ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОНДЕНСАТОРОВ

См. также Измерение параметров катушек индуктивности

Общие сведения

Основными параметрами, характеризующими конденсаторы, являются их электрическая ёмкость и угол потерь.

В электронных устройствах применяются конденсаторы многих типов и различных назначений. Возможные значения их ёмкостей лежат примерно в пределах от 1 пФ до 1000 мкФ. В области высоких и сверхвысоких частот объектами измерений могут также явиться весьма малые межэлектродные ёмкости электронных приборов и паразитные ёмкости между различными элементами схемы (ёмкости монтажа).

Допустимая погрешность измерения ёмкостей конденсаторов зависит от области применения последних. Ёмкость конденсаторов, входящих в состав колебательных систем, должна определяться особенно тщательно, с погрешностью, по крайней мере, 1%. При выборе конденсаторов блокировочных, разделительных, связи и т. п. обычно допускается значительный (до 20-50%) разброс ёмкостей и измерение их можно производить простейшими методами.

Рис. 1. Эквивалентные схемы (а, б) и векторная диаграмма (в) цепи с конденсатором

В каждом конденсаторе, включённом в электрическую цепь, имеют место потери энергии, возникающие главным образом в материале диэлектрика, а также вследствие несовершенства изоляции между выводами. С учётом потерь эквивалентную схему конденсатора можно представить в двух вариантах: либо в виде ёмкости С, включённой последовательно с сопротивлением потерь R_п (рис. 1, а), либо в виде той же ёмкости С, шунтированной сопротивлением утечки R_у (рис. 1, б). При переходе от одной эквивалентной схемы к другой для пересчёта значения активного сопротивления пользуются формулой

R_у = 1/((2*π*f*C)² * R_п) ,

где f - частота тока в цепи конденсатора.

Из векторной диаграммы на рис. 1, в, справедливой для обоих вариантов эквивалентных схем, следует, что в цепи с конденсатором из-за наличия потерь фазовый сдвиг φ между током I и напряжением U всегда меньше 90°. Потери в конденсаторе обычно характеризуют углом потерь δ = 90° - &phi, определяемым в соответствии с обозначениями на рис. 1 из формулы

tg δ = U_п/U_с = Iу/Iс = 2*π*f*C*R_п = 1/(2*π*f*C*R_у).

Потери в конденсаторе иногда выражают коэффициентом мощности cos φ или током утечки Iу, определяемым при стандартных условиях. Для большинства конденсаторов потери очень малы (tg δ < 0,001), поэтому можно считать

tg δ ≈ δ ≈ sin δ = sin (90° - φ) = cos φ .

Наибольшие потери имеют место в электролитических и бумажных конденсаторах, применение которых в основном ограничивается областью низких частот.

При некоторых методах измерений потери в конденсаторе определяются одновременно с измерением его ёмкости. При этом следует иметь в виду, что с повышением частоты потери заметно возрастают (что соответствует увеличению значения R_п и уменьшению R_у), тогда как ёмкость С практически не зависит от частоты. На очень высоких частотах возможно заметное возрастание действующей (измеренной по приборам) ёмкости конденсаторов из-за влияния индуктивности обкладок и подводящих проводов.

Параметры конденсатора (С, R_n, R_y, δ) зависят от внешних условий его работы - температуры, влажности, атмосферного давления, а также от приложенного к нему напряжения. Поэтому в ответственных случаях испытание конденсаторов осуществляется не только на их рабочих частотах, но и в условиях, близких к эксплуатационным.

Простейшие проверки конденсаторов можно производить и без специальных измерительных приборов. С помощью омметра или пробника легко обнаружить короткое замыкание или пробой между обкладками конденсатора (следует лишь учитывать, что пробой иногда проявляется только при значительном напряжении на конденсаторе, близком к его рабочему напряжению). Проверка на обрыв неэлектролитических конденсаторов ёмкостью от 0,01 мкФ и выше проще всего производится включением конденсатора в цепь переменного тока, например осветительную или трансляционную, последовательно с какой-либо нагрузкой - лампой накаливания, громкоговорителем и т. п. Нормальное или несколько ослабленное свечение лампы или звучание радиопередачи будет свидетельствовать об отсутствии обрыва.

Конденсатор, сопротивление утечки которого велико, способен удерживать длительное время без заметного уменьшения полученный им заряд; это позволяет простыми средствами оценить качество конденсаторов ёмкостью более 0,01 мкФ. При подключении к такому конденсатору омметра стрелка измерителя последнего за счёт тока заряда несколько отклонится, а затем (при большом сопротивлении утечки) возвратится в исходное или близкое к нему положение. Последующие кратковременные подключения к конденсатору омметра, повторяемые с интервалом в несколько секунд, не должны вызывать отклонения стрелки измерителя. При малом сопротивлении утечки заметное отклонение стрелки будет наблюдаться при каждом подключении омметра. Для проверки на утечку конденсаторов ёмкостью более 100 пФ можно применить головные телефоны, соединённые последовательно с низковольтной батареей. При малом сопротивлении утечки каждое подключение индикатора к конденсатору вызывает щелчок в телефонах, тогда как при хорошем конденсаторе щелчок прослушивается лишь при первом подключении. Измерение значения сопротивления утечки (на постоянном токе) может производиться индукторными или электронными мегомметрами.

Электролитические конденсаторы следует подсоединять к испытательному прибору с учётом полярности включения источника питания. При измерении сопротивления утечки таких конденсаторов рекомендуется отсчёт производить через 10 мин после их включения под напряжение, когда процесс заряда можно считать завершившимся.

Для измерения параметров конденсаторов применяются методы вольтметра - амперметра, непосредственного измерения при помощи микрофарадметров, сравнения (замещения), мостовой и резонансный.

Напряжение, приложенное к конденсатору при любом его испытании, не должно превосходить допустимого рабочего напряжения. Если в процессе испытания конденсатор заряжается до значительного напряжения, необходимо производить его разряд по окончании испытания (например, с помощью кнопки, включённой параллельно конденсатору).

Измерение ёмкостей методом вольтметра - амперметра

Метод вольтметра - амперметра применяют для измерения сравнительно больших ёмкостей. Питание измерительной схемы обычно производят от источника тока низкой частоты: F = 50...1000 Гц, поэтому оказывается возможным пренебречь активными потерями в конденсаторах, а также влиянием реактивных параметров измерительных приборов и паразитными связями.

Рис. 2. Схемы измерения ёмкостей методом вольтметра-амперметра

Схема измерений представлена в двух вариантах на рис. 2. Проверяемый конденсатор Сх включается в цепь переменного тока известной частоты F, и реостатом (или потенциометром) R устанавливают требуемое по условиям испытания либо удобное для отсчёта значение тока I или напряжения U. По показаниям приборов переменного тока V и mА можно рассчитать полное сопротивление конденсатора

Z = (R²+X²)^0,5=U/I ,       (1)

где R и X = 1/(2*π*F*C_x) - соответственно его активная и реактивная составляющие.

Если потери малы, т. е. R << X, то измеряемая ёмкость определяется формулой

C_x = I/(2*π*F*U).       (2)

Схема на рис. 2, а, даёт достаточно точные результаты при измерении больших ёмкостей, сопротивление которых X значительно меньше входного сопротивления вольтметра V. Схема на рис. 2, б, применяется для измерения меньших ёмкостей, сопротивление которых в десятки и более раз превышает сопротивление миллиамперметра mA. Предположим, что требуется измерять ёмкости в пределах 0,1-1 мкФ на частоте 50 Гц при наличии миллиамперметра переменного тока на 3 мА. Так как сопротивление этих ёмкостей X = 3200...32000 Ом во много раз больше любого возможного сопротивления миллиамперметра, то измерение следует проводить по схеме на рис. 2, б, при напряжении питания U ≥ I*X = 0,003*3200 ≈ 10 В.

Схема на рис. 2, а может быть применена и для измерения ёмкостей электролитических конденсаторов. Если напряжение питания не превышает 1-2 В, то измерение допустимо проводить при установке переключателя В в положение 1. При больших переменных напряжениях возможно повреждение конденсаторов вследствие разложения электролита. Эта опасность устраняется, если переключатель В установить в положение 2. При этом последовательно с источником переменного тока частоты F включается источник постоянного тока, напряжение на зажимах которого U₀ должно превышать амплитуду переменного напряжения. Тогда в цепи будет действовать пульсирующее напряжение, безопасное для конденсатора при условии правильной полярности его включения в схему. Пульсирующее напряжение можно также получить при последовательном включении в измерительную схему диода. Во всех случаях вольтметр V и миллиамперметр mA должны измерять лишь переменные составляющие напряжения и тока, для чего они выполняются с закрытой схемой входа.

Микрофарадметры с последовательной и параллельной схемами измерения

Приборы, у которых оценка измеряемых ёмкостей производится непосредственно по шкале стрелочного измерителя, называются микрофарадметрами. Действие этих приборов может базироваться на использовании зависимости тока или напряжения в цепи, питаемой источником переменного тока, от значения измеряемой ёмкости включённого в неё конденсатора. Схемы таких приборов во многом аналогичны схемам омметров и мегомметров.

Микрофарадметры могут иметь последовательную или параллельную схему измерения. Последовательная схема (рис. 3) применяется для измерения ёмкостей средних значений (примерно от 100 пФ до 10 мкФ). Напряжение U частоты F подводится от источника к цепи, в которой последовательно включены конденсатор опорной ёмкости С_о, испытуемый конденсатор С_x и микро- (или милли) амперметр переменного тока mA. Перед началом измерений при коротком замыкании входных зажимов (что эквивалентно С_x = ∞) реостатом R устанавливают в цепи микроамперметра mA ток полного отклонения I_п; это обеспечивается при выборе ёмкости опорного конденсатора

C₀ ≥ I_п(2*π*F*U).       (3)

При подключении конденсатора С_x ток через микроамперметр снизится до некоторого значения I_x, тем меньшего, чем меньше ёмкость С_x, что позволяет измеритель снабдить шкалой с отметками значений измеряемых ёмкостей. Градуировочная характеристика прибора не зависит от частоты и формы кривой напряжения питания и приближённо определяется формулой

I_x/I_п ≈ С_х/(С_о + С_x),       (4)

идентичной формуле, определяющей градуировочную характеристику параллельных схем омметров. Аналогично изменяется и погрешность измерений: наименьшая в середине шкалы, она возрастает к её краям. Середине шкалы соответствует ёмкость С_x ≈ С_о, а диапазон измерений ограничивается значениями 0,1 С_о и 10 С_о. Необходимое напряжение питания определяется из условия

U ≥ I_п/(2*π*F*C_о).

Например, при I_п = 1 мА, F = 50 Гц и С_о = 20000 пФ источник питания должен обеспечивать напряжение U ≥ 160 В, но если частота колебаний источника F = 1000 Гц, то потребное напряжение питания снижается до 8-10 В.

Для измерения ёмкостей в широком диапазоне микрофарадметр должен иметь несколько пределов измерений, которые целесообразно задавать средними значениями шкалы С_о при переходном коэффициенте N, кратном 10.

Рис. 3. Последовательная схема микрофарадметра с измерителем тока

Наиболее удобным источником питания микрофарадметра является сеть переменного тока частотой 50 Гц, позволяющая с помощью малогабаритного трансформатора получить любое требуемое напряжение. Высокое значение последнего необходимо лишь на пределах с самыми малыми ёмкостями С_о. Если ограничить максимальное напряжение питания значением 200 В, то при наличии выпрямительного микроамперметра mA на 100 мкА можно получить, согласно (3), ёмкость С_о да 1600 пФ. Высоковольтное питание допустимо включать лишь после разряда конденсатора С_о и присоединения к схеме испытуемого конденсатора. Для замыкания входных зажимов с целью установки стрелки измерителя на отметку «∞» желательно использовать кнопку. Конденсаторы С_о и С_x должны быть рассчитаны на рабочее напряжение, не меньшее испытательного. Для предотвращения повреждения измерителя в случае пробоя конденсатора С_о, последний целесообразно составлять из двух последовательно включённых конденсаторов, каждый ёмкостью 2С_о. Возможно также включение в цепь питания ограничительного резистора с сопротивлением, в 5-10 раз меньшим ёмкостного сопротивления конденсатора С_о.

Для расширения диапазона измерений в сторону больших значений С_о в начале обычно уменьшают в N раз напряжение питания (пока оно не достигнет единиц вольт), используя отводы от обмоток силового трансформатора или с помощью резистивного делителя напряжения. Переход к пределам с ещё большим значением С_о может сопровождаться понижением чувствительности индикатора посредством его шунтирования, подобно тому, как это делается в многопредельных омметрах. Верхний предел измеряемых ёмкостей обычно не превосходит 1-10 мкФ, поскольку при сопротивлении конденсатора С_о, сравнимым с внутренним сопротивлением индикатора и цепи питания, сильно возрастает погрешность измерений.

При расширении диапазона измерений в сторону малых значений С_о для получения приемлемых значений напряжения питания U схему приходится питать от внутреннего или внешнего генератора - источника напряжения повышенной частоты F в тысячи герц. При этом необходимо принимать меры к устранению влияния собственных ёмкостей схемы и монтажа.

Схема микрофарадметра по рис. 3 будет действовать и при замене опорного конденсатора С_о на опорный резистор R_о. В этом случае выбранное среднее значение С_о шкалы измерения ёмкостей будет достигаться при сопротивлении

R_о ≈ ( 4*U² / I²_п - 1/(2*π*F*C_о)² )^0,5

Такой прибор можно одновременно использовать и как омметр с последовательной схемой для приближённого измерения (на частоте F) активных сопротивлений при условии выполнения отсчёта по специальной шкале, сходной со шкалой ёмкостей, но обратного расположения.

Рис. 4. Последовательная схема многопредельного микрофарадметра с измерителем напряжения

При наличии электронного вольтметра переменного тока с большим входным сопротивлением R_в за основу микрофарадметра может быть принята схема, приведённая на рис. 4. Переменное напряжение U, стабилизированное цепочкой R1, Д1, Д2 и равное примерно пределу измерения U_п вольтметра V, при замыкании входных зажимов воздействует на вольтметр. Регулировкой чувствительности последнего добиваются отклонения стрелки его измерителя до конца шкалы. При включении в схему испытуемого конденсатора С_x образуется делитель напряжения R_о, С_x, с которого к вольтметру подводится напряжение U_x, тем меньшее, чем меньше ёмкость С_x. Выбранное среднее значение С_о шкалы ёмкостей будет достигаться при сопротивлении R_о ≈ 1/(11*F*C_о). Переключением резисторов R_о различных номиналов осуществляется смена пределов измерений ёмкостей. Минимально возможное значение ёмкости С_о ограничивается предельно допустимым значением сопротивления R_о ≈ 0,1 R_о. Например, при R_о = 1 МОм и частоте F = 50 Гц получаем ёмкость С_о ≈ 1/(11*F*R_о) = 1820 пФ.

Микрофарадметр в рассматриваемом режиме его работы имеет крайние отметки шкалы ёмкостей «0» и «∞». Однако если использовать в приборе чувствительный милливольтметр с пределом измерения U_п << U, допускающий кратковременную случайную перегрузку до напряжения, равного U, то верхние пределы измерения прибора могут быть ограничены выбранными значениями ёмкостей С_п, которым должны соответствовать сопротивления

R_о ≈ U_п/(U*2*π*F*C_п) ;

при этом значительно расширяется рабочий участок шкалы. В данном случае при допустимом сопротивлении R_о = 1 МОм, частоте F = 50 Гц и отношении напряжений U_п/U = 1/30 получаем С_п ≈ 100 пФ, что позволяет производить измерение ёмкостей от 10пФ и более. Если порядок измеряемой ёмкости С_x неизвестен, то переключателем В следует первоначально установить предел измерений наибольших ёмкостей, при котором возможная перегрузка вольтметра ограничивается из-за возрастания падения напряжения на резисторе R1.

В микрофарадметре с ограниченными пределами измерения перед началом измерений необходимо производить калибровку прибора. В схеме на рис. 4 для этой цели служит цепочка R2, С1. При нажатии кнопки Кн с конденсатора С1 на вход вольтметра подаётся напряжение, при котором стрелка его измерителя должна отклоняться до конца шкалы (или до определённой метки на шкале), чего добиваются регулятором чувствительности. Обычно берут R2 равным сопротивлению R_о одного из пределов измерения, а С₁ равной ёмкости С_п того же предела.

На рис. 5, а представлен один из вариантов параллельной схемы микрофарадметра. При свободных входных зажимах (что эквивалентно ёмкости С_x = 0) регулировкой чувствительности вольтметра V добиваются отклонения стрелки его измерителя до конца шкалы. Включение в схему конденсатора С_x приводит к тому, что напряжение на вольтметре, первоначально равное U_п, снижается до значения U_x, тем меньшего, чем больше ёмкость С_x. Градуировочная характеристика микрофарадметра определяется формулой

U_x/U_п ≈ C_о/(C_о + C_x),       (5)

аналогичной формуле, определяющей градуировочную характеристику последовательных схем омметров.

Входное сопротивление вольтметра R_в и частота тока питания F ограничивают выбор опорной ёмкости конденсатора С_о, определяющей среднее значение шкалы, условием

C_о ≥ 1,5/(F*R_в) .

Например, при R_в = 1 МОм и F = 50 Гц получаем С_о ≥ 30000 пФ, т. е. прибор оказывается пригодным для измерения лишь сравнительно больших ёмкостей (не электролитических!) При высокочастотном источнике питания возможно снижение допустимых значений С_о до сотен пикофарад, однако погрешность измерений может оказаться большой, если не учитывать входную ёмкость вольтметра.

Рис. 5. Параллельные схемы микрофарадметров

Для измерения ёмкостей электролитических конденсаторов пригодна схема на рис. 5, б. Благодаря включению диода Д на делителе напряжения R1, R2 действует пульсирующее напряжение U_о. При С_х = 0 с резистора R2 на вольтметр V (он может быть сравнительно низкоомным, например выпрямительным) подаётся напряжение полного отклонения U_п. Включение конденсатора С_х приводит к снижению напряжения на вольтметре в соответствии с формулой (5). При выбранном среднем значении шкалы ёмкостей С_о и частоте F = 50 Гц необходимые значения сопротивлений делителя напряжения определяются формулами:

R1 = U_о/ (U_п * 180*С_о);       R2 = R1*U_п(U_о-U_п).

Изменение пределов измерений осуществляется посредством использования нескольких делителей напряжения с одинаковым коэффициентом деления U_о/U_а, но различными значениями сопротивлений R1 и R2. Вольтметр переменного тока V должен иметь закрытую схему входа, иначе напряжение на него следует подавать через электролитический конденсатор большой ёмкости.

Все рассмотренные схемы микрофарадметров позволяют измерять ёмкости конденсаторов с погрешностью 5-10%, а иногда и более. Выполнить их шкалу на основе расчёта градуировочной характеристики не всегда удаётся вследствие влияния различных трудно учитываемых факторов, например внутренних сопротивлений источника питания и измерительных приборов, нелинейности шкалы напряжений вольтметра и т. п. Поэтому при регулировке и градуировке микрофарадметров необходимо использовать магазины ёмкостей или наборы конденсаторов с допусками по ёмкости не более 5%.

Пример 1. Рассчитать последовательную схему микрофарадметра по рис. 3 на предел измерений от С_н = 200 пФ до С_м = 20000 пФ при условии, что напряжение питания не должно превышать 10 В. В приборе применить в качестве измерителя миллиамперметр на 1 мА.

Указание. Середине шкалы соответствует ёмкость С_о ≈ (С_нС_м)^0,5 .

Ответ: С_о = 2000 пФ, F ≥ 8 кГц. При выборе F = 10 кГц U ≥ 8В, R = 3...5 кОм

Пример 2. Рассчитать двухпредельный микрофарадметр, работающий по параллельной схеме на рис. 5, б, для измерения ёмкостей от 1 до 100 мкФ, если напряжения U_о = 20 В, a U_п = 1 В.

Ответ: С_о = 3 мкФ, R1 = 37 кОм, R2 = 2 кОм; С'_о = 30 мкФ, R'1 = 3,7 кОм, R'2 ≈ 200 Ом.

Микрофарадметры с равномерной шкалой

Микрофарадметр с равномерной шкалой может быть выполнен по схеме, аналогичной схемам ёмкостных частотомеров, в принципе отличаясь от последних лишь тем, что объектом измерений является не частота, а ёмкость. Действие таких приборов базируется на измерении среднего значения тока заряда или разряда проверяемого конденсатора, перезаряжаемого напряжением известной частоты.

На рис. 6, а, приведена схема измерительного блока микрофарадметра, питаемого импульсным напряжением _u прямоугольной формы. Во время действия импульса через диод Д происходит заряд конденсатора С_х до максимального напряжения U_м. В интервале между импульсами конденсатор разряжается через измеритель (магнитоэлектрический микроамперметр) _И до начального напряжения U_н. В установившемся режиме при частоте повторения входных импульсов f и их амплитуде U_п= U_м - U_н среднее значение протекающего через измеритель тока I_x = C_xU_пf. При фиксированных значениях U_п и f измеритель можно снабдить равномерной шкалой с отсчётом в значениях С_х в соответствии с формулой

C_х = I_х /(U_пf).

Предельное значение измеряемых ёмкостей

C_п = I_и/(U_пf),

где I_и - ток полного отклонения измерителя. Для сглаживания пульсаций и устранения колебаний стрелки измерителя служит конденсатор С, сопротивление которого при частоте f должно быть значительно меньшим сопротивления R_и измерителя.

Результаты не изменятся, если измеритель включить в цепь зарядного тока последовательно с диодом Д2 (рис. 6, б); тогда разрядный ток конденсатора С_x будет замыкаться через диод Д1. При измерении малых ёмкостей иногда применяют двухполупериодную схему включения измерителя (рис. 6, в). В этом случае через измеритель протекают и зарядный и разрядный токи, что позволяет получить требуемый предел измерений при напряжении U_п или частоте f, вдвое меньших, чем в схемах с однополупериодным включением измерителя.

Рис. 6. Схемы измерительных блоков микрофарадметров с равномерной шкалой

Пределы измерений прибора задаются значениями С_п и для их обеспечения при переключении пределов изменяют частоту повторения импульсов источника питания, определяемую формулой

f = I_и(U_пC_п) .       (6)

Перед началом измерений на каждом пределе должна производиться калибровка микрофарадметра, для чего к нему нажатием кнопки Кн присоединяют конденсатор ёмкостью С_о = С_п (рис. 6, а); при этом добиваются отклонения стрелки измерителя до конца шкалы посредством плавной регулировки частоты f, амплитуды импульсов U_п или чувствительности измерителя (например, с помощью шунтирующего реостата R_ш). Поскольку шкала прибора равномерна, то погрешность измерения ёмкостей в основном определяется погрешностью подбора опорной ёмкости С_о, отклонение которой от требуемого номинала (С_п) не должно превышать 1...5%.

Для получения правильных результатов измерений необходимо, чтобы за один период входного напряжения и конденсатор С_x успевал полностью зарядиться и разрядиться (в пределах напряжений U_м - U_н). Легче всего это обеспечивается при прямоугольной форме входных импульсов и надлежащем выборе частоты их повторения f.

Как известно, в цепи, состоящей из элементов R и С, длительность заряда (разряда) конденсатора С до значения приложенного к этой цепи постоянного напряжения определяется постоянной времени τ = RC и практически не превосходит 5τ. Для того чтобы заряд (разряд) заканчивался в течение полупериода T/2 напряжения частоты f, необходимо выполнение условия

5RС = 5 τ <= T/2 = 1/(2*f),

которое удовлетворяется при частоте

f <= 1/(10*RС).       (7)

Принимая максимально возможное сопротивление цепей заряда и разряда R = 10 кОм (с учётом выходного сопротивления Rвых генератора импульсов), получаем практическую формулу для выбора частоты повторения импульсов (в килогерцах):

f ≤ 10⁴ / С_п       (8)

(где С_п - в пикофарадах). В последнем условии часто принимают знак равенства. Тогда верхним пределам измерений С_п - 100, 1000, 10 000 пФ и 0,1 мкФ будут соответственно отвечать частоты f = 100, 10, 1 и 0,1 кГц.

Условие (8) и формула (6) определяют необходимую амплитуду импульсов (в вольтах):

U_п ≥ 0,1*I_и

(где I_и - в микроамперах). Например, при работе с измерителем, имеющим ток полного отклонения I_и = 100 мкА, требуется амплитуда U_п ≥ 10 В.

Сопротивление резистора R_д (рис. 6, а) берётся таким, чтобы сопротивление цепи измерителя R_д + R_и значительно превышало (по крайней мере, в десятки раз) прямое сопротивление диода Д; в то же время оно не должно увеличивать общее сопротивление цепи разряда сверх допустимого значения (10 кОм). Если оба условия не удаётся одновременно удовлетворить, то резистор R_д заменяют диодом, пропускающим ток разряда; при этом измеритель оказывается включённым по схеме на рис. 6, б. При расчёте прибора учитывают также характер выходного сопротивления R_вых генератора импульсов, которое в зависимости от схемы генератора может быть постоянным, регулируемым или даже нелинейным (большим во время действия импульса и малым в интервале между импульсами).

Микрофарадметры рассматриваемого типа обычно имеют верхние пределы измерений С_п не менее 100 пФ из-за трудности генерирования прямоугольных импульсов с высокой частотой повторения и влияния паразитных связей. Трудности возникают и при расширении диапазона измерений в сторону больших ёмкостей. Например, при выборе верхних значений пределов С_п = 1 и 10 мкФ, согласно условию (8), требуется питать схему импульсами с частотами повторения соответственно 10 и 1 Гц, однако при этом отсчёт по измерителю становится невозможным из-за сильных вибраций его стрелки, которые не удаётся устранить увеличением ёмкости конденсатора С. При измерении больших ёмкостей измерительную схему обычно питают импульсами с частотой повторения 50 Гц (их легко получить преобразованием напряжения сети переменного тока); одновременно для выполнения условия (7) уменьшают постоянные времени цепей заряда и разряда посредством выбора источника импульсов с весьма малым выходным сопротивлением (десятки Ом) и шунтирования измерителя. Последнее ведёт к возрастанию разрядного тока, вызывающего отклонение стрелки измерителя на всю шкалу, до нескольких миллиампер, что облегчает выполнение равенства (6). Коммутация цепей заряда и разряда должна автоматически управляться входными импульсами.

Помимо равномерной шкалы ёмкостей, микрофарадметры могут иметь неравномерную шкалу с диапазоном показаний от 0 до ∞, подобную шкалам параллельных схем омметров. Характер шкалы (равномерная - Р, неравномерная - Н) в схеме на рис. 6, а, определяется установкой переключателя B1. В положении последнего «Н» испытуемый конденсатор С_х включается последовательно с опорным конденсатором С_о, ёмкость которого задаёт предел измерений прибора и примерно соответствует середине его нелинейной шкалы.

Равномерная шкала измерения ёмкостей может быть получена и некоторыми другими методами. Так, если к выходу мультивибратора подключить дифференцирующую цепочку R, С_х, то среднее напряжение импульсов одной полярности, снимаемых с резистора R, оказывается пропорциональным ёмкости С_х. Для работы в таком приборе требуется чувствительный милливольтметр постоянного тока. Пределы измерений могут задаваться сопротивлениями резистора R. При частоте повторения импульсов f = 100 кГц были получены верхние пределы измерения ёмкостей С_п = 10 и 100 пФ.

Пример 3. Произвести ориентировочный расчёт измерительного блока микрофарадметра с равномерной шкалой (рис. 6, а) для измерения ёмкостей с верхними пределами 300 и 3000 пФ, 0,03 и 0,3 мкФ, если измеритель прибора имеет данные: I_и = 50 мкА, R_и = 2600 Ом.

Ответ: С_о = 300 и 3000 пФ, 0,03 и 0,3 мкФ; f = 30 и 3 кГц, 300 и 30 Гц; R_д = 1,5 кОм; R_ш = 10 кОм; С = 5..10 мкФ; U_п = 5 В; R_вых ≤ 6 кОм.

Измерение ёмкостей методом сравнения (замещения)

Данный метод базируется на сравнении действия, оказываемого измеряемой ёмкостью С_х и известной ёмкостью С_о на режим измерительной схемы.

Простейшая схема измерений, в которой ёмкости С_х и С_о сравниваются по значению их сопротивления переменному току, приведена на рис. 7. При включении конденсатора С_x потенциометром R устанавливают в цепи ток, удобный для отсчёта или контроля по миллиамперметру переменного тока mA или другому низкоомному индикатору. Затем вместо конденсатора С_x присоединяют к схеме магазин ёмкостей или образцовый (опорный) конденсатор переменной ёмкости и изменением его ёмкости С_о добиваются прежнего показания индикатора. Это будет иметь место при С_о = С_x. Погрешность измерений зависит от чувствительности индикатора и погрешности отсчёта ёмкости С_о; она может быть получена равной примерно 1% и менее.

Рис. 7. Схема измерения ёмкостей

При измерении ёмкостей свыше методом сравнения 5000 пФ схему измерений можно питать от сети переменного тока частотой 50 Гц. Для измерения меньших ёмкостей необходим генератор, работающий на более высоких частотах. Во всех случаях для обеспечения безопасности индикатора в цепь следует включать ограничительный конденсатор (С1) или резистор.

Метод сравнения в различных вариантах широко применяется в мостовых и резонансных измерителях ёмкостей. Он может быть реализован и в микрофарадметрах, рассмотренных в предыдущих параграфах, при существенном снижении погрешности измерений.

Измерительные мосты переменного тока

Для измерения параметров конденсаторов и катушек индуктивности широко применяются уравновешенные мосты переменного тока.

В общем случае плечи измерительного моста переменного тока (рис. 8) обладают комплексными сопротивлениями Z1, Z2, Z3 и Z4, одно из которых, например Z4, является объектом измерений. Питание моста производится от источника переменного тока частоты F, напряжение которого подводится непосредственно или через трансформатор Тр к одной из диагоналей моста. В другую диагональ включается индикатор нуля переменного тока ИН.

Рис. 8. Схема моста переменного тока

Так же как и в мостах постоянного тока, процесс измерения сводится к уравновешиванию моста переменного тока, которое характеризуется отсутствием разности потенциалов между вершинами а и б; для этого необходимо, чтобы падения напряжения в плечах Z1 и Z4 (а также в плечах Z2 и Z3) были равны по амплитуде и совпадали по фазе. Равновесие достигается при выполнении двух условий:
1) равенстве произведений модулей полных сопротивлений противоположных плеч, т. е.

Z₄Z₂ = Z₁Z₃;       (9)

2) равенстве сумм фазовых углов этих же плеч, т. е.

φ4 + φ2 = φ1 + φ3 .       (10)

Если плечо моста обладает активным R и реактивным (ёмкостным или индуктивным) X сопротивлениями, действующими последовательно, то модуль полного сопротивления плеча

Z = (R²-Х²)^0,5,       (11)

а его фазовый угол φ определяется из формулы

tg φ = X/R .       (12)

Для чисто активных плеч (X = 0) фазовый угол φ = 0; для чисто ёмкостных и индуктивных плеч (R = 0) соответственно φ = -90° и φ = +90°. Если сопротивление плеча имеет смешанный (комплексный) характер, то фазовый угол |φ| < 90°.

Если сопротивления R и X представляются в параллельном соединении, то модуль полного сопротивления плеча

Z = 1/(1/R²+1/Х²)^0,5 ,       (13)

а фазовый угол φ находится из формулы

tg φ = R/X .       (14)

В этом случае угол φ = 0 при отсутствии реактивного сопротивления (X = ∞) и φ = +-90° при отсутствии активного сопротивления (R = ∞).

Для одновременного выполнения обоих условий равновесия приходится регулировать два параметра известных плеч моста; при этом оказывается возможным определить два параметра исследуемого плеча, например активную и реактивную составляющие его полного сопротивления.

Условие (9) можно выполнить всегда посредством регулировки элементов плеч моста. Второе же условие (10) выполнимо лишь при определённой компоновке схемы моста, например в случае, если все четыре плеча состоят из одинаковых элементов - резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности. Обычно в целях упрощения схемы два плеча моста переменного тока составляются из элементов активного сопротивления - резисторов. Если эти плечи являются смежными (рис. 9), то два других плеча должны обладать реактивными сопротивлениями одинакового характера, т. е. оба должны содержать либо конденсаторы либо катушки индуктивности. Если плечи активного сопротивления являются противоположными, то два других плеча должны обладать реактивными сопротивлениями различного характера: одно - ёмкостного, а другое - индуктивного, имеющими фазовые углы разных знаков, сумма которых может быть сделана равной нулю.

В измерительных мостах переменного тока избегают применения катушек индуктивности (если, конечно, последние не являются объектами измерений), поскольку они обладают заметным активным сопротивлением и восприимчивы к магнитным полям; кроме того, при наличии стального сердечника индуктивность катушки не является стабильной. В качестве регулируемых элементов в мостах используются переменные резисторы и конденсаторы, а также магазины сопротивлений и ёмкостей.

Измерительные мосты, условия равновесия которых зависят от частоты, называются частотно-зависимыми; они используются для измерения частоты и в качестве фильтров. При других измерениях применяются частотно-независимые мосты, в условия равновесия которых частота не входит. Однако из-за наличия паразитных ёмкостных связей между элементами моста и по отношению к окружающим предметам мост, уравновешенный для тока основной частоты, может оказаться неуравновешенным для гармонических составляющих тока, вследствие чего показания индикатора не будут спадать до нуля, что повышает погрешность измерений. Поэтому питание мостов желательно производить от источников синусоидального напряжения; для уменьшения влияния гармоник в цепи питания или индикатора иногда ставят фильтр нижних частот.

Мосты, питаемые от сети переменного тока, трудно использовать для измерения малых ёмкостей и индуктивностей: на частоте 50 Гц сопротивление первых оказывается чрезмерно большим, а вторых - ничтожно малым. Поэтому измерительные мосты, особенно универсального назначения, обычно питают от простейших ламповых или транзисторных генераторов типа LC или RC, работающих на фиксированной частоте, выбираемой чаще всего в пределах 400-1000 Гц. Паразитные связи на этих частотах проявляются сравнительно слабо при условии выполнения ряда защитных мер, к числу которых относятся: 1) удаление генератора от измерительной схемы; 2) применение симметрирующего трансформатора для подключения индикатора нуля; 3) экранировка генератора, трансформаторов и проводов питания; 4) заземление вершины моста, соединённой с источником питания, исследуемым элементом и регулируемым плечом; 5) изготовление лицевой панели из металла и её заземление (с целью устранения влияния руки оператора). Высокочастотные источники питания применяются редко из-за трудности исключения на высоких частотах влияния паразитных связей.

В простейших мостах, питаемых от источников звуковой частоты, индикаторами нуля часто служат головные телефоны. Мост уравновешивают по минимальной слышимости тона основной частоты, что уменьшает ошибку измерений, обусловленную действием гармоник, и позволяет снизить требования к генератору питания.

В измерительных мостах промышленного изготовления в качестве индикаторов нуля применяют выпрямительные или электронные милливольтметры, а также осциллографические индикаторы на малогабаритных электроннолучевых трубках; последние в отличие от других индикаторов обладают фазочувствительностью, что позволяет определять направление, в котором следует производить уравновешивание моста.

Достоинствами уравновешенных мостов переменного тока являются малая погрешность измерения, не превышающая в лучших образцах 1%, широкие пределы измерений, возможность универсального применения для измерения различных электрических величин. Главным их недостатком является сложность и длительность процесса уравновешивания. В последнем отношении определённые преимущества имеют неуравновешенные и автоматические мосты переменного тока.

В неуравновешенных мостах переменного тока амплитуда и фаза выходного напряжения на зажимах индикаторной диагонали зависят как от модуля, так и от состава объекта измерений Zx. При сравнительно малом отклонении от состояния равновесия активная и реактивная составляющие выходного напряжения оказываются примерно пропорциональными приращениям аналогичных составляющих комплексного сопротивления Zx относительно тех значений, при которых мост уравновешен Посредством двух фазочувствительных систем удаётся разделить составляющие выходного напряжения, сдвинутые по фазе на 90°, которые затем раздельно измеряются двумя индикаторами; отчёт по шкалам последних производится соответственно в значениях активной и реактивной составляющих сопротивления Zx.

В автоматических мостах переменного тока выделенные фазочувствительными системами составляющие выходного напряжения приводят в действие два электродвигателя, которые посредством приводов воздействуют на элементы регулировки мостовой схемы до момента достижения состояния равновесия.

Мостовой метод измерения параметров конденсаторов

Мосты, применяемые для измерения параметров конденсаторов, разделяются на магазинные и реохордные (линейные). Простейший (однопредельный) магазинный мост, пригодный для измерения ёмкостей в десятки и сотни пикофарад, может быть составлен из четырёх конденсаторов: измеряемого, переменного со шкалой ёмкостей (в смежном плече) и двух постоянных с одинаковой ёмкостью (сотни пикофарад). При использовании в качестве индикатора головных телефонов источником питания моста может служить радиотрансляционная сеть. Широкодиапазонные магазинные мосты сложнее реохордных, однако они обеспечивают меньшую погрешность измерения и могут иметь равномерные отсчётные шкалы. Диапазон ёмкостей, измеряемых мостовым методом, лежит примерно в пределах от 10 пФ до 10...30 мкФ.

На рис. 9, а приведена схема многопредельного магазинного моста. Его уравновешивают с помощью конденсатора переменной ёмкости С1 и переменного резистора R1. Применяя к данной схеме условие равновесия (9), получаем

R2*( R_x²+ 1/(2*π*F*C_x)² )^0,5 = R3*( R1²+1/(2*π*F*C₁)² )^0,5

Учитывая, что φ₂ = φ₃ = 0, второе условие равновесия (10) можно записать в виде равенства φ_x = φ₁ или tg φ_x = tg φ₁ или, согласно формуле (12),

1/(2*π*F*C_x*R_x) = 1/(2*π*F*C₁*R₁).

Решая совместно приведённые выше уравнения, находим:

С_x = С1(R2/R3) ;       (15)

R_x = R1(R3/R2) .       (16)

При фиксированном отношении сопротивлений плеч R2/R3 конденсатор С1 и резистор R1 можно снабдить шкалами с отсчётом соответственно в значениях ёмкостей С_х и сопротивлений потерь R_x. Расширение диапазона измерений достигается применением группы переключаемых резисторов R3 (или R2) различных номиналов, обычно различающихся в 10 раз. Мост уравновешивается быстро, поскольку регулировки, осуществляемые конденсатором С1 и резистором R1, взаимонезависимы. Если мост предназначается для измерения ёмкостей, меньших 0,01 мкФ, для которых потери на низких частотах очень малы, то резистор R1 может отсутствовать.

Рис. 9 Схемы магазинных мостов для измерения параметров конденсаторов

В целях упрощения конструкции в некоторых измерительных мостах конденсатор С1 берётся постоянной ёмкости, а в качестве регулируемых элементов используются два переменных резистора, например R1 и R2 (рис. 9, б). Из формул (15) и (16) следует, что обе регулировки такого моста оказываются взаимосвязанными, поэтому его уравновешивание, контролируемое по показаниям выпрямительного индикатора, должно осуществляться способом последовательного приближения к минимуму путем попеременного изменения сопротивлений R1 и R2. Значения ёмкостей С_х находятся по шкале резистора R2 с учётом множителя, определяемого установкой переключателя В. Поскольку непосредственная оценка сопротивлений потерь R_x оказывается невозможной, то отсчёт по шкале резистора R1 обычно выполняется в значениях тангенса угла потерь:

tg δ = 2*πF*C_x*R_x = 2*π*F*C₁*R₁,

который при фиксированной частоте F однозначно определяется значением сопротивления R1. В справедливости последней формулы легко убедиться, если перемножить соответственно левые и правые части равенств (15) и (16).

Простые измерители ёмкостей выполняются по схеме реохордного моста, в котором обычно предусматривается возможность измерения и сопротивлений, а иногда и индуктивностей. Схема универсального реохордного моста приведена в статье Измерение параметров катушек индуктивности на рис. 5.

Для исключения влияния паразитных связей и погрешностей самого моста мостовой метод измерения ёмкостей часто сочетают с методом замещения. При этом к входным зажимам моста подключают магазин ёмкостей (или опорный конденсатор переменной ёмкости) и при каком-то значении его ёмкости С₁, заведомо превышающем ёмкость С_x, уравновешивают мост. Затем исследуемый конденсатор присоединяют параллельно магазину и уменьшением ёмкости последнего до некоторого значения С₂ вновь уравновешивают мост. Очевидно, что измеряемая ёмкость С_x = C₁-С₂.

Пример 4. Произвести поверочный расчёт схемы магазинного моста по рис. 9, б, для измерения ёмкостей на трех пределах с верхними значениями 10000 пФ, 0,1 и 1 мкФ, а также тангенса угла потерь от 0 до 0,01, если ёмкость С1 = 0,01 мкФ, а полное сопротивление R2 - 10 кОм. Напряжение питания 10 В, частота 50 Гц. Измеритель И имеет параметры: I_и = 100 мкА, R_и = 900 Ом.

Результаты расчёта приведены на схеме.

Резонансные измерители ёмкостей

Помимо измерения частоты электрических колебаний резонансные методы широко применяются для измерения малых ёмкостей и индуктивностей, добротности, собственной или резонансной частоты настройки и других параметров радиодеталей и колебательных систем.

Резонансная схема измерения ёмкостей (рис. 10) обычно включает в себя генератор высокой частоты, с контуром которого LС слабо связывается индуктивно (или через ёмкость) измерительный контур, состоящий из опорной катушки индуктивности L_о и испытуемого конденсатора С_х. Изменением ёмкости конденсатора С генератор настраивают в резонанс с собственной частотой f_о измерительного контура по экстремальным показаниям индикатора резонанса, например электронного вольтметра V. При известной частоте настройки генератора f_о измеряемая ёмкость определяется формулой

С_х = 1/( (2*π*f_о)²*L_о ) ≈ 0,0253/(f_о²L_о)       (17)

При фиксированном значении L_о конденсатор С можно снабдить шкалой с отсчётом в значениях ёмкостей С_х.

Пределы измерений ёмкостей определяются значением индуктивности L_о и диапазоном частот генератора. Например, при L_о = 100 мкГ и диапазоне генератора 160-3500 кГц прибор будет измерять ёмкости от десятков пикофарад до сотых долей микрофарад. Для расширения пределов измерений ёмкостей при ограниченном частотном диапазоне генератора применяют несколько сменных катушек L_о различной индуктивности, а также включают испытуемые конденсаторы в измерительный контур последовательно с конденсаторами известной ёмкости. Ёмкости более 0,01-0,05 мкФ резонансным методом обычно не измеряются, так как на низких частотах резонансные кривые колебательных контуров становятся тупыми, что затрудняет фиксацию резонанса.

В качестве индикаторов резонанса используют чувствительные высокочастотные приборы, реагирующие на ток или напряжение, действующие в измерительном контуре, например электронные вольтметры со стрелочным или электронно-световым индикатором, электроннолучевые осциллографы, термоэлектрические приборы и др. Индикатор резонанса не должен вносить в измерительный контур заметного затухания.

Погрешность измерения ёмкостей резонансным методом достигает 5-10% из-за воздействия паразитных связей, некоторого влияния контура генератора на параметры измерительного контура, трудности точной фиксации состояния резонанса; она также зависит от устойчивости частоты генератора и погрешности её измерения.

Рис. 10. Схема измерения ёмкостей резонансным методом

При сочетании резонансного метода с методом замещения устраняется зависимость результата измерения ёмкостей от точности измерения частоты генератора и паразитных связей, благодаря чему погрешность измерений можно снизить до 1% и менее. Для этого к измерительному контуру (рис. 10) подключают опорный конденсатор переменной ёмкости С_о и при максимальной ёмкости его С_о1 настраивают генератор на резонансную частоту контура. Затем параллельно конденсатору С_о присоединяют конденсатор С_х; нарушенный резонанс восстанавливают при неизменной настройке генератора посредством уменьшения ёмкости С_о до некоторого значения С_о2. Измеряемая ёмкость, очевидно, определяется формулой Сх = C_о1-C_о2.

Верхний предел измеряемых подобным методом ёмкостей равен разности между максимальной С_м и начальной С_н ёмкостями конденсатора С_о. Конденсаторы, ёмкость которых превышает значение С_м- С_н, можно подключать к контуру последовательно с постоянным конденсатором известной ёмкости Сх. При этом порядок измерений остаётся прежним, но измеряемая ёмкость подсчитывается по формуле

С_x = С1 (С_о1 - С_о2)/(С₁- С_о1 + С_о2).

Например, при С₁ = 600 пФ, С_о1 = 500 пФ и С_о2 = 100 пФ получаем С_x = 1200 пФ. Применяя несколько сменных конденсаторов С1 различных номиналов, можно получить ряд пределов измерений. Если задаться верхним пределом измеряемых ёмкостей С_п, то необходимая ёмкость С_x определится формулой:

С₁ = С_п(С_м-С_н)/(С_п-С_м + С_н).

Например, при С_п = 2000 пФ, С_м = 500 пФ и Сн = 20 пФ конденсатор должен обладать ёмкостью С1 = 630 пФ.

Различные варианты резонансных методов реализуются в специальных измерительных приборах или посредством малогабаритных приставок к типовой, имеющей частотные шкалы, радиоаппаратуре (к последним относятся высокочастотные измерительные генераторы, радиоприёмники и т. п.).

Рис. 11. Схема резонансного измерителя ёмкостей, использующего явление поглощения

На рис. 11 приведена схема резонансного измерителя ёмкостей, основанного на использовании явления поглощения (абсорбции). Прибор содержит маломощный генератор по схеме ёмкостной трёхточки, с колебательным контуром которого индуктивно связан измерительный контур L2, С6, С7. Связь между контурами устанавливается сравнительно сильной (например, посредством использования общего ферритового сердечника для катушек L1 и L2) с целью обеспечения заметного влияния измерительного контура на режим генератора. Индикатором резонанса служит микроамперметр постоянного тока mA, включённый в цепь базы транзистора Т. При настройке измерительного контура в резонанс с частотой генератора энергия, поглощаемая контуром, оказывается наибольшей. Это вызывает резкое уменьшение постоянной составляющей тока базы, измеряемой микроамперметром mA, что обеспечивает чёткую фиксацию состояния резонанса.

Для уменьшения погрешности измерения малых ёмкостей можно в измерительный контур включить два конденсатора переменной ёмкости (С6 и С7 на рис. 11) с максимальными ёмкостями, например, 500 и 50 пФ. Перед измерениями оба конденсатора устанавливаются на максимальную ёмкость и с помощью подстроечного сердечника одной из катушек добиваются резонансной настройки генератора и измерительного контура. Затем, присоединив к контуру конденсатор С_х, в зависимости от предполагаемой ёмкости последнего одним из конденсаторов С6 или С7 восстанавливают резонанс. Отсчёт по шкалам конденсаторов С6 и С7 желательно производить непосредственно в значениях ёмкостей С_х.

Рис 12. Схема измерения ёмкостей резонансным методом с помощью радиоприёмника

Рассмотренный вариант резонансного метода может быть реализован с помощью простейшей приставки к радиоприёмнику, имеющему внутреннюю магнитную антенну. Приставка (рис. 12) представляет собой измерительный контур L, С_о, собственная частота которого при максимальном значении ёмкости С_о должна находиться в пределах какого-либо частотного поддиапазона приёмника. Приёмник настраивают на частоту одной из хорошо принимаемых передающих радиостанций этого поддиапазона, а затем катушку L располагают вблизи приёмника, параллельно его магнитной антенне. При наибольшей ёмкости С_о подстроечным сердечником катушки L контур настраивают в резонанс с частотой настройки приёмника, который обнаруживается по ослаблению слышимости звуковых сигналов радиостанции, а затем производят измерение ёмкости С_х методом замещения.

Высокая точность фиксации состояния резонанса достигается при гетеродинном методе (методе нулевых биений). В гетеродинном измерителе ёмкостей имеется два одинаковых высокочастотных гетеродина, колебания которых смешиваются в детекторном каскаде, нагруженном на телефоны. При максимальной ёмкости основных контурных конденсаторов переменной ёмкости оба гетеродина подстраиваются на одну и ту же частоту, что контролируется по нулевым биениям. Затем параллельно одному из этих конденсаторов включают конденсатор С_x, ёмкость которого определяют методом замещения.

Если оба гетеродина выполнить совершенно идентичными, то прибор можно успешно применить для выравнивания ёмкостей сдвоенных и строенных блоков конденсаторов переменной ёмкости. Для этого к контурам обоих гетеродинов одновременно подключают по одной секции проверяемого блока конденсаторов и при их максимально введённой ёмкости добиваются нулевых биений. Если обе секции одинаковы, то при сопряжённом уменьшении их ёмкостей нулевые биения должны сохраняться.

Однозначная связь между ёмкостью колебательного контура генератора и частотой возбуждаемых колебаний позволяет создать измеритель ёмкостей, состоящий из генератора, в контур которого включаются конденсаторы C_x, и частотомера, имеющего шкалу с непосредственным отсчётом значений С_x.

Во всех вариантах применения резонансного метода предварительную регулировку измерительной схемы следует выполнять при подключённых к ней проводниках связи с объектом измерений, длина которых должна быть возможно меньшей.

Меерсон А. М.

BACK