Самодельный прибор для измерения конденсаторов малой емкости. Цифровой измеритель ёмкости. Самодельный С - метр

Обнаружив в интернете статью Digital Capacitance Meter , я захотел собрать этот измеритель. Однако под рукой не оказалось микроконтроллера AT90S2313 и светодиодных индикаторов с общим анодом. Зато были ATMEGA16 в DIP-корпусе и четырехразрядный семисегментный жидкокристаллический индикатор. Выводов микроконтроллера как раз хватало на то, чтобы подключить его к ЖКИ напрямую. Таким образом, измеритель упростился всего до одной микросхемы (на самом деле, есть и вторая – стабилизатор напряжения), одного транзистора, диода, горстки резисторов-конденсаторов, трех разъемов и кнопки.Прибор получился компактный и удобный в использовании. Теперь у меня нет вопросов о том, как измерить емкость конденсатора. Особенно это важно для SMD-конденсаторов с емкостями в несколько пикофарад (и даже в доли пикофарада), которые я всегда проверяю перед тем, как в паять в какую-нибудь плату. Сейчас выпускается множество настольных и портативных измерителей, производители которых заявляют о нижнем пределе измерений емкости в 0.1 пФ и достаточной точности измерений таких малых емкостей. Однако во многих из них измерения проводятся на довольно низкой частоте (единицы килогерц). Спрашивается, можно ли получить приемлемую точность измерений в таких условиях (даже если параллельно измеряемому подключить конденсатор большей емкости)? Кроме того, в интернете можно найти довольно много клонов схемы RLC-метра на микроконтолллере и операционном усилителе (той самой, что с электромагнитным реле и с одно- или двухстрочным ЖКИ). Однако такими приборами малые емкости померить «по-человечески» не удается. В отличие от многих других, этот измеритель специально спроектирован для измерения малых значений емкости.

Что касается измерения малых индуктивностей (единицы наногенри), то я для этого с успехом использую анализатор RigExpert AA-230 , который выпускает наша компания.

Фотография измерителя емкости:

Параметры измерителя емкости

Диапазон измерения: от 1 пФ до примерно 470 мкФ.
Пределы измерения: автоматическое переключение пределов – 0…56 нФ (нижний предел) и 56 нФ … 470 мкФ (верхний предел).
Индикация: три значащие цифры (две цифры для емкостей меньших, чем 10 пФ).
Управление: единственная кнопка для установки «нуля» и калибровки.
Калибровка: однократная, при помощи двух образцовых конденсаторов, 100 пФ и 100 нФ.

Большая часть выводов микроконтроллера подключена к ЖКИ. К некоторым из них также подключен разъем для внутрисхемного программирования микроконтроллера (ByteBlaster). Четыре вывода задействованы в схеме измерения емкости, включая входы компаратора AIN0 и AIN1, выход управления пределами измерения (при помощи транзистора) и выход выбора порогового напряжения. К единственному оставшемуся выводу микроконтроллера подключена кнопка.

Стабилизатор напряжения +5 В собран по традиционной схеме.

Индикатор – семисегментный, на 4 знака, с прямым подключением сегментов (т.е. не-мультиплексный). К сожалению, на ЖКИ не было маркировки. Такую же цоколевку и размеры (51×23 мм) имеют индикаторы многих фирм, например, AND и Varitronix.

Схема приведена ниже (на схеме не показан диод для защиты от «переполюсовки», через него рекомендуется подключить разъем питания):

Программа микроконтроллера

Поскольку ATMEGA16 – из серии «MEGA», а не из серии «tiny», особого смысла писать ассемблерную программу нет смысла. На языке Си удается сделать ее гораздо быстрей и проще, а приличный объем flash-памяти микроконтроллера позволяет пользоваться встроенной библиотекой функций с плавающей точкой при расчете емкости.

Микроконтроллер проводит измерение емкости за два шага. В первую очередь, определяется время заряда конденсатора через резистор сопротивлением 3.3 МОм (нижний предел). Если необходимое напряжение не достигнуто в течение 0.15 секунд (что соответствует емкости около 56 пФ), заряд конденсатора повторяется через резистор 3.3 кОм (верхний предел измерения).

При этом микроконтроллер сперва разряжает конденсатор через резистор сопротивлением 100 Ом, а затем заряжает его до напряжения 0.17 В. Только после этого замеряется время заряда до напряжения 2.5 В (половина напряжения питания). После этого, цикл измерения повторяется.

При выводе результата на выводы ЖКИ подается напряжение переменной полярности (относительно его общего провода) с частотой около 78 Гц. Достаточно высокая частота полностью устраняет мерцание индикатора.

Предлагаемый измеритель предназначен для любительских измерений, не требующих высокой точности. При своей простоте он обладает довольно широкими пределами измерений. Он выполнен в виде приставки и позволяет использовать уже имеющиеся у радиолюбителя блоки питания и измерительные приборы — стрелочные микроамперметры.

Прибор имеет следующие характеристики. Фактический диапазон измеряемых величин — 0,5…30000 мкФ — перекрывается поддиапазонами 0…50, 0…500 и 0…30000 мкФ. При напряжении питания 9В потребляемый ток не превышает 10 мА.

Принцип работы прибора основан на измерении величины пульсации выпрямленного напряжения. Синусоидальное напряжение частотой 16…20Гц с генератора на микросхеме DA1 выпрямляется диодом VD3 и далее поступает на измеряемый конденсатор и один из параллельно подключенных ему нагрузочных резисторов R7-R9. Чем меньше резистор, тем больше пульсации. С увеличением емкости конденсатора величина пульсаций падает. Далее пульсирующее напряжение через конденсатор С4 калибровочный переменный резистор R10 и выпрямительный мост на диодах VD4-VD7 поступает на измерительный прибор — микроамперметр.

При измерении больших емкостей уровень низкочастотных пульсаций сильно уменьшается, и для их измерений в прибор введен усилительный каскад на микросхеме DA2. Генератор синусоидальных колебаний представляет собой один из возможных вариантов RC-генератора с мостом Вина.

Микросхемы (DA1, DA2) можно заменить любыми ОУ общего назначения. Диоды VD1-VD7 любые германиевые высокочастотные. Конденсаторы C1, C3, C4 — серии К73-17 (возможно параллельное соединение конденсаторов меньшей емкости), С2, С5 — К50-16. Подстроечные резисторы R6-R9 — СПЗ-38 или аналогичные. Переменный резистор R10 — типа СП2-2. Переключатель SA1 — малогабаритный ЗПЗН.

Настройку прибора производят начиная с генератора DA1. Подстроечным резистором R6 устанавливают на выходе максимальную амплитуду синусоидального сигнала. К розетке Х2 подключают измерительный прибор, например, многопредельный стрелочный ампервольтметр в режиме микроамперметра, а его предел устанавливают на 60-200 мкА. При наличии отдельного микроамперметра чувствительностью до 200 мкА следует отдать предпочтение ему.

Резисторы R7-R9 устанавливают в положение, близкое к максимальному сопротивлению, переключатель SA1 — в первое положение. Регулятором R10 «калибровка» устанавливают стрелку микроамперметра на максимальное значение шкалы, что будет соответствовать значению емкости Cx= 0. Затем подключают к X3 образцовые конденсаторы и градуируют шкалу. Масштаб шкалы можно в небольших пределах изменять подстроечным резистором R7 (R8 — для второго и R9 — для третьего диапазона), после чего необходимо заново провести калибровку. Аналогично проводится настройка при установке SA1 во второе положение. При настройке в третьем диапазоне следует убедиться в правильной работе микросхемы DA2 и установить нужное усиление подбором резистора R13. Если на втором пределе стрелка не отклоняется до конца шкалы, можно увеличить емкость конденсатора С4. Точность прибора во многом зависит от точности образцовых конденсаторов и градуировки шкалы.

ESR метр своими руками . Есть широкий перечень поломок аппаратуры, причиной которых как раз является электролитический . Главный фактор неисправности электролитических конденсаторов, это знакомое всем радиолюбителям «высыхание», которое возникает по причине плохой герметизации корпуса. В данном случае увеличивается его емкостное или, иначе говоря, реактивное сопротивление в следствии уменьшения его номинальной емкости.

Помимо этого, в ходе работы в нем проходят электрохимические реакции, которые разъедают точки соединения выводов с обкладками. Контакт ухудшается, в итоге образуется «контактное сопротивление», доходящее иногда до нескольких десятков Ом. Это точно также, если к исправному конденсатору последовательно подключить резистор, и к тому же этот резистор размещен внутри него. Такое сопротивление еще именуют «эквивалентное последовательное сопротивление» или же ESR.

Существование последовательного сопротивления отрицательно влияет на работу электронных устройств, искажая работу конденсаторов в схеме. Чрезвычайно сильное влияние оказывает повышенное ESR (порядка 3…5 Ом) на работоспособность , приводя к сгоранию дорогих микросхем и транзисторов.

Ниже в таблице приведены средние величины ESR (в миллиоммах) для новых конденсаторов различной емкости в зависимости от напряжения, на которое они рассчитаны.

Материал: АБС + металл + акриловые линзы. Светодиодная подсветка...

Не секрет, что реактивное сопротивление уменьшается с повышением частоты. К примеру, при частоте 100кГц и емкости 10мкФ емкостная составляющая будет не более 0,2 Ом. Замеряя падение переменного напряжения имеющего частоту 100 кГц и выше, можно полагать, что при погрешности в районе 10…20% итогом замера будет активное сопротивление конденсатора. Поэтому совсем не сложно собрать .

Описание ESR метра для конденсаторов

Генератор импульсов, имеющий частоту 120кГц, собран на логических элементах DD1.1 и DD1.2. Частота генератора определяется RC-цепью на элементах R1 и C1.

Для согласования введен элемент DD1.3. Для увеличения мощности импульсов с генератора в схему введены элементы DD1.4…DD1.6. Далее сигнал проходит через делитель напряжения на резисторах R2 и R3 и поступает на исследуемый конденсатор Сх. Блок измерения переменного напряжения содержит диоды VD1 и VD2 и мультиметр, в качестве измерителя напряжения, к примеру, М838. Мультиметр необходимо перевести в режим измерения постоянного напряжения. Подстройку ESR метра осуществляют путем изменения величины R2.

Микросхему DD1 — К561ЛН2 можно поменять на К1561ЛН2. Диоды VD1 и VD2 германиевые, возможно использовать Д9, ГД507, Д18.

Радиодетали ESR метра расположены на , которую можно изготовить своими руками. Конструктивно устройство выполнено в одном корпусе с элементом питания. Щуп Х1 выполнен в виде шила и прикреплен к корпусу устройства, щуп X2 – провод не более 10 см в длину на конце которого игла. Проверка конденсаторов возможна прямо на плате, выпаивать их не обязательно, что существенно облегчает поиск неисправного конденсатора во время ремонта.

Настройка устройства

1, 5, 10, 15, 25, 30, 40, 60, 70 и 80 Ом.

К щупам X1 и X2 необходимо подсоединить резистор в 1 Ом и вращением R2 добиться, чтобы на мультиметре было 1мВ. Затем вместо 1 Ом подключить следующий резистор (5 Ом) и не изменяя R2 записать показание мультиметра. То же самое проделать и с оставшимися сопротивлениями. В результате этого получится таблица значений, по которой можно будет определять реактивное сопротивление.

С помощью данного измерителя ёмкости можно легко измерить любую ёмкость от единиц пФ до сотен мкФ. Существует несколько методов измерения емкости. В данном проекте используется интеграционный метод.

Главное преимущество использования этого метода в том, что измерение основано на измерении времени, что может быть выполнено на МК довольно точно. Этот метод очень подходит для самодельного измерителя ёмкости, к тому же он легко реализуем на микроконтроллере.

Принцип работы измерителя ёмкости

Явления, происходящие при изменении состояния схемы называются переходными процессами. Это одно из фундаментальных понятий цифровых схем. Когда ключ на рисунке 1 разомкнут, конденсатор заряжается через резистор R, и напряжение на нём изменятся как показано на рисунке 1b. Соотношение определяющее напряжение на конденсаторе имеет вид:

Величины выражены в СИ единицах, t секунды, R омы, C фарады. Время за которое напряжение на конденсаторе достигнет значения V C1 , приближенно выражается следующей формулой:

Из этой формулы следует, что время t1 пропорционально емкости конденсатора. Следовательно, ёмкость может быть вычислена из времени зарядки конденсатора.

Схема

Для измерения времени зарядки, достаточно компаратора и таймера микроконтроллера, и микросхемы цифровой логики. Вполне разумно использовать микроконтроллер AT90S2313 (современный аналог – ATtiny2313). Выход компаратора используется как триггер T C1 . Пороговое напряжение устанавливается резисторным делителем. Время зарядки не зависит от напряжения питания. Время зарядки определяется формулой 2, следовательно оно не зависит от напряжения питания т.к. соотношение в формуле VC 1 /E определяется только коэффициентом делителя. Конечно, вовремяизмерениянапряжениепитаниядолжнобытьпостоянно.

Формула 2 выражает время зарядки конденсатора от 0 вольт. Однако с напряжением близким к нулю сложно работать из-за следующих причин:

• Напряжение не падает до 0 Вольт. Для полной разрядки конденсатора необходимо время. Это приведет к увеличению времен иизмерения.
• Необходимо время между стартом зарядки и запуском таймера. Это вызовет погрешность измерения. Для AVRэто не критично т.к. на это необходим всего один такт.
• Утечка тока на аналоговом входе. Согласно даташиту AVR, утечка тока возрастает при напряжении на входе близком к нулю вольт.

Для предотвращения данных сложностей использовано два пороговых напряжения VC 1 (0.17 Vcc) и VC 2 (0.5 Vcc). Поверхность печатной платы должна быть чистой для минимизации токов утечки. Необходимое напряжение питания микроконтроллера обеспечивается DC-DCпреобразователем,работающего от 1.5VAA батарейки. Вместо DC-DC преобразователя, желательно использовать 9 V батарейку и преобразователь 78 L 05, желательно также не выключать BOD , иначе могут возникнуть проблемы с EEPROM .

Калибровка

Для калибровки нижнего диапазона: С помощью кнопки SW1. Затем, соедините pin #1 и pin #3 на разъёме P1, вставьте конденсатор 1nF и нажмите SW1.

Для калибровки верхнего диапазона: Замкните pin #4 и #6 разъёма P1, вставьте конденсатор на 100nFи нажмите SW1.

Надпись “E4” при включении означает, что калибровочное значение в EEPROM не найдено.

Использование

Автоматическое определениедиапазона

Зарядка начинается через резистор 3.3М. Если напряжение на конденсаторе не достигнет 0.5 Vccменее чем за 130 mS (>57nF), происходит разрядка конденсатора и новая зарядка, но уже через резистор 3.3кОм. Если напряжение на конденсаторе не достигает 0.5 Vccза 1 секунду (>440µF),надпись “E2”. Когда время замерено, происходит вычисление и отображение ёмкости. Последний сегмент отображает диапазон измерения (pF, nF, µF).

Зажим

В качестве зажима можно использовать часть какого-нибудь сокета. При измерении малых ёмкостей (единицы пикофарад) использование длинных проводов нежелательно.

Измеритель емкости конденсаторов своими руками — ниже представлена схема и описание как не прилагая больших усилий можно самостоятельно изготовить прибор для тестирования емкости конденсаторов. Такое устройство очень может пригодится при покупке емкостей на радиоэлектронном рынке. С его помощью без проблем выявляется некачественный или бракованный элемент накопления электрического заряда. Принципиальная схема данного ESRа, как его обычно называю большинство электронщиков, ничего сложного из себя не представляет и собрать такой аппарат может даже начинающий радиолюбитель.

Причем измеритель емкости конденсаторов не предполагает для его сборки длительного времени и больших денежных затрат, на изготовление пробника эквивалентного последовательного сопротивления уходит буквально два-три часа. Также не обязательно бежать в магазин радиотоваров — наверняка у любого радиолюбителя найдутся неиспользованные детали подходящие для этой конструкции. Все, что вам потребуется для повторения данной схемы — это мультиметр практически любой модели, только желательно, что бы был цифровой и с десяток деталей. Каких то переделок или модернизации цифрового тестера производить не нужно, все что необходимо с ним сделать — это припаять выводы деталей к необходимым площадкам на его плате.

Принципиальная схема устройства ESR:

Перечень элементов необходимых для сборки измерителя:

Один из главных компонентов прибора — это трансформатор, который должен иметь соотношением витков 11\1. Ферритовый кольцевой сердечник М2000НМ1-36 К10х6х3, который нужно предварительно обмотать изолирующим материалом. Затем намотать первичную обмотку на него, располагая витки по принципу — виток к витку, при этом заполняя всю окружность. Вторичную обмотку также необходимо выполнять с равномерным распределением по всему периметру. Примерное количество витков в первичной обмотки для кольца К10х6х3 будет 60-90 витков, а вторичка должна быть в одиннадцать раз меньше.

Диод D1 использовать можно практически любой кремневый с обратным напряжением не менее 40v, если вам не особо нужна супер точность в измерениях, то вполне подойдет КА220. Для более точного определения емкости придется поставить диод с небольшим падением напряжения в варианте прямого включения — Шоттки. Защитный супрессорный диод D2 должен быть рассчитан на обратное напряжение от 28v до 38v. Транзистор маломощный кремневый p-n-p проводимости: например КТ361 или его аналог.

Измерение величины ЭПС выполнять в диапазоне напряжения 20v. Во время подключении коннектора внешнего измерителя, ESR-приставка к мультиметру сразу же переходит в режим работы тестирования емкости. При этом будет визуально отображено на приборе показание около 35v в диапазоне проверки 200v и 1000v (это в зависимости от использования супрессорного диода). В случае исследования емкости на 20 вольтах, показание будет отображено как «выход за границу измерения». Когда коннектор внешнего измерителя отсоединяется, то и ЭПС-приставка моментально переключается на режим работы как обыкновенного мультиметра.

Заключение

Принцип работы устройства — для начала работы прибора нужно включить в сеть адаптер, при этом происходит включение измерителя ЭПС, когда отключили ESR, то мультиметр автоматически переходит в режим выполнения штатных функций. Чтобы сделать калибровку аппарата нужно подобрать постоянный резистор, так чтобы соответствовало шкале. Для наглядности картина ниже:

При замыкании щупов на шкале мультиметра будет отображено 0.00- 0.01, это показание означает погрешность прибора в диапазоне измерения до 1 Ом.