Kondensaattorin mittaaminen oskilloskoopilla

Kondensaattorimittaus kompoenttitesterillä

Kidekoneen komponentteja kerätessä mittasin uutta kerkoa, jonka nimellisarvo pitäisi olla 2nF (Tässä Partcon lajitelmassa kerko jonka numeron on 202, mutta komponenttitesterini antoi sille arvoksi 3.2nF (3200pF), joka on jo liian iso heitto.

Ostamani kerko kondensaattorilajitelman arvot

Niinpä halusin varmistua asiasta ja selasin kondensaattorin mittausmenetelmiä. Törmäsin videoon https://www.youtube.com/watch?v=VylC8JFoiBo (erityisesti videon kohta 18:30 - 26:30), jossa kerrotaan miten kondensaattorin voi mitata käyttäen oskilloskooppia. Video oli mielenkiintoinen ja siinä päästiin melko tarkkoihin tuloksiin. Niinpä testasin saisinko myös mitattua tuon kondensaattorin skoopilla.

Videolla käytetään 1k ohm vastusta loiventamaan signaaligeniksellä tuotu  1kHz ja 1V kanttiaalto. Käytin samaa taajuutta, mutta minun piti nostaa jännitettä 1.12V, jotta skoopissa mitattavan aallon korkeus näyttäisi 1V, josta olisi helpompi laskea tarvittava 63.2%. Joku söi 0.12V matkalla. Samoin 1k ohmin vastuksella reuna oli pystysuora eikä vastuksella tuntunut olevan mitään vaikutusta.

Minulla meni pitkään selvitellä että miksi en saanut samannäköistä käyrää kuin videolla. Kokemukseni skoopeista on vähäinen ja meni aikaa opetellessa myös HP 54502A toimintaa, koska nuo asetukset täytyy säätää käsin, jos haluaa oikeanlaisen tuloksen. Välillä oli otettava hieman analogisempi Hameg HM-303-6 skooppi käyttöön ja testattava sillä, kun en HP:lla tuntunut pääsevän haluttuun lopputulokseen. Hamegilla testatessani vaihdoin lopulta vastuksen 1k ohmin vastuksesta 1M ohmin vastukseen, ihan vain testatakseni mikä vaikutus on erilaisella vastuksella. Ja kas, nythän siinä oli juuri sellainen pyöreä loiva reuna, kuin pitikin. En tiedä miksi minulla vaadittiin meganen vastus kun videolla riitti kilon vastus. Sitten kokeilin samaa HP skooppilla ja säädin ajan ja jaot kohdalleen ja niin minulla oli HP:ssakin oikean näköinen käppyrä näytöllä. Vika olikin siinä ettei 1k ohmin vastus hidastanut konkan latautumista riittävästi, että se olisi näkynyt loivempana nousuna.

Sitten säädin videon lailla horisontaali markerit ensin niin että sain koko korkeudeksi 1V, josta sitten pudotin ylemmän markkerin 630 mV:lttiin eli suurinpiirtein siihen tarvittavaan 63.2%:iin, jolla saadaan laskettua siihen mennessä käyrän nousuun käytetty aika. Ja vertikaalimarkkereilla sain sitten mitattua paljonko kului käyrän juuresta siihen että oltiin noustu 63%. Ja tuo aika oli 32us (mikrosekuntia).

Ensimmäisen harjoitteen käyrä - tulos oli kuitenkin vielä väärä

Sitten jaoin videon mukaan aika / vastuksella (ohmeina)

Kapasitanssai C saadaan kun jaetaan t/R jossa t=aika(sek) ja R=vastus(ohmia)

C(kapasitanssi) = 0.000.032  / 1000 000

Tulos on
0,000 . 000 . 000 . 032 F
   milli micro nano pico

Kun pitäisi olla

0,000 . 000 . 003 . 200 F
   milli micro nano pico

Tulos oli väärä ja pitkään ihmettelin että mitä teen väärin. Kyselin apuja Radiohistoriallisen seuran foorumilla ja siellä annettiin vinkkejä. Pekmatval testasi saman setupin omalla skoopillaan. Varmisti myös että käyttämäni asento probessa 10x oli oikea, sillä 1x sotkee tässä tapauksessa mittauksen. Lisäksi hän laittoi skeman siitä kuinka komponentit tulee olla kytkettyä signaaligeneraattoriin ja oskilloskooppin nähden. Mutta kun ongelma ei ratkennut niin hän pyysi minua soittamaan ja konsultoi minua puhelimitse kun tein tuon mittauksen uudelleen.

Yksinkertaistettiin vähän noita skoopin lukemia, varmistettiin ilman komponentteja ensin nätti kahden ruudun korkuinen kanttiaalto, jolloin voitiin todeta että geniksestä tulee oikeanlaista signaalia ja skooppi on säädetty sopivasti. Sitten lisättiin väliin komponentit tuon ylemmän käsinpiirretyn 'skeman' perusteella (kts. foorumin linkki ylempänä).

Komponentit aseteltuna - pun ja musta hauenleuka ovat genikseltä. Toinen hauenleuka on proben maa.

Ja tämän jälkeen kun skoopissa näkyi 'aallokkoa', alettiin suurentamaan yhtä aaltoa suuremmaksi ja helpommin mitattavaksi, pidettiin ruudut 1ms kokoisina (1ms/div) ja laskettiin nyt missä kohtaa on 63% tuosta käyrän noususta. Kun käytä oli neljä ruutua korkea, oli 63% kohta suunnilleen 2,5 ruudun paikkeilla. Ja kun sitten laskee vasemmalta ruutuja tuolta 63% tasolta niin tämä (leikkaus)piste on jo silmämääräisestikin siinä kahden ja puolen ruudun eli 2,5ms paikkeilla. Eli nyt ollaan jo oikeissa luvuissa ja mittakaavassa, sillä 0,0025 / 1000 000 ohmilla on 2.5nF

Nyt oli helppoa laskea ruudukosta paljonko aikaa menee kun käyrä on 63% kohdalla  

Nyt kun vauhtiin pääsin niin sama vielä analogisella oskilloskoopilla. Opin tänään 'vanhan koulun kikan' eli kun tuon aallon mahduttaa 8 ruutuun pystysuunnassa niin silloin siitä viisi pystyruutua on käytännössä 62.5%, joka on riittävän lähellä. Niinpä sama setti kuin äsken digitaalisen oskilloskoopin kanssa, eli nimellisesti 2nF konkka, 1Mohm vastus. probe 10x, geniksestä 50Hz kanttiaalto 1V. Sitten vain säädellään volt/div ja x- ja y-positiota niin että saadaan tuo aalto nätisti mahdutettua ruutuun. Nyt kun lasketaan alhaalta laskien viidennen ruudun yläreunan korkeudelta montako millisekuntia on mennyt käyrältä nousta siihen pisteeseen (eli 62,5% kohdalla) saadaan 2.4ms, kun tässä esimerkissä ja ao. kuvassa yksi ruutu vastaa 1ms. Ja kun se jaetaan vastuksella joka oli 1Mohm eli 0,0024 / 1000 000, on tuloksena 0,000.000.002.4 F eli 2.4nF, mikä on myös erittäin lähellä tuon konkan 2nF nimellisarvoa. Aika hauskaa, eikä näköjään tarvitse olla markeriviivoja skoopissa tämän laskemiseksi

Analogiskoopissa valittuna 1ms per ruutu

1ms ruuduilla 5 ruutu alhaalta antaa arvoksi n. 2,4mS eli 2,4nF

Sain tästä kuvasta kuitenkin palautetta että käyrästä ei vielä varsinaisesti näe onko se tasaantunut, ennenkuin se putoaa alas. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä että minulla on ollut liian suuri taajuus. Niinpä pudotin taajuutta ja tein mittauksen uudelleen.

Nyt 2ms jaolla saatiin käyrän yläpää tasaantumaan ennen putoamista

Tässä vielä 20Hz, 2ms/div. Tämä ei nyt ole ihan yhtä tarkka enää lukea. Ollaan siinä suunnilleen 2,4nF paikkeilla, joka on vielä kohtuullisen lähellä konkan nimellisarvoa. Aika pitkään piti hieroa että sain tuon käyrän nätisti tuohon niin että yläpään tasoittuminen näkyy, enkä saanut sitä 1ms. Ja yritin välttää noiden punaisten hienosäätöpotikoiden käyttämistä, koska en osaa huomioida niiden vaikutusta mittaustuloksessa (esim jos muokkaan time/div niin valikko näyttää edelleen 2ms vaikka kääntämällä hienosäätöä saan aika paljonkin muutosta aikaa, jolloin todellisuudessa yksi ruutu ei enää olekaan 2ms, vaan vähän yli tai alle). Ei tämä nyt ainakaan minun taidoillani tieteellisen tarkka ole, mutta kyllä tällä sen konkan nyt vähintään suuntaa-antavasti tunnistaa

Tämä meni myös valokuvaamisen harrastamiseksi, sillä taajuuden ollessa noin alhainen, oli vilkkuminen jo melkoista ja piirtonopeus käyrälle liian hidas kuvaamista silmälläpitäen. Eli piti kännykameran valotustakin pudottaa 1/4 sekuntiin että koko käyrä ehti piirtyä

Kidekonetta varten minulla on tälläinen ilmaeristeinen konkka. Pitipä nyt siitäkin mitata oskilloskoopilla ja geniksellä että minkäs kokoinen konkka tässä on kyseessä. Genis 50Hz 1V, 1Mohm vastus, time/div 0.5ms eli 2 ruutua on 1ms. Sain konkan ollessa täysin auki (levyt ulkona) 18pF ja konkan ollessa kiinni (levyt sisällä) 450pF. Eli 18-450pF. Jälleen ollaan lähellä sillä nimellisarvot ovat 21-566pF.

Ilmakondensaattorin kapasiteetin mittaaminen oskilloskoopilla

Mittaustulos konkan ollessa kiinni (levyt sisällä), n. 0,45ms

Tämä oli opettavainen ja mielenkiintoinen mittaus ja opinpahan taas yhden tavan lisää hyödyntää oskilloskooppia :)