Как измерить ёмкость конденсатора мультиметром?

Что такое конденсатор?

Если взглянуть на статистику, то больше половины рекомендаций по ремонту оборудования связано с неисправностью такого элемента, как конденсатор. Этот прибор составляет большое количество различных электросхем. Принцип функционирования сводится к поэтапному накоплению электроэнергии с различным потенциалом между обкладками и последующим быстрым разрядом.

Существует большое количество конденсаторов, которые отличаются между собой по габаритам и другим параметрам

Выделяют два наиболее известных типа конденсаторов, которые устанавливаются в современных схемах:

1. Полярные (электролитические). Такое название они получили потому, что при подключении в схему требуется задать определенную полярность: «плюс» к «плюсу», а «минус» к «минусу».
2. Неполярные. К этой группе относятся любые другие варианты конденсаторов.

Общепринятое обозначение этого элемента на схемах отчетливо показывает его принцип работы.

Расположенные на расстоянии обкладки (пластинки) обладают свойством накопления зарядов

Строение этого электронного компонента простое – он состоит из двух покрытых изоляционным слоем обкладок, которые проводят ток. С целью изоляции используют всевозможные материалы и компоненты, которые не проводят электричество: кислород, пластинки из керамики, специальную целлюлозу, фольгу.

По внешнему виду такие элементы отличаются миниатюрным размером при внушительной емкости, поэтому в процессе работы с ними следует соблюдать технику безопасности.

Принцип функционирования

Работа такого элемента, как конденсатор, основывается на том, что находясь в электрической схеме, он способствует накоплению зарядов. Это необходимо только в тех схемах, где происходит распределение составляющих тока (переменный ток). В то время как в схемах с постоянным током конденсатор не сможет накапливать энергию.

Где применяется?

Устанавливают конденсаторы различных видов в радиосхемы и бытовые приборы. Как правило, эти устройства имеют небольшую емкость, поэтому их неисправность не провоцирует тяжелых последствий.

Конденсаторы имеются в электросхемах различных приборов

Крупногабаритные конденсаторы составляют различные электрические двигатели, где являются элементами пуска. В данном случае они отличаются большим номиналом и такой же емкостью.

Проверка на отсутствие внутреннего обрыва

Обрыв – распространенный дефект конденсатора, при котором один из его электродов теряет электрическое соединение с обкладкой и фактически превращается в короткий, ни с чем не соединенный (висящий в воздухе), проводник. Чаще всего обрыв происходит из-за превышения рабочего напряжения конденсатора. Этим грешат не только электролитические конденсаторы, но и специальные помехоподавляющие конденсаторы типа Y (они, кстати говоря, специально так спроектированы, чтобы уходить в отрыв, а не в КЗ).

Конденсатор с внутренним обрывом внешне ничем не отличается от исправного, кроме случаев, когда ножку физически оторвали от корпуса. Разумеется, в случае отрыва одного из выводов от обкладки конденсатора, емкость такого конденсатора становится равной нулю. Поэтому суть проверки на обрыв состоит в том, чтобы уловить хоть малейшие признаки наличия емкости у проверяемого конденсатора.

Способ №1: исключение обрыва через звуковой сигнал в режиме прозвонки

Включить мультиметр в режим прозвонки, прикоснуться щупами к выводам конденсатора и в этот момент мультиметр должен издать непродолжительный писк. Иногда звук настолько короткий (зависит от емкости конденсатора), что больше похож на щелчок и нужно очень постараться, чтобы его услышать. Небольшой лайфхак: чтобы увеличить продолжительность звукового сигнала при прозвонке совсем маленьких конденсаторов, нужно предварительно зарядить их отрицательным напряжением, приложив щупы мультиметра в обратном порядке.

Тогда при последующей прозвонке мультиметру сначала придется перезарядить конденсатор от какого-то отрицательного напряжения до нуля, и только потом – от нуля до момента отключения пищалки. На все это уйдет значительно больше времени, а значит сигнал будет звучать дольше и его проще будет расслышать. Из своей практике могу сказать, что с помощью уловки, описанной выше, мне удавалось уловить реакцию мультиметра на конденсатор емкостью всего лишь 0.1 мкФ (или 100 нФ)!

Способ №2: увеличение сопротивления постоянному току как признак отсутствия обрыва

По мере заряда конденсатора от внутреннего источника мультиметра, его сопротивление будет постоянно расти до тех пор, пока не выйдет за пределы диапазона измерения. Если такой эффект наблюдается, значит обрыва нет. Кстати говоря, может так оказаться, что рост сопротивления остановится на значении от единиц до пары десятков МОм – для конденсаторов с жидким электролитом (кроме танталовых) это абсолютно нормально. Для остальных конденсаторов сопротивление утечки должно быть больше, как минимум, на порядок.

При измерении таких высоких сопротивлений необходимо следить за тем, чтобы не касаться пальцами сразу обоих измерительных щупов. Иначе сопротивление кожи внесет свои коррективы и исказит все результаты. С помощью измерения сопротивления на пределе 200 МОм мне удавалось однозначно определить отсутствие обрыва в конденсаторах емкостью всего 0.001 мкФ (или 1000 пФ).

Способ №3: измерение остаточного напряжения для исключения внутреннего обрыва

Затем мы быстро переключаем мультиметр в режим измерения постоянного напряжения на самом чувствительном диапазоне и, не мешкая слишком долго, снова прикладываем щупы к конденсатору, чтобы измерить на нем напряжение. Если у кондера есть хоть какая-нибудь вразумительная емкость, то мультиметр успеет показать напряжение, до которого был заряжен конденсатор. Этим способом мне удавалось с помощью обычного цифрового мультиметра M890D отловить емкость вплоть до 470 пФ (0.00047 мкФ)!

Это очень маленькая емкость. Вообще говоря, это наиболее эффективный метод прозвонки конденсаторов. Таким способ можно проверять кондеры любой емкости – от малюсеньких до самых больших, а также любого типа – полярные, неполярные, электролитические, пленочные, керамические, оксидные, воздушные, металло-бумажные и т.д. Правда, если конденсатор имеет совсем маленькую емкость, до 470 пФ, то, увы, проверить его на обрыв без специального прибора, вроде упомянутого ранее LC-метра, никак не получится.

Виды конденсаторов

Конденсаторы различаются по целому ряду параметров: по конфигурации, по типу диэлектрика, по материалу обкладок, по виду изменения емкости (постоянные, переменные, подстрочные), по рабочему напряжению. Ниже на рисунке рассмотрим основные виды электрических устройств различной конфигурации.

Плоский

Плоский вид устройства, – это две пластины, которые располагаются параллельно друг против друга. Они отличаются компактностью, сохраняя при этом большую емкость.

Для расчета емкости плоского конденсатора следует пользоваться формулой C = εεS / d

Сферический

Сферический конденсатор это две концентрично расположенные сферы с находящимся между ними тонким диэлектриком. Наружную поверхность внешней обкладки заземляют для создания электрического поля непосредственно между обкладками. С учетом геометрии обкладок расчет емкости сферического конденсатора производится по формуле

C = 4πεεRr/ R — r, где R — радиус наружной обкладки, r — радиус внутренней.

Цилиндрический

Цилиндрический конденсатор выполнен из двух полых цилиндров с разными радиусами образующих их окружностей с общей осью. Между наружной поверхностью малого цилиндра и внутренней поверхностью большого находится диэлектрик. Для расчета емкости цилиндрического конденсатора можно воспользоваться формулой C = 2πєє0L/ ln (R2/R1),

где L — длина цилиндрических обкладок,

R2 — радиус наружного цилиндра,

R1 — радиус внутреннего цилиндра,

ln — обозначение логарифмического действия.

Пошаговая инструкция проверки конденсатора мультиметром

Наиболее распространенная проблема, связанная с конденсатором — пробой, который приводит к снижению сопротивления в диэлектрике.

Неисправность можно определить с помощью внешнего осмотра на факт вздутия, потемнения или появления черных пятен, а также более глубокой проверки с помощью прибора.

Изучение конденсатора на факт исправности возможно после выпаивания или прямо на плате. Ниже приведем разные варианты выполнения этой работы.

Внешний осмотр

Во многих ситуациях достаточно одного взгляда, чтобы определить неисправность детали. В этом случае можно ускорить проверку и избежать применения мультиметра.

Конденсатор нужно поменять в следующих случаях:

• вздутие;
• течь жидкости изнутри;
• вмятины или механические повреждения;
• сколы или трещины (характерно для керамических изделий).

При выявления любого из указанных выше повреждений использовать деталь запрещено, и ее нужно поменять.

Проверка мультиметра полярного конденсатора

Проверке подлежат конденсаторы емкостью больше 0,25 мкФ.

Сопротивление таких емкостей небольшое, поэтому при выборе диапазона важно быть внимательным.

Во многих мультиметрах предельный диапазон равен 100 кОм, а у более мощных он может достигать 1 мОм.

Алгоритм действий, следующий:

1. Снимите оставшийся заряд путем выкорачивания. Как это сделать правильно, рассмотрено выше.
2. Установите подходящий предел измерений и подключите устройство к конденсатору с учетом «плюса» и «минуса» (руками к щупам касаться запрещено).
3. Смотрите на параметр, указанный на экране. Он должен составлять более 100 кОм.

Отметим, что весь период замера параметр сопротивления будет меняться в большую сторону. Эта особенность будет заметна на экране.

Это связано с тем, что конденсатор заряжается от мультиметра, а в конечном итоге достигает отметки «1».

Если цифра «1» появится сразу, то это будет указывать на обрыв внутренней цепи.

Если показания не изменились, а прибор начал издавать звук, значит произошло короткое замыкание.

Проверка мультиметром неполярного конденсатора

На контроль неполярного конденсатора необходимо еще меньше времени.

Сделайте следующие шаги:

1. Снимите оставшийся заряд подручным инструментом, к примеру, отверткой.
2. Установите на мультиметре предел измерения в мегаомах.
3. Коснитесь щупами к выводам емкости.
4. При наличии сопротивления меньше 2 Мом конденсатор можно выбросить.

Особенность неполярных устройств в том, что в них не требуется соблюдение полярности. Для сравнения можно взять два устройства, чтобы один гарантированно был целым.

Если нужно проверить деталь с емкость до 0,5 мкФ, с помощью измерительного прибора сделать это не выйдет. В таком случае мультиметр будет показывать КЗ.

Для проверки неполярного конденсатора напряжением более 400 В работа делается после зарядки от источника, который защищен от короткого замыкания.

Последовательно с конденсатором подключается резистор, который рассчитан на сопротивление больше 100 Ом. Применение такого элемента позволяет уменьшить первичный бросок тока.

Существует также метод проверки на искру. В таком случае устройство нужно зарядить до рабочей величины, а после закоротить выводы с помощью отвертки (ручка инструмента должна быть изолирована).

По интенсивности искрения можно приблизительно узнать о силе разряда (для конденсаторов с небольшой емкостью, смотрите меры безопасности).

Сразу после заряда можно изменить напряжение. Конденсатор исправен, если он длительное время сохраняет заряд.

Разрядка устройства происходит постепенно через резистор. По причине сильного искрения разрядить его, к примеру, отверткой не получится.

Использование аналоговых измерителей

Для проверки конденсатора не обязательно иметь новый и современный мультиметр. Можно использовать обычную Ц4313, если она осталась со времен СССР или YX-1000A.

Способ измерения такой же, но сами проверки более наглядны с визуальной точки зрения.

Здесь нужно смотреть не на цифры, а на движение стрелки прибора.

Для проверки сделайте следующее:

1. Жмите на кнопку RX.
2. Вставьте щупы в специальные разъемы.
3. Берите конденсатор и разрядите его.
4. Прикоснитесь щупами к конденсатору.
5. Если деталь исправна, стрелка будет отклоняться, а потом плавно вернется в первоначальную позицию. Скорость движения зависит от емкости проверяемого конденсатора.

Если при проверке стрелка не отклоняется или зависла в конкретной позиции, это свидетельствует о неисправности детали.

Проверка мультиметром

При помощи мультиметра проверяют два параметра конденсатора: внутреннее сопротивление и емкость.

Внутреннее сопротивление (проверка на пробой и обрыв цепи)

Мультиметр переводят в режим измерения сопротивления путем установки переключателя в сектор «Ω» на верхнюю позицию — у разных моделей это 2 или 20 МОм.

Далее касаются щупами выводов конденсатора. Если тот исправен, происходит следующее:

• вначале мультиметр показывает низкое сопротивление — конденсатор заряжается подаваемым на щупы напряжением;
• по мере увеличения заряда в конденсаторе, сопротивление постепенно возрастает и в конце концов достигает очень высокой величины: на дисплее — значение свыше 2 МОм или «1» (символ бесконечности).

Иное поведение прибора свидетельствует о неисправности элемента, когда сопротивление:

1. оказалось ниже 2 МОм: конденсатор пробит (появилась проводимость в диэлектрике между обкладками);
2. сразу стало бесконечно большим: обрыв вывода.

Конденсаторы делятся на два типа: полярные и неполярные. Первые чувствительны к полярности измерений и если ее перепутать, подав на «минусовый» вывод положительный потенциал, а на «плюсовой» — отрицательный, выходят из строя. «Минусовый» вывод распознают по отметке в виде «птички» на корпусе конденсатора.

В мультиметре потенциалы распределяются так:

• порт «COM» — отрицательный: по негласному правилу сюда включают черный щуп;
• порт «V/ Ω» — положительный: принято включать красный щуп.

При измерении сопротивления неполярного конденсатора полярность можно поменять. Элемент перезаряжается и показания на мультиметре снова возрастают от малых величин до 2 МОм и более.

При наличии заведомо исправного конденсатора той же марки, состояние исследуемого проверяют методом сравнения:

• замеряют сопротивление исправного конденсатора;
• то же самое выполняют для исследуемого элемента;
• сравнивают скорость изменения показаний на мультиметре.

Для этого метода более подходит аналоговый (стрелочный) тестер: плавно отклоняющаяся стрелка четко отражает изменение сопротивления в режиме реального времени.

Конденсатор проверяется в разряженном состоянии, иначе возможна электротравма или повреждение мультиметра.

Способ разряда зависит от емкости:

• малая (низкое напряжение): закорачивают выводы отверткой;
• большая (высокое напряжение): замыкают выводы резистором сопротивлением 10 кОм.

Резистор удерживают инструментом с изолированными ручками.

Емкость

Измерение емкости возможно при наличии в мультиметре специальной функции. У таких приборов на лицевой панели имеется сектор «CX».

Конденсатор подключается двумя способами:

1. у некоторых моделей имеются разъемы для щупов с пометкой «CX»;
2. у других в сектор «CX» выведены две контактные площадки с пометками «+» и «-».

При контакте щупов или площадок с выводами конденсатора на дисплее отображается значение емкости. Полученные данные сравнивают с числовым показателем, указанным на корпусе конденсатора, после чего делают вывод о его пригодности.

Мультиметр

Переключатель должен быть установлен в секторе «CX» на позиции с ближайшим большим значением по отношению к ожидаемой емкости. Обычно в секторе имеется 5 позиций со данными от 20 нФ до 200 мкФ.

Данный способ контроля не подходит для конденсаторов емкостью менее 0,25 мкФ. Их проверяют специальным устройством — LC-метром.

При отсутствии функции определения емкости, конденсатор проверяют так:

1. Заряжают его от источника постоянного тока. Напряжение источника — примерно вдвое меньше напряжения конденсатора. Для элемента на 25 В достаточно источника на 9 – 12 В.
2. Выждав несколько секунд, чего обычно достаточно для полной зарядки, радиодеталь отключают от питания и мультиметром замеряют напряжение на ее выводах.

Измеритель настраивается следующим образом:

• черный щуп включен в порт «COM»;
• красный — в порт «V/Ω»;
• переключатель: в сектор измерения постоянного напряжения («DCV» или «V-») на позицию с ближайшим большим значением относительно ожидаемого напряжения конденсатора.

Важно успеть прочитать первые показания, поскольку напряжение постепенно будет снижаться — конденсатор разряжается через мультиметр.

По маркировке

Напомним, что единицей емкости в системе СИ является фарада ( обозначается F или Ф). Это очень большая величина, поэтому на практике используются дольные величины:

• миллифарады (mF, мФ ) = 10-3 Ф;
• микрофарады (µF, uF, mF, мкФ) = 10-3 мФ = 10-6 Ф;
• нанофарады (nF, нФ) = 10-3 мкФ =10-9 Ф;
• пикофарады (pF, mmF, uuF) = 1 пФ = 10-3 нФ = 10-12 Ф.

Мы перечислили название единиц и их сокращённое обозначение потому, что они часто встречаются в маркировке крупных конденсаторов (см. рис. 6).

Рис. 6. Маркировка крупных конденсаторов

Обратите внимание на маркировку плоского конденсатора (второй сверху): после трёхзначной цифры стоит буква М. Данная буква не обозначает единицы измерения «мегафарад» – таких просто не существует

Буквами обозначены допуски, то есть, процент отклонения от ёмкости, обозначенной на корпусе. В нашем случае отклонение составляет 20% в любую сторону. Надпись 102М на большом корпусе можно было бы написать: 102 нФ ± 20%.

Теперь расшифруем надпись на корпусе третьего изделия. 118 – 130 MFD обозначает, что перед нами конденсатор, ёмкость которого находится в пределах 118 – 130 микрофарад. В данном примере буква М уже обозначает «микро». FD – обозначает «фарады», сокращение английского слова «farad».

На этом простом примере видно, какая большая путаница в маркировке. Особенно запутана кодовая маркировка, применяемая для крохотных конденсаторов. Дело в том, что можно встретить конденсаторы, маркировка которых выполнена старым способом и детали с современной кодировкой, в соответствии со стандартом EIA. Одни и те же символы можно по-разному интерпретировать.

По стандарту EIA:

Две цифры и одна буква. Цифры обозначают ёмкость, обычно в пикофарадах, а буква – допуски.
Если буква стоит на первом или втором месте, то она обозначает либо десятичную запятую (символ R), либо указывает на название единицы измерения («p» – пикофарад, «n» – нанофарад, «u» – микрофарад). Например: 2R4 = 2.4 пФ; N52 = 0,52 нФ; 6u1 = 6,1 мкф.
Маркировка тремя цифрами

В данном коде обращайте внимание на третью цифру. Если её значение от 0 до 6, то умножайте первые две на 10 в соответствующей степени

При этом 100 =1; 101 = 10; 102 = 100 и т. д. до 106.

Цифры от 7 до 9 указывают на показатель степени со знаком «минус»: 7 условно = 10-3; 8 = 10-2; 9 = 10-1.

Пример:

• 256 обозначает: 25× 105 = 2500 000 пФ = 2,5 мкФ;
• 507 обозначает: 50 × 10-3 = 50 000 пФ = 0, 05 мкФ.

Возможна и такая надпись: «1B253». При расшифровке необходимо разбить код на две части – «1B» (значение напряжения) и 253 = 25 × 103 = 25 000 пФ = 0,025 мкФ.

В кодовой маркировке используются прописные буквы латинского алфавита, указывающие допуски. Один пример мы рассмотрели, анализируя маркировку на рис. 6.

Приводим полный список символов:

• B = ± 0,1 пФ;
• C = ± 0,25 пФ;
• D = ± 0,5 пФ или ± 0,5% (если емкость превышает 10 пФ).
• F = ± 1 пФ или ± 1% (если емкость превышает 10 пФ).
• G = ± 2 пФ или ± 2% (для конденсаторов от 10 пФ»).
• J = ± 5%.
• K = ± 10%.
• M = ± 20%.
• Z = от –20% до + 80%.

Изделия с кодовой маркировкой изображены на рис. 7.

Рис. 7. Пример кодовой маркировки

Если в кодировке отсутствует символ из приведённого выше списка, а стоит другая буква, то она может единицу измерения емкости.

Важным параметром является его рабочее напряжение конденсатора. Но так как в данной статье мы ставим задачу по определению ёмкости, то пропустим описание маркировки напряжений.

Отличить электролитический конденсатор от неполярного можно по наличию символа «+» или «–» на его корпусе.

Цветовая маркировка

Описывать значение каждого цвета не имеет смысла, так как это понятно из следующей таблицы (рис. 8):

Рис. 8. Цветовая маркировка

Запомнить символику кодовой и цветовой маркировки довольно трудно. Если вам не приходится постоянно заниматься подбором конденсаторов, то проще пользоваться справочниками или обратиться к информации, изложенной в данной статье.

Осциллографом

С приемлемой точностью можно определить ёмкость конденсатора с помощью цифрового или обычного электронного осциллографа. Принцип похож на метод измерения ёмкости тестером. Разница только в том, что не потребуется секундомер, так как с высокой точностью время зарядки конденсатора отображается на экране осциллографа. Если применить генератор частоты и последовательную RC-цепочку (рис. 4), то ёмкость можно рассчитать по простой формуле: C = UR / UC* ( 1 / 2*π*f*R )

Рис. 4. Простая схемаАлгоритм вычисления простой:

1. Подключите осциллограф к электрической схеме. При подключении щупов прибора к электролитам соблюдайте полярность электрического тока.
2. Измерьте амплитуды напряжений на конденсаторе и на резисторе.
3. Путём подстройки частоты генератора добивайтесь, чтобы значения амплитуд на обоих элементах сравнялись (хотя бы приблизительно).
4. Подставьте полученные значения в формулу и вычислите ёмкость конденсатора.

При измерении ёмкостей неполярных конденсаторов часто вместо RC-цепочки собирают мостовую схему с частотным генератором (показано на рис. 5), а также другие сборки. Сопротивления резисторов подбирают в зависимости от параметров номинальных напряжений измеряемых деталей. Ёмкость вычисляют из соотношения: r4 / Cx = r2 / C0.

Рисунок 5. Мостовая схема

Как можно проверить конденсатор тестером

Тестер отличается от мультиметра наличием стрелочного измерительного механизма. Он имеет достоинство, позволяющее выполнить процесс диагностики нагляднее. При проверке тестером его стрелка плавно отслеживает изменение сопротивления проверяемой детали, что дает возможность контролировать процесс заряда в подробностях. Будут зафиксированы изменения скорости заряда, рывки, связанные с кратковременными пробоями обкладок, которые при использовании мультиметра невозможно увидеть.

Методика проверки конденсаторов тестером ничем не отличается от той, что применяется для мультиметра.

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.