Способы измерения емкости конденсатора

Как измерить емкость конденсатора своими руками

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

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

Обозначения на конденсаторах

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

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

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

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

Вычисления с помощью формул электротехники

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

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

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

Схема измерения

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

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

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

Измерительные приборы

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

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

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

Самодельный С — метр

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

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

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

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

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

Конструкция и детали

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

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

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

R4, R8 510k R15 13

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

Вариант печатной платы и расположение компонентов

Видео по теме

Источник

Что такое емкость конденсатора?

Электрическое понятие ёмкости означает способность проводника или нескольких проводников накапливать электрический заряд. Этой важной характеристикой обладает одиночный проводник. Для него ёмкость будет составлять отношение собственного заряда к величине потенциала, при условии, что все остальные проводники теоретически не существуют (удалены в бесконечность) и потенциал любой точки пространства соответственно равен нулю.

Этой характеристикой обладают и два проводника. В этом случае ёмкость системы, представленной в качестве двухполюсника, равна отношению заряда системы к разности потенциалов двух проводников. В случае разделения пространства проводников вакуумом или диэлектриком – когда мы имеем дело с конденсатором – разность потенциалов берётся между обкладками.

Единицей измерения ёмкости в системе СИ (Международной системе единиц) выступает фарад (ранее – фарада), названный так в честь выдающегося учёного из Великобритании, внёсшего огромнейший вклад в развитие электротехники, Майкла Фарадея. В системе СГС ёмкость измеряется в сантиметрах. Ёмкостью в 1 фарад (ф) обладает конденсатор, способный создавать напряжение между обкладками в 1 вольт при заряде в 1 кулон.

Сам по себе фарад – гигантская величина ёмкости для уединённого проводника (её мог бы иметь шар из металла, размером в 13 раз превышающим Солнце). На практике нашли применение его дольные единицы: микрофарады, нанофарады и пикофарады. Они применяются для измерения ёмкостей между электродами в разнообразных приборах, а также ёмкостей кабелей и конденсаторов.

Определения

Конденсатор представляет собой двухполюсник (совокупность двух проводников, имеющих противоположно направленные, но равные по величине заряды), обладающий переменной или постоянной ёмкостью при наличии малого уровня проводимости. Его неотъемлемой функцией является возможность накопления и отдачи заряда, а также электрической энергии, существующего благодаря ему поля. В электрических цепях он играет пассивную роль.

Честь создания первых прототипов современных конденсаторов принадлежит двум независимым друг от друга исследователям:

• Голландцу Питеру ван Мушенбруку, работавшему совместно со своим учеником Кюнеусом над созданием так называемой «лейденской банки», первый образец которой появился в 1745 году.
• Немцу Эдварду Юргену фон Клейсту, параллельно ставшему изобретателем «медицинской банки».

Хотя надо отметить, что несколько ранее российско-германским физиком Эпинусом были созданы первые разделённые диэлектриком (непроводящим электрический ток материалом) электрические листы – фактически полноценные конденсаторы.

Сегодня столь повсеместно распространённое устройство как конденсатор представляет собой две пластины, служащие электродами (обкладками), между которыми расположен слой тончайшего диэлектрика. На практике они (пластины и диэлектрики) отличаются многослойностью, а изготавливаются в виде скрученных в параллелепипед или цилиндр чередующихся между собой лент изоляционного материала и проводника.

Плоский конденсатор

Плоский конденсатор представляет собой две параллельно расположенные пластины прямоугольной, квадратной или круглой формы, противоположно заряженные и разделённые тонким слоем диэлектрика. Формула расчёта его ёмкости выглядит следующим образом:

• С – ёмкость конденсатора, ф.
• ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, речь о которой пойдёт ниже.
• ε₀ – диэлектрическая постоянная, равная 8,854185×10-12 ф/м.
• S – площадь пластины, м 2 .
• d – расстояние между пластинами, м.

Как следует из приведённой формулы, ёмкость плоского конденсатора растёт по мере увеличения площади пластин и при сокращении расстояния между ними. При этом в качестве диэлектрика лучше всего выбирать материалы с наибольшей диэлектрической проницаемостью (в идеале – дистиллированную воду). В случае использования многослойного плоского конденсатора, чередующего диэлектрик и пластины, его ёмкость вырастет в n-1 раз. Где n – количество используемых пластин.

Сферический конденсатор

Сферический конденсатор представляет собой шар, состоящий из двух концентрических обкладок, разделённых слоем сферы диэлектрика. Благодаря особенностям геометрии находящихся внутри друг друга тел, формула расчёта его ёмкости такова:

Здесь R1 и R2 – радиусы обкладок, а r2 – радиус от центра до самого края, r1 – самый малый радиус.

Цилиндрический конденсатор

Ёмкость цилиндрического конденсатора рассчитывается по следующей формуле:

Где l – длина цилиндра конденсатора, а R1 и R2 – радиусы цилиндрических обкладок.

Маркировка конденсаторов

В электротехнике конденсаторы применяются повсюду. Обычно они подразделяются (классифицируются) по виду наполняемого межэлектродное пространство диэлектрика и по методам изменения своей ёмкости. Старые (изготовленные до 1960 года) конденсаторы маркируются системой обозначения с участием только лишь букв:

• первая буква К говорит, что это конденсатор;
• вторая буква указывает на материал, из которого изготовлен диэлектрик (Б – бумага, К – керамика, С – слюда, Э – электролит);
• третья показывает приемлемые условия эксплуатации или подразумевает герметичность конструкции.

Применяемая сегодня обновлённая (цифровая) система маркировки подразделяет конденсаторы по предназначению, исполнению, виду диэлектрика. Суть её сводится к следующему:

• начальная буква К также обозначает конденсатор;
• следующая цифра сообщает о диэлектрическом материале, буква – о целях применения;
• далее идёт номер разработки или вариант конструкции, указываемый соответствующей буквой.

Формулы для вычисления

Электрической ёмкости в фарадах, посредством математических выражений

Ёмкость, которую может накапливать и хранить конденсатор, как потенциальную электрическую энергию – величина постоянная. Она пропорциональна заряду и обратно пропорциональна приложенному напряжению. Математическое выражение фарада выглядит так:

• C – ёмкость конденсатора,
• Q – заряд,
• U – приложенное напряжение.

Из приведённого выражения следует, что, изменяя прикладываемое напряжение, можно регулировать величину самого заряда.

Единица измерения электрической ёмкости – фарад – может выражаться (рассчитываться) и через иные единицы измерения, действующие в системе СИ:

Здесь: F – фарад, C – кулон, V – вольт, A – ампер, s – секунда, J – джоуль, N – ньютон, m – метр, W – ватт, kg – килограмм, Ω – ом, Hz – герц, H – генри.

Ёмкости конденсатора в зависимости от диэлектрической проницаемости среды, заполняющей пространство между его пластинами

Диэлектрическая проницаемость среды характеризует изоляционные свойства материала. В нашем случае – изолятора, определяющего ёмкость конденсатора. Из приведённых выше формул для расчёта ёмкостей плоского, сферического и цилиндрического конденсаторов видно, что ёмкость всегда прямо пропорциональна величине проницаемости используемого диэлектрического материала – ε.

Из практических соображений при расчёте ёмкостей конденсаторов употребляется относительная диэлектрическая проницаемость, равная:

• 3-10 для стекла;
• 5-7 для слюды;
• 2,5-3,5 для бумаги;
• 1,0006 для воздуха.

Как измерить ёмкость конденсатора с помощью мультиметра?

Обычно ёмкость конденсатора указывается на его корпусе цветовым кодом или дробными единицами фарад. Однако с течением времени её величина, вследствие износа и эксплуатации, может измениться.

Для того, чтоб убедится в правильности указанной величины, можно воспользоваться мультиметром. Современные цифровые мультиметры, оснащённые функцией измерения ёмкости «Cx», способны выдавать достаточно объективные показания, анализируя кривую нарастания напряжения при заряде и разряде в конденсаторе заранее заданным током.

Выполняется данная процедура следующим образом:

• Ножки конденсатора, соблюдая полярность, вставляются в соответствующие гнёзда.
• Выбирается нужный диапазон измерения (подчас проблемой является конкретная для данного прибора узость измеряемых величин – это необходимо предусмотреть заранее).
• Нужные показания считываются на табло.

Иные способы измерения

Существуют и иные способы измерения ёмкости конденсатора.

Осциллографом

С помощью осциллографа можно определить постоянную времени, то есть время заряда конденсатора на 63%. Далее разделив эту постоянную на сопротивление цепи в омах, получим искомую величину в фарадах.

Мостовыми измерителями

Здесь конденсатор включается в плечо моста, что позволяет обеспечить высокую точность измерения. Показания можно отслеживать на дисплее и по мере необходимости, пользуясь средствами связи, оперативно передавать на значительные расстояния.

С помощью тестера, не обладающего функцией замера ёмкости

В этом случае потребуется источник питания и схема с включением измеряемого конденсатора и резистором, номиналом в 1-10 кОм. Проведя с помощью тестера и секундомера замеры и сделав необходимые расчёты, можно примерно рассчитать ёмкость исследуемого конденсатора.

Кроме вышеперечисленных методов, имеется множество сделанных руками любителей и профессионалов моделей, позволяющих проводить тестирование конденсаторов с функциями определения их ёмкостей.

Заключение

Конденсаторы нашли широчайшее применение во всех направлениях электротехники и электроэнергетики благодаря целому набору функциональных возможностей:

• фильтрации электрических сигналов;
• способности формирования цепей обратной связи;
• вхождения в схемы колебательных контуров;
• возможности сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения;
• получения импульсного разряда значительной мощности;
• использования в качестве элемента памяти логических устройств;
• ограничителя величин переменного тока (балласта);
• использования как одного из элементов времязадающих цепей;
• компенсации реактивных мощностей и фильтрации высших гармоник;
• применения в качестве ускорителя заряженных частиц;
• измерителя малых перемещений;
• косвенного измерителя физических величин: влажности, температуры, уровня среды;
• употребления в качестве фазосдвигающего устройства;
• использования в качестве аккумулятора электроэнергии.

О последнем пункте хочется сказать отдельно и особо. Голубой мечтой энергетиков (и не только энергетиков) является создание суперконденсатора и освоение сверхпроводимости. При всех своих достоинствах электрическая энергия обладает рядом существенных недостатков: её невозможно хранить, а передача больших мощностей на значительные расстояния обходится очень дорого.

Выходом могло бы стать создание конденсаторов огромной ёмкости – быстро заряжающихся (в отличие от химических источников тока) и длительно хранящих большие запасы электроэнергии при сравнительно небольших габаритах. Но пока что суперконденсаторы – всего лишь красивая мечта. Хотя, вполне возможно, что на путях создания молекулярно-структурированных материалов, служащих в качестве электродов и изоляции, возникнут, в конце концов, устройства, обладающие практически неограниченной электрической ёмкостью.

Работа в этом отношении ведётся на протяжении 70 с лишним лет. Перспективные разработки с уникальными данными имеются, они находят применение на практике в качестве установок, сглаживающих колебания электрического напряжения или электроэквивалентов механических инерционных устройств.

Источник