Цифровой измеритель ёмкости. Измеритель емкости конденсаторов своими руками

ESR метр своими руками . Есть широкий перечень поломок аппаратуры, причиной которых как раз является электролитический . Главный фактор неисправности электролитических конденсаторов, это знакомое всем радиолюбителям «высыхание», которое возникает по причине плохой герметизации корпуса. В данном случае увеличивается его емкостное или, иначе говоря, реактивное сопротивление в следствии уменьшения его номинальной емкости.

Помимо этого, в ходе работы в нем проходят электрохимические реакции, которые разъедают точки соединения выводов с обкладками. Контакт ухудшается, в итоге образуется «контактное сопротивление», доходящее иногда до нескольких десятков Ом. Это точно также, если к исправному конденсатору последовательно подключить резистор, и к тому же этот резистор размещен внутри него. Такое сопротивление еще именуют «эквивалентное последовательное сопротивление» или же ESR.

Существование последовательного сопротивления отрицательно влияет на работу электронных устройств, искажая работу конденсаторов в схеме. Чрезвычайно сильное влияние оказывает повышенное ESR (порядка 3…5 Ом) на работоспособность , приводя к сгоранию дорогих микросхем и транзисторов.

Ниже в таблице приведены средние величины ESR (в миллиоммах) для новых конденсаторов различной емкости в зависимости от напряжения, на которое они рассчитаны.

Не секрет, что реактивное сопротивление уменьшается с повышением частоты. К примеру, при частоте 100кГц и емкости 10мкФ емкостная составляющая будет не более 0,2 Ом. Замеряя падение переменного напряжения имеющего частоту 100 кГц и выше, можно полагать, что при погрешности в районе 10…20% итогом замера будет активное сопротивление конденсатора. Поэтому совсем не сложно собрать .

Описание ESR метра для конденсаторов

Генератор импульсов, имеющий частоту 120кГц, собран на логических элементах DD1.1 и DD1.2. Частота генератора определяется RC-цепью на элементах R1 и C1.

Для согласования введен элемент DD1.3. Для увеличения мощности импульсов с генератора в схему введены элементы DD1.4…DD1.6. Далее сигнал проходит через делитель напряжения на резисторах R2 и R3 и поступает на исследуемый конденсатор Сх. Блок измерения переменного напряжения содержит диоды VD1 и VD2 и мультиметр, в качестве измерителя напряжения, к примеру, М838. Мультиметр необходимо перевести в режим измерения постоянного напряжения. Подстройку ESR метра осуществляют путем изменения величины R2.

Микросхему DD1 — К561ЛН2 можно поменять на К1561ЛН2. Диоды VD1 и VD2 германиевые, возможно использовать Д9, ГД507, Д18.

Радиодетали ESR метра расположены на , которую можно изготовить своими руками. Конструктивно устройство выполнено в одном корпусе с элементом питания. Щуп Х1 выполнен в виде шила и прикреплен к корпусу устройства, щуп X2 – провод не более 10 см в длину на конце которого игла. Проверка конденсаторов возможна прямо на плате, выпаивать их не обязательно, что существенно облегчает поиск неисправного конденсатора во время ремонта.

Настройка устройства

1, 5, 10, 15, 25, 30, 40, 60, 70 и 80 Ом.

К щупам X1 и X2 необходимо подсоединить резистор в 1 Ом и вращением R2 добиться, чтобы на мультиметре было 1мВ. Затем вместо 1 Ом подключить следующий резистор (5 Ом) и не изменяя R2 записать показание мультиметра. То же самое проделать и с оставшимися сопротивлениями. В результате этого получится таблица значений, по которой можно будет определять реактивное сопротивление.

Предлагаемый измеритель предназначен для любительских измерений, не требующих высокой точности. При своей простоте он обладает довольно широкими пределами измерений. Он выполнен в виде приставки и позволяет использовать уже имеющиеся у радиолюбителя блоки питания и измерительные приборы — стрелочные микроамперметры.

Прибор имеет следующие характеристики. Фактический диапазон измеряемых величин — 0,5…30000 мкФ — перекрывается поддиапазонами 0…50, 0…500 и 0…30000 мкФ. При напряжении питания 9В потребляемый ток не превышает 10 мА.

Принцип работы прибора основан на измерении величины пульсации выпрямленного напряжения. Синусоидальное напряжение частотой 16…20Гц с генератора на микросхеме DA1 выпрямляется диодом VD3 и далее поступает на измеряемый конденсатор и один из параллельно подключенных ему нагрузочных резисторов R7-R9. Чем меньше резистор, тем больше пульсации. С увеличением емкости конденсатора величина пульсаций падает. Далее пульсирующее напряжение через конденсатор С4 калибровочный переменный резистор R10 и выпрямительный мост на диодах VD4-VD7 поступает на измерительный прибор — микроамперметр.

При измерении больших емкостей уровень низкочастотных пульсаций сильно уменьшается, и для их измерений в прибор введен усилительный каскад на микросхеме DA2. Генератор синусоидальных колебаний представляет собой один из возможных вариантов RC-генератора с мостом Вина.

Микросхемы (DA1, DA2) можно заменить любыми ОУ общего назначения. Диоды VD1-VD7 любые германиевые высокочастотные. Конденсаторы C1, C3, C4 — серии К73-17 (возможно параллельное соединение конденсаторов меньшей емкости), С2, С5 — К50-16. Подстроечные резисторы R6-R9 — СПЗ-38 или аналогичные. Переменный резистор R10 — типа СП2-2. Переключатель SA1 — малогабаритный ЗПЗН.

Настройку прибора производят начиная с генератора DA1. Подстроечным резистором R6 устанавливают на выходе максимальную амплитуду синусоидального сигнала. К розетке Х2 подключают измерительный прибор, например, многопредельный стрелочный ампервольтметр в режиме микроамперметра, а его предел устанавливают на 60-200 мкА. При наличии отдельного микроамперметра чувствительностью до 200 мкА следует отдать предпочтение ему.

Резисторы R7-R9 устанавливают в положение, близкое к максимальному сопротивлению, переключатель SA1 — в первое положение. Регулятором R10 «калибровка» устанавливают стрелку микроамперметра на максимальное значение шкалы, что будет соответствовать значению емкости Cx= 0. Затем подключают к X3 образцовые конденсаторы и градуируют шкалу. Масштаб шкалы можно в небольших пределах изменять подстроечным резистором R7 (R8 — для второго и R9 — для третьего диапазона), после чего необходимо заново провести калибровку. Аналогично проводится настройка при установке SA1 во второе положение. При настройке в третьем диапазоне следует убедиться в правильной работе микросхемы DA2 и установить нужное усиление подбором резистора R13. Если на втором пределе стрелка не отклоняется до конца шкалы, можно увеличить емкость конденсатора С4. Точность прибора во многом зависит от точности образцовых конденсаторов и градуировки шкалы.

Из заголовка статьи понятно, что сегодня речь пойдет о приборе для измерения ёмкости конденсаторов. Не в каждом простом мультиметре есть данная функция. А ведь при изготовлении очередной самоделки мы очень часто задумываемся: будет ли она работать, исправны ли конденсаторы, которые мы применили, как их проверить.Да и просто в процессе ремонта данный прибор будет необходим. Проверить на целостность электролитический конденсатор, конечно, можно при помощи тестера. Но мы узнаем: живой он или нет, а вот определить ёмкость, насколько он сухой, мы не сможем.

В некоторых дешевых мультиметрах, которые присутствуют сейчас на рынке, имеется эта функция. Но предел измерения ограничен цифрой в 200 микрофарад. Что явно мало. Нужно хотя бы четыре тысячи микрофарад. Но такие мультиметры стоят на порядок выше. Поэтому я наконец-то решил купить измеритель ёмкости конденсаторов . Выбирал самый дешевый с приемлемыми характеристиками. Остановил свой выбор на XC6013L:

Поставляется это устройство в красивой коробке. Правда, на коробке изображение другого мультиметра:

А сверху наклейка с моделью данного прибора, наверно, у китайцев не хватает коробок:

Прибор заключён в защитный желтый кожух из мягкой пластмассы, похожей на резину. В руках чувствуется увесистость, что говорит о серьезности прибора. С нижней стороны имеется откидная подставка, которая многим может и не пригодиться:

Питается измеритель ёмкости от батарейки напряжением 9 вольт типа крона, которая поставляется в комплекте:

Характеристики прибора просто великолепны. Он может производить измерения от 200 пикофарад до 20 тысяч микрофарад. Что вполне достаточно для радиолюбительских целей:

Сверху прибора расположился большой и информативный жидкокристаллический дисплей. Под ним находятся две кнопки. Слева — красная кнопка, при помощи которой можно зафиксировать на дисплее текущее показание ёмкости. А справа — синяя кнопка, которая очень порадовала, — подсветкой экрана, что, несомненно, является плюсом данного прибора. Между кнопками имеется коннектор для измерения малогабаритных конденсаторов. Правда, проверить бушные конденсаторы, выпаянные из плат доноров, не получается, так как контактные площадки расположены достаточно глубоко. Поэтому данным коннектором можно воспользоваться, только проверяя конденсаторы с длинными выводами:

Под селектором выбора диапазонов измерений находится коннектор для подключения щупов. Кстати, щупы выполнены из такого же материала, как защитный кожух прибора, наощупь они довольно-таки мягкие:

Там же находится, несомненно, самая важная функция прибора — это установка нулевых показаний при измерении ёмкостей в разряде пикофарад. Что наглядно видно на следующих двух фотографиях. Здесь умышленно извлечен один щуп и при помощи регулятора выставлен ноль:

Здесь щуп поставлен на место. Как видите, ёмкость щупов влияет на показания. Теперь достаточно при помощи регулятора выставить ноль и произвести измерения, что будет достаточно точно:

Теперь давайте протестируем прибор в работе и посмотрим, на что он способен.

Тестируем измеритель ёмкости конденсаторов

Для начала будем проверять конденсаторы заведомо исправные, новые и извлечённые из плат доноров. Первым будет подопытный на 120 микрофарад. Это новый экземпляр. Как видите, показания слегка занижены. Кстати, таких конденсаторов у меня штуки 4, и ни один не показал 120 микрофарад. Возможна погрешность прибора. А может, сейчас делают одну некондицию:

Вот одна тысяча микрофарад, весьма точно:

Две тысячи двести микрофарад, тоже неплохо:

А вот десять микрофарад:

Ну а теперь сто микрофарад, очень хорошо:

Давайте посмотрим на показания прибора, которые он покажет при проверке дефектных конденсаторов, которые были извлечены во время ремонта . Как видите, разница ощутима:

Вот такие получились результаты. Конечно, в некоторых случаях неисправность электролитического конденсатора видна визуально. Но в большинстве случаев без прибора обойтись сложно. К тому же я тестировал данный прибор на двух платах, проверяя конденсаторы, не выпаивая их. Устройство показало неплохие результаты, только в некоторых случаях нужно соблюдать полярность. Поэтому я советую купить такой прибор, и вы сможете измерять ёмкость конденсаторов своими руками.

С помощью данного измерителя ёмкости можно легко измерить любую ёмкость от единиц пФ до сотен мкФ. Существует несколько методов измерения емкости. В данном проекте используется интеграционный метод.

Главное преимущество использования этого метода в том, что измерение основано на измерении времени, что может быть выполнено на МК довольно точно. Этот метод очень подходит для самодельного измерителя ёмкости, к тому же он легко реализуем на микроконтроллере.

Принцип работы измерителя ёмкости

Явления, происходящие при изменении состояния схемы называются переходными процессами. Это одно из фундаментальных понятий цифровых схем. Когда ключ на рисунке 1 разомкнут, конденсатор заряжается через резистор R, и напряжение на нём изменятся как показано на рисунке 1b. Соотношение определяющее напряжение на конденсаторе имеет вид:

Величины выражены в СИ единицах, t секунды, R омы, C фарады. Время за которое напряжение на конденсаторе достигнет значения V C1 , приближенно выражается следующей формулой:

Из этой формулы следует, что время t1 пропорционально емкости конденсатора. Следовательно, ёмкость может быть вычислена из времени зарядки конденсатора.

Схема

Для измерения времени зарядки, достаточно компаратора и таймера микроконтроллера, и микросхемы цифровой логики. Вполне разумно использовать микроконтроллер AT90S2313 (современный аналог - ATtiny2313). Выход компаратора используется как триггер T C1 . Пороговое напряжение устанавливается резисторным делителем. Время зарядки не зависит от напряжения питания. Время зарядки определяется формулой 2, следовательно оно не зависит от напряжения питания т.к. соотношение в формуле VC 1 /E определяется только коэффициентом делителя. Конечно, вовремяизмерениянапряжениепитаниядолжнобытьпостоянно.

Формула 2 выражает время зарядки конденсатора от 0 вольт. Однако с напряжением близким к нулю сложно работать из-за следующих причин:

• Напряжение не падает до 0 Вольт. Для полной разрядки конденсатора необходимо время. Это приведет к увеличению времен иизмерения.
• Необходимо время между стартом зарядки и запуском таймера. Это вызовет погрешность измерения. Для AVRэто не критично т.к. на это необходим всего один такт.
• Утечка тока на аналоговом входе. Согласно даташиту AVR, утечка тока возрастает при напряжении на входе близком к нулю вольт.

Для предотвращения данных сложностей использовано два пороговых напряжения VC 1 (0.17 Vcc) и VC 2 (0.5 Vcc). Поверхность печатной платы должна быть чистой для минимизации токов утечки. Необходимое напряжение питания микроконтроллера обеспечивается DC-DCпреобразователем,работающего от 1.5VAA батарейки. Вместо DC-DC преобразователя, желательно использовать 9 V батарейку и преобразователь 78 L 05, желательно также не выключать BOD , иначе могут возникнуть проблемы с EEPROM .

Калибровка

Для калибровки нижнего диапазона: С помощью кнопки SW1. Затем, соедините pin #1 и pin #3 на разъёме P1, вставьте конденсатор 1nF и нажмите SW1.

Для калибровки верхнего диапазона: Замкните pin #4 и #6 разъёма P1, вставьте конденсатор на 100nFи нажмите SW1.

Надпись "E4" при включении означает, что калибровочное значение в EEPROM не найдено.

Использование

Автоматическое определениедиапазона

Зарядка начинается через резистор 3.3М. Если напряжение на конденсаторе не достигнет 0.5 Vccменее чем за 130 mS (>57nF), происходит разрядка конденсатора и новая зарядка, но уже через резистор 3.3кОм. Если напряжение на конденсаторе не достигает 0.5 Vccза 1 секунду (>440µF),надпись "E2". Когда время замерено, происходит вычисление и отображение ёмкости. Последний сегмент отображает диапазон измерения (pF, nF, µF).

Зажим

В качестве зажима можно использовать часть какого-нибудь сокета. При измерении малых ёмкостей (единицы пикофарад) использование длинных проводов нежелательно.

Измеритель емкости конденсаторов своими руками — ниже представлена схема и описание как не прилагая больших усилий можно самостоятельно изготовить прибор для тестирования емкости конденсаторов. Такое устройство очень может пригодится при покупке емкостей на радиоэлектронном рынке. С его помощью без проблем выявляется некачественный или бракованный элемент накопления электрического заряда. Принципиальная схема данного ESRа, как его обычно называю большинство электронщиков, ничего сложного из себя не представляет и собрать такой аппарат может даже начинающий радиолюбитель.

Причем измеритель емкости конденсаторов не предполагает для его сборки длительного времени и больших денежных затрат, на изготовление пробника эквивалентного последовательного сопротивления уходит буквально два-три часа. Также не обязательно бежать в магазин радиотоваров — наверняка у любого радиолюбителя найдутся неиспользованные детали подходящие для этой конструкции. Все, что вам потребуется для повторения данной схемы — это мультиметр практически любой модели, только желательно, что бы был цифровой и с десяток деталей. Каких то переделок или модернизации цифрового тестера производить не нужно, все что необходимо с ним сделать — это припаять выводы деталей к необходимым площадкам на его плате.

Принципиальная схема устройства ESR:

Перечень элементов необходимых для сборки измерителя:

Один из главных компонентов прибора — это трансформатор, который должен иметь соотношением витков 11\1. Ферритовый кольцевой сердечник М2000НМ1-36 К10х6х3, который нужно предварительно обмотать изолирующим материалом. Затем намотать первичную обмотку на него, располагая витки по принципу — виток к витку, при этом заполняя всю окружность. Вторичную обмотку также необходимо выполнять с равномерным распределением по всему периметру. Примерное количество витков в первичной обмотки для кольца К10х6х3 будет 60-90 витков, а вторичка должна быть в одиннадцать раз меньше.

Диод D1 использовать можно практически любой кремневый с обратным напряжением не менее 40v, если вам не особо нужна супер точность в измерениях, то вполне подойдет КА220. Для более точного определения емкости придется поставить диод с небольшим падением напряжения в варианте прямого включения — Шоттки. Защитный супрессорный диод D2 должен быть рассчитан на обратное напряжение от 28v до 38v. Транзистор маломощный кремневый p-n-p проводимости: например КТ361 или его аналог.

Измерение величины ЭПС выполнять в диапазоне напряжения 20v. Во время подключении коннектора внешнего измерителя, ESR-приставка к мультиметру сразу же переходит в режим работы тестирования емкости. При этом будет визуально отображено на приборе показание около 35v в диапазоне проверки 200v и 1000v (это в зависимости от использования супрессорного диода). В случае исследования емкости на 20 вольтах, показание будет отображено как «выход за границу измерения». Когда коннектор внешнего измерителя отсоединяется, то и ЭПС-приставка моментально переключается на режим работы как обыкновенного мультиметра.

Заключение

Принцип работы устройства — для начала работы прибора нужно включить в сеть адаптер, при этом происходит включение измерителя ЭПС, когда отключили ESR, то мультиметр автоматически переходит в режим выполнения штатных функций. Чтобы сделать калибровку аппарата нужно подобрать постоянный резистор, так чтобы соответствовало шкале. Для наглядности картина ниже:

При замыкании щупов на шкале мультиметра будет отображено 0.00- 0.01, это показание означает погрешность прибора в диапазоне измерения до 1 Ом.