов MMC. Здесь мы можем использовать либо номинальное напряжение переменного тока, либо номинальное напряжение постоянного тока с запасом от 20 до 50%.

Таким образом, чтобы избежать повреждения MMC, мы можем ограничить напряжение на нем, вычислив максимальное пиковое значение тока OCD и определив максимальное время включения до того, как напряжение станет настолько высоким, что взаимосвязанный ток также станет слишком высоким.

В этих расчетах не учитывается тот факт, что первичный ток в нормальном режиме работы ограничивается вторичной дуговой нагрузкой.Хорошо настроенная и построенная катушка никогда не должна отключаться от ОКР, так как вся энергия должна передаваться на создание искр.

Чтобы использовать тот же пример, я снова буду использовать MMC 0,45 мкФ, где я выберу шесть параллельных цепочек из двух последовательно соединенных конденсаторов CDE 942C20P15K-F. Каждый конденсатор имеет номинальное напряжение постоянного тока 2000 В при последовательном номинальном напряжении 4000 В, но для защиты я уменьшу это значение на 20%, поэтому расчеты выполняются с максимально допустимым 3200 В на MMC.

Пиковое напряжение V_peak указывается в вольтах, первичная индуктивность L_primary дана в Генри, а частота F_resonant дана в герцах.

Результат показывает с хорошей точностью, почему я запустил свой DRSSTC1 при настройках OCD 500 ампер, поскольку это соответствует низкому напряжению MMC, но не ниже, чем это было хорошее совпадение с используемыми IGBT.

Максимальное время включения, которое должно оставаться ниже 3200 В через MMC и, следовательно, также оставаться ниже 472 А, пиковое значение первичного тока может быть рассчитано, но оно зависит от типа инвертора.

Максимальное время включения для полумоста

10 полупериодов при 70 кГц на полумосте, согласно таблице 2, составляют около 72 мкс, прежде чем мы получим либо 3200 В на MMC, либо 472 А, протекающих в первичной цепи.

Максимальное время работы для полного моста

5 полупериодов при 70 кГц на полном мосту, согласно таблице 2, составляет около 35 мкс, прежде чем мы получим либо 3200 В через MMC, либо 472 А, протекающего в первичной цепи.

Приведенную ниже таблицу можно использовать в качестве справочной информации для этих расчетов, в качестве общей справочной таблицы вместо расчета времени, в течение которого длится половина периода с заданной частотой, или просто для проверки правильности ваших собственных расчетов.

Таблица 2: Количество полупериодов при заданной частоте во время включения в преобразовании США (округлено до ближайшего целого числа)
Полциклы: 1 2 3 4 5 6 7
40 кГц 12 25 37 50 62 75 87
60 кГц 8 17 25 33 41 50 58
80 кГц 6 12 18 25 31 37 43
100 кГц 5 10 15 20 25 30 35
150 кГц 3 7 10 13 17 20 23
200 кГц 2 5 7 10 12 15 17
250 кГц 2 4 6 8 10 12 14
300 кГц 2 3 5 7 9 10 12
350 кГц 1 3 4 6 7 8 10
Полциклы: 8 9 10 11 12 13 14
40 кГц 100 112 125 137 150 162 175
60 кГц 66 75 83 91 100 108 116
80 кГц 50 56 62 69 75 81 88
100 кГц 40 45 50 55 60 65 70
150 кГц 27 30 33 37 40 43 47
200 кГц 20 22 25 27 30 32 35
250 кГц 16 18 20 22 24 26 30
300 кГц 14 15 16 18 20 21 23
350 кГц 11 13 14 15 17 18 20
Полциклы: 15 16 17 18 19 20 21
40 кГц 187 200 212 225 237 250 262
60 кГц 124 132 141 149 158 166 175
80 кГц 94 100 107 113 119 125 131
100 кГц 75 80 85 90 95 100 105
150 кГц 50 53 57 60 63 67 70
200 кГц 37 40 42 45 47 50 52
250 кГц 32 34 36 38 40 42 44
300 кГц 25 26 28 30 31 33 35
350 кГц 21 22 24 25 27 28 29

RMS ток и повреждение MMC из-за нагрева

Номинальный ток

RMS часто упускается из виду, поскольку люди обращают внимание на номинальное напряжение и пиковый ток.Слишком высокий среднеквадратичный ток приведет к медленному нагреву конденсаторов до точки, где неизбежен отказ. Обратите особое внимание на достигнутый текущий рейтинг RMS и обязательно соблюдайте его.

Конденсаторы с большим физическим размером часто имеют преимущество перед многими меньшими конденсаторами из-за их большой тепловой массы, но они также медленнее снова остывают.

Сопротивление пути к каждому конденсатору должно быть одинаковым для обеспечения равного распределения тока, как описано в главе 1: Выпрямители.Выпрямитель, ближайший к источнику питания, будет проводить наибольший ток, именно конденсатор, ближайший к нагрузке, будет проводить наибольший ток. Правило снижения номинального тока на 40% также можно использовать для конденсаторов, подключенных параллельно, чтобы исправить неравномерное распределение тока.

В то время как ток пульсаций делится между конденсаторами пропорционально значениям емкости для низкочастотных пульсаций, ток пульсаций высокой частоты делится обратно пропорционально значениям ESR и сопротивлению пути.[3]

Это означает, что параллельные конденсаторы в приложениях с низкочастотной нагрузкой будут делить ток в соответствии с емкостью каждого параллельного конденсатора. В то время как нагрузка, работающая на высокой частоте, такая как DRSSTC, делится по току до значений ESR и сопротивления шины и проводов в цепи.

Вот пример от Amaury Poulain, в котором MMC вышла из строя из-за асимметричного разделения тока, и в результате произошло повреждение цепочек, по которым проходит самый ток, и цепочек с кратчайшим путем между клеммами MMC.


Другой пример несанкционированной MMC, отказавшей из-за неравномерного распределения тока. Конденсатор полностью расплавился, за исключением чрезмерного рассеивания тепла.


Лучшие практики строительства ГМК

Равномерное распределение тока может быть легко получено, если обеспечить одинаковую длину пути тока между цепями относительно соединительных клемм MMC.

Неудачная MMC

Амори Пулена была переделана с учетом лучшего охлаждения и даже текущих цепей.

Вот еще один пример печатной платы, разработанной Franzoli Electronics по тем же принципам.


Здесь Йерун Ван Дейк сделал очень компактную MMC, могла бы иметь большее расстояние воздушного охлаждения между конденсаторами, но при этом обеспечивается равномерное распределение тока.

Вот некоторые из моих собственных конструкций MMC, и всегда важно, чтобы клеммы были подключены таким образом, чтобы пути тока были одинаковой длины.

Какие типы конденсаторов можно использовать в MMC для DRSSTC

Пленочные и слюдяные конденсаторы, как правило, лучше всего подходят для использования в цепи резервуара катушки Тесла, однако слюдяные конденсаторы могут быть трудно или дорого найти при емкости, необходимой для DRSSTC.

Давайте сначала посмотрим на сравнение некоторых пленочных конденсаторов, которые имеют номиналы в диапазоне, который мы могли бы использовать для MMC.

Таблица 3: Характеристики полимерных пленочных материалов для пленочных конденсаторов
Характеристики пленки Полиэстер
ПЭТ
MKT
Полиэтилен
PEN
Полифенилен
ППС
МКИ
Полипропилен
PP
FKP / MKP
Диэлектрическая ул.(В / мкм) 580 500 470 650
Макс (В / мкм) 280 300 220 400
Макс.постоянный ток (В) 1000 250 100 2000
Емкость 100 пФ + 100 пФ + 100 пФ + 100 пФ +
Макс. ° С +125 +150 +150 +105
Коэффициент рассеяния (• 10 −4 )
10 кГц 110–150 54–150 2.5-25 2-8
100 кГц 170-300 120-300 12-60 2-25
1 МГц 200–350 18-70 4-40

Если мы будем смотреть исключительно на номинальное напряжение и емкость пленочного конденсатора при создании MMC, могут возникнуть проблемы с отводом тепла на частотах DRSSTC. Как видно, полипропиленовые конденсаторы имеют очень низкий коэффициент рассеяния даже на высоких частотах, что делает их предпочтительным выбором.

Конденсаторы полипропиленовые типа FKP изготавливаются из слоев пленки и фольги, конденсаторы типа FKP не обладают способностью к самовосстановлению и исключают короткое замыкание. Тип MKP изготовлен из металлизированной пленки, которая самовосстанавливается, если произойдет локальный пробой пленки, небольшой внутренний взрыв сожжет металлизированный слой вокруг сквозного отверстия перфорации и, таким образом, изолирует его от остальной части слоя. Таким образом, пробивка типа MKP приведет к сбою цепи, что делает их нашим предпочтительным выбором.

Подробнее о конденсаторах из полипропиленовой пленки

Температурные и частотные зависимости электрических параметров полипропиленовых пленочных конденсаторов очень низкие. Конденсаторы с полипропиленовой пленкой имеют линейный отрицательный температурный коэффициент емкости ± 2,5% в пределах своего температурного диапазона.

Коэффициент рассеяния у полипропиленовых пленочных конденсаторов меньше, чем у других пленочных конденсаторов. Благодаря низкому и очень стабильному коэффициенту рассеяния в широком диапазоне температур и частот, даже на очень высоких частотах, а также их высокой диэлектрической прочности 650 В / мкм, полипропиленовые пленочные конденсаторы могут использоваться в металлизированных версиях и в версиях пленка / фольга в качестве конденсаторов. для импульсных приложений, таких как схемы отклонения CRT-сканирования, или в качестве так называемых «демпфирующих» конденсаторов, или в приложениях IGBT.Кроме того, полипропиленовые пленочные конденсаторы используются в системах питания переменного тока, таких как конденсаторы двигателя или конденсаторы PFC.

В большинстве силовых конденсаторов, самых крупных из производимых конденсаторов, в качестве диэлектрика обычно используется полипропиленовая пленка. Конденсаторы с полипропиленовой пленкой используются для высокочастотных систем с высокой мощностью, таких как индукционный нагрев, для импульсного разряда энергии и в качестве конденсаторов переменного тока для распределения электроэнергии. [1]

Несколько слов о физических размерах конденсаторов для промежуточного контура или MMC

Как продемонстрировали Эль-Хуссейни, Венет, Рожат и Жубер в своей статье «Тепловое моделирование для геометрической оптимизации металлизированных полипропиленовых пленочных конденсаторов», физическая геометрия конденсатора может влиять на температуру конденсатора, потери мощности и срок службы.Они продемонстрировали, что при одинаковом электрическом напряжении более высокие конденсаторы испытывают более высокие температуры и потери, чем более короткие конденсаторы.

Как указано в их статье, в более высоких конденсаторах ток должен проходить большее расстояние через очень тонкие металлические пленки, поэтому общий I²R выше по сравнению с коротким конденсатором. Авторы продемонстрировали, что общие потери мощности в конденсаторе равны
, пропорционально эквивалентному последовательному сопротивлению (ESR) и квадрату истинного среднеквадратичного тока.ESR представляет собой вихревые токи и диэлектрические потери, на которые влияют как частота, так и ток. Если ток конденсатора увеличивается, потери мощности увеличиваются. Точно так же потери мощности в металлизированном пленочном конденсаторе возрастают, если частота тока увеличивается. Таким образом, при протекании гармонического тока в металлизированном пленочном конденсаторе потери мощности будут выше, чем при протекании чистого синусоидального тока. [2]

Охлаждение конденсаторов принудительной подачей воздуха может быть решением для увеличения срока службы.

Приблизительно 2/3 выделяемого тепла перемещается в осевом и на 1/3 радиальном направлениях.

Таким образом, очень важно охлаждать конденсатор на его выводах, поскольку он не излучает тепло равномерно по всей своей поверхности.

Тепловое сопротивление (Rth) от корпуса к окружающей среде дается для неподвижного воздуха в большинстве технических паспортов, поэтому, если используется принудительное воздушное охлаждение, тепловое сопротивление может быть занижено. Некоторые производители предоставляют уравнения для расчета точного теплового сопротивления относительно поверхности конденсатора и скорости принудительной скорости воздуха.

Как читать спецификации конденсаторов и вычислять недостающие значения

Емкостное реактивное сопротивление Xc, где f - частота, указанная в Герцах, а C - емкость, указанная в Фарадах.

ESR можно рассчитать по тангенсу угла потерь, указанному как TANδ в технических характеристиках. СОЭ зависит от частоты. C - емкость, указанная в Фарадах, f - частота, указанная в Герцах.

Термическое сопротивление (Rth), указанное в технических паспортах, означает либо ватт, необходимый для повышения температуры на один кельвин, либо градус Цельсия, при котором температура повышается на один ватт рассеивания.Преобразование из W / K в ° C / W означает деление единицы на коэффициент рассеяния W / K.

Ipeak или Ipulse рассчитывается исходя из номинального значения dV / dt, умноженного на емкость конденсатора. Емкость, указанная в микрофарадах, умноженная на время нарастания импульса, указанное в микросекундах, даст результат в амперах.

Как показывает практика, ESL составляет около 1,6 нГн на миллиметр расстояния между самим конденсатором и остальной частью схемы. Это также включает выводы самого конденсатора.Это относится только к хорошо спроектированным конденсаторам.

Ссылки

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Film_capacitor

[2] M.H. Эль-Хуссейни, Пакаль Венет, Жерар Рожат и Шарль Жубер, «Тепловое моделирование для геометрической оптимизации металлизированных полипропиленовых пленочных конденсаторов», IEEE Trans. Промышленное приложение, т. 38, pp713-718, May / June 2002.

[3] CDM Cornell Dubilier, «Руководство по применению алюминиевых электролитических конденсаторов», http://www.cde.com/resources/catalogs/AEappGUIDE.pdf

Измеритель емкости

| Статья о измерителе емкости от Free Dictionary

прибор для измерения электрической емкости конденсаторов, электронных и полупроводниковых устройств, кабелей и проводников.

Существует несколько методов измерения емкости; мостовой метод считается наиболее точным. Измеряемая емкость C x подключена к плечу измерительного моста (см. Рисунок 1). Переменный ток от встроенного генератора G подается на одну из диагоналей моста.Индикатор баланса I (например, стрелочный переводчик) подключен к другой диагонали моста через усилитель U . Мост сбалансирован путем выбора эталонного конденсатора C P , который обеспечивает минимальное отклонение индикатора баланса. Изменяя соотношение R 1 R 2 , можно выбрать требуемый диапазон измерения от 10 аттофарад (10 -17 фарад) до 1 мкФ (10 6 фарад).Погрешность измерения обычно не превышает 1 процента.

Рисунок 1. Блок-схема измерителя емкости: (G) генератор переменного тока, (M) измерительный мост , (/) индикатор баланса, усилитель (U) , (C,) измеряемая емкость. (C,) эталонный конденсатор, (R 1 ,) и (R 2 ) резисторы, (1) - (4) плечи моста

При измерении емкости электролитических конденсаторов или при проведении измерений на высоких частотах ( до одного гигагерца) необходимо учитывать омические потери в конденсаторах.В таких случаях мостовая схема дополняется эталонными резисторами и компенсирующими конденсаторами, а также тщательно экранирована. Разработаны измерители емкости с автоматической балансировкой и цифровым считыванием.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Измерения в электронике: Справочник , тт. 1–2. Составитель и редакция Б. А. Доброхотова. Москва-Ленинград, 1965.
Валитов Р.А., Сретенский В.Н. Радиотехнические измерения . Москва, 1970.

Большая Советская Энциклопедия, 3-е издание (1970-1979).© 2010 The Gale Group, Inc. Все права защищены.

Новый ЖК-измеритель, цифровой измеритель емкости и индуктивности Mastech - CSI6243

Оцените 3 1/2 разрядный цифровой LCR-мультиметр Pro'sKit MT-5211 как хорошую замену

CSI6243 оснащен большим 3,5-разрядным ЖК-дисплеем и 10 общими диапазонами (6 диапазонов для конденсаторов и 4 диапазона для катушек индуктивности). Также поставляется с резиновым чехлом и измерительными проводами для проверки безопасности. Высокая точность с автоматической настройкой нуля и индикацией перегрузки.Очень удобное тестовое оборудование для поиска неисправностей и тестирования компонентов.

Характеристики:

  • 3-1 / 2-значный ЖК-дисплей 21 мм с максимальным показанием 1999
  • 6 диапазонов конденсаторов / до 200 мкФ
  • 4 диапазона индуктивности / до 2 ч
  • Автоматическая установка нуля, высокая точность
  • Функция индикации перегрузки

Технические характеристики:

  • L / C диапазоны:
    • 2 нФ, 20 нФ, 200 нФ, 2 мкФ, 20 мкФ, 200 мкФ, 2 мГн, 20 мГн, 200 мГн, 2Ч
  • Базовая точность:
    • L: ± 1.5% (<0,5 мкФ)
    • ± 2,0% (> 0,5 мкФ)
    • C: ± 2,0% (<0,5 мкГн)
    • ± 5,0% (> 0,5 мкГн)
  • Температурный коэффициент:
    • Емкость: диапазон 2 нФ, 20 нФ, 200 нФ; 0,1% / ° С. Диапазон 2 мкФ, 20 мкФ, 200 мкФ 0,2% / ° C
    • Индуктивность: диапазон 2 мГн, 20 мГн, 200 мГн; 0,2% / ° С. Диапазон 2H 0,5% / ° C
  • Размеры: 86 мм x 180 мм x 38 мм
  • Батарея: стандартная 9В

Электрические характеристики:

L (индуктивность)
Диапазон Разрешение Точность Тестовая частота Ток через испытуемую индуктивность
2 мГн 1 мкГн ± 2% полной шкалы ± 1 цифра 900 Гц 150 мкА
20 мГн 10 мкГн ± 2% полной шкалы ± 1 цифра 900 Гц 150 мкА
200 мГн 100 мкГн ± 2% полной шкалы ± 1 цифра 900 Гц 150 мкА
2 ч 1 мГн ± 5% полной шкалы ± 1 цифра 900 Гц 150 мкА
C (емкость)
Диапазон Разрешение Точность Тестовая частота Напряжение через
Тестируемая емкость
2 нФ 1 пФ ± 1% полной шкалы ± 1 цифра 900 Гц 150 мВ
20 нФ 10 пФ ± 1% полной шкалы ± 1 цифра 900 Гц 150 мВ
200 нФ 100 пФ ± 1% полной шкалы ± 1 цифра 900 Гц 150 мВ
2 мкФ 1000 пФ ± 2% полной шкалы ± 1 цифра 900 Гц 150 мВ
20 мкФ 0.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *