Таблица ESR-конденсаторов: что это и как измерить показания мультиметром

Содержание
  1. Влияние ESR на радиочастотные схемы и схемы аккумулирования энергии
  2. Определение эквивалентного последовательного сопротивления с помощью измерителя ESR
  3. Реальные параметры конденсатора
  4. Где «прячется» ESR в конденсаторе
  5. Почему вредно большое значение ESR
  6. ESR электролитических конденсаторов
  7. Таблица ESR
  8. Максимально-допустимые ESR конденсаторов Китайского и японского производства
  9. ESR новых электролитических конденсаторов замеренных тестером LCR T4
  10. Таблица значений ESR, применяемая в ESR-метре K7214.
  11. Как измерить ESR
  12. Измерение с помощью коаксиальной резонансной трубы для сверхнизких сопротивлений на высоких частотах
  13. Конденсаторы с низким ESR
  14. Факторы, которые влияют на измерения ESR
  15. Сопротивление и индуктивность измерительных проводов
  16. Помехи от соседнего оборудования
  17. Конденсатор и емкость
  18. Перед проверкой конденсатора
  19. Как определить емкость конденсатора?
  20. С использованием мультиметра и формул
  21. Осциллографом
  22. Гальванометром
  23. По маркировке
  24. Метод 1: мост Вина
  25. Метод 2: измерение частоты LC-генератора
  26. Метод 3: измерение ёмкости с помощью CTMU
  27. Метод 4: измерение ёмкости с помощью внешнего источника тока
  28. Метод 5: измерение ёмкости с помощью модуля CVD
  29. Метод 6: измерение ёмкости RC-генератором
  30. Сложности проверки

Влияние ESR на радиочастотные схемы и схемы аккумулирования энергии

Хотя ESR керамических конденсаторов очень мал, порядка миллиом, это сопротивление может существенно повлиять на такие цепи, как ВЧ и маломощные цепи.

В портативных ВЧ-передатчиках конденсаторы с высоким ESR в цепях связи усилителя или обходных цепях источника питания потребляют больше энергии батареи из-за более высоких потерь I2ESR. Это снижает эффективность, выходную мощность и срок службы батареи.

Кроме того, большинство радиочастотных полупроводниковых устройств, предназначенных для согласованных каскадов, имеют очень низкий входной импеданс. Следовательно, согласующий конденсатор, такой как многослойный керамический чип-конденсатор с высоким ESR (MLCC), будет составлять значительную часть общего импеданса схемы. Например, если входное сопротивление устройства составляет 1 Ом, согласующий конденсатор с ESR 0,8 Ом будет рассеивать около 40 процентов общей мощности, что снижает выходную мощность и КПД схемы.

Конденсаторы играют более важную роль в приложениях для хранения энергии, сохраняя заряд от низковольтных источников питания и быстро и эффективно разряжая эту накопленную энергию для питания нагрузок. Следовательно, конденсаторы и другие компоненты в цепях накопления энергии должны потреблять очень мало энергии во время работы.

Конденсатор с высоким ESR будет иметь более высокие потери I2ESR, поэтому часть полученной энергии в конечном итоге будет потрачена впустую в виде тепла, что приведет к снижению выходной мощности конденсатора. Однако разработчики могут предпочесть суперконденсаторы (несмотря на их более высокое ESR и утечку), поскольку они обеспечивают более высокую удельную мощность.

Определение эквивалентного последовательного сопротивления с помощью измерителя ESR

Измеритель ESR является умеренно точным прибором, недорогим и простым в использовании, особенно при измерении нескольких конденсаторов, когда они находятся в цепи. Переменное напряжение подается на конденсатор в цепи делителя напряжения. Частота приложенного переменного напряжения обычно равна значению, при котором реактивным сопротивлением конденсатора можно пренебречь.

Рис. 1. Простая модель измерения СОЭ
Рисунок 1: Простая модель измерения СОЭ

Во время теста ESR-метра ток протекает через конденсатор в течение очень короткого времени, поэтому конденсатор не полностью заряжен. Ток создает напряжение на конденсаторе. Это напряжение будет равно произведению тока на ESR конденсатора плюс незначительное напряжение из-за малого заряда на конденсаторе.

Поскольку ток известен, значение ESR рассчитывается путем деления измеренного напряжения на ток. Затем результаты отображаются на показаниях счетчика.

Измерения ESR можно проводить с включенным и выключенным конденсатором. Для конденсаторов, соединенных параллельно, результатом измерения является общее сопротивление. Если необходимо отдельно определить ESR конкретных конденсаторов, их необходимо удалить из схемы. Однако при наличии сотен конденсаторов утомительно удалять каждый из них, и существует более высокий риск повреждения конденсаторов или печатной платы во время удаления.

Типичный измеритель ESR использует низкое напряжение около 250 мВ или меньше на частоте около 100 кГц. Низкого напряжения недостаточно, чтобы сместить и активировать полупроводниковые устройства в окружающих схемах, гарантируя, что импеданс соседних компонентов не повлияет на показания ESR.

Конденсатор должен быть разряжен перед измерением. Некоторые измерители ESR имеют встроенный механизм сброса. Однако может быть важно вручную разрядить конденсатор, особенно если это высоковольтный конденсатор, зарядка которого может повредить измеритель ESR.

Хотя измеритель ESR может удобно проверять конденсаторы в цепи, он имеет ограниченную частоту и самый низкий уровень сопротивления, который он может точно измерить.

Реальные параметры конденсатора

Думаю, всем известно, что в нашем бесшабашном мире нет ничего идеального. То же самое касается электроники. Также часто выходят из строя радиоэлементы, каскады и радиоузлы. Можно даже вспомнить недавнюю историю корабля «Прогресс». Выход из строя любого узла приводил к гибели целого гиганта космической отрасли. Даже простой конденсатор радиоэлемента, на первый взгляд, имеет в своем составе не только емкость, но и другие паразитные параметры. Давайте посмотрим на схему, из чего на самом деле состоит наш реальный конденсатор?

ESR в реальной схеме конденсатора

куда

r — сопротивление диэлектрика и корпуса между обкладками конденсатора

C — фактическая емкость конденсатора

ESR — эквивалентное последовательное сопротивление

ЭСИ (чаще называемая ЭСЛ) — эквивалентная последовательная индуктивность

Собственно, для этого и нужен простой безвредный конденсатор, тем более электролитический. Рассмотрим эти варианты более подробно:

r — сопротивление диэлектрика. Диэлектрик может быть электролитом в электролитических конденсаторах, бумагой или еще какой фигней.) Также между выводами конденсатора находится его корпус. У него также есть какое-то сопротивление, и он также сделан из диэлектрика, и ему здесь самое место.

С — емкость конденсатора, которая написана на самом конденсаторе, плюс-минус некоторое отклонение, связанное с погрешностью.

ЭСИ (ЭСЛ) — последовательная индуктивность — это собственная индуктивность пластин и кабелей на низких частотах можно не учитывать.

Где «прячется» ESR в конденсаторе

ESR — сопротивление проводов и пластин

где в конденсаторе ESR

Как известно, сопротивление проводника можно найти по формуле:

куда

ρ — удельное сопротивление проводника

l — длина проводника

S — площадь поперечного сечения проводника

Тогда можно примерно рассчитать сопротивление выводов конденсатора и заодно его обкладок
Но, конечно, никто не делает. Для этого существуют специальные приборы, способные измерить этот самый параметр.

Почему вредно большое значение ESR

Раньше, даже когда первые электронные схемы только начинали появляться, о таком параметре, как ESR, никто и не слышал. Может быть, они знали об этом сопротивлении, но оно никому не причиняло вреда. Но.. с появлением первых импульсных блоков питания все больше и больше людей заговорили об ESR. Почему импульсные блоки питания не подошли к этому безобидному резистору?

При нулевой частоте (постоянный ток) и низких частотах, как вы помните из статьи, конденсатор в цепях постоянного и переменного тока, сам конденсатор имеет большое сопротивление электрическому току. При этом некоторые паразитные доли сопротивления ESR Ом не будут влиять на параметры электрической цепи. Все самое интересное начинается, когда конденсатор работает в высокочастотных (ВЧ) цепях).

Мы оба знаем, что конденсатор пропускает через себя переменный ток. И чем выше частота, тем меньше сопротивление самого конденсатора. Вот формула, если вы забыли:

где, XC — сопротивление конденсатора, Ом

P является константой и приблизительно равна 3,14

F — частота, измеряемая в Герцах

C — емкость, измеряемая в фарадах

Но, мы не учли одного… Сопротивление проводов и пластин не меняется с частотой! Так. а если подумать, то получается, что при бесконечной частоте сопротивление конденсатора будет равно его ESR? Получается, что наш конденсатор превращается в резистор? Как ведет себя резистор в цепи переменного тока? Да как в цепи постоянного тока — греется! Следовательно, этот резистор будет рассеивать мощность P в окружающую среду. А как вы помните, мощность через сопротивление и силу тока выражается формулой:

Р=I2xR

куда

I — сила тока, в амперах

R — сопротивление резистора ESR, в омах

Это означает, что если ESR выше, то и мощность рассеяния будет выше! То есть этот резистор будет хорошо греться.

Из всего вышесказанного можно сделать простой вывод: конденсатор с большим ESR в высокочастотных цепях с большими токами будет греться. Ну да ладно, пусть греется… Резисторы и микросхемы тоже греются, и ничего! Но вся проблема в том, что с повышением температуры конденсатора меняется и его емкость! Есть даже такой интересный параметр конденсатора, как ТКЕ или Температурный коэффициент емкости. Этот коэффициент показывает, насколько изменяется емкость при изменении температуры. А так как емкость уже «плавает», то и схема «плавает» вслед за ней.

ESR электролитических конденсаторов

В основном параметр ESR относится именно к электролитическим конденсаторам. Находящийся там электролит при нагревании теряет часть своих свойств, а конденсатор меняет свою емкость, что, конечно, нежелательно. После приличного прогрева конденсатор начинает быстро тупиться, вздуваться и стареть.

У вздутых конденсаторов в первую очередь просто растет ESR, а емкость может оставаться почти номинальной до определенного времени (ну того, что написано на самом конденсаторе)

ESR конденсатор
ESR конденсатор

Чаще всего вздуваются на коммутационных блоках питания и материнских платах, обычно возле процессора (у них нагрузка выше и наверное играет роль нагрев от процессора). Один из характерных симптомов: техника (компьютер, монитор) начинает включаться все хуже и хуже. Либо с паузой (до нескольких часов после включения сети), либо с 20-й попытки.

Еще один симптом: если на время отключить питание (отключить сетевой фильтр или выдернуть из розетки), то он снова начинает включаться не с первой попытки или после паузы. А если не отключить питание, то компьютер может сразу включиться (но это тоже пока, до поры до времени, конечно). Но бывает так, что конденсаторы не вздулись, а ESR уже раз в десять выше нормы. Потом конечно заменяем. По опыту, это очень распространенная проблема. И очень легко диагностируется (особенно если у вас есть чудо-аппарат от китайских товарищей).

Таблица ESR

Как я уже говорил, ESR в основном проверяют у электролитических конденсаторов, т.к они используются для коммутации блоков питания. Вот небольшая таблица максимально допустимых значений ESR для новых электролитических конденсаторов в зависимости от их рабочего напряжения:

таблица СОЭ

Максимально-допустимые ESR конденсаторов Китайского и японского производства

Таблицы максимальных значений ESR для электролитических конденсаторов

ESR новых электролитических конденсаторов замеренных тестером LCR T4

Таблицы максимальных значений ESR для электролитических конденсаторов

В качестве образцов для измерения ESR (таблица №2) использовались новые конденсаторы разных производителей.

Таблица значений ESR, применяемая в ESR-метре K7214.

Таблицы максимальных значений ESR для электролитических конденсаторов

Как видите, некоторые ячейки в таблице 3 пусты. Для конденсаторов до 10 мкФ допустимо считать максимально допустимым значением ESR 4-5 Ом.

Еще одно старое блюдо, но более полное:

Таблицы максимальных значений ESR для электролитических конденсаторов

Как измерить ESR

Мы измеряем некоторые из наших китайских конденсаторов ESR. Для этого берем наш универсальный многофункциональный R/L/C/транзистор-метр и проводим несколько измерений:

Первым в бой пойдет конденсатор 22 мкФ х 25 вольт:

ESR конденсатор

Емкость близка к номинальной. ESR = 1,9 Ом. Если посмотреть на плату, то максимальное ESR = 2,1 Ом. Наш конденсатор находится в этом диапазоне. Поэтому его можно использовать в высокочастотных цепях.

Следующий конденсатор 100 мкФ х 16 Вольт

ESR конденсатор

ESR = 0,49 Ом, смотрите на плате… 0,7 макс. Так что тоже все нормально. Его также можно использовать в радиочастотных цепях.

И взять конденсатор емкостью больше 220 мкф х 16 вольт

eSR-метр

Максимальное ESR для него составляет 0,33 Ом. Также выделяем 0,42 Ом. Указанный конденсатор больше не будет входить в ВЧ часть радиоаппаратуры. А в простые схемы, где гуляют низкие частоты (НЧ), вполне впишется! ;-).

Измерение с помощью коаксиальной резонансной трубы для сверхнизких сопротивлений на высоких частотах

Поскольку значение ESR зависит от рабочей частоты, измерение сверхнизких значений ESR на очень высоких частотах становится сложной задачей при использовании обычных измерителей ESR.

Для керамических конденсаторов наиболее точным методом определения ESR на высоких частотах (от 100 МГц до 1,3 ГГц) является метод коаксиальной резонансной линии. Этот метод основан на стандартной модели Boonton 34A и используется в сочетании с генератором радиочастотных сигналов и радиочастотным вольтметром.

Рисунок 2 – Блок-схема коаксиальной резонансной трубы
Рисунок 2 – Блок-схема измерителя ESR в коаксиальной резонансной трубе

Коаксиальная резонаторная линия выполнена из медной трубки с цельным медным стержнем в качестве центрального проводника. Конденсатор, подлежащий испытанию, помещают последовательно между центральным проводником и экранным проводником.

Перед измерением ESR конденсатора необходимо определить характеристики линии резонатора без нагрузки. Радиочастотное возбуждение короткозамкнутой коаксиальной линии помогает определить ширину полосы λ/4 и 3λ/4, тогда как ширина полосы λ/2 и λ определяется при разомкнутой линии (λ — длина волны; дополнительную информацию см в этой статье). Эти данные характеризуют резонансную частоту, добротность (Q) ненагруженной резонансной линии и прочность крепления.

Затем испытуемый конденсатор помещается в секцию ИУ (испытуемого устройства) и генератор сигналов настраивается на максимальное резонансное напряжение. Конденсатор вызывает изменение резонансной частоты и добротности, значения которых теперь отличаются от значений разряженной коаксиальной линии. Затем используются расчеты линии передачи, и значение ESR определяется на основе соотношения между новой частотой и добротностью и исходной частотой и добротностью в условиях холостого хода.

Рис. 3 Нагруженная и ненагруженная полоса пропускания линии передачи
Рисунок 3 – Пропускная способность загруженной и ненагруженной линии передачи

В настоящее время обычной практикой является использование ВАЦ для замены как генератора сигналов, так и ВЧ-вольтметра. При использовании векторного анализатора цепей резонансная частота считывается с дисплея. Некоторые модели векторных анализаторов могут экспортировать результаты непосредственно в программу расчета и отображать конечное значение СОЭ.

Длина трубки рассчитана на работу в диапазоне частот от 100 МГц до 1,5 ГГц; однако для частот вне этого диапазона трубка может быть любой длины.

Конденсаторы с низким ESR

В нашем бурно развивающемся мире электроника все больше основывается на ВЧ части. Импульсные блоки питания практически полностью победили громоздкие трансформаторные блоки питания. Это мы, радиолюбители, до сих пор пользуемся самодельными блоками питания из трансформаторов, которые находим на помойке.

Но так как практически вся аппаратура попадает в КВ диапазон, то и разработчики радиодеталей не дремлют. Они создают конденсаторы с низким ESR и называются конденсаторами LOW ESR, что означает конденсаторы с низким ESR. В некоторых написано прямо на корпусе:

конденсаторы с низким ЭСР

Отличительной чертой таких конденсаторов является то, что они имеют удлиненную форму. Также, по моим наблюдениям, чаще всего имеют полоску золотого цвета:

конденсаторы с низким ЭСР

В настоящее время все чаще используются миниатюрные алюминиево-полимерные конденсаторы с низким ESR:

ESR конденсатор

Где их чаще всего можно увидеть? Разумеется, разобрав свой персональный компьютер. Найти их можно на блоке питания, а также на материнской плате компьютера.

На фото ниже мы видим материнскую плату компьютера, которая полностью утыкана конденсаторами LOW ESR, некоторые из них я пометил красным прямоугольником:

ESR конденсатор

Керамические и SMD керамические конденсаторы имеют наименьшее ESR

ESR конденсатор

ESR конденсатор

ESR конденсатор
ESR конденсатор

Факторы, которые влияют на измерения ESR

Ошибки измерения ESR могут быть вызваны техническими проблемами, способом контакта с конденсатором или отсутствием калибровки измерительного оборудования.

Необходимо учитывать сопротивление, собственную индуктивность и емкость измерительного прибора и его кабелей, особенно при высоких частотах измерения.

Сопротивление и индуктивность измерительных проводов

Сопротивление измерительных проводов является распространенным источником ошибок при измерении малых сопротивлений. Это сопротивление добавляется к сопротивлению тестируемого устройства.

Кроме того, следует избегать спирально намотанных измерительных проводов, поскольку их индуктивность может быть источником погрешности.

Помехи от соседнего оборудования

Измерение следует проводить в местах, удаленных или экранированных от источников значительных электромагнитных помех. В противном случае измерительные провода могут уловить шум, что может повлиять на показания.

Конденсатор и емкость

Конденсаторы используются практически во всех микросхемах и являются частой причиной их неработоспособности. Поэтому в случае неисправности устройства этот пункт необходимо проверить в первую очередь.

Типы конденсаторов по типу диэлектрика:

  • пылесос;
  • с газообразным диэлектриком;
  • с неорганическим диэлектриком;
  • с органическим диэлектриком;
  • электролитический;
  • твердое состояние.

Обычно используются электролитические конденсаторы.

Основные неисправности конденсаторов:

  • Электрический сбой. Обычно вызвано перенапряжением.
  • Перерыв. Связан с механическими повреждениями, толчками, вибрациями. Причиной может быть некачественная конструкция и нарушение условий эксплуатации.
  • Увеличение утечек. Сопротивление между обкладками изменяется, и это приводит к малой емкости конденсатора, который не может накапливать заряд.

Все эти причины приводят к тому, что конденсатор становится непригодным для дальнейшего использования.

Перед проверкой конденсатора

Потому что конденсаторы хранят электрический заряд и должны быть разряжены перед тестированием. Это можно сделать отверткой – нужно коснуться клемм жалом, чтобы образовалась искра. Затем вы можете вызвать компонент. Проверить конденсатор можно как мультитестером, так и с помощью лампочек и проводов. Первый способ более надежен и дает более точную информацию об электронном элементе.

Перед началом проверки осмотрите конденсатор. Если на нем есть трещины, нарушена изоляция, протечки или вздутия, внутренний электролит поврежден и устройство сломано. Его нужно поменять на рабочий аппарат. При отсутствии внешних повреждений потребуется воспользоваться мультиметром.

Перед проведением замеров нужно определить тип конденсатора: полярный или неполярный. В первую очередь необходимо соблюдать полярность, иначе устройство выйдет из строя. Во втором случае определение положительных и отрицательных выходов не требуется, но измерения будут производиться по другой технологии.

Определить полярность можно по этикетке на коробке. Деталь должна иметь черную полосу с нулевым обозначением. Со стороны этой ножки контакт отрицательный, а с противоположной стороны — положительный.

Как определить емкость конденсатора?

С использованием мультиметра и формул

Если в вашем распоряжении есть мультиметр с функцией измерения параметра «Сх», то измерить емкость конденсатора достаточно просто — нужно переключить прибор в режим «Сх», а затем выбрать оптимальный диапазон измерения соответствует параметрам конденсатора. Вставляем ножки конденсатора в соответствующее гнездо (соблюдая полярность подключения) и считываем его параметры.

Режим
Режим «Сх» на мультиметре

С меньшей точностью можно определить емкость с помощью тестера, не имеющего режима «Сх». Для этого потребуется блок питания, к которому конденсатор можно подключить простым способом (рис. 2).

Схема подключения конденсатора
Рис. 2. Схема подключения конденсатора

Алгоритм измерения следующий:

  1. Измерьте напряжение питания контактными щупами измерителя.
  2. Соберите RC-цепь с конденсатором и выводами резистора 1-10 кОм.
  3. Замкните выводы конденсатора и подключите RC-цепь к источнику питания.
  4. Измерьте мультиметром напряжение образовавшейся цепи.
  5. Если напряжение изменилось, нужно отрегулировать его до значения, близкого к тому, что вы получили на выходе блока питания.
  6. Рассчитать 95% от полученного значения. Запишите измерения.
  7. Возьмите секундомер и включите его одновременно с удалением короткого замыкания.
  8. Как только мультиметр отобразит рассчитанное вами напряжение (95%), остановите таймер.
  9. По формуле С = t/3R, где t — время падения напряжения, вычисляем емкость конденсатора в фарадах, если единицы измерения сопротивления резистора выражены в омах, а время в секунды.

Измерение тестером. Экзамен
Рис. 3. Измерение тестером. Экзамен

Подчеркнем еще раз, что точность измерения емкости данным методом не слишком высока, но определить работоспособность радиоэлемента на основе такого измерения вполне возможно. Некоторые компоненты электронных устройств работают исправно, если есть небольшие отклонения от номинальных мощностей, главное, чтобы не было электрических неисправностей.

Этим же методом можно рассчитать параметры керамического радиоэлемента. Для этого нужно подключить RC-цепь через трансформатор и подать переменное напряжение. Значение емкости в этом случае определяется по формуле: C = 0,5*π*f*Xc, где f — частота тока, а Xc — емкость.

Осциллографом

С приемлемой точностью определить емкость конденсатора можно с помощью обычного или цифрового электронного осциллографа. Принцип аналогичен методу измерения емкости тестером. Разница лишь в том, что вам не нужен секундомер, так как время зарядки конденсатора отображается на экране осциллографа с большой точностью. Если использовать последовательно генератор частоты и RC-цепочку (рис. 4), то емкость можно рассчитать по простой формуле: C = UR / UC * (1/2 * π * f * R).

Простая схема
Рис. 4. Простая схема

Алгоритм расчета прост:

  1. Подключите осциллограф к электрической цепи. При подключении щупов прибора к электролитам соблюдайте полярность электрического тока.
  2. Измерьте амплитуды напряжения на конденсаторе и резисторе.
  3. При настройке частоты генератора следите за тем, чтобы значения амплитуд на обоих элементах были одинаковыми (хотя бы приблизительно).
  4. Подставляем полученные значения в формулу и вычисляем емкость конденсатора.

При измерении емкостей неполярных конденсаторов вместо RC-цепи часто собирают мостовую схему с генератором частоты (показана на рис. 5), а также другие сборки. Сопротивление резисторов выбирают в зависимости от параметров номинальных напряжений измеряемых деталей. Емкость рассчитывается из соотношения: r4/Cx = r2/C0.

Мостовая схема
Рисунок 5. Мостовая схема

Гальванометром

С помощью баллистического гальванометра можно также определить емкость конденсатора. Для этого используйте формулу:

C = α * Cq/U, где α — угол отклонения гальванометра, Cq — баллистическая постоянная прибора, U — показания гальванометра.

Из-за падения сопротивления утечки емкость конденсаторов уменьшается. Энергия теряется вместе с током утечки.

Описанные выше методы определения емкости позволяют определить исправность конденсаторов. Значительное отклонение от номинала говорит о неисправности конденсаторов. Сломанный электролитический радиоэлемент легко определить путем измерения сопротивления. Если сопротивление достигает 0, изделие закорочено, а если доходит до бесконечности, то происходит обрыв.

Остерегайтесь сильного удара электрическим током при подключении щупов к большим электролитам. Они могут создавать мощный электрический заряд постоянного тока, который высвобождается с молниеносной скоростью разрядным током.

По маркировке

Помните, что единицей измерения емкости в системе СИ является фарад (обозначается F или F). Это очень большое значение, поэтому на практике используются дробные значения:

  • миллифарад (мФ, мФ) = 10-3 Ф;
  • микрофарад (мкФ, мкФ, мФ, мкФ) = 10-3 мФ = 10-6 Ф;
  • нанофарады (нФ, нФ) = 10-3 мкФ = 10-9 Ф;
  • пикофарад (пФ, ммФ, мкФ) = 1 пФ = 10-3 нФ = 10-12 Ф.

Мы привели названия единиц и их аббревиатуру потому, что они часто встречаются в маркировке больших конденсаторов (см рис. 6).

Маркировка больших конденсаторов
Рис. 6. Маркировка больших конденсаторов

Обратите внимание на маркировку плоского конденсатора (второй сверху) — после трехзначного числа стоит буква М. Эта буква не указывает на единицу измерения «мегафарад», ее просто нет. Буквы обозначают допуски, то есть процентное отклонение от емкости, указанной на коробке. В нашем случае отклонение составляет 20% в любую сторону. Надпись 102М на большой коробке могла быть написана: 102 нФ ± 20%.

Теперь расшифруем надпись на коробке третьего товара. 118 — 130 МФД означает, что перед нами конденсатор, емкость которого находится в пределах 118 — 130 мкФ. В этом примере буква М уже означает «микро». ФД — означает «фарады», аббревиатура английского слова «фарада».

Этот простой пример показывает, как много путаницы в маркировке. Особенно сбивает с толку кодовая маркировка, используемая для крошечных конденсаторов. Дело в том, что можно найти старомодные маркированные конденсаторы и детали с современной кодировкой, по стандарту EIA. Одни и те же символы можно интерпретировать по-разному.

Согласно стандарту EIA:

  1. Две цифры и одна буква. Цифры обозначают емкость, обычно в пикофарадах, а буквы обозначают допуски.
  2. Если буква стоит на первом или втором месте, она указывает на десятичную точку (символ R) или указывает на название единицы измерения («п» — пикофарад, «н» — нанофарад, «у» — микрофарад). Например: 2R4 = 2,4 пФ; N52 = 0,52 нФ; 6u1 = 6,1 мкФ.
  3. Обозначается тремя цифрами. В этом коде обратите внимание на третью цифру. Если ваше значение от 0 до 6, то умножьте первые два на 10 в соответствующей степени. В этом случае 100 = 1; 101 = 10; 102 = 100 и так далее до 106.

Цифры от 7 до 9 обозначают показатель степени со знаком минус: 7 условно = 10-3; 8 = 10-2; 9 = 10-1.

Пример:

  • 256 означает: 25×105 = 2 500 000 пФ = 2,5 мкФ;
  • 507 означает: 50 × 10-3 = 50 000 пФ = 0,05 мкФ.

Возможна и такая надпись: «1В253». При расшифровке необходимо разделить код на две части: «1В» (значение напряжения) и 253 = 25×103 = 25 000 пФ = 0,025 мкФ.

Кодовые обозначения используют заглавные буквы латинского алфавита для обозначения допусков. Мы рассмотрели пример на анализе меток на рис. 6.

Вот полный список символов:

  • В = ±0,1 пФ;
  • С = ±0,25 пФ;
  • D = ±0,5 пФ или ±0,5% (если емкость превышает 10 пФ).
  • F = ±1 пФ или ±1% (если емкость превышает 10 пФ).
  • G = ±2 пФ или ±2% (для конденсаторов от 10 пФ»).
  • J = ± 5%.
  • К = ± 10%.
  • М = ± 20%.
  • Z = от -20% до +80%.

Изделия с кодовой маркировкой показаны на рис. 7.

Пример разметки кода
Рис. 7. Пример кода

Если в кодировке нет символа из списка выше, но есть другая буква, то это может быть разрядная единица.

Важным параметром является рабочее напряжение конденсатора. Но так как в этой статье мы ставим задачу определения емкости, то описание отметки напряжения мы опустим.

Отличить электролитический конденсатор от неполярного можно по наличию на его корпусе символа «+» или.

Описывать значение каждого цвета нет смысла, так как это понятно из следующей таблицы (рис. 8):

Цветовой код
Рис. 8. Цветовой код

Достаточно сложно запомнить символику цветового кода и маркировки. Если вам не приходится постоянно заниматься подбором конденсаторов, то проще воспользоваться справочниками или обратиться к информации, представленной в этой статье.

Метод 1: мост Вина

Это один из первых точных методов 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 тоже есть индуктивность. Все аналоговые мосты RLC основаны на принципе этой схемы.

Вход Uwe подключен к генератору синусоидальных колебаний фиксированной или переменной частоты. Вольтметр подключен к Uwy. Rx и Cx — желаемое 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 уравновесится, а вольтметр не покажет ноль. Тогда выполняются две зависимости:

Точность измерения зависит от стабильности генератора, питающего мост и знания номиналов резисторов и емкости С2. Используя известные значения Rx и Cx, его можно откалибровать.

Метод 2: измерение частоты LC-генератора

В схеме используется простой LC-генератор с компаратором. В резонансном контуре работают известная емкость и известная индуктивность. Дополнительный, подключенный 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 различных вариантах, часто с использованием компараторов, встроенных в микроконтроллер. Точность расчета в оригинальной версии составляет 0,1%. Точность калибровки зависит от точности калибровочного конденсатора.

Метод 3: измерение ёмкости с помощью CTMU

CTMU, или блок измерения времени загрузки, представляет собой модуль, присутствующий во многих микроконтроллерах PIC, предназначенный в первую очередь для управления клавиатурами и сенсорными интерфейсами. Модуль также позволяет точно измерять емкость путем измерения напряжения на испытуемом конденсаторе, питаемом от источника тока в течение определенного периода времени. Система основана на формуле нагрузки:

Поскольку мы знаем ток I и время t и можем измерить напряжение V, мы можем рассчитать значение C. Метод работы показан на следующем рисунке из документации для AN1375. Здесь вы можете увидеть, как калибровать и измерять емкость.

Необходимыми условиями для точного измерения абсолютной емкости являются точная калибровка источника тока, относительно точный таймер микроконтроллера и хороший опорный источник АЦП. Источник тока можно легко откалибровать: просто подключите внешний прецизионный резистор и измерьте приложенное к нему напряжение. Кстати, прецизионные резисторы найти проще, 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. Подготовьте и откалибруйте источник тока, используя вход ANx и резистор.
  2. Переключитесь на ЛЮБОЙ вход и разрядите емкость контура.
  3. Таймер запускает текущую операцию источника, измеряет заданное время и останавливает источник. АЦП выполняет измерение.
  4. Подключается внешний конденсатор, повторяются второй и третий шаги.
  5. Если значение АЦП близко к нулю, повторите все измерения с более высоким током или более продолжительным временем. Когда значение близко к максимальному значению, время измерения сокращается.
  6. Оба измерения конвертируются в пикофарад.
  7. Результат первого измерения вычитается из результата второго для вычитания паразитных емкостей цепи.
  8. Результат форматируется и выводится на экран.

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. Измерения большой емкости потребуют более длительного времени заряда источника, но такой измеритель должен иметь приличную точность 0,1% и диапазон измерений от пикофарад до тысяч микрофарад. При измерении больших емкостей может потребоваться добавить внешний транзистор для разрядки емкости, поскольку внутренний транзистор может не справиться с большими токами.

Метод 4: измерение ёмкости с помощью внешнего источника тока

Этот метод требует трех транзисторов PNP, согласованных по Vbe и коэффициенту усиления, соединенных вместе для термостатического управления, и различных резисторов с точностью до 0,1%. Смотрим схему:

Резисторы R1-R3 и транзисторы Q1-Q3 образуют токовое зеркало. Резисторы R4 — R8 подключены к цифровым выходам микроконтроллера. Установив один из них на низкий уровень, в то время как другие 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 одного из выходов, подключенных к R9, R10 или R11, на низкий уровень, позволяет измерить ток, генерируемый источником, путем измерения напряжения на соответствующем резисторе.

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

Измерения этим методом ограничены 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 измерения напряжения на резисторах R9-R11 могут быть более точными.

Метод 5: измерение ёмкости с помощью модуля CVD

Модуль CVD, емкостный делитель напряжения, можно найти на некоторых микроконтроллерах PIC. Это еще одна идея Microchip по созданию сенсорных клавиатур, например в семействе PIC18FQ41.

Интересно, что измерение этим методом можно выполнить и без этого модуля, манипулируя конфигурационными битами порта микроконтроллера и его модуля АЦП соответственно.

Предположим, у нас есть конденсатор емкостью 1 нФ, заряженный до 5 В. Подключим к нему второй конденсатор емкостью 1 нФ. Какое напряжение у обоих? Правильный ответ 2,5 В. Теперь возьмем еще два конденсатора: 10 нФ и 22 нФ. Первый заряжается до 5В, второй замыкается на массу. Затем соединяем их вместе. Какое будет напряжение? 1,5625 В. Теперь заряжаем второй конденсатор до 5 В, разряжаем первый и подключаем 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, измеряется как конденсатор 2.

Модуль CVD сначала автоматически заряжает 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, и полученное значение сравнивается с установленным пороговым значением; поэтому модуль в основном используется для управления сенсорными кнопками, но он также может измерять значение подключенной внешней емкости как изменение дифференциального напряжения. Но здесь измерение будет менее точным, чем измерение CTMU.

Метод 6: измерение ёмкости RC-генератором

Этот способ частично связан со способом №2. В основе лежит RC-генератор, который имеет значение R ровно 10 кОм. RC-генератор настроен на непрерывную работу и формирует сигнал в диапазоне 1/3 — 2/3 напряжения питания. Схема всего устройства выглядит так:

База PIC16F628(A) с кварцем 16МГц, значит внутренний таймер 4МГц Во время измерения модуль Capture/Compare/PWM (CCP1) подсчитывает значения от модуля Timer1 для каждого фронта нарастание сигнала компаратора. Программа подсчитывает и складывает значения таймера и количество подсчитанных нарастающих фронтов, пока оно не превысит 2 млн отсчетов, т е.> 0,5 секунды. Этот результат умножается на тысячу, а затем делится на количество измеренных уклонов. Результат конвертируется и отображается в виде значения емкости в пико-, нано- или микрофарадах: Диапазоны 0,00-18000,00 пФ; 18 000–999 000 нФ; 1.0000-50.0000мкФ. Разрешение измерений намного выше, чем у других хобби-решений. Согласно испытаниям точность измерения лучше 0,2%. Схема имеет возможность сброса и относительный режим измерения для сравнения конденсаторов. Поэтому существует несколько способов измерения емкости: достаточно выбрать наиболее подходящий для ваших целей и смонтировать С-метр.

Сложности проверки

Основная сложность в определении работоспособности конденсатора мультиметром заключается в его выпаивании из схемы. Если компонент оставить на плате, на измерение повлияют другие элементы схемы. Они будут искажать доказательства.

В продаже есть специальные тестеры с низким напряжением на щупах, которые позволяют проверить конденсатор прямо на плате. Низкое напряжение сводит к минимуму риск повреждения других элементов цепи.

Оцените статью
Блог о практической электронике