Тест. Свободные электромагнитные колебания. 11кл. Вариант Изменение заряда конденсатора в колебательном контуре происходит по закону q=10 -4

Тест. Свободные электромагнитные колебания. 11кл. Вариант 1.

1. Изменение заряда конденсатора в колебательном контуре происходит по закону q=10^-4cos 10πt (Кл). Чему равна частота электромагнитных колебаний в контуре?

А. 10 Гц. Б. 10π Гц. В. 5 Гц.

2. Изменение заряда конденсатора в колебательном контуре происходит по закону q= 10^-4 sin10⁵ πt (Кл). Чему равна амплитуда силы тока в контуре?

А. 10π А. Б. 10 А. В. 10^-4 А.

3. Как изменится период электромагнитных колебаний в колебательном контуре, если емкость конденсатора увеличить в 4 раза?

А. Увеличится в 2 раза. Б. Уменьшится в 2 раза. В. Увеличится в 4 раза.

4. В магнитном поле с индукцией 0,25 Тл перпендикулярно линиям индукции со скоростью 5 м/с движется проводник длиной 2 м.

Чему равна ЭДС индукции в проводнике?

А. 250 В. Б. 2,5 В. В. 0,4 В.

5. За 3 с магнитный поток, пронизывающий проволочную рамку, равномерно увеличился с 6 Вб до 9 Вб. Чему равно при этом значение ЭДС индукции в рамке?

А. 1 В. Б. 3 В. В. 6 В.

6. В цепь переменного тока с частотой 400 Гц включена катушка индуктивностью 0.1 Гн. Какой емкостью конденсатор надо включить в эту цепь, чтобы осуществлялся в резонанс?

А. 3,2 мкФ. Б. 1,6 мкФ. В. 0.8 мкФ.

Тест. Свободные электромагнитные колебания. Вариант 2

1. Изменение заряда конденсатора в колебательном контуре происходит по закону q=10^-4 sin 100πt (Кл). Чему равна частота электромагнитных колебаний в контуре?

А. 50 Гц. Б. 100π Гц. В. 100 Гц.

2. Изменение заряда конденсатора в колебательном контуре происходит по закону q=10^-2sin 10³ πt (Кл). Чему равна амплитуда силы тока в контуре?

А. 10 А. Б. 10π А. В. 10^-2 А.

3. Во сколько раз изменится частота собственных колебаний в колебательном контуре, если емкость конденсатора увеличить в 25 раз, а индуктивность катушки уменьшить в 16 раз?

А. Увеличится в 4 раза. Б. Уменьшится в 1,25 раза. В. Не изменится

4. В магнитном поле с индукцией 0,5 Тл перпендикулярно линиям индукции со скоростью 4 м/с движется проводник длиной 0,5 м. Чему равна ЭДС индукции в проводнике?

А. 100 В. Б. 10 В. В. 1 В.

5. За 2 с магнитный поток, пронизывающий проволочную рамку, равномерно уменьшился с 9 Вб до 3 Вб. Чему равно при этом значение ЭДС индукции в рамке?

А. 4 В. Б. 3 В. В. 2 В.

6. В цепь переменного тока с частотой 50 Гц включен конденсатор емкостью 10 ^-6 Ф. Какой индуктивности катушку надо включить в эту цепь, чтобы осуществился резонанс? А. 20 Гн. Б. 1 Гн. В. 10 Гн.

Единица измерения заряда конденсатора

Фарад
Ф, F
Величина	электрическая ёмкость
Система	СИ
Тип	производная

Фара́д (русское обозначение: Ф; международное обозначение: F; прежнее название — фара́да) — единица измерения электрической ёмкости в Международной системе единиц (СИ), названная в честь английского физика Майкла Фарадея [1] . 1 фарад равен ёмкости конденсатора, при которой заряд 1 кулон создаёт между его обкладками напряжение 1 вольт :

Через основные единицы системы СИ фарад выражается следующим образом:

В соответствии с правилами СИ, касающимися производных единиц, названных по имени учёных, наименование единицы «фарад» пишется со строчной буквы, а её обозначение — с заглавной (Ф). Такое написание обозначения сохраняется и в обозначениях производных единиц, образованных с использованием фарада. Например, обозначение единицы измерения абсолютной диэлектрической проницаемости «фарад на метр» записывается как Ф/м.

В Международную систему единиц фарад введён решением XI Генеральной конференции по мерам и весам в 1960 году, одновременно с принятием системы СИ в целом [2] .

Фарад — очень большая ёмкость для уединённого проводника: ёмкостью 1 Ф обладал бы уединённый металлический шар, радиус которого равен 13 радиусам Солнца (ёмкость же шара размером с Землю, используемого как уединённый проводник, составляла бы около 710 микрофарад).

Содержание

Область применения [ править | править код ]

В фарадах измеряют электрическую ёмкость проводников, то есть их способность накапливать электрический заряд. Например, в фарадах (и производных единицах) измеряют: ёмкость кабелей, конденсаторов, межэлектродные ёмкости различных приборов. Промышленные конденсаторы имеют номиналы, измеряемые в микро-, нано- и пикофарадах и выпускаются ёмкостью до ста фарад; в звуковой аппаратуре используются гибридные конденсаторы ёмкостью до сорока фарад. Ёмкость т. н. ионисторов (супер-конденсаторов с двойным электрическим слоем) может достигать многих килофарад.

Не следует путать электрическую ёмкость и электрохимическую ёмкость батареек и аккумуляторов, которая имеет другую природу и измеряется в других единицах: ампер-часах, соразмерных электрическому заряду (1 ампер-час равен 3600 кулонам).

Эквивалентное представление [ править | править код ]

Фарад может быть выражен через основные единицы системы СИ как:

Таким образом, его значение равно:

Ф = Кл·В −1 = А·с·В −1 = Дж·В −2 = Вт·с·В −2 = Н·м·В −2 = Кл 2 ·Дж −1 = Кл 2 ·Н −1 ·м −1 = с 2 ·Кл 2 ·кг −1 ·м −2 = с 4 ·А 2 ·кг −1 ·м −2 = с·Ом −1 = Ом −1 ·Гц −1 = с 2 ·Гн −1 ,

где Ф — фарад , А — ампер , В — вольт , Кл — кулон , Дж − джоуль , м — метр , Н — ньютон , с — секунда , Вт — ватт , кг — килограмм , Ом — ом , Гц — герц , Гн — генри .

Кратные и дольные единицы [ править | править код ]

Образуются с помощью стандартных приставок СИ.

Конденсатор представляет собой электрическое устройство, которое обладает возможностью накапливать заряд, состоит из обкладок и слоя диэлектрика между ними. Одной из важнейших характеристик прибора является ёмкость.

Единица измерения емкости

В Международной системе СИ за единицу измерения ёмкости конденсатора принимают фарад:

[C] = Ф, где С – обозначение ёмкости устройства.

Международное обозначение – F. Названа в честь английского физика М.Фарадея и используется в Международной системе СИ с 1960г.

Формула для расчёта электроёмкости записывается следующим образом:

• Dq – заряд (измеряется в кулонах, или Кл),
• U – разность потенциалов между обкладками (измеряется в вольтах или В).

Следовательно, 1Ф = 1Кл / 1В.

То есть конденсатор ёмкостью в 1 фарад накапливает на обкладках заряд, равный 1 кулон, создавая напряжение между ними, равное 1 вольт.

В фарадах измеряются электроёмкости проводников и конденсаторов.

Согласно правилам написания, принятых в СИ, если название происходит от фамилии учёного, то полное её название «фарад» пишется с маленькой (строчной) буквы, а её сокращённое название «Ф» – с прописной.

Единица измерения электроёмкости в других системах

Помимо СИ, есть ещё устаревшая система СГС, которой пользовались ранее. Первые три символа в названии обозначают:

Существует две разновидности системы: СГСЭ и СГСМ. Символ Э в СГСЭ обозначает электростатическую систему, а символ М – магнитную. В системе СГСЭ емкость конденсатора измеряется в сантиметрах, или см. Для пересчёта используют соотношение:

• 1см » 1,1126 · 10-12Ф,
• 1Ф » 8,99 · 1011 статФ.

Сантиметр по-другому может называться статфарад, или статФ.

В системе СГСМ единицей измерения является абфарад, или абФ. Абфарад связан с фарадом следующим образом:

1абф = 1·109 Ф = 1ГФ.

Для перевода из СГСЭ и СГСМ в СИ в сети Интернет имеются специальные сервисы, которые позволяют автоматизировать эти действия.

Онлайн переводчик из СГС в СИ

Фарады через основные единицы системы СИ

Для выражения фарады через основные единицы СИ воспользуемся следующими формулами.

Единица измерения заряда вычисляется как:

Dq = I · Dt (2), где:

• I – сила тока (измеряется в амперах или А),
• Dt – время прохождения заряда (измеряется в секундах или с).

В свою очередь, напряжение определяется как работа, которую нужно выполнить для перемещения заряда в электростатическом поле:

U = А / Dq (3), где А – работа по перемещению заряда, определяется в джоулях, или Дж.

Из механики известно, что:

А = F · s = m · a · s (4), где:

• m – масса, измеряется в килограммах, или кг,
• s – перемещение, рассчитывается в метрах, или м,
• a – ускорение, определяется в м/с2.

Из формул 1-4 имеем:

Таким образом, 1 фарад через единицы СИ определяется как:

Кратные единицы ёмкости

При покупке радиодеталей невозможно купить конденсатор с электроёмкостью даже в несколько единиц фарад. Они выпускаются с гораздо меньшими параметрами. Это объясняется тем, что ёмкость в 1 фарад является очень большой величиной. Например, такую электроёмкость может иметь изолированный проводник в форме шара с радиусом в 13 раз больше радиуса Солнца.

Именно по этой причине для характеристики емкостных устройств применяют дольные единицы, которые рассчитываются как доля от определённого числа фарад. Для обозначения используют приставки, которые применяются для сокращения длины записываемого числа.

Таблица перевода дольных единиц

Приставка	Обозначение		Множитель
деци	дФ	dF	10^-1
санти	сФ	sF	10^-2
милли	мФ	mF	10^-3
микро	мкФ	F или uF	10^-6
нано	нФ	nF	10^-9
пико	пФ	pF, mmF, uuF	10^-12
фемто	фФ	fF	10^-15
атто	аФ	aF	10^-18
зепто	зФ	zF	10^-21
йокто	иФ	yF	10^-24

Таким образом, если параметр указывается равным 5 uF, то для перевода в фарады необходимо умножить цифру 5 на соответствующий множитель. Получаем 5 uF = 5 · 10-6 F.

В радиотехнике наиболее популярны модели, ёмкость которых измеряется в микрофарадах, нанофарадах (микромикрофарадах) или пикофарадах.

Также промышленность выпускает устройства ионисторы, которые представляют собой конденсаторы, имеющие двойной электрический слой. У некоторых ионисторов ёмкость может измеряться в килофарадах.

Ионистор с характеристикой в 1F

Маркировка конденсаторов в зависимости от ёмкости

Кодировка маленьких по размерам устройств

Существует специальная цифровая кодировка. Её используют для маркировки маленьких по размерам приборов. Кодировка электроёмкости выполняется согласно стандарту EIA.

Внимание! Ёмкость небольших конденсаторов, например, керамических или танталовых, обычно измеряется в пикофарадах, а больших, например, алюминиевых электролитических, в микрофарадах.

Существует специальная таблица таких обозначений, с помощью которой можно быстро подобрать такую же или аналогичную радиодеталь по соответствующему коду. Её можно свободно найти в Интернете.

В старых маркировках использовалась следующая кодировка. Если нанесено целое двузначное число, значит, значение ёмкость измеряется в пикофарадах, а если нанесена десятичная дробь, значит, параметр определяется в микрофарадах.

Например, радиодеталь с параметром 1000 nF =1 uF будет иметь маркировку 105, с параметрами 820 nF = 0, 82 uF – маркировку 824, а 0,27 uF = 270nF будет обозначено кодом 274.

В настоящее время, если на устройстве нанесено значение, не содержащее буквы, то оно обозначает ёмкость в пикофарадах. Если перед цифрами или после них стоит символ «н» («n»), то это означает, что значение даётся в нанофарадах, если «мк» («m», «u») – микрофарадах. В том случае, когда символ располагается перед числом, цифры в нём обозначают сотые доли. Например, n61 расшифровывается как 0,61нФ. Если символ располагается посередине значения, то на место символа нужно поставить запятую. Сам символ покажет единицы измерения. Например, 5u2 обозначает 5,2 мкФ.

Также в настоящее время используется цифровая кодировка, содержащая три числа. Первые две цифры являются числовыми характеристиками ёмкости. Параметр при этом измеряется в пикофарадах. Если значение меньше 1, то первая цифра – 0. Третья цифра определяет множитель, на который нужно умножить число, получаемое из первых двух цифр.

В случае, когда последнее число находится в диапазоне от 0 до 6, к значению дописывают количество нулей, равное третьей цифре. Например, если указано число 270, то устройство имеет параметр 27 пФ, если 271 – то на 270 пФ.

Если число равно 8, то в этом случае множитель равен 0,01. То есть если указано число 278, то ёмкость будет равна 27 · 10-2 = 0,27. Когда третье число равно 9, то множитель будет 0,1. Например, маркировка 109 указывает на электроёмкость в 1 пФ.

Если в кодировке присутствует символ «R», то параметр указывается в пикофарадах, а символ показывает место расположения запятой. Например, 4R1 расшифровывается как 4,1пФ.

Кодировка больших по размерам устройств

На больших по габаритным размерам конденсаторах маркировка наносится сверху на корпус, причём в данном случае будет присутствовать полная информация о параметрах устройства.

В обозначениях может встречаться значение MF. В приставках Международной системы единиц СИ если перед единицей измерения располагается большая буква М, то это обозначает, что должен использоваться множитель 106. В случае с конденсатором это всё равно будет обозначать микрофарады.

Также может встречаться обозначение МFD или mfd. В данном случае сочетание символов «fd» обозначает farad. Таким образом, если на корпусе написано 5 mfd, то значит, что конденсатор используется на 5 микрофарад.

Маркировка больших по размерам конденсаторов

Таким образом, при ремонте электросхемы, содержащей конденсатор, нужно правильно читать маркировку устройства и соответственно информации подбирать нужный прибор.

Видео

Конденсатор – электронный компонент, предназначенный для накопления электрического заряда. Способность конденсатора накапливать электрический заряд зависит от его главной характеристики – емкости. Емкость конденсатора (С) определяется как соотношение количества электрического заряда (Q) к напряжению (U).

Емкость конденсатора измеряется в фарадах (F) – единицах, названых в честь британского ученого физика Майкла Фарадея. Емкость в один фарад (1F) равняется количеству заряда в один кулон (1C), создающему напряжение на конденсаторе в один вольт (1V). Вспомним, что один кулон (1С) равняется величине заряда, прошедшего через проводник за одну секунду (1sec) при силе тока в один ампер (1A).

Однако кулон, это очень большое количество заряда относительно того, сколько способно хранить большинство конденсаторов. По этой причине, для измерения емкости обычно используют микрофарады (µF или uF), нанофарады (nF) и пикофарады (pF).

• 1µF = 0.000001 = 10 -6 F

• 1nF = 0.000000001 = 10 -9 F

• 1pF = 0.000000000001 = 10 -12 F

Плоский конденсатор

Существует множество типов конденсаторов различной формы и внутреннего устройства. Рассмотрим самый простой и принципиальный — плоский конденсатор. Плоский конденсатор состоит из двух параллельных пластин проводника (обкладок), электрически изолированных друг от друга воздухом, или специальным диэлектрическим материалом (например бумага, стекло или слюда).

Заряд конденсатора. Ток

По своему предназначению конденсатор напоминает батарейку, однако все же он сильно отличается по принципу работы, максимальной емкости, а также скорости зарядки/разрядки.

Рассмотрим принцип работы плоского конденсатора. Если подключить к нему источник питания, на одной пластине проводника начнут собираться отрицательно заряженные частицы в виде электронов, на другой – положительно заряженные частицы в виде ионов. Поскольку между обкладками находиться диэлектрик, заряженные частицы не могут «перескочить» на противоположную сторону конденсатора. Тем не менее, электроны передвигаются от источника питания — до пластины конденсатора. Поэтому в цепи идет электрический ток.

В самом начале включения конденсатора в цепь, на его обкладках больше всего свободного места. Следовательно, начальный ток в этот момент встречает меньше всего сопротивления и является максимальным. По мере заполнения конденсатора заряженными частицами ток постепенно падает, пока не закончится свободное место на обкладках и ток совсем не прекратится.

Время между состояниями «пустого» конденсатора с максимальным значением тока, и «полного» конденсатора с минимальным значением тока (т.е. его отсутствием), называют переходным периодом заряда конденсатора.

Заряд конденсатора. Напряжение

В самом начале переходного периода зарядки, напряжение между обкладками конденсатора равняется нулю. Как только на обкладках начинают появляться заряженные частицы, между разноименными зарядами возникает напряжение. Причиной этому является диэлектрик между пластинами, который «мешает» стремящимся друг к другу зарядам с противоположным знаком перейти на другую сторону конденсатора.

На начальном этапе зарядки, напряжение быстро растет, потому что большой ток очень быстро увеличивает количество заряженных частиц на обкладках. Чем больше заряжается конденсатор, тем меньше ток, и тeм медленнее растет напряжение. В конце переходного периода, напряжение на конденсаторе полностью прекратит рост, и будет равняться напряжению на источнике питания.

Как видно на графике, сила тока конденсатора напрямую зависит от изменения напряжения.

Формула для нахождения тока конденсатора во время переходного периода:

• Ic — ток конденсатора

• C — Емкость конденсатора

• ΔVc/Δt – Изменение напряжения на конденсаторе за отрезок времени

Разряд конденсатора

После того как конденсатор зарядился, отключим источник питания и подключим нагрузку R. Так как конденсатор уже заряжен, он сам превратился в источник питания. Нагрузка R образовала проход между пластинами. Отрицательно заряженные электроны, накопленные на одной пластине, согласно силе притяжения между разноименными зарядами, двинутся в сторону положительно заряженных ионов на другой пластине.

В момент подключения R, напряжение на конденсаторе то же, что и после окончания переходного периода зарядки. Начальный ток по закону Ома будет равняться напряжению на обкладках, разделенном на сопротивление нагрузки.

Как только в цепи пойдет ток, конденсатор начнет разряжаться. По мере потери заряда, напряжение начнет падать. Следовательно, ток тоже упадет. По мере понижения значений напряжения и тока, будет снижаться их скорость падения.

Время зарядки и разрядки конденсатора зависит от двух параметров – емкости конденсатора C и общего сопротивления в цепи R. Чем больше емкость конденсатора, тем большее количество заряда должно пройти по цепи, и тем больше времени потребует процесс зарядки/разрядки ( ток определяется как количество заряда, прошедшего по проводнику за единицу времени). Чем больше сопротивление R, тем меньше ток. Соответственно, больше времени потребуется на зарядку.

Продукт RC (сопротивление, умноженное на емкость) формирует временную константу τ (тау). За один τ конденсатор заряжается или разряжается на 63%. За пять τ конденсатор заряжается или разряжается полностью.

Для наглядности подставим значения: конденсатор емкостью в 20 микрофарад, сопротивление в 1 килоом и источник питания в 10В. Процесс заряда будет выглядеть следующим образом:

Устройство конденсатора. От чего зависит емкость?

Емкость плоского конденсатора зависит от трех основных факторов:

• Площадь пластин — A

• Расстояние между пластинами – d

• Относительная диэлектрическая проницаемость вещества между пластинами — ɛ

Площадь пластин

Чем больше площадь пластин конденсатора, тем больше заряженых частиц могут на них разместится, и тем больше емкость.

Расстояние между пластинами

Емкость конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Для того чтобы объяснить природу влияния этого фактора, необходимо вспомнить механику взаимодействия зарядов в пространстве (электростатику).

Если конденсатор не находится в электрической цепи, то на заряженные частицы, расположенные на его пластинах влияют две силы. Первая — это сила отталкивания между одноименными зарядами соседних частиц на одной пластине. Вторая – это сила притяжения разноименных зарядов между частицами, находящимися на противоположных пластинах. Получается, что чем ближе друг к другу находятся пластины, тем больше суммарная сила притяжения зарядов с противоположным знаком, и тем больше заряда может разместится на одной пластине.

Относительная диэлектрическая проницаемость

Не менее значимым фактором, влияющим на емкость конденсатора, является такое свойство материала между обкладками как относительная диэлектрическая проницаемость ɛ. Это безразмерная физическая величина, которая показывает во сколько раз сила взаимодействия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме.

Материалы с более высокой диэлектрической проницаемостью позволяют обеспечить большую емкость. Объясняется это эффектом поляризации – смещением электронов атомов диэлектрика в сторону положительно заряженной пластины конденсатора.

Поляризация создает внутренне электрическое поле диэлектрика, которое ослабляет общую разность потенциала (напряжения) конденсатора. Напряжение U препятствует притоку заряда Q на конденсатор. Следовательно, понижение напряжения способствует размещению на конденсаторе большего количества электрического заряда.

Ниже приведены примеры значений диэлектрической проницаемости для некоторых изоляционных материалов, используемых в конденсаторах.

• Бумага – от 2.5 до 3.5

• Стекло – от 3 до 10

• Слюда – от 5 до 7

• Порошки оксидов металлов – от 6 до 20

Номинальное напряжение

Второй по значимости характеристикой после емкости является максимальное номинальное напряжение конденсатора. Данный параметр обозначает максимальное напряжение, которое может выдержать конденсатор. Превышение этого значения приводит к «пробиванию» изолятора между пластинами и короткому замыканию. Номинальное напряжение зависит от материала изолятора и его толщины (расстояния между обкладками).

Следует отметить, что при работе с переменным напряжением нужно учитывать именно пиковое значение (наибольшее мгновенное значение напряжения за период). Например, если эффективное напряжение источника питания будет 50В, то его пиковое значение будет свыше 70В. Соответственно необходимо использовать конденсатор с номинальным напряжением более 70В. Однако на практике, рекомендуется использовать конденсатор с номинальным напряжением не менее в два раза превышающим максимально возможное напряжение, которое будет к нему приложено.

Ток утечки

Также при работе конденсатора учитывается такой параметр как ток утечки. Поскольку в реальной жизни диэлектрик между пластинами все же пропускает маленький ток, это приводит к потере со временем начального заряда конденсатора.

10.4. Измерение частоты методом заряда и разряда конденсатора

10.4. Измерение частоты методом заряда и разряда конденсатора

  Использование метода заряда и разряда конденсатора позволяет создавать простые в эксплуатации и недорогие частотомеры, работающие в диапазоне 0,02…1МГц , но имеющие сравнительно невысокую точность Их относительная приведенная погрешность может достигать 5 %. Принцип действия конденсаторного частотомера может быть пояснен с помощью схемы на рис 10.5,а. Входной периодический сигнал любой формы неизвестной частоты U(fx) преобразуется с помощью преобразователя в импульсный управляющий cигнал Uупр типа  меандр, имеющий ту  же частоту.

   На рис 10.6,б  показан простейший принцип преобразования входного синусоидального  колебания в колебание типа меандр Uупр и сопутствующие сигналы.  Сигнал Uупр управляет  ключом К: при положительной полярности ключ замкнут,при отрицательной – разомкнут.

 

При замкнутом  положении ключа  емкость С заряжается от источника напряжения E током iз , протекающим через сопротивление R1 и диод d1 . При разомкнутом ключе данная  емкость разряжается током iр , протекающим через диод d2, измерительный  прибор тА и сопротивление R. Чтобы заряд конденсатора происходил медленнее,чем разряд, требуется ,чтобы R1> R .

Рис 10.6.Конденсаторный частотомер:

а — структурная схема; б — временные диаграммы к схеме

 

     Непременным условием работы подобного частотомера является требо­вание того, чтобы емкость в течение зарядного времени успела полностью зарядиться до некоторого постоянного значения Е, а при разряде — напряже­ние на емкости практически становилось нулевым. Тогда максимальное зна­чение разрядного тока iр будет оставаться неизменным и равно Imax ,время разряда

τ=RC постоянным. При этом среднее значение тока, протекающего через измерительный прибор, определится формулой:

 

                                

                              (10.2)

    Итак, показания измерительного прибора пропорциональны частоте fx=1/Tx:

                                 

                                Iср = fx Imax τ.

Электрическая емкость • Электротехника • Компактный калькулятор • Онлайн-конвертеры единиц измерения

Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питанияКонвертер площадиКонвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептахКонвертер температурыКонвертер давления, механического напряжения, модуля ЮнгаКонвертер энергии и работыКонвертер мощностиКонвертер силыКонвертер времениКонвертер линейной скоростиПлоский уголКонвертер тепловой эффективности и топливной экономичностиКонвертер чисел в различных системах счисления.Конвертер единиц измерения количества информацииКурсы валютРазмеры женской одежды и обувиРазмеры мужской одежды и обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаКонвертер момента инерцииКонвертер момента силыКонвертер вращающего моментаКонвертер удельной теплоты сгорания (по массе)Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)Конвертер разности температурКонвертер коэффициента теплового расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер удельной теплопроводностиКонвертер удельной теплоёмкостиКонвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излученияКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициента теплоотдачиКонвертер объёмного расходаКонвертер массового расходаКонвертер молярного расходаКонвертер плотности потока массыКонвертер молярной концентрацииКонвертер массовой концентрации в раствореКонвертер динамической (абсолютной) вязкостиКонвертер кинематической вязкостиКонвертер поверхностного натяженияКонвертер паропроницаемостиКонвертер плотности потока водяного параКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофоновКонвертер уровня звукового давления (SPL)Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давленияКонвертер яркостиКонвертер силы светаКонвертер освещённостиКонвертер разрешения в компьютерной графикеКонвертер частоты и длины волныОптическая сила в диоптриях и фокусное расстояниеОптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×)Конвертер электрического зарядаКонвертер линейной плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объемной плотности зарядаКонвертер электрического токаКонвертер линейной плотности токаКонвертер поверхностной плотности токаКонвертер напряжённости электрического поляКонвертер электростатического потенциала и напряженияКонвертер электрического сопротивленияКонвертер удельного электрического сопротивленияКонвертер электрической проводимостиКонвертер удельной электрической проводимостиЭлектрическая емкостьКонвертер индуктивностиКонвертер реактивной мощностиКонвертер Американского калибра проводовУровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицахКонвертер магнитодвижущей силыКонвертер напряженности магнитного поляКонвертер магнитного потокаКонвертер магнитной индукцииРадиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность. Конвертер радиоактивного распадаРадиация. Конвертер экспозиционной дозыРадиация. Конвертер поглощённой дозыКонвертер десятичных приставокПередача данныхКонвертер единиц типографики и обработки изображенийКонвертер единиц измерения объема лесоматериаловВычисление молярной массыПериодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Сенсорный экран этого планшета выполнен с использованием проекционно-емкостной технологии.

Общие сведения

Измерение емкости конденсатора номинальной емкостью 10 мкФ с помощью осциллографа-мультиметра

Электрическая емкость — это величина, характеризующая способность проводника накапливать заряд, равная отношению электрического заряда к разности потенциалов между проводниками:

C = Q/∆φ

Здесь Q — электрический заряд, измеряется в кулонах (Кл), — разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

В системе СИ электроемкость измеряется в фарадах (Ф). Данная единица измерения названа в честь английского физика Майкла Фарадея.

Фарад является очень большой емкостью для изолированного проводника. Так, металлический уединенный шар радиусом в 13 радиусов Солнца имел бы емкость равную 1 фарад. А емкость металлического шара размером с Землю была бы примерно 710 микрофарад (мкФ).

Так как 1 фарад — очень большая емкость, поэтому используются меньшие значения, такие как: микрофарад (мкФ), равный одной миллионной фарада; нанофарад (нФ), равный одной миллиардной; пикофарад (пФ), равный одной триллионной фарада.

В системе СГСЭ основной единицей емкости является сантиметр (см). 1 сантиметр емкости — это электрическая емкость шара с радиусом 1 сантиметр, помещенного в вакуум. СГСЭ — это расширенная система СГС для электродинамики, то есть, система единиц в которой сантиметр, грам, и секунда приняты за базовые единицы для вычисления длины, массы и времени соответственно. В расширенных СГС, включая СГСЭ, некоторые физические константы приняты за единицу, чтобы упростить формулы и облегчить вычисления.

Использование емкости

Конденсаторы — устройства для накопления заряда в электронном оборудовании

Условные обозначения конденсаторов на принципиальных схемах

Понятие электрической емкости относится не только к проводнику, но и к конденсатору. Конденсатор — система двух проводников, разделенных диэлектриком или вакуумом. В простейшем варианте конструкция конденсатора состоит из двух электродов в виде пластин (обкладок). Конденсатор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») — двухэлектродный прибор для накопления заряда и энергии электромагнитного поля, в простейшем случае представляет собой два проводника, разделённые каким-либо изолятором. Например, иногда радиолюбители при отсутствии готовых деталей изготавливают подстроечные конденсаторы для своих схем из отрезков проводов разного диаметра, изолированных лаковым покрытием, при этом более тонкий провод наматывается на более толстый. Регулируя число витков, радиолюбители точно настраивают контура аппаратуры на нужную частоту. Примеры изображения конденсаторов на электрических схемах приведены на рисунке.

Параллельная RLC-цепь, состоящая из резистора, конденсатора и катушки индуктивности

Историческая справка

Еще 275 лет назад были известны принципы создания конденсаторов. Так, в 1745 г. в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и нидерландский физик Питер ван Мушенбрук создали первый конденсатор — «лейденскую банку» — в ней диэлектриком были стенки стеклянной банки, а обкладками служили вода в сосуде и ладонь экспериментатора, державшая сосуд. Такая «банка» позволяла накапливать заряд порядка микрокулона (мкКл). После того, как ее изобрели, с ней часто проводили эксперименты и публичные представления. Для этого банку сначала заряжали статическим электричеством, натирая ее. После этого один из участников прикасался к банке рукой, и получал небольшой удар током. Известно, что 700 парижских монахов, взявшись за руки, провели лейденский эксперимент. В тот момент, когда первый монах прикоснулся к головке банки, все 700 монахов, сведенные одной судорогой, с ужасом вскрикнули.

В Россию «лейденская банка» пришла благодаря русскому царю Петру I, который познакомился с Мушенбруком во время путешествий по Европе, и подробнее узнал об экспериментах с «лейденской банкой». Петр I учредил в России Академию наук, и заказал Мушенбруку разнообразные приборы для Академии наук.

В дальнейшем конденсаторы усовершенствовались и становились меньше, а их емкость — больше. Конденсаторы широко применяются в электронике. Например, конденсатор и катушка индуктивности образуют колебательный контур, который может быть использован для настройки приемника на нужную частоту.

Существует несколько типов конденсаторов, отличающихся постоянной или переменной емкостью и материалом диэлектрика.

Примеры конденсаторов

Оксидные конденсаторы в блоке питания сервера.

Промышленность выпускает большое количество типов конденсаторов различного назначения, но главными их характеристиками являются ёмкость и рабочее напряжение.

Типичные значение ёмкости конденсаторов изменяются от единиц пикофарад до сотен микрофарад, исключение составляют ионисторы, которые имеют несколько иной характер формирования ёмкости – за счёт двойного слоя у электродов – в этом они подобны электрохимическим аккумуляторам. Суперконденсаторы на основе нанотрубок имеют чрезвычайно развитую поверхность электродов. У этих типов конденсаторов типичные значения ёмкости составляют десятки фарад, и в некоторых случаях они способны заменить в качестве источников тока традиционные электрохимические аккумуляторы.

Вторым по важности параметром конденсаторов является его рабочее напряжение. Превышение этого параметра может привести к выходу конденсатора из строя, поэтому при построении реальных схем принято применять конденсаторы с удвоенным значением рабочего напряжения.

Для увеличения значений ёмкости или рабочего напряжения используют приём объединения конденсаторов в батареи. При последовательном соединении двух однотипных конденсаторов рабочее напряжение удваивается, а суммарная ёмкость уменьшается в два раза. При параллельном соединении двух однотипных конденсаторов рабочее напряжение остаётся прежним, а суммарная ёмкость увеличивается в два раза.

Третьим по важности параметром конденсаторов является температурный коэффициент изменения ёмкости (ТКЕ). Он даёт представление об изменении ёмкости в условиях изменения температур.

В зависимости от назначения использования, конденсаторы подразделяются на конденсаторы общего назначения, требования к параметрам которых некритичны, и на конденсаторы специального назначения (высоковольтные, прецизионные и с различными ТКЕ).

Маркировка конденсаторов

Подобно резисторам, в зависимости от габаритов изделия, может применяться полная маркировка с указанием номинальной ёмкости, класса отклонения от номинала и рабочего напряжения. Для малогабаритных исполнений конденсаторов применяют кодовую маркировку из трёх или четырёх цифр, смешанную цифро-буквенную маркировку и цветовую маркировку.

Соответствующие таблицы пересчёта маркировок по номиналу, рабочему напряжению и ТКЕ можно найти в Интернете, но самым действенным и практичным методом проверки номинала и исправности элемента реальной схемы остаётся непосредственное измерение параметров выпаянного конденсатора с помощью мультиметра.

Оксидный конденсатор собран из двух алюминиевых лент и бумажной прокладки с электролитом. Одна из алюминиевых лент покрыта слоем оксида алюминия и служит анодом. Катодом служит вторая алюминиевая лента и бумажная лента с электролитом. На алюминиевых лентах видны следы электрохимического травления, позволяющего увеличить их площадь поверхности, а значит и емкость конденсатора.

Предупреждение: поскольку конденсаторы могут накапливать большой заряд при весьма высоком напряжении, во избежание поражения электрическим током необходимо перед измерением параметров конденсатора разряжать его, закоротив его выводы проводом с высоким сопротивлением внешней изоляции. Лучше всего для этого подходят штатные провода измерительного прибора.

Оксидные конденсаторы: данный тип конденсатора обладает большой удельной емкостью, то есть, емкостью на единицу веса конденсатора. Одна обкладка таких конденсаторов представляет собой обычно алюминиевую ленту, покрытую слоем оксида алюминия. Второй обкладкой служит электролит. Так как оксидные конденсаторы имеют полярность, то принципиально важно включать такой конденсатор в схему строго в соответствии с полярностью напряжения.

Твердотельные конденсаторы: в них вместо традиционного электролита в качестве обкладки используется органический полимер, проводящий ток, или полупроводник.

Трехсекционный воздушный конденсатор переменной емкости

Переменные конденсаторы: емкость может меняться механическим способом, электрическим напряжением или с помощью температуры.

Пленочные конденсаторы: диапазон емкости данного типа конденсаторов составляет примерно от 5 пФ до 100 мкФ.

Имеются и другие типы конденсаторов.

Ионисторы

В наши дни популярность набирают ионисторы. Ионистор (суперконденсатор) — это гибрид конденсатора и химического источника тока, заряд которого накапливается на границе раздела двух сред — электрода и электролита. Начало созданию ионисторов было положено в 1957 году, когда был запатентован конденсатор с двойным электрическим слоем на пористых угольных электродах. Двойной слой, а также пористый материал помогли увеличить емкость такого конденсатора за счет увеличения площади поверхности. В дальнейшем эта технология дополнялась и улучшалась. На рынок ионисторы вышли в начале восьмидесятых годов прошлого века.

С появлением ионисторов появилась возможность использовать их в электрических цепях в качестве источников напряжения. Такие суперконденсаторы имеют долгий срок службы, малый вес, высокие скорости зарядки-разрядки. В перспективе данный вид конденсаторов может заменить обычные аккумуляторы. Основными недостатками ионисторов является меньшая, чем у электрохимических аккумуляторов удельная энергия (энергия на единицу веса), низкое рабочее напряжение и значительный саморазряд.

Ионисторы применяются в автомобилях Формулы-1. В системах рекуперации энергии, при торможении вырабатывается электроэнергия, которая накапливается в маховике, аккумуляторах или ионисторах для дальнейшего использования.

Электромобиль А2В Университета Торонто. Общий вид

В бытовой электронике ионисторы применяются для стабилизации основного питания и в качестве резервного источника питания таких приборов как плееры, фонари, в автоматических коммунальных счетчиках и в других устройствах с батарейным питанием и изменяющейся нагрузкой, обеспечивая питание при повышенной нагрузке.

В общественном транспорте применение ионисторов особенно перспективно для троллейбусов, так как становится возможна реализация автономного хода и увеличения маневренности; также ионисторы используются в некоторых автобусах и электромобилях.

Электромобиль А2В Университета Торонто. Под капотом

Электрические автомобили в настоящем времени выпускают многие компании, например: General Motors, Nissan, Tesla Motors, Toronto Electric. Университет Торонто совместно с компанией Toronto Electric разработали полностью канадский электромобиль A2B. В нем используются ионисторы вместе с химическими источниками питания, так называемое гибридное электрическое хранение энергии. Двигатели данного автомобиля питаются от аккумуляторов весом 380 килограмм. Также для подзарядки используются солнечные батареи, установленные на крыше электромобиля.

Емкостные сенсорные экраны

В современных устройствах все чаще применяются сенсорные экраны, которые позволяют управлять устройствами путем прикосновения к панелям с индикаторами или экранам. Сенсорные экраны бывают разных типов: резистивные, емкостные и другие. Они могут реагировать на одно или несколько одновременных касаний. Принцип работы емкостных экранов основывается на том, что предмет большой емкости проводит переменный ток. В данном случае этим предметом является тело человека.

Поверхностно-емкостные экраны

Cенсорный экран iPhone выполнен по проекционно-емкостной технологии.

Таким образом, поверхностно-емкостный сенсорный экран представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным материалом. В качестве резистивного материала обычно применяется имеющий высокую прозрачность и малое поверхностное сопротивление сплав оксида индия и оксида олова. Электроды, подающие на проводящий слой небольшое переменное напряжение, располагаются по углам экрана. При касании к такому экрану пальцем появляется утечка тока, которая регистрируется в четырех углах датчиками и передается в контроллер, который определяет координаты точки касания.

Преимущество таких экранов заключается в долговечности (около 6,5 лет нажатий с промежутком в одну секунду или порядка 200 млн. нажатий). Они обладают высокой прозрачностью (примерно 90%). Благодаря этим преимуществам, емкостные экраны уже с 2009 года активно начали вытеснять резистивные экраны.

Недостаток емкостных экранов заключается в том, что они плохо работают при отрицательных температурах, есть трудности с использованием таких экранов в перчатках. Если проводящее покрытие расположено на внешней поверхности, то экран является достаточно уязвимым, поэтому емкостные экраны применяются лишь в тех устройствах, которые защищены от непогоды.

Проекционно-емкостные экраны

Помимо поверхностно-емкостных экранов, существуют проекционно-емкостные экраны. Их отличие заключается в том, что на внутренней стороне экрана нанесена сетка электродов. Электрод, к которому прикасаются, вместе с телом человека образует конденсатор. Благодаря сетке, можно получить точные координаты касания. Проекционно-емкостный экран реагирует на касания в тонких перчатках.

Проекционно-емкостные экраны также обладают высокой прозрачностью (около 90%). Они долговечны и достаточно прочные, поэтому их широко применяют не только в персональной электронике, но и в автоматах, в том числе установленных на улице.

Автор статьи: Sergey Akishkin, Tatiana Kondratieva

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Заряд конденсатора — Энциклопедия по машиностроению XXL

Здесь q — заряд конденсатора, С — емкость, L — индуктивность. В безразмерных величинах лг= = — -, т==  [c. 37]

Энергия заряженного конденсатора. Зарядим конденсатор и затем подключим к его выводам электрическую лампу (рис. 147). При подключении лампы наблюдается кратковременная вспышка света. Из этого опыта следует, что заряженный конденсатор обладает энергией.  [c.145]

За обобщенные координаты примем изменение заряда конденсатора q и смещение подвижной пластины из положения равновесия дс. Тогда полный заряд конденсатора равен qo -q,  [c.223]

Различают три метода измерения тока при помощи гальванометра метод непосредственного отклонения, метод сравнения и метод заряда конденсатора.  [c.31]Метод заряда конденсатора. При этом методе, так же как и в предыдущих случаях, сопротивление образца Rx измеряется косвенно — через значение протекающего через него тока /. Для этого последовательно с образцом включают конденсатор С (рис. 2-2), который в течение определенного времени заряжается током I.  [c.34]

Заряд конденсатора определяют при помощи баллистического гальванометра и по значению заряда находят сопротивление образца. Баллистический гальванометр отличается от обычного тем, что у него искусственно увеличен момент инерции подвижной части. Благодаря этому он позволяет измерять малые количества электричества, протекающего в течение коротких интервалов времени. Основной характеристикой баллистического гальванометра является его баллистическая постоянная Сд, указываемая на шкале. Однако погрешность, с которой она указывается, слишком велика ( 10%) поэтому непосредственно перед измерением определяют баллистическую постоянную. Для этого используют цепь, показанную на рис. 2-2. Вначале необходимо убедиться в том, что переключатель П1 находится в среднем положении (напряжение отключено), ключ К замкнут, а переключатель П2 — в среднем положении. Замыкают накоротко зажимы В и И, зажим 3 не используют. Включают напряжение переключателем П1, переключатель П2 ставят в левое положение и размыкают ключ К. При этом конденсатор С заряжается через резистор с известным сопротивлением R в течение определенного времени (. По истечении времени t переключатель П2 переводят в правое положение. При этом конденсатор С разряжается через гальванометр. Отмечают наибольший отброс а указателя гальванометра. Заряд конденсатора  [c.35]

Заряд конденсатора через время I, если пренебречь током утечки через конденсатор и электрометр, составит  [c.39]

Заряд конденсатора, как известно, равен  [c.17]

Спай термопары к наковальне приваривали разрядом батареи конденсаторов через место контакта спая и наковальни (рис. 60,б). Источником разряде являлась батарея конденсаторов, общая суммарная емкость которой составила 1200 мкФ. При этом напряжение при заряде конденсаторов составляло 40—50 В. Разряд происходил в момент замыкания ключа. Для точного воспроизведения положения, которое занимала головка каждой термопары относительно индентора в наковальне, в месте приварки термопары было выполнено небольшое углубление.  [c.131]

Тиратрон будет заперт до тех пор, пока величина положительного напряжения импульсов, снимаемых с пикового дросселя Др, не окажется больше величины заряда конденсатора. В этот момент тиратрон отпирается. При этом в цепи (а, 1—2, игнитрон, Ь, с, тиратрон R, Пц, е) игнитрона и тиратрона возникает ток и игнитрон зажигается.  [c.149]

По среднему значению напряжения на интегрирующей цепочке для 15-го импульса находится величина сопротивления заряда конденсатора.  [c.246]

Емкость (С) — отношение величины заряда конденсатора к величине напряжения между его электродами. Единица электрической ёмкости — фарада (ф) представляет собой такую ёмкость, напряжение которой повышается на 1 в при сообщении ей заряда в 1 . В практических расчётах пользуются меньшей единицей — микрофарадой, равной 1 мкф =  [c.514]

Продолжительность протекания тока равна времени заряда конденсатора тока, что определяется величиной включённого сопротивления 5.  [c.288]

Заряд конденсатора (на фиг. 5 переключатель включен на верхние клеммы)  [c.331]

Кривая изменения тока подобна кривой заряда конденсатора (см. фиг. 6).  [c.334]

Законы Кирхгофа 338 Замкнутая система 160 Запорные устройства 490 Заряд конденсатора 331  [c.539]

Найдем время установления электрического процесса для случая задания граничных условий третьего рода, когда на границах электрической модели имеются граничные сопротивления Rr и Rb (рис. 7-3). Для удобства примем, что заряд конденсатора каждой следующей ячейки происходит только тогда, когда зарядится предыдущий. Кроме того, считаем, что конденсаторы заряжаются только по одному. Принимая указанную схему  [c.241]

Работа заряда конденсатора подсчитывается с помощью соотношения, следующего из (4-100)  [c.106]

Сравним это уравнение с уравнением (90), в котором для общности будем считать, что вместо Q s mpt стоит Q i) видим, что тогда оба уравнения совпадают с точностью до обозначений. Следовате 1ьно, закон рассмот-репных выше механических колебаний и закон изменения заряда конденсатора аналогичны. При этом, сравнивая уравнения (90) и (101), найдем, что аналогами являются 1) для смещения (координаты) х — заряд q 2) для массы т — индуктивность L 3) для коэффициента вязкого сопротивления р, — омическое сопротивление R-, 4) для коэффициента жесткости с — величина 1/С, обратная емкости 5) для возмущающей силы Q — э. д. с. Е.  [c.250]

Так как общий заряд конденсатора остается неизмен-  [c.289]

Для того, чтобы запоминающий копденсатор зарядился до папряукепия сигнала, длительность имиульса управления выбирается пе мепее длительности выборки устройства выборки и хранения наиряжения /у>Та (т. е. не мепее пяти ио-стоянных времени заряда конденсатора).  [c.41]

При замыкании контактов реле Pi начинает заряжагься кондеи-саго р l—деиь тран13исто ра Tpi открывается. Далее включаются реле Р6 и Р]. Реле Р6 выключается, когда зарядится конденсатор С  [c. 90]

Удельное объёмное электрическое сопротивление (ОСТ НКТП 3069) определяется измерением силы тока, проходящего через испытуемый образец при разности потенциалов между электродами 1000 в, непосредственным отсчётом или по методу заряда конденсатора. Результат выражается в ом-см.  [c.312]

Электронное реле времени (фиг. 13) Замедленное спадание заряда конденсатора в сеточ-иойцепи электронной лампы Ло 18о Имеются исполнения, стабильно работающие при колебаниях напряжения сети соленоидным приводом (фиг. 16)  [c.153]

Питание аппарата осуществляется от сети переменного тока 220 в. Напряжение на выходных клеммах может достигать удвоенного пикового нашряжения питающей сети, т. е. 500 в. Таким образом, аппарат не удовлетворяет типовым правилам техники безопасности и пользоваться им надо с большой осторожностью. Разрядный ток аппарата при сварке достигает 1 ООО а. Перед приваркой электрод термопары следует прижать к месту приварки. Аппарат позволяет вести приварку электродов диаметром до 1 мм. Приварке должна предшествовать подборка необходимого для данного случая заряда конденсатора малый заряд не дает прочного соединения, большой заряд ведет к пережогу электрода.  [c.225]

В блоке пульта управления предусмотрено устройство для включения пульсирующего режима работы электромодели. Это устройство состоит из генератора импульсов и исполнительного механизма (шаговый ккатель — ШИг). Генератор импульсов представляет мультивибратор на транзисторах Ti и Т г. Принципиальной особенностью его является наличие диода в цепи базы транзистора Ti. Это позволяет резко уменьшить шунтирующее действие транзистора на процесс разрядки конденсатора Сэ и увеличить сопротивление резистора Ri, через который происходит заряд конденсатора. При этом обеспечиваются колебания низких частот (от 0,1 до 15 Гц) при относительно малых емкостях конденсаторов Сз1 и Сэа. Колебания, развиваемые мультивибратором, поступают на обмотку  [c. 399]

Произведение ЛС=т, характернзующес скорость заряда конденсатора, наз. постоянной времени И. д.  [c.159]

Для измерения заряда конденсатор К с образцом помещается в термостат (рис, 2), темп-ра к-рого может изменяться. При появлении пироэлектрич. заряда потенциал точки А изменяется, заряд может быть измерен  [c.591]

В изотермическом процессе заряда конденсатора при температуре Ti = onst от состояния 1 (QS = 0) до состояния 2 (05 = Ф i) количество тепла, подводимого к конденсатору (или отводимого от него ), в соответствии с (4-120) равно  [c.110]

---

23. Измерение частоты методом заряда и разряда конденсатора.

Рис. 3. Схема конденсаторного частотомера.

Сущность метода заряда и разряда конденсатора заключается в измерении тока разряда конденсатора, попеременно переключаемого с заряда на заряд, с частотой , равной измеряемой. Пусть конденсатор C (рис. 3.) заряжается до напряжения U1 и разряжается до напряжения U2. Тогда за одно переключение переключателя П на заряд и разряд количество электричества, подводимое к конденсатору и отдаваемое им микроамперметру, q = С U, где U = U1 – U2. При переключении f раз в секунду количество электричества, протекающее через прибор в 1 сек., т.е. ток через микроамперметр, I = qf = CUf.

Следовательно ток, протекающий через микроамперметр, связан линейной зависимостью, с частотой переключения конденсатора

. При условии, что частота переключений f равна измеряемой fизм, показания прибора прямо пропорциональны fизм.

В этом приборе переключателем служит электронный коммутатор, осуществляющий переключения с частотой fизм при подаче на его вход напряжения измеряемой частоты.

Для обеспечения линейной зависимости показаний прибора от частоты в схеме частотомера предусматривается ограничитель, поддерживающий постоянство верхнего U1 и нижнего U2 уровней напряжения на обкладках конденсатора во всём рабочем диапазоне частот.

Пределы измеряемых частот (поддиапазоны) регулируются изменением ёмкости С конденсатора и шунтированием микроамперметра.

Пределом конденсаторного частотомера с непосредственным отсчётом может служить прибор Ч3-7, позволяющий измерять частоты колебаний в диапазоне 10 Гц – 200 кГц (11 поддиапазонов) при уровне входного напряжения Uвх = 0,5 – 200 В. Основная погрешность прибора составляет 1.5 % во всём диапазоне, кроме поддиапазона 200 кГц, где она доходит до2%.

24. Резонансный и гетеродинный методы измерения частоты

Среди методов, позволяющих измерять частоту с высокой точностью, весьма распространен гетеродинный метод. Он заключается в сравнении измеряемой частоты с частотой перестраиваемого гетеродина. Приборы, в которых используется этот метод, называют гетеродинными частотомерами или волноводами.

Работа гетеродинного частотомера рис.3 и методика измерений сводятся к следующему. В положении И переключателя П на смеситель поступают одновременно колебания двух частот: измеряемой f_изм и гетеродина f_г. На выходе смесителя получаются напряжения комбинационных частот, и в том числе частоты биений. Гетеродин перестраивают по частоте до появления нулевых (низкочастотных) биений, фиксируемых по индикаторному прибору. Индикатор может быть тональным (телефоны) или визуальным (осциллограф, электронно-световая индикаторная лампа, стрелочный прибор). После получения нулевых биений по шкале гетеродина определяют частоту его колебаний и, следовательно, f_изм, так как при нулевых биениях

f_изм= f_г. Точность измерений зависит от точности образцовой меры, т.е. от стабильности частоты и постоянства градуировки гетеродина, а также точности сравнения и фиксации нулевых биений.

рис.3.Функциональная схема гетеродинного частотомера.

Для уменьшения погрешности, связанной с градуировкой гетеродина, в схемах многих частотомеров предусмотрен кварцевый генератор. С его помощью проверяют и корректируют градуировку шкалы. Эту операцию производят до начала измерений неизвестной частоты. Для этого переключатель рода работ ставят в положение К. А к смесителю, помимо гетеродина, оказывается подключенным кварцевый генератор, колебания которого содержат много гармоник. Отсчетный лимб гетеродина устанавливают в положение, соответствующее ближайшей к измеряемой частоте «кварцевой точке». Индикаторный прибор фиксирует наличие биений, которые при помощи «корректора» гетеродина доводят до нулевых. Если у гетеродина отсутствует «корректор», то шкалу проверяют в соседних по обе стороны от f_изм точках, производят линейную интерполяцию и вводят поправку, уточняющую градуировку. После корректировки кварцевый генератор отключают и на смеситель подают сигнал измеряемой частоты. Гетеродин настраивают на частоту, при которой получаются нулевые биения, и делают окончательный отсчет по его шкале.

В диапазоне СВЧ нередко применяют гетеродины, основная частота колебаний которых во много раз ниже измеряемой. При этом используются высшие гармоники гетеродина. Измеряемая частота сравнивается с n-й гармоникой гетеродина при нулевых биениях: f_изм= nf_г.

Согласно ГОСТ 9771 – 61 гетеродинные измерители частоты характеризуются следующими основными параметрами: классом точности, диапазоном измеряемых частот, диапазоном частот гетеродина, значениями опорных частот и их погрешностью, чувствительностью и др.

Опорными частотами – называют частоты кварцевого генератора, по которым калибруют шкалу гетеродина.

Предусмотрены 3 класса точности гетеродинных частотомеров (I, II, III), характеризуемые основной относительной погрешностью: 5∙10^-6; 5∙10^-5 и

5∙10^-4 ( погрешности опорных частот соответственно : 5∙10^-7; 5∙10^-6 и 5∙10^-5), причем в приборах класса II и III не допускается применение градуировочных и поправочных таблиц или графиков.

Резонансный метод измерения частоты. Резонансный метод — основан на использовании явления резонанса в колебательной системе и заключается в сравнении измеряемой частоты с частотой собственных колебаний контура или резонатора, заранее проградуированного. Этот метод применяется в радиочастотном диапазоне, преимущественно в области СВЧ.

Прибор, измеряющий частоту резонансным методом, называют резонансным частотомером(вид Ч2). Колебательная система через элемент связи возбуждается сигналом источника, частоту колебаний которого необходимо измерить. С помощью органа настройки изменяется частота собственных колебаний колебательной системы до наступления резонанса. В момент резонанса, фиксируемого по индикатору, производят отсчет по шкале настройки колебательной системы.

Основным узлом резонансного частотомера является колебательная система. В приборах высокочастотного диапазона она образуется одной из сменных катушек индуктивности и прецизионным конденсатором переменной емкостью, снабженным шкалой настройки.

Индикатор резонанса — полупроводниковый детектор или термоэлемент с микроамперметром. В качестве примеров резонансных частотомеров можно привести прибор Ч2-1, работающий в диапазоне от 50 кГц до 50 МГц, или частотомер, входящий в гетеродинный переносчик к электронно-счетному частотомеру Ч3-30.

Характерной особенностью резонансных частотомеров СВЧ являются перестраиваемые резонаторы:

Коаксиальные резонаторы бывают двух видов: полуволновой отрезок линии, коротко-замкнутый с двух сторон, и четвертьволновый отрезок, замкнутый с одной стороны и разомкнутый с другой. Преимущественно применяют резонаторы второго вида, т. к. они конструктивно проще и позволяют получить более высокую добротность.

Коаксиальный частотомер (рис. а) представляет собой резонатор, образованный отрезком коаксиальной линии регулируемой длины, замкнутой на одном конце и разомкнутой на другом (короткое замыкание осуществляется с помощью четвертьволнового бесконтактного устройства). Резонанс наступает при длине отрезка

где  λ — измеряемая длина волны; p = 0, 1, 2, 3…

Резонансные измерители СВЧ

Длина  ι отрезка линии регулируется перемещением центрального стержня при помощи микрометрического механизма, снабженного отсчетным устройством. Положение стержня, соответствующее резонансу, отмечается по отсчетному устройству. Частота, на которую настроен резонатор, определяется обычно по таблице или графику градуировки, прилагаемым к частотомеру. Имеются и приборы с непосредственным отсчетом в единицах измеряемой частоты.

Для связи резонатора с источником измеряемой частоты и индикатором предусмотрены две петли, которые помещают в области максимального магнитного поля (магнитная связь), т.е. у короткозамкнутого конца линии. Одна петля представляет собой окончание коаксиального кабеля, соединяющего резонатор с источником. Вторая петля (индикаторная) связана с детектором, к которому подключен микроамперметр.

Непосредственная связь петель ничтожно мала, и напряжение на детекторной петле наводится лишь тогда, когда резонатор настроен в резонанс с возбуждающими его колебаниями. Связи выбираются такими, чтобы частотомер обладал требуемой чувствительностью при высоком значении нагруженной добротности. При измерении частоты радиоимпульсов чувствительность может оказаться недостаточной. Поэтому в частотомерах для измерения частоты заполнения импульсных сигналов применяют усилитель. Так, например, в приборе Ч2-9А имеется трехкаскадный усилитель на транзисторах.

Коаксиальные частотомеры применяются в сантиметровом диапазоне волн и нижней части дециметрового диапазона.

В нижней части сантиметрового диапазона и в миллиметровом диапазоне применяютчастотомеры с объемными резонаторами главным образом круглыми цилиндрическими.

Подобный резонатор можно рассматривать как отрезок круглого волновода, короткозамкнутый с двух сторон. На одном конце отрезка — неподвижная торцевая стенка, на другом — перемещающийся короткозамыкающий поршень (рис. б и в). При перемещении поршня изменяется длина L резонатора, вследствие чего изменяется частота его собственных колебаний.

Резонанс наступает при L = рΛ/2 (Λ— длина волны в круглом волноводе). Все частотомеры с объемными резонаторами—градуированные приборы.

В качестве примеров частотомеров с объемным резонатором могут быть названы приборы Ч2-31 и Ч2-36, применяемые соответственно в диапазонах частот 12-16,6 и 52,6-79 ГГц.

Погрешности измерений. Мерой в данном случае является резонатор. Ее погрешности обусловлены рядом причин: низкой нагруженной добротностью резонатора Q_н, т. е. тупой резонансной кривой; погрешностями, вносимыми при получении градуировочной характеристики прибора; изменением окружающей температуры, вызывающим изменения размеров резонаторов; изменением влажности окружающей среды.

Погрешность сравнения складывается из таких составляющих:

а) погрешность настройки в резонанс. Она чаще всего обусловлена недостаточной тщательностью выполнения правил настройки и наличием люфта в механизме перемещения поршня в резонаторе;

б) погрешность, связанная с недостаточной энергетической чувствительностью. Для уменьшения погрешности применяют чувствительные индикаторы, а при импульсном режиме— усилители.

Погрешность фиксации результата измерения может появиться из-за нетщательного снятия отсчета по шкале микрометра, а также при неумелом (невнимательном) пользовании градуировочными графиками или таблицами.

На резонансные измерители частоты установлены восемь классов точности, соответствующих допускаемым основным погрешностям, выраженным в процентах: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0.

Краткие сведения по технике измерений.

Резонансные частотомеры характеризуются следующими основными параметрами:

• класс точности;

• допускаемые дополнительные погрешности;

• диапазон измеряемых частот;

• запас по краям диапазона и перекрытие между поддиапазонами;

• чувствительность;

• максимальный размер мощности измеряемого сигнала;

• среднее время безотказной работы.

При включении резонансного частотомера в СВЧ тракт возможны два вида схем включения: проходная (рис.  а) и реактивная (рис. б)

 Схемы включения частотомера в трактПри настройке частотомера рекомендуется подходить к положению резонанса плавно с одной стороны, так как при этом уменьшаются погрешности, связанные с люфтом в механизме перемещения поршня резонатора.

С целью повышения точности измерение частоты проводят методом «вилки», который заключается в том, что для определения резонансной частоты берут два отсчета частоты  f₁ и f₂, соответствующие одинаковым показаниям стрелочного индикатора по обе стороны от положения резонанса. За резонансную частоту принимают среднее арифметическое из этих отсчетов.

25. Электронно — счетный частотомер и режиме измерения чистоты, структурная схема, принцип действия, составляющие погрешности измерения и пути ее уменьшения.

Основные узлы частотомера. Формирующее устройство строится по различным схемам. Оно может состоять из усилителя-ограничителя, преобразующего синусоидальный сигнал в прямоугольные импульсы с крутыми фронтами, дифференцирующей цепи и одностороннего ограничителя. На выходе получаются однополярные короткие импульсы, период следования которых равен периоду измеряемого сигнала. Часто для формирования прямоугольных импульсов из синусо­идального напряжения применяют несимметричный триг­гер (триггер Шмитта).

Кварцевый генератор — источник сигнала высокоста­бильной частоты — служит образцовой мерой, воспроиз­водящей калиброванный интервал времени. Напряжение кварцевого генератора преобразуется в импульсы, кото­рые подаются в делитель частоты. Часто кварцевый ге­нератор дополняется умножителем частоты.

Делитель частоты представляет собой набор q декад, каждая из которых уменьшает частоту следования им­пульсов в 10 раз. Общий коэффициент деления получа­ется равным 10^q. В зависимости от числа используемых декад с различных выходов делителя могут сниматься импульсы напряжения с различными частотами следова­ния. Так, при f_KB=10 МГц эти частоты 1 МГц; 100, 10 и 1 кГц; 100, 10, 1 и 0,1 Гц. Периоды следования импуль­сов определяют продолжительности интервалов времени счета, т. е. временные ворота: 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1; 10 с.

Узел формирования и управления содержит схему формирования временных ворот, реле времени индикации и сброса показаний счетчика на нуль, переключатель видов измерений.

Схема формирования временных ворот, на которую подаются импульсы с выхода одной из декад, вырабатывает стробирующий импульс, отпирающий вход счетчика на время Δt_к. Она состоит из двух триггеров T₁ и Т₂ (рис. 3.). В исходном состоянии схемы триггер Т₁ находится в положении 1, а триггер Т₂ — в положении 0. Первый отрицательный импульс поступает с выхода делителя частоты одновременно на входы 01 и 02 обоих триггеров. На триггер Т₂ импульс непосредственно не действует, а триггер Т₁ он перебрасывает в положение 0. При этом на выходе А₁₁ возникает отрицательный перепад напряжения. В результате дифференцирования он преобразуется в отрицательный импульс, подводимый ко входу 12 триггера Т₂ и перебрасывающий последний в положение 1. На выходе А₁₂ появляется положитель­ный перепад напряжения, который является фронтом стробирующего импульса, подаваемого на вход 2 селектора.

Рис. 3. Структурная схема электронно-счетного частотомера (режим измерения частоты).

Второй отрицательный импульс, поступающий с де­лителя частоты на вход схемы, т. е. одновременно на входы 01 и 02 триггеров, не изменяет состояния триггера Т₁ но перебрасывает триггер Т₂ в положение 0. На­пряжение на выходе А₁₂ резко падает, и таким образом формируется срез стробирующего импульса. Второй триггер также становится нечувствительным к отрицательным запускающим импульсам. Следовательно, после прихода первых двух отрицательных импульсов с выхода делителя триггеры не реагируют на остальные импульсы, поступающие на вход схемы формирования. Они остаются в таком состоянии до тех пор, пока на вход 11 триггера Т₁ не будет подан отрицательный импульс сброса, возвращающий триггер Т₁ в первоначальное положение и подготавливающий схему к новому формированию временных ворот. Импульс, формируемый на выходе А₁₂ триггера Т₂ и передаваемый на селектор, имеет длитель­ность, равную интервалу времени между двумя импуль­сами, снимаемыми с делителя. Длительность вырабаты­ваемого триггером Т₂ прямоугольного стробирующего импульса зависит от того, с выхода какой декады пода­ются импульсы на вход схемы формирования временных ворот.

Реле времени индикации и сброса по­казаний на нуль задает определенную продолжительность времени индикации результата измерений. Его работа заключается в том, что оно вырабатывает через определенное регулируемое время (время измерений) импульс, возвращающий декады счетчика и триггер Т₁ схемы формирования временных ворот в начальное поло­жение, т. е. подготавливает узлы прибора к новому изме­рению. Кроме того, этот импульс держит в запертом со­стоянии триггер Т₁ схемы формирования до окончания процесса переброса декад счетчика в начальное положе­ние, т. е. до сброса показаний в нуль.

Рис. 4. Схема формирования «временных ворот».

Погрешность меры. Поскольку мерой служит кварце­вый генератор, то данная погрешность определяется не­стабильностью частоты’ колебаний генератора, погрешностью установки частоты генератора по образцовой частоте при выпуске с завода-изготовителя и погрешностью образцовой меры, по которой устанавливалась частота.

Например, средняя относительная нестабильность частоты кварцевого генератора частотомера Ч43-39 не превышает следующих значений: ±1·10 ^-10 за 1 с; ±5·10 ^-9 за сутки.

Погрешность преобразования. Эта разновидность погрешности связана с формированием импульсов из напряжения гармонического сигнала. Она может возникать из-за нестабильности порога срабатывания и гистерезиса триггера Шмитта. Однако современная техника формирования располагает схемными решениями, позволяющими сделать данную составляющую погрешности весьма малой.

Погрешность сравнения. Как и при измерении интервалов времени, определяется главным образом погрешностью дискретности, появляющейся по той же причине: фронт и срез временных ворот не синхронизированы с моментами появления заполняющих ворота импульсов. Максимальная величина абсолютной погрешности дискретности составляет ±1 младшего разряда счета.

Taк как счетчик частотомера фиксирует п импульсов время Δt_к и согласно формуле f_изм=п/t_к, то при Δ_n = ±1 абсолютная погрешность дискретности

4)

причем значение Δ_f выражено в герцах, если интервал Δt_k выражен в секундах.

Относительная погрешность дискретности

(5)

Погрешность фиксации результата сравнения может иметь место только при ненормальном функционировании счетчика (предполагается, что он правильно выбран по емкости и быстродействию).

Предел допускаемой абсолютной погрешности электронно-счетного частотомера характеризуется выражением

(6)

где – общая погрешность меры (кварцевого генератора).

Соответственно предел допускаемой относительной погрешности, выраженной в процентах от измеряемого значения, δ_пред=100 Δ_пред/f_изм.

Из формул (6) и (7) можно заключить, что в области низких частот погрешность дискретности явля­ется определяющей. Так, при f_изм=10 Гц (Δt_K=l с и δ_кв=10^-7) абсолютная погрешность дискретности со­ставляет 1 Гц и полностью характеризует общую абсо­лютную погрешность Δ_f=±(10^-6+l) Гц≈±1 Гц. От­носительная погрешность составляет 10%, что недопу­стимо много при решении ряда задач.

Из сказанного следует вывод, что из-за больших погрешностей дискретности низкие частоты непосред­ственно измеряются электронно-счетным частотомером с невысокой точностью.

25. Осциллографические методы измерения фазы.

Фаза электромагнитного колебания относится к числу основных параметров, определяющих состояние колебательного процесса в заданный момент времени. Для

гармонического колебания U1= Um1sin(at+ ) (рис. 1) фаза определяется аргументом синусоидальной функции Ф=at+ , где — начальная фаза колебания.

Для двух синусоидальных колебаний U1 и U2 одинаковой частоты (рис.1) разность

начальных фаз называют углом сдвига фаз этих колебаний. Угол сдвига фаз обычно находят при условии, что один из сигналов является опорным, а его начальная фаза равна нулю. Тогда второй сигнал имеет начальную фазу, совпадающую с углом сдвига фаз.

Пределы измерения угла сдвига фаз определяют область значений угла сдвига фаз, измеряемых прибором с нормированной погрешностью. Современные фазометры обеспечивают измерение угла сдвига фаз в пределах 0…3600 или от -180° до +180° в широком диапазоне частот входных сигналов от 20 Гц до 20 ГГц.

Методы и средства измерения угла сдвига фаз.

Методы измерения угла сдвига фаз делят на осциллографические, компенсационные, сумарно-разностные и с преобразованием фазового сдвига во временной интервал.

Осциллографические методы измерения разового угла относятся к простейшим, обеспечивающим погрешность измерения в пределах 2… 5°. Фазовый сдвиг определяют по характеру и форме осциллограмм. К числу осциллографических методов относят метод линейной развертки, метод эллипса, метод круговой развертки и метод яркостных меток.

При методе линейной развертки на экране двухлучевого или двухканального осциллографа, наблюдают оба напряжения U1 и U2, как показано на рис.1. Измеряя отрезки ab и ad на осциллограмме, определяют фазовый сдвиг по формуле

При использовании метода эллипса на входы X и У электронного осциллографа подают исследуемые напряжения U1-U1sinat и Uy=U2sin(at+ )на экране осциллографа появляется изображение эллипса (рис.2), уравнение которого имеет вид

где А и В размеры эллипса по осям X и Y.

Из этих уравнений находим значение угла сдвига фаз

Приняв X = 0, получим Yо.= Bsin Аналогично при Y=0, получим Хo=Asin

Из этих уравнений находим значение угла сдвига фаз

Если перед началом измерений уравнять максимальные отклонения луча по осям X и Y , т.е. сделать А = В, то угол сдвига фаз можно определить по формуле

Угол сдвига фаз можно вычислить по длинам большой и малой осей эллипса

Угол сдвига фаз можно вычислить по длинам большой и малой осей эллипса

Другой способ измерения угла сдвига фаз сводится к вычислению площади эллипса. При обозначениях принятых на рис. 2, площадь эллипса Sэ= ab, а угол сдвига фаз

рассчитывают по формуле

sin =4Sэ / So

где So=4AB — площадь прямоугольника, в который вписан эллипс.

К недостаткам метода эллипса относится сложность установления знака угла сдвига фаз. Установить знак фазового угла можно, если учесть, что при положительных углах луч, описывающий эллипс, вращается в одну сторону, а при отрицательных в другую.

Измерение угла сдвига фаз методом линейной развертки выполняют по схеме, изображенной на рис. 3. с помощью электронного, осциллографа С1-93.

Рис.3.

Измеряется угол сдвига фаз, вносимый исследуемым четырехполюсником. Для этого напряжение, подводимое ко входу четырехполюсника, поступает на вход У2 электронного осциллографа С1-93, а напряжение с выхода четырехполюсника — на вход У1. В результате на экране осциллографа получают изображения двух напряжений, сдвинутых на некоторый угол, как показано на рис. 1. Расчет угла сдвига фаз выполняют по формуле (1).

Для определения действительного значения угла сдвига фаз используют цифровой фазометр Ф2-16, входы А1 и Б1 подключают параллельно входам У1 и У2 электронного осциллографа С1-93.

При измерениях напряжение на выходе генератора, по результатам измерений угла сдвига фаз образцовым фазометром обр. и электронным осциллографом рассчитывают абсолютного погрешность измерений

25. Цифровой фазометр: структурная схема, принцип действия, составляющие погрешности.

Фазометр предназначен для измерения углов сдвига фаз между двумя изменяющимися периодически электрическими колебаниями. Электронный фазометр дает одновременно информацию о знаке и величине угла сдвига фаз, что делает ее более наглядной.

Построение входных цепей фазометра позволяет измерять угол сдвига фаз не только между двумя напряжениями, но и между током и напряжением или между двумя токами, для чего входные делители снабжены соответствующими выводами.

Электронный фазометр имеет линейную шкалу, что облегчает его тарировку. Для этого в качестве калибровочных напряжений следует взять два линейных напряжения трехфазной сети (угол сдвига фаз линейных напряжений составляет 120 эл. град.). В процессе тарировки необходимо согласовать калибровочные напряжения с допустимым уровнем входных напряжений.

Погрешность данного цифрового фазометра определяется погрешностями дискретности и аппаратуры. Погрешность дискретности связана с тем, что интервал времени t можно измерить с точностью до одного периода счётных импульсов. Аппаратурная погрешность определяется отклонением длительности от t, нестабильностью преобразователя t и пр.

Для уменьшения погрешностей измерения используют цифровые фазометры среднего значения, результатом измерения которых является среднее значение измеряемого фазового сдвига за большое число периодов Т анализируемого гармонического колебания.

25. Омметры: структурные схемы, принцип действия.

На рис. 5 а показана последовательная схема омметра. В нее входят миллиамперметр, источник тока (элемент или батарейка), добавочное сопро­тивление R и переменное сопротивление R₁. Когда зажимы измеряемого со­противления R_x разомкнуты, то в приборе тока нет, и положение стрелки, находящейся в начале шкалы, отмечается знаком ∞, что соответствует бес­конечно большому R_x. При замыкании зажимов R_x накоротко ток в приборе максимален, и стрелка должна дать полное отклонение, которое отмечается

Рис. 5. Омметры по последовательной (а) и па­раллельной (б) схемам.

знаком 0. Различным значениям R_x соответствуют различные токи, а следовательно, и различные отклонения стрелки. Шкала прибора градуируется в омах. Она получается неравномерной (сжатой в области больших сопротив­лений). Измерения с достаточной точностью получаются при R_x в преде­лах от 0,1 R до 10 R. Изменяя R₁ которое в 10—20 раз больше сопротив­ления самого прибора, можно в некоторых пределах компенсировать изменение напряжения батареи. Ручкой переменного сопротивления R₁ перед началом измерения устанавливают стрелку на нуль, замкнув накоротко за­жимы R_x.

В некоторых омметрах для установки нуля вместо электрического шунта R₁ применяется магнитный шунт в виде стальной пластинки, которую можно перемещать между полюсами магнита миллиамперметра. В пластинку ответ­вляется часть магнитного потока, и, таким образом, регулируется чувствитель­ность прибора. Обычный корректор, имеющийся у всех приборов и вращае­мый отверткой, служит в омметрах для установки стрелки на ∞. Перед пользованием омметром сначала проверяют установку на ∞ и, если нужно, поправляют ее с помощью корректора, а затем осуществляют установку на нуль ручкой шунта. Если не удается установить стрелку на нуль, то это сви­детельствует об истощении батарейки. Для расширения пределов измерения в сторону больших значений R_x надо увеличить R и напряжение батареи.

Измерение малых сопротивлений иногда производят по схеме параллель­ного омметра (рис. 5 б), в которой R_x присоединяется параллельно милли­амперметру, а добавочное сопротивление R должно быть значительно боль­ше сопротивления самого прибора R_n. Для установки на бесконечность (при разомкнутых зажимах R_x) служит переменное сопротивление R₁. В этом омметре шкала имеет нуль слева, а бесконечность справа. Пределы изме­ряемых сопротивлений примерно от 0,1 R_n до R_n.

Специальные омметры для измерения очень больших сопротивлений на­зываются мегомметрами. В качестве источника тока они обычно имеют ин­дуктор, т. е. магнитоэлектрический генератор, вращаемый с помощью ручки и дающий напряжение порядка 100—200 в. Такие приборы могут быть и с питанием от выпрямителя или преобразователя.

25. Мостовые измерители R, L, С: принципиальные схемы, принцип действия, основные соотношения.

Для измерения параметров элементов цепей методом сравнения применяют мосты. Сравнение измеряемой величины (сопротивления, индуктивности, ёмкости) с образцовой мерой при помощи моста в процессе измерения осуществляют вручную или автоматически, на постоянном или переменном токе. Мостовые схемы обладают высокой чувствительностью, большой точностью, широким диапазоном измеряемых значений параметров элементов. На основе мостовых методов строят средства измерения, предназначенные как для измерения какой-либо одной величины, так и универсальные аналоговые цифровые приборы. Существует несколько разновидностей мостовых схем измерения параметров: четырёхплечие, уравновешенные, неуравновешенные и процентные. Управление этими мостами может управляться как вручную, так и автоматически. Для выполнения уравновешивания необходимо наличие в плечах моста элементов с регулируемыми параметрами. Для обеспечения условия равенства амплитуд наиболее удобно применять Эталонное регулируемое активное сопротивление. Элементом, обеспечивающим условием равновесия фаз, служит эталонный конденсатор ёмкостью С0 с малыми потерями.

При измерении таких параметров электрических цепей, как сопротивление, емкость, индуктивность, добротность катушки и тангенс угла диэлектрических потерь, широкое применение получили мостовые схемы (МС).

Измерение с помощью МС заключается в сравнении измеряемых элементов с образцовыми элементами. МС позволяют производить измерения в широких диапазонах от 10-8 до 1010 Ом, с высокой точностью (погрешность от 0,02–2%).

Это обеспечило популярность мостовых схем среди других методов измерений. По роду тока различают мосты постоянного и переменного тока, по количеству плечей мосты бывают четырехплечие и шестиплечие.

На рисунке 1 приведена простейшая схема одинарного моста. Плечо 1-2 называется выходным, в него включается нагрузка в виде нуль-индикатора или гальванометра. Ток в плече 1-2 находится из соотношения:

   I₀=(Z₁Z₄–Z₂Z₃)/[Z₀(Z₁+Z₂)(Z₃+Z₄)+Z₁Z₂(Z₃+Z₄)+Z₃Z₄(Z₁+Z₂)];

Из выражения видно, что I₀=0 только при условии:

   Z₁Z₄=Z₂Z₃; где Z- модули комплексных сопротивлений

Если комплексные сопротивления Z представить в развернутом виде Z=R+jX, получим выражение для полного сопротивления:

   R₁R₄–X₁X₄=R₂R₃–X₂X₃;    R₁X₄+X₁R₄=R₂X₃–X₂R₃;

Наличие двух уравнений указывает, что уравновешивание моста производится регулированием двух параметров. Мост называется сходимым, если удается уравновесить его путем поочередного изменения регулируемых параметров.

Чтобы получить уравнение равновесия для реактивных элементов, представим комплексные сопротивления в показательной форме:

  Z=z^*e^jφ;

Где φ- их соответствующие фазы

Тогда условие сходимости моста для реактивных элементов будет выглядеть так:

   z₁z₄=z₂z₃;    φ₁+φ₄=φ₂+φ₃.

Последнее выражение показывает, какая очередность подключения реактивных элементов позволит уравновесить мост. Так, например, если смежные плечи Z₁ и Z₂ имеют чисто активное сопротивление, то два других смежных плечаZ₃ и Z₄ могут иметь индуктивное или емкостное сопротивление.

Если противоположные плечи имеют чисто активное сопротивление, то два других плеча должны иметь индуктивное и емкостное сопротивления, компенсирующие друг друга.

Если неизвестный параметр находится по выражению Z₁Z₄=Z₂Z₃, мост называют уравновешенным. Если измеряемая величина определяется по показаниям гальванометра или милливольтметра – такие мосты называют неуравновешенными.

Недостатком одинарных мостов переменного тока является невысокая чувствительность при определении сопротивлений менее 10 Ом. Дело в том, что соединительные провода и штепсельные разъемы прибора имеют сопротивление сопоставимое с измеряемым сопротивлением.

В этом случае используют МС измерения на постоянном токе с четырьмя зажимами. При измерении Rx более 10 Ом элемент подключают к зажимам 2 и 3, замыкают перемычки 1-2 и 3-4. Измерение происходит по обычной схеме.

Если Rx менее 10 Ом перемычки 1-2 и 3-4 размыкают, а измеряемый элемент подключают в схему четырьмя проводами. Тогда сопротивления r₁ и r₃включены в диагональ и не влияют на схему, а r₂ и r₄ пренебрежимо малы в сравнении с R₃ и R₂.

Измерения сопротивления на постоянном токе более точные, так как гальванометр более чувствителен к отклонениям тока.

Как было указано выше, условие равновесия моста позволяет производить измерения параметров реактивных элементов. При условии, что смежные элементы R₁ и R₂ обладают чисто активным сопротивлением, в два других смежных плеча включаются измеряемый и образцовый элементы.

В качестве примера приведена схема с емкостным элементом Cx, параметры которого предстоит узнать. В смежное плечо включен образцовый конденсатор известной величины С_N.

Схема замещения образцового конденсатора может быть представлена последовательным или параллельным соединением емкости и активного сопротивления, которое обуславливает потери в реальном конденсаторе. Для измеряемого конденсатора также находят Cх и Rх.

Схемы с последовательным соединением C_N и R_N используют при измерениях конденсаторов с малыми потерями. Условие равновесия такого моста записываются в следующем виде:

   Cx=C_NR₂/R₁;    Rx=R_NR₁/R₂;

Тангенс угла диэлектрических потерь определяется по формуле:

   tgδ=ωCxRx=ωC_NR_N;

При измерениях конденсаторов с большими потерями эквивалентная схема реального конденсатора представлена параллельным соединением емкости и активного сопротивления.

Условия равновесия такого моста полностью совпадают со схемой последовательного соединения. Тангенс угла диэлектрических потерь при этом имеет обратное значение:

   tgδ=1/ωCxRx=1/ωC_NR_N;

Схемы мостов с емкостными элементами применяют для определения емкостного сопротивления изоляции высоковольтного оборудования.

Измерение параметров индуктивной катушки может быть выполнено по нескольким схемам: с применением образцовой катушки, включаемой в смежное плечо, с помощью образцового конденсатора, включаемого в противоположное плечо.

Условия равновесия МС с применением образцовой катушки при последовательном включении R с катушкой Lx:

   Lx=L_NR₁/R₂;    Rx=R_NR₁/R₂-R;

При последовательном соединении R с катушкой L_N:

   Lx=L_NR₁/R₂;    Rx=(R_N+R)R₁/R₂;

Измерения малых ёмкостей (аналоговый ёмкостной датчик) / Хабр

Предлагаю сообществу датчик малых ёмкостей, работающий почти от 0 пФ. Можно использовать в любительской электронике, роботостроении.

Разрабатывая хобби-электронику, мне понадобился какой-нибудь простой датчик расстояния на ёмкостном эффекте. Поискав в Интернете, нашёл только датчики касания, но они имеют малое расстояние срабатывания и дискретный выход. Другие же датчики слишком сложные или с долгой настройкой. Нужен был очень простой и дешёвый, работающий от микроконтроллера. Что получилось — под катом…

Схема

После нескольких экспериментов появилась схема, на рис. 1.

Рис. 1. Схема. MicroCap10

Как работает

Принцип действия основан на измерении заряда, который накопился на обкладке конденсатора при зарядке. Вторая обкладка – это объект, подносимый к датчику. Для моделирования она показана подключённой к «земле», но это не принципиально.

Обкладка конденсатора подключена к выводу микроконтроллера, который настроен на выдачу меандра частотой 120 — 180 кГц, на схеме это источник напряжения V2. Также, обкладка подключена к базе транзистора Q1. Эмиттер подключён к тому же генератору. Так как выход МК комплементарный, это означает что вывод попеременно подключён то к «+» источнику питания, то к «0». Что происходит в эти полупериоды:

• На выходе МК лог. 1: Конденсатор быстро заряжается через R1, R2. Так как ёмкость очень мала, можно обойтись без диодного разделения, сопротивление R2 достаточно для полного заряда, и нет паразитной ёмкости диодов. Транзистор закрыт, так как включён в обратном направлении U_БЭ<0.
• На выходе МК лог. 0: Конденсатор С1 разряжается через R3, переход БЭ Q1 и выход МК. Так как эмиттер через вывод МК подключился к «0V», то ток разряда на очень короткое время открывает транзистор. Создаётся ток коллектора на короткое время, определяемое зарядом конденсатора С1.

комплементарный выход

Диод D1 и конденсатор С2 образуют амплитудный детектор – на R5 создаётся напряжение, пропорциональное ёмкости С1. Транзистор Q2 нужен для согласования сопротивлений с АЦП МК. Выходное напряжение снимается с R6.

Результаты моделирования (рис. 2) при номиналах, показанных на схеме. Линейная зависимость примерно сохраняется до 10 пФ.

Рис. 2. График ёмкость — напряжение

При снижении R3 до 2 кОм, увеличивается чувствительность и снижается линейный участок примерно до 0…4 пФ.

Рис. 3. График ёмкость — напряжение

Примечание: подъём графика около 0 пФ – ошибки моделирования, там на самом деле продолжается линейность. Проверено в «железе».

Приведённая схема отличается от других (с диодной развязкой или мостами и неизменным включением БЭ транзистора) тем, что пропорция ёмкость/напряжение имеется почти с 0 пФ, без мёртвой зоны. Также, в схеме задействована только одна обкладка конденсатора.

При выполнении на плате собственная ёмкость схемы намного меньше ёмкости одной обкладки — пластины в 20 см². Чувствительность датчика: для поднесённой руки примерно на 50 мм к пластине — изменение выходного сигнала более 10%. Расчётное изменение ёмкости около 2 пФ. На сетевые помехи, ЭМП и GSM датчик не реагирует.

Уточнения для реализации

• Транзисторы должны быть с рабочей частотой от 100 МГц, и минимальной ёмкостью базы (здесь 2 пФ).
• Диод D1 – высокочастотный типа BAV99, ёмкость единицы пФ.
• С2 в диапазоне 10 – 30 нФ, больше не надо, растёт ток вывода МК. Для сглаживания импульсов можно поставить конденсатор параллельно R6
• Резистор R1 в 100 Ом ограничивает ток вывода МК, импульсный 5мА, средний 0,2 мА.
• Микроконтроллер в данной схеме – Atmega8A, выход меандр 166 кГц, АЦП его же. Увеличение частоты выше 300 кГц не рекомендуется, из-за влияния паразитных ёмкостей.

Кто реализует и применит в своих поделках — отпишитесь, интересно.

Альтернативное применение.

В комментариях под статьёй обсуждается применение в качестве датчика влажности почвы. Решил проверить, возможно ли.

Сенсорную пластину взял 40х60 мм, хорошо замотав в 4 слоя сантехнического скотча (допустим, герметизировал). Собственная ёмкость возросла, пришлось поменять номиналы в схеме, снизив чувствительность до уровня 15 пФ. Новая схема здесь :

Рис. 4. Схема для датчика влажности почвы.

Эксперименты:

Плоской земли у меня нет, есть песок, который я насыпал в банку объёмом примерно 300 мл. Доливал воды каждый раз примерно по 15…20 мл.

Сухой песок. Собственная ёмкость сенсора.

Песок +20мл воды.

Ещё долил воды и немного утрамбовал.

… и ещё воды.

… и ещё воды.

… и ещё воды.

… и ещё воды. Стало совсем тропически сыро.

Напряжение снимал с R5, поэтому при увеличении ёмкости напряжение увеличивается.
Видно, что ёмкость возрастает при каждом доливе. Однако, то ли песок такой, то ли я не знаю что, но показания увеличиваются сразу при доливе. Я ожидал более плавное изменение U при пропитывании песка водой.

Да, я знаю о сенсорных датчиках для Ардуино с Али. Но мне хотелось разобраться самому и сделать с заданными параметрами.

Измерение утечки тока конденсатора с помощью трансимпедансного усилителя

Я читал текст об измерении утечки тока конденсатора с использованием схемы трансимпедансного усилителя, поскольку автор говорит, что это довольно дешевый и надежный способ измерения утечки тока, мне было интересно, может ли это быть верным утверждением, поскольку у нас есть тест на утечку тока в нашем университете и состоит из очень дорогих измерительных устройств, таких как измеритель LCR Agilent E4890A, а также блок SMU, пикоамперметр и некоторые переключатели.Поэтому мне интересно, может ли такое решение конкурировать с той дорогой и сложной установкой, которая у нас уже есть. (Я планирую попробовать, но я хотел бы услышать несколько комментариев, прежде чем участвовать).

Шаги по измерению утечки тока с помощью этой установки довольно просты. Сначала на картридж припаиваются (SMD) конденсаторы, затем измеряется их номинал. На следующем этапе они будут заряжены напряжением с помощью SMU (не более 30 В из-за ограничения матрицы переключателей максимального напряжения реле), и, наконец, после завершения зарядки пикоамперметр измеряет утечку тока.

Итак, вернемся к трансимпедансному усилителю. Автор объясняет, что следующая схема может неплохо измерить утечку тока.

Поскольку дорогие резисторы могут быть (очень) дорогими, их стоит рассмотрение альтернативного подхода, исключающего этот компонент. Если RF удалить, а CF увеличить, то входной ток будет заряжаться. CF и для фиксированного i выход v (out) будет пандусом. CF должен быть конденсатор хорошего качества с низкой утечкой. Если Q — это заряд CF и t время, тогда:

CF = Q / v (выход), а поскольку Q = i.т = (i. t) / v (out)

или v (out) = (i. T) / CF и, следовательно, dv (out) / dt = i / CF или i = CF. дв (выход) / dt

Вот ссылка на оригинальный текст

Так что я бы очень хотел, если бы более опытные люди здесь высказали свое мнение, и если такая схема имеет какой-либо шанс работать лучше, чем текущая установка, которую я вам показал. Или это вообще практично?

Калькулятор заряда конденсатора и постоянной времени

Этот калькулятор вычисляет время и энергию заряда конденсатора, учитывая напряжение питания и добавленное последовательное сопротивление.{2}} {2} $$

$$ \ tau = RC $$

Где:

$$ V $$ = приложенное напряжение к конденсатору (вольт)

$$ C $$ = емкость (фарады)

$$ R $$ = сопротивление (Ом)

$$ \ tau $$ = постоянная времени (секунды)

Постоянная времени последовательной комбинации резистор-конденсатор определяется как время, необходимое конденсатору для разрядки 36,8% (для разрядной цепи) своего заряда, или время, необходимое для достижения 63,2% (для схемы зарядки) максимальная емкость заряда при отсутствии начального заряда.Постоянная времени также определяет реакцию схемы на ступенчатое (или постоянное) входное напряжение. Следовательно, частота среза схемы определяется постоянной времени.

Приложения для зарядки / разрядки

Способность конденсатора заряжаться / разряжаться сделала возможным множество применений в электротехнике. Вот некоторые из них:

Вспышка

Лампа-вспышка одноразовой камеры питается от заряда, накопленного на конденсаторе.Схема лампы-вспышки обычно состоит из большого высоковольтного поляризованного электролитического конденсатора для хранения необходимого заряда, лампы-вспышки для генерации необходимого света, батареи 1,5 В, цепи прерывателя для создания постоянного напряжения свыше 300 V, и триггерная сеть, чтобы установить несколько тысяч вольт на очень короткий период времени, чтобы зажечь лампу-вспышку. Несомненно, должно быть интересно то, что один источник энергии всего лишь 1,5 В постоянного тока может быть преобразован в один из нескольких тысяч вольт (хотя и на очень короткий период времени) для зажигания лампы-вспышки.Фактически, этой одной маленькой батареи хватит на весь просмотр пленки через камеру.

Сетевой фильтр

В последние годы мы все познакомились с линейным кондиционером как с мерой безопасности для наших компьютеров, телевизоров, проигрывателей компакт-дисков и других чувствительных приборов. Помимо защиты оборудования от неожиданных скачков напряжения и тока, большинство качественных устройств также отфильтровывают (удаляют) электромагнитные помехи (EMI) и радиочастотные помехи (RFI).Фильтрация выполняется с помощью правильной комбинации резистора и конденсатора. Зарядка и разрядка конденсатора означает, что он не допустит резких скачков напряжения, которые в противном случае повредили бы приборы и оборудование.

Дополнительная литература

Емкость | Electronics Club

Емкость | Клуб электроники

Емкость | Зарядка и энергия | Реактивное сопротивление | Последовательный и параллельный | Зарядка | Постоянная времени | Разрядка | Использует | Конденсаторная муфта

Следующая страница: Импеданс и реактивное сопротивление

См. Также: Конденсаторы | Блоки питания

Емкость

Емкость

(символ C) — это мера способности конденсатора накапливать заряд .Большая емкость означает, что можно хранить больше заряда. Емкость измеряется в фарадах, символ F, но 1F очень большой, поэтому для отображения меньших значений используются префиксы (множители):

• мкФ (микро) означает 10 ^-6 (миллионная), поэтому 1000000 мкФ = 1F
• n (нано) означает 10 ^-9 (миллиардная), поэтому 1000 нФ = 1 мкФ
• p (пико) означает 10 ^-12 (миллионно-миллионная), поэтому 1000 пФ = 1 нФ

конденсатор неполяризованный

поляризованный конденсатор

Rapid Electronics: Конденсаторы

---

Заряд и накопленная энергия

Количество заряда (Q), сохраняемого конденсатором, определяется как:

Заряд, Q = C × V

Когда они накапливают заряд, конденсаторы также накапливают энергию (E):

Энергия, E = ½QV = ½CV²

Q = заряд в кулонах (Кл)
C = емкость в фарадах (Ф)
V = напряжение в вольтах (В)
E = энергия в джоулях (Дж) )

Конденсаторы возвращают накопленную энергию в цепь

Обратите внимание, что конденсаторы возвращают накопленную энергию в схему. Они не «расходуют» электрическую энергию преобразовывая его в тепло, как это делает резистор.

Энергия, запасаемая конденсатором, намного меньше, чем энергия, хранящаяся в батарее, поэтому они не могут использоваться в качестве источника энергии для большинства целей.

---

Емкостное реактивное сопротивление Xc

Емкостное реактивное сопротивление (Xc) — это мера сопротивления конденсатора переменному току. Как и сопротивление, оно измеряется в Ом () но реактивное сопротивление сложнее, чем сопротивление, потому что его значение зависит от частоты (f) электрического сигнала, проходящего через конденсатор, а также емкости (C).

Емкостное реактивное сопротивление, Xc =	1
	2fC

Xc = реактивное сопротивление в Ом ()
f = частота в герцах (Гц)
C = емкость в фарадах (F)

Реактивное сопротивление велико на низких частотах и ​​мало на высоких частотах. Для постоянного постоянного тока с нулевой частотой Xc бесконечно (полное противодействие), отсюда правило, что Конденсаторы пропускают переменный ток, но блокируют постоянный ток .

Например, конденсатор 1 мкФ имеет реактивное сопротивление 3,2k для сигнала 50 Гц, но когда частота выше на 10 кГц, его реактивное сопротивление составляет только 16.

Емкостное и индуктивное сопротивление

Символ Xc используется для отличия емкостного реактивного сопротивления от индуктивного X _L что является свойством индукторов.

Различие важно, потому что X _L увеличивается с частотой (противоположно Xc) и если в цепи присутствуют оба X _L и Xc, то комбинированное реактивное сопротивление (X) равно разнице между ними.

Для получения дополнительной информации см. Страницу Импеданс.

---

---

Последовательные и параллельные конденсаторы

Суммарная емкость (C) конденсаторов, подключенных в серии , определяется по формуле:

1	=	1	+	1	+	1	+. ..
C		C1		C2		C3

Суммарная емкость (C) конденсаторов, подключенных параллельно , составляет:

C = C1 + C2 + C3 + …

Два или более конденсатора редко намеренно соединяются последовательно в реальных цепях, но может быть полезно подключить конденсаторы параллельно, чтобы получить очень большую емкость, например, чтобы сгладить питание.

Обратите внимание, что эти уравнения обратны для резисторы последовательно и параллельно.

---

Зарядка конденсатора

Конденсатор (C) на принципиальной схеме заряжается от напряжения питания (Vs) с током проходящий через резистор (R). Напряжение на конденсаторе (Vc) изначально равно нулю, но увеличивается. по мере заряда конденсатора. Конденсатор полностью заряжен, когда Vc = Vs.

Зарядный ток (I) определяется напряжением на резисторе (Vs — Vc):

Зарядный ток, I = (Vs — Vc) / R

Сначала Vc = 0V, поэтому:

Начальный ток, Io = Vs / R

Vc увеличивается, как только заряд (Q) начинает накапливаться (Vc = Q / C), это снижает напряжение на резисторе и, следовательно, снижает зарядный ток.Это означает, что скорость зарядки постепенно снижается.

---

Постоянная времени (RC)

Постоянная времени — это мера того, насколько медленно конденсатор заряжается током, протекающим через резистор. Большая постоянная времени означает, что конденсатор заряжается медленно. Обратите внимание, что постоянная времени является свойством схема , содержащая конденсатор и резистор, не является свойством только конденсатора.

Постоянная времени (RC) — это время, необходимое для того, чтобы зарядный (или разрядный) ток (I) упал до ¹ / е от его начального значения (Io). ‘е’ — важное число в математике (подобно ). e = 2,71828 (до 6 значащих цифр), поэтому мы можем грубо сказать, что постоянная времени — это время, необходимое для того, чтобы ток упал до ¹ / ₃ от его начального значения.

После каждой постоянной времени ток падает на ¹ / e (примерно ¹ / ₃ ). После 5 постоянных времени (5RC) ток упал до менее 1% от своего начального значения, и мы можем разумно говорят, что конденсатор полностью заряжен , а на самом деле конденсатор требует вечной зарядки, чтобы полностью зарядиться!

Нижний график показывает, как напряжение (В) увеличивается по мере заряда конденсатора.Сначала напряжение быстро меняется из-за большого тока; но по мере уменьшения тока заряд нарастает медленнее, а напряжение увеличивается медленнее.

Время	Напряжение	Заряд
0RC	0,0 В	0%
1RC	5,7 В10					V	86%
3RC	8. 6V	95%
4RC	8,8V	98%
5RC	8,9V	99%

Зарядка конденсатора
постоянная времени = RC

После 5 постоянных времени (5RC) конденсатор почти полностью заряжен, а его напряжение почти равно напряжение питания. Можно с полным основанием сказать, что конденсатор полностью заряжен после 5RC, хотя реально заряжается продолжается вечно (или пока схема не будет изменена).

---

---

Разряд конденсатора

Верхний график показывает, как ток (I) уменьшается по мере разряда конденсатора. Начальный ток (Io) определяется начальным напряжением на конденсаторе (Vo) и сопротивлением (R):

Начальный ток, Io = Vs / R

Обратите внимание, что графики тока имеют одинаковую форму как для зарядки, так и для разрядки конденсатора. Этот тип графика является примером экспоненциального затухания.

Нижний график показывает, как напряжение (В) уменьшается по мере разряда конденсатора.

Время	Напряжение	Заряд
0RC	9,0 В	100%
1RC	3,3 В10	37%	V	14%
3RC	0,4 В	5%
4RC	0.2 В	2%
5RC	0,1 В	1%

Разрядка конденсатора
постоянная времени = RC

Сначала ток большой из-за большого напряжения, поэтому заряд быстро теряется и напряжение быстро уменьшается. По мере того, как заряд теряется, напряжение уменьшается, делая ток меньше, поэтому скорость разрядки становится все медленнее.

После 5 постоянных времени (5RC) напряжение на конденсаторе почти равно нулю, и мы можем с полным основанием сказать, что конденсатор полностью разряжен, хотя реально разряд продолжается вечно (или пока не поменяют схему).

---

Применение конденсаторов

Конденсаторы используются в нескольких целях:

---

Конденсаторная муфта (CR-муфта)

Секции электронных схем могут быть связаны с конденсатором, потому что конденсаторы проходят переменный ток (изменяющиеся) сигналы, но блокируют DC (постоянные) сигналы. Это называется конденсаторной связью или CR-связью .

Он используется между ступенями аудиосистемы для передачи аудиосигнала (переменного тока) без постоянного напряжения (постоянного тока). которые могут присутствовать, например, для подключения громкоговорителя.Он также используется для установки переключателя «AC» на осциллографе.

Точное поведение конденсаторной связи определяется ее постоянной времени (RC). Обратите внимание, что сопротивление (R) может быть внутри следующего участка цепи, а не отдельного резистора.

Для успешной связи конденсаторов в аудиосистеме сигналы должны проходить через с небольшим искажением или без него. Это достигается, если постоянная времени (RC) больше, чем период времени (T) аудиосигналов самой низкой частоты требуется (обычно 20 Гц, T = 50 мс).

• Выход при RC >> T
  Когда постоянная времени намного больше, чем период входного сигнала конденсатор не успевает существенно зарядиться или разрядиться, поэтому сигнал проходит с незначительными искажениями.
• Выход при RC = T
  Когда постоянная времени равна периоду времени, вы можете видеть, что конденсатор успевает частично зарядиться и разрядиться до изменения сигнала. В результате есть значительное искажение сигнала при прохождении через CR-муфту.Обратите внимание, как внезапные изменения входного сигнала проходят прямо через конденсатор на выход.
• Выход при RC << T
  Когда постоянная времени намного меньше периода времени, конденсатор успевает для полной зарядки или разрядки после каждого резкого изменения входного сигнала. Фактически, только внезапные изменения передаются на выходе, и они выглядят как «всплески», попеременно положительный и отрицательный. Это может быть полезно в системе, которая должна определять, когда сигнал меняется внезапно, но игнорируйте медленные изменения.

---

Следующая страница: Импеданс и реактивное сопротивление | Исследование

---

Политика конфиденциальности и файлы cookie

Этот сайт не собирает личную информацию. Если вы отправите электронное письмо, ваш адрес электронной почты и любая личная информация будет используется только для ответа на ваше сообщение, оно не будет передано никому. На этом веб-сайте отображается реклама, если вы нажмете на рекламодатель может знать, что вы пришли с этого сайта, и я могу быть вознагражден. Рекламодателям не передается никакая личная информация.Этот веб-сайт использует некоторые файлы cookie, которые классифицируются как «строго необходимые», они необходимы для работы веб-сайта и не могут быть отклонены, но они не содержат никакой личной информации. Этот веб-сайт использует службу Google AdSense, которая использует файлы cookie для показа рекламы на основе использования вами веб-сайтов. (включая этот), как объяснил Google. Чтобы узнать, как удалить файлы cookie и управлять ими в своем браузере, пожалуйста, посетите AboutCookies.org.

electronicsclub.info © Джон Хьюс 2021 г.

Лаборатория 4 — Зарядка и разрядка конденсатора

Введение

Конденсаторы — это устройства, которые могут накапливать электрический заряд и энергию.Конденсаторы имеют несколько применений, например, в качестве фильтров в источниках питания постоянного тока и в качестве аккумуляторов энергии для импульсных лазеров. Конденсаторы пропускают переменный ток, но не постоянный, поэтому они используются для блокировки постоянной составляющей сигнала, чтобы можно было измерить переменную составляющую. Физика плазмы использует способность конденсаторов накапливать энергию. В физике плазмы часто необходимы короткие импульсы энергии при чрезвычайно высоких напряжениях и токах. Конденсатор можно медленно заряжать до необходимого напряжения, а затем быстро разряжать для обеспечения необходимой энергии.Можно даже зарядить несколько конденсаторов до определенного напряжения, а затем разрядить их таким образом, чтобы получить от системы большее напряжение (но не больше энергии), чем было вложено. В этом эксперименте используется схема RC , которая является одной из простейших схем, в которой используется конденсатор. Вы изучите эту схему и способы изменения ее эффективной емкости, комбинируя конденсаторы последовательно и параллельно.

Обсуждение принципов

Конденсатор состоит из двух проводов, разделенных небольшим расстоянием.Когда проводники подключены к зарядному устройству (например, к батарее), заряд передается от одного проводника к другому до тех пор, пока разность потенциалов между проводниками из-за их равного, но противоположного заряда не станет равной разности потенциалов между клеммами. зарядного устройства. Количество заряда, накопленного на любом проводнике, прямо пропорционально напряжению, а константа пропорциональности известна как емкость . Это записывается алгебраически как Заряд C измеряется в единицах кулонов (C), напряжение

ΔV

в вольт (В) и емкость C в единицах фарад (F). Конденсаторы — физические устройства; Емкость — это свойство устройства.

Зарядка и разрядка

В простой RC-цепи резистор и конденсатор соединены последовательно с батареей и переключателем. См. Рис.1.

Рисунок 1 : Простая RC-цепь

Когда переключатель находится в положении 1, как показано на рис. 1 (а), заряд на проводниках через некоторое время достигает максимального значения. Когда переключатель переведен в положение 2, как на рис.1 (b), аккумулятор больше не является частью цепи и, следовательно, заряд конденсатора не может быть восполнен. В результате конденсатор разряжается через резистор. Если мы хотим исследовать зарядку и разрядку конденсатора, нас интересует, что происходит сразу же, после того, как переключатель перемещается в положение 1 или положение 2, а не дальнейшее поведение схемы в ее установившемся состоянии. Для схемы, показанной на рис. 1 (а), уравнение петли Кирхгофа можно записать как Решение уравнения.(2) — это

(3)

Q = Q _f 1 — e ^{(−t / RC)} где

Q _f

представляет собой окончательный заряд на конденсаторе, который накапливается через бесконечный промежуток времени, R — сопротивление цепи, а C — емкость конденсатора. Из этого выражения вы можете видеть, что заряд растет экспоненциально во время процесса зарядки.См. Рис. 2 (а). Когда переключатель перемещается в положение 2, для схемы, показанной на рис. 1 (b), уравнение петли Кирхгофа теперь имеет вид Решение уравнения. (4) является

(5)

Q = Q ₀ e ^{(−t / RC)}

где

Q ₀

представляет начальный заряд на конденсаторе в начале разряда, т. е. при

t = 0.

Из этого выражения видно, что заряд экспоненциально затухает при разряде конденсатора, и что для полной разрядки требуется бесконечное количество времени. См. Рис. 2 (b).

Рисунок 2 : График изменения во времени

Постоянная времени

τ Произведение

RC

(имеющее единицы времени) имеет особое значение; это называется постоянной времени цепи. Постоянная времени — это время, необходимое для повышения заряда зарядного конденсатора до 63% от его конечного значения. Другими словами, когда

t = RC,

(6)

Q = Q _f 1 — e ⁻¹ и

(7)

1 — е ⁻¹ = 0.632.

Другой способ описать постоянную времени — сказать, что это количество секунд, необходимое для того, чтобы заряд на разряжающемся конденсаторе упал до 36,8%

(e ^-1 = 0,368)

от своего начального значения. Мы можем использовать определение

(I = dQ / dt)

тока через резистор и уравнение. (3) Q = Q _f 1 — e ^{(−t / RC)} и уравнение. (5)

Q = Q ₀ e ^{(−t / RC)}

, чтобы получить выражение для тока во время процессов зарядки и разрядки.

(8)

зарядка: I = + I ₀ e ^{−t / RC}

(9)

разгрузка: I = −I ₀ e ^{−t / RC}

где в формуле. (8)

зарядка: I = + I ₀ e ^{−t / RC}

и уравнение. (9)

разряд: I = −I ₀ e ^{−t / RC}

— максимальный ток в цепи в момент времени t = 0. Тогда разность потенциалов на резисторе будет выражаться следующим образом.

(10)

зарядка: ΔV = + ΔV _f e ^{−t / RC}

(11)

нагнетание: ΔV = — ΔV ₀ e ^{−t / RC}

Обратите внимание, что во время процесса разряда ток будет течь через резистор в противоположном направлении. Следовательно, I и

ΔV

в уравнении. (9)

разряд: I = −I ₀ e ^{−t / RC}

и уравнение. (11)

разряд: ΔV = — ΔV ₀ e ^{−t / RC}

отрицательны.Это напряжение как функция времени показано на рис.3.

Рисунок 3 : Напряжение на резисторе как функция времени

Полезно описывать зарядку и разрядку в терминах разности потенциалов между проводниками (т.е. «напряжение на конденсаторе»), поскольку напряжение на конденсаторе можно измерить непосредственно в лаборатории. Используя соотношение

Q = C ΔV,

Ур. (3) Q = Q _f 1 — e ^{(−t / RC)} и уравнение.(5)

Q = Q ₀ e ^{(−t / RC)}

, которые описывают зарядку и разрядку конденсатора, можно переписать в терминах напряжения. Просто разделите оба уравнения на

C,

, и отношения станут следующими.

(12)

зарядка: ΔV = ΔV _f 1 — e ^{(−t / RC)}

(13)

нагнетание: ΔV = ΔV ₀ e ^{(−t / RC)}

Обратите внимание, что эти два уравнения похожи по форме на формулу. (3) Q = Q _f 1 — e ^{(−t / RC)} и уравнение. 5

Q = Q ₀ e ^{(−t / RC)}

. График зависимости напряжения на конденсаторе от времени показан на рисунке 4 ниже.

Рисунок 4 : Напряжение на конденсаторе как функция времени

Переставив уравнение. (12) зарядка: ΔV = ΔV _f 1 — e ^{(−t / RC)} получаем Возьмите натуральный логарифм (ln) от обеих частей этого выражения и умножьте на –1, чтобы получить

(15)

−ln =.

График зависимости

−ln ((ΔV _f — ΔV) / ΔV _f )

от времени даст прямолинейный график с наклоном 1/ RC . Точно так же для процесса разряда уравнение. 13

разрядка: ΔV = ΔV ₀ e ^{(−t / RC)}

можно переписать, чтобы получить Возьмите натуральный логарифм (ln) от обеих частей этого выражения и умножьте на –1, чтобы получить

(17)

−ln =.

График зависимости

−ln (ΔV) / ΔV ₀ )

от времени даст прямолинейный график с наклоном 1/ RC .

Использование прямоугольной волны для имитации роли переключателя

В этом эксперименте вместо переключателя мы будем использовать генератор сигналов, который может генерировать периодические волновые формы различной формы, такие как синусоидальная волна, треугольная волна и прямоугольная волна. Также можно регулировать как частоту, так и амплитуду формы волны. Здесь мы будем использовать генератор сигналов для создания изменяющегося во времени напряжения прямоугольной формы на конденсаторе, аналогичного показанному на рис.5.

Рисунок 5 : Прямоугольная волна с периодом Τ

Выходное напряжение генератора сигналов изменяется назад и вперед от постоянного положительного значения до постоянного нуля вольт через равные интервалы времени t . Время

T = 2t

— это период прямоугольной волны. В течение первой половины цикла, когда напряжение положительное, это похоже на то, что переключатель находится в положении 1. Во второй половине цикла, когда напряжение равно нулю, это то же самое, что переключатель находится в положении 2. .Таким образом, прямоугольная волна, представляющая собой напряжение постоянного тока, которое периодически включается и выключается, служит одновременно аккумулятором и переключателем в схеме, показанной на рис.1. Генератор сигналов позволяет выполнять это переключение многократно, и можно оптимизировать сбор данных, регулируя частоту повторения. Эта частота будет зависеть от постоянной времени RC-цепи. Когда время t больше постоянной времени τ RC-цепи, у конденсатора будет достаточно времени для зарядки и разрядки, и напряжение на конденсаторе будет таким, как показано на рис.4.

Объектив

В этом эксперименте (смоделированный компьютером) осциллограф будет использоваться для отслеживания разности потенциалов и, таким образом, косвенно, заряда конденсатора. Измерения напряжения будут использоваться двумя разными способами для вычисления постоянной времени цепи. Наконец, конденсаторы будут подключены параллельно, чтобы проверить их эквивалентную емкость.

Оборудование

• Печатная плата PASCO
• Сигнальный интерфейс с выходной мощностью
• Соединительные провода
• Программное обеспечение Capstone

Процедура

Распечатайте лист для этой лабораторной работы.Этот лист понадобится вам для записи ваших данных.

Настройка RC-цепи

Печатная плата RLC, которую вы будете использовать, среди других элементов состоит из трех резисторов и двух конденсаторов. См. Рис. 6 ниже. Теоретически вы можете использовать разные комбинации резисторов и конденсаторов. В этом эксперименте вы будете использовать резисторы 33 и 100 Ом и два конденсатора.

Рисунок 6 : Печатная плата RLC

1

Подключите крайнюю правую выходную клемму сигнального интерфейса к резистору 33 Ом в точке 2.

2

Чтобы обойти индуктор, подключите провод от точки 8 к точке 9.

3

Подключите точку 6 ко второй выходной клемме сигнального интерфейса, чтобы замкнуть цепь.

4

Подключите пробник напряжения к аналоговому каналу A.

5

Чтобы измерить напряжение на конденсаторе, подключите черный провод датчика напряжения к точке 6, а красный провод — к точке 9. Убедитесь, что земля интерфейса (вывод «-») подключена к той же стороне конденсатора, что и земля генератора сигналов (выход мощности).Подключение вашей схемы должно выглядеть так, как показано на рис.7.

Рисунок 7 : Принципиальная схема

Контрольная точка 1:
Попросите своего технического специалиста проверить соединения вашей цепи.

Процедура A: Постоянная времени контура

В этом эксперименте мы будем использовать компьютер для эмуляции осциллографа.

6

Откройте файл Capstone, связанный с этой лабораторной работой.Отобразится экран, аналогичный показанному на рис. 8.

Рисунок 8 : Начальный экран файла Capstone

7

Настройте генератор сигналов на создание положительной прямоугольной волны, выбрав положительную прямоугольную волну в окне генератора сигналов, как показано на рисунке 9 ниже.

Рисунок 9 : Окно генератора сигналов

8

Если это еще не установлено при открытии файла Capstone, настройте генератор сигналов на создание прямоугольной волны амплитудой 5 В с частотой 20 Гц и установите смещение напряжения на 5 В.

9

Включите генератор сигналов, щелкнув ON в окне генератора сигналов.

10

Чтобы контролировать сигнал, нажмите кнопку START в главном окне. Потребуется настроить шкалу времени и напряжения, чтобы получить кривую сигнала, подобную показанной на рис. 10. Это позволит вам наблюдать, как напряжение на конденсаторе изменяется как функция времени. Для этого установите курсор на любое значение вдоль оси, которую вы хотите увеличить, и переместите курсор влево-вправо или вверх-вниз по мере необходимости.При правильном увеличении у вас будет только одна длина волны на графике, как на кривой на рис.10.

Рисунок 10 : Трасса сигнала

Если в любой момент вы захотите удалить записанный набор данных, нажмите кнопку Удалить последний прогон под графиком.

11

Нажмите кнопку Показать координаты из кнопок над графиком. См. Рис.11.

Рисунок 11 : Показать координаты

Когда активна функция отображения координат, показания напряжения и времени отображаются, куда бы вы их ни перетащили, как на рис.11. Используя этот инструмент, определите и запишите время начала (то есть, когда линия начала расти с 0 вольт) на рабочем листе.

12

Вычислите 63,2% максимального напряжения,

ΔV _f ,

(которое должно быть 5 В), настройку амплитуды генератора сигналов. Используя Показать координаты , определите и запишите время начала (то есть, когда кривая началась вверх с 0 вольт) на рабочем листе.

13

Из этих двух значений времени определите и запишите время, необходимое для перехода сигнала от Δ V = 0 к Δ V = 0.632

ΔV _f .

Это ваше экспериментальное значение для RC .

14

В рабочем листе введите принятые значения сопротивления и емкости, которые напечатаны на печатной плате.

15

Вычислите экспериментальное значение емкости, используя экспериментальное значение для RC и принятое значение R . Запишите это на листе.

16

Вычислите ошибку в процентах, используя два значения емкости.См. Приложение Б.

Контрольная точка 2:
Попросите своего технического специалиста проверить ваши данные и расчеты, прежде чем продолжить.

Процедура B: Расчет емкости графическими методами

17

Запишите максимальное напряжение на листе.

18

Из записанных данных найдите с помощью интеллектуального инструмента моменты времени, при которых Δ V = 1, 2, 3 и 4 вольта на восходящей части кривой.Запишите эту информацию в таблицу данных 1 на рабочем листе. Примечание : Возможно, вам придется сильно увеличить масштаб, чтобы получить необходимую точность при использовании интеллектуального инструмента.

19

Выполните необходимые вычисления, чтобы заполнить Таблицу данных 1.

20

Используя Excel, постройте график

−ln ((ΔV _f — ΔV) / ΔV _f )

в зависимости от времени. См. Приложение G.

21

Используйте параметр линии тренда в Excel, чтобы нарисовать линию, наиболее подходящую для ваших данных, определить наклон линии и записать это значение на листе.См. Приложение H.

22

По значению крутизны определите постоянную времени и емкость. Запишите эти значения на листе.

23

Вычислите ошибку в процентах между этим значением емкости и принятым значением.

Контрольная точка 3:
Попросите своего технического специалиста проверить ваши данные, график и расчеты, прежде чем продолжить.

Процедура C: Измерение эффективной емкости

Емкость увеличивается непосредственно при параллельном подключении конденсаторов и в обратном порядке при последовательном подключении.Это противоположно правилу для резисторов. Для конденсаторов, подключенных параллельно, эффективная емкость определяется выражением

(18)

C _эфф = C ₁ + C ₂ + C ₃ +. . .

а для конденсаторов, включенных последовательно, эффективная емкость равна

24

Подключите второй конденсатор (330 мкФ, Ф) параллельно конденсатору, используемому в процедуре A, подключив провод от точки 6 к точке 7.

25

Переключите резистор на резистор 10 Ом, переместив соединение из точки 2 в точку 1.

26

Запишите другой набор данных, щелкнув START в главном окне. После того, как вы записали второй набор данных, вы можете захотеть отобразить только эти данные на графике и удалить набор данных 1. Для этого удалите первый прогон (см. Примечание к шагу 10). На графике вы будете видеть только одну длину волны.

27

В этой части эксперимента вы будете рассматривать разрядную часть кривой. Теперь начальное напряжение

ΔV ₀

будет наивысшим значением пика перед тем, как график начнет спадать.Запишите это значение на листе.

28

Из записанных данных найдите с помощью интеллектуального инструмента моменты времени, при которых Δ V = 1, 2, 3 и 4 вольта на спадающей части кривой. ( Примечание : вам может потребоваться сильно увеличить масштаб, чтобы получить необходимую точность при использовании интеллектуального инструмента). Запишите эту информацию в таблицу данных 2 на рабочем листе.

29

Выполните необходимые вычисления, чтобы заполнить Таблицу данных 2.

30

Используя Excel, постройте график зависимости

−ln (ΔV) / ΔV ₀ )

от времени.

31

Используйте параметр линии тренда в Excel, чтобы нарисовать линию, наиболее подходящую для ваших данных, определить наклон линии и записать это значение на листе.

32

По значению наклона определите постоянную времени и запишите это значение в рабочий лист.

33

Вычислите

C _eff ,

эффективную емкость параллельной комбинации, используя принятое значение для R .

34

Сравните это экспериментальное значение с тем, что вы получили из уравнения.18

C _эфф = C ₁ + C ₂ + C ₃ +. . .

и принятые значения емкости путем вычисления ошибки в процентах между двумя значениями.

Контрольная точка 4:
Попросите своего технического специалиста проверить ваши данные и расчеты, прежде чем продолжить.

Copyright © 2012 Advanced Instructional Systems, Inc. и Государственный университет Северной Каролины | Кредиты

Методы измерения емкости, входящего тока, внутреннего сопротивления и ESR

% PDF-1.6 % 287 0 объект > / Метаданные 368 0 R / Страницы 284 0 R / StructTreeRoot 84 0 R / Тип / Каталог / Просмотрщик Настройки >>> эндобдж 321 0 объект > / Шрифт >>> / Поля [] >> эндобдж 368 0 объект > поток False11.08.522018-11-06T16: 33: 30.078-05: 00 Библиотека Adobe PDF 11.0Eatonfbd8739bef2a157818271cab46c704a8027b31be221544 Методы измерения емкости, тока на входе, внутреннего сопротивления и ESR | Техническая нота 5502 | Библиотека PDF EatonAdobe 11.0falseAdobe InDesign CC 2014 (Macintosh) 2018-10-30T09: 28: 33.000-07: 002018-10-30T12: 28: 33.000-04: 002015-06-11T11: 45: 02.000-04: 00application / pdf

en

2018-11-13T14: 33: 10.066-05: 00

Eaton

Методы измерения емкости

приток тока

внутреннее сопротивление и СОЭ | Техническая нота 5502 | Eaton

Методы измерения емкости, входящего тока, внутреннего сопротивления и ESR

uuid: bd8487d8-7c34-4075-bb78-38d956775753 uuid: e038444a-4348-4c69-ade4-9d2cf756a0b7

eaton: ресурсы / технические-ресурсы / руководства-спецификации продукта

eaton: язык / ru

eaton: систематизация продуктов / электроника / суперконденсаторы / семейство телевизоров

eaton: систематизация продуктов / электроника / суперконденсаторы / семейство b-суперконденсаторов

eaton: систематизация продуктов / электроника / суперконденсаторы / семейство суперконденсаторов hb

eaton: систематизация продуктов / электроника / суперконденсаторы / семейство суперконденсаторов hv

eaton: систематизация продуктов / электроника / суперконденсаторы / семейство суперконденсаторов kr

eaton: систематика продуктов / электроника / суперконденсаторы / семейство суперконденсаторов квт

eaton: систематизация продуктов / электроника / суперконденсаторы / семейство m-суперконденсаторов

eaton: систематизация продуктов / электроника / суперконденсаторы / семейство pb-supercapacitor

eaton: систематизация продуктов / электроника / суперконденсаторы / семейство phb-суперконденсаторов

eaton: систематика продуктов / электроника / суперконденсаторы / семейство суперконденсаторов phv

eaton: систематика продуктов / электроника / суперконденсаторы / семейство суперконденсаторов pm

eaton: систематизация продуктов / электроника / суперконденсаторы / суперконденсаторы xb

eaton: систематизация продуктов / электроника / суперконденсаторы / суперконденсаторы xl60

eaton: систематизация продуктов / электроника / суперконденсаторы / xt-суперконденсаторы

eaton: систематизация продуктов / электроника / суперконденсаторы / xv-суперконденсаторы

конечный поток эндобдж 284 0 объект > эндобдж 84 0 объект > эндобдж 85 0 объект > / Pa1> / Pa10> / Pa2> / Pa3> / Pa4> / Pa5> / Pa6> / Pa8 >>> эндобдж 86 0 объект > эндобдж 87 0 объект > эндобдж 88 0 объект > эндобдж 89 0 объект [279 0 R 278 0 R 278 0 R 278 0 R 247 0 R 277 0 R 276 0 R 275 0 R 271 0 R 270 0 R 269 0 R 265 0 R 264 0 R 263 0 R 259 0 R 258 ​​0 R 257 0 R 199 0 R 200 0 R 200 0 R 201 0 R 200 0 R 241 0 R 242 0 R 241 0 R 240 0 R 237 0 R 236 0 R 233 0 R 232 0 R 231 0 R 227 0 R 226 0 R 225 0 R 221 0 R 220 0 R 219 0 R 215 0 R 214 0 R 213 0 R 243 0 R 244 0 R 244 0 R 244 0 R 244 0 R 244 0 R 244 0 R 244 0 R 245 0 R 246 0 246 руб. 0 246 руб. 0 151 руб. 0 156 руб. 0 280 0 руб. 282 0 руб. 283 0 руб. 282 0 руб.] эндобдж 90 0 объект [null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null null 91 0 R 92 0 R 93 0 R 94 0 R 95 0 R 96 0 R 97 0 R 98 0 R 99 0 R 100 0 R 101 0 R 102 0 R 103 0 R 104 0 105 0 R 106 0 R 107 0 R 108 0 R 109 0 R 110 0 R 111 0 R 110 0 R 112 0 R 113 0 R 114 0 R 115 0 R 115 0 R 115 0 R 116 0 R 117 0 R 118 0 R 119 0 R 120 0 R 121 0 R 121 0 R 122 0 R 123 0 R 124 0 R 125 0 R 126 0 R 127 0 R 127 0 R 127 0 R 128 0 R 129 0 R 128 0 R 130 0 R 131 0 R 130 0 R 132 0 R 133 0 R 134 0 R 133 0 R 135 0 R 133 0 R 136 0 R 137 0 R 136 0 R 138 0 R 136 0 R 139 0 R 140 0 R 141 0 R 142 0 143 0 рэнд] эндобдж 91 0 объект > / K 58 / P 145 0 R / Pg 1 0 R / S / Рисунок >> эндобдж 92 0 объект > эндобдж 93 0 объект

Измерение емкости осциллографом

Электролитические конденсаторы известны своей ужасной точностью. Просто считывая значение на упаковке, часто бывает недостаточно, чтобы узнать их истинную емкость. В этом блоге я покажу, как измерить реальную ценность с помощью осциллографа.

Чтобы определить емкость, мы измерим время, в течение которого он заряжается до определенного напряжения. Используя простую схему, в которой конденсатор включен последовательно с резистором, мы можем медленно заряжать конденсатор и измерять напряжение на нем с помощью осциллографа. Эта схема также называется RC-цепью.

Когда мы подаем напряжение на V _в , конденсатор будет заряжаться, а когда мы потянем V _на на землю, он немедленно разрядится.Для этого можно использовать блок-генератор волновой функции, который будет колебаться между 0 и 5 В на определенной частоте. Таким образом, мы можем заряжать и разряжать конденсатор с заданной скоростью. Чтобы вычислить эту скорость, мы можем просто умножить номиналы конденсатора и резистора. В моем случае это 100 мкФ и 220 Ом. Результатом этого будет так называемая постоянная RC. При R * C секунд конденсатор будет заряжен до 63,2% от своего полного потенциала. Однако конденсатор почти полностью заряжен при 5 * RC.Итак, когда мы умножаем 0,000100 F * 220 Ом, мы получаем 22 мс. Чтобы определить время, когда конденсатор будет полностью заряжен, умножаем 5 * 22 мс. Это дает нам 0,11 секунды. Чтобы вычислить частоту нашей блочной волны, мы можем взять ее обратную величину. 1 / 0,11 тогда даст 9,09 Гц. Это число необходимо разделить на 2, поскольку волна блокировки падает с 5 В до 0 В после половины своего цикла.

Принимая во внимание погрешность, блочная волна 4 Гц должна полностью заряжать и разряжать наш конденсатор.

Завершая наши вычисления, мы ожидаем, что напряжение нашего конденсатора будет 3,16 В (63,2% от 5 В) через 22 мс. Но будет ли это так?

Для построения схемы я подключил выходы функционального генератора через резистор и конденсатор. Мы измеряем осциллографом только на конденсаторе.

Это показывает следующие выходные данные на осциллографе. Мы устанавливаем горизонтальные курсоры на диапазон 3,16 В, а вертикальные курсоры на начало формы волны и там, где кривая пересекает 3.Марка 16V.

Считываем 25 мс (BX-AX). Это немного больше, чем мы рассчитали выше. Чтобы быть более точным, я также измерил номинал резистора, так как он имел допуск 5%. Номинал резистора 217,4 Ом.

Принимая во внимание измеренное значение резистора и время RC, при котором конденсатор заряжается до 63,2%, мы можем вычислить истинную емкость.

Когда мы вводим значения для производной формулы C = t / R.C = 0,025 / 217,4 = 0,000115 F, что составляет 115 мкФ.

Производственная погрешность нашего конденсатора составляет 15%, что действительно можно назвать ужасным.

Для тех, кто интересуется, почему постоянная времени RC составляет 63,2%, я рекомендую прочитать этот учебник.

Физика — Конденсаторы — Бирмингемский университет

Батарея накапливает электрическую энергию и высвобождает ее в результате химических реакций, это означает, что ее можно быстро зарядить, но разряжается медленно. В отличие от батареи, конденсатор — это компонент схемы, который временно накапливает электрическую энергию за счет распределения заряженных частиц на (обычно двух) пластинах для создания разности потенциалов.Конденсатору требуется меньше времени для зарядки, чем аккумулятору, и он может очень быстро высвободить всю энергию.

Сколько мы можем взимать?

При подключении к элементу или другому источнику питания электроны будут вытекать из отрицательного конца клеммы и накапливаться на одной пластине конденсатора. Другая пластина будет иметь чистый положительный заряд, поскольку электроны теряются в батарее, что приводит к разности потенциалов, эквивалентной напряжению элемента.

Конденсатор характеризуется своей емкостью ( ° C, ), которая обычно выражается в единицах Фарада .Это отношение заряда ( Q ) к разности потенциалов ( V ), где C = Q / V

Чем больше емкость, тем больше заряда может удерживать конденсатор. Используя показанную установку, мы можем измерить напряжение во время зарядки конденсатора через резистор как функцию времени (t).

Как мы проверяем поведение конденсатора?

Как мы проверяем поведение конденсатора?

Как найти постоянную времени?

Здесь вы можете увидеть график зависимости напряжения от времени для зарядки и разрядки конденсатора.

Уравнения кривых V-t для заряда и разряда конденсатора являются экспоненциальными, где напряжение пропорционально начальному напряжению в зависимости от мощности времени. Таким образом, с помощью некоторых математических манипуляций мы можем построить логарифмический график напряжение-время разряжающегося конденсатора, чтобы легко получить постоянную времени ( τ = RC ) из градиента (-1 / RC ) и начальное напряжение от точки пересечения по оси y.

Очень важно, чтобы используемый конденсатор имел большее номинальное напряжение, чем у элемента, и чтобы он был подключен с правильной полярностью (отрицательная пластина должна быть подключена к отрицательной клемме элемента), в противном случае он может взорваться.Отрицательный конец обычно обозначается чертой на корпусе конденсатора и обычно является более коротким контактом. Обратите внимание, однако, что не все конденсаторы поляризованы (обычно меньшие мкФ ) и могут быть подключены любым способом. Еще одна важная вещь, о которой нужно позаботиться, — это проводить измерения напряжения через заданные промежутки времени. Один из вариантов — использовать осциллограф или конденсатор / резистор большего размера для увеличения времени зарядки / разрядки.

Что означают ваши измерения?

Конденсаторы являются обычным компонентом большинства электронных устройств и наиболее важны для накопления энергии.Поэтому разработка конденсаторов важна для технического прогресса батарей. Хотя в настоящее время накопление энергии в значительной степени зависит от аккумуляторов, это может измениться в будущем, поскольку они медленно заряжаются и разряжаются, а соответствующие химические процессы обычно вызывают потерю энергии из-за тепла. Хотя конденсаторы должны быть намного больше, чем батареи, чтобы сохранять такое же количество заряда, они имеют значительные преимущества, включая гораздо более длительный срок службы и нетоксичные компоненты.Попытки заменить батареи этими суперконденсаторами и ультраконденсаторами — постоянная область исследований.

Ранее мы говорили, что конденсаторы, в отличие от батарей, могут очень быстро разряжаться. По этой причине они находят широкое применение в нашей повседневной жизни и встречаются почти во всех бытовых электронных устройствах. Они особенно полезны в устройствах, где требуется быстрый отклик, например в лазерах и вспышках фотоаппаратов.

В эксперименте в видео выше мы продемонстрировали использование осциллографа для измерения постоянной времени конденсатора и узнали о важности полярности.Если у вас будет время, было бы интересно добавить в схему дополнительные компоненты. Добавив амперметр, мы можем измерить заряд и, следовательно, проделанную работу.

Если мы добавим несколько конденсаторов последовательно, общая емкость составит 1 / C = 1 / C1 + 1 / C2 + 1 / C3 + … + 1 / CN , где CN — емкость N-го конденсатора. . Добавление дополнительных конденсаторов в параллель дает общую емкость C = C1 + C2 + C3 + … + CN

Следующие шаги

Эти ссылки предоставлены только для удобства и в информационных целях; они не означают одобрения или одобрения Бирмингемским университетом какой-либо информации, содержащейся на внешнем веб-сайте.Бирмингемский университет не несет ответственности за точность, законность или содержание внешнего сайта или последующих ссылок. Пожалуйста, свяжитесь с внешним сайтом для получения ответов на вопросы относительно его содержания.

.