Методы контроля емкости конденсаторов

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.

 

2.4 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. 5(а) приведена схема многопредельного магазинного моста. Его уравновешивают с помощью конденсатора переменной ёмкости С₁ и переменного резистора R₁. Применяя к данной схеме условие равновесия (3), получаем

,    (9)

Учитывая, что φ₂ = φ₃ = 0, второе условие равновесия (4) можно записать в виде равенства φ_x = φ₁ или tg φ_x = tg φ₁ или, согласно формуле (8),

,   (10)

Решая совместно приведённые выше уравнения, находим:

,   (11)

(12)

 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. 5 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. 5, б). Из формул (11) и (12) 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:

,   (13)

который при фиксированной частоте F однозначно определяется значением сопротивления R₁. В справедливости последней формулы легко убедиться, если перемножить соответственно левые и правые части равенств (11) и (12).

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 на рис. 6.

Рис. 6. Схема универсального реохордного моста для измерения сопротивлений, ёмкостей и индуктивностей

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. Произвести поверочный расчёт схемы  магазинного моста по рис. 5 (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.

 

2.5 Мостовой метод измерения параметров конденсаторов

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. 7) 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

,  (14)

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

Рис. 7. Схема измерения ёмкостей резонансным методом

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.

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. 7) 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 С_х = 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 С_х. При этом порядок измерений остаётся прежним, но измеряемая ёмкость подсчитывается по формуле

,  (15)

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:

,

Например, при С_п = 2000 пФ, С_м = 500 пФ и С_н = 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. 8. Схема резонансного измерителя ёмкостей, использующего явление поглощения

На рис. 8 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. 8) 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 9. 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. 9) 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.