В чем измеряется емкость конденсатора
Перейти к содержимому

В чем измеряется емкость конденсатора

  • автор:

Электрическая емкость. Конденсаторы

Определение: Электроемкостью уединенного проводника называется мера его способности удерживать электрический заряд.

Емкость проводника не зависит ни от заряда, ни от потенциала. Она зависит от геометрии проводника (размеры, форма), от свойств среды (диэлектрическая проницаемость), от расположения заряженных тел.

Емкость не зависит от внутреннего устройства проводника.

2.Единица измерения ёмкости

Определение: 1 Фарад – единица СИ электроёмкости, равная емкости такого уединенного проводника, который при сообщении ему заряда 1 Кулон изменяет свой потенциал на 1 Вольт.

3.Конденсатор

Определение: Конденсатором называется устройство, предназначенное для получения больших величин электроёмкости.

Конденсатор состоит из двух проводников, которые называются обкладками. Обычно они расположены таким образом, что поле сосредоточено между ними. Одна обкладка заряжена положительно, другая – отрицательно. Ёмкостью конденсатора называется величина

где Q – заряд положительной обкладки; Dφ – разность или изменение потенциалов между обкладками.

Пространство между обкладками может быть заполнено диэлектриком, следовательно, напряженность поля в e раз меньше, разность потенциалов в e раз меньше, а ёмкость в e раз больше. Поэтому, ёмкость конденсатора с диэлектриком можно записать, как

C0 – емкость вакуумного конденсатора.

В дальнейшем мы будем говорить только о вакуумных конденсаторах.

4.Ёмкость плоского конденсатора

Плоским конденсатором называется две бесконечно большие разноименные пластины.

5.Сферический конденсатор

Сферический конденсатор – это две разноименно заряженные концентрические сферы.

Если считать внешнюю сферу бесконечно большой, то можно определить ёмкость уединенного шара.

Емкость земного шара

Если радиусы сфер близки друг к другу.

6.Ёмкость цилиндрического конденсатора

Если радиусы цилиндров близки друг другу

Что такое емкость?

Емкость — это способность компонента или цепи накапливать и хранить энергию в виде электрического заряда.

Конденсаторы — это устройства хранения энергии, которые имеют различные размеры и форму. Они состоят из двух пластин из проводящего материала (обычно тонкого металла), между которыми находится изолятор из керамики, пленки, стекла или других материалов, даже воздуха.

Изолятор также называют диэлектриком, который увеличивает зарядную емкость конденсатора. Конденсаторы также используются в автомобильной, морской и авиационной отраслях.

Внутренние пластины подключены к двум внешним клеммам, которые иногда бывают длинными и тонкими и имеют сходство с миниатюрными металлическими антеннами или стержнями. Эти клеммы можно подключают к цепи.

Конденсаторы и батареи накапливают энергию. Однако батареи высвобождают энергию постепенно, а конденсаторы — быстро.

Пример. Конденсатор, подключенный к вспышке цифровой камеры, собирает энергию батареи камеры, а затем разряжается при срабатывании затвора. В зависимости от размера конденсатора, сбор достаточного количества энергии для другой вспышки может занять одну-две секунды.

Конденсатор накапливает энергию (напряжение) по мере прохождения тока через электрическую цепь. Обе пластины удерживают одинаковые заряды; положительная пластина собирает заряд, который равен заряду, протекающему от отрицательной пластины.

Когда цепь выключена, конденсатор сохраняет собранную энергию, хотя обычно происходит небольшая утечка.

Что такое емкость?

Емкость выражается как отношение электрического заряда каждого проводника к разности потенциалов между ними (т. е. напряжения).

Емкость конденсатора измеряется в фарадах (Ф), эта единица получила название в честь английского физика Майкла Фарадея (1791–1867 гг.).

Фарад соответствует большой емкости. В большинстве бытовых электрических устройств установлены конденсаторы, емкость которых измеряется в долях фарада, зачастую в тысячных (микрофарадах, мкФ) или даже триллионных (пикофарадах, пФ).

В то же время суперконденсаторы могут хранить очень большие электрические заряды, соответствующие нескольким тысячам фарадов.

Емкость может быть увеличена в следующих случаях:

  • Уменьшение расстояния между пластинами (проводниками) конденсатора.
  • Пластины большего размера обеспечивают большую площадь поверхности.
  • Диэлектрик является наилучшим изолятором для данной области применения.

В электрических цепях конденсаторы часто используются для блокировки постоянного тока и передачи переменного тока.

Некоторые цифровые мультиметры оснащены функцией измерения емкости, которая позволяет техническим специалистам:

  • находить неизвестные или немаркированные конденсаторы;
  • обнаруживать конденсаторы с обрывом или коротким замыканием;
  • напрямую измерять параметры конденсаторов и просматривать полученные значения.

Ссылка: Digital Multimeter Principles by Glen A. Mazur, American Technical Publishers.

Как проверить емкость пускового конденсатора мультиметром.

Пусковой конденсатор — это элемент электрической цепи, который задействуется на короткий промежуток времени во время запуска системы, чтобы разгрузить ее в момент наивысшей нагрузки. Это позволяет защитить компоненты сети от перегорания. Важно уметь отличать пусковые конденсаторы от обычных, так как у них совершенно разные функции и принципы работы. Для этого нужно знать, как проверить емкость пускового конденсатора мультиметром.

Как работает пусковой конденсатор

Пусковой конденсатор состоит из двух разнозаряжающихся пластин, изолированных слоем диэлектрического материала. За счет этого конденсатор может накапливать и моментально отдавать электрический заряд.

Пусковой конденсатор отличается от обычного своей способностью выдерживать большие нагрузки в течение короткого периода времени. Обычный — напротив, рассчитан на более длительную работу при умеренном напряжении. Емкость пускового конденсатора должна быть больше, чем у рабочего. Чтобы их не перепутать, необходимо знать, как проверить пусковой конденсатор мультиметром. Это позволит правильно подобрать тип конденсатора, чтобы сохранить исправность оборудования, подключенного к электроцепи. Измерение емкости конденсатора также позволит соотнести электрические параметры сети и подключаемых к ней компонентов, чтобы не превысить максимально допустимые показатели работы конденсатора.

Как узнать емкость конденсатора

Некоторые модели конденсаторов предназначены для компактных устройств, и их размеры очень малы. Это является большим преимуществом при обустройстве небольших электросистем, так как даже при минимальных размерах конденсаторы отлично справляются со своими функциями. Но малые габариты не позволяют разместить на корпусе маркировку, и для определения емкости понадобится мультиметр.

  • Наиболее простым способом измерения являются мультиметры с функцией «Cx». Такой прибор достаточно подключить к измеряемой цепи с учетом полярности контактов в режиме «Cx», и на шкале или экране высветится значение емкости конденсатора.
  • Если режим «Cx» отсутствует, потребуется еще и резистор. Тогда емкость можно будет вычислить по формуле 3*t = 3*RC. Значение 3*RC в формуле можно узнать следующим образом: измерить напряжение цепи, замкнув конденсатор, а затем измерить при разомкнутом конденсаторе время, за которое напряжение достигнет показателя, измеренного в первый раз. 95 % от этого промежутка будет являться переменной 3*RC, и далее мы можем вычислить емкость, разделив число на значение сопротивления и на три.

В нашем каталоге конденсаторов номинальную емкость пусковых конденсаторов можно найти в товарных карточках наряду с остальными техническими характеристиками элемента. Для приобретения оборудования и консультаций по выбору свяжитесь с нами по телефону или закажите обратный звонок.

Емкость конденсаторов: определение, формулы, примеры.

Он состоит из двух концентрических проводящих сферических поверхностей с пространством между обкладками, заполненным диэлектриком, как показано на рисунке 2 . Емкость рассчитывается по формуле:

C = 4 π ε ε 0 R 1 R 2 R 2 — R 1 , где R 1 и R 2 являются радиусами обкладок.

Сферический конденсатор

Цилиндрический конденсатор

Емкость цилиндрического конденсатора равняется:

C = 2 πεε 0 l ln R 2 R 1 , где l — высота цилиндров, R 1 и R 2 — радиусы обкладок. Данный вид конденсатора имеет две соосные поверхности проводящих цилиндрических поверхности, как показано на рисунке 3 .

Цилиндрический конденсатор

Важной характеристикой конденсаторов считается пробивное напряжение — напряжение, при котором происходит электрический разряд через слой диэлектрика.

U m a x находится от зависимости от толщины слоя и свойств диэлектрика, конфигурации конденсатора.

Электроемкость плоского конденсатора. Формулы

Кроме отдельных конденсаторов используются их соединения. Наличие параллельного соединения конденсаторов применяют для увеличения его емкости. Тогда поиск результирующей емкости соединения сводится к записи суммы C i , где C i — это емкость конденсатора с номером i :

При последовательном соединении конденсаторов суммарная емкость соединения всегда будет по значению меньше, чем минимальная любого конденсатора, входящего в систему. Для расчета результирующей емкости следует сложить величины, обратные к емкостям отдельных конденсаторов:

Произвести вычисление емкости плоского конденсатора при известной площади обкладок
1 с м 2 с расстоянием между ними 1 м м . Пространство между обкладками находится в вакууме.

Решение

Чтобы рассчитать электроемкость конденсатора, применяется формула:

ε = 1 , ε 0 = 8 , 85 · 10 — 12 Ф м ; S = 1 с м 2 = 10 — 4 м 2 ; d = 1 м м = 10 — 3 м .

Подставим числовые выражения и вычислим:

C = 8 , 85 · 10 — 12 · 10 — 4 10 — 3 = 8 , 85 · 10 — 13 ( Ф ) .

Ответ: C ≈ 0 , 9 п Ф .

Найти напряженность электростатического поля у сферического конденсатора на расстоянии x = 1 с м = 10 — 2 м от поверхности внутренней обкладки при внутреннем радиусе обкладки, равном R 1 = 1 с м = 10 — 2 м , внешнем – R 2 = 3 с м = 3 · 10 — 2 м . Значение напряжения — 10 3 В .

Решение

Производящая заряженная сфера создает напряженность поля. Его значение вычисляется по формуле:

E = 1 4 π ε ε 0 q r 2 , где q обозначают заряд внутренней сферы, r = R 1 + x — расстояние от центра сферы.

Нахождение заряда предполагает применение определения емкости конденсатора С:

Для сферического конденсатора предусмотрена формула вида

C = 4 π ε ε 0 R 1 R 2 R 2 — R 1 с радиусами обкладок R 1 и R 2 .

Производим подстановку выражений для получения искомой напряженности:

E = 1 4 πεε 0 U ( x + R 1 ) 2 4 πεε 0 R 1 R 2 R 2 — R 1 = U ( x + R 1 ) 2 R 1 R 2 R 2 — R 1 .

Данные представлены в системе С И , поэтому достаточно заменить буквы числовыми выражениями:

E = 10 3 ( 1 + 1 ) 2 · 10 — 4 · 10 — 2 · 3 · 10 — 2 3 · 10 — 2 — 10 — 2 = 3 · 10 — 1 8 · 10 — 6 = 3 , 45 · 10 4 В м .

Ответ: E = 3 , 45 · 10 4 В м .

Конденсаторы — параметры и маркировка, перевод величин емкости

Конденсатором обычно называют устройство, которое обладает способностью накапливать электрический заряд. Конструктивно конденсатор представляет собой два проводника, разделенных диэлектриком.

Единицей электрической емкости конденсатора в системе СИ является Фарада. Сокращенно обозначается буквой Ф. Названа в честь английского физика Майкла Фарадея.

В радиоэлектронике используется емкость конденсатора, выраженная через дробные единицы фарад: пикофарад, нанофарад, микрофарад.

  • 1мкФ=10 -6 Ф;
  • 1 нФ = 10 -9 Ф;
  • 1 пФ = 10 -12 Ф;
  • 1 мкФ = 10 3 нФ = 10 6 пФ.

В старой радиотехнической литературе использовалась единица емкости — сантиметр: 1 см = 1,11 * 10 -12 Ф = 1,11 * 10 -6 мкФ = 1,11 пФ.

Конденсаторы, как и резисторы бывают постоянные и переменные (КПЕ — конденсатор переменной емкости). Переменные конденсаторы бывают в виде нескольких блоков и подстроечные.

В зависимости от материала диэлектриков современные конденсаторы делятся на следующие типы:

  • бумажные;
  • вакуумные;
  • воздушные;
  • керамические;
  • лакопленочные;
  • металлобумажные;
  • оксидные;
  • пленочные;
  • слюдяные;
  • электролитические.

Основные параметры

Основными параметрами конденсаторов являются:

  • номинальная емкость (Сном), которая обычно указывается на корпусе конденсатора,
  • температурный коэффициент емкости (ТКЕ)
  • номинальное напряжение (Uном).

Номинальное напряжение — это максимальное допустимое постоянное напряжение, при котором конденсатор способен работать длительное время, сохраняя параметры неизменными при всех установленных для него температурах. На конденсаторах, в основном, указано номинальное рабочее напряжение при постоянном токе.

При работе конденсатора в схемах переменного тока его номинальное напряжение, указанное на корпусе, должно в 1,5. 2 раза превышать предельно допустимое действующее переменное напряжение цепи.

На корпусе конденсатора обычно указывают его тип, напряжение, номинальную емкость, допустимое отклонение емкости, ТКЕ и дату изготовления.

Маркировка конденсаторов

Маркируют конденсаторы как и резисторы буквенно-цифровым кодом, который обозначает номинальную емкость, единицу измерения, допустимое отклонение емкости и ТКЕ.

Например, маркировка на конденсаторе 62 pJL расшифровывается так: номинальная емкость 62 пФ с допустимым отклонением ±5%, ТКЕ группы М75 (75 * 10 -6 /1 градус С). Буквенные коды единиц измерения номинальных емкостей приведены в табл. 1.

Таблица 1. Обозначение номинальной величины емкости на корпусах конденсаторов.

Пикофарады
0. 999 пФ

Цветовой код маркировки конденсаторов

Конденсаторы как и резисторы маркируют с помощью цветового кода (рис. 2). Цветовой код состоит из колец или точек. Каждому цвету соответствует определенное цифровое значение.

Знаки маркировки на конденсаторе сдвинуты к одному из выводов и располагаются слева направо. Номинальная емкость (в пикофарадах) представляет число, состоящее из цифр, соответствующих одной, двум и трем или одной и двум (для конденсаторов с допуском ±20%) полосам, умноженное на множитель, который определен по цвету полосы.

Последняя полоса маркировки в два раза шире других и соответствует ТКЕ. Конденсаторы с допуском ±0,1. 10% имеют шесть цветовых полос. Первая, вторая и третья полосы — величина емкости в пикофарадах, четыре — множитель, пять — допуск, шесть (последняя) — ТКЕ.

Конденсаторы с допуском ±20% имеют пять цветовых полос, на них нет цветового кода допуска. Иногда этот тип конденсаторов маркируют четырьмя цветовыми кольцами. При такой маркировке первая и вторая полосы отводятся для обозначения величины, третья полоса — для множителя, четвертая — для ТКЕ.

Цветовой код танталовых конденсаторов приведен на рис. 3. Следует обратить внимание на то, что у этих конденсаторов положительный вывод в два раза толще другого, и отсчет колец начинается от головки конденсатора. На рис. 4 приведена цветовая маркировка зарубежных конденсаторов широкого использования.

Цвет
маркировки
Номинальная
емкость
Множитель Допуск, % ТКЕ
Первая
полоса
Вторая
полоса
Третья
полоса
Четвертая
полоса
Пятая
полоса
Шестая
полоса
Серебристый 10^-2 ±10
Золотистый 10^-1 ±5
Черный 0 0 0 1 ±252
Коричневый 1 1 1 10 ±1 ±100
Красный 2 2 2 10^2 ±2 ±50
Оранжевый 3 3 3 10^3 ±15
Желтый 4 4 4 10^4 ±25
Зеленый 5 5 5 10^5 ±0,5 ±20
Синий 6 6 6 10^6 ±0,25 ±10
Фиолетовый 7 7 7 10^7 ±0,1 ±5
Серый 8 8 8 10^8 ±1
Белый 9 9 9 10^9
Нет цвета ±20

 Цветовой код отечественных конденсаторов широкого применения

Рис. 2. Цветовой код отечественных конденсаторов широкого применения.

Цвет
маркировки
Номинальная емкость Допуск, %
Первый
элемент
Второй
элемент
Третий
элемент
(множитель)
Четвертый
элемент
Серебристый 10 -2 ±10
Золотистый 10 -1 ±5
Черный 0 1
Коричневый 1 1 10 ±1
Красный 2 2 10 2 ±2
Оранжевый 3 3 10 3
Желтый 4 4 10 4
Зеленый 5 5 10 5 ±0,5
Синий 6 6 10 6 ±0,25
Фиолетовый 7 7 10 7 ±0,1
Серый 8 8 10 8 ±0,05
Белый 9 9 10 9

Цветовой код для маркировки танталовых конденсаторов

Рис. 3. Цветовой код для маркировки танталовых конденсаторов.

Цвет маркировки 1 и 2
цифры
Множитель Допуск, % класс ТКС
Черный 0 1 20 0
Коричневый 1 10 1 1 -33
Красный 2 10 2 2 -75
Оранжевый 3 10 3 2 -150
Желтый 4 10 4 -220
Зеленый 5 3 -330
Синий 6 -470
Фиолетовый 7 -750
Серый 8 0,5
Белый 9 4
Золотистый 5 +100
Серебряный 10

Цветовая маркировка зарубежных конденсаторов широкого использования

Рис. 4. Цветовая маркировка зарубежных конденсаторов широкого использования.

Литература: В.М. Пестриков. Энциклопедия радиолюбителя.

Емкость конденсаторов

Справочник

Мы все знаем об электрическом токе, проводимости и сопротивлении. Но емкость является еще одной важной частью понимания концепции электричества. Возможно, вы слышали, что ничто не может хранить электричество. Однако это не так — конденсаторы способны накапливать электрический заряд. Давайте подробнее рассмотрим концепцию конденсаторов и емкости. Начнем с конденсатора.

Конденсатор образован двумя обращенными друг к другу проводниками, между которыми вставлен диэлектрик, то есть изолирующий материал. Эти два проводника называются обкладками конденсатора.

Главной характеристикой конденсаторов является величина емкости.

Емкость конденсатора — формула

Определение

Емкость конденсатора — это ничто иное, как умение конденсатора накапливать энергию в виде электрического заряда. Другими словами, емкость — это запоминающая способность конденсатора. Измеряется емкость в фарадах.

Емкость может быть рассчитана, когда известны заряд Q и напряжение V конденсатора:

Формула емкости конденсатора

Емкость используется для описания того, сколько заряда может удерживать любой проводник. Он представляет собой отношение заряда к приложенному потенциалу.

Любой объект, который может быть электрически заряжен, показывает емкость. Конденсатор с двумя параллельными пластинами — это обычная форма накопителя энергии. Емкость отображается параллельным расположением пластин и определяется с точки зрения накопления заряда. Когда конденсатор заряжен полностью, между его пластинами имеется разность потенциалов, и чем больше площадь пластин и чем меньше расстояние между ними, тем больше будет заряд конденсатора и тем больше будет его Емкость.

Если конденсаторы соединены последовательно, формула емкости выражается следующим образом:

Формула емкости конденсатора при последовательном соединении

Если конденсаторы подключены параллельно, формула емкости выражается следующим образом:

Формула емкости конденсатора при параллельном соединении

Где C1, C2, C3 ……. Cn — конденсаторы, а емкость выражается в фарадах.

Определите емкость конденсатора, если течет 5 кулонов заряда и приложен потенциал 2 В.

Заряд Q составляет 5 C,

Приложенное напряжение V равно 2 В.

Формула емкости определяется как

Определите емкость, если подключены конденсаторы 6 Ф и 5 Ф.

Формула последовательной емкости определяется как

Cs = 1 / C1 + 1 / C2

Емкость в параллельной формуле определяется как

Различают три вида конденсаторов:

  1. Конденсатор плоский;
  2. Конденсатор цилиндрический
  3. Конденсатор сферический.

Конденсатор плоский

Данный конденсатор образован двумя металлическими пластинами, которые мы называем A и B, расположенными на расстоянии d.

Конденсатор плоский

Две проводящие пластины A и B являются пластинами конденсатора, d — их расстояние, более того, поскольку две пластины параллельны, их поверхности равны.

Плоский конденсатор формула 1

Мы знаем, что внутри двух поверхностей электрическое поле однородно, а снаружи равно нулю

Плоский конденсатор формула 2

Рассчитываем разность потенциалов между двумя пластинами

Формула разности потенциалов между двумя пластинами

Как только разность потенциалов известна, мы можем рассчитать емкость плоского конденсатора.

Формула емкости плоского конденсатора

Заменим найденную ранее разность потенциалов

Расчет разности потенциалов

Конденсатор цилиндрический

Конденсатор используется для хранения большого количества электрического тока в небольшом пространстве. Цилиндрический конденсатор включает полый или сплошной цилиндрический проводник, окруженный концентрическим полым сферическим цилиндром. Конденсаторы широко используются в электродвигателях, мельницах, электрических соковыжималках и других электрических инструментах. Разность потенциалов между конденсаторами различна. Существует множество электрических цепей, в которых конденсаторы должны быть сгруппированы соответствующим образом, чтобы получить желаемую емкость. Есть два общих режима, включая конденсаторы, включенные последовательно, и конденсаторы, подключенные параллельно. Единица измерения емкости — Фарад (Ф).

Конденсатор цилиндрический

Его часто используют для хранения электрического заряда. Цилиндрический конденсатор — это тип конденсатора, который имеет форму цилиндра, имеющую внутренний радиус как a и внешний радиус как b.

Формула для цилиндрического конденсатора:

Формула емкости для цилиндрического конденсатора

C = емкость цилиндра
L = длина цилиндра
a = внутренний радиус цилиндра,
b = внешний радиус
εₒ= диэлектрическая проницаемость свободного пространства (8.85×10ˉ¹²)

Цилиндрический конденсатор длиной 8 см состоит из двух колец с внутренним радиусом 3 см и внешним радиусом 6 см. Найдите емкость конденсатора.

внутренний радиус a = 3 см

внешний радиус b = 6 см

Формула для конденсатора цилиндрического:

Формула емкости для цилиндрического конденсатора

Конденсатор сферический

Данный конденсатор состоит из сплошного или полого сферического проводника, окруженного другой полой концентрической сферической формой другого радиуса.

Конденсатор сферический

Формула для определения емкости сферического конденсатора

Формула емкости сферического конденсатора

r 1 = внутренний радиус

r 2 = внешний радиус

ε 0 = диэлектрический потенциал (8,85 x 10-12 Ф / м)

Значение емкости двух разных конденсаторов может быть одинаковым, а номинальное напряжение двух конденсаторов может быть разным. Возьмем два конденсатора — один с малым номинальным напряжением, а другой с высоким. Если мы заменим конденсатор с меньшим номинальным напряжением на конденсатор с более высоким номинальным напряжением, то получится конденсатор меньшего размера. Это может произойти из-за неожиданного повышения напряжения.

Нет времени решать самому?

В чем измеряется ёмкость конденсатора: определение и формулы

В чем измеряется емкость конденсатора

Конденсатор — это электротехнический элемент, позволяющий накапливать заряд. Самая простая его форма представляет две пластины, разделенные слоем диэлектрика. Если на пластины подать напряжение, то оно сохранится какое-то время после его снятия. Важно знать, в чем измеряется емкость конденсатора, для правильного построения схем с этими элементами.

Применение в технике

Как найти емкость конденсатора

Конденсаторы применяются в различной электро- и радиоаппаратуре. Эти элементы способны накапливать заряд и поддерживать напряжение (например, сетевое) на должном уровне во время незначительных перебоев с питанием. Конденсаторы большой емкости сами используются как питающие элементы для малогабаритной мобильной аппаратуры. Они еще называются ионисторы. Их недостатком является необходимость частого подзаряда.

Большое значение имеют эти элементы и в фильтрующих устройствах, приборах, задача которых не пропустить помехи в полезный сигнал, или уловить нужный сигнал в постоянном напряжении повышенного уровня.

Без конденсаторов не обходится ни один генератор переменного сигнала. Их назначение — задать частоту генерации, период и другие временные параметры. Здесь используются очень точные элементы, с допуском по номиналу не более 1%.

Конденсаторы бывают как постоянной, так и переменной емкости. Элементы переменной емкости используются в аппаратуре, требующей настройки на разные частоты. Например, это широко используется в настройке радиочастот в FM -приемниках.

Формулы для расчета конденсаторов

Для решения задач техники и прикладных теоретических расчетов нужно знать законы, по которым электрические величины взаимодействуют друг с другом. Эти законы выражаются формулами. Например, напряжение на конденсаторе зависит от его емкости и заряда, накопленного им.

Формула конденсатора

Определение емкости

Это значение зависит от нескольких параметров. Чтобы его рассчитать, нужно знать, в чем измеряется емкость конденсатора. Эта величина эквивалентна тому, сколько кулон заряда накапливается элементом при напряжении в 1 вольт, приложенном к нему. Измеряется она в фарадах. Емкость этих элементов зависит также и от их формы.

Что такое конденсатор

  • Плоские конденсаторы — самая простая разновидность накопителей заряда. Как найти емкость конденсатора, имеющего плоскую форму, можно узнать, если определить все параметры, влияющие на это. На его емкость влияет расстояние между его обкладками (токопроводящие пластины) d, площадь самих обкладок S, диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками ε и электрическая постоянная ε0, которая равна 8,85 ⋅ 10 -12 фарад на метр. Формула конденсатора такова:

С = ε ⋅ ε0 ⋅ S/d

  • Цилиндрический конденсатор также состоит из двух заряженных обкладок, обе они имеют форму цилиндров, расположенных один внутри другого. Внутренний цилиндр цельный, внешний — полый. Расстояние между обкладками равно разности радиусов этих цилиндров. Формулу емкости конденсатора можно представить такой же, как в предыдущем случае, с той разницей, что площадь обкладок рассчитывается исходя из их высоты и радиуса:

Емкость конденсатора

С = 2 ⋅ π ⋅ ε ⋅ ε0 ⋅ h ⋅ R вн /(R нар — R вн) = ε ⋅ ε0 ⋅ S / d

где h — высота обкладки,

Rвн — внутренний радиус, R нар — наружный радиус,

  • Зарядом может обладать не только тело с двумя обкладками, но и проводящий шарообразный объект. Если подать на него напряжение, а потом измерить потенциал между ним и землей, то потенциал будет ненулевым. Формула для расчета шарообразного накопителя заряда:

С = 4 ⋅ π ⋅ ε ⋅ ε0 ⋅ R

где R — радиус шара.

Формула емкости конденсатора

Если в формулу подставить радиус Земли и диэлектрическую проницаемость воздуха, можно получить значение емкости Земли в фарадах. После расчетов:

С (Земли) = 700 микрофарад

Такую емкость могут иметь современные электролитические конденсаторы.

Если разместить один шар внутри другого и подать между ними напряжение, то полученная конструкция тоже будет накапливать заряд между поверхностями шаров. Определение емкости такой конструкции можно провести по формуле:

С = ε ⋅ ε0 ⋅4⋅π ⋅ R1 ⋅ R2 / (R2 — R1)

где R2 и R1 — радиусы соответствующих шарообразных поверхностей.

Емкость конденсатора зависит также и от типа используемого диэлектрика. Наиболее распространены керамические, электролитические, бумажные, воздушные и слюдяные наполнители.

Вычисление энергии

Накопители заряда обладают и другими параметрами. Один из них — это энергия. При зарядке конденсатора на его обкладках накапливается потенциальная энергия.

Она создаёт силу, притягивающую разноименно заряженные пластины, а также ток, который питает электроприборы, если использовать ионистор как источник питания. Энергию можно выразить как зависимость от напряжения обкладок и емкости:

W = C ⋅ U 2 /2

Ток утечки через диэлектрик

В чем измеряется ёмкость конденсатора: определение и формулы

Ток утечки появляется в элементе, если есть пути протекания электрического тока с одной обкладки на другую. Чем менее изолирующими свойствами обладает диэлектрик, тем больше будет ток утечки. Особенно это применимо к конденсаторам с диэлектриком в виде промасленной бумаги. Этот параметр зависит и от конструкции элемента, и от загрязненности его корпуса. Если элемент негерметичен, ток утечки может увеличиваться при проникании влаги внутрь корпуса. Этот ток можно рассчитать по закону Ома:

I ут = U/R d

где I ут — ток утечки,

U — напряжение на обкладках,

R d — сопротивление изоляции диэлектрика.

Соединение элементов

При создании схем применяется различное соединение элементов. Элементы схемы могут быть соединены:

  • Параллельно;
  • Последовательно;
  • Параллельно — последовательно (смешанно).

Как найти ёмкость параллельно соединенных элементов? Нужно понять, что является общим при таком типе соединения. Так как напряжение прикладывается одновременно ко всем обкладкам, то оно является общим. Заряд же будет для каждого своим. По формуле:

q = C ⋅ U, здесь q — суммарный заряд, то есть

q = ΣC i ⋅ U = U ⋅ ΣC i

С общее будет равняться сумме всех С.

При последовательном соединении элементов общим для всех них будет заряд. В то же время напряжение будет для каждого из них разным, и общее будет складываться из всех по отдельности.

U = q / C, здесь U — сумма напряжений на всех элементах

U общее = q ⋅ Σ (1/ C i)

1/С общее = 1/С 1 +1/С 2 +… +1/C i

При таком соединении значение общей емкости будет меньше самого маленького значения этой величины в группе.

В случае использования смешанного соединения необходимо вычислить отдельно общую емкость для параллельного и отдельно для последовательного соединения. После этого по формуле последовательного соединения найти общее для двух получившихся величин значение.

Как просто определить емкость конденсатора подручными средствами

Иногда, когда на конденсаторе отсутствует маркировка или нет доверия к указанным на его корпусе параметрам, требуется как-то узнать реальную емкость. Но как это сделать, не имея специального оборудования?

Конденсатор с неизвестной емкостью

Безусловно, если под рукой есть мультиметр с возможностью измерения емкости или C-метр с подходящим диапазоном измерения емкостей, то проблема перестает быть таковой. Но что же делать, если в наличии только простой бытовой мультиметр и какой-нибудь блок питания, а измерить емкость конденсатора необходимо здесь и сейчас? На помощь в этом случае придут известные законы физики, которые позволят с достаточной степенью точности измерить емкость.

Рассмотрим сначала простой способ измерения емкости электролитического конденсатора подручными средствами. Как известно, при заряде конденсатора от источника постоянного напряжения через резистор, имеет место закономерность, по которой напряжение на конденсаторе станет экспоненциально приближаться к напряжению источника, и в пределе когда-нибудь, наконец, его достигнет.

Но чтобы долго не ждать, можно задачу себе упростить. Известно, что за время, равное 3*RC, напряжение на конденсаторе в процессе зарядки достигнет 95% напряжения, приложенного к RC-цепочке. Значит, зная напряжение блока питания, номинал резистора, и вооружившись секундомером, можно легко измерить постоянную времени, а точнее — троекратную постоянную времени для большей точности, и вычислить затем емкость конденсатора по известной формуле.

Схема для определения емкости конденсатора

Для примера рассмотрим далее эксперимент. Допустим, есть у нас электролитический конденсатор, на котором присутствует какая-то маркировка, но мы ей не особо доверяем, так как конденсатор давно валялся в закромах, и мало ли высох, в общем нужно измерить его емкость. Например, на конденсаторе написано 6800мкф 50в, но нужно узнать точно.

Шаг №1. Берем резистор номиналом 10кОм, измеряем его сопротивление мультиметром, поскольку своему мультиметру в этом эксперименте мы будем изначально доверять. Например, получилось сопротивление 9840 Ом.

Шаг №2. Включаем блок питания. Поскольку мультиметру мы доверяем больше, чем калибровке шкалы (если таковая имеется) блока питания, переводим мультиметр в режим измерения постоянного напряжения, и подключаем его к выводам блока питания. Выставляем напряжение блока питания на 12 вольт, чтобы мультиметр точно показал 12,00 В. Если напряжение блока питания не регулируется, то просто замеряем его и записываем.

Шаг №3. Собираем RC-цепочку из резистора и конденсатора, емкость которого нужно измерить. Конденсатор закорачиваем на время так, чтобы его легко можно было раскоротить.

Шаг №4. Подключаем RC-цепочку к блоку питания. Конденсатор все еще закорочен. Измеряем мультиметром еще раз напряжение, подаваемое на RC-цепочку, и фиксируем это значение для верности на бумаге. К примеру, оно так и осталось 12,00 В, или таким же, каким было в начале.

Шаг №5. Вычисляем 95% от этого напряжения, например если 12 вольт, то 95% — это 11,4 вольта. Теперь мы знаем, что за время, равное 3*RC, конденсатор зарядится до 11,4 В.

Шаг №6. Берем в руки секундомер, и раскорачиваем конденсатор, начинаем одновременно отсчет времени. Фиксируем время, за которое напряжение на конденсаторе достигло 11,4 В, это и будет 3*RC.

Шаг №7. Производим вычисления. Получившееся время в секундах делим на сопротивление резистора в омах, и на 3. Получаем значение емкости конденсатора в фарадах.

Например: время получилось 220 секунд (3 минуты и 40 секунд). Делим 220 на 3 и на 9840, получаем емкость в фарадах. В нашем примере получилось 0,007452 Ф, то есть 7452 мкф, а на конденсаторе написано 6800 мкф. Таким образом, в допустимые 20% отклонение емкости уложилось, поскольку составило примерно 9,6%.

Но как быть с неполярными конденсаторами малых емкостей? Если конденсатор керамический или полипропиленовый, то здесь поможет переменный ток и знание о емкостном сопротивлении.

К примеру, есть конденсатор, емкость его предположительно несколько нанофарад, и известно, что в цепи переменного тока работать он может. Для выполнения измерений потребуется сетевой трансформатор со вторичной обмоткой, скажем, на 12 вольт, мультиметр, и все тот же резистор на 10 кОм.

Шаг №1. Собираем RC-цепь, и подключаем ее ко вторичной обмотке трансформатора. Затем включаем трансформатор в сеть.

Шаг №2. Измеряем мультиметром переменное напряжение на конденсаторе, затем — на резисторе.

Шаг №3. Производим вычисления. Сначала вычисляем ток через резистор, — делим напряжение на нем на значение его сопротивление. Поскольку цепь последовательная, то переменный ток через конденсатор точно такой же величины. Делим напряжение на конденсаторе на ток через резистор (ток через конденсатор такой же), получаем значение емкостного сопротивления Хс. Зная емкостное сопротивление и частоту тока (50 Гц), вычисляем емкость нашего конденсатора.

Например: на резисторе 7 вольт, а на конденсаторе 5 вольт. Мы посчитали, что ток через резистор в этом случае 700 мкА, следовательно и через конденсатор — такой же. Значит емкостное сопротивление конденсатора на частоте 50 Гц составляет 5/0,0007 = 7142,8 Ом. Емкостное сопротивление Xc = 1/6,28fC, следовательно C = 445 нф, то есть номинал 470 нф.

Описанные здесь способы являются весьма грубыми, поэтому применять их можно только тогда, когда других вариантов просто нет. В иных случаях лучше пользоваться специальными измерительными приборами.

  • Выбор типа ламп для бытового освещения — что лучше для здоровья?
  • Как сделать надежный удлинитель (переноску)
  • Паяльный жир и его использование

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Делимся опытом

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика

Поделитесь этой статьей с друзьями:

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ. КОНДЕНСАТОРЫ.

Емкость определяется геометрическими размерами проводника, его формой и электрическими свойствами окружающей среды. Она не зависит от материала, от агрегатного состояния, от полостей внутри проводника (так как все избыточные заряды снаружи). Наличие вблизи проводника других тел изменяет его емкость, так как потенциал проводника зависит от расположения всех зарядов в пространстве.

2. Единица электроемкости.

Единицей электроемкости является 1 Фарад (Ф).

def: 1 Фарад — единица SI электроемкости, равная емкости такого проводника, который, получая заряд 1 Кулон, изменяет свой потенциал на 1 Вольт. (15.2)

3. Koнденсатор [1] .

def: Конденсатором называется устройство, предназначенное для получения нужных величин электроемкости.

Как правило, конденсатор состоит из двух проводящих тел (обкладок), разделенных диэлектриком. Причем его устройство обычно таково, что электрическое поле почти полностью сосредоточено между обкладками. Собственные емкости обкладок малы по сравнению с емкостью конденсатора, которая по определению равна

где Q— положительный заряд одной из обкладок (на другой обкладке заряд отрицательный), а Dj — разность (или изменение) потенциалов между обкладками.

Если между обкладками не вакуум, а диэлектрик с проницаемостью e , то понятно, что напряженность поля в e раз меньше, разность потенциалов во столько же раз меньше, а емкость, соответственно, больше.

где С0 -емкость вакуумного конденсатора.

4. Плоский конденсатор.

Он представляет собой две бесконечные параллельные пластины площадью S, находящиеся на расстоянии d друг от друга (рис.15.1). Разность потенциалов в этом случае была определена ранее (7.14). Заряд на пластине Q= s S. Тогда емкость

rem: Строго говоря, если пластины бесконечны, то и площадь их бесконечна. Имеется в виду конденсатор, расстояние между пластинами которого намного меньше характерного размера пластин.

5. Сферический конденсатор.

Он представляет собой две проводящие концентрические сферы с радиусами R12. На внутренней сфере заряд +Q, на внешней -Q (рис.15.2). Потенциал на обоих сферах создается как внутренней, так и внешней сферами. Тогда в соответствии с (7.17) потенциал внутренней сферы

Если внешнюю сферу удалить на бесконечность (R2 ®¥ ), то емкость уединенной сферы

Отсюда понятно, почему электрическая постоянная измеряется в Фарадах/метр.

Для примера рассчитаем емкость земного шара, приняв его за проводящий шар радиусом Rз=6370 км. Тогда в соответствии с (15.10) емкость Земли Сз=700 мкФ. Очень скромная величина для современных конденсаторов.

Это и понятно. В этом случае сферический конденсатор вырождается в набор плоских.

6. Цилиндрический конденсатор.

Он представляет две проводящие концентрические очень длинные цилиндрические поверхности с радиусами R12. (рис.15.3) На внутреннем цилиндре заряд +Q, на внешнем -Q. Вспомните, что внутри проводящей цилиндрической поверхности поля нет, поэтому разность потенциалов создается только внутренним цилиндром. Она нам известна (7.22). Заряд цилиндра Q= t l. Тогда

и емкость конденсатора

Цилиндрический конденсатор вырождается в набор плоских.

7. Потенциал тонких проводников.

Рассмотрим два бесконечно тонких бесконечно длинных проводника разноименно заряженных с линейной плотностью t , находящихся на расстоянии друг от друга (рис.15.4). Проводники перпендикулярны плоскости рисунка. Потенциал в произвольной точке в соответствии с (7.22) вычисляется как

тогда эквипотенциальные линии описываются уравнением

Заметим, что для такого же по модулю, но противоположного по знаку потенциала получается обратная величина. В декартовых координатах

Мы это уже получали в лк. №7 п.11. Разрешая (15.17), получаем уравнение

С осью ОХ (y=0) эта кривая пересекается в точках

и находится между ними. Легко показать, что уравнение (15.18) описывает окружность с центром в точке

Таким образом, все эквипотенциальные поверхности такой системы — это цилиндры. Сечения двух таких цилиндров одинакового по модулю, но разного по знаку потенциала показаны на рис.15.5 для m=3 (справа) и m=1/3 (слева). Расстояние между центрами цилиндров равно d=|2x0|.

8. Двухпроводная линия.

А теперь решим обратную задачу. Заданы радиусы очень длинных параллельных проводов R, и расстояние между их центрами d, причем d>2R (рис.15.6). Из (15.20) и (15.21) легко находится

и согласно (15.16) потенциал

Следовательно, разность потенциалов равна

а емкость проводов длиной l

Если провода очень тонкие по сравнению с расстоянием между ними d>>R, то m=d/R, и

9. Телеграфная линия.

Один провод над землей (рис.15.7). Используем метод зеркальных изображений и формулу (15.26). Ясно, что d=2h, а разность потенциалов между проводом и землей в два раза меньше, чем в предыдущей задаче о двух проводах, следовательно, емкость в два раза больше.

Если высота 5 м, радиус провода 0,5 см, то на 1 м длины провода приходится емкость 7,3 пФ.

10. Последовательное и параллельное соединения конденсаторов.

Соединяя различным образом конденсаторы, можно получить большую емкость или способность выдерживать высокие напряжения. Расчет емкости при соединениях давно и хорошо известен, поэтому ограничимся формулами и схемами.

соединение параллельное последовательное
схема соединения
разность потенциалов (напряжение) U — одинаково U=1+U2+U3= S Ui
заряд Q=1+Q2+Q3= S Qi Q — одинаков
емкость

11. Лейденская банка.

В середине XVII в. в Голландии, в Лейденском университете, ученые под руководством Мушенброка нашли способ накопления электрических зарядов. Таким накопителем электричества была лейденская банка (по названию университета) — стеклянный сосуд, стенки которого снаружи и изнутри оклеены свинцовой фольгой (разрез и общий вид на рис.15.10). Фотография одной из первых лейденских банок на рисунке 15.10а

Лейденская банка, подключенная обкладками к электрической машине, могла накапливать и долго сохранять значительное количество электричества. Если ее обкладки соединяли отрезком толстой проволоки, то в месте замыкания проскакивала сильная искра, и накопленный электрический заряд мгновенно исчезал. Если же обкладки заряженного прибора соединяли тонкой проволокой, она быстро нагревалась, вспыхивала и плавилась, т.е. перегорала, как мы часто говорим сейчас. Вывод мог быть один: по проволоке течет электрический ток, источником которого является электрически заряженная лейденская банка. Это прообраз конденсатора, рассчитанного на очень высокое напряжение. Емкость незначительна, поэтому их часто соединяют в батареи (рис.15.11).

Опишем поучительный опыт с лейденской банкой. Наружная обкладка — металлическая трубка. В нее вставляется диэлектрическая трубка из кварца, а в последнюю — металлический стержень. Заземлив наружную обкладку, банку заряжают от электростатической машины, затем отсоединяют от нее и разбирают. Внутренний стержень вытягивается за изолирующую ручку, вынимается кварцевая трубка, и обе металлические обкладки приводят в соприкосновение друг с другом. Теперь на обкладках зарядов нет. Если банку собрать снова, то она опять окажется заряженной. Это доказывает, что кварцевая трубка поляризована даже тогда, когда она не окружена заряженными обкладками.

12. Конденсатор конечных размеров.

Для реального конденсатора поле не полностью сосредоточено между обкладками (рис.15.12). На краях пластины наблюдается дополнительная концентрация заряда, что приводит к увеличению емкости. Если пластины представляют собой окружности (рис.15.1) радиуса R, то емкость вычисляется по формуле Кирхгофа, полученной при R>>d.(см. Ландау, т.8 стр 38).

Данную зависимость можно переписать как

и представить эту формулу в виде

R/d f(R/d)
1 1,929
5 1,286
10 1,167
20 1,094
50 1,042
100 1,023

Затем эту функцию f(R/d) можно легко протабулировать. Ее значения представлены в таблице. Видно, что отличие в емкости менее 10% наблюдается уже при соотношении R/d>10 (данные из БКФ).

13. Общее решение задачи для цилиндрической геометрии.

Задача о двух бесконечно тонких разноименно заряженных нитях (п.7) может быть решена и в более общем случае. Разность потенциалов может быть представлена как

a x0 и R координата и радиус соответствующего цилиндра.

Обратите внимание, что в зависимости от знака будет получаться либо величина m, либо 1/m, что соответствует цилиндрам слева и справа от начала системы координат. На рис.15.13а показаны цилиндры для m1=3 (слева) m2=1/4 (справа), а на рис.15.13.б — для m1=3 (внешний) и m2=4 (внутренний). Первый случай соответствует двухпроводной линии, а второй — несимметричному цилиндрическому конденсатору.

Расстояние между центром цилиндра и тонкой нитью (правой или левой) равно

Тогда отношение этого расстояния к радиусу

Заметим еще раз, что не важно, какую именно формулу брать, так как эти величины стоят под знаком модуля логарифма, а |ln(x)|=|ln(1/x)|. Это вам подтвердит любой математик.

Величину а можно выразить как

Тогда выражение для емкости (15.38) принимает вид

Для нахождения b1 и b2 у нас есть 2 уравнения. Из (15.44) следует, что

И из геометрии задачи (рис.15.13) для

несимметричного конденсатора |b1-b2|=d, (15.47)

где d — расстояние между центрами цилиндров.

Таким образом, зная R1, R2, и d — определяем b1 и b2 из (15.46) с учетом (15.47). Расчет несложный (квадратное уравнение), но громоздкий. Конечные формулы можно посмотреть у Сивухина §26 стр.108. После этого рассчитываем емкость по (15.45).

Можно убедиться, что емкость несимметричного конденсатора больше, чем емкость симметричного. Чтобы это понять, попробуйте рассмотреть два плоских одинаковых конденсатора, соединенных параллельно, а затем у одного из них увеличьте расстояние между пластинами, а у другого уменьшите на ту же величину.

Точное измерение емкости конденсатора

Сейчас практически каждый универсальный мультиметр имеет возможность измерения емкости конденсаторов. Это особенно полезно, когда имеем дело с конденсаторами, маркировка которых нечитаема или отсутствует. В этом случае достаточно измерения с точностью до нескольких процентов, потому что во-первых, сами конденсаторы не так точны, а во-вторых, для устройств этого хватает. Но иногда необходимо знать точное значение емкости конденсатора. Ведь прецизионные конденсаторы труднодоступны и довольно дороги. Поэтому просто берем упаковку одинаковых и подбираем подходящий. Так как точно измеряется емкость конденсатора? Есть несколько способов сделать это.

Метод 1: мост Вина

Это один из первых методов точного 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 еще и индуктивность. Все аналоговые мосты RLC основаны на принципе этой схемы.

Вход Uwe подключен к генератору синусоидальной волны с фиксированной или регулируемой частотой. К Uwy подключен вольтметр. Rx и Cx – искомые 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 будет сбалансирован и вольтметр не покажет ноль. Тогда удовлетворяются две зависимости:

Точность измерения зависит от стабильности генератора питающего мост, и знания номинала резисторов и емкости C2. Используя известные значения Rx и Cx, его можно откалибровать.

Метод 2: измерение частоты LC-генератора

В схеме использован простой LC-генератор с компаратором. В резонансном контуре работают известная емкость и известная индуктивность. Дополнительная, подключаемая 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 нескольких вариантах, часто с использованием встроенных в микроконтроллер компараторов. Точность расчетов в исходной версии – 0,1%. Точность калибровки зависит от точности калибровочного конденсатора.

Метод 3: измерение ёмкости с помощью CTMU

CTMU или блок измерения времени зарядки – это модуль имеющийся во многих микроконтроллерах PIC, предназначенный в основном для управления клавиатурами и сенсорными интерфейсами. Модуль также позволяет точно измерять емкость, измеряя напряжение на тестируемом конденсаторе, питаемом от источника тока в течение определенного периода времени. В основе работы системы лежит формула заряда:

Поскольку нам известны ток I и время t, и можем измерить напряжение V, то чтоб вычислить значение C. Метод работы показан на рисунке ниже из документации к AN1375. Тут видно, как откалибровать и измерить емкость.

Предпосылками для точного измерения абсолютного значения емкости являются точная калибровка источника тока, относительно точный таймер микроконтроллера и хороший источник опорного сигнала для АЦП. Источник тока можно легко откалибровать – просто подсоедините внешний точный резистор и измерьте приложенное к нему напряжение. Кстати, прецизионные резисторы найти легче, 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. Сформировать и откалибровать источник тока, используя вход ANx и резистор.
  2. Переключение на вход ANy и разряд емкости контура.
  3. Таймер запускает текущую операцию источника, измеряет заданное время и останавливает источник. АЦП выполняет измерение.
  4. Подключается внешний конденсатор, шаги второй и третий повторяются.
  5. Если значение АЦП близко к нулю, повторим все измерение с более высоким током или более длительным временем. Когда значение близко к максимальному значению, время измерения сокращается.
  6. Результаты обоих измерений конвертируются в значения пикофарад.
  7. Результат первого измерения вычитается из результата второго, чтобы вычесть паразитные емкости схемы.
  8. Результат форматируется и отображается на дисплее.

Полезное на сайте:
МОТОР БЕДИНИ

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. Для измерения большой емкости потребуется увеличенное время зарядки источника, но такой измеритель должен иметь приличную точность 0,1% и диапазон измерения от единиц пикофарад до тысяч микрофарад. При измерении больших емкостей может потребоваться добавить внешний транзистор для разряда емкости, поскольку внутренний транзистор может не выдержать больших токов.

Метод 4: измерение ёмкости с помощью внешнего источника тока

Для этого метода требуются три PNP-транзистора, согласованные по Vbe и усилению, соединенные вместе для термостатики, и несколько резисторов с точностью 0,1%. Посмотрим на схему:

Резисторы R1-R3 и транзисторы Q1-Q3 образуют токовое зеркало. Резисторы R4 – R8 подключены к цифровым выходам микроконтроллера. Установив низкое состояние на одном из них, в то время как остальные 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 низкого состояния на одном из выходов, подключенных к R9, R10 или R11, позволяет измерять ток, генерируемый источником, путем измерения напряжения на соответствующем резисторе.

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

Измерения этим методом ограничиваются 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 измерение напряжения на резисторах R9-R11 может быть более точным.

Полезное на сайте:
БЕСТОПЛИВНЫЙ ГЕНЕРАТОР ТЕСЛЫ

Метод 5: измерение ёмкости с помощью модуля CVD

Модуль CVD, емкостной делитель напряжения, можно найти в некоторых микроконтроллерах PIC. Это еще одна идея Microchip для создания сенсорных клавиатур, например в семействе PIC18FQ41.

Интересно, что измерение с помощью этого метода может выполняться без этого модуля, манипулируя битами конфигурации порта микроконтроллера и его модуля АЦП, соответственно.

Предположим, имеется конденсатор емкостью 1 нФ, заряженный напряжением 5 В. Подключим к нему второй конденсатор емкостью 1 нФ. Какое напряжение будет у обоих? Правильный ответ – 2,5 В. Теперь возьмем два других конденсатора: 10 нФ и 22 нФ. Первый заряжен на 5 В, второй замкнут на массу. Затем соединяем их обоих вместе. Какое будет напряжение? 1,5625 В. Теперь зарядим второй конденсатор до 5 В, разрядим первый и подключим 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, на котором выполняется измерение, как конденсатор 2.

Модуль CVD сначала автоматически загружает 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, а полученное значение сравнивается с заданным пороговым значением – таким образом, модуль в основном используется для управления сенсорными кнопками, но вы также можете измерить значение присоединенной внешней емкости как изменение в дифференциальное напряжение. Но тут измерение будет менее точным, чем измерение CTMU.

Метод 6: измерение ёмкости RC-генератором

Этот метод частично относится к методу номер 2. Основа – RC-генератор, у которого значение R ровно 10 кОм. RC-генератор настроен на непрерывную работу и генерирует сигнал в диапазоне 1 / 3–2 / 3 напряжения питания. Схема всего прибора выглядит так:

Основа – PIC16F628 (A) с кварцем 16 МГц, что означает внутренний таймер имеет частоту 4 МГц. Во время измерения модуль Capture / Compare / PWM (CCP1) подсчитывает значения модуля Timer1 для каждого переднего фронта сигнала от компаратора. Программа подсчитывает и суммирует значения таймера и количество подсчитанных передних фронтов, пока не наберет значение более 2 миллионов отсчетов, то есть >0,5 секунды. Этот результат увеличивается в тысячу раз, а затем делится на количество измеренных наклонов. Результат преобразуется и отображается как значение емкости в пико-, нано- или микрофарадах: Диапазоны 0,00-18000,00 пФ; 18,000-999,000 нФ; 1,0000-50,0000 мкФ. Разрешение измерений намного выше, чем у других любительских решений. По тестам точность измерения лучше 0,2%. В схеме есть возможность сброса и режим относительного измерения для сравнения конденсаторов. Так что методов измерения ёмкости есть несколько – просто выбираем самый подходящий для своих целей и собираем С-метр.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *