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:

Чувства кота, ожидаюшего возвращения хозяина 16.07.2026

Многие владельцы кошек уверены, что их питомцы совершенно равнодушны к уходу человека из дома. Считается, что кошки - независимые существа, которые спокойно переносят одиночество и даже радуются, оставаясь одни. Однако испанские специалисты по поведению животных считают, что реальность гораздо сложнее. Реакция кошки на отсутствие хозяина зависит от ее индивидуального характера, степени привязанности к человеку и привычного распорядка дня. Кошки хорошо запоминают ежедневные ритуалы своих владельцев. Они способны связывать определенные звуки - звон ключей, шаги у двери или звук закрывающегося замка - с предстоящим уходом человека. Для одних животных эти сигналы означают возможность спокойно лечь спать, а для других становятся причиной беспокойства и длительного ожидания возвращения хозяина. Таким образом, кошка не просто "не замечает" уход, а активно реагирует на связанные с ним изменения в окружающей обстановке. Исследования поведения кошек показывают, что некоторые из них действи ...>>

Целесообразность приема пробиотиков после курса антибиотиков 16.07.2026

Антибиотики остаются одним из самых мощных инструментов современной медицины в борьбе с бактериальными инфекциями. Однако их действие не ограничивается уничтожением только вредных микроорганизмов. Эти препараты способны существенно влиять на состав кишечной микрофлоры, что часто вызывает вопросы у пациентов: насколько серьезны эти изменения, как долго они сохраняются и нужно ли после курса антибиотиков принимать пробиотики для восстановления. На эти вопросы попытались ответить исследователи, проанализировав имеющиеся научные данные. Во время приема антибиотиков многие люди сталкиваются с неприятными симптомами со стороны пищеварительной системы: тошнотой, болями или спазмами в животе, а также диареей. Такие реакции возникают потому, что препараты воздействуют не только на возбудителей инфекции, но и на полезные бактерии, которые населяют кишечник и участвуют в пищеварении, синтезе витаминов и поддержании иммунитета. Некоторые антибиотики, например азитромицин, могут напрямую влия ...>>

Резкое похудение и возврат веса могут навредить сердцу 15.07.2026

Многие люди, желая быстро избавиться от лишних килограммов, прибегают к строгим диетам с резким ограничением калорий. Достигнув желаемого результата, они часто постепенно или быстро возвращаются к прежнему рациону и прежнему весу. На первый взгляд это кажется лишь вопросом внешнего вида, однако ученые предупреждают: постоянные колебания массы тела могут оказывать негативное влияние на сердечно-сосудистую систему и обмен веществ. Так называемый эффект йо-йо, когда периоды активного похудения сменяются повторным набором веса, становится все более распространенным явлением. Новые исследования указывают на возможную связь между такими циклами и ухудшением работы сердца. Организм способен адаптироваться к изменениям питания, но постоянное повторение резких переходов между ограничением калорий и перееданием создает дополнительную нагрузку на различные системы. В одном из экспериментов на лабораторных животных исследователи моделировали эффект йо-йо, периодически снижая калорийность рац ...>>

Случайная новость из Архива Заработал крупнейший в мире черенковский телескоп 10.08.2012 В Намибии заработал крупнейший в мире черенковский телескоп H.E.S.S. II. Он предназначен для изучения самых экстремальных космических явлений, связанных с выбросами высокоэнергетического гамма-излучения и является крупнейшим черенковским телескопом из когда-либо построенных. Вместе с четырьмя меньшими 12-метровыми телескопами, уже находящимися в эксплуатации с 2004 года, обсерватория H.E.S.S. продолжит изучение известных высокоэнергетических космических источников, а также займется поиском новых классов источников гамма-излучения. Новый телескоп весит почти 600 тонн, а его 28-метровое зеркало сравнимо по площади с двумя теннисными кортами. H.E.S.S. II предназначен для обнаружения каскада атмосферных частиц порожденных космическими гамма-лучами. Гамма-лучи, которые выбрасываются естественными космическими ускорителями частиц, такими, как сверхмассивные черные дыры, сверхновые звезды, пульсары, двойные звезды и артефакты Большого Взрыва, имеют колоссальную энергию. Ни один из существующих земных ускорителей частиц не способен достичь таких энергий, однако астрономы могут наблюдать данный "космический ураган" с помощью черенковских телескопов. Когда гамма-лучи взаимодействуют с верхними слоями атмосферы, они порождают целый каскад вторичных частиц, которые можно увидеть с помощью эффекта Черенкова - по слабым вспышкам голубого света. Эти слабые вспышки происходят очень быстро, за миллиардные доли секунды, однако высокотехнологичная камера H.E.S.S. II способна их регистрировать. Фотокамера H.E.S.S. II, размером с дверь от гаража и весом почти 3 тонны, расположена на высоте 36 м в фокальной плоскости главного зеркала. Несмотря на свои огромные размеры, новый телескоп поворачивается вдвое быстрее, чем его меньшие собратья, что позволяет оперативно наводиться на быстро проходящие космические явления. Новый научный инструмент позволит с беспрецедентной точностью изучить интереснейшие объекты, такие как активные ядра галактик. Кроме того, ученые надеются с помощью H.E.S.S. II найти совершенно новые космические объекты. В строительстве обсерватории в течение почти 10 лет принимали участие более 170 ученых из 32 научных институтов и 12 различных стран: Намибии, Южной Африки, Германии, Франции, Великобритании, Ирландии, Австрии, Польши, Чехии и Швеции.

Другие интересные новости:

▪ Тара для переноски компьютеров

▪ Зарядка электромобилей в движении

▪ Кто отметился в пещере

▪ Сон поддерживает антиоксидантные процессы в организм

▪ 3D-графен

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Аккумуляторы, зарядные устройства. Подборка статей

▪ статья Почва. Последствие загрязнения почвы. Основы безопасной жизнедеятельности

▪ статья Что такое соколиная охота? Подробный ответ

▪ статья Пещеры Фразасси. Чудо природы

▪ статья Ксилолит. Простые рецепты и советы

▪ статья Шнурок и кубик. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026