Измерение емкости и ЭПС конденсаторов комбинированным прибором. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Измерительная техника

 Комментарии к статье

Автор предлагает радиолюбителям, собравшим прибор [1], приставку к нему, с помощью которой можно измерять емкость и ЭПС конденсаторов. Знать эти параметры, особенно ЭПС, сегодня требуется довольно часто, например, при изготовлении различных импульсных устройств.

Входе модернизации комбинированного прибора [1] я решил, создавая небольшие приставки к нему, вводить в прибор новые сравнительно редко используемые функции, которые невозможно реализовать только программно. Это дает возможность не менять в нем самом что-либо, кроме программы микроконтроллера.

Реализацию такого способа модернизации обеспечивает наличие в приборе разъема, на который выведены четыре информационные линии его микроконтроллера и напряжение питания. К этому разъему и подключаются приставки. Первым шагом в этом направлении было создание приставки для измерения индуктивности, описанной в [2].

Новая приставка разработана для подборки конденсаторов, которые лишь предполагается установить в какое-нибудь устройство, а не для измерения их параметров без выпайки из устройства. Исходя из этого, я счел возможным повысить напряжение на измеряемом конденсаторе, что позволило уменьшить погрешность измерения.

С предлагаемой приставкой прибор в режиме измерения емкости и ЭПС имеет следующие характеристики:

• Интервал измерения: емкости, мкФ .......10...99999
• ЭПС, Ом.......0,01...15
• Дискретность/погрешность измерения: емкости от 10 до 999,99 мкФ, мкФ/% .......0,01 /± 10
• емкости от 1000 до 9999,9 мкФ, мкФ/%....... 0,1/±10
• емкости от 10000 до 99999 мкФ, мкФ/% .......1 /± 15
• ЭПС, Ом/%.......0,01/±20
• Напряжение на измеряемом конденсаторе, мВ, не более .......500
• Напряжение питания, В .......5
• Потребляемый ток, мА .......15...20

В основу измерения емкости и ЭПС положен принцип зарядки измеряемого конденсатора стабильным током и фиксация моментов достижения напряжением на нем двух контрольных уровней (порогов). Такой принцип использован во многих других приборах, например [3]. Структурно рассматриваемая приставка повторяет измерительную часть этого прибора.

Рис. 1. Схема приставки

Схема приставки изображена на рис. 1. По сравнению с [3] в нее внесены следующие изменения:

- удалены диоды, которые должны защитить элементы устройства от повреждения при подключении к нему заряженного конденсатора большой емкости. Причин две. Во-первых, по мнению автора, свою защитную функцию они выполняют весьма ограниченно. Например, от случайно подключенного к устройству конденсатора емкостью несколько тысяч микрофарад, заряженного до напряжения 50 В и более, они все равно не спасут. Во-вторых, диоды не позволяют сделать напряжение на измеряемом конденсаторе большим, чем уровень их открывания. При отказе от диодов защитную функцию в тех же пределах можно реализовать с помощью транзистора VT3 при должном управлении им со стороны микроконтроллера. А с точки зрения безопасности работы с прибором правильным будет, прежде чем подключать к прибору конденсатор большой емкости (особенно высоковольтный), обязательно разрядить его;

- в приставке использован только один генератор стабильного тока (ГСТ), который обеспечивает измерения во всем указанном выше интервале емкости. Он отличается от исходного более высокой стабильностью выходного тока. Это достигнуто за счет применения в нем параллельного интегрального стабилизатора напряжения повышенной точности и транзистора с большим коэффициентом передачи тока базы. Кроме того, увеличен выходной ток ГСТ, что уменьшило погрешность измерения (особенно ЭПС), связанную с током утечки конденсатора.

Управление работой приставки, обработку поступающих от нее сигналов и необходимые расчеты выполняет микроконтроллер комбинированного прибора. Отсчет интервалов времени ведут его 32-разрядные таймеры, тактируемые с частотой 32 МГц, что обеспечивает не только высокую точность измерений, но и большой теоретический верхний предел измеряемой емкости (несколько фарад). Однако достижение такого предела на практике затруднено тем, что скорость нарастания напряжения на измеряемом конденсаторе с увеличением его емкости становится очень малой, вследствие чего растет погрешность определения компаратором момента достижения порога. Поэтому максимальная измеряемая емкость программно ограничена значением 99999 мкФ, чего вполне достаточно для большинства практических целей.

После подключения приставки к прибору и перевода его в режим измерения емкости и ЭПС микроконтроллер открывает транзистор VT3 и закрывает транзистор VT1, чем выключает ГСТ. На инвертирующие входы компараторов микросхемы DA2 поданы образцовые напряжения с делителя R4-R6, задающие пороги их срабатывания (U₁≈0,25 В; U₂≈0,5 В). На выходах обоих компараторов в исходном состоянии установлены логически низкие уровни напряжения.

Далее измеряемый конденсатор C_x подключают к разъему X1 приставки и нажатием соответствующей клавиши на приборе запускают процесс измерения. В течение первых трех секунд после запуска программа удерживает транзистор VT3 в открытом состоянии, чтобы удалить возможный остаточный заряд измеряемого конденсатора, после чего закрывает этот транзистор и открывает транзистор VT1, включая ГСТ. С этого момента выходной ток ГСТ I_ст начинает заряжать конденсатор C_x. Входной ток компараторов можно не учитывать, так как по сравнению с I_стон чрезвычайно мал. В процессе зарядки напряжение на конденсаторе растет по линейному закону.

Одновременно с включением ГСТ программа запускает два 32-разрядных таймера микроконтроллера, чтобы определить продолжительность нарастания напряжения на конденсаторе до порогов срабатывания компараторов. В момент срабатывания каждого компаратора уровень напряжения на его выходе становится высоким. Зафиксировав это, программа останавливает соответствующий таймер.

После срабатывания обоих компараторов процесс измерения заканчивается, программа закрывает транзистор VT1, выключая этим ГСТ, и открывает VT3, разряжая через его открытый канал измеряемый конденсатор, чтобы подготовить приставку к следующему циклу измерения. Затем она выполняет расчет емкости и ЭПС и отображает полученные результаты на экране ЖКИ комбинированного прибора.

Формула расчета емкости:

C = I_ст (t₂ - t₁)/(U₂ - U₁)

где t₁, t₂ - моменты достижения напряжением на измеряемом конденсаторе соответственно первого и второго пороговых уровней; U₁, U₂ - напряжения первого и второго пороговых уровней. После вычисления емкости программа рассчитывает ЭПС. Методику его расчета иллюстрируют графики на рис. 2. Красная линия на нем - график зарядки реального измеряемого конденсатора. Из-за наличия ЭПС напряжение на нем в момент начала зарядки скачком увеличивается до U_R - падения напряжения на ЭПС конденсатора при протекании по нему зарядного тока Icr. Пороговых значений U₁ и U₂ напряжение на конденсаторе достигает соответственно в моменты t₁ и t₂. Синей линией показан график зарядки идеального конденсатора той же емкости (напомним, что емкость уже измерена). Поскольку ЭПС идеального конденсатора равно нулю, напряжение на конденсаторе начинает линейно нарастать с нулевого значения. Синяя линия идет параллельно красной, поскольку зарядный ток I_ст стабилизирован и от ЭПС не зависит. Напряжение на идеальном конденсаторе достигло бы уровня U₂ в момент времени t₃, который можно определить по формуле

t₃ = U₂ · C_x/I_ст.

Теперь рассмотрим два треугольника ABC и A'B'C. Они подобны, следовательно, можно составить пропорцию:

B'C / BC = A'C / AC

Рис. 2. Графики расчета ЭПС

Из рис. 2 следует, что:

BC = t₂;

AC = U₂ - U_R;

В'С = t₃;

А'С = U₂.

Подставив эти значения в приведенную выше пропорцию, получим

t₃ / t₂ = U₂ / (U₂ - U_R).

С учетом формулы для вычисления t₃ после несложных преобразований легко определить, что падение напряжения на ЭПС равно

U_R = U₂ - I_ст (t₂/C_x).

И наконец, искомое значение ЭПС получим, разделив на I_ст левую и правую части предыдущей формулы:

R = (U₂/I_ст) - (t₂/C_x).

Этот расчет можно проводить и по первому порогу, заменив переменные U₂ и t₂ соответственно на U₁ и t₁.

Найденные значения емкости и ЭПС измеряемого конденсатора программа выводит на экран ЖКИ комбинированного прибора.

Приставка собрана на печатной плате размерами 30x60 мм, чертеж которой показан на рис. 3. Она рассчитана на установку компонентов для поверхностного монтажа.

Рис. 3. Печатная плата

Все резисторы и конденсаторы типоразмера 1206. К разъему XS1 прибора [1] приставку подключают плоским кабелем с вилкой Х2 (PLS8). К контакту 2 разъема XS1 должно быть подведено напряжение +5 В от внутреннего источника питания прибора.

Вместо транзистора ВС857С можно применить другой маломощный транзистор структуры р-п-р с коэффициентом передачи тока базы не менее 250, а вместо транзистора ВС847С - любой маломощный транзистор структуры n-p-n. Оба транзистора должны быть в корпусе SOT23, иначе потребуется переделка печатной платы. Замена транзистора IRLL024Z - полевой с изолированным затвором и n-каналом. Он должен быть рассчитан на управление логическими уровнями напряжения, иметь сопротивление открытого канала не более 50...80 мОм, емкость затвора - не более 500...850 пФ, допустимый постоянный ток стока - не менее 4 А. Микросхему компаратора MCP6542-I/P можно заменить на LM293.

Плату помещают в любой удобный корпус. В качестве разъема X1 для подключения к приставке измеряемого конденсатора удобно использовать пружинные зажимы.

Налаживание подобных устройств - обычно самый сложный этап их изготовления. Все приборы для измерения емкости и ЭПС, описания которых мне встречались, требуют точной подборки нескольких деталей, а некоторые (например, [3]) еще и выполнения ряда расчетов и модификации программы микроконтроллера под конкретный экземпляр изготовленного прибора. Это довольно трудоемкий процесс, поэтому при проектировании рассматриваемой приставки я заменил аппаратное налаживание измерением значений определяющих параметров и вводом их в действующее устройство для дальнейшего использования. Другими словами, процесс подборки деталей заменен операцией программной калибровки. Результаты калибровки хранятся в EEPROM микроконтроллера комбинированного прибора, поэтому ее достаточно выполнить один раз.

Для калибровки потребуется мультиметр, способный измерять постоянный ток 5...20 мА с точностью не менее двух десятичных знаков после запятой и постоянное напряжение 0...2 В с точностью не менее трех десятичных знаков после запятой. Этим требованиям вполне удовлетворяет большинство недорогих цифровых мультиметров.

В микроконтроллер прибора должна быть загружена прилагаемая к статье программа версии 2.05.

Приставку, к разъему X1 которой ничего не подключено, соедините с прибором и подайте на него питание. На экран ЖКИ будет выведено главное меню, показанное на рис. 4. После дайте прибору прогреться две-три минуты для установления тепловых режимов. В режим измерения емкости и ЭПС входят по третьему нажатию на клавишу "ГН". Это не очень оперативно и удобно, но на клавиатуре прибора уже давно нет свободных клавиш.

Рис. 4. Меню на экране ЖКИ

При первом переходе в режим измерения емкости и ЭПС программа микроконтроллера, не найдя в его EEPROM значений калибровочных коэффициентов, которые можно правильно интерпретировать, автоматически вызовет подпрограмму калибровки. Если этого не произошло, вызовите ее нажатием на клавишу "2". Экран ЖКИ примет вид, показанный на рис. 5.

Рис. 5. Меню на экране ЖКИ

Программа попросит поочередно ввести значения четырех параметров: тока ГСТ, напряжений первого и второго порогов и сопротивления подключения, сопровождая запросы подробным интерактивным меню. Точное значение каждого запрашиваемого параметра следует измерить мультиметром и набрать на клавиатуре прибора.

Ток ГСТ (I_ст) измеряют, подключив мультиметр в режиме измерения тока к разъему X1 приставки. Он должен лежать в пределах 10...25 мА. Напряжение U₁ измеряют на выводе 6 микросхемы DA2. Допустимые пределы - 0,2...0,32 В. Напряжение U₂ измеряют на выводе 2 той же микросхемы. Допустимые пределы - 0,42...0,55 В.

Значение сопротивления подключения пока задайте нулевым. Это сопротивление соединительных проводов и контактов разъемов, с помощью которых измеряемый конденсатор подключен к приставке. Зачастую оно сравнимо с ЭПС этого конденсатора. Но о его учете поговорим позже.

После ввода всех требуемых параметров на экране на 2 с появится надпись "ОТКАЛИБРОВАНО" и прибор перейдет в режим измерения емкости и ЭПС. Вид экрана ЖКИ после перехода в этот режим показан на рис. 6, а после выполнения измерения - на рис. 7. Если измеренное значение ЭПС менее 0,01 Ом, то выводится оно равным нулю.

Рис. 6. Меню на экране ЖКИ

Рис. 7. Меню на экране ЖКИ

Теперь прибор работоспособен и позволяет выполнить последний этап калибровки определение сопротивления подключения. Для этого следует подключить к разъему X1 конденсатор емкостью 3300...4700 мкФ и, нажав на кнопку "D", запустить измерение его емкости и ЭПС. Запомнив измеренное значение ЭПС, следует повторить операцию, подключив тот же конденсатор непосредственно к контактным площадкам для упомянутого разъема на печатной плате приставки. Разность двух полученных значений ЭПС и будет значением сопротивления подключения. Теперь осталось перевести прибор в режим калибровки, нажав на кнопку "2", и ввести в программу полученное значение. Прибор готов к работе.

Время выполнения одного измерения лежит в интервале 3...6 с. Оно не может быть менее 3 с, поскольку именно столько времени в программе отведено на разрядку измеряемого конденсатора. Еще не более 3 с занимает собственно процесс измерения.

В ходе измерений на экран прибора могут быть выведены сообщения о выходе измеренного значения емкости за верхний или нижний допустимый предел, а также о неисправности приставки. Последнее свидетельствует о нарушении работы системы прерываний микроконтроллера, которое может случиться при каких-либо манипуляциях с работающей приставкой с помощью приборов, имеющих сетевое питание. Для восстановления нормальной работы комбинированный прибор следует выключить и включить вновь.

Описанная приставка дает возможность измерить малое активное сопротивление в интервале 0,01...0,2 Ом, с чем простые мультиметры справляются плохо. Для этого измеряемый резистор следует подключить к разъему X1 последовательно с конденсатором, ЭПС которого измерено заранее. После измерения ЭПС такой цепи из результата вычитают значение ЭПС конденсатора. Остаток - сопротивление измеряемого резистора.

В другие режимы работы прибор переводят нажатиями на кнопки "ОС", "ЛА" или "ГН".

Если в распоряжении пользователя есть конденсатор, параметры которого заранее известны с высокой точностью, целесообразно измерить их с помощью изготовленной приставки, чтобы оценить правильность ее работы. Если обнаружены существенные отличия измеренных параметров от известных, следует искать их причины. Ими могут быть неисправные детали или ошибки измерения и ввода в программу параметров в ходе калибровки.

Наличие неисправных деталей либо радикально в несколько раз искажает результаты измерения, либо приводит к их значительным скачкам от измерения к измерению. Последнее характерно для нестабильно работающих компараторов.

При ошибках измерения и ввода калибровочных параметров результаты получаются стабильными, но не соответствующими истине. Именно эти ошибки - основные источники погрешности прибора. Особенно сильно влияют на результат ошибочные значения порогов. Здесь ошибка на 2...3 мВ приводит к изменению измеренного значения ЭПС на несколько ом. Не имея точного мультиметра, но при наличии эталонного конденсатора, погрешность можно устранить экспериментально, изменяя вводимые калибровочные параметры в небольших пределах.

Программу микроконтроллера версии 2.05 и файл печатной платы в формате Sprint Layout 5.0 можно скачать с ftp://ftp.radio.ru/pub/2017/02/2-05.zip.

Литература

1. Савченко А. Усовершенствование комбинированного прибора на базе микроконтроллера ATxmega. - Радио, 2015, № 3, с. 29-34.
2. Савченко А. Измерение индуктивности комбинированным прибором. - Радио, 2017, № 1, с. 15, 16.
3. Келехсашвили В. Измеритель емкости и ЭПС конденсаторов. - Радио, 2010, № 6, с. 19, 20; № 7, с. 21, 22.

Автор: А. Савченко

Смотрите другие статьи раздела Измерительная техника.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Оптимальная продолжительность сна 12.11.2025

Сон играет ключевую роль в поддержании здоровья, когнитивных функций и общего самочувствия. Несмотря на широко распространенный стереотип о восьмичасовом сне, последние исследования показывают, что оптимальная продолжительность сна для большинства здоровых взрослых ближе к семи часам. Эволюционный биолог из Гарварда, Дэниел Э. Либерман, утверждает, что традиционная норма восьми часов сна - это скорее культурное наследие индустриальной эпохи, чем биологическая необходимость. По его словам, полевые исследования, проведенные в сообществах, не использующих электричество, показывают, что средняя продолжительность сна составляет 6-7 часов, что значительно отличается от общепринятого стандарта. Современные эпидемиологические данные подтверждают этот взгляд. Исследования выявили так называемую "U-образную кривую" зависимости между продолжительностью сна и рисками для здоровья. Минимальные показатели заболеваемости и смертности наблюдаются именно у людей, спящих около семи часов в сутки. ...>>

Дефицит кислорода усиливает выброс закиси азота 12.11.2025

Парниковые газы играют ключевую роль в изменении климата, а закись азота (N2O) - один из наиболее опасных среди них. Этот газ не только втрое сильнее углекислого газа в удержании тепла, но и разрушает озоновый слой. Недавнее исследование американских ученых показало, что микробы в зонах с низким содержанием кислорода активно производят N2O, усиливая глобальные климатические риски. Команда из Университета Пенсильвании изучала прибрежные воды у Сан-Диего и провела наблюдения на глубинах от 40 до 120 метров в Восточной тропической северной части Тихого океана - одной из крупнейших зон дефицита кислорода. Исследователи сосредоточились на том, как морские микроорганизмы превращают нитраты в закись азота. В ходе работы выяснилось, что существует два пути образования N2O. Один путь начинается с нитрата, другой - с нитрита. На первый взгляд более короткий путь должен быть эффективнее, однако микробы, использующие нитрат, продуцируют больше газа, поскольку этот "сырьевой" источник более д ...>>

Омега-3 помогают молодым кораллам выживать 11.11.2025

Сохранение коралловых рифов становится все более актуальной задачей в условиях глобального изменения климата. Молодые кораллы особенно уязвимы на ранних стадиях развития, когда стрессовые условия и нехватка питательных веществ могут привести к высокой смертности. Недавнее исследование ученых из Технологического университета Сиднея показывает, что специальные пищевые добавки способны существенно повысить выживаемость личинок кораллов. В ходе работы исследователи разработали особый состав "детского питания" для коралловых личинок. В него вошли масла, богатые омега-3 жирными кислотами, а также важные стерины, необходимые для формирования клеточных мембран. Личинки, получавшие эти добавки, развивались быстрее, становились крепче и демонстрировали более высокую устойчивость к стрессовым факторам. Особое внимание ученые уделили липидам. Анализ показал, что личинки активно усваивают эти вещества, что напрямую влияет на их жизнеспособность. Стерины, содержащиеся в корме, повышают устойчи ...>>

Случайная новость из Архива Монитор LG UltraFine 40U990A-W 04.08.2025 Современные мониторы уже давно перестали быть просто экранами для вывода изображения - они превращаются в полноценные мультимедийные центры с широкими возможностями подключения, высокой цветопередачей и продуманной эргономикой. Компания LG сделала очередной шаг в этом направлении, выпустив профессиональный дисплей UltraFine 40U990A-W, который сочетает в себе передовые технологии отображения и поддержку новейшего интерфейса Thunderbolt 5. Одной из ключевых особенностей новинки стала вогнутая Nano IPS Black панель диагональю 39,7 дюйма. Экран имеет разрешение 5120 х 2160 пикселей и соотношение сторон 21:9, что делает его идеальным для работы с видео, дизайном и многозадачностью. Благодаря радиусу кривизны 2500R достигается эффект полного погружения, особенно заметный при редактировании широкоформатных материалов или параллельной работе в нескольких окнах. Контрастность экрана достигает 2000:1, а охват цветового пространства DCI-P3 составляет впечатляющие 99%, что делает монитор особенно привлекательным для специалистов, работающих с цветом. Сертификация VESA DisplayHDR 600 подтверждает его способности отображать яркие сцены с глубокими тенями. Для комфортной работы в течение длительного времени LG оснастила дисплей технологией Live Color Low Blue Light, уменьшающей нагрузку на глаза без искажения цветов. UltraFine 40U990A-W стал первым в мире монитором с интеграцией Thunderbolt 5. Этот новый стандарт позволяет передавать данные на скорости до 120 Гбит/с, одновременно обеспечивая зарядку подключенных устройств мощностью до 96 Вт и поддержку последовательного подключения двух дисплеев с разрешением 2160p при частоте обновления 120 Гц. Помимо Thunderbolt, монитор располагает четырьмя портами USB-C, двумя USB-A и сетевым разъемом Ethernet, что делает его полноценной рабочей станцией. Для пользователей, работающих сразу с двумя компьютерами, будет полезна функция KVM-переключателя - она позволяет управлять двумя машинами с помощью одного комплекта клавиатуры и мыши. Кроме того, в устройстве предусмотрены режимы PBP (картинка рядом с картинкой) и PIP (вставка изображения в изображение), что особенно удобно при сравнительном анализе или видеомонтаже. LG также позаботилась о геймерах: монитор получил поддержку AMD FreeSync Premium, технологию переменной частоты обновления VRR, а также функции Dynamic Action Sync и Black Stabilizer, которые улучшают отображение динамичных сцен и деталей в темных зонах. Это делает модель не только рабочим инструментом, но и развлекательным решением. Звук в UltraFine 40U990A-W обеспечивают два стереодинамика мощностью по 10 Вт, дополненных системой Rich Bass, усиливающей низкие частоты. Эргономика конструкции также продумана: подставка позволяет регулировать высоту до 130 мм, изменять угол наклона в пределах от -5 до 20 градусов и поворачивать экран на 20 градусов, что делает работу за монитором максимально комфортной.

Другие интересные новости:

▪ Искусственный лист, улавливающий углекислый газ

▪ Укус акулы

▪ Кареглазым доверяют больше

▪ Запах человека: от младенцев до подростков

▪ Смарфоны ASUS Zenfone Series

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Цифровая техника. Подборка статей

▪ статья Старый режим. Крылатое выражение

▪ статья Откуда взялись оливки? Подробный ответ

▪ статья Мюретия душистая. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья ПК управляет электрическими установками. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Воздушные линии электропередачи напряжением выше 1 кВ. Требования к проектированию ВЛ, учитывающие особенности их ремонта и технического обслуживания. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025