Site Loader

Содержание

Измерение емкости электролитических конденсаторов

Измерение емкости электролитических конденсаторов
В. ЧЕРНИКОВ, «Радио» #12, стр.54.

В повседневной практике радиолюбители нередко сталкиваются с необходимостью измерения емкости конденсаторов, особенно электролитических, так как из-за высыхания электролита она со временем снижается. Кроме того, электролитические конденсаторы имеют большие допуски по емкости.

Описываемый здесь прибор позволяет измерять емкость полярных и неполярных электролитических и неэлектролитических конденсаторов до 3000 мкФ. Отсчет идет непосредственно по шкале стрелочного измерительного прибора.

Работа прибора основана на измерении протекающего через конденсатор переменного тока при подведении к нему пульсирующего напряжения от однополупериодного выпрямителя.

Принцип действия прибора поясняет схема, приведенная на рис. 1. Во время положительной полуволны переменного напряжения на верхнем (по схеме) выводе вторичной обмотки трансформатора Т1 конденсатор Сх заряжается через выходное сопротивление выпрямителя, а во время отрицательной — разряжается через резистор R1. Эффективное значение тока /с через конденсатор пропорционально его емкости. Нижняя граница емкости измеряемых конденсаторов ограничивается чувствительностью измерителя тока, верхняя — постоянной времени цепи разрядки CхR1. При этом надо иметь в виду, что значительное уменьшение сопротивления резистора R1 для уменьшение постоянной времени нецелесообразно из-за резкого увеличения рассеиваемой резистором мощности.

Принципиальная схема прибора показана на рис. 2. Диапазон измерения емкости — от 3000 пФ до 300 мкФ. Измерительный прибор PAJ — на переменное напряжение 30 мВ. Он может быть как промышленным, так и любительским с входным сопротивлением не менее 100 кОм. Может подойти, в частности, прибор, описание которого приведено в статье Б. Степанова и В. Фролова «Милливольтметр переменного тока» («Радио», 1977, № 2, с. 53-55).

Перед измерениями переключателем S3 параллельно зажимам Сх подключают образцовый конденсатор Со и подстроенным резистором R7 устанавливают стрелку милливольтметра на отметку шкалы, соответствующую емкости измеряемого конденсатора. При точном подборе резисторов повторной калибровки при переключении диапазонов измерения не требуется.
При измерении емкости электролитического конденсатора необходимо строго соблюдать его полярность подключения к прибору. Предварительно он должен быть проверен на отсутствие утечки и замыкания между обкладками.

Трансформатор Т1 может быть от блока питания промышленного приемника, вторичная обмотка которого рассчитана на напряжение 6,3 В и ток не менее 1 А. Предохранитель F2 защищает прибор при случайном замыкании на выходе и в случае, пробоя проверяемого конденсатора.
Переключатели и выключатели любой конструкции. Резистор R1 на мощность рассеяния не менее 5 Вт. Образцовый конденсатор С0 с отклонением бт номинала ±5%. Целесообразно в качестве калибровочного конденсатора использовать такой, емкость которого близка к верхнему пределу измерений на соответствующем поддиапазоне.

ТОЧНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА

Сейчас практически каждый универсальный мультиметр имеет возможность измерения емкости конденсаторов. Это особенно полезно, когда имеем дело с конденсаторами, маркировка которых нечитаема или отсутствует. В этом случае достаточно измерения с точностью до нескольких процентов, потому что во-первых, сами конденсаторы не так точны, а во-вторых, для устройств этого хватает. Но иногда необходимо знать точное значение емкости конденсатора. Ведь прецизионные конденсаторы труднодоступны и довольно дороги. Поэтому просто берем упаковку одинаковых и подбираем подходящий. Так как точно измеряется емкость конденсатора? Есть несколько способов сделать это.

Метод 1: мост Вина

Это один из первых методов точного измерения емкости, изобретенный Максом Вином в 1891 году. С помощью моста Вина можно точно измерить как емкость, так и сопротивление. А после преобразования в мост Максвелла еще и индуктивность. Все аналоговые мосты RLC основаны на принципе этой схемы.

Вход Uwe подключен к генератору синусоидальной волны с фиксированной или регулируемой частотой. К Uwy подключен вольтметр. Rx и Cx — искомые сопротивление и емкость. R3 и C2 известны и постоянны. R2 и R4 — потенциометры, снабженные шкалами, с которых считываются значения Rx и Cx. Эти потенциометры регулируются до тех пор, пока мост не будет сбалансирован и вольтметр не покажет ноль. Тогда удовлетворяются две зависимости:

     

Точность измерения зависит от стабильности генератора питающего мост, и знания номинала резисторов и емкости C2. Используя известные значения Rx и Cx, его можно откалибровать.

Метод 2: измерение частоты LC-генератора

В схеме использован простой LC-генератор с компаратором. В резонансном контуре работают известная емкость и известная индуктивность. Дополнительная, подключаемая к реле, позволяет рассчитать точные значения L и C используемых компонентов. Во время измерения добавленная внешняя емкость или индуктивность изменяет частоту колебаний генератора и это изменение позволяет рассчитать измеренное значение.

Эта схема существует в нескольких вариантах, часто с использованием встроенных в микроконтроллер компараторов. Точность расчетов в исходной версии — 0,1%. Точность калибровки зависит от точности калибровочного конденсатора.

Метод 3: измерение ёмкости с помощью CTMU

CTMU или блок измерения времени зарядки — это модуль имеющийся во многих микроконтроллерах PIC, предназначенный в основном для управления клавиатурами и сенсорными интерфейсами. Модуль также позволяет точно измерять емкость, измеряя напряжение на тестируемом конденсаторе, питаемом от источника тока в течение определенного периода времени. В основе работы системы лежит формула заряда:

Поскольку нам известны ток I и время t, и можем измерить напряжение V, то чтоб вычислить значение C. Метод работы показан на рисунке ниже из документации к AN1375. Тут видно, как откалибровать и измерить емкость.

Предпосылками для точного измерения абсолютного значения емкости являются точная калибровка источника тока, относительно точный таймер микроконтроллера и хороший источник опорного сигнала для АЦП. Источник тока можно легко откалибровать — просто подсоедините внешний точный резистор и измерьте приложенное к нему напряжение. Кстати, прецизионные резисторы найти легче, чем прецизионные конденсаторы.

Но прямое измерение емкости имеет еще один недостаток — вся схема нагружена различными паразитными емкостями. Поэтому рекомендуется постоянно подключать конденсатор параллельно измерительному входу, проводить измерения и использовать это значение как «ноль».

Последовательность шагов:

  1. Сформировать и откалибровать источник тока, используя вход ANx и резистор.
  2. Переключение на вход ANy и разряд емкости контура.
  3. Таймер запускает текущую операцию источника, измеряет заданное время и останавливает источник. АЦП выполняет измерение.
  4. Подключается внешний конденсатор, шаги второй и третий повторяются.
  5. Если значение АЦП близко к нулю, повторим все измерение с более высоким током или более длительным временем. Когда значение близко к максимальному значению, время измерения сокращается.
  6. Результаты обоих измерений конвертируются в значения пикофарад.
  7. Результат первого измерения вычитается из результата второго, чтобы вычесть паразитные емкости схемы.
  8. Результат форматируется и отображается на дисплее.

Источник тока CTMU имеет четыре возможных значения: 0,55 мкА, 5,5 мкА, 55 мкА и 550 мкА и регулируется в диапазоне 0,341 мкА для основного диапазона с шагом 0,011 мкА. Для измерения большой емкости потребуется увеличенное время зарядки источника, но такой измеритель должен иметь приличную точность 0,1% и диапазон измерения от единиц пикофарад до тысяч микрофарад. При измерении больших емкостей может потребоваться добавить внешний транзистор для разряда емкости, поскольку внутренний транзистор может не выдержать больших токов.

Метод 4: измерение ёмкости с помощью внешнего источника тока

Для этого метода требуются три PNP-транзистора, согласованные по Vbe и усилению, соединенные вместе для термостатики, и несколько резисторов с точностью 0,1%. Посмотрим на схему:

Резисторы R1-R3 и транзисторы Q1-Q3 образуют токовое зеркало. Резисторы R4 — R8 подключены к цифровым выходам микроконтроллера. Установив низкое состояние на одном из них, в то время как остальные находятся в состоянии высокого сопротивления, можно выбрать одно из пяти значений тока: 1 мкА, 10 мкА, 100 мкА, 1 мА и 10 мА. В свою очередь, установка низкого состояния на одном из выходов, подключенных к R9, R10 или R11, позволяет измерять ток, генерируемый источником, путем измерения напряжения на соответствующем резисторе.

Q4 и R12 используются для разряда емкости между измерениями. Измерение точно такое же, как и для метода CTMU. Подбираем зарядный ток, замеряем заданное время, останавливаем ток, измеряем напряжение на конденсаторе. При необходимости меняем время зарядки или ток зарядки.

Измерения этим методом ограничиваются только разрешающей способностью АЦП, стабильностью опорного напряжения и точностью резисторов. Подключив мультиметр вместо Cx, можно предварительно откалибровать все диапазоны. Большинство недорогих мультиметров имеют довольно точные диапазоны тока, хотя измерение напряжения на резисторах R9-R11 может быть более точным.

Метод 5: измерение ёмкости с помощью модуля CVD

Модуль CVD, емкостной делитель напряжения, можно найти в некоторых микроконтроллерах PIC. Это еще одна идея Microchip для создания сенсорных клавиатур, например в семействе PIC18FQ41.

Интересно, что измерение с помощью этого метода может выполняться без этого модуля, манипулируя битами конфигурации порта микроконтроллера и его модуля АЦП, соответственно.

Предположим, имеется конденсатор емкостью 1 нФ, заряженный напряжением 5 В. Подключим к нему второй конденсатор емкостью 1 нФ. Какое напряжение будет у обоих? Правильный ответ — 2,5 В. Теперь возьмем два других конденсатора: 10 нФ и 22 нФ. Первый заряжен на 5 В, второй замкнут на массу. Затем соединяем их обоих вместе. Какое будет напряжение? 1,5625 В. Теперь зарядим второй конденсатор до 5 В, разрядим первый и подключим два. Какое будет напряжение? 3,4375 В. Модуль CVD выполняет именно это измерение, при этом конденсатор выборки АЦП (плюс дополнительно подключенные емкости внутри микроконтроллера) действует как первый конденсатор, а все что подключено к выводу АЦП, на котором выполняется измерение, как конденсатор 2.

Модуль CVD сначала автоматически загружает внутреннюю емкость, подключает внешнюю емкость и измеряет ее, затем разряжает внутреннюю емкость, заряжает внешнюю емкость и выполняет второе измерение. Результаты автоматически вычитаются друг из друга, а полученное значение сравнивается с заданным пороговым значением — таким образом, модуль в основном используется для управления сенсорными кнопками, но вы также можете измерить значение присоединенной внешней емкости как изменение в дифференциальное напряжение. Но тут измерение будет менее точным, чем измерение CTMU.

Метод 6: измерение ёмкости RC-генератором

Этот метод частично относится к методу номер 2. Основа — RC-генератор, у которого значение R ровно 10 кОм. RC-генератор настроен на непрерывную работу и генерирует сигнал в диапазоне 1 / 3–2 / 3 напряжения питания. Схема всего прибора выглядит так:

Основа — PIC16F628 (A) с кварцем 16 МГц, что означает внутренний таймер имеет частоту 4 МГц. Во время измерения модуль Capture / Compare / PWM (CCP1) подсчитывает значения модуля Timer1 для каждого переднего фронта сигнала от компаратора. Программа подсчитывает и суммирует значения таймера и количество подсчитанных передних фронтов, пока не наберет значение более 2 миллионов отсчетов, то есть >0,5 секунды. Этот результат увеличивается в тысячу раз, а затем делится на количество измеренных наклонов. Результат преобразуется и отображается как значение емкости в пико-, нано- или микрофарадах: Диапазоны 0,00-18000,00 пФ; 18,000-999,000 нФ; 1,0000-50,0000 мкФ. Разрешение измерений намного выше, чем у других любительских решений. По тестам точность измерения лучше 0,2%. В схеме есть возможность сброса и режим относительного измерения для сравнения конденсаторов. Так что методов измерения ёмкости есть несколько — просто выбираем самый подходящий для своих целей и собираем С-метр.

   Форум

   Форум по обсуждению материала ТОЧНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА

Прибор для измерения емкости электролитических конденсаторов

Этот измеритель является простым устройством, служащим для измерения емкости электролитических конденсаторов от 1 мФ до 4700 мФ.

Его точность — около 5% — в большей мере зависит от точности исполнения и градуировки.

Принципиальная схема

Принцип действия устройства следующий: измеряемый конденсатор Сх заряжается током от регулируемого источника с транзистором Т2 и разряжается импульсами через транзистор Т1.

Среднее значение напряжения Ucx зависит от емкости Сх, а также от силы тока, подаваемого от источника. Это напряжение сравнимо с напряжением смещения на компараторе, который сигнализирует момент совпадения этих двух напряжений путем загорания светодиода. Значение емкости считывается со шкалы потенциометра, регулирующего силу тока источника.

Конструкция измерителя основана на двух операционных усилителях, входящих в состав интегральной схемы LM324. Один из них (ІС1а) играет роль генератора управляющих импульсов Т1.

Второй является компаратором, который сравнивает напряжение диода D2 (напряжение смещения) с напряжением на измеряемом конденсаторе и в зависимости от результата сравнения вызывает пульсирующее или постоянное свечение светодиода D1.

Детали и налаживание

ІС1 LM324
Т2 ВС307
Т1 ВС21ЕВС337
R1 1 МОм
R2 33 кОм
R3, R6 100 кОм
D1 подходящий светодиод
D2 1N4148
C1 100 мкФ/16 В
C2 4,7 мкФ/16 В
P1 47-100 кОм
P2 4,7 кОм
R4, R7 10 кОм
R5, R8 1 кОм
R9 120 Ом
R10 2,7 кОм
R11 22 кОм
R12 15 кОм
R13 240-330 Ом

Аккуратно собранная, согласно схеме, система начинает работать сразу, требуя только градуировки образцами конденсаторов известной емкости.

Градуировка основана на подключении эталонного конденсатора вместо Сх и таком установлении потенциометра Р2, при котором наступает переход от пульсирующего к постоянному свечению светодиода D1, а также отметке этого положения и описании его значением емкости эталонного конденсатора. Несмотря на то что шкала прибора является линейной, стоит проградуировать ее несколько раз, добавляя конденсаторы разных емкостей.

Питание устройства осуществляется от стабилизированного источника напряжением 9 В. Потребляемый ток не превышает 20-30 мА, отсюда возможность питания устройства от батареи элементов.

Источник: ВРЛ — 100 лучших радиоэлектронных схем, 2004.

Получение четких изображений и точное измерение размеров многослойного керамического конденсатора с помощью цифрового микроскопа.

Контроль многослойных конденсаторов

Конденсаторы — это компоненты, которые накапливают и отдают электрический заряд. Между положительным и отрицательным электродами конденсатора расположен керамический элемент. Электрический заряд накапливается при подаче напряжения на электроды и отдается при подключении к электродам источника переменного тока. Керамический элемент, также называемый диэлектриком, используется в качестве изолятора и помогает сохранять электрический заряд внутри конденсатора.

Многослойные керамические конденсаторы состоят из электродов и диэлектриков, покрытых защитным материалом, и обычно используются в мелких электронных устройствах.Например, в смартфоне может быть установлено до 700 многослойных керамических конденсаторов. Чтобы такое количество конденсаторов уместилось в корпусе устройства, их размер должен быть очень маленьким.

Размер современных многослойных конденсаторов варьируется от нескольких кубических миллиметров до менее одного кубического миллиметра. Наружные размеры конденсаторов, их номинальное напряжение, электрическая емкость и рабочая температура устанавливаются международными стандартами, применяемыми для обеспечения стабильного качества и единообразия изделий вне зависимости от производителя.

Для контроля соответствия стандартам и общей оценки качества производители измеряют размеры конденсаторов и выполняют визуальный контроль на предмет наличия трещин на керамическом элементе. Конденсаторы производятся в огромных количествах, поэтому для контроля качества обычно используются автоматизированные системы. Тем не менее, эти системы не могут полностью исключить ошибки контроля, поэтому в дополнение к автоматическим системам целесообразно использовать обычные или цифровые микроскопы. Однако процесс контроля конденсаторов с помощью микроскопа может быть связан с некоторыми трудностями.

3 сложности при контроле конденсаторов с помощью цифрового микроскопа

Низкое разрешение

Для измерения внешних габаритов конденсаторов, имеющих размер всего в несколько кубических миллиметров, используются объективы с низким коэффициентом увеличения. Если такой же коэффициент использовать для обнаружения трещин на керамических элементах, мелкие дефекты можно легко упустить. Разрешение объектива определяет конечное качество изображения, так что даже если инспектор приблизит изображение для поиска мелких трещин, четкость изображения может быть недостаточной для столь детального рассмотрения.

Если для выполнения контроля используется оптический микроскоп, разрешение изображения можно увеличить, повернув револьверную головку для переключения на объектив с более высоким коэффициентом увеличения. Конструкция многих цифровых микроскопов предполагает установку только одного объектива, поэтому если контроль выполняется с помощью такого микроскопа, то для увеличения разрешения потребуется заменить объектив. В обоих случаях придется заново фокусировать микроскоп и получать изображения области интереса, а это замедляет процесс контроля.

Невозможность исследования боковых граней

Оптические микроскопы позволяют исследовать только верхнюю поверхность конденсатора. В связи с этим, увидеть трещины или дефекты на боковых гранях невозможно.

Невозможность измерения высоты

С помощью оптического микроскопа невозможно измерить высоту конденсатора. Если в лаборатории контроля качества имеется специальный измерительный микроскоп, можно измерить высоту, но невозможно получить трехмерное изображение объекта.

Преимущества контроля конденсатора с помощью цифрового микроскопа DSX1000

Быстрая смена объективов

Объективы микроскопа DSX1000 устанавливаются на картридже, позволяя вам быстро менять объективы одним простым движением. В процессе замены объектива система сохраняет положение фокуса, так что вам больше не придется тратить время на поиск исследуемого объекта.

Линзы объектива DSX1000

Для замены линз объектива достаточно лишь поменять насадку.

Система наблюдения со свободным углом обзора

Корпус микроскопа DSX1000 имеет дополнительную возможность наклона под свободным углом, позволяя исследовать не только верхнюю, но и боковые грани конденсатора. При наклоне масштабирующей головки или повороте предметного столика система сохраняет поле зрения для ускорения процедуры контроля.

Наклонная головка

Высокая скорость получения 3D-изображений высокого разрешения

Получить 3D-изображение можно одним нажатием кнопки на панели управления. Как только изображение будет получено, можно переключиться на него для измерения высоты конденсатора.


Получение изображений с расширенным полем зрения посредством объединения нескольких изображений

Гарантированная точность измерений

Данная система гарантированно представляет точные и воспроизводимые результаты измерений при любом коэффициенте увеличения, так что вы можете быть уверены в достоверности данных.*

* Для гарантии точности измерений по осям XY необходимо, чтобы сервисный специалист Olympus выполнил калибровку.

Изображения

Сравнение изображений, полученных с помощью стандартного микроскопа (слева) и цифрового микроскопа DSX1000 (справа)

Стандартный микроскоп (увеличение 140Х)

DSX1000 (увеличение 150X)

Изображение, полученное с помощью цифрового микроскопа DSX1000 более четкое, чем полученное с помощью стандартного микроскопа.

Измерение профиля конденсатора с помощью системного инструмента трехмерных измерений

Как расширить диапазон измерения ёмкости конденсаторов мультиметра

Имеем мультиметр Mastech MS8222H, который умеет измерять ёмкость конденсаторов (и индуктивность катушек; т. е. является LC-метром):

Фото 1. Мультиметр Mastech MS8222H с LC-метром на борту

Здесь переключатель режимов установлен в положение измерения ёмкости конденсаторов, диапазон до 20 мкФ. И это первая проблема — в электронной технике дохнут как правило электролитические конденсаторы больших ёмкостей, порядка 4700 мкФ, а тут только до 20…

Вторая проблема — это две щёлки возле меток диапазонов ёмкостей; это гнездо для всовывания туда выводов конденсатора, причём контакты там находятся глубоко; т. е. не только чип-конденсаторы так не измерить, но и короткие выводы конденсатора — проблема; а также ещё хотелось бы иметь здесь щупы, чтобы производить измерение конденсаторов на плате без отпаивания их.

Ну, так вот, пацан задумал — пацан сделал… приспособление:

Фото 2. Самодельное приспособление для удобства измерения ёмкости конденсаторов

С обратной стороны:

Фото 3. Обратите внимание на необходимую длину контактов!

Что здесь? Снизу — длинные (16 мм) лепестки контактов из бронзовых пластин (контакты от какого-то большого прибора), чтобы достать до контактов в глубине гнезда. Контактные площадки 1 и 2 предназначены для измерения конденсаторов, ёмкость которых менее 20 мкФ. Длинная контактная площадка 2 позволяет измерять конденсаторы с короткими и широко расставленными выводами:

Фото 4. Измерение конденсатора с широко расставленными выводами

Два конденсатора [спаяны параллельно, суммарная ёмкость 19.1 мкФ] между контактом 1 и 3 соединяются последовательно с измеряемым конденсатором, который прикладывается к контактам 2 и 3, и далее по показанию мультиметра (D) и таблице снизу (значения рассчитаны на калькуляторе по формуле 1/D= 1/X+1/19.1) находим значение X ёмкости испытуемого. Например, если дисплей кажет 18.35, значит ёмкость испытуемого 470 мкФ.

Расстояние между площадками 1 и 2 (да и 2 и 3 на всякий случай) всего 1 мм для измерения ёмкости чип-конденсаторов:

Фото 5. Измеряем ёмкость чип-конденсатора

Как такое сделать: выпилить кусочек платы текстолита с медью -> просверлить отверстия под 3 пина -> вытравить лишнюю медь хлорным железом -> залудить -> припаять выводы и конденсаторы.

Торчащие из выводов 1, 2, и 3 игольчатые пины нужны для подсоединения щупов следующим образом:

Фото 6. Подключение щупов к пинам приспособления

Теперь можно измерять ёмкость любых кондеров прямо на плате исследуемого/ремонтируемого устройства, не выпаивая их.

Как показала практика и опыт использования сей самоделки — страшно полезная штука оказалась. Прям жуть как удобно и необходимо по жизни. Это просто кошмар какой-то было жить без неё. Только покупка транзистор-тестера GM328A остановила весь этот ужас.


Измеритель емкости конденсаторов своими руками: принцип, схема

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

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

Обозначения на конденсаторах

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

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

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

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

Вычисления с помощью формул электротехники

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

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

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

Схема измерения

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

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

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

 Измерительные приборы

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

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

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

Самодельный С — метр

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

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

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

Провода, соединяющие резисторы с переключателем должны быть как можно короче, а если позволяет конструкция — размещены на его выводах. Переменные желательно использовать многооборотные, лучше вообще — постоянные, но это не всегда возможно. Тщательнейшим образом необходимо отмыть печатную плату от флюса и другой грязи, иначе паразитные ёмкости и сопротивления между проводниками могут привести к полной неработоспособности изделия.

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

Конструкция и детали

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

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

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

R4, R8 510k R15 13

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

Вариант печатной платы и расположение компонентов

Видео по теме

Измеритель ёмкости конденсаторов HONEYTEK A6013L

Измеритель ёмкости конденсаторов HONEYTEK A6013L. Есть доставка из России. В Новосибирск пришёл за неделю, и был доставлен на дом курьером.

В небольшом чёрном конверте была только картонная коробка с прибором, без «пупырки». Коробка универсальная, поэтому изображённый на ней прибор не похож на тот, что находится внутри:

Первая загадка! Найди отличия на изображении двух приборов в центре коробки (я нашёл только одно):

Сзади на коробке информация о производителе:

Слева на коробке модельный ряд. Нужная модель помечена вручную маркером:

Содержимое. Загадка вторая! Как произносится название TIANQIU на комплектной батарейке типа «Крона»:

Внутри находится лист A4 с инструкцией на плохом английском, книжка-инструкция на хорошем китайском, талон ОТК от 29.05.2020 г, прибор, батарейка, и два коротких провода с «крокодилами»:

Сам прибор довольно компактный, но увесистый. В руке лежит нормально, защищён чехлом из резиноподобного пластика:

Загадка третья! Как понять надпись на крышке батареи на 9 вольт (Во избежание удара электрическим током перед заменой батареи или открывания корпуса отсоедините измерительные провода):

Защитный чехол оранжевого цвета съёмный, пахнет химической резиной:

Сам измеритель заключён в твёрдый синий пластик без запаха:

Тестируем новенький китайский электролитический конденсатор, 10000 мкФ на 16 вольт путём втыкания его в контактную площадку под экраном справа:

Измерение конденсаторов с точностью 2% в качестве эталонных.
Два б/у слюдяных конденсатора СГМ-4 6200x500v. Первый:

Второй:

Один «новый» СГМ-3 на 3600x500v от 03.1970 г.:

Один «новый» СГМ-3 на 1200x500v от 04.1976 г.:

Померил также имеющиеся у меня б/у электролиты, все в порядке.

Есть приятная голубоватая подсветка, включаемая кнопкой со знаком «солнышко» (горит 5 секунд):

Кнопка HOLD, там же, фиксирует на экране цифры, в противном случае при измерении электролитических конденсаторов они имеют обыкновение хаотично меняться в плюс и минус в небольшом диапазоне. Плёночные конденсаторы тестируются нормально.

Сей девайс успешно продаётся по всему миру уже лет десять. И даже на Амазон, и имеет там высокую оценку. В России же его почему-то мало кто знает. И даже здесь, на Муське, этот обзор будет первый.

На Ютубе есть хороший видеообзор, не мой.

Предвижу вопрос: Зачем покупать отдельный тестер конденсаторов, если обычный мультиметр может измерять ёмкости тоже?

Ответ прост: Многие недорогие мультиметры могут мерить конденсаторы максимум до 200 микрофарад, тот же VC97, а этот — до 20 миллифарад. Так что для ремонта конденсаторов блока питания — самое то.

Вердикт — дёшево и сердито. Полезно. Быстрая доставка из России.

Купил за свои:

К покупке рекомендую.

Ридли Инжиниринг | — Измерения конденсаторов

В нескольких прошлых статьях мы исследовали некоторые сложные характеристики силового магнетизма импульсного источника питания. В этой статье мы рассмотрим еще один важный пассивный компонент источника питания — конденсатор. Часто это компонент, который рассматривается как простая деталь, не требующая особого внимания.

Конденсаторы блока питания

На рисунке 1 показан простой понижающий преобразователь.Учитывая современные интегрированные контроллеры, задача инженера по проектированию, по-видимому, очень проста — все, что нам нужно сделать, это выбрать индуктор и два конденсатора, и работа будет выполнена. Выбор катушек индуктивности может быть очень сложным, и теперь мы увидим, что конденсаторы тоже могут быть проблематичными.


Рис. 1. Понижающий преобразователь с критически важными конденсаторными компонентами. Импеданс выходного конденсатора определяет средне- и высокочастотный отклик преобразователя с использованием режима напряжения, тока или любой другой формы управления, включая цифровой.

Меня часто просят провести анализ наихудшего случая подобных схем импульсных источников питания для компаний. Первый шаг этого процесса обычно заключается в том, что компания присылает мне схемы, списки деталей и спецификации компонентов. Прежде чем продолжить, я всегда должен запрашивать рабочие физические образцы блоков питания для тестирования на стенде. К тревоге людей, не знакомых с источниками питания, большая часть анализа наихудшего случая зависит от измерений, существующих конструкций в сочетании с задокументированными вариантами технических данных, которые изменят конструкцию.

Листы технических данных компонентов редко бывают адекватными для правильной характеристики деталей, а для всестороннего анализа требуется информация, которую производители не могут предоставить. Дополнительные измерения необходимы для магнетизма, а также необходимы дополнительные измерения для конденсаторов.

Измерение низкоомного конденсатора

Простой фиксированный тестер RLC с единственной частотой измерения не подходит для определения характеристик конденсаторов для использования в современном импульсном источнике питания.Конденсаторы необходимо измерять в широком диапазоне частот, чтобы полностью охарактеризовать их поведение.


Рисунок 2: Схема измерения для конденсаторов с низким сопротивлением

На рисунке 2 показано, как проводить измерения конденсаторов с низким сопротивлением с помощью анализатора частотной характеристики [1]. Правильный выбор чувствительного резистора и правильная ВЧ-схема тестовых цепей позволят вам измерять импеданс до 1 мОм с помощью этой испытательной установки. Хотя многие тестеры компонентов будут рассматривать только одну частоту или узкий диапазон частот, рекомендуется прокручивать частоту, чтобы увидеть полное сопротивление тестируемого компонента, от 10 Гц до как минимум 10 МГц.

Измерение электролитического конденсатора

Электролитические конденсаторы по-прежнему являются предпочтительным компонентом большинства коммерческих недорогих источников питания. Они также широко используются в автомобильной промышленности, где могут быть экстремальные температуры.

Электролиты

относительно легко измерить, поскольку они имеют относительно высокое эквивалентное последовательное сопротивление. Но важно изменять температуру конденсатора, чтобы увидеть ее влияние на характеристики.


Рисунок 3: Измерение импеданса электролитического конденсатора 10 мкФ при двух разных температурах

На рис. 3 показано изменение импеданса конденсатора для электролита 10 мкФ.Показаны две кривые: красный график — для конденсатора при 25 градусах, а синий — для -55 градусов по Цельсию. Обратите внимание на большое разделение кривых. Это связано с известным эффектом замерзания электролита в конденсаторе. Выполнив это измерение самостоятельно, вы обнаружите, что СОЭ продолжает расти по мере того, как температура падает все ниже и ниже нуля градусов. Вряд ли вы найдете полный набор данных, который вам нужен именно для вашей части.


Рисунок 4: Емкость электролитического конденсатора 10 мкФ при двух разных температурах

На рисунке 4 показана мнимая составляющая импеданса, извлеченная для отображения эквивалентной емкости конденсатора.Видны два изменения емкости: одно — слабая зависимость от частоты, а второе — зависимость от температуры.

или холодный конденсатор на синей кривой, очевидное существенное падение емкости за пределами нескольких кГц не является действительно значительным, поскольку на импеданс устройства преобладает эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) на этих частотах.


Рисунок 5: Эквивалентное последовательное сопротивление электролитического конденсатора 10 мкФ при двух разных температурах

ESR определяется путем измерения действительной части импеданса, показанного на Рисунке 3, изображенном на Рисунке 5.На низких частотах оба сопротивления имеют высокие значения, но это всегда сомнительное измерение — мы пытаемся извлечь очень маленькую реальную составляющую из вектора импеданса, который в основном является реактивным.

Показано, что за пределами нескольких кГц интересующее нас значение ESR зависит как от частоты, так и от температуры. Обратите внимание, что ESR холодного конденсатора составляет около 12 Ом, а теплого конденсатора — около 0,5 Ом. Разница больше, чем 20: 1!

Многие конструкторы, работающие в широком диапазоне температур, будут держаться подальше от электролитов по этой и другим причинам.Однако в некоторых случаях они экономически необходимы, и контур управления должен учитывать изменения, которые будут происходить с температурой. Это может стать серьезной проблемой при проектировании контура управления. Это, безусловно, можно сделать, особенно при использовании управления текущим режимом, но полоса пропускания контура часто сильно снижается.

Электролитические свойства также будут существенно изменяться при старении, особенно при повышенной температуре. Это еще одна важная тема, которая выходит за рамки данной статьи, но вы должны проверить срок службы и температуру работы в источнике питания, чтобы убедиться, что электролитические соединения не выйдут из строя.

Измерение многослойных керамических конденсаторов

Источники питания в точке нагрузки и материнские платы широко используют многослойные керамические конденсаторы в качестве альтернативы электролитическим. Достижения в конструкторских технологиях сделали доступными конденсаторы очень большой емкости с чрезвычайно низким ESR в очень маленьких корпусах. Это важно для преобразователей точки нагрузки, где пространство на плате ограничено.

Я редко вижу, чтобы должная осмотрительность проводилась при рассмотрении характеристик выходных конденсаторов MLC.Несмотря на то, что они не страдают от резких температурных сдвигов ESR электролитов, MLC одинаково сложны по своим характеристикам.
Рисунок 6: Измерение многослойного керамического конденсатора 10 мкФ при разных уровнях тестового сигнала и с переменным смещением постоянного тока

На рис. 6 показано значение емкости небольшого 0805 MLC с номинальным напряжением 6,3 В и номинальным значением 10 мкФ. Красная верхняя кривая показывает, что емкость конденсатора составляет 10,7 мкФ при 100 Гц. Обратите внимание на значительную частотную зависимость от 10 Гц до 10 кГц.

Это изменение с частотой связано с тем, что емкость MLC является функцией приложенного переменного напряжения [2]. В испытательной установке, показанной на Рисунке 2, от анализатора частотной характеристики подается постоянный источник 1 В. На низких частотах все напряжение появляется на конденсаторе, но по мере увеличения частоты мощность конденсатора уменьшается. MLC показывают увеличение емкости с увеличением уровня возбуждения.

Зеленая кривая показывает, как эта частотная зависимость устраняется с помощью небольшого управляющего сигнала всего 50 мВ.Обратите внимание, что номинальная емкость конденсатора 10 мкФ теперь составляет всего 7,9 мкФ.

MLC

также сильно зависят от приложенного постоянного напряжения. Синяя кривая на Рисунке 6 показывает, как значение емкости падает до 3,5 мкФ при смещении 5 В постоянного тока и до 2,5 мкФ при смещении 6,3 В постоянного тока. Если вы подтолкнете конденсатор к его номинальному напряжению, у вас не останется много емкости в этом конкретном примере. Мой опыт работы с MLC показывает, что в любом случае подталкивать их близко к их рейтингу нецелесообразно из соображений надежности.

Все различные диэлектрики, используемые для MLC, будут иметь разные характеристики. На веб-сайте AVX есть много полезной информации, и вам предлагается прочитать как можно больше, чтобы понять эту тему более подробно. У MLC есть дополнительная зависимость от температуры и срока службы, которую мы здесь не будем рассматривать.

Хотя вы не можете найти много информации, всегда полезно провести измерения самостоятельно на скамейке. Варианты MLC настолько запутаны, что часто трудно быть уверенным, как именно будет вести себя ваш компонент, если вы не измеряете его самостоятельно.Кроме того, большинство представленных кривых являются типичными характеристиками, а многие характеристики наихудшего случая настолько экстремальны, что вы не можете учесть их все в практической конструкции.

Сводка

Конденсаторы

часто упускаются из виду как источник изменений в источниках питания, но они не попадают в эту ловушку. У всех типов конденсаторов источника питания есть свои особые наборы проблем, которые вы должны полностью понять, если собираетесь строить рекомендуемые преобразователи.

Всегда проводите измерения силовых конденсаторов на этапе разработки.И, как катушки индуктивности и сердечники для магнетиков, не следует слепо делать замену от одного производителя или диэлектрика к другому без надлежащей характеристики новой детали. Не все поставщики хорошо справляются с представлением полных данных — будьте готовы сделать это сами.

Planet Analog — Измерение емкости: понимание и использование правильной техники для значительного улучшения результатов

Конденсатор, измеренный с помощью портативного мультиметра за 100 долларов, может дать существенно другой результат, чем тот же конденсатор, измеренный с помощью измерителя LCR за 10 000 долларов.Тот же самый конденсатор, измеренный двумя разными портативными мультиметрами, также может давать результаты, которые различаются на несколько процентов в зависимости от диэлектрического материала конденсатора и используемого алгоритма измерения. Чтобы знать факторы, которые способствуют этому изменению, и, что еще более важно, знать, когда следует перейти на измеритель LCR стоимостью 10 000 долларов, важно понимать принципы, лежащие в основе алгоритмов измерения, используемых для измерения емкости.

Анализ измерения емкости лучше всего понять, исследуя способ измерения резисторов.Когда цифровой мультиметр измеряет сопротивление, он использует источник постоянного тока некоторого известного значения, чтобы генерировать напряжение на тестируемом резисторе. Это приводит к постоянному напряжению, которое легко преобразуется в значение сопротивления АЦП и встроенным программным обеспечением обработки сигналов. Ошибки, присущие измерению сопротивления, легко понять, и их можно избежать. Термическая ЭДС, сопротивление выводов, токи утечки и самонагрев являются одними из наиболее значительных источников ошибок, и ими можно управлять с помощью надлежащих методов измерения и встроенных функций мультиметра, таких как компенсация смещения.

Даже в приборах с умеренной ценой измерения сопротивления с точностью выше 30 ppm и могут быть выполнены без особых проблем. Совершенно другое дело — произвести достаточно точное измерение пассивного компонента другого типа, такого как конденсатор. В этой статье описываются различные методы измерения емкости и сравнивается эффективность их точности.

Высокоточные измерения емкости
Очевидным распространением измерения сопротивления на конденсаторы является стимуляция тестируемого конденсатора источником переменного тока.В высокопроизводительных измерителях LCR для этого используется один метод — определение емкости конденсатора. Сигнал переменного тока известной частоты подается через внутренний резистор малого номинала и тестируемый конденсатор в последовательной конфигурации. Переменный ток, протекающий в конденсатор, также должен протекать через резистор, создавая переменное напряжение на резисторе.

Величину и фазу этого напряжения можно измерить и сравнить с исходным сигналом переменного тока, а также вычислить емкость.Такие методы, как это измерение в частотной области, могут быть очень точными и могут дать информацию о дополнительных параметрах, таких как коэффициент рассеяния; однако инструменты, реализующие эти методы, являются специализированными, они измеряют только пассивные сети и стоят более 3500 долларов.

Инструменты более общего назначения имеют ограничения по стоимости, которые не позволяют им включать в себя источник сигнала переменного тока; однако они по-прежнему реализуют емкостную функцию. Они делают это с помощью того же источника постоянного тока, который используется для измерения сопротивления.

Недорогие измерения емкости
Как обсуждалось ранее, цифровые мультиметры содержат точный внутренний источник тока, который используется для создания постоянного напряжения на резисторе. Тот же самый точный источник тока можно использовать для создания напряжения на конденсаторе. Идеальный конденсатор, заряжаемый идеальным источником постоянного тока, создаст линейную характеристику, характеризуемую уравнением I = C dV / dt .

Следовательно, значение емкости C можно вычислить во временной области, применив источник постоянного тока и наблюдая за скоростью изменения напряжения на конденсаторе.Многие недорогие настольные и портативные мультиметры проводят измерения емкости в предположении, что источник тока и конденсатор идеальны.

Однако идеальных конденсаторов не бывает. Конденсаторы демонстрируют неидеальные факторы, такие как диэлектрическое поглощение, утечка, коэффициент рассеяния и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Эти члены могут внести существенную ошибку в методику измерения во временной области, описанную выше. Поэтому большинство недорогих приборов для измерения емкости имеют сноску, в которой говорится, что их «спецификации применимы только к пленочным конденсаторам».”

Пленочные конденсаторы

, например, с диэлектриками из полиэфира и полипропилена, имеют достаточно низкие потери, поэтому этот метод измерения во временной области может давать результаты с точностью до 1%. Однако ошибки, вносимые непленочными диэлектриками, не обязательно требуют использования высокопроизводительного измерителя LCR. Есть и другие методы, которые недавно были внедрены в настольные мультиметры, которые могут уменьшить погрешность, вызванную непленочными диэлектриками, без затрат на измеритель LCR.

Лучшие недорогие измерения емкости
Потери конденсатора, заряжаемого источником постоянного тока, лучше всего моделировать как параллельное сопротивление.Эта модель изображена на рис. 1 :

.

Рис. 1. Модель измерения емкости во времени.

Источник постоянного тока, подключенный к параллельной RC-цепи, дает кривую напряжения, которая изменяется со временем и представлена ​​как:



при условии, что на конденсаторе нет начального напряжения. В этом уравнении — это постоянная времени, равная R , умноженная на C , а I — значение источника постоянного тока.И эта кривая, и идеальная прямолинейная кривая показаны на Рис. 2 .


(Щелкните, чтобы увеличить изображение)
Рисунок 2: Напряжение конденсатора, с потерями и без них.

Обратите внимание, что параллельное сопротивление имеет тенденцию изгибать прямую линию вниз экспоненциально. Площадь между прямой линией и кривой обусловлена ​​потерями, которые создают ошибку в измерениях. Поскольку это трансцендентное уравнение, его довольно сложно решить без использования итерационной техники.Производная этого уравнения,



можно решить в закрытом виде. Если постоянная времени RC-цепочки известна, значение емкости C можно найти, подставив ее в это уравнение способом, аналогичным алгоритму измерения емкости во временной области без исключения потерь. Таким образом, существенное улучшение измерений заключается в нахождении величины постоянной времени RC-цепочки .

Для определения постоянной времени RC тестируемый конденсатор сначала разряжается путем параллельного подключения резистора или изменения полярности источника тока.Включается постоянный ток, и высокоскоростные показания снимаются аналого-цифровым преобразователем (АЦП) мультиметра. Для этих показаний выполняется экспоненциальная аппроксимация, и, используя как сами показания, так и наклон линии между соседними показаниями, вычисляется постоянная времени RC. К этому алгоритму предъявляются строгие требования, которые делают его непригодным для любого цифрового мультиметра:

  • Первое и самое важное, АЦП в цифровом мультиметре должен производить выборку достаточно быстро, чтобы захватывать несколько точек на кривой заряда тестируемого конденсатора и не вносить значительных шумов в измерения.
  • Во-вторых, источник постоянного тока мультиметра не должен демонстрировать неидеальное поведение, например, тепловой хвост при включении.
  • В-третьих, внутренняя емкость мультиметра и емкость выводов пробников должны быть откалиброваны, что может быть так же просто, как использование функции «Math Null» для вычитания текущего показания из всех последующих показаний.
  • Наконец, внутренняя емкость мультиметра должна иметь относительно высокий коэффициент качества, чтобы избежать ошибок из-за собственной постоянной времени RC.

Если все эти требования соблюдены, пользователи могут значительно повысить точность считывания. (Измерение емкости в Agilent 34410A основано на методе, очень похожем на метод, описанный выше.)

Для описанного выше измерения требуется источник тока только одной полярности, так как внутреннее сопротивление может использоваться для разряда проверяемого конденсатора. С немного большей стоимостью в текущем источнике может быть реализован другой метод отклонения потерь.Если доступен прецизионный источник тока, который может одновременно потреблять и истощать ток, то прямоугольный сигнал переменного тока может быть создан путем изменения его полярности с заданным интервалом. Этот источник переменного тока будет создавать треугольную форму волны напряжения, когда он подключен к конденсатору. Если конденсатор демонстрирует потери, наклон треугольной волны будет содержать экспоненциальные члены, показанные на рисунке 2.

Эти экспоненциальные члены изменяют величину гармоник в частотном спектре формы волны напряжения.Изучая гармоники, можно удалить член с потерями. Мультиметр National Instruments NI 4072 использует аналогичный метод, в котором быстрое преобразование Фурье (БПФ) используется для определения частотного спектра, а первая и третья гармоники сравниваются для удаления термов.

Ошибки при измерении емкости по времени
Любая реализация измерения емкости с временной привязкой имеет несколько существенных проблем. Во-первых, значение емкости может существенно изменяться с частотой.Измерители LCR, такие как Agilent 4263B, могут измерять емкость на нескольких частотах с помощью внутреннего переменного источника переменного тока. Для алюминиевого электролитического конденсатора емкость может варьироваться до нескольких процентов в диапазоне частот от 100 Гц до 1 кГц.

Менее затратный алгоритм обычно работает на одной частоте и поэтому не дает дополнительной информации о производительности на более высоких частотах. Хотя измерения в мультиметрах не могут быть неправильными, они будут отличаться от тех, которые делает измеритель LCR, просто из-за разницы в частоте измерения.

Другая характеристика неидеального поведения конденсаторов, которая может привести к неверной интерпретации результатов при более дешевом измерении, — это эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора или ESR. Предположим на данный момент, что положительный ток используется для зарядки тестируемого конденсатора во время цикла измерения. Если резистор, подключенный между конденсатором и землей, используется для разряда конденсатора, чтобы подготовить его к следующему циклу измерения, то минимально возможное напряжение на конденсаторе будет 0 В.

Поскольку постоянный ток создает на конденсаторе нарастание напряжения, среднее напряжение за несколько циклов измерения будет больше 0 В. Этот термин смещения постоянного тока не создает значительных ошибок для пленочных и керамических конденсаторов; однако для алюминиево-электролитических конденсаторов это может иметь большое влияние на результат. Это связано с тем, что ESR изменяется нелинейно при подаче постоянного тока.

Самый простой способ решить эту проблему — сохранить смещение постоянного тока на конденсаторе как можно меньшим, что достигается за счет использования источника переменного тока, разрядки ниже 0 В или уменьшения амплитуды колебаний напряжения на конденсаторе. .Любой из этих методов может дать точные результаты. В некоторых случаях значение конденсатора с приложенным смещением постоянного тока может быть желательным, если конденсатор должен использоваться в цепи, которая будет помещать смещение постоянного тока на него при нормальной работе (например, при развязке источника питания). Измерители, которые используют источник переменного тока, такие как измерители LCR, обычно предоставляют опцию смещения постоянного тока для измерения значения в этих условиях.

Этот анализ показал, что при измерении емкости конденсатора необходимо учитывать множество свойств.Для общего лабораторного поиска неисправностей или для измерения высококачественных пленочных конденсаторов более чем достаточно простой и недорогой методики, основанной на времени, встроенной в универсальные мультиметры. Для измерений, требующих чрезвычайно высокой точности и измерения дополнительных параметров, следует выбрать высокопроизводительный измеритель LCR. Как показано выше, между этими двумя крайностями существует некоторая золотая середина, которая сокращает сроки потерь с использованием относительно недорогих методов. Эти методы не позволят вычислить такие свойства, как коэффициент рассеяния, но улучшат точность измерений на конденсаторах более низкого качества.

Об авторах
Билл Коли окончил Технологический институт Джорджии (Технологический институт Джорджии) в 1999 году со степенью BEE и MSEE, специализируясь на проектировании аналоговых схем. Он потратил шесть лет на разработку схем формирования сигналов и аналого-цифровых преобразователей для высокопроизводительных цифровых мультиметров, включая Agilent 34410A и 34411A. Он также был разработчиком алгоритма измерения емкости в этих измерителях. Билл упоминается в нескольких патентах, связанных с его опытом в разработке цифровых мультиметров.( Билл в настоящее время работает в Linear Technology Corp. (www.linear.com) в качестве разработчика аналоговых ИС .)

Conrad Proft имеет степени BSEE и MSCS. Конрад проработал в Hewlett-Packard / Agilent (www.agilent.com) в течение 27 лет и примерно половину этого времени провел между исследованиями и разработками и маркетингом, специализируясь на контрольно-измерительных приборах общего назначения для стендовых и системных измерений. Карьера Конрада включает в себя обширный опыт работы с множеством успешных проектов, от разработки приложений и написания технических статей по маркетингу до руководителя проекта по исследованиям и разработкам в области генераторов функций и цифровых мультиметров.

По какой причине невозможно получить номинальное значение емкости?

Иногда, когда емкость керамического конденсатора с высокой диэлектрической проницаемостью измеряется с помощью измерителя LCR, невозможно получить номинальное значение емкости. Емкость керамического конденсатора с высокой диэлектрической проницаемостью изменяется в зависимости от температуры, напряжения (переменного и постоянного тока), частоты и времени, поэтому для получения номинального значения емкости необходимо измерить емкость ниже условия измерения, указанные в подразделе 4.7 JIS C 5101-1, 1998 «Электростатическая емкость», которые приведены в Таблице 1 ниже.

Таблица 1


Керамический конденсатор имеет такие особенности, как компактность, низкий импеданс, отсутствие полярности и т. Д. С другой стороны, у него есть недостатки, заключающиеся в том, что его емкость зависит от температуры, напряжения (постоянного и переменного тока), частоты и времени.
На графиках ниже показаны различные характеристики, которые влияют на измеренное значение емкости, на примере конденсаторов размером 3216 мм, емкостью 10 мкФ с характеристиками B и F соответственно.

Рис. 1. Температурные характеристики * Емкость изменяется в зависимости от температуры.

Рис. 2. Характеристики смещения постоянного тока * Изменение емкости при смещении постоянного тока

Рис. 3. Характеристики переменного напряжения * Емкость изменяется с изменением напряжения переменного тока.

Рис. 4. Частотные характеристики * Емкость изменяется в зависимости от диапазона частот.

Рис. 5. Характеристики старения * Изменение емкости во времени

Как упоминалось выше, емкость керамического конденсатора с высокой диэлектрической проницаемостью изменяется в зависимости от температуры, напряжения (постоянного и переменного тока), частоты и времени.При измерении емкости конденсатора необходимо, чтобы измерения выполнялись в условиях, предусмотренных вышеупомянутыми условиями. Также при проектировании схемы адекватно учитывать характеристики керамического конденсатора в условиях рабочей среды.

Характеристики смещения, температурные характеристики, частотные характеристики и т. Д. Могут быть подтверждены с помощью этого программного обеспечения. (SimSurfing)
SimSurfing
Как использовать


Связанные часто задаваемые вопросы
> Пожалуйста, предоставьте данные, касающиеся температурных характеристик и характеристик смещения постоянного тока, характеристик напряжения переменного тока, импеданса / ESR и других частотных характеристик, экзотермических характеристик пульсаций и других основных электрических характеристик многослойных керамических конденсаторов.Кроме того, можно ли предоставить такие данные в формате CSV?
> Пожалуйста, предоставьте данные о характеристиках смещения постоянного тока в случае изменения условий измерения (окружающей температуры и приложенного напряжения переменного тока) многослойных керамических конденсаторов. (Пример: данные характеристики смещения постоянного тока при 40 ℃ и 10 мВ среднеквадр.)
> Пожалуйста, предоставьте данные, касающиеся температурных характеристик в случае изменения условий измерения (приложенное напряжение постоянного / переменного тока) многослойных керамических конденсаторов.(Пример: данные температурных характеристик при 3 В постоянного тока и 10 мВ среднеквадратичного значения)
> Пожалуйста, предоставьте данные, касающиеся частотных характеристик в случае изменения условий измерения (температура окружающей среды и приложенное напряжение постоянного тока) многослойных керамических конденсаторов. (Пример: данные частотных характеристик при 40 ℃ и 3 В постоянного тока)
> Пожалуйста, предоставьте технические характеристики, касающиеся электрических характеристик многослойных керамических конденсаторов. Кроме того, предоставьте сравнительные данные для нескольких номеров деталей.

Измерение емкости осциллографом

Электролитические конденсаторы известны своей ужасной точностью. Просто считывая значение на упаковке, часто бывает недостаточно, чтобы узнать их истинную емкость. В этом блоге я покажу, как измерить реальную ценность с помощью осциллографа.

Чтобы определить емкость, мы измерим время, в течение которого он заряжается до определенного напряжения. Используя простую схему, в которой конденсатор включен последовательно с резистором, мы можем медленно заряжать конденсатор и измерять напряжение на нем с помощью осциллографа.Эта схема также называется RC-цепью.

Когда мы подаем напряжение на V в , конденсатор будет заряжаться, а когда мы потянем V на на землю, он немедленно разрядится. Для этого можно использовать блок-генератор волновой функции, который будет колебаться между 0 и 5 В на определенной частоте. Таким образом, мы можем заряжать и разряжать конденсатор с заданной скоростью. Чтобы вычислить эту скорость, мы можем просто перемножить номиналы конденсатора и резистора.В моем случае это 100 мкФ и 220 Ом. Результатом этого будет так называемая постоянная RC. При R * C секунд конденсатор будет заряжен до 63,2% от своего полного потенциала. Однако конденсатор почти полностью заряжен при 5 * RC. Итак, когда мы умножаем 0,000100 F * 220 Ом, мы получаем 22 мс. Чтобы определить время, когда конденсатор будет полностью заряжен, умножаем 5 * 22 мс. Это дает нам 0,11 секунды. Чтобы вычислить частоту нашей блочной волны, мы можем взять ее обратную величину. 1 / 0.11 даст 9.09 Гц. Это число необходимо разделить на 2, поскольку волна блокировки падает с 5 В до 0 В после половины своего цикла.

Принимая во внимание погрешность, блочная волна 4 Гц должна полностью заряжать и разряжать наш конденсатор.

Завершая наши вычисления, мы ожидаем, что напряжение нашего конденсатора будет 3,16 В (63,2% от 5 В) через 22 мс. Но будет ли это так?

Для построения схемы я подключил выходы функционального генератора через резистор и конденсатор.Мы измеряем осциллографом только на конденсаторе.

Это показывает следующие выходные данные на осциллографе. Мы устанавливаем горизонтальные курсоры в диапазон 3,16 В, а вертикальные курсоры в начало формы сигнала, где кривая пересекает отметку 3,16 В.

Считываем 25 мс (BX-AX). Это немного больше, чем мы рассчитали выше. Чтобы быть более точным, я также измерил номинал резистора, поскольку он имел допуск 5%.Номинал резистора 217,4 Ом.

Принимая во внимание измеренное значение резистора и время RC, которое зарядило конденсатор до 63,2%, мы можем вычислить истинную емкость.

Когда мы вводим значения для производной формулы C = t / R. C = 0,025 / 217,4 = 0,000115 F, что составляет 115 мкФ.

Производственная погрешность нашего конденсатора составляет 15%, что действительно можно назвать ужасным.

Для тех, кто интересуется, почему постоянная времени RC равна 63.2%, рекомендую прочитать этот туториал.

Практические испытания и измерения

— не беспокойтесь о конденсаторах связи!

Еще одна замечательная исследовательская статья Итана Винера, в которой он разработал простое устройство, которое измеряет искажения конденсатора с помощью звуковой карты USB и бесплатного программного обеспечения, чтобы попытаться определить важность высококачественных конденсаторов на пути прохождения сигнала. В этой статье подробно описаны результаты его испытаний с различными типами конденсаторов. Эта статья изначально была опубликована в audioXpress, май 2020 г.

Итан Винер говорит, что он часто видит аргументы на форумах Hi-Fi и в аудиогруппах Facebook о важности высококачественных конденсаторов на пути прохождения сигнала. Верно, что качество конденсаторов разных типов сильно различается, и основная проблема с конденсаторами низкого качества заключается в том, что они могут добавлять искажения в звук, проходящий через них. Но для конденсаторов межкаскадной связи это может быть не такой большой проблемой, как многие думают.
Фото 1. Я разработал переднюю панель тестера в Microsoft Visio, затем распечатал ее на карточках и приклеил к металлическому корпусу.
Для работы аудиосхем требуется постоянное напряжение, поэтому все устройства имеют либо батарею, либо источник питания, который преобразует переменное напряжение от настенной розетки в постоянное напряжение, необходимое для этих цепей. Если вы запитаете аудиосхему от сети переменного тока, частота сети 60 Гц (или 50 Гц) будет модулировать звук и отображаться на выходе в виде гула.

Твердотельные устройства работают при низких напряжениях, обычно 15 В или меньше, в то время как для ламповых цепей требуются сотни вольт. Внутренние точки входа и выхода многих цепей не сконцентрированы на 0 В постоянного тока, поэтому между ступенями используются конденсаторы связи.Это особенно необходимо для ламповых устройств, но также и для многих полупроводниковых схем, в которых вместо операционных усилителей используются дискретные транзисторы. Таким образом, если постоянное напряжение в состоянии покоя на выходе одного внутреннего каскада составляет 5 В, но только 2 В на входе следующего каскада, в тракте сигнала помещается разделительный конденсатор, позволяющий аудио проходить без нарушения постоянного напряжения. разница.

Конденсатор состоит из двух металлических пластин, расположенных в непосредственной близости, но не совсем соприкасающихся. Чем больше поверхность пластин и чем ближе пластины друг к другу, тем больше будет емкость.В одной из распространенных конструкций используются параллельные полосы металлической фольги с тонкой пластиковой изоляцией между полосами. Сборка сворачивается для экономии места, а затем окунается в затвердевающую слизь. Поскольку металлические пластины не имеют электрического соединения, постоянный ток не проходит.

Однако ток может течь через конденсатор при изменении приложенного напряжения. Хотя физического соединения через конденсатор нет, лампочка, подключенная к батарее через конденсатор, при первом подключении кратковременно мигает.

Следовательно, конденсатор пропускает переменный ток, потому что напряжение постоянно меняется. А высокие частоты проходят легче, чем низкие, потому что напряжение меняется быстрее. Вы можете думать о конденсаторе как о частотно-избирательном резисторе, и, по сути, это именно то, чем он является! Последовательная передача звука через конденсатор создает фильтр верхних частот, поскольку на низких частотах проходит меньше сигнала. С другой стороны, подключение конденсатора для короткого замыкания аудиосигнала создает фильтр нижних частот с пониженным уровнем высоких частот.Частота среза этих фильтров зависит от номинала конденсатора — его емкости — вместе с сопротивлением нагрузки назначения.

Одна проблема с конденсаторами заключается в том, что они могут искажать звук, проходящий через них. Но это происходит только при изменении уровня сигнала через конденсатор. На очень высоких частотах проходит весь звук; а на очень низких частотах звук не проходит. Искажение возникает только тогда, когда часть звука проходит, а часть блокируется.

Рисунок 1: Как вы можете видеть на схеме, сам тестер представляет собой простое устройство, которое полагается на высококачественную звуковую карту и подходящее программное обеспечение для выполнения реальной работы.
Поэтому важно, чтобы конденсаторы на пути прохождения сигнала имели низкие искажения, но это в основном относится к эквалайзерам и другим фильтрам, где потери конденсатора происходят в пределах слышимой полосы пропускания. Конденсаторы связи, включенные последовательно между каскадами аудиосхемы, обычно имеют достаточно большое значение, чтобы спадать, начиная с частоты ниже 20 Гц. Поскольку на конденсаторе связи на высоких частотах звука теряется небольшое звуковое напряжение, теоретически их искажение не должно иметь значения. Это именно то, что я намеревался доказать или опровергнуть своими тестами.

Основным фактором искажения конденсатора является его коэффициент напряжения. Это мера того, насколько изменяется емкость при изменении приложенного напряжения. В идеале конденсатор должен иметь одинаковую емкость независимо от того, какое напряжение присутствует на его выводах.

Другой причиной искажения конденсатора является его диэлектрическое поглощение, которое является эффектом «памяти». После полной разрядки конденсатора некоторое постоянное напряжение вскоре снова появляется, потому что часть заряда хранится в диэлектрике конденсатора — технический термин для изоляционного материала между металлическими пластинами.

Фото 2: это внутренности тестера, показывающие двухточечную проводку. Печатная плата не требуется.
Искажение конденсатора сильно варьируется от очень низкого для типов майлара, полистирола и слюды до неприемлемо высокого для некоторых электролитов и даже выше для керамических типов. Здесь «тип» конденсатора определяет его диэлектрический материал. Керамические конденсаторы высокой плотности, которые содержат большую емкость при небольшом физическом размере, еще хуже, а также страдают от пьезоэлектрического эффекта.При постукивании по конденсатору или его вибрации возникает слышимый шум.

Измерительный конденсатор искажений
В рамках моей работы консультантом по акустике я начал полагаться на программное обеспечение Room EQ Wizard (REW). Эта программа для «пожертвований» измеряет все аспекты акустики помещения (например, частотную характеристику, время затухания реверберации и многое другое). Он также включает в себя анализатор искажений для измерения искажений громкоговорителей. В сочетании с качественной звуковой картой (например.g. Focusrite Scarlett 8i6), REW можно использовать для измерения искажений пассивных компонентов (например, конденсаторов и трансформаторов) и даже активных устройств, таких как эквалайзеры и предусилители.

Рисунок 2: Подключение выхода звуковой карты напрямую к ее собственному входу позволяет REW измерять искажения в зависимости от частоты самой звуковой карты.
Существуют и другие программы измерения звука, такие как популярный RightMark Audio Analyzer, который предназначен именно для такого рода испытаний.Но у меня уже есть REW и я его очень хорошо знаю. Измерение искажений конденсатора сложнее, чем просто отправка звука через тестируемый компонент. Измеряемые конденсаторы должны «управлять» резисторной нагрузкой, подключенной к земле, чтобы вызвать падение напряжения на конденсаторе, чтобы имитировать их использование в аудиосхемах. А для тестирования конденсаторов разного номинала необходимо изменить сопротивление нагрузки, чтобы частота среза оставалась в пределах слышимого диапазона. Таким образом, мы можем видеть, как искажение изменяется как ниже, так и выше частоты среза.Конденсатор 22 мкФ, управляющий нагрузкой 1000 Ом, имеет низкочастотную отсечку на 7 Гц, что слишком мало для отображения REW. Кроме того, для тестирования поляризованных конденсаторов требуется достаточно большое напряжение смещения постоянного тока, чтобы гарантировать, что полярность никогда не изменится на противоположную из-за звука, присутствующего на конденсаторе. Самыми сильными тестовыми сигналами, которые я использовал, были развернутые синусоидальные волны REW при чуть менее 2,2 ВП, поэтому для моего тестера было достаточно батареи AA на 1,5 В. То есть обратная часть полярности синусоидальной волны составляла 1,1 В или меньше, оставляя запас прочности 0,4 В.

На фото 1 показана передняя панель моего устройства, которая представляет собой простую карточку, приклеенную к алюминиевой коробке для проекта с креплением для распылительной фотокамеры 3M. Я использовал разъем Zero Insertion Force (ZIF) для тестируемых конденсаторов, потому что вставлять и извлекать компоненты намного проще, чем с обычным разъемом IC. К тому же он у меня уже был. Это гнездо подходит для толстых и тонких проводов, что необходимо с диапазоном номиналов конденсаторов, которые я тестировал.

Тестируемый конденсатор и потенциометр сопротивления нагрузки плюс «ограничивающий» резистор 620 Ом образуют фильтр верхних частот, при этом потенциометр устанавливает нижнюю граничную частоту.Переключатель On / Off добавляет батарею, когда это необходимо, для смещения поляризованных конденсаторов или напрямую заземляет резисторы.

Фото 3: Я измерил все 24 конденсатора для этой статьи.
На рисунке 1 показана схема тестера. На фото 2 показана его внутренняя разводка. Как видите, это очень простое устройство! При использовании линейный выход звуковой карты поступает на вход тестера, а выход тестера возвращается на вход инструментального уровня звуковой карты. Линейный выход моей звуковой карты имеет очень низкий импеданс и может управлять нагрузкой менее 600 Ом без увеличения собственных и без того низких искажений.

Я действительно тестировал это с помощью подстроечного потенциометра 1 кОм. Искажение осталось на том же низком уровне до менее 500 Ом, поэтому 620 Ом является безопасным нижним пределом. Входы моей звуковой карты Focusrite можно переключать между линейным уровнем с заявленным входным импедансом более 10 кОм (я измерил его как 24 кОм) или настройкой «Инструменты», которые выводят более низкий уровень сигнала и требуют гораздо более высокого входного импеданса. . Пассивные электрогитары и бас-гитары должны иметь входной сигнал не менее 1M, и я измерил этот вход на 2.9М, что очень много. Тестеру нужен собственный выходной конденсатор связи, чтобы блокировать 1,5 В постоянного тока при включенной батарее. Я измерил искажения нескольких высококачественных пленочных конденсаторов, которые у меня уже были в моем отсеке для деталей, и ни один из них не увеличил собственные низкие искажения звуковой карты. Поэтому я выбрал конденсатор Cornell Dubilier WMF с полиэфирной пленкой 0,33 мкФ, показанный на фото 2, потому что он олдскульный и выглядит круто.

Я использовал потенциометр звукового конуса 10 кОм для изменения импеданса нагрузки, и на схеме показан ожидаемый диапазон значений от 620 Ом до 10.62 кОм. Но когда я откалибровал маркировку панели, измерив сопротивление на каждой маркировке линии, я обнаружил, что на самом деле потенциометр составляет 9,33 кОм. Значит, надписи на панели правильные. Потенциометр импеданса нагрузки позволяет удерживать частоту спада в пределах диапазона, чтобы увидеть искажения выше и ниже этой частоты. Я использовал потрясающий бесплатный калькулятор Electronics Assistant с веб-сайта Electronics2000, чтобы определить наилучшие значения.

Как я уже упоминал, тестер включает в себя 1.Батарея 5 В AA, когда необходимо смещение поляризованных конденсаторов, чтобы их положительный полюс всегда был более положительным, чем отрицательный. Без этого смещения конденсатор добавил бы больше искажений, чем обычно. Я не подавал это напряжение при тестировании керамических и пленочных конденсаторов, хотя я пробовал это раньше, и это не имело никакого значения. Я также измерил искажение пленочного конденсатора большой емкости, управляющего нагрузкой 620 Ом в наихудшем случае с батареей и без нее, и отклик и искажения были идентичны.Это доказывает, что батарея имеет достаточно низкий импеданс на слышимых частотах. Однако это относится только к новой батарее — по мере разряда батареи ее сопротивление возрастает. Поскольку для зарядки относительно небольших конденсаторов, которые тестирует это устройство, требуется минимальный ток, аккумулятор в моем тестере должен оставаться годным к употреблению в течение многих лет.

Рисунок 3: Искажения с конденсатором 0,22 мкФ.
Измерение искажений
Прежде чем я смог измерить искажения различных типов и значений конденсаторов, мне нужно было подтвердить собственные искажения моей звуковой карты.Это легко сделать, используя «петлевое» соединение, при котором выход звуковой карты снова подключается к ее собственному входу. На рисунке 2 показаны искажения, измеренные для прямого подключения с использованием обоих входов. Focusrite указывает звуковую карту на 0,001% общих гармонических искажений плюс шум (THD + N) для выходов и 0,004% THD + N на 1 кГц для инструментального входа, который я использовал. Как вы можете видеть, искажения на средних и высоких частотах намного ниже для линейного входа, чем для инструментального входа, а искажение инструментального входа превышает 1 кГц.

Оба измерения на Рисунке 2 были сделаны при выводе звуковой карты –5 dBFS. Минимальное усиление для инструментального входа составляет 13 дБ, поэтому я установил такое же значение усиления предусилителя, когда переключил вход на линейный уровень. В последующих измерениях искажения конденсатора использовался инструментальный вход с высоким импедансом, чтобы избежать взаимодействия с потенциометром сопротивления нагрузки 10 кОм и выходным конденсатором 0,33 мкФ моего тестера. Вы можете видеть небольшие всплески с частотой, кратной 30 Гц, когда кажется, что искажения на очень низких частотах увеличиваются, но это, скорее всего, из-за небольшого количества шума.

Для своих тестов я купил по одному конденсатору шести номиналов четырех типов (см. Фото 3). Я тестировал четыре типа: пленочный, алюминиевый электролитический, танталовый электролитический и керамический. Шесть протестированных значений были 0,22 мкФ, 0,47 мкФ, 1 мкФ, 2,2 мкФ, 4,7 мкФ и 6,8 мкФ, хотя на следующих цифрах показаны только три из этих значений, потому что все значения были измерены одинаково. Весь набор из 24 конденсаторов стоит менее 10 долларов, хотя мне жаль бедного сотрудника Mouser Electronics, которому пришлось упаковывать и маркировать все эти отдельные части!

Рисунок 4: Искажения с конденсатором 1 мкФ.Рисунок 5: Искажения с конденсатором 4,7 мкФ.
Было непрактично тестировать конденсаторы очень большой емкости, потому что это привело бы к тому, что их низкочастотная отсечка –3 дБ оказалась бы слишком низкой, и эти тесты должны показать, что происходит значительно ниже этого порогового значения. Для тестирования конденсатора 100 мкФ на частоте 100 Гц потребуется нагрузочный резистор на 16 Ом, что слишком мало для моей звуковой карты, чтобы работать без добавления собственных искажений. Поэтому я проверил частоту 500 Гц для конденсаторов меньшего размера и снизил частоту для конденсаторов большего номинала.Поскольку я не мог опуститься ниже 620 Ом, тесты конденсаторов большей емкости начинают спадать на более низких частотах. Но частоты все еще достаточно высоки, чтобы увидеть, как искажения поднимаются ниже границы отсечки.

Для этих тестов на искажения REW был настроен на вывод уровня –5 dBFS через мою звуковую карту. При этом на конденсаторы подается максимальное практическое напряжение, но без искажения инструментального входа звуковой карты с высоким импедансом, который был установлен на минимальное усиление. Для моей звуковой карты Focusrite 8i6 –5 dBFS соответствует выходному уровню 0 dBu или 0.775 В RMS (2,19 VPP). На рисунках 3–5 показано искажение трех значений для всех четырех типов конденсаторов.

Рисунок 6: Помимо отображения общего искажения в зависимости от частоты, REW может также отображать уровень каждой отдельной гармонической составляющей. На этом графике показаны гармоники пленки. Рисунок 7: Этот график показывает керамические гармоники.
Для ясности сравнения искажений на рисунках 3–5 показывают только общие величины искажений, но REW также может отображать уровень отдельных гармоник.На рисунках 6 и 7 показаны общие искажения плюс все отдельные гармоники до шестой для пленочных и керамических конденсаторов 4,7 мкФ. Вы можете видеть, что для керамического конденсатора преобладают третья и пятая гармоники, но для пленочных типов наибольший вклад вносит вторая гармоника. Цифры внизу соответствуют величине искажения при 100 Гц.

Поскольку искажения конденсатора зависят от частоты, цифры, отображаемые REW, следуют за текущим положением курсора. Поэтому я поставил курсор на 100 Гц, когда экспортировал эти изображения.Чтобы показать наихудший случай для керамических конденсаторов, я тестировал типы Z5U или X5R. Помимо высоких искажений, они также являются микрофонными из-за использования пьезоэлектрического диэлектрика, который обеспечивает большую емкость при очень небольшом физическом размере. Керамические конденсаторы NP0 и C0G намного лучше, но все же совсем не похожи на пленочные или полистирольные конденсаторы. Для пьезотестов я подключил по одному конденсатору каждого из четырех типов ко входу своего гитарного усилителя Fender SideKick. Гитарные усилители имеют очень высокий входной импеданс, который необходим при приеме звука от пьезоустройства (например.г., контактный микрофон). Я поместил свой портативный рекордер Zoom h3 6 дюймов перед динамиком усилителя и полностью повернул все три регулятора громкости и усиления. Только керамический конденсатор шумел, когда я постучал по нему маленькими металлическими плоскогубцами. Вы можете загрузить аудиофайл, указанный в наших файлах проекта, на веб-сайте audioXpress, чтобы услышать этот шум, хотя при увеличении громкости до максимума слышно сильное шипение усилителя.

Как было сказано в начале этой статьи, моей целью было определить, являются ли искажения проблемой для разделительных конденсаторов на слышимых частотах выше 20 Гц.Глядя на измерения на рисунках 3–5, становится ясно, что для всех типов конденсаторов, кроме керамических, искажение действительно является проблемой только на частотах, близких и ниже их низкочастотного спада. Для более высоких частот даже недорогие алюминиевые электролитические конденсаторы имеют искажения, близкие к низким остаточным искажениям самой звуковой карты. Хотя из моих тестов также ясно, что дешевые керамические конденсаторы никогда не должны использоваться ни в каком тракте аудиосигнала!

При подготовке этой статьи я узнал, что очень сложно измерить крошечные искажения в современных звуковых картах и ​​пленочных конденсаторах.Мне пришлось использовать более длительное время развертки и многократное повторение развертки в REW, чтобы увеличить разрешение по сравнению с настройками программы по умолчанию для измерения комнат. Чтобы получить максимально возможное разрешение в REW, каждое сканирование занимает четыре минуты! Но даже когда конденсатор имеет немного больше искажений, чем сама звуковая карта, на практике значение меньше 0,1% в большинстве случаев является безвредным, поскольку в этот момент артефакты искажения на 60 дБ ниже музыкального уровня. Конечно, во многих аудиоустройствах используется более одного конденсатора связи, и все искажения накапливаются.Так что лучше всего, если на каждой ступени будет меньше искажений, чем слышно.

Фото 4: Этот Behringer HD400 «Hum Destroyer» содержит два миниатюрных линейных трансформатора — по одному на каждый стереоканал — для устранения шума и гудения, вызываемых контурами заземления между устройствами в аудиосистеме. (Фото любезно предоставлено Behringer) Фото 5: Triad TY-250P — популярный аудиопреобразователь, потому что он достаточно хорошо работает и очень доступен.
Конденсаторы Beyond
REW также может измерять искажения трансформаторов и даже целых цепей без необходимости использования моего устройства для проверки конденсаторов.Так что ради интереса я измерил два трансформатора, которые у меня уже были — Behringer HD400, показанный на фото 4, и чистый (без корпуса) Triad TY-250P, который показан на фото 5, и стоит около 6 долларов. В отличие от тестов конденсаторов, которые требовали подключения инструментального входа с высоким сопротивлением на моей звуковой карте, я использовал вход линейного уровня для измерений трансформатора и эквалайзера, которые следуют ниже.

Я измерил HD400 на нескольких уровнях сигнала, и результаты на Рисунке 8 показывают различия не только в искажениях, но и в частотной характеристике на низких частотах.Чтобы показать и частотную характеристику, и искажение для всех трех уровней на одном графике, я установил вертикальную шкалу слева, чтобы отображать дБ SPL вместо процентов искажений, как на рисунках 3-5. Каждые 20 дБ разницы уровней составляют 10 раз, поэтому искажение — это разница в децибелах между линией частотной характеристики вверху и линией искажения внизу. Например, при 30 Гц искажение самого большого сигнала 0 дБн охватывает две линии маркера 20 дБ, и поэтому составляет около 1%.

Рисунок 8: Здесь показаны частотная характеристика трансформатора Behringer HD400 и искажения на трех различных входных уровнях.Рисунок 9: Характеристики Triad TY-250P аналогичны Behringer.
Я проверил трансформатор HD400 в том смысле, в каком он предназначен для использования: питался от сбалансированного линейного выхода с низким сопротивлением моей звуковой карты, а затем отправлялся обратно на линейный вход 24 кОм. Поскольку я использовал симметричный выход своей звуковой карты, имеющий как положительные, так и отрицательные сигналы, выход REW –5 dBFS стал на 6 дБ выше в трансформаторе, чем когда я использовал несимметричный (однопроводный) выход для тестов конденсаторов. Фактические уровни показаны в дБн на рисунке 8.

Я тестировал Triad TY-250P, показанный на фото 5, точно так же, как Behringer, на балансном выходе моей звуковой карты при тех же трех уровнях напряжения. Результаты на Рисунке 9 показывают, что этот трансформатор похож на Behringer, но с большим искажением на низких частотах и ​​меньшим — на высоких. Обратите внимание, что для обоих трансформаторов доминирующей составляющей искажений является третья гармоника. Вот почему искажения внезапно снижаются около 7 кГц, что составляет одну треть от верхнего предела частоты 44.Частоту дискретизации 1 кГц я использовал во всех своих тестах. Эти недорогие трансформаторы имеют неплохие искажения, и при типично низких уровнях напряжения потребителя они в любом случае могут считаться «высокоточными» выше 20 Гц или 30 Гц. Напротив, высококачественный аудиопреобразователь, такой как Jensen Iso-Max CI-1RR, имеет гораздо лучшие характеристики, включая искажения на 20 Гц менее 0,04% на уровнях намного выше, чем я использовал для измерения этих дешевых трансформаторов. Но при 130 долларах это намного дороже. С аудиопреобразователями вы получаете то, за что платите!

Фотография 6: Автор построил этот параметрический эквалайзер в 1970-х годах, и объяснение схемы, включая схему, доступно на его веб-сайте.Рисунок 10: Эта классическая конструкция параметрического эквалайзера добавляет немного искажений, оставаясь ниже 0,01% в большей части слышимого диапазона.
Наконец, я измерил искажения параметрического эквалайзера на фото 6. Я построил четыре таких эквалайзера в 1970-х годах для своей профессиональной студии звукозаписи, и статья, описывающая схему вместе со схемами, есть на моем веб-сайте. На рисунке 10 показаны измеренные искажения — я был приятно удивлен тем, насколько хорошо этот древний прибор показал себя в этих тестах!

Последнее, что я упомяну, это то, что REW не измеряет интермодуляционные искажения (IMD), которые более разрушительны, чем гармонические искажения, которые я измерил для этой статьи.Когда гармонические искажения добавляют музыкально связанные обертоны к отдельным частотам, IMD создает суммарные и разностные тона, связанные с парами частот источника. Хуже того, добавленные частоты не обязательно связаны с музыкальными нотами, которые их создали. Таким образом, интермодуляционные искажения обычно более слышны и более нежелательны, чем гармонические искажения.

Но два типа искажения идут рука об руку и всегда присутствуют вместе. Таким образом, низкий уровень гармонических искажений также обеспечивает низкий уровень интермодуляционных искажений. Наконец, я хочу упомянуть прекрасную книгу Дуга Селфа «Small Signal Audio Design», теперь уже во втором издании, как источник моего интереса к конденсаторным искажениям.Эту книгу необходимо прочитать продвинутым любителям аудио, и даже профессиональные проектировщики схем найдут много полезного. Еще один отличный ресурс, в котором подробно рассказывается о деталях, — это статьи Сирила Бейтмана «Capacitor Sound». aX

Эта статья была первоначально опубликована в audioXpress, май 2020 г.

Файлы проекта
Чтобы загрузить дополнительный файл Capacitor Piezo test.mp3, посетите страницу дополнительных материалов audioxpress

Ресурсы
С.Статьи Бейтмана, Linear Audio, https://linearaudio.nl/cyril-batemans-capacitor-sound-articles
Электроника 2000, www.electronics2000.co.uk/download.php#assistant
Дженсен Трансформеры, www.jensen-transformers.com/product/ci-1rr
RightMark Audio Analyzer, http://audio.rightmark.org/products/rmaa.shtml

Room EQ Wizard, www.roomeqwizard.com

D. Self, «Small Signal Audio Design», 2-е издание, Focal Press, август 2014,
www.amazon.com/Small-Signal-Audio-Design-Douglas/dp/0415709733

E.Винер, «Проекты анализатора спектра и эквалайзера»,
http://ethanwiner.com/spectrum.html

Об авторе
Итан Винер был звукорежиссером и профессиональным музыкантом более 50 лет. Его музыкальный видеоклип «Виолончель-рондо» получил почти 2 миллиона просмотров на YouTube и других веб-сайтах, а его книга «Аудио-эксперт», опубликованная Focal Press, теперь во втором издании, доступна на amazon.com и на собственном веб-сайте Винера ethanwiner.com. Винер также является директором RealTraps (http: // realtraps.com), американского производителя высококачественной акустической обработки.

Измерительный конденсатор утечки — комната роботов

Конденсаторы странные.

Я представил несколько электронных проектов, которые будут заряжать конденсатор в дневное время с помощью солнечной панели, а затем потреблять эту энергию, чтобы не спать ночью. По какой-то причине прототипы проекта отключились раньше, чем предсказывала формула потребления конденсатора.

В современных цифровых схемах большинство конденсаторов используется для сглаживания электропитания и уменьшения шума схемы.Когда конденсаторы используются для широтно-импульсной модуляции или генерации частоты, они обычно имеют переменный резистор или кристалл для установки времени. Когда конденсаторы используются для размыкания переключателя или удержания транзистора в открытом состоянии, точное время удержания часто не имеет решающего значения. Так что до сих пор мне не нужно было разбираться в саморазряде конденсаторов.

Если вам не требуется долговременное хранение энергии или вы не являетесь профессиональным инженером-электриком, многие из необычных особенностей реальных конденсаторов не повлияют на вас.Тем не менее, вы обязательно захотите прочитать эту статью, если вы собираете солнечного робота для соревнований, используете старые запасные или утилизированные конденсаторы, или если вы пытаетесь разрядить конденсатор более минуты.

  • Некоторые конденсаторы магическим образом увеличивают напряжение после разряда до 0 вольт. Невозможно? Что это за колдовство?

Удивительно, но большая часть этой статьи посвящена трудности измерения разряда без возникновения разряда.

Формула идеальной требуемой емкости

Чтобы рассчитать идеальную емкость, которая обеспечит достаточную мощность в течение определенного периода времени, вам необходимо знать сток цепи, полностью заряженное напряжение, минимально допустимое напряжение и время.

Например, предположим, я хочу, чтобы конденсатор питал красный светодиод (1,9 В) в течение десяти минут (600 секунд). Предположим, у меня есть резистор (350 Ом), который ограничивает использование схемы средним током 1 мА, когда конденсатор полностью заряжен на 2.5 В, пока оно не опустится до 2,0 В.

емкость в фарадах = потребляемый ток в амперах / ((начальное напряжение - конечное напряжение) / время в секундах)
емкость в фарадах = 0,001 А / ((2,5 В - 2,0 В) / 600 с)
емкость в фарадах = 0,001 А / (0,5 В / 600 с)
емкость в фарадах = 0,001 A / 0,00083333333333333 В / с
емкость в фарадах = 1,2 Ф

Вот это да. Фарад — довольно большая емкость конденсатора.Большинство из нас привыкло к значениям в диапазоне микрофарад (0,000001 F). Если вам нужно значение в диапазоне фарад, это работа для ультраконденсатора.

В зависимости от возраста и качества конденсатора, который вы выбираете, напряжение упадет ниже минимального рабочего напряжения вашей схемы намного раньше, чем это предсказывается по этой формуле. Почему?

Как и все другие электронные компоненты, конденсаторы должны быть как можно меньше по размеру.Компромисс заключается в том, что изоляционный материал между слоями должен быть очень тонким, что снижает электрическую стойкость. Пониженное сопротивление изоляции в сочетании с небольшими дефектами позволяет некоторому электрическому току медленно протекать через него.

Условное обозначение конденсатора с резисторами для обозначения утечки между пластинами.

Неизвестным фактором в приведенной выше формуле является то, как быстро конденсатор разрядится сам по себе, даже если он не подключен к цепи.Для примера схемы нам нужно включить количество тока, протекающего через конденсатор, а не только через светодиод, чтобы выбрать значение, которое прослужит достаточно долго.

Измерение утечки конденсатора

Во всех моих тестах по измерению утечки конденсатора напряжение никогда не превышало номинальных значений производителя, а также не подавалась мощность с обратной полярностью (+ -), указанной в маркировке. Также тестирование происходит при комнатной температуре.

Для начала конденсатор заряжается до определенного напряжения с помощью настольного блока питания или схемы регулятора напряжения.Затем конденсатор отключают от источника питания и измеряют напряжение с течением времени.

Чтобы избежать внешнего стока, конденсатор не устанавливается ни в схему, ни в макетную плату. Конденсатор просто лежит на деревянном столе, подключенном к измерительному прибору с помощью зажимов типа «крокодил».

Неправильный способ измерения утечки конденсатора

Самый очевидный метод измерения напряжения — наш удобный мультиметр.Идите и попробуйте сами. Вы подозреваете, что каждый конденсатор, который у вас есть, ужасен!

Вот результаты измерения свежего, современного многослойного керамического конденсатора емкостью 1 мкФ.

Измерение саморазряда конденсатора 1 мкФ с помощью мультиметра (красная линия) или специальной микросхемы (синяя линия).

Красная линия — это падение напряжения (потеря мощности), когда автономный конденсатор измеряется мультиметром .Он почти полностью сливается всего за минуту.

Оказывается, падение напряжения вызывает мультиметр. Видите ли, мультиметры созданы для гибкости, широкого диапазона, низкой стоимости и точности, а не для низкого потребления тока. Схема измерителя разряжает конденсатор.

Вы можете убедиться в этом сами, сначала измерив напряжение постоянно подключенным измерителем. Затем отключите счетчик, зарядите конденсатор, подождите пару минут, а затем подключите счетчик.Хотя напряжение сразу же начнет падать при подключении счетчика, вы заметите, что напряжение было намного выше через пару минут, когда его оставили в покое, по сравнению с тем, когда счетчик был подключен все время.

Лучший способ измерить утечку конденсатора

Чтобы уменьшить влияние измерительного устройства на конденсатор, вам понадобится что-то с высокоомным входом. Термин «высокий импеданс» означает, что что-то имеет высокое сопротивление, низкую емкость и низкую индуктивность.Другими словами, ввод мало влияет на то, к чему он подключен.

Осциллографы обычно имеют входы с высоким импедансом. Другой популярный выбор — использовать КМОП операционный усилитель для буферизации входного сигнала. В моем случае я использовал Microchip MCP6S22 из моего проекта Minifigure Multimeter. MCP6S22 имеет входное сопротивление 10 13 или 10 000 000 000 000 Ом.

Вернитесь к предыдущему графику и обратите внимание на почти плоскую синюю линию вверху.Это тот же конденсатор, измеренный с помощью микросхемы MCP6S22. Сравнение красной и синей линий ясно показывает, что стандартный мультиметр не может напрямую измерить напряжение конденсатора для определения скорости саморазряда.

Ниже приведен еще один пример с гораздо большим конденсатором 220 мкФ. В данном случае я протестировал свежий, современный алюминиевый электролитический конденсатор.

Измерение саморазряда конденсатора 220 мкФ.

Кривая похожа на предыдущий график, но ось абсцисс в 135 раз длиннее, поскольку она выражается в минутах, а не секундах. Конденсатор большего размера содержал достаточно энергии, чтобы сток мультиметра имел меньшее влияние, условно говоря. И все же счетчик разряжает конденсатор намного быстрее, чем внутренние утечки. Поэтому попытка непрерывного измерения саморазряда даже конденсатора большой емкости с помощью мультиметра приведет к неточным результатам.

Теоретически вы можете провести быстрое измерение, отключить измеритель, подождать некоторое время, снова подключиться, провести еще одно измерение и т. Д. Это все равно приведет к некоторой неточности, но может быть приемлемым, если у вас нет доступа к устройству для измерения высокого импеданса.

По-прежнему неточно

К сожалению, мы скоро обнаружим, что даже микросхемы с входным сопротивлением 10 триллионов Ом недостаточно для точного измерения утечки конденсатора.


Как измерить ESL и ESR конденсатора промежуточного контура — Блог пассивных компонентов

Конденсаторы цепи постоянного тока

являются важным этапом преобразования энергии для многих приложений, включая инверторы с трехфазной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), фотоэлектрические и ветровые инверторы, промышленные моторные приводы, автомобильные бортовые зарядные устройства и инверторы, а также источники питания для медицинского оборудования.

Когда и зачем использовать конденсатор промежуточного контура Рис. 1. Конденсатор промежуточного контура — ключевой элемент во многих конструкциях преобразователей мощности.Показан трехфазный инвертор для тягового двигателя электромобиля.

Где и почему используется конденсатор промежуточного контура? На рисунке 1 показана система привода для электромобиля с автомобильным аккумулятором (BEV). Система включает аккумуляторную батарею для хранения энергии для системы привода, трехфазный инвертор и электродвигатель для обеспечения тяги. Выходное напряжение аккумулятора может достигать 800 В постоянного тока.

Это приложение, а также приложения, упомянутые ранее, предназначены для преобразования постоянного тока в переменный.Они управляют подачей мощности на нагрузку с помощью силовых транзисторов (IGBT или силовых MOSFET), которые переключают высокие уровни напряжения и тока на килогерцовых частотах. Топологии коммутации по своей сути эффективны, но создают высокий уровень электрических шумов и скачков напряжения во время выключения переключателя. Они также предъявляют высокие требования к переходным токам в системе питания постоянного тока.

Конденсатор промежуточного контура расположен между источником постоянного тока и коммутационной схемой. Его цель — обеспечить более стабильное напряжение постоянного тока, минимизируя провалы напряжения, поскольку инвертор время от времени потребляет большой ток.

Важность точного измерения ESL / ESR

Электрический отклик «идеального» конденсатора является чисто емкостным, но реальное устройство также имеет паразитную индуктивность и сопротивление.

Рисунок 2: Электрическая модель реального конденсатора имеет индуктивные, емкостные и резистивные элементы.

На рисунке 2 показана электрическая модель физического устройства. Помимо емкости, он включает эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентную последовательную индуктивность (ESL), показанные как R ESR и L s соответственно.R ESR представляет собой сосредоточенное параметрическое представление резистивных и диэлектрических потерь конденсатора, а Ls представляет собой индуктивность выводов или выводов конденсатора, а также конструкцию самого конденсатора.

ESL и ESR конденсатора промежуточного контура и его разъемов имеют значительное влияние на общую конструкцию инверторного приложения, как описано выше. Энергия, накопленная в паразитной индуктивности, может вызвать выброс напряжения, когда транзистор привода двигателя (IGBT или MOSFET) выключен.ESR вызывает рассеяние мощности и, как следствие, выделяет тепло, что всегда является проблемой в стесненных высокотемпературных автомобильных средах.

Есть и другие сложности. Импеданс емкостного элемента уменьшается с увеличением частоты; ESL, с другой стороны, увеличивается с частотой. На определенной частоте — частоте собственного резонанса (SRF) — две величины компенсируются, и конденсатор имеет нулевой эффективный импеданс. На частотах выше частоты собственного резонанса преобладает ESL, и сопротивление конденсатора начинает увеличиваться.

Усовершенствования в конденсаторной технологии привели к появлению устройств со значениями ESL в несколько нГн и значениями ESR менее 1 мОм. Необходимо выполнить точное измерение ESL и ESR, чтобы подтвердить значения, указанные в таблице данных, и убедиться, что деталь будет соответствовать требованиям приложения с достаточным запасом прочности. Поскольку емкость, ESL и ESR изменяются в зависимости от частоты, измерения должны проводиться в широком диапазоне частот, а не только на стандартном наборе фиксированных частот.

Начало работы с измерением ESL и ESR

Измеритель LCR и анализатор импеданса — два наиболее распространенных испытательного оборудования для определения характеристик конденсатора промежуточного контура.

Оба прибора определяют параметры импеданса, такие как емкость, индуктивность и сопротивление, путем измерения фазочувствительного отношения напряжения к току. Это соотношение дает основные значения импеданса: абсолютное сопротивление и фазу, а также действительную и мнимую части импеданса.

Параметры, такие как емкость, индуктивность и сопротивление, могут быть получены путем применения определенной пользователем модели эквивалентной схемы к значениям основного импеданса; также могут быть получены дополнительные параметры, включая коэффициент добротности, диссипацию и проводимость.

Измеритель LCR измеряет параметры на одной или нескольких фиксированных частотах, что требует дополнительного шага интерполяции для получения параметров импеданса.

Анализатор импеданса, такой как Zurich Instruments MFIA Impedance Analyzer, является более мощным решением.Он поддерживает полную функциональность LCR, но при этом может изменять частоту и графически отображать полученные параметры импеданса. Кроме того, MFIA может измерять во временной области и визуализировать собственный резонанс в частотной области.

MFIA может выполнять измерения импеданса в диапазоне частот от 1 мГц до 500 кГц или до 5 МГц. Анализатор имеет базовую точность 0,05% и работает в диапазоне измерений от 1 мОм до 1 ТОм, с высокой воспроизводимостью и низким температурным дрейфом.

MFIA включает LabOne ® , платформенно-независимое программное обеспечение для управления приборами Zurich Instruments. Пользовательский интерфейс на основе браузера поставляется с комплексным набором инструментов для анализа во временной и частотной области.

Специализированные функции LabOne для MFIA включают вкладку «Анализатор импеданса», которая упрощает основные функции настройки, сохраняет ключевые параметры для быстрого вызова и позволяет проводить быстрые и четко определенные измерения. Он также имеет советник по компенсации, который шаг за шагом направляет пользователя по устранению любых неблагоприятных эффектов, вызванных их испытательным оборудованием или кабелями, для достижения надежных и точных результатов измерения.Другие функции LabOne включают Sweeper, который позволяет пользователю изменять параметры прибора в определенном частотном диапазоне со свободно регулируемым числом шагов сканирования, линейно или логарифмически.

Рис. 3. Испытательная установка для измерения ESL и ESR конденсатора промежуточного контура. Источник: Zurich Instruments

Обзор процедуры измерения СОЭ / ESL

MFIA и LabOne могут легко измерить ESL и ESR конденсатора промежуточного контура.На рисунке 3 показана испытательная установка с конденсатором TDK с номинальной емкостью 120 мкФ, ESR 0,8 мОм и ESL 15 нГн.

Специальная испытательная арматура с низким ESL между MFIA и конденсатором оснащена гибкими разъемами для компенсации вертикального смещения разъемов шины постоянного тока, которые соответствуют модулю IGBT в приложении.

Процедура измерения следующая:

Выполнить базовое измерение

Испытательная установка должна быть способна измерять низкие значения ESL и ESR конденсатора промежуточного контура с высокой точностью и повторяемостью.Для точных измерений импеданса необходимо сначала запустить процедуру компенсации, чтобы импедансом прибора можно было пренебречь в фактических измеренных данных.

Рисунок 4: Снимок экрана LabOne, показывающий два цикла измерения короткого замыкания после выполнения процедуры компенсации приспособления. Частотный диапазон был разделен на две части: от 1 кГц до 100 кГц в верхней развертке (красная кривая, Real (Z)) и от 100 кГц до 5 МГц ниже (зеленая кривая; последовательная индуктивность). Это подтверждает низкую базовую линию как для действительного импеданса Real (Z), так и для последовательной индуктивности для данной измерительной установки.Источник: Zurich Instruments

LabOne Compensation Advisor выполняет измерение короткой нагрузки в диапазоне от 1 кГц до 5 МГц. Эта процедура компенсации определяет положение плоскости измерения на разъемах испытательного приспособления.

Следующий тест — это короткое измерение, чтобы получить представление об исходной линии измерения. На рисунке 4 показан снимок экрана интерфейса LabOne; два окна Sweeper открыты для измерения действительной части импеданса от 1 кГц до 100 кГц и последовательной индуктивности от 100 кГц до 5 МГц.Развертки показывают низкую базовую линию 15,7 мкОм и 1,7 pH для действительной части импеданса и индуктивности, соответственно. Эти значения намного ниже, чем ожидаемые для конденсатора, и гарантируют, что последующее измерение ESR или ESL конденсатора будет надежным.

Обзор

Следующим шагом является измерение конденсатора промежуточного контура во всем интересующем диапазоне частот, чтобы изучить соответствующие характеристики импеданса.

Рисунок 5: Снимок экрана LabOne, показывающий изменение частоты конденсатора промежуточного контура от 1 кГц до 5 МГц.Пять графиков: емкость (синий), действительный (Z) (зеленый), абсолютный Z (красный), последовательная индуктивность (голубой) и фаза (фиолетовый). SRF этого конденсатора составляет 90,8 кГц. Источник: Zurich Instruments

На рис. 5 показаны результаты развертки конденсатора промежуточного контура по нескольким трассам от 1 кГц до 5 МГц. Действительная часть импеданса представляет собой ESR. На самой низкой частоте 1 кГц измеренная емкость составляет 121,999 мкФ, что соответствует номинальному значению компонента 120 мкФ +/- 10%.Развертка показывает, что SRF составляет 90,8 кГц; голубая кривая над SRF показывает ESL. По мере увеличения частоты черные стрелки указывают три пика ESL на 175,9 кГц, 284,2 кГц и 749,7 кГц. В дополнение к ESR и ESL зеленая кривая показывает абсолютный импеданс, а фиолетовая кривая показывает фазу.

Наконец, берем данные

Из рисунка 5 видно, что ESR следует измерять на низкой частоте, тогда как ESL следует измерять на более высокой частоте (выше SRF).Два окна LabOne Sweeper могут быть открыты для охвата двух диапазонов: от 1 кГц до 100 кГц (ESR) и от 100 кГц до 5 МГц (ESL). Поскольку конденсатор имеет три разных набора электродов (обозначенных U (красная кривая), V (зеленая кривая) и W (синяя кривая)), каждый набор электродов измеряется последовательно, и измерение повторяется пять раз, чтобы продемонстрировать повторяемость измерений. .

На рисунке 6 показан снимок экрана измерения с двумя окнами Sweeper, охватывающими два соответствующих частотных диапазона.Амплитуда тестового сигнала 900 мВ; при стандартных настройках измерения каждое сканирование 200 точек выполняется за 12 секунд.

Рисунок 6: Снимок экрана LabOne, показывающий два окна Sweeper, в каждом из которых отображается 15 кривых, соответствующих пяти измерениям каждого набора из трех электродов. В верхнем окне Sweeper отображается ESR в диапазоне частот от 1 кГц до 100 кГц, в нижнем окне Sweeper отображается ESL от 100 до 5 МГц. Кривые имеют цветовую кодировку для группирования трех комплектов электродов (U (красный), V (зеленый) и W (синий)).Источник: Zurich Instruments

В верхнем окне отображается развертка действительной части импеданса Real (Z), соответствующей ESR. На Sweeper имеется 15 следов, имеющих цветовую маркировку, соответствующую набору электродов. Кривые показывают высокую степень перекрытия благодаря отличной повторяемости измерений даже после отключения и повторного подключения. СОЭ, измеренное с помощью электродов W (синие кривые), можно прочитать по черной стрелке, показывающей 718 мкОм при 11,35 кГц. Это измерение подтверждает заявленное значение СОЭ равное 0.8 мОм. Желтая кривая на Sweeper соответствует короткому измерению.

Нижнее окно Sweeper на рисунке 6 показывает ESL от 100 кГц до 5 МГц. Опять же, дорожки имеют цветовую кодировку, чтобы соответствовать трем наборам электродов; перекрытие трасс снова показывает высокую степень повторяемости. Электроды U и W показывают аналогичное поведение, показывая три пика примерно на 176 кГц, 283 кГц и 742 кГц. Это ожидается, поскольку электроды механически симметричны. Напротив, центральный набор электродов V показывает только два пика.Светло-зеленая кривая соответствует короткому измерению.

Значение ESL на синих графиках составляет 9,49 нГн на частоте 742 кГц, что еще раз подтверждает значение таблицы данных менее 15 нГн.

Заключение Конденсаторы звена постоянного тока

составляют важную ступень преобразования мощности для многих приложений, но точное измерение реальных параметров, таких как ESR и ESL, имеет решающее значение для оптимальной конструкции.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *