Измеритель емкости конденсаторов своими руками. Описание и настройка устройства
Измерительная техникаПростой измеритель Регулировка содержится в установке максимальных границ на каждом диапазонес помощью переключаемых резисторов (47 К) в качестве которых лучшепоставить подстроечники....
Для схемы "Измеритель емкости на логическом элементе"
Для схемы "ПРИСТАВКА-ИЗМЕРИТЕЛЬ LC К ЦИФРОВОМУ ВОЛЬТМЕТРУ"
Измерительная техникаПРИСТАВКА-ИЗМЕРИТЕЛЬ LC К ЦИФРОВОМУ ВОЛЬТМЕТРУ Цифровой измерительный прибор в лаборатории радиолюбителя теперь не редкость. Однако не часто им можно измерить параметры конденсаторов и катушек индуктивности, более того если это мультиметр. Описываемая в этом месте простая приставка предназначена для использования совместно с мультиметрами или цифровыми вольтметрами (например, М-830В, М-832 и им подобными), не имеющими режима измерения параметров реактивных элементов.Для измерения и индуктивности с помощью несложной приставки использован принцип, подробно описанный в статье А. Степанова "Простой LC-метр" в "Радио" № 3 за 1982 г. Предлагаемый измеритель несколько упрощен (вместо генератора с кварцевым резонатором и декадного делителя частоты применен мультивибратор с переключаемой частотой генерации), но он позволяет с достаточной для практики точностью измерять емкость в пределах 2 пф...1 мкф и индуктивность 2 мкГн... Зу для коногонки схема 1 Гн. Кроме того, в нем вырабатывается напряжение прямоугольной формы с фиксированными частотами 1 МГц, 100 кГц, 10 кГц, 1 кГц, 100 Гц и регулируемой амплитудой от 0 до 5 В, что расширяет область применения устройства. Задающий генератор измерителя (рис. 1) выполнен на элементах микросхемы DD1 (КМОП), частоту на его выходе изменяют с помощью переключателя SA1 в пределах 1 МГц - 100 Гц, подключая конденсаторы С1-С5. С генератора сигнал поступает на электронный ключ, собранный на транзисторе VT1. Переключателем SA2 выбирают режим измерения "L" или "С". В показанном на схеме положении переключателя приставка измеряет индуктивность. Измеряемую катушку индуктивности подключают к гнездам Х4, Х5, конденсатор - к ХЗ, Х4, а вольтметр - к гнездам Х6, Х7. При работе вольтметр устанавливают в режим измерения постоянного напряжен...
Для схемы "ИЗМЕРИТЕЛЬ ЕМКОСТИ"
Измерительная техникаИЗМЕРИТЕЛЬ Электролитические конденсаторы из-за понижения емкости или значительного тока утечки нередко являются причиной неисправности радиоаппаратуры. Электронный тестер, схема которого приведена на рисунке, позволяет определить целесообразность дальнейшего использования конденсатора, явившегося предположительно причиной неисправности. Совместно с многопредельным авометром (на пределе 5 В) или отдельной измерительной головкой (100 мкА), тестером, можно измерять емкости от 10 мкф до 10 000 мкф, а также качественно определить степень утечки конденсаторов.В основе работы тестера лежит принцип контроля остаточного заряда на полюсах конденсатора, который был заряжен током определенной величины в течение определенного времени. Например, емкость 1 Ф. получавшая заряд током 1 А в течение 1 с, будет иметь разность потенциалов на обкладках, равную 1 В. Практически постоянный ток заряда испытуемого конденсатора С обеспечивается генератором тока, собранным на транзисторе V5. На первом диапазоне можно измерять до 100 мкф (ток заряда конденсатора 10 мкА), на втором - до 1000 мкф (100 мкА) и на третьем - до 10 000 мкф (1мА). Время заряда Сx выбрано равным5 с и отсчитывается либо автоматически с помощью реле времени либо по секундомеру.Перед началом измерения в положении переключателя S2 "Разряд" потенциометром R8 устанавливают баланс моста, образованного базово-эмиттерными переходами транзисторов V6 и V7, резисторами R8, R9, R10 и диодами V3. V4 , используемыми в качестве низковольтного источника опорного напряжения. Затем переключателем S1 выбирают ожидаемый диапазон измерения емкости. Если конденсатор не маркирован или потерял часть емкости, измерения начинают в первом диапазоне. Переклю...
Для схемы "УНИВЕРСАЛЬНОЕ СОГЛАСУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО"
АнтенныУНИВЕРСАЛЬНОЕ СОГЛАСУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВОУстройство предназначено для согласования передатчика с различными типами антенн, как имеющими коаксиальный фидер, так и с открытым входом (типа "длинный луч" и т. д.). Применение устройства позволяет достичь оптимального согласования передатчика на всех любительских диапазонах, более того при работе с антенной случайной длины. Встроенный измеритель КСВ может быть использован при настройке и регулировке антенно-фидерных систем, а также как индикатор мощности, отдаваемой в антенну.Согласующее устройство работает в диапазоне 3-30 МГц и рассчитано на мощность до 50 Вт. При соответствующем увеличении электрической прочности деталей вероятный уровень мощности может быть повышен.Принципиальная схема согласующего устройства показана на рис.1. Он включает в себя два функциональных узла: собственно устройство согласования (катушки L1 и L2. конденсаторы С6-С9, переключатели В2 и ВЗ) и измеритель КСВ, собранный по схеме балансного ВЧ моста.Устройство смонтировано на шасси. Зу для коногонки схема На переднюю панель выведены все органы настройки, на ней установлен и стрелочный индикатор КСВ. На задней стенке шасси укреплены два высокочастотных разъема для подключения выхода передатчика и антенн с коаксиальным фидером, а также проходной изолятор с зажимом для антенн типа "длинный луч" и т. п. Монтаж КСВ выполнен на печатной плате (см. рис. 2).Конденсаторы С1 и С2 - воздушные или керамические с начальной емкостью 0,5-1,5 пФ. ВЧ трансформатор Тр1 намотан на кольцо из феррита М30ВЧ2 размерами 12Х6Х Х4,5 мм. Вторичная обмотка содержит 41 виток прово...
Для схемы "РАДИОСТАНЦИЯ НА ТРЕХ ТРАНЗИСТОРАХ"
Радиопередатчики, радиостанцииРАДИОСТАНЦИЯ НА ТРЕХ ТРАНЗИСТОРАХРадиостанция предназначена для проведения двухсторонней связи в диапазоне 27 МГц с амплитудной модуляцией. Она собрана по трансиверной схеме. Каскад на транзисторе VT1 служит и приемником, и передатчиком. Усилитель на транзисторах VT1 и VT2 в режиме приема усиливает сигнал, выделенный приемником, а в режиме передачи модулирует несущую. При монтаже особое внимательность следует обратить на расположение конденсаторов С10 и С11. Они применяются для предотвращения самовозбуждения. Если самовозбуждение все же возникает, то нужно подключить дополнительно ещё несколько конденсаторов той же емкости. О настройке. Она очень проста. Сначала при помощи частотомера выставляется частота передатчика, а потом настраивается приемник прочий радиостанции по максимальному подавлению шума и наибольшей громкости сигнала. Катушкой L1 настраивается передатчик, а катушкой L2 - приемник.Tp1 - любой малогабаритный выходной трансформатор. Ba1 - любой подходящий по размеру динамик с сопротивлением обмотки 8 - 10 Ом. Др1 - ДПМ-0,6 или самодельный: 75 - 80 витков ПЭВ 0,1 на резисторе МЛТ 0,5 Вт - 500 кОм. Остальные детали - любого типа. Катушки намотаны на каркасах диаметром 8 мм и содержат по 10 витков провода ПЭВ 0,5. =Печатная и монтажная платы - на рис. 2Печатная и монтажная платы - на рис. 2ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ Напряжение питания - 9 - 12 вольт Дальность связи на открытой местности - приблизительно 1 км. Потребляемый ток: приемника -15 мА передатчика - 30 мА. Антенна телескопическая - 0,7 - 1м. Размеры корпуса - 140 х 75 х 30 мм.Н.МАРУШКЕВИЧ г.Минск...
Для схемы "Определитель идентичности веществ"
Прибор предназначен для проверки идентичности различных веществ: жидких, сыпучих, органических и минеральных, Прибор позволяет сравнивать одинаковые вещества и обнаруживать в них примеси.Основное назначение прибора -экспресс анализ, проводимый по относительным показаниям стрелочного индикатора.В стойке корпуса имеются два отверстия, в которые вставляют пробирки. Одна пробирка - с образцовым веществом, другая - с проверяемым. Объем веществ в обеих пробирках равен 30 мл. Каждую пробирку обхватывают пластины измерительных С1 и С2. При идентичности обоих веществ, емкость обоих будет равной и стрелка индикатора останется на контрольной отметке.Если же одно из веществ содержит примеси, стрелка отклонится от отметки.По углу отклонения стрелки можно судить о процентном содержании примесей.Основа прибора (рис. Зу для коногонки схема 1) - симметричный мультивибратор, выполненный на транзисторах VT2 и VT3. Конденсаторы С1 и С2 - измерительные. Если их равны, скважность импульсов на коллекторах транзисторов мультивибратора одинаковая. Но скважность импульсов может быть полностью определенной, -ее задают переменным резистором R3. Тогда стрелка индикатора РА1, подключенного к резисторам нагрузки мультивибратора через эмиттерные повторители на транзисторах VT1 и VT4, будет находиться на "нулевом" делении -точке отсчета прибора, либо на любом другом делении, выбранном произвольно (точность определения идентичности повышается, если стрелка индикатора пребывает на правой половине шкалы). За "нулевое" принято среднее деление шкалы.Когда же между пластинами окажутся отличающиеся по составу вещества, емкость конденсаторов буд...
Для схемы "ИЗМЕРИТЕЛЬ МОЩНОСТИ"
Измерительная техникаИЗМЕРИТЕЛЬ МОЩНОСТИ Для уменьшения помех работающим в эфире радиостанциям при налаживании передающих устройств применяют эквивалент антенны. Его нетрудно превратить в измеритель выходной мощности передатчика. Принципиальная схема измерителя мощности передающей KB аппаратуры приведена на рис.1. Он состоит из нагрузочного резистора R1, делителя напряжения на резисторах R2 и R3 (коэффициент деления 10). а также высокочастотного вольтметра на диоде VI. Поскольку сопротивление резистора R1 понятно, то выделяемую на нем мощность легко вычислить по формуле Р =U2/R1. Здесь U - эффективное напряжение на нагрузке.В качестве нагрузочного резистора RI используется резистор ТВО-60 мощностью 60 Вт и сопротивлением 75 Ом.Р, ВтU, BОтметка шкалымикроамперметра18.654.5212,36.4315,07,7417.99.2519,410.01027.414.02038.720.03047.524.54054.728.05061.231.56066.334.07072,537.08077.540.09082.242.510086,545.0150106.055 .0200122.563,0250137,070,5300150,077.0350162.083.5400173.089.0450184.095,0500194,0100,0Он помещен в латунный корпус, являющийся экраном (рис. 2). На одной из стенок корпуса установлен коаксиальный разъем. Резисторы R2 и R3 - TBO-0,5. Если резистора ТВО-60 нет. то можно ис...
Для схемы "Активный фильтр нижних частот"
Узлы радиолюбительской техникиАктивный фильтр нижних частотВ. ПОЛЯКОВ (RA3AAE)На рис. 1 приведена схема активного фильтра нижних частот с частотой среза 3 Кгц, который может использоваться в микрофонном усилителе передатчика или в приемнике прямого преобразования. Фильтр содержит два одинаковых усилительных каскада на транзисторах Т1 и Т2 и эмиттерный повторитель на транзисторе Т3. рис. 1Частотная характеристика первого каскада формируется цепью обратной связи R4C3C4. Фазовые соотношения в цепи таковы, что на частотах 2-3 кгц получается некоторый подъем усиления, а на частотах выше 3 кгц усиление резко падает из-за сильной отрицательной обратной связи. На невысоких частотах емкостное сопротивление конденсаторов С3 и С4 велико и обратная связь практически отсутствует. Пассивное Т-образное звено R1R2C2 компенсирует подъем усиления и вызывает ещё большее ослабление частот выше 3 кгц. Резистор R3 создает смещение и стабилизирует режим каскада. Схема регулятор мощности реактивной нагрузки Второй каскад собран по аналогичной схеме. Эмиттерный повторитель устраняет влияние нагрузки на параметры фильтра. Если фильтр работает на высокоомнуго нагрузку (более 5 ком), то эмиттерный повторитель можно исключить, а выходной сигнал снять с коллектора Т2. Нормированная частотная характеристика устройства приведена на рис.2. Во избежание нелинейных искажений входной сигнал не должен превышать 10 мв. Амплитуда сигнала при этом достигает 2 в, то есть достаточна для непосредственной подачи, например, на полупроводниковый балансный модулятор. рис. 2Фильтр сравнительно некритичен к параметру входящих в него резисторов и конденсаторов, поэтому в нем можно применять детали с допуском +-10%. Вместо указанных на схеме можно использовать любые низкочастотные транзисторы с Вст=50-100. При правильно выполненном монтаже налаживания фильтра...
Для схемы "ПРОСТОЙ БЛОКИРАТОР ТЕЛЕФОННОГО НАБОРА"
ТелефонияПРОСТОЙ БЛОКИРАТОР ТЕЛЕФОННОГО НАБОРАД.ПАНКРАТЬЕВ 700198, г.Ташкент, Куйлюк-массив-4, 28 - 10.Иногда бывает надобно исключить вероятность набора номера с определенного телефонного аппарата (ТА), например при параллельном включении. Предлагаю релейный блокиратор телефонного набора (БТН), отличающийся простотой и надежностью. Принцип действия БТН основан на обеспечении протекания постоянной составляющей тока линии ("удержании" линии) при наборе номера. Обратимся к принципиальной схеме устройства, приведенной на рисунке. В начальном состоянии цепь телефонного аппарата (ТА) разомкнута, и реле К1 обесточено. При поднятии трубки ТА реле срабатывает под действием протекающего через его обмотку тока, контакты К1.1 замыкаются и подключают к линии цепь VD1, VD2, С3, С4, RI. Конденсаторы заряжаются до некоторого уровня напряжения, соответствующего стационарному состоянию устройства. Постоянные времени выбраны таким образом, что при попытке набора номера (при периодическом размыкании цепи ТА со стандартной частотой 10 Гц) реле К1 сохраняет свое состояние, а протекание импульсного зарядного тока через конденсаторы C3, С4 обеспечивает удержание" линии, т.е. Своими руками зарядное устройство для шахтерского фонаря набор номера с ТА, подключенного через БТН, становится невозможным. В диапазоне звуковых частот реактивное сопротивление конденсаторов переменному току мало, и они не оказывают влияния на работу ТА при разговоре. Уровень напряжения переменной составляющей ограничен значением 1,8 В, соответствующим напряжению стабилизации встречно-параллельно включенных стабистоpoв VDl,VD2. При отбое реле К1 отпускает, и устройство возвращается в первоначальное состояние. Резистор R1 служит для разряда C3, С4. БТН не препятствует прохождению сигнала вызова на ТА из-за небольшого реактивного сопротивления...
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.
Это измеритель ESR (ЭПС) + измеритель ёмкости конденсаторов.
Прибор измеряет ЭПС (эквивалентное последовательное сопротивление) конденсатора и его ёмкость измеряя время зарядки постоянным током. В роли источника тока выступает управляемый стабилитрон TL431 и p-n-p транзистор.
Ёмкость меряет в пределах 1 - 150 000мкФ, ESR - до 10 Ом.
Вся конструкция была успешно позаимствована с сайта pro-radio, где Олег Гинц (он же GO и он же автор конструкции) выложил свою работу на общее обозрение. Эта конструкция была повторена не один десяток, а то и сотню раз, опробована и одобрена народом. При правильной сборке остаётся лишь выставить поправочные коэффициенты на ёмкость и сопротивление.
Прибор собран на микроконтроллере PIC16F876A, распространённом ЖК-дисплее типа WH-1602 на базе HD44780 и рассыпухе. Контроллер можно заменить на PIC16F873 - в конце статьи есть прошивки на обе модели.
Ёмкость и ESR конденсаторов около 1000 мкф измеряет за доли секунды. Так же с большой точностью измеряет малое сопротивление. То есть можно пользоваться, когда необходимо сделать шунт для амперметра:)
Так же хорошо меряет ёмкость внутрисхемно. Только, если есть индуктивности - может врать. В этом случае выпаиваем элемент.
Корпус, Z-42, в качестве коннектора подключения щупов по четырёхпроводной схеме выбрал старый, добрый, надёжный USB 2.0 порт.
Старый, советский, подсохший электролитический конденсатор.
А это нерабочий конденсатор с цепи питания процессора на материнской плате.
Как работает.
Конденсатор предварительно разряжается, включается источник тока 10 мА, оба входа измерительного усилителя подключаются на Сх, делается задержка порядка 3.6 мкс для устранения влияния звона в проводах. Одновременно через ключи DD2.3 || DD2.4 заряжается конденсатор С1, который собственно и запоминает самое большое напряжение, которое было на Cx. Следующим шагом размыкаются ключи DD2.3 || DD2.4 и выключается источник тока. Инвертирующий вход ДУ остается подключенным к Сх, на котором после выключения тока напряжение падает на величину 10мА*ESR. Вот собственно и все - далее спокойно можно мерять напряжение на выходе ДУ - там два канала, один с КУ=330 для предела 1 Ом и КУ=33 для 10 Ом.
На форуме-источнике, где выложена печатная плата и прошивки - печатка была двухсторонняя. С одной стороны - все дорожки, с другой - сплошной слой земли и просто дырки под компоненты. У меня такого текстолита на момент сборки не было, поэтому пришлось делать землю проводами. Так или иначе, особых сложностей это не доставило и на работоспособности и точности прибора никак не отразилось.
На последней картинке - источник тока, источник отрицательного напряжения и силовой ключ.
Плата простая, настройка - ещё проще.
Первое включение - проверяем наличие +5V после 78L05 и -5V (4.7V) на выходе DA4 (ICL7660). Подбором R31 добиваемся нормальной контрастности на индикаторе.
Включение прибора при нажатой кнопке Set переводит его в режим установки корректирующих коэффициентов. Их всего три - для каналов 1 Ом, 10 Ом и для ёмкости. Изменение коэффициентов кнопками + и -, запись в EEPROM и перебор - той же кнопкой Set.
Имеется так же отладочный режим - в этом режиме на индикатор выводятся измеренные значения без обработки - для емкости - состояние таймера (примерно 15 отсчетов на 1 мкФ) и оба канала измерения ESR (1 шаг АЦП=5V/1024). Переход в отладочный режим - при нажатой кнопке "+"
И еще один момент - установка нуля. Для этого замыкаем вход, нажимаем и удерживаем кнопку "+" и с помощью R4 добиваемся минимальных показаний (но не нулевых!) одновременно по обоим каналам. Не отпуская кнопку "+", нажимаем Set - на индикатор выведется сообщение о сохранении U0 в EEPROM.
Далее измеряем образцовые сопротивления 1 Ом (или меньше), 10 Ом и емкость (которой доверяете) , определяем поправочные коэффициенты. Прибор выключаем, включаем при нажатой кнопке Set и устанавливаем к-ты соответственно результатам измерений.
Плата в три этапа, вид сверху:
Схема прибора:
Привожу небольшой список FAQ, сформировавшийся на форуме-источнике.
Q. При подключении резистора в 0,22 Ома - пишет - 1 с копейками, при подключении резистора в 2,7 Ом - пишет ESR > 12.044 Ом.
A. Отклонения могут быть, но в пределах 5-10%, а тут в 5 раз. Надо проверять аналоговую часть, виновниками могут быть в порядке убывания вероятности:
источник тока,
дифф. усилитель
ключи
Начните с источника тока. Он должен выдавать 10 (+/-0.5) мА, его проверить можно либо в динамике осциллографом, нагрузив на 10 ом - в импульсе должно быть не более 100 мВ. Если ловить иголки не хочется - проверьте в статике - уберите перемычку (нулевое сопротивление) между RC0 и R3, нижний конец R3 на землю, и включаете миллиамперметр между коллектором VT1 и землей (правда возможно будет мешать VT2 - тогда при проверке коллектор VT1 лучше отключить от схемы).
На деле решение было такое: -"Перепутал я сослепу 102 и 201 - и вместо 1 килоома забубенил 200 ом."
Q. Возможна ли замена TL082 на TL072?
A. К ОУ особых требований нет кроме полевиков на входе, с TL072 должно работать.
Q. Зачем на вашей печатке сделаны два входных разъёма: один подключен к диодам-транзисторам, а другой - к DD2?
A. Чтобы скомпенсировать падение напряжения на проводах, тестируемый элемент лучше подключать по 4-х проводной схеме, поэтому и разъем 4-х контактный, а провода объединяются вместе уже на крокодилах.
Q. На холостом ходу отрицательное напряжение -4 Вольта и сильно зависит от типа конденсатора между 2 и 4 выводами ICL 7660. С обычным электролитом всего -2 В было.
A. После замены на танталовый, выдранный с 286 материнки стало -4 В.
Q. Индикатор WH-1602 не работает или греется контроллер индикатора.
A. Неверно указана цоколевка индикатора WINSTAR WH-1602 в плане разводки питания, перепутаны 1 и 2 выводы! На alldatasheet 1602L, который совпадает с цоколевкой, указанной Winstar и на схеме. Мне же попался 1602D - вот он имеет "спутанные" 1 и 2 выводы.
Надпись Cx ---- выводится в следующих случаях:
При измерении емкости срабатывает тайм-аут, т.е. за отведенное время измерения прибор не дождался переключения обоих компараторов. Это происходит при измерении резисторов, закороченных щупах, либо когда измеряемая емкость >150000 мкФ и т.п.
Когда напряжение, измеренное на выходе DA2.2 превысит 0x300 (это показания АЦП в 16-ричном коде), процедура измерения емкости не выполняется и на индикатор также выводится Cx ----.
При разомкнутых щупах (или R>10 Ом) так и должно быть.
Знак ">" в строке ESR появляется при превышении напряжения на выходе DA2.2 0x300 (в единицах АЦП)
Подводя итог: травим плату, без ошибок паяем элементы, прошиваем контроллер - и прибор работает.
Спустя пару лет решил сделать прибор автономным. По мотивам зарядного устройства для смартфонов был сделан step-up преобразователь на 7 В выходного напряжения. Можно было бы сразу на 5 В, но так как плата закреплена в корпусе на клей - отдирать не стал, да и падение напряжения на КРЕН7805 в два Вольта - небольшая потеря:)
Мой новый конструктор выглядел так:
Маленькая платка преобразователя была "обута" в термоусадку, произведена распайка всех проводов, разъём для кроны нам больше не понадобится. Просто дырка в корпусе смотрится не очень, поэтому мы его оставим, но провода откусим. Внутри корпуса не осталось места для аккумулятора, поэтому я приклеил батарею на тыльную сторону прибора и приделал ему ножки, чтобы в рабочем состоянии он не лежал на аккумуляторе.
На лицевой стороне вырезал отверстия для кнопки питания и светодиода индикации успешной зарядки. Индикацию заряда аккумулятора не делал.
Потом решил, что раз пошла такая пьянка неплохо было бы видать экран в темноте, на случай ремонта при свечах, если отключат свет, а работать хочется:)
Но это уже после того, как появился более понтовый RLC-2. Подробнее об этом приборе в этой статье.
Ёмкость – это мера способности конденсатора накапливать заряды. Ёмкость измеряется в фарадах, по имени почетного члена Петербургского университета английского физика Майкла Фарадея.
Что такое емкость?
Если удалить одиночный электропроводник бесконечно далеко, исключить влияние заряженных тел друг на друга, то потенциал удаленного проводника станет пропорционален заряду. Но у отличающихся по размеру проводников потенциалы не совпадают.
Единицей емкости конденсатора в СИ является фарад. Коэффициент пропорциональности обозначают буквой С – это емкость, на которую влияет размер и внешняя структура проводника. Материал, фазовое состояние вещества электрода роли не играют – заряды распределяются на поверхности. Поэтому в международных правилах СГС ёмкость измеряется не в фарадах, а в сантиметрах.
Уединенный шар радиусом 9 млн км (1400 радиусов Земли) содержит 1 фарад. Отдельный проводящий элемент удерживает заряды в недостаточных для применения в технике количествах. По технологиям XXI в. создается ёмкость конденсаторов с единицами измерений выше 1 фарада.
Накапливать требуемое для работы электронных схем количество электричества способна структура из минимум 2 электродов и разделяющего диэлектрика. В такой конструкции положительные и отрицательные частицы взаимно притягиваются и сами себя держат. Диэлектрик между электронно-позитронной парой не допускает аннигиляции. Подобное состояние зарядов называется связанным.
Раньше для измерения электрических величин применяли громоздкое оборудование, не отличающееся точностью. Теперь, как измерить ёмкость тестером, знает даже начинающий радиолюбитель.
Маркировка на конденсаторах
Знать характеристики электронных приборов требуется для точной и безопасной работы.
Определение ёмкости конденсатора включает измерение величины приборами и чтение маркировки на корпусе. Обозначенные значения и полученные при измерениях отличаются. Это вызвано несовершенством производственных технологий и эксплуатационным разбросом параметров (износ, влияние температур).
На корпусе указана номинальная емкость и параметры допустимых отклонений. В бытовых устройствах используют приборы с отклонением до 20%. В космической отрасли, военном оборудовании и в автоматике опасных объектов разрешают разброс характеристик в 5-10%. Рабочие схемы не содержат значений допусков.
Номинальная емкость кодируется по стандартам IEC – Международной электротехнической комиссии, которая объединяет национальные организации по стандартам 60 стран.
Стандарт IEC использует обозначения:
- Кодировка из 3 цифр. 2 знака в начале – количество пФ, третий – число нулей, 9 в конце – номинал меньше 10 пФ, 0 спереди – не больше 1 пФ. Код 689 – 6,8 пФ, 152 – 1500 пФ, 333 – 33000 пФ или 33 нФ, или 0,033 мкФ. Для облегчения чтения десятичная запятая в коде заменяется буквой “R”. R8=0,8 пФ, 2R5 – 2,5 пФ.
- 4 цифры в маркировке. Последняя – число нулей. 3 первых – величина в пФ. 3353 – 335000 пФ, 335 нФ или 0,335 мкФ.
- Использование букв в коде. Буква µ – мкФ, n – нанофарад, p – пФ. 34p5 – 34,5 пФ, 1µ5 – 1,5 мкФ.
- Планерные керамические изделия кодируют буквами A-Z в 2 регистрах и цифрой, обозначающей степень числа 10. K3 – 2400 пФ.
- Электролитические SMD приборы маркируются 2 способами: цифры – номинальная емкость в пФ и рядом или во 2 строчке при наличии места – значение номинального напряжения; буква, кодирующая напряжение и рядом 3 цифры, 2 определяют емкость, а последняя – количество нулей. А205 значит 10 В и 2 мкФ.
- Изделия для поверхностного монтажа маркируются кодом из букв и чисел: СА7 – 10 мкФ и 16 В.
- Кодировки – цветом корпуса.
Маркировка IEC, национальные обозначения и кодировки брендов делают запоминание кодов бессмысленным. Разработчикам аппаратуры и мастерам-ремонтникам требуются справочные источники.
Вычисление с помощью формул
Вычисление номинальной емкости элемента требуется в 2 случаях:
- Конструкторы электронной аппаратуры рассчитывают параметр при создании схем.
- Мастера при отсутствии конденсаторов подходящей мощности и емкости используют расчет элемента для подбора из доступных деталей.
RC цепи рассчитывают с применением величины импеданса – комплексного сопротивления (Z). Rа – потери тока на нагревание участников цепи. Ri и Rе – учитывают влияние индуктивности и ёмкости элементов. На выводах резистора в RC цепи напряжение Uр обратно пропорционально Z.
Тепловое сопротивление увеличивает потенциал на нагрузке, а реактивное уменьшает. Работа конденсатора на частотах выше резонансных, когда растет реактивная составляющая комплексного сопротивления, приводит к потерям напряжения.
Частота резонанса обратно пропорциональна способности накапливать заряд. Из формулы для определения Fр вычисляют, какие значения Ск (емкости конденсатора) требуются для работы цепи.
Для расчета импульсных схем используют постоянную времени цепи, определяющую воздействие RC на структуру импульса. Если знают сопротивление цепи и время заряда конденсатора, по формуле постоянной времени вычисляют емкость. На истинность результата влияет человеческий фактор.
Мастера используют параллельные и последовательные соединения конденсаторов. Формулы расчета обратны формулам для резисторов.
Последовательное соединение делает емкость меньше меньшей в соединении элементов, параллельная схема суммирует величины.
Измеряя параметры, конденсатор предварительно разряжают, замкнув выводы между собой отверткой с изоляцией на ручке. Если этого не сделать, маломощный мультиметр выйдет из строя.
Ответ на вопрос, как проверить емкость конденсатора мультиметром с режимом “Сх” такой:
- Включить режим “Сх” и подобрать предел замера – 2000 пФ – 20 мкФ в стандартном приборе;
- Вставить конденсатор в гнезда в приборе или приложить щупы к выводам конденсатора и посмотреть значение на шкале прибора.
Амперовольтметром или мультиметром определяют наличие внутри корпуса короткого замыкания или обрыва.
Полярный конденсатор включают в цепь прибора с учетом направления тока. Электроды изделия производители маркируют. Конденсатор, рассчитанный для напряжения 1-3 В, при обратном токе выше нормы выйдет из строя.
Перед тем как измерить характеристики, полярный электролитический конденсатор выпаивают из платы. Включают мультиметр в режим измерения сопротивления или проверки полупроводников. Прикладывают щупы к электродам полярного конденсатора – плюс к плюсу, минус к минусу. Исправная емкость покажет плавный рост сопротивления. По мере заряда ток уменьшается, ЭДС растет и достигает напряжения источника питания.
Обрыв в конденсаторе будет выглядеть на мультиметре как бесконечное сопротивление. Прибор не отреагирует или стрелка на аналоговом экземпляре едва шевельнется.
При пробое элемента измеряемый параметр не соответствует номинальному значению в меньшую сторону, пропорционально величине пробоя.
Если задаться вопросом, как измерить мультиметром комплексное или эквивалентное последовательное сопротивление (ESR конденсатора), то без приставки сделать это проблематично. Реактивные свойства конденсатор проявляет при высокочастотном токе.
Прочие способы измерения
Измеритель емкости конденсаторов своими руками собирают по схемам импульсных устройств. Последовательности RC цепей с переменными резисторами создают на выходе изделия серии сигналов со ступенчатым изменением частоты. Для наладки устройства используют мультиметр, с которым будет применяться приставка.
Набор проверенных конденсаторов поочередно подключают к конструкции и настраивают точность работы в каждом поддиапазоне.
Измеритель ёмкости полярных электролитических элементов своими руками схематически реализуется и настраивается, как часть приставки без колебательного контура. На выходе вместо импульсного – постоянное напряжение.
В цифровых измерителях ёмкости источник питания – высокостабильный. “Плавающие” параметры элементов, из которых собирается схема, дадут неприемлемую для точности измерений погрешность.
На логических элементах создаются источники переменного импульсного тока для замеров ESR.
Недорогие приборы для измерения емкости конденсатора, типа мостовых RLC устройств с дополнительной функцией проверки SMD сопротивлений, сетевой зарядкой и жидкокристаллическим дисплеем, сами размером с палец. Выполняют функции профессионального метрологического комплекса. Способны выступать в роли измерителя емкости электролитических конденсаторов, как полярных, так и переменных.
Основными параметрами, характеризующими конденсаторы, являются их электрическая ёмкость и угол потерь.
Допустимая погрешность измерения ёмкостей конденсаторов зависит от области применения последних. Ёмкость конденсаторов, входящих в состав колебательных систем, должна определяться особенно тщательно, с погрешностью, по крайней мере, 1%. При выборе конденсаторов блокировочных, разделительных, связи и т. п. обычно допускается значительный (до 20-50%) разброс ёмкостей и измерение их можно производить простейшими методами.
Рис. 1. Эквивалентные схемы (а, б) и векторная диаграмма (в) цепи с конденсатором
В каждом конденсаторе, включённом в электрическую цепь, имеют место потери энергии, возникающие главным образом в материале диэлектрика, а также вследствие несовершенства изоляции между выводами. С учётом потерь эквивалентную схему конденсатора можно представить в двух вариантах: либо в виде ёмкости С, включённой последовательно с сопротивлением потерь R п (рис. 1, а), либо в виде той же ёмкости С, шунтированной сопротивлением утечки R у (рис. 1, б). При переходе от одной эквивалентной схемы к другой для пересчёта значения активного сопротивления пользуются формулой
R у = 1/((2*π*f*C) 2 * R п) ,
где f - частота тока в цепи конденсатора.
Из векторной диаграммы на рис. 1, в, справедливой для обоих вариантов эквивалентных схем, следует, что в цепи с конденсатором из-за наличия потерь фазовый сдвиг φ между током I и напряжением U всегда меньше 90°. Потери в конденсаторе обычно характеризуют углом потерь δ = 90° - &phi, определяемым в соответствии с обозначениями на рис. 1 из формулы
tg δ = U п /U с = Iу/Iс = 2*π*f*C*R п = 1/(2*π*f*C*R у).
Потери в конденсаторе иногда выражают коэффициентом мощности cos φ или током утечки Iу, определяемым при стандартных условиях. Для большинства конденсаторов потери очень малы (tg δ < 0,001), поэтому можно считать
tg δ ≈ δ ≈ sin δ = sin (90° - φ) = cos φ .
Наибольшие потери имеют место в электролитических и бумажных конденсаторах, применение которых в основном ограничивается областью низких частот.
При некоторых методах измерений потери в конденсаторе определяются одновременно с измерением его ёмкости. При этом следует иметь в виду, что с повышением частоты потери заметно возрастают (что соответствует увеличению значения R п и уменьшению R у), тогда как ёмкость С практически не зависит от частоты. На очень высоких частотах возможно заметное возрастание действующей (измеренной по приборам) ёмкости конденсаторов из-за влияния индуктивности обкладок и подводящих проводов.
Параметры конденсатора (С, R n , R y , δ) зависят от внешних условий его работы - температуры, влажности, атмосферного давления, а также от приложенного к нему напряжения. Поэтому в ответственных случаях испытание конденсаторов осуществляется не только на их рабочих частотах, но и в условиях, близких к эксплуатационным.
Простейшие проверки конденсаторов можно производить и без специальных измерительных приборов. С помощью омметра или пробника легко обнаружить короткое замыкание или пробой между обкладками конденсатора (следует лишь учитывать, что пробой иногда проявляется только при значительном напряжении на конденсаторе, близком к его рабочему напряжению). Проверка на обрыв неэлектролитических конденсаторов ёмкостью от 0,01 мкФ и выше проще всего производится включением конденсатора в цепь переменного тока, например осветительную или трансляционную, последовательно с какой-либо нагрузкой - лампой накаливания, громкоговорителем и т. п. Нормальное или несколько ослабленное свечение лампы или звучание радиопередачи будет свидетельствовать об отсутствии обрыва.
Конденсатор, сопротивление утечки которого велико, способен удерживать длительное время без заметного уменьшения полученный им заряд; это позволяет простыми средствами оценить качество конденсаторов ёмкостью более 0,01 мкФ. При подключении к такому конденсатору омметра стрелка измерителя последнего за счёт тока заряда несколько отклонится, а затем (при большом сопротивлении утечки) возвратится в исходное или близкое к нему положение. Последующие кратковременные подключения к конденсатору омметра, повторяемые с интервалом в несколько секунд, не должны вызывать отклонения стрелки измерителя. При малом сопротивлении утечки заметное отклонение стрелки будет наблюдаться при каждом подключении омметра. Для проверки на утечку конденсаторов ёмкостью более 100 пФ можно применить головные телефоны, соединённые последовательно с низковольтной батареей. При малом сопротивлении утечки каждое подключение индикатора к конденсатору вызывает щелчок в телефонах, тогда как при хорошем конденсаторе щелчок прослушивается лишь при первом подключении. Измерение значения сопротивления утечки (на постоянном токе) может производиться индукторными или электронными мегомметрами.
Электролитические конденсаторы следует подсоединять к испытательному прибору с учётом полярности включения источника питания. При измерении сопротивления утечки таких конденсаторов рекомендуется отсчёт производить через 10 мин после их включения под напряжение, когда процесс заряда можно считать завершившимся.
Для измерения параметров конденсаторов применяются методы вольтметра - амперметра, непосредственного измерения при помощи микрофарадметров, сравнения (замещения), мостовой и резонансный.
Напряжение, приложенное к конденсатору при любом его испытании, не должно превосходить допустимого рабочего напряжения. Если в процессе испытания конденсатор заряжается до значительного напряжения, необходимо производить его разряд по окончании испытания (например, с помощью кнопки, включённой параллельно конденсатору).
Измерение ёмкостей методом вольтметра - амперметра
Рис. 2. Схемы измерения ёмкостей методом вольтметра-амперметра
Схема измерений представлена в двух вариантах на рис. 2. Проверяемый конденсатор Сх включается в цепь переменного тока известной частоты F, и реостатом (или потенциометром) R устанавливают требуемое по условиям испытания либо удобное для отсчёта значение тока I или напряжения U. По показаниям приборов переменного тока V и mА можно рассчитать полное сопротивление конденсатора
Z = (R 2 +X 2) 0,5 =U/I , (1)
где R и X = 1/(2*π*F*C x) - соответственно его активная и реактивная составляющие.
Если потери малы, т. е. R << X, то измеряемая ёмкость определяется формулой
C x = I/(2*π*F*U). (2)
Схема на рис. 2, а, даёт достаточно точные результаты при измерении больших ёмкостей, сопротивление которых X значительно меньше входного сопротивления вольтметра V. Схема на рис. 2, б, применяется для измерения меньших ёмкостей, сопротивление которых в десятки и более раз превышает сопротивление миллиамперметра mA . Предположим, что требуется измерять ёмкости в пределах 0,1-1 мкФ на частоте 50 Гц при наличии миллиамперметра переменного тока на 3 мА. Так как сопротивление этих ёмкостей X = 3200...32000 Ом во много раз больше любого возможного сопротивления миллиамперметра, то измерение следует проводить по схеме на рис. 2, б, при напряжении питания U ≥ I*X = 0,003*3200 ≈ 10 В.
Схема на рис. 2, а может быть применена и для измерения ёмкостей электролитических конденсаторов. Если напряжение питания не превышает 1-2 В, то измерение допустимо проводить при установке переключателя В в положение 1. При больших переменных напряжениях возможно повреждение конденсаторов вследствие разложения электролита. Эта опасность устраняется, если переключатель В установить в положение 2. При этом последовательно с источником переменного тока частоты F включается источник постоянного тока, напряжение на зажимах которого U 0 должно превышать амплитуду переменного напряжения. Тогда в цепи будет действовать пульсирующее напряжение, безопасное для конденсатора при условии правильной полярности его включения в схему. Пульсирующее напряжение можно также получить при последовательном включении в измерительную схему диода. Во всех случаях вольтметр V и миллиамперметр mA должны измерять лишь переменные составляющие напряжения и тока, для чего они выполняются с закрытой схемой входа.
Микрофарадметры с последовательной и параллельной схемами измерения
Приборы, у которых оценка измеряемых ёмкостей производится непосредственно по шкале стрелочного измерителя, называются микрофарадметрами. Действие этих приборов может базироваться на использовании зависимости тока или напряжения в цепи, питаемой источником переменного тока, от значения измеряемой ёмкости включённого в неё конденсатора. Схемы таких приборов во многом аналогичны схемам омметров и мегомметров.
Микрофарадметры могут иметь последовательную или параллельную схему измерения. Последовательная схема (рис. 3) применяется для измерения ёмкостей средних значений (примерно от 100 пФ до 10 мкФ). Напряжение U частоты F подводится от источника к цепи, в которой последовательно включены конденсатор опорной ёмкости С о, испытуемый конденсатор С x и микро- (или милли) амперметр переменного тока mA . Перед началом измерений при коротком замыкании входных зажимов (что эквивалентно С x = ∞) реостатом R устанавливают в цепи микроамперметра mA ток полного отклонения I п; это обеспечивается при выборе ёмкости опорного конденсатора
C 0 ≥ I п (2*π*F*U). (3)
При подключении конденсатора С x ток через микроамперметр снизится до некоторого значения I x , тем меньшего, чем меньше ёмкость С x , что позволяет измеритель снабдить шкалой с отметками значений измеряемых ёмкостей. Градуировочная характеристика прибора не зависит от частоты и формы кривой напряжения питания и приближённо определяется формулой
I x /I п ≈ С х /(С о + С x), (4)
идентичной формуле, определяющей градуировочную характеристику параллельных схем омметров. Аналогично изменяется и погрешность измерений: наименьшая в середине шкалы, она возрастает к её краям. Середине шкалы соответствует ёмкость С x ≈ С о, а диапазон измерений ограничивается значениями 0,1 С о и 10 С о. Необходимое напряжение питания определяется из условия
U ≥ I п /(2*π*F*C о).
Например, при I п = 1 мА, F = 50 Гц и С о = 20000 пФ источник питания должен обеспечивать напряжение U ≥ 160 В, но если частота колебаний источника F = 1000 Гц, то потребное напряжение питания снижается до 8-10 В.
Для измерения ёмкостей в широком диапазоне микрофарадметр должен иметь несколько пределов измерений, которые целесообразно задавать средними значениями шкалы С о при переходном коэффициенте N, кратном 10.
Рис. 3. Последовательная схема микрофарадметра с измерителем тока
Наиболее удобным источником питания микрофарадметра является сеть переменного тока частотой 50 Гц, позволяющая с помощью малогабаритного трансформатора получить любое требуемое напряжение. Высокое значение последнего необходимо лишь на пределах с самыми малыми ёмкостями С о. Если ограничить максимальное напряжение питания значением 200 В, то при наличии выпрямительного микроамперметра mA на 100 мкА можно получить, согласно (3), ёмкость С о да 1600 пФ. Высоковольтное питание допустимо включать лишь после разряда конденсатора С о и присоединения к схеме испытуемого конденсатора. Для замыкания входных зажимов с целью установки стрелки измерителя на отметку «∞» желательно использовать кнопку. Конденсаторы С о и С x должны быть рассчитаны на рабочее напряжение, не меньшее испытательного. Для предотвращения повреждения измерителя в случае пробоя конденсатора С о, последний целесообразно составлять из двух последовательно включённых конденсаторов, каждый ёмкостью 2С о. Возможно также включение в цепь питания ограничительного резистора с сопротивлением, в 5-10 раз меньшим ёмкостного сопротивления конденсатора С о.
Для расширения диапазона измерений в сторону больших значений С о в начале обычно уменьшают в N раз напряжение питания (пока оно не достигнет единиц вольт), используя отводы от обмоток силового трансформатора или с помощью резистивного делителя напряжения. Переход к пределам с ещё большим значением С о может сопровождаться понижением чувствительности индикатора посредством его шунтирования, подобно тому, как это делается в многопредельных омметрах. Верхний предел измеряемых ёмкостей обычно не превосходит 1-10 мкФ, поскольку при сопротивлении конденсатора С о, сравнимым с внутренним сопротивлением индикатора и цепи питания, сильно возрастает погрешность измерений.
При расширении диапазона измерений в сторону малых значений С о для получения приемлемых значений напряжения питания U схему приходится питать от внутреннего или внешнего генератора - источника напряжения повышенной частоты F в тысячи герц. При этом необходимо принимать меры к устранению влияния собственных ёмкостей схемы и монтажа.
Схема микрофарадметра по рис. 3 будет действовать и при замене опорного конденсатора С о на опорный резистор R о. В этом случае выбранное среднее значение С о шкалы измерения ёмкостей будет достигаться при сопротивлении
R о ≈ (4*U 2 / I 2 п - 1/(2*π*F*C о) 2) 0,5
Такой прибор можно одновременно использовать и как омметр с последовательной схемой для приближённого измерения (на частоте F) активных сопротивлений при условии выполнения отсчёта по специальной шкале, сходной со шкалой ёмкостей, но обратного расположения.
Рис. 4. Последовательная схема многопредельного микрофарадметра с измерителем напряжения
При наличии электронного вольтметра переменного тока с большим входным сопротивлением R в за основу микрофарадметра может быть принята схема, приведённая на рис. 4. Переменное напряжение U, стабилизированное цепочкой R1, Д1, Д2 и равное примерно пределу измерения U п вольтметра V, при замыкании входных зажимов воздействует на вольтметр. Регулировкой чувствительности последнего добиваются отклонения стрелки его измерителя до конца шкалы. При включении в схему испытуемого конденсатора С x образуется делитель напряжения R о, С x , с которого к вольтметру подводится напряжение U x , тем меньшее, чем меньше ёмкость С x . Выбранное среднее значение С о шкалы ёмкостей будет достигаться при сопротивлении R о ≈ 1/(11*F*C о). Переключением резисторов R о различных номиналов осуществляется смена пределов измерений ёмкостей. Минимально возможное значение ёмкости С о ограничивается предельно допустимым значением сопротивления R о ≈ 0,1 R о. Например, при R о = 1 МОм и частоте F = 50 Гц получаем ёмкость С о ≈ 1/(11*F*R о) = 1820 пФ.
Микрофарадметр в рассматриваемом режиме его работы имеет крайние отметки шкалы ёмкостей «0» и «∞». Однако если использовать в приборе чувствительный милливольтметр с пределом измерения U п << U, допускающий кратковременную случайную перегрузку до напряжения, равного U, то верхние пределы измерения прибора могут быть ограничены выбранными значениями ёмкостей С п, которым должны соответствовать сопротивления
R о ≈ U п /(U*2*π*F*C п) ;
при этом значительно расширяется рабочий участок шкалы. В данном случае при допустимом сопротивлении R о = 1 МОм, частоте F = 50 Гц и отношении напряжений U п /U = 1/30 получаем С п ≈ 100 пФ, что позволяет производить измерение ёмкостей от 10пФ и более. Если порядок измеряемой ёмкости С x неизвестен, то переключателем В следует первоначально установить предел измерений наибольших ёмкостей, при котором возможная перегрузка вольтметра ограничивается из-за возрастания падения напряжения на резисторе R1.
В микрофарадметре с ограниченными пределами измерения перед началом измерений необходимо производить калибровку прибора. В схеме на рис. 4 для этой цели служит цепочка R2, С1. При нажатии кнопки Кн с конденсатора С1 на вход вольтметра подаётся напряжение, при котором стрелка его измерителя должна отклоняться до конца шкалы (или до определённой метки на шкале), чего добиваются регулятором чувствительности. Обычно берут R2 равным сопротивлению R о одного из пределов измерения, а С 1 равной ёмкости С п того же предела.
На рис. 5, а представлен один из вариантов параллельной схемы микрофарадметра. При свободных входных зажимах (что эквивалентно ёмкости С x = 0) регулировкой чувствительности вольтметра V добиваются отклонения стрелки его измерителя до конца шкалы. Включение в схему конденсатора С x приводит к тому, что напряжение на вольтметре, первоначально равное U п, снижается до значения U x , тем меньшего, чем больше ёмкость С x . Градуировочная характеристика микрофарадметра определяется формулой
U x /U п ≈ C о /(C о + C x), (5)
аналогичной формуле, определяющей градуировочную характеристику последовательных схем омметров.
Входное сопротивление вольтметра R в и частота тока питания F ограничивают выбор опорной ёмкости конденсатора С о, определяющей среднее значение шкалы, условием
C о ≥ 1,5/(F*R в) .
Например, при R в = 1 МОм и F = 50 Гц получаем С о ≥ 30000 пФ, т. е. прибор оказывается пригодным для измерения лишь сравнительно больших ёмкостей (не электролитических!) При высокочастотном источнике питания возможно снижение допустимых значений С о до сотен пикофарад, однако погрешность измерений может оказаться большой, если не учитывать входную ёмкость вольтметра.
Рис. 5. Параллельные схемы микрофарадметров
Для измерения ёмкостей электролитических конденсаторов пригодна схема на рис. 5, б. Благодаря включению диода Д на делителе напряжения R1, R2 действует пульсирующее напряжение U о. При С х = 0 с резистора R2 на вольтметр V (он может быть сравнительно низкоомным, например выпрямительным) подаётся напряжение полного отклонения U п. Включение конденсатора С х приводит к снижению напряжения на вольтметре в соответствии с формулой (5). При выбранном среднем значении шкалы ёмкостей С о и частоте F = 50 Гц необходимые значения сопротивлений делителя напряжения определяются формулами:
R1 = U о / (U п * 180*С о); R2 = R1*U п (U о -U п).
Изменение пределов измерений осуществляется посредством использования нескольких делителей напряжения с одинаковым коэффициентом деления U о /U а, но различными значениями сопротивлений R1 и R2. Вольтметр переменного тока V должен иметь закрытую схему входа, иначе напряжение на него следует подавать через электролитический конденсатор большой ёмкости.
Все рассмотренные схемы микрофарадметров позволяют измерять ёмкости конденсаторов с погрешностью 5-10%, а иногда и более. Выполнить их шкалу на основе расчёта градуировочной характеристики не всегда удаётся вследствие влияния различных трудно учитываемых факторов, например внутренних сопротивлений источника питания и измерительных приборов, нелинейности шкалы напряжений вольтметра и т. п. Поэтому при регулировке и градуировке микрофарадметров необходимо использовать магазины ёмкостей или наборы конденсаторов с допусками по ёмкости не более 5%.
Пример 1. Рассчитать последовательную схему микрофарадметра по рис. 3 на предел измерений от С н = 200 пФ до С м = 20000 пФ при условии, что напряжение питания не должно превышать 10 В. В приборе применить в качестве измерителя миллиамперметр на 1 мА.
Указание. Середине шкалы соответствует ёмкость С о ≈ (С н С м) 0,5 .
Ответ: С о = 2000 пФ, F ≥ 8 кГц. При выборе F = 10 кГц U ≥ 8В, R = 3...5 кОм
Ответ: С о = 3 мкФ, R1 = 37 кОм, R2 = 2 кОм; С" о = 30 мкФ, R"1 = 3,7 кОм, R"2 ≈ 200 Ом.
Микрофарадметры с равномерной шкалой
Микрофарадметр с равномерной шкалой может быть выполнен по схеме, аналогичной схемам ёмкостных частотомеров, в принципе отличаясь от последних лишь тем, что объектом измерений является не частота, а ёмкость. Действие таких приборов базируется на измерении среднего значения тока заряда или разряда проверяемого конденсатора, перезаряжаемого напряжением известной частоты.
На рис. 6, а, приведена схема измерительного блока микрофарадметра, питаемого импульсным напряжением u прямоугольной формы. Во время действия импульса через диод Д происходит заряд конденсатора С х до максимального напряжения U м. В интервале между импульсами конденсатор разряжается через измеритель (магнитоэлектрический микроамперметр) И до начального напряжения U н. В установившемся режиме при частоте повторения входных импульсов f и их амплитуде U п = U м - U н среднее значение протекающего через измеритель тока I x = C x U п f. При фиксированных значениях U п и f измеритель можно снабдить равномерной шкалой с отсчётом в значениях С х в соответствии с формулой
C х = I х /(U п f).
Предельное значение измеряемых ёмкостей
C п = I и /(U п f),
где I и - ток полного отклонения измерителя. Для сглаживания пульсаций и устранения колебаний стрелки измерителя служит конденсатор С, сопротивление которого при частоте f должно быть значительно меньшим сопротивления R и измерителя.
Результаты не изменятся, если измеритель включить в цепь зарядного тока последовательно с диодом Д2 (рис. 6, б); тогда разрядный ток конденсатора С x будет замыкаться через диод Д1. При измерении малых ёмкостей иногда применяют двухполупериодную схему включения измерителя (рис. 6, в). В этом случае через измеритель протекают и зарядный и разрядный токи, что позволяет получить требуемый предел измерений при напряжении U п или частоте f, вдвое меньших, чем в схемах с однополупериодным включением измерителя.
Рис. 6. Схемы измерительных блоков микрофарадметров с равномерной шкалой
Пределы измерений прибора задаются значениями С п и для их обеспечения при переключении пределов изменяют частоту повторения импульсов источника питания, определяемую формулой
f = I и (U п C п) . (6)
Перед началом измерений на каждом пределе должна производиться калибровка микрофарадметра, для чего к нему нажатием кнопки Кн присоединяют конденсатор ёмкостью С о = С п (рис. 6, а); при этом добиваются отклонения стрелки измерителя до конца шкалы посредством плавной регулировки частоты f, амплитуды импульсов U п или чувствительности измерителя (например, с помощью шунтирующего реостата R ш). Поскольку шкала прибора равномерна, то погрешность измерения ёмкостей в основном определяется погрешностью подбора опорной ёмкости С о, отклонение которой от требуемого номинала (С п) не должно превышать 1...5%.
Для получения правильных результатов измерений необходимо, чтобы за один период входного напряжения и конденсатор С x успевал полностью зарядиться и разрядиться (в пределах напряжений U м - U н). Легче всего это обеспечивается при прямоугольной форме входных импульсов и надлежащем выборе частоты их повторения f.
Как известно, в цепи, состоящей из элементов R и С, длительность заряда (разряда) конденсатора С до значения приложенного к этой цепи постоянного напряжения определяется постоянной времени τ = RC и практически не превосходит 5τ. Для того чтобы заряд (разряд) заканчивался в течение полупериода T/2 напряжения частоты f, необходимо выполнение условия
5RС = 5 τ <= T/2 = 1/(2*f),
которое удовлетворяется при частоте
f <= 1/(10*RС). (7)
Принимая максимально возможное сопротивление цепей заряда и разряда R = 10 кОм (с учётом выходного сопротивления Rвых генератора импульсов), получаем практическую формулу для выбора частоты повторения импульсов (в килогерцах):
f ≤ 10 4 / С п (8)
(где С п - в пикофарадах). В последнем условии часто принимают знак равенства. Тогда верхним пределам измерений С п - 100, 1000, 10 000 пФ и 0,1 мкФ будут соответственно отвечать частоты f = 100, 10, 1 и 0,1 кГц.
Условие (8) и формула (6) определяют необходимую амплитуду импульсов (в вольтах):
U п ≥ 0,1*I и
(где I и - в микроамперах). Например, при работе с измерителем, имеющим ток полного отклонения I и = 100 мкА, требуется амплитуда U п ≥ 10 В.
Сопротивление резистора R д (рис. 6, а) берётся таким, чтобы сопротивление цепи измерителя R д + R и значительно превышало (по крайней мере, в десятки раз) прямое сопротивление диода Д; в то же время оно не должно увеличивать общее сопротивление цепи разряда сверх допустимого значения (10 кОм). Если оба условия не удаётся одновременно удовлетворить, то резистор R д заменяют диодом, пропускающим ток разряда; при этом измеритель оказывается включённым по схеме на рис. 6, б. При расчёте прибора учитывают также характер выходного сопротивления R вых генератора импульсов, которое в зависимости от схемы генератора может быть постоянным, регулируемым или даже нелинейным (большим во время действия импульса и малым в интервале между импульсами).
Помимо равномерной шкалы ёмкостей, микрофарадметры могут иметь неравномерную шкалу с диапазоном показаний от 0 до ∞, подобную шкалам параллельных схем омметров. Характер шкалы (равномерная - Р, неравномерная - Н) в схеме на рис. 6, а, определяется установкой переключателя B1 . В положении последнего «Н» испытуемый конденсатор С х включается последовательно с опорным конденсатором С о, ёмкость которого задаёт предел измерений прибора и примерно соответствует середине его нелинейной шкалы.
Равномерная шкала измерения ёмкостей может быть получена и некоторыми другими методами. Так, если к выходу мультивибратора подключить дифференцирующую цепочку R, С х, то среднее напряжение импульсов одной полярности, снимаемых с резистора R, оказывается пропорциональным ёмкости С х. Для работы в таком приборе требуется чувствительный милливольтметр постоянного тока. Пределы измерений могут задаваться сопротивлениями резистора R. При частоте повторения импульсов f = 100 кГц были получены верхние пределы измерения ёмкостей С п = 10 и 100 пФ.
Пример 3. Произвести ориентировочный расчёт измерительного блока микрофарадметра с равномерной шкалой (рис. 6, а) для измерения ёмкостей с верхними пределами 300 и 3000 пФ, 0,03 и 0,3 мкФ, если измеритель прибора имеет данные: I и = 50 мкА, R и = 2600 Ом.
Ответ: С о = 300 и 3000 пФ, 0,03 и 0,3 мкФ; f = 30 и 3 кГц, 300 и 30 Гц; R д = 1,5 кОм; R ш = 10 кОм; С = 5..10 мкФ; U п = 5 В; R вых ≤ 6 кОм.
Измерение ёмкостей методом сравнения (замещения)
Данный метод базируется на сравнении действия, оказываемого измеряемой ёмкостью С х и известной ёмкостью С о на режим измерительной схемы.
Простейшая схема измерений, в которой ёмкости С х и С о сравниваются по значению их сопротивления переменному току, приведена на рис. 7. При включении конденсатора С x потенциометром R устанавливают в цепи ток, удобный для отсчёта или контроля по миллиамперметру переменного тока mA или другому низкоомному индикатору. Затем вместо конденсатора С x присоединяют к схеме магазин ёмкостей или образцовый (опорный) конденсатор переменной ёмкости и изменением его ёмкости С о добиваются прежнего показания индикатора. Это будет иметь место при С о = С x . Погрешность измерений зависит от чувствительности индикатора и погрешности отсчёта ёмкости С о; она может быть получена равной примерно 1% и менее.
Рис. 7. Схема измерения ёмкостей
При измерении ёмкостей свыше методом сравнения 5000 пФ схему измерений можно питать от сети переменного тока частотой 50 Гц. Для измерения меньших ёмкостей необходим генератор, работающий на более высоких частотах. Во всех случаях для обеспечения безопасности индикатора в цепь следует включать ограничительный конденсатор (С1) или резистор.
Метод сравнения в различных вариантах широко применяется в мостовых и резонансных измерителях ёмкостей. Он может быть реализован и в микрофарадметрах, рассмотренных в предыдущих параграфах, при существенном снижении погрешности измерений.
Измерительные мосты переменного тока
Для измерения параметров конденсаторов и катушек индуктивности широко применяются уравновешенные мосты переменного тока .
В общем случае плечи измерительного моста переменного тока (рис. 8) обладают комплексными сопротивлениями Z1, Z2, Z3 и Z4, одно из которых, например Z4, является объектом измерений. Питание моста производится от источника переменного тока частоты F, напряжение которого подводится непосредственно или через трансформатор Тр к одной из диагоналей моста. В другую диагональ включается индикатор нуля переменного тока ИН .
Рис. 8. Схема моста переменного тока
Так же как и в мостах постоянного тока , процесс измерения сводится к уравновешиванию моста переменного тока, которое характеризуется отсутствием разности потенциалов между вершинами а
и б
; для этого необходимо, чтобы падения напряжения в плечах Z1 и Z4 (а также в плечах Z2 и Z3) были равны по амплитуде и совпадали по фазе. Равновесие достигается при выполнении двух условий:
1) равенстве произведений модулей полных сопротивлений противоположных плеч, т. е.
Z 4 Z 2 = Z 1 Z 3 ; (9)
2) равенстве сумм фазовых углов этих же плеч, т. е.
φ4 + φ2 = φ1 + φ3 . (10)
Если плечо моста обладает активным R и реактивным (ёмкостным или индуктивным) X сопротивлениями, действующими последовательно, то модуль полного сопротивления плеча
Z = (R 2 -Х 2) 0,5 , (11)
а его фазовый угол φ определяется из формулы
tg φ = X/R . (12)
Для чисто активных плеч (X = 0) фазовый угол φ = 0; для чисто ёмкостных и индуктивных плеч (R = 0) соответственно φ = -90° и φ = +90°. Если сопротивление плеча имеет смешанный (комплексный) характер, то фазовый угол |φ| < 90°.
Если сопротивления R и X представляются в параллельном соединении, то модуль полного сопротивления плеча
Z = 1/(1/R 2 +1/Х 2) 0,5 , (13)
а фазовый угол φ находится из формулы
tg φ = R/X . (14)
В этом случае угол φ = 0 при отсутствии реактивного сопротивления (X = ∞) и φ = +-90° при отсутствии активного сопротивления (R = ∞).
Для одновременного выполнения обоих условий равновесия приходится регулировать два параметра известных плеч моста; при этом оказывается возможным определить два параметра исследуемого плеча, например активную и реактивную составляющие его полного сопротивления.
Условие (9) можно выполнить всегда посредством регулировки элементов плеч моста. Второе же условие (10) выполнимо лишь при определённой компоновке схемы моста, например в случае, если все четыре плеча состоят из одинаковых элементов - резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности. Обычно в целях упрощения схемы два плеча моста переменного тока составляются из элементов активного сопротивления - резисторов. Если эти плечи являются смежными (рис. 9), то два других плеча должны обладать реактивными сопротивлениями одинакового характера, т. е. оба должны содержать либо конденсаторы либо катушки индуктивности. Если плечи активного сопротивления являются противоположными, то два других плеча должны обладать реактивными сопротивлениями различного характера: одно - ёмкостного, а другое - индуктивного, имеющими фазовые углы разных знаков, сумма которых может быть сделана равной нулю.
В измерительных мостах переменного тока избегают применения катушек индуктивности (если, конечно, последние не являются объектами измерений), поскольку они обладают заметным активным сопротивлением и восприимчивы к магнитным полям; кроме того, при наличии стального сердечника индуктивность катушки не является стабильной. В качестве регулируемых элементов в мостах используются переменные резисторы и конденсаторы, а также магазины сопротивлений и ёмкостей.
В простейших мостах, питаемых от источников звуковой частоты, индикаторами нуля часто служат головные телефоны. Мост уравновешивают по минимальной слышимости тона основной частоты, что уменьшает ошибку измерений, обусловленную действием гармоник, и позволяет снизить требования к генератору питания.
В измерительных мостах промышленного изготовления в качестве индикаторов нуля применяют выпрямительные или электронные милливольтметры, а также осциллографические индикаторы на малогабаритных электроннолучевых трубках; последние в отличие от других индикаторов обладают фазочувствительностью, что позволяет определять направление, в котором следует производить уравновешивание моста.
Достоинствами уравновешенных мостов переменного тока являются малая погрешность измерения, не превышающая в лучших образцах 1%, широкие пределы измерений, возможность универсального применения для измерения различных электрических величин. Главным их недостатком является сложность и длительность процесса уравновешивания. В последнем отношении определённые преимущества имеют неуравновешенные и автоматические мосты переменного тока.
В неуравновешенных мостах переменного тока амплитуда и фаза выходного напряжения на зажимах индикаторной диагонали зависят как от модуля, так и от состава объекта измерений Zx. При сравнительно малом отклонении от состояния равновесия активная и реактивная составляющие выходного напряжения оказываются примерно пропорциональными приращениям аналогичных составляющих комплексного сопротивления Zx относительно тех значений, при которых мост уравновешен Посредством двух фазочувствительных систем удаётся разделить составляющие выходного напряжения, сдвинутые по фазе на 90°, которые затем раздельно измеряются двумя индикаторами; отчёт по шкалам последних производится соответственно в значениях активной и реактивной составляющих сопротивления Zx.
В автоматических мостах переменного тока выделенные фазочувствительными системами составляющие выходного напряжения приводят в действие два электродвигателя, которые посредством приводов воздействуют на элементы регулировки мостовой схемы до момента достижения состояния равновесия.
Мостовой метод измерения параметров конденсаторов
Мосты, применяемые для измерения параметров конденсаторов, разделяются на магазинные и реохордные (линейные). Простейший (однопредельный) магазинный мост, пригодный для измерения ёмкостей в десятки и сотни пикофарад, может быть составлен из четырёх конденсаторов: измеряемого, переменного со шкалой ёмкостей (в смежном плече) и двух постоянных с одинаковой ёмкостью (сотни пикофарад). При использовании в качестве индикатора головных телефонов источником питания моста может служить радиотрансляционная сеть. Широкодиапазонные магазинные мосты сложнее реохордных, однако они обеспечивают меньшую погрешность измерения и могут иметь равномерные отсчётные шкалы. Диапазон ёмкостей, измеряемых мостовым методом, лежит примерно в пределах от 10 пФ до 10...30 мкФ.
На рис. 9, а приведена схема многопредельного магазинного моста. Его уравновешивают с помощью конденсатора переменной ёмкости С1 и переменного резистора R1. Применяя к данной схеме условие равновесия (9), получаем
R2*(R x 2 + 1/(2*π*F*C x) 2) 0,5 = R3*(R1 2 +1/(2*π*F*C 1) 2) 0,5
Учитывая, что φ 2 = φ 3 = 0, второе условие равновесия (10) можно записать в виде равенства φ x = φ 1 или tg φ x = tg φ 1 или, согласно формуле (12),
1/(2*π*F*C x *R x) = 1/(2*π*F*C 1 *R 1).
Решая совместно приведённые выше уравнения, находим:
С x = С1(R2/R3) ; (15)
R x = R1(R3/R2) . (16)
При фиксированном отношении сопротивлений плеч R2/R3 конденсатор С1 и резистор R1 можно снабдить шкалами с отсчётом соответственно в значениях ёмкостей С х и сопротивлений потерь R x . Расширение диапазона измерений достигается применением группы переключаемых резисторов R3 (или R2) различных номиналов, обычно различающихся в 10 раз. Мост уравновешивается быстро, поскольку регулировки, осуществляемые конденсатором С1 и резистором R1, взаимонезависимы. Если мост предназначается для измерения ёмкостей, меньших 0,01 мкФ, для которых потери на низких частотах очень малы, то резистор R1 может отсутствовать.
Рис. 9 Схемы магазинных мостов для измерения параметров конденсаторов
В целях упрощения конструкции в некоторых измерительных мостах конденсатор С1 берётся постоянной ёмкости, а в качестве регулируемых элементов используются два переменных резистора, например R1 и R2 (рис. 9, б). Из формул (15) и (16) следует, что обе регулировки такого моста оказываются взаимосвязанными, поэтому его уравновешивание, контролируемое по показаниям выпрямительного индикатора, должно осуществляться способом последовательного приближения к минимуму путем попеременного изменения сопротивлений R1 и R2. Значения ёмкостей С х находятся по шкале резистора R2 с учётом множителя, определяемого установкой переключателя В . Поскольку непосредственная оценка сопротивлений потерь R x оказывается невозможной, то отсчёт по шкале резистора R1 обычно выполняется в значениях тангенса угла потерь:
tg δ = 2*πF*C x *R x = 2*π*F*C 1 *R 1 ,
который при фиксированной частоте F однозначно определяется значением сопротивления R1. В справедливости последней формулы легко убедиться, если перемножить соответственно левые и правые части равенств (15) и (16).
Простые измерители ёмкостей выполняются по схеме реохордного моста, в котором обычно предусматривается возможность измерения и сопротивлений, а иногда и индуктивностей. Схема универсального реохордного моста приведена в статье Измерение параметров катушек индуктивности на рис. 5.
Пример 4. Произвести поверочный расчёт схемы магазинного моста по рис. 9, б, для измерения ёмкостей на трех пределах с верхними значениями 10000 пФ, 0,1 и 1 мкФ, а также тангенса угла потерь от 0 до 0,01, если ёмкость С1 = 0,01 мкФ, а полное сопротивление R2 - 10 кОм. Напряжение питания 10 В, частота 50 Гц. Измеритель И имеет параметры: I и = 100 мкА, R и = 900 Ом.
Результаты расчёта приведены на схеме.
Резонансные измерители ёмкостей
Помимо измерения частоты электрических колебаний резонансные методы широко применяются для измерения малых ёмкостей и индуктивностей, добротности, собственной или резонансной частоты настройки и других параметров радиодеталей и колебательных систем.
Резонансная схема измерения ёмкостей (рис. 10) обычно включает в себя генератор высокой частоты, с контуром которого LС слабо связывается индуктивно (или через ёмкость) измерительный контур, состоящий из опорной катушки индуктивности L о и испытуемого конденсатора С х. Изменением ёмкости конденсатора С генератор настраивают в резонанс с собственной частотой f о измерительного контура по экстремальным показаниям индикатора резонанса, например электронного вольтметра V. При известной частоте настройки генератора f о измеряемая ёмкость определяется формулой
С х = 1/((2*π*f о) 2 *L о) ≈ 0,0253/(f о 2 L о) (17)
При фиксированном значении L о конденсатор С можно снабдить шкалой с отсчётом в значениях ёмкостей С х.
Пределы измерений ёмкостей определяются значением индуктивности L о и диапазоном частот генератора. Например, при L о = 100 мкГ и диапазоне генератора 160-3500 кГц прибор будет измерять ёмкости от десятков пикофарад до сотых долей микрофарад. Для расширения пределов измерений ёмкостей при ограниченном частотном диапазоне генератора применяют несколько сменных катушек L о различной индуктивности, а также включают испытуемые конденсаторы в измерительный контур последовательно с конденсаторами известной ёмкости. Ёмкости более 0,01-0,05 мкФ резонансным методом обычно не измеряются, так как на низких частотах резонансные кривые колебательных контуров становятся тупыми, что затрудняет фиксацию резонанса.
В качестве индикаторов резонанса используют чувствительные высокочастотные приборы, реагирующие на ток или напряжение, действующие в измерительном контуре, например электронные вольтметры со стрелочным или электронно-световым индикатором, электроннолучевые осциллографы, термоэлектрические приборы и др. Индикатор резонанса не должен вносить в измерительный контур заметного затухания.
Рис. 10. Схема измерения ёмкостей резонансным методом
Верхний предел измеряемых подобным методом ёмкостей равен разности между максимальной С м и начальной С н ёмкостями конденсатора С о. Конденсаторы, ёмкость которых превышает значение С м - С н, можно подключать к контуру последовательно с постоянным конденсатором известной ёмкости Сх. При этом порядок измерений остаётся прежним, но измеряемая ёмкость подсчитывается по формуле
С x = С1 (С о1 - С о2)/(С 1 - С о1 + С о2).
Например, при С 1 = 600 пФ, С о1 = 500 пФ и С о2 = 100 пФ получаем С x = 1200 пФ. Применяя несколько сменных конденсаторов С1 различных номиналов, можно получить ряд пределов измерений. Если задаться верхним пределом измеряемых ёмкостей С п, то необходимая ёмкость С x определится формулой:
С 1 = С п (С м -С н)/(С п -С м + С н).
Например, при С п = 2000 пФ, С м = 500 пФ и Сн = 20 пФ конденсатор должен обладать ёмкостью С1 = 630 пФ.
Различные варианты резонансных методов реализуются в специальных измерительных приборах или посредством малогабаритных приставок к типовой, имеющей частотные шкалы, радиоаппаратуре (к последним относятся высокочастотные измерительные генераторы, радиоприёмники и т. п.).
Рис. 11. Схема резонансного измерителя ёмкостей, использующего явление поглощения
На рис. 11 приведена схема резонансного измерителя ёмкостей, основанного на использовании явления поглощения (абсорбции). Прибор содержит маломощный генератор по схеме ёмкостной трёхточки, с колебательным контуром которого индуктивно связан измерительный контур L2, С6, С7. Связь между контурами устанавливается сравнительно сильной (например, посредством использования общего ферритового сердечника для катушек L1 и L2) с целью обеспечения заметного влияния измерительного контура на режим генератора. Индикатором резонанса служит микроамперметр постоянного тока mA , включённый в цепь базы транзистора Т. При настройке измерительного контура в резонанс с частотой генератора энергия, поглощаемая контуром, оказывается наибольшей. Это вызывает резкое уменьшение постоянной составляющей тока базы, измеряемой микроамперметром mA , что обеспечивает чёткую фиксацию состояния резонанса.
Для уменьшения погрешности измерения малых ёмкостей можно в измерительный контур включить два конденсатора переменной ёмкости (С6 и С7 на рис. 11) с максимальными ёмкостями, например, 500 и 50 пФ. Перед измерениями оба конденсатора устанавливаются на максимальную ёмкость и с помощью подстроечного сердечника одной из катушек добиваются резонансной настройки генератора и измерительного контура. Затем, присоединив к контуру конденсатор С х, в зависимости от предполагаемой ёмкости последнего одним из конденсаторов С6 или С7 восстанавливают резонанс. Отсчёт по шкалам конденсаторов С6 и С7 желательно производить непосредственно в значениях ёмкостей С х.
Рис 12. Схема измерения ёмкостей резонансным методом с помощью радиоприёмника
Рассмотренный вариант резонансного метода может быть реализован с помощью простейшей приставки к радиоприёмнику, имеющему внутреннюю магнитную антенну. Приставка (рис. 12) представляет собой измерительный контур L, С о, собственная частота которого при максимальном значении ёмкости С о должна находиться в пределах какого-либо частотного поддиапазона приёмника. Приёмник настраивают на частоту одной из хорошо принимаемых передающих радиостанций этого поддиапазона, а затем катушку L располагают вблизи приёмника, параллельно его магнитной антенне. При наибольшей ёмкости С о подстроечным сердечником катушки L контур настраивают в резонанс с частотой настройки приёмника, который обнаруживается по ослаблению слышимости звуковых сигналов радиостанции, а затем производят измерение ёмкости С х методом замещения.
Высокая точность фиксации состояния резонанса достигается при гетеродинном методе (методе нулевых биений). В гетеродинном измерителе ёмкостей имеется два одинаковых высокочастотных гетеродина, колебания которых смешиваются в детекторном каскаде, нагруженном на телефоны. При максимальной ёмкости основных контурных конденсаторов переменной ёмкости оба гетеродина подстраиваются на одну и ту же частоту, что контролируется по нулевым биениям. Затем параллельно одному из этих конденсаторов включают конденсатор С x , ёмкость которого определяют методом замещения.
Если оба гетеродина выполнить совершенно идентичными, то прибор можно успешно применить для выравнивания ёмкостей сдвоенных и строенных блоков конденсаторов переменной ёмкости. Для этого к контурам обоих гетеродинов одновременно подключают по одной секции проверяемого блока конденсаторов и при их максимально введённой ёмкости добиваются нулевых биений. Если обе секции одинаковы, то при сопряжённом уменьшении их ёмкостей нулевые биения должны сохраняться.
Однозначная связь между ёмкостью колебательного контура генератора и частотой возбуждаемых колебаний позволяет создать измеритель ёмкостей, состоящий из генератора, в контур которого включаются конденсаторы C x , и частотомера, имеющего шкалу с непосредственным отсчётом значений С x .
Во всех вариантах применения резонансного метода предварительную регулировку измерительной схемы следует выполнять при подключённых к ней проводниках связи с объектом измерений, длина которых должна быть возможно меньшей.
