ESR метр своими руками — измеритель емкости конденсаторов. Схема и описание. Цифровой измеритель ёмкости Описание моделей высокой точности

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

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

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.

В данной статье мы дадим наиболее полную инструкцию, которая позволит сделать измеритель ёмкости конденсаторов своими руками, без помощи квалифицированных мастеров.

К сожалению, аппаратура не редко выходит из строя. Причина чаще всего одна – появление электролитического конденсатора. Все радиолюбители знакомы с так называемым «высыханием», которое появляется из-за нарушения герметичности корпуса прибора. Возрастает реактивное сопротивление из-за снижения номинальной емкости.

Далее, во время эксплуатации начинают происходить электрохимические реакции, они разрушают стыки выводов. В результате контакты нарушаются, образовывая контактное сопротивление, которой исчисляется, порой десятками Oм. То же самое будет происходить при подключении к рабочему конденсатору резистора. Наличие этого самого последовательного сопротивления скажется негативно не работе электронного устройства, в схеме будет искажаться вся работа конденсаторов.

Из-за сильнейшего влияния сопротивления в диапазоне три-пять Ом, приходят в негодность импульсные источники питания, ведь в них перегорают дорогостоящие транзисторы, а также микросхемы. Если детали при сборке прибора были проверены, а при монтаже не допущены ошибки, то с его наладкой не возникнет проблем.

Кстати, предлагаем Вам присмотреть себе новый паяльник на Алиэкспресс — ССЫЛКА (отличные отзывы). Либо присмотреть себе что-нибудь из паяльного оборудования в магазине «ВсеИнструменты.ру» — ссылка на раздел с паяльниками .

Схема, принцип работы, устройство

Данная схема используется с применением операционного усилителя. Прибор, который мы собираемся сделать своими руками, позволит производить измерения ёмкости конденсаторов в диапазоне от пары пикoфарад до одного микрофарада.

Давайте разберемся с приведенной схемой :

• Поддиапазоны . У агрегата есть 6 «поддиапазонов», у них высокие границы равняются 10, 100; 1000 пф, а также 0,01, 0,1 и 1 мкф. Отсчитывается емкость по измерительной сетке микроамперметра.
• Назначение . Основой работы прибора является замер переменного тока, он проходит сквозь конденсатор, который необходимо исследовать.
• На усилителе DА 1 находится генератор импульсов. Колебания их повтора подчиняется емкости С 1- С 6 конденсаторов, а также позиции тумблера «подстроечного» резистора R 5. Частота будет переменной от 100 Гц до 200 кГц. Подстроечному резистору R 1 определяем соразмерную модель колебаний при выходе генератора.
• Указанные на схеме диоды, как D 3 и D 6, резисторы (налаженные) R 7- R 11, микроамперметр РА 1, составляют сам измеритель переменного тока. Внутри микроамперметра сопротивление обязано составлять не больше 3 кОм, с целью, чтобы погрешность при замере не превысила десяти процентов на диапазоне до 10 пФ.
• К другим поддиапазонам параллельно Р A 1 подсоединяют подстроечные резисторы R 7 – R 11. Нужный измерительный поддиапазон настраивают при помощи тумблера S А 1. Одна категория контактов переключает конденсаторы (частотозадающие) С 1 и С 6 в генераторе, второй переключает в индикаторе резисторы.
• Чтобы прибор получал энергию, ему нужен 2-полярный стабилизированный источник (напряжение от 8 до 15 В). У частотозадающего конденсатора могут на 20 % разниться номиналы, однако сами они обязаны иметь высокую стабильность временную и температурную.

Конечно, для обычного человека, не разбирающегося в физике, это всё может показаться сложным, но вы должны понимать, чтобы сделать измеритель ёмкости конденсаторов своими руками, нужно обладать определенными знаниями и навыками. Далее поговорим о том, как наладить прибор.

Наладка измерительного прибора

Чтобы произвести правильную наладку, следуйте инструкции:

1. Сперва достигается симметричность колебаний при помощи резистора R 1. «Бегунок» у резистора R 5 находится посередине.
2. Следующим действием будет подключение эталонного конденсатора 10 пф к клеммам, отмеченным значком сх. При помощи резистора R 5, переставляют стрелу микроамперметра на соответственную шкалу ёмкости эталонного конденсатора.
3. Далее проверяется форма колебания при выходе генератора. Тарировка проводится на всех поддиапазонах, здесь применяют резисторы R 7 и R 11.

Механизм устройства может быть разным. Параметры размеров зависят от типа микроамперметра. Каких-то особенностей при работе с прибором не выделяется.

Создание разных моделей измерителей

Модель серии AVR

Сделать такой измеритель можно на базе переменного транзистора. Вот инструкция:

1. Подбираем контактор;
2. Замеряем выходное напряжение;
3. отрицательное сопротивление в измерителя емкости не больше 45 Ом;
4. Если проводимость 40 мк, то перегрузка составит 4 Ампера;
5. Для повышения точности измерения, нужно использовать компараторы;
6. Также есть мнение, что лучше использовать только открытые фильтры, так как для них не страшны импульсные помехи в случае большой загруженности;
7. Также рекомендуется использовать полюсные стабилизаторы, а вот для модификации устройства не подходят только сеточные компараторы;

Перед тем, как включать измеритель ёмкости конденсаторов, нужно выполнить замер сопротивления, который должен быть примерно 40 Ом для хорошо сделанных устройств. Но показатель может отличаться, в зависимости от частотности модификации.

Более подробно о том, как сделать измеритель ёмкости конденсаторов своими руками можно узнать из видео ниже.

Видео инструкции

Схема эта, несмотря на свою видимую сложность, совсем проста в повторении, поскольку собрана на цифровых микросхемах и при отсутствии ошибок в монтаже и использовании заведомо исправных деталей практически не требует настройки. Тем не менее, возможности устройства достаточно велики:

• диапазон измерения – 0,01 — 10000 мкФ;
• 4 поддиапазона – 10, 100, 1000, 10 000 мкФ;
• выбор поддиапазона – автоматический;
• индикация результата – цифровая, 4 разряда с плавающей десятичной точкой;
• погрешность измерения – единица младшего разряда;

Рассмотрим схему прибора:

щелкните для увеличения

На микросхеме DD1, точнее на двух его элементах, собран кварцевый генератор, работа которого пояснений не требует. Дальше тактовая частота поступает на делитель, собранный на микросхемах DD2 – DD4. Сигналы с него с частотами 1 000, 100, 10 и 1 кГц поступают на мультиплексор DD6.1, который использован в качестве узла автоматического выбора поддиапазона.

Основной узел измерения – одновибратор, собранный на элементах DD5.3, DD5.4, длительность импульса которого напрямую зависит от подключенного к нему конденсатора. Принцип измерения емкости – подсчет количества импульсов за время работы одновибратора. На элементах DD5.1, DD5.2 собран узел, предотвращающий дребезг контактов кнопки «Старт измерения». Ну и последняя часть схемы — четырехразрядная линейка двоично-десятичных счетчиков DD9 — DD12 с выводом на четыре семисегментных индикатора.

Рассмотрим алгоритм работы измерителя. При нажатии на кнопку SB1 двоичный счетчик DD8 обнуляется и переключает узел диапазона (мультиплексор DD6.1) на самый нижний диапазон измерения – 0.010 – 10.00 мкФ. При этом на один из входов электронного ключа DD1.3 поступают импульсы частотой 1 МГц. На второй вход этого же ключа проходит разрешающий сигнал с одновибратора, длительность которого прямо пропорциональна подключенной к нему емкости измеряемого конденсатора.

Таким образом на счетную декаду DD9…DD12 начинают поступать импульсы с частотой 1 МГЦ. Если происходит переполнение декады, то сигнал переноса с DD12 увеличивает показания счетчика DD8 на единицу и разрешает запись нуля в триггер DD7 по входу D. Этот нуль включает формирователь DD5.1, DD5.2 а он в свою очередь сбрасывает счетную декаду, снова устанавливает DD7 в «1» и перезапускает одновибратор. Процесс повторяется, но на счетную декаду через коммутатор теперь поступает частота 100 кГц (включился второй диапазон).

Если до завершения импульса с одновибратора счетная декада снова переполнилась, то опять происходит смена диапазона. Если одновибратор отключился раньше, то счет останавливается и на индикаторе можно прочитать значение подключенной для измерения емкости. Последний штрих – блок управления десятичной точкой, которая и указывает текущий поддиапазон измерения. Его функции выполняет вторая часть мультиплексора DD6, которая засвечивает нужную точку в зависимости от включенного поддиапазона.

В качестве индикаторов в схеме используются вакуумные люминесцентные индикаторы ИВ6, поэтому блок питания измерителя должен выдавать два напряжения: 1 В для накала и +12 В для анодного питания ламп и микросхем. Если индикаторы заменить ЖКИ, то можно обойтись одним источником +9В, применение же светодиодных матриц невозможно из-за малой нагрузочной способности микросхем DD9…DD12.

В качестве калибровочного резистора R8 лучше применить многооборотный, поскольку именно от точности калибровки будет зависеть величина погрешности измерения прибора. Остальные резисторы могут быть МЛТ-0.125. По поводу микросхем — в приборе можно использовать любую из серий К1561, К564, К561, К176, но следует иметь в виду, что 176 серия очень неохотно работает с кварцевым резонатором (DD1).

Настройка прибора достаточно проста, но выполнить ее следует с особой тщательностью.

• Временно отключить кнопку SB1 от DD8 (вывод 13).
• В точку соединения R3 с R2 подать прямоугольные импульсы частотой примерно 50-100 Гц (подойдет любой самый простой генератор на логической микросхеме).
• На место измеряемого конденсатора подключить образцовый, емкость которого известна и лежит в диапазоне 0.5 – 4 мкФ (к примеру, К71-5В 1 мкф±1%). Если есть возможность, то емкость лучше измерить с помощью измерительного моста, но можно понадеяться и на емкость, указанную на корпусе. Здесь нужно иметь в виду, что как точно вы откалибруете прибор, так он вам и будет в будущем измерять.
• С помощью подстроечного резистора R8 выставить показания индикаторов как можно точнее по соответствию с емкостью эталонного конденсатора. После калибровки подстроечный резистор лучше законтрить каплей лака или краски.

По материалам «Радиолюбитель» №5, 2001г.

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

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

Обозначения на конденсаторах

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

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

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

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

Вычисления с помощью формул электротехники

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

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

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

Схема измерения

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

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

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

Измерительные приборы

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

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

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

Самодельный С - метр

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

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

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

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

Конструкция и детали

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

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

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

R4, R8 510k R15 13

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

Вариант печатной платы и расположение компонентов

Видео по теме

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.