Цифровой измеритель ёмкости. Описание моделей высокой точности

В данной статье мы дадим наиболее полную инструкцию, которая позволит сделать измеритель ёмкости конденсаторов своими руками, без помощи квалифицированных мастеров.

К сожалению, аппаратура не редко выходит из строя. Причина чаще всего одна – появление электролитического конденсатора. Все радиолюбители знакомы с так называемым «высыханием», которое появляется из-за нарушения герметичности корпуса прибора. Возрастает реактивное сопротивление из-за снижения номинальной емкости.

Далее, во время эксплуатации начинают происходить электрохимические реакции, они разрушают стыки выводов. В результате контакты нарушаются, образовывая контактное сопротивление, которой исчисляется, порой десятками Oм. То же самое будет происходить при подключении к рабочему конденсатору резистора. Наличие этого самого последовательного сопротивления скажется негативно не работе электронного устройства, в схеме будет искажаться вся работа конденсаторов.

Из-за сильнейшего влияния сопротивления в диапазоне три-пять Ом, приходят в негодность импульсные источники питания, ведь в них перегорают дорогостоящие транзисторы, а также микросхемы. Если детали при сборке прибора были проверены, а при монтаже не допущены ошибки, то с его наладкой не возникнет проблем.

Кстати, предлагаем Вам присмотреть себе новый паяльник на Алиэкспресс — ССЫЛКА (отличные отзывы). Либо присмотреть себе что-нибудь из паяльного оборудования в магазине «ВсеИнструменты.ру» — ссылка на раздел с паяльниками .

Схема, принцип работы, устройство

Данная схема используется с применением операционного усилителя. Прибор, который мы собираемся сделать своими руками, позволит производить измерения ёмкости конденсаторов в диапазоне от пары пикoфарад до одного микрофарада.

Давайте разберемся с приведенной схемой :

• Поддиапазоны . У агрегата есть 6 «поддиапазонов», у них высокие границы равняются 10, 100; 1000 пф, а также 0,01, 0,1 и 1 мкф. Отсчитывается емкость по измерительной сетке микроамперметра.
• Назначение . Основой работы прибора является замер переменного тока, он проходит сквозь конденсатор, который необходимо исследовать.
• На усилителе DА 1 находится генератор импульсов. Колебания их повтора подчиняется емкости С 1- С 6 конденсаторов, а также позиции тумблера «подстроечного» резистора R 5. Частота будет переменной от 100 Гц до 200 кГц. Подстроечному резистору R 1 определяем соразмерную модель колебаний при выходе генератора.
• Указанные на схеме диоды, как D 3 и D 6, резисторы (налаженные) R 7- R 11, микроамперметр РА 1, составляют сам измеритель переменного тока. Внутри микроамперметра сопротивление обязано составлять не больше 3 кОм, с целью, чтобы погрешность при замере не превысила десяти процентов на диапазоне до 10 пФ.
• К другим поддиапазонам параллельно Р A 1 подсоединяют подстроечные резисторы R 7 – R 11. Нужный измерительный поддиапазон настраивают при помощи тумблера S А 1. Одна категория контактов переключает конденсаторы (частотозадающие) С 1 и С 6 в генераторе, второй переключает в индикаторе резисторы.
• Чтобы прибор получал энергию, ему нужен 2-полярный стабилизированный источник (напряжение от 8 до 15 В). У частотозадающего конденсатора могут на 20 % разниться номиналы, однако сами они обязаны иметь высокую стабильность временную и температурную.

Конечно, для обычного человека, не разбирающегося в физике, это всё может показаться сложным, но вы должны понимать, чтобы сделать измеритель ёмкости конденсаторов своими руками, нужно обладать определенными знаниями и навыками. Далее поговорим о том, как наладить прибор.

Наладка измерительного прибора

Чтобы произвести правильную наладку, следуйте инструкции:

1. Сперва достигается симметричность колебаний при помощи резистора R 1. «Бегунок» у резистора R 5 находится посередине.
2. Следующим действием будет подключение эталонного конденсатора 10 пф к клеммам, отмеченным значком сх. При помощи резистора R 5, переставляют стрелу микроамперметра на соответственную шкалу ёмкости эталонного конденсатора.
3. Далее проверяется форма колебания при выходе генератора. Тарировка проводится на всех поддиапазонах, здесь применяют резисторы R 7 и R 11.

Механизм устройства может быть разным. Параметры размеров зависят от типа микроамперметра. Каких-то особенностей при работе с прибором не выделяется.

Создание разных моделей измерителей

Модель серии AVR

Сделать такой измеритель можно на базе переменного транзистора. Вот инструкция:

1. Подбираем контактор;
2. Замеряем выходное напряжение;
3. отрицательное сопротивление в измерителя емкости не больше 45 Ом;
4. Если проводимость 40 мк, то перегрузка составит 4 Ампера;
5. Для повышения точности измерения, нужно использовать компараторы;
6. Также есть мнение, что лучше использовать только открытые фильтры, так как для них не страшны импульсные помехи в случае большой загруженности;
7. Также рекомендуется использовать полюсные стабилизаторы, а вот для модификации устройства не подходят только сеточные компараторы;

Перед тем, как включать измеритель ёмкости конденсаторов, нужно выполнить замер сопротивления, который должен быть примерно 40 Ом для хорошо сделанных устройств. Но показатель может отличаться, в зависимости от частотности модификации.

Более подробно о том, как сделать измеритель ёмкости конденсаторов своими руками можно узнать из видео ниже.

Видео инструкции

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.

Из заголовка статьи понятно, что сегодня речь пойдет о приборе для измерения ёмкости конденсаторов. Не в каждом простом мультиметре есть данная функция. А ведь при изготовлении очередной самоделки мы очень часто задумываемся: будет ли она работать, исправны ли конденсаторы, которые мы применили, как их проверить.Да и просто в процессе ремонта данный прибор будет необходим. Проверить на целостность электролитический конденсатор, конечно, можно при помощи тестера. Но мы узнаем: живой он или нет, а вот определить ёмкость, насколько он сухой, мы не сможем.

В некоторых дешевых мультиметрах, которые присутствуют сейчас на рынке, имеется эта функция. Но предел измерения ограничен цифрой в 200 микрофарад. Что явно мало. Нужно хотя бы четыре тысячи микрофарад. Но такие мультиметры стоят на порядок выше. Поэтому я наконец-то решил купить измеритель ёмкости конденсаторов . Выбирал самый дешевый с приемлемыми характеристиками. Остановил свой выбор на XC6013L:

Поставляется это устройство в красивой коробке. Правда, на коробке изображение другого мультиметра:

А сверху наклейка с моделью данного прибора, наверно, у китайцев не хватает коробок:

Прибор заключён в защитный желтый кожух из мягкой пластмассы, похожей на резину. В руках чувствуется увесистость, что говорит о серьезности прибора. С нижней стороны имеется откидная подставка, которая многим может и не пригодиться:

Питается измеритель ёмкости от батарейки напряжением 9 вольт типа крона, которая поставляется в комплекте:

Характеристики прибора просто великолепны. Он может производить измерения от 200 пикофарад до 20 тысяч микрофарад. Что вполне достаточно для радиолюбительских целей:

Сверху прибора расположился большой и информативный жидкокристаллический дисплей. Под ним находятся две кнопки. Слева — красная кнопка, при помощи которой можно зафиксировать на дисплее текущее показание ёмкости. А справа — синяя кнопка, которая очень порадовала, — подсветкой экрана, что, несомненно, является плюсом данного прибора. Между кнопками имеется коннектор для измерения малогабаритных конденсаторов. Правда, проверить бушные конденсаторы, выпаянные из плат доноров, не получается, так как контактные площадки расположены достаточно глубоко. Поэтому данным коннектором можно воспользоваться, только проверяя конденсаторы с длинными выводами:

Под селектором выбора диапазонов измерений находится коннектор для подключения щупов. Кстати, щупы выполнены из такого же материала, как защитный кожух прибора, наощупь они довольно-таки мягкие:

Там же находится, несомненно, самая важная функция прибора — это установка нулевых показаний при измерении ёмкостей в разряде пикофарад. Что наглядно видно на следующих двух фотографиях. Здесь умышленно извлечен один щуп и при помощи регулятора выставлен ноль:

Здесь щуп поставлен на место. Как видите, ёмкость щупов влияет на показания. Теперь достаточно при помощи регулятора выставить ноль и произвести измерения, что будет достаточно точно:

Теперь давайте протестируем прибор в работе и посмотрим, на что он способен.

Тестируем измеритель ёмкости конденсаторов

Для начала будем проверять конденсаторы заведомо исправные, новые и извлечённые из плат доноров. Первым будет подопытный на 120 микрофарад. Это новый экземпляр. Как видите, показания слегка занижены. Кстати, таких конденсаторов у меня штуки 4, и ни один не показал 120 микрофарад. Возможна погрешность прибора. А может, сейчас делают одну некондицию:

Вот одна тысяча микрофарад, весьма точно:

Две тысячи двести микрофарад, тоже неплохо:

А вот десять микрофарад:

Ну а теперь сто микрофарад, очень хорошо:

Давайте посмотрим на показания прибора, которые он покажет при проверке дефектных конденсаторов, которые были извлечены во время ремонта . Как видите, разница ощутима:

Вот такие получились результаты. Конечно, в некоторых случаях неисправность электролитического конденсатора видна визуально. Но в большинстве случаев без прибора обойтись сложно. К тому же я тестировал данный прибор на двух платах, проверяя конденсаторы, не выпаивая их. Устройство показало неплохие результаты, только в некоторых случаях нужно соблюдать полярность. Поэтому я советую купить такой прибор, и вы сможете измерять ёмкость конденсаторов своими руками.