Как построить свой кэпаситимитар

Capacity meter — измеритель ёмкости конденсаторов.

Давно уже канули влету времена, когда было относительно сложно измерить ёмкость конденсатора. Сейчас почти всё микроконтроллеры имеют в своем составе компаратор и счетчик — главные элементы для создания измерителя ёмкости конденсаторов.

Давайте произведём ревизию наших возможностей и хотелок.

Я в основном использую в своей практике конденсаторы от нескольких десятков пикофарад до тысячи микрофарад.

Мелкие конденсаторы — от единиц пикофарад до сотни пикофарад в основном используются для обрамления кварцевых резонаторов. Здесь особая точность не нужна. Одинаково хорошо будут работать с кварцевым резонатором и конденсаторы 12 пФ, и конденсаторы 30 пФ. Поэтому измерять конденсаторы в этом диапазоне нет особой необходимости.

Необходимость измерять ёмкость конденсаторов начинается с диапазона от 100 пФ и более. Эти конденсаторы в основном используются в частотно-задающих цепях, например для импульсных источников питания (MC34063, TL494).

Самые ёмкие конденсаторы — электролитические. В основном они используются в источниках питания. Но поскольку сейчас почти все источники питания импульсные, то как правило ёмкость конденсаторов редко превышает 1000 мкФ.

Таким образом, мне нужен измеритель на диапазон от 100 пФ до 1000 мкФ.

Далее, на что следует обратить внимание — это точность измерения. Конденсаторы обладают в разы худшей стабильностью, чем резисторы. Конденсаторы обладают достаточно большим температурным коэффициентом. В процессе старения они изменяют свою ёмкость. Более того, некоторые типы керамических конденсаторов обладают еще и нелинейностью — иначе говоря их ёмкость зависит от приложенного к ним напряжения. Даже измеряя подряд несколько раз один и тот же конденсатор можно получить разброс значений до 5%.

Таким образом, точность измерения 1-2% можно считать более чем достаточной.

А что такое точность 1-2%? Это сколько разрядов?

Посчитать несложно. 8-разрядный двоичный счетчик имеет максимальное значение 255, вес младшего разряда составляет 1/256, то есть примерно 0,0039 или 0.39%. А это значительно лучше, чем 1-2%. Значит, нам за глаза хватит простого 8-разрядного счетчика.

Следующий момент — принцип измерения. Один из самых простых способов измерения ёмкости основывается на измерении времени заряда конденсатора. Некоторые измерители заряжают конденсатор постоянным током, другие — через точное сопротивление от источника напряжения. Во втором случае, хотя напряжение на конденсаторе и получается нелинейным (обратно-экспоненциальным), но схема получается значительно проще. Её-то мы и возьмём за основу в нашем приборе.

Мне как-то не нравится заниматься подгонкой полученного в счетчике значения под значение ёмкости конденсатора. Я бы предпочел избавиться от всех этих ненужных коэффициентов.

Поэтому, давайте сделает так, чтобы тактовая частота счетчика была равно 10 МГц, а напряжение окончания измерения соответствовало 0.632 от конечного напряжения. Это значение выбрано не случайно — оно соответствует времени 1τ (один тау).

При соблюдении этих условий значение в счетчике будет соответствовать значению емкости конденсатора. Например, значение счетчика, равное 100, будет у конденсатора, ёмкость которого равна 100 нФ.

Что касается для других диапазонов измерения, то для них масштабный коэффициент кратный 10 будет выражаться только в изменении входной частоты счетчика и перемещению десятичной точки на экране LCD-индикатора.

Теперь пара слов о делителе для опорного напряжения. Как я уже говорил, это напряжение является конечным напряжением, и соответствует времени 1τ. Другими словами, нам нужно сделать делитель напряжения с коэффициентом 0.632.

Если особо не упираться и взять два резистора номиналом 36 кОм (верхний) и 62 кОм (нижний), то в результате мы получим делитель с коэффициентом K = 62 / (36 + 62) = 0,633. Разница в третьей цифре, то есть на уровне 0.1%. Просто нужно взять из коробочки резисторы (лучше,конечно однопроцентные!) и подобрать из них пару, чтобы оба имели отклонения в одну сторону — оба вверх или оба вниз. Всё остальное не существенно!

Итак, если входная частота счетчика будет равна 1 МГц, то счетчик будет иметь приращение каждые 1 мкс. Теперь, если взять резистор, через который будем заряжать конденсатор, равный 1 МОм, то один импульс будет соответствовать 1 пФ.

τ = RC

Но ведь мы договорились, что время измерения t так же равно τ. Тогда:

C = τ / R = 1.0E-6 / 1.0E6 = 1.0E-12 = 1.0 пФ

Смотрите как здорово: Допустим, мы насчитали 100 импульсов, а это значит, что конденсатор имеет емкость 100 пФ. Никаких дополнительных пересчётов!

Кстати, общее время измерения составит

T = N * t = 100 * 1 = 100 мкс,

что для практически любого микроконтроллера не является запредельно быстрой работой.

Остается только расширить диапазон измерений. Сделать это можно за счет изменения сопротивления резистора (через который заряжается конденсатор) и за счет входной частоты таймера.

Реклама

2 responses to “Как построить свой кэпаситимитар

  1. Тоже задумываюсь о создании простого LRC метра для домашней лаборатории, но так и не выбрал алгоритм работы.
    У плохих электролитических конденсаторов может быть довольно большой ток утечки. Из-за него, описываемый Вами алгоритм всегда будет завышать ёмкость.

    • Поэтому верхний предел не более 1000 мкф. Для этого предела измерений я планирую сопротивление «зарядного» резистора равным 1 кОм.

      Но вообще лучше придерживаться правила — не делать универсальный измеритель от 1 пФ до 1 Ф. Нужно делать измерители на тех принципах работы, на которых эти конденсаторы и работают. Поясню — если конденсаторы предназначены для работы в колебательных контурах (1 — 100 пФ), так и измерять их ёмкость нужно методом измерения частоты контура. Если конденсатор работает в цепях питания (100 — 10000 мкФ), то и его ёмкость нужно измерять через время заряда-разряда токами 0.1-1 А. Так что прибор, который описан в статье не совсем подойдет для измерения этих конденсаторов, он будет врать. В этом Вы абсолютно правы!

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s