9

Постройте

ΔV ₁₃₀ /ΔV

по сравнению с

1/(d − d _{смещение} )

, используя функцию точечной диаграммы в Excel. (Не забудьте указать расстояние смещения.) Является ли это соотношение приблизительно верным для некоторого диапазона расстояний? Загрузите график из Excel в лабораторный отчет.

10

По вашим данным оцените C _s .

11

Выведите уравнение (4).

12

Выключите и отсоедините источник питания и блок интерфейса.

Если блок интерфейса не выключать, батарейки внутри него разрядятся!

Зависимость емкости от обратного расстояния (с помощью мультиметра)

В этой части вы исследуете, как емкость плоского конденсатора изменяется при разделении пластин, используя функцию измерения емкости мультиметра.

1

Убедитесь, что мультиметр выключен. Подсоедините два провода пластин конденсатора к гнезду COM и гнезду Cx мультиметра. См. рис. 3.

2

Установите шкалу мультиметра для измерения емкости, повернув указатель шкалы на шкалу F (Фарад) мультиметра. Поскольку емкость в этом эксперименте находится в диапазоне примерно 50-200 пикофарад (пФ, или 10 ^–12 F), мы будем использовать диапазон мультиметра в нанофарадах (нФ, или 10 ^–9 F). Включите мультиметр.

3

Варьируйте расстояние между пластинами конденсатора и с помощью Excel запишите значения измеренной емкости в зависимости от расстояния между пластинами. Уменьшается ли емкость по мере дальнейшего разнесения пластин? Если нет, попросите преподавателя проверить вашу экспериментальную установку.

4

Используя данные вашей таблицы, постройте теперь график зависимости емкости системы от

1/(d − d _{смещения} )

расстояния между пластинами, как и раньше. Не забудьте указать любое расстояние смещения, найденное ранее. Найдите наклон и точку пересечения этого графика и, используя эту информацию, найдите значение κ ε _o для воздуха. Соответствует ли ваше измерение принятому значению этой константы? Соответствует ли значение вашей точки пересечения паразитной емкости, полученной в предыдущем наборе измерений?

Рисунок 3

Измерение конденсаторов — журнал DIYODE

Измерьте неизвестные конденсаторы или проверьте неисправные, используя различные методы и инструменты.

В прошлом месяце мы коснулись конденсаторов, рассматривая катушки индуктивности и способы их измерения. Нам нужно было это объяснение, чтобы понять, что происходит с цепями катушек индуктивности, но у нас не хватило места, чтобы обсудить, как измерять сами конденсаторы. Это оказалось хорошо, потому что сказать можно гораздо больше, чем мы изначально планировали.

Несмотря на то, что на многих конденсаторах указаны номиналы, все же бывают ситуации, когда это значение необходимо измерить. Иногда можно заподозрить неисправность, и сравнение измеренного значения с обозначенным значением даст ответы. В других случаях допуск может быть проблемой, когда общедоступные диапазоны конденсаторов часто в лучшем случае имеют допуск 10%. Это нормально для фильтра шины питания, но не для настроенной схемы. Кроме того, все больше и больше систем маркировки используются, поскольку китайские производители идут своим путем. Иногда значение просто непонятно. Кроме того, вам может понадобиться найти емкость цепи или группы компонентов.

Чтобы подвести теоретический итог о самих конденсаторах, вы можете посетить классную комнату прошлого месяца (выпуск 44), посвященную конструкции и эксплуатации конденсаторов. Тем не менее, очень краткое резюме в порядке.

Конденсатор состоит из двух проводящих пластин, разделенных изолятором, называемым диэлектриком. Если к пластинам приложена разность потенциалов, заряд накапливается. Заряд в кулонах (Q) равен емкости в фарадах (Кл), умноженной на разность потенциалов в вольтах (В): Q=CV

Основное свойство, которое нас интересует в целях тестирования, — это Постоянная времени. Это представлено греческой буквой Тау, появляющейся как «Т». Постоянная времени — это время, за которое конденсатор заряжается через последовательное сопротивление, чтобы достичь 63,2% приложенного постоянного напряжения. Также можно принять за время разрядки от приложенного напряжения до 36,8%. Так уж получилось, что T = RC, где T — время в секундах, R — сопротивление в Омах, а C — емкость в Фарадах.

Очень полезной особенностью постоянных времени в RC-сетях является то, что кривая зарядки общеизвестна. И так уж получилось, что конденсатор заряжается на 63,2% за одну постоянную времени, потом график мельчает по мере замедления зарядки. Это становится очень полезным позже, так как эти 63,2% приходятся на точку пять восьмерок. Многие доступные производителям осциллографы имеют восемь или десять градуировок по вертикали.

Технически понятие постоянной времени применимо к любому конденсатору без резистора, включенного последовательно, поскольку все конденсаторы имеют некоторое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Однако часто СОЭ трудно определить или она слишком мала, чтобы быть полезной. Как правило, инструменты для измерения емкости, будь то автономные или мультиметры, используют известное внутреннее сопротивление и прямоугольную волну. Затраченное время и напряжение на конденсаторе измеряются и используются для расчета емкости.

Ни один компонент, изготовленный людьми, не является чистым или совершенным. Уроки теории часто предполагают идеальные компоненты при изучении концепций, и это правильный подход. Бесполезно объяснять усложняющие или посторонние факторы тому, кто все еще пытается понять основную концепцию. То же самое и с конденсаторами. Как правило, у каждого конденсатора есть элемент сопротивления и индуктивности. Мы не очень часто сосредотачиваемся на одной индуктивности в этой настройке, потому что она в основном академическая и редко, если вообще когда-либо, приводит к какому-либо эффекту. Эквивалентное последовательное сопротивление отличается, и в нем учитывается влияние индуктивности.

ESR является свойством всех резисторов, но сильно различается в зависимости от материала и типа конструкции. В некоторых меньших конденсаторах или некоторых конструкциях этим можно пренебречь. В других это серьезная проблема. Это особенно относится к алюминиевым электролитическим конденсаторам. Поскольку ESR влияет на скорость заряда и разряда, он влияет на максимальный ток, который может выдержать конденсатор. Поскольку большие электролиты часто используются для подачи большого тока при фильтрации источника питания или в подобных ситуациях, необходимо соблюдать осторожность при выборе правильного конденсатора. Большинство качественных электролитов имеют достаточно низкое ESR, чтобы выполнять поставленные перед ними задачи, но некоторые очень дешевые электролиты представляют собой проблему.

Просмотр многих каталогов поставщиков электроники показывает, что также производятся электролиты с низким ESR. Они специально сконструированы так, чтобы иметь меньше ESR, чем их аналоги, и особенно полезны для высокочастотных цепей. Помните, что если ESR влияет на время, в течение которого конденсатор может заряжаться и разряжаться, то он влияет и на максимальную частоту, на которой может использоваться конденсатор. Это связано с тем, что чем выше частота, тем короче время цикла зарядки/разрядки.

Существуют разные стандарты для измерения СОЭ. Фактически, один из источников, упомянутых в этой статье, отметил, что СОЭ «легче определить, чем указать». Одна из причин этого в том, что СОЭ непостоянна. Поскольку он состоит из случайной индуктивности в материалах и выводах конденсатора, а также сопротивления, создаваемого ими, на ESR влияют температура, частота и возраст. Многие материалы изменяются или деградируют с течением времени, и электролиты являются здесь серьезной проблемой. При очень высоких частотах или температурах они могут высохнуть и стать неактуальными.

Обычно нас волнует только ESR электролитических конденсаторов. Другие типы, как правило, лучше герметизированы, изготовлены из более стабильных материалов и менее чувствительны к температуре и частоте. Однако большинство других типов обычно используются только для значений ниже 1 мкФ. После этого основным вариантом являются либо алюминиевые, либо танталовые электролиты. Для линейных источников питания стандарт ESR обычно составляет 120 Гц, в то время как компоненты импульсного источника питания должны быть сертифицированы для работы на частоте 100 кГц или выше. Другие приложения обычно рассматривают ESR на собственной резонансной частоте компонента или предполагаемой рабочей частоте.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. Убедитесь, что все конденсаторы безопасно разряжены до и после любых испытаний. Чтобы избежать слишком высоких разрядных токов, используйте сопротивление не менее 1 кОм, что подходит для напряжения в безопасном для производителя диапазоне ниже 50 В.

Исправный конденсатор покажет «обрыв цепи» на обычном мультиметре, настроенном на сопротивление постоянному току, потому что даже путь тока, который существует в неисправном компоненте, имеет более высокое сопротивление, чем может работать большинство мультиметров. Многие мультиметры останавливаются на сопротивлении 10 МОм. Наш цифровой мультиметр имеет диапазон 40 МОм, а протестированное нами электрическое напряжение 1000 мкФ 16 В показало 39МОм.

Если измерение сопротивления электролитического конденсатора показывает, что сопротивление высокое, но все же ниже 1 МОм (другими словами, если вы вообще видите показание на большинстве измерителей), конденсатор, вероятно, имеет очень большую утечку и выходит из строя. Просто для сравнения мы протестировали 10 мкФ 16 В и 1 мкФ 63 В и получили показания O/L (вне диапазона) на обоих.

В некоторых случаях показания будут действительно низкими. Любой конденсатор, показания мультиметра которого меньше шести цифр, можно считать коротким замыканием, хотя есть несколько необычных исключений и предостережений. Еще менее вероятно, что неэлектролиты дадут показания в диапазоне измерителя.

Из-за вышеперечисленных факторов СОЭ трудно проверить. Хотя существует множество способов сделать это, они даже более сложны, чем те, которые мы собираемся подробно описать для поиска неизвестных конденсаторов. Для большинства производителей, которым необходимо знать значение ESR конденсаторов, приобретение специального измерителя ESR является лучшим вариантом. Если вы регулярно работаете с источниками питания, высокочастотными или звуковыми цепями, то измеритель ESR значительно облегчит вам жизнь.

Измеритель ESR не только позволяет получить данные для некоторых сложных вычислений, связанных с этими цепями (намного выше возможностей Classroom), но и значительно упрощает поиск неисправностей. Имеются данные об ожидаемом ESR большинства типов конденсаторов, поэтому сравнение их с измеренным значением может помочь определить неисправный элемент.

Недавно мы приобрели для себя измеритель ESR у наших друзей в Element 14. Мы купили модель Peak Electronic Design Atlas ESR70. Это имеет то преимущество, что он является испытательным измерителем для определения значения малых сопротивлений, а также для определения значения измеренного конденсатора. Он тестируется на стандартной частоте 100 кГц. Он включает в себя функцию автоматического разряда, но любой конденсатор, заряженный до опасного напряжения или значительного тока, все равно должен быть сначала разряжен. Мы протестировали наш на стандартном алюминиевом электролитическом конденсаторе 1000 мкФ 16 В с допуском 10%.

Одна из причин, по которой нам так нравится этот прибор, заключается в том, что он прост в использовании:

ШАГ 1: Подсоедините компонент к выводам.

ШАГ 2: Нажмите кнопку «Тест».

ШАГ 3: Подождите.

ШАГ 4: Считайте значение с экрана.

Просто для тщательности мы подключили этот же конденсатор, после его разрядки, к нашему недавно рассмотренному Peak Atlas LCR40. Этот прибор более точен в определении фактической емкости, так как измеритель ESR выполняет эту функцию только как второстепенную функцию на частоте 100 кГц. LCR40 выполняет тест постоянным током и измеряет время зарядки и время разрядки после отключения тока. В то время как измеритель ESR показал емкость 1116 мкФ, LCR40 показал 1088 мкФ. Это довольно близко для конденсатора такого размера в таких разных условиях испытаний.

Конечно, в этой части Classroom мы действительно намеревались продемонстрировать несколько методов определения емкости неизвестных конденсаторов. Это могут быть немаркированные конденсаторы или конденсаторы, маркировка которых повреждена, но гораздо чаще эти методы используются для определения того, имеет ли конденсатор номинал, который он должен иметь. Мы рассмотрим несколько вариантов, в которых используется тестовое оборудование или специальные схемы, прежде чем поделиться дизайном, который мы модифицировали и скомпилировали из нескольких различных онлайн-проектов с использованием Arduino для создания базового измерителя емкости.

становятся все более и более доступными, а примеры с возможностью измерения емкости теперь можно найти менее чем за 50 долларов. На самом деле, мы нашли образцы менее чем за 20 долларов, но они были не от уважаемых продавцов и, похоже, не обладали качеством сборки или дизайна.

Проблема с этими счетчиками — точность. Хотя многие заявляют 5% или даже меньше, наш опыт не вселил в нас уверенности в истинности этих утверждений, даже среди единиц от крупных розничных продавцов. Если они действительно точны до 5% или меньше, то этого достаточно, чтобы определить, неисправен ли ваш конденсатор или нет. Однако этого недостаточно для построения, скажем, настроенной схемы, если только она не будет спроектирована с достаточным диапазоном регулировки.

Кроме того, могут возникать проблемы с верхним и нижним пределами диапазона. Часто конденсаторы с низким пикофарадом не могут быть измерены должным образом. Функция емкости нашего мультиметра имеет самый низкий диапазон 4 нФ, но мы обнаружили, что значения 500 пФ или меньше начинают показывать результаты, подразумевающие отсутствие точности. Кроме того, заявлен верхний диапазон 100 мкФ, и, конечно же, конденсатор на 1000 мкФ, подключенный к пробникам, показывает O/L.

Несмотря на это, если ваши наиболее распространенные потребности в конденсаторах попадают в указанные диапазоны, вариант по-прежнему привлекателен.

Для использования мультиметра, измеряющего емкость, может потребоваться выбрать специальную позицию на диске режимов или групповую позицию на диске режимов и использовать кнопку функций или режимов для выбора емкости. Будьте осторожны, потому что в последнем варианте действительно легко забыть о шаге кнопки режима и сильно запутаться в чтении. Если показание, скажем, в омах, вы поймете. Если показание просто O/L (вне диапазона), вы можете не понять и списать конденсатор как неисправный.

Наилучший совет — внимательно прочитать руководство к вашему измерителю и ознакомиться с его функциями, методами и ограничениями, прежде чем пытаться проверить конденсатор. Таким образом, вы с большей вероятностью получите нужный результат.

Одним из старейших методов определения неизвестной емкости является мостовая схема. Мостовые схемы могут быть созданы для определения неизвестного значения многих различных компонентов и работают, уравновешивая известное значение с неизвестным значением и измеряя разницу. Все они являются вариациями или производными Венского моста.

В своей простой форме мост состоит из двух резисторов и двух конденсаторов, нулевого детектора и переменного напряжения. Один конденсатор известен, а другой нет. Резистор, включенный последовательно с неизвестным конденсатором, должен быть переменным. Посередине установлен «нулевой детектор», который представляет собой чувствительный вольтметр, способный считывать напряжение переменного тока и имеющий центральную нулевую точку. Переменный резистор регулируется до тех пор, пока вольтметр не покажет 0 В, что представляет собой симметричную цепь. В этом случае необходимо измерить сопротивление переменного резистора и выполнить следующее уравнение:

Где C _X — неизвестная емкость в фарадах, RV — значение приведенного сопротивления в омах, RF — значение фиксированного сопротивления в омах, а C _S — значение известного конденсатора в фарадах. Известный конденсатор называется «стандартным» конденсатором и часто относится к высокоточному типу, предназначенному для испытаний, отсюда и обозначение «s».

Однако простые схемы емкостных мостов, часто встречающиеся в Интернете и в учебных пособиях, имеют одну серьезную проблему: они действительно работают только с почти идеальными конденсаторами, то есть конденсаторами с воздушным зазором, качественными слюдяными конденсаторами или некоторыми пленочными и керамическими конденсаторами. Во всем остальном пути паразитного напряжения вызывают проблемы. Однако, когда дело доходит до определения неисправных крышек, это, вероятно, поможет вам довольно близко. Это может быть даже достаточно для некоторых схем фильтров, если не требуется абсолютная точность, и это, безусловно, будет хорошим упражнением для тех, кто так склонен сравнивать результаты с другими методами.

Альтернативой является емкостной мост с последовательным сопротивлением. Схема построена из последовательного резистора и известного слюдяного конденсатора (выбранного из-за их превосходной стабильности и постоянства), а другим сопротивлением является ESR целевого конденсатора. С этой схемой связано слишком много проблем, чтобы объяснять ее: математика выходит далеко за рамки Classroom благодаря множеству других факторов, а необходимые слюдяные конденсаторы трудно достать.

Этот конкретный метод является грубым, довольно неточным, но очень доступным. Используя резистор большого номинала для создания RC-цепи, мы можем замедлить время зарядки настолько, чтобы использовать мультиметр и секундомер. В то время как у немногих из нас есть секундомер, почти у всех из нас он есть в приложении часов на наших смартфонах. Единственная необходимая вещь — это мультиметр для измерения напряжения и, возможно, калькулятор, чтобы вычислить, что составляет 63,2% приложенного напряжения, если вы не хотите использовать бумагу, ручку или голову. Опять же, это в вашем телефоне.

Начните с измерения напряжения питания. Это даст точное число для расчета 63,2%, а не номинальное значение блока питания. Затем отключите питание и с помощью зажимов подключите его и щупы мультиметра к сети RC. Убедитесь, что резистор находится на положительной стороне конденсатора (этот метод действительно работает только со значениями, достаточно большими, чтобы быть недоступным для чего-либо, кроме электролитов), и прикоснитесь им к земле, чтобы убедиться, что вы начинаете с разряженного конденсатора.

Теперь приготовьте секундомер. Включите питание и запустите секундомер в тот же момент. Наблюдайте за дисплеем мультиметра, и когда напряжение приблизится к расчетному значению, составляющему 63,2% от напряжения питания, приготовьтесь нажать кнопку остановки на секундомере. Это время в секундах, включая десятичные дроби, является значением для ваших вычислений. Из-за неточностей, присущих этому методу, вы можете повторить его несколько раз и найти среднее значение времени.

Если T = RC, то C = T ÷ R, с емкостью C в фарадах, временем T в секундах и сопротивлением R в омах.

Гораздо более точным способом проведения предыдущего теста является использование осциллографа. Поскольку почти все современные осциллографы являются цифровыми запоминающими осциллографами (DSO), можно заставить их отображать форму волны и сохранять изображение. Используя градуировку на экране, можно получить более точное измерение времени, чем при использовании метода секундомера.

Значение используемого здесь резистора может и должно быть намного меньше, хотя точное значение зависит от номинала конденсатора. Для конденсаторов в пикофарадном диапазоне может подойти резистор в десятки Ом. Для конденсатора в миллифарадном диапазоне резистор в несколько тысяч Ом может быть лучше. Фактические значения могут зависеть от выбранного вами генератора сигналов, и в некоторых случаях выход 50 Ом подойдет. Если это не так, не забудьте добавить его к номиналу резистора в своих расчетах.

Необходимые предметы: DSO, функциональный генератор с возможностью генерировать выходной прямоугольный сигнал, тестовый конденсатор и известный резистор. Вы также можете использовать мультиметр для измерения точного значения резистора. Как правило, здесь лучше всего работает DSO с двумя каналами и генератором функций с двумя выходами. Вы поймете почему, когда мы запустим настройку.

Подключите первый канал функционального генератора к первому каналу DSO. Это лучше всего сделать с помощью кабеля BNC-BNC, но при необходимости можно выполнить с помощью кабеля BNC-крокодил и зонда DSO. Этот канал является опорным для регулировки частоты тестового сигнала. Настройте генератор на отображение прямоугольной волны номинальной частоты, которая может сильно различаться. Смотри ниже. Теперь подключите BNC к проводу типа «крокодил» от второго канала функционального генератора к сети RC. Закрепите зонд DSO на другой стороне и подключите его ко второму каналу DSO. Соблюдайте полярность; то есть заземление обоих выводов вместе и с отрицательным выводом конденсатора, если он поляризован.

Поскольку первая постоянная времени достигается, когда конденсатор заряжен наполовину, измерение с помощью экрана DSO становится намного проще. Отрегулируйте разрешение по вертикали, пока эталонный сигнал не займет восемь делений. Выключите второй канал, если это упростит задачу. Теперь включите второй канал и регулируйте частоту генератора сигналов до тех пор, пока конденсатор не завершит зарядку очень близко к концу высокого периода сигнала прямоугольной формы. Если частота слишком низкая, конденсатор заканчивает зарядку слишком рано, а если слишком высокая, конденсатор не зарядится до конца.

Когда у вас есть формы сигналов, какими они должны быть, отрегулируйте горизонтальные элементы управления DSO, чтобы распределить сигнал и разрешить использование большей части оси x для расчета времени. Это делает измерение более точным. Время может быть в миллисекундах или микросекундах, поэтому обязательно конвертируйте обратно в секунды для расчета.

Теперь вы можете выполнить тот же расчет, что и в версии с мультиметром, но мы повторим его здесь, чтобы вам не приходилось перелистывать или прокручивать страницы.

Если T = RC, то C = T ÷ R, с емкостью C в фарадах, временем T в секундах и сопротивлением R в омах.

Вот и все, вы измерили значение неизвестного или подозрительного конденсатора. Мы рекомендуем сначала попробовать его на нескольких хороших конденсаторах, чтобы получить правильную технику, прежде чем пробовать подозрительный.

Последним методом обнаружения неизвестного конденсатора является подключение его к измерителю LCR. Как и в случае с катушками индуктивности в прошлом месяце, этот метод немного проще, чем любой из описанных выше. Устройство покажет, какие параметры оно использовало для выполнения теста, но обычно емкость проверяется с помощью сигнала постоянного тока.

ШАГ 1: Подключите компонент к проводам.

ШАГ 2: Нажмите кнопку «Тест».

ШАГ 3: Подождите.

ШАГ 4: Считайте значение с экрана, включая параметры.

Хотя эта сборка может и не превратиться в серьезное испытательное оборудование, она все же может быть удобной для почти достаточного количества измерений. Это также немного весело.

В сборке снова используется принцип постоянной времени. Основная предпосылка состоит в том, чтобы Arduino подавал напряжение на тестовый конденсатор и запускал таймер в тот же момент. Он использует аналого-цифровой преобразователь для отслеживания возрастающего напряжения и времени между пуском и напряжением, достигающим 63,2% от общего значения. Для большей точности мы включили раздел кода для ссылки на напряжение питания перед выполнением теста, чтобы исключить ошибки из-за разницы между номинальным и фактическим напряжением питания.

Сборка настолько проста, что мы не чувствуем необходимости в пошаговых инструкциях. Фрицинга и схемы должно быть достаточно. Однако есть некоторые особенности, на которые стоит обратить внимание. Arduino может потреблять 6 мА или 9 мА в зависимости от версии, поэтому мы выбрали максимум 6 мА. При 5 В для этого требуется резистор 830 Ом. Мы выбрали 1 кОм, чтобы быть безопасным и простым. Когда Arduino разряжает конденсатор, он будет использовать тот же контакт, который использовался для его зарядки.

Мы включили в код некоторые математические операции для возврата значения в микрофарадах, нанофарадах или пикофарадах. Вы должны выбрать, какой, однако. Вы можете сделать это, удалив разделители // комментариев перед соответствующим разделом кода. Мы также настроили систему для измерения времени зарядки от 0% до 63,2% и времени разрядки от 100% до 36,8%, а затем усреднили их для получения более точного результата.

Последнее, что следует отметить, это то, что 63,2% и 36,8% сигнала 1024 АЦП не являются целыми битами, поэтому мы перешли к ближайшему биту. И в обоих случаях он был очень близок. 63,2% соответствует 646,168 (помните, что мы начинаем с 0 и считаем до 1023 для 1024-битного числа, поэтому 1024 x 63,2% на самом деле 647,168), поэтому мы выбрали 646. 36,8% равно 375,832, поэтому мы выбрали 376. выход на последовательный монитор, поэтому он должен оставаться подключенным к компьютеру, на котором он размещен. Нажатие кнопки запускает тест.

Все остальное будет объяснено с комментариями в коде, чтобы мы могли обновлять и изменять его, не делая эту статью устаревшей, по мере того, как мы находим проблемы или лучшие способы делать что-то.

• Я БЫ
• Джейкар
• Альтроникс
• Основная электроника

* Quantity shown, may be sold в пачках.