Bu Teknik İle Kondansatör Kapasite ölçümü sağlıklımıdır ?

[Furkan KELEŞOĞLU]

Facebook da volta atarken Mikro Elektronika firmasının bir modülünü gördüm C Meter diye gecen bir click . üstünde bir entegre vardı bu ne diye bakayım dedim merak ettim. Mikro Elektronika sitesinden C Meter Click shematic açtım ve shematic'de NE555 gördüm.

Ve shematiğe bakarak proteusta devreyi cizip simüle ettim.

https://download.mikroe.com/documents/add-on-boards/click/c-meter-click/c-meter-click-schematic-v100.pdf

devrenin calışma şekli kısaca şöyle : bildiğimiz bir Asatable calışan 555 aslında fakat burada sabit C , R1 ve R2 değerleri daha önceden programda bir sabit olarak bildiriliyor. modülden gelen pulsleri veya bir periyot sürelerini dış kesme ile mikrodenetleyici ölçüyor. bunun sonucunda programa daha önce sabit olarak verilmiş değerin üretebileceği frekans ile bu ölçülen frekansı ( 1 periyot süreside olabilir aynı şey fark etmez ) karşılaştırıyor aradaki farka göre ölçülmekk istenen kondansatörün yaklaşık değerini buluyor proteusta bile çok yaklaşık doğru değeri buluyor. fakat Duty Değerinden dolayı counter doğru calışmıyor olabilir çünkü 555 ten tam %50 duty cycle olarak puls cıkmıyor yaklaşık %54 olarak cıkıyor hesaplamalarıma göre bu değerlerde. (proteusta counter componenti duty cycle si %50 olmayan pulslerde şaşırıyor.)

Yalnız Click için çekilen tanıtım videosunda da proteusta olduğu gibi ölçümler yapıyor , yaklaşık değerleri veya bilmiyorum belki tam değerini buluyordur
Fakat denedim yüksek değerlerde frekans düşeceği için ( puls atma zamanı uzayacağı için) ölçüm için bir 10 dk beklemek gerekebilir ama böyle küçük değerlerde ise şak diye değer hemen değişiyor. ve ölçümü yapıyor.

Adamlar bunu modül haline getirip piyasa sürmüş ve 9 dolara satıyor anlık kur ile hesaplar isek. 53 tl ediyor.

C Meter click — capacitance meter circuit w/ NE-555 IC

C Meter click is a mikroBUS add-on board with circuitry for measuring the value of capacitors. The design is based on a NE-555 timer/square-wave generator, MIKROE-2376

www.mikroe.com

Burada Ölçülecek Kondansatör yok yani boşta duruyor. cıkan frekans ise 27.337 Hz bu modülün sabit cıkardığı değer. çünkü üstünde sabitler duruyor. şimdi A noktasına ölçülecek bir kondansatör bağlayalım buda 5nF bir kondansatör olsun.

Evet 5nF lık Kondansatörü devreye alınca frekans değişti A hattındaki Ceş kondansatör kapasitesi 5.47nF oldu. ve frekans 2.368 Hz oldu. yani frekans düştü.



Mikrodenetleyici ise external interrupt ile periyot ölçüyor. buna görede A noktasına bağlanmış kondansatör sabit Kondansatörün değerini ne kadar değiştirdiyse o farktan A noktasına bağlanan kondansatörün değerini buluyor.

Devre basit ve Mantıklı Ben analog device gibi bir firmanın ürettiği bir entegre cıkacak sanmıştım fakat NE555 çıkınca ve böyle bir yöntemle de Kondansatör kapasitesi ölçtüklerini görünce şaşırdım. şeytanca bir fikir

1uF yukarısını ölçemiyor daha doğrusu baya bir zaman alır. Ama küçük değerler için böyle bir devre yapılsa iş görür mü yoksa sağlıksız bir ölçüm türümüdür ?

 

[yesilu]

"electronic component tester lcr meter" yaz gogılla, atmega328 üzerine kurulu hazır devre var, bundan iyi iş çıkarır. ben ali den 7 usd a almıştım, akrilik şeffaf kutusuyla beraber. birkaç bobin kondansatörle doğru ölçüyor mu diye bakmıştım, %5 hata yapıyordu bobin ve kapasitede diye hatırlıyorum. bu paraya beklediğimden çok iyi çıkmıştı.

 

[taydin]

Yani bilinmeyen kondansatörü, astable multivibratörün RC zaman sabitini belirleyen C olarak kabul ediyor. Buradaki birçok olası hata kaynağı var. RC devresindeki R nin toleransı, NE555 içindeki eşik dirençlerinin toleransı, besleme voltajı değişimleri, sıcaklık değişimi gibi.

Multimetreler kapasite ölçümünü bir sabit akım kaynağı ile yaparlar. Bu sabit akım kaynağı ile kapasitörü şarj eder ve belli bir eşik değerine gelmesi için geçen süreyi ölçer. Süre ile kapasite değeri birebir doğru orantılıdır. Ölçüm doğruluğu büyük oranda bu sabit akım kaynağının doğruluğuna bağlıdır.

LCR metrelerde daha farklı bir metot uygulanıyor olabilir o konuda net bir bilgim yok.

 

[taydin]

Aslında elimizde 2450 SMU olduğuna göre, multimetrelerin yaptığı bu ölçümü aynen tekrar edebiliriz. 2450, son derece küçük akım değerlerini çok yüksek doğrulukla üretebilmektedir.

Bir kondansatörün şarj akımını ifade eden diferansiyel denklem aşağıdaki gibidir:

Bunu kapasiteye göre tekrar düzenlersek:

Yani kapasite değeri, kondansatörden geçen akım çarpı kondansatör üzerindeki voltaj değişim hızının (veya voltaj zaman eğrisinin türevi) tersidir.

 

[taydin]

SMU'yu akım üretme ve voltaj ölçme moduna sokuyoruz ve 10 nA akım üretecek şekilde yapılandırıyoruz. Çok küçük bir akım bu, çünkü kondansatör nanofarad'lık bir kondansatör. Şarj olması biraz zaman alması lazım ki geçen zamanı takip edebilelim.

Kondansatörü SMU'ya bağlıyorum ve cımbız ile kısa devre ederek boşaltıyorum.

 

[taydin]

Cep telefonumda da kronometre programını açıyorum ve cımbızı serbest bıraktığım anda kronometreyi çalıştırıyorum. Kondansatör şarj olmaya başlıyor. Kronometreyi 10.24 saniyede durduruyorum ve o anda voltajın 29V olduğunu göz ucuyla görüyorum

Buradan kapasiteyi yukarıdaki formüle göre hesaplıyoruz:

Gerçekte kondansatörün kapasitesi 330 nF idi. Ama tabi elle kronometre ve göz ucuyla görme hızındaki hatalardan dolayı tam değeri göremiyoruz. Ama tam senkronize olarak şarj ve zaman sayacı başlatılırsa, kapasite değerini çok yüksek doğrulukla ölçmek mümkün olur.

Esasında SMU için bir script yaparak tam değer hesaplamak mümkün ama burada amacımız bu değil. Amaç bir multimetrenin nasıl kapasite ölçtüğünü ortaya koymak.

 

[Furkan KELEŞOĞLU]

@taydin Eline Koluna sağlık abi teşekkür ederim. Güzel bir örnek oluşturdun.

 

[slewrate]

Digital Capacitance Meter

Bir ara yapmaya niyetlenmiştim ama elimde programlayıcı yok diye kaldı.
Devreyi ve programı analiz edip başka bir mcu ile de yapılabilir tabiki.

 

[ckocagil]

İdeal bir kondansatörü ölçmek kolay iş. Sıkıntı şu ki kondansatörde dikkate alınması gereken 3 şey var:

1. ESR, yani kondansatöre seri bağlı bir direnç
2. ESL, yani kondansatöre seri bağlı bir indüktör
3. Voltaj kaybı, yani kondansatöre paralel bağlı, kondansatörü yavaş yavaş boşaltan bir direnç

(Bir de dielectric absorption var ama onu ölçmek zor, gerçek hayatta dikkate almaya gerek yok)

Simülasyonda en azından kondansatöre bir adet seri direnç (ESR) ve seri indüktör (ESL) eklemeyi deneyin. Eğer bunlara rağmen doğru ölçebiliyorsa iyi bir tasarımdır.

Aliexpress'te de popüler olan açık kaynaklı LCR metrenin nasıl ölçüm yaptığı şu dökümanda çok güzel anlatılmış: https://github.com/svn2github/transistortester/raw/master/Doku/trunk/pdftex/english/ttester.pdf

Dökümanda kapasite, ESR, voltaj kaybı nasıl ölçülüyor tek tek anlatıyor. Büyük ve küçük kondansatörler için farklı algoritmalar var. Elde edilen sonuçlar datasheetlerle ve profesyonel LCR ölçüm cihazlarının sonuçlarıyla karşılaştırılmış.

 

[Furkan KELEŞOĞLU]

Digital Capacitance Meter

Bir ara yapmaya niyetlenmiştim ama elimde programlayıcı yok diye kaldı.
Devreyi ve programı analiz edip başka bir mcu ile de yapılabilir tabiki.

@taydin abinin anlattığı tapolojide bunu gerçekleştirmiş yabancı bir arkadaş arduino ilede örnek bir yazılım ve donanımıda paylaşmış istersen bunu yapabilirsin. bunun yanında sitede diğer ölçümler içinde donanım ve yazılım mevcut ayrietten ölçümün nasıl gerçekleştiğini anlatan bir yazıda mevcut.

How to make a capacitance meter using arduino

www.electronoobs.com

 

[taydin]

@taydin abinin anlattığı tapolojide bunu gerçekleştirmiş yabancı bir arkadaş arduino ilede örnek bir yazılım ve donanımıda paylaşmış istersen bunu yapabilirsin. bunun yanında sitede diğer ölçümler içinde donanım ve yazılım mevcut ayrietten ölçümün nasıl gerçekleştiğini anlatan bir yazıda mevcut.

How to make a capacitance meter using arduino

www.electronoobs.com

Orada kullanılan metot farklı Furkan. Arduino ile yapılan devrede kondansatör, seri bir direnç üzerinden ve sabit bir voltajla şarj ediliyor. Bunun neticesinde kapasite üzerindeki voltaj üstel bir fonksiyondur:

Bu fonksiyonda esasen benim yukarıda verdiğim diferansiyel denklemin t ye göre çözümüdür.

Yani Arduino'daki devrede, bilinmeyen kondansatör ile bir RC devresi oluşturuluyor ve bu devreye sabit voltaj uygulanıyor. Neticede ortaya çıkan üstel fonksiyona göre de C nin çözümü yapılıyor.

Ama benim bahsettiğim metotta RC devresi yok. Sadece tek kondansatör var ve bunu sabit akım kaynağı ile şarj ediyoruz. Buradan da kapasite değerini hesaplamak çok kolay oluyor.

 

[taydin]

Sabit voltajlı RC devresinin doğruluğu, referans voltajının doğruluğuna, kullanılan ADC nin örnekleme hızı, doğruluk ve çözünürlüğüne, ve ADC saat frekansının düzgünlüğüne bağlıdır.

Sabit akım kaynağı metodunun doğruluğu da referans akım kaynağının doğruluğuna ve aynı şekilde ADC nin örnekleme hızı, doğruluk ve çözünürlüğüne, ve ADC saat frekansının düzgünlüğüne bağlıdır.

Üst sınıf multimetreler sabit akım kaynağı metodunun biraz değiştirilmiş halini kullanıyorlar. İdeal olmayan kapasitörlerdeki kaçak seri direnç ve kaçak paralel direnci de hesaba katıyorlar.

En hatasız sonucu veren LCR metreler ise ölçümü tamamen AC voltaj altında yapıyorlar ve empedanstan sonuca gidiyorlar. Kapasite değerleri frekansa göre değişim göstereceği için LCR metre ile ölçüm yaparken uygun bir frekans değerinin seçilmesi gerekiyor. Bu uygun frekansı da uygulama alanı belirler.

 

[taydin]

Süper kapasitörlerin kapasite ölçümünü ise piyasadaki hiçbir multimetre veya LCR metre ile yapmak mümkün değil. En küçüklerinden olan 1 Farad'lık bir süper kapasitör bile piyasadaki neredeyse tüm multimetre ve LCR metrelerin ölçüm alanının ötesinde bir kapasiteye sahip. Peki bu durumda 100 F lık bir süper kapasitörün kapasite değerini nasıl doğrulayacağız?

Yukarıdaki sabit akım kaynağı metodunu kullanabiliriz. Ama kapasite değeri çok yüksek beklendiği için şarj akımının da çok yüksek seçilmesi lazım. Mesela SMU ile yapacaksak, SMU akımını 1A yapar ve voltaj kayda değer bir seviyeye gelince yukarıdaki hesabı yaparız. Ama burada SMU şart değil, çünkü akım değerleri yüksek. Bu değerlerde, belli bir doğruluğa sahip akımı bir laboratuvar güç kaynağından da alabiliriz.

 

[tsahin]

Cep telefonumda da kronometre programını açıyorum ve cımbızı serbest bıraktığım anda kronometreyi çalıştırıyorum. Kondansatör şarj olmaya başlıyor. Kronometreyi 10.24 saniyede durduruyorum ve o anda voltajın 29V olduğunu göz ucuyla görüyorum

Buradan kapasiteyi yukarıdaki formüle göre hesaplıyoruz:

2255 eklentisine bak

Gerçekte kondansatörün kapasitesi 330 nF idi. Ama tabi elle kronometre ve göz ucuyla görme hızındaki hatalardan dolayı tam değeri göremiyoruz. Ama tam senkronize olarak şarj ve zaman sayacı başlatılırsa, kapasite değerini çok yüksek doğrulukla ölçmek mümkün olur.

Esasında SMU için bir script yaparak tam değer hesaplamak mümkün ama burada amacımız bu değil. Amaç bir multimetrenin nasıl kapasite ölçtüğünü ortaya koymak.

Bu hesap yapılırken önemli bir varsayım var ve bence bunun net olarak belirtilmesi gerekir.
Bir kondansatör sabit bir akımla şarj edilirken kondansatör uçlarındaki gerilim logaritmik bir şekilde artar.
Bu deneyde kullanılan akım değeri çok çok küçük olduğu için ilk saniyelerdeki artış grafiği lineer bir doğru gibi görünüyor, fakat gerçekte öyle değil.

 

[taydin]

Bu hesap yapılırken önemli bir varsayım var ve bence bunun net olarak belirtilmesi gerekir.
Bir kondansatör sabit bir akımla şarj edilirken kondansatör uçlarındaki gerilim logaritmik bir şekilde artar.
Bu deneyde kullanılan akım değeri çok çok küçük olduğu için ilk saniyelerdeki artış grafiği lineer bir doğru gibi görünüyor, fakat gerçekte öyle değil.

Kapasitörün diferansiyel dekleminde, C ve I nin de sabit olduğunu düşünürsek dV/dt de sabit olacaktır. Peki ne tür bir fonksiyonun türevi sabittir? Lineer bir fonksiyonun. Yani kapasitör sabit bir akım kaynağından şarj oluyorsa, üzerindeki voltaj lineerdir, logaritmik değil.

 

[yesilu]

benim merak ettiğim bir şey : süper kapasitör ler yükü elektrik alanıyla mı tutuyor normal kapasitörler gibi. eğer öyleyse bu kadar yüzey alanını nasıl sağlıyorlar, klasik üretim tekniğiyle olacak iş değil. iletken ve yalıtkan maddeleri karıştırıp bir şekilde kristalize mi ediyorlar. kimyasal olarak depoluyorsa o kadar absürt değil, gelişmiş bir pil belki de. ama şarj-gerilim grafikleri pek kimyasal tabanlı gibi durmuyor...

 

[ckocagil]

Kimyasal değil, yüzey alanı ile. Girintili çıkıntılı, porlu yüzeyler oluşturunca yüzey alanı artıyor. Değişik değişik teknikler var. Youtube'da graphene supercapacitor diye aratınca kendi üreten sayısız insan çıkıyor. Bazıları grafen satın alıp yapıyor, o biraz hileye kaçıyor tabi.

 

[Mikro Step]

Kapasite degeri bir cok teknikle olculebilir. Ancak 555 sicakliga duyarli bir cip.

Sadece cipi hafifce isitirsaniz kapasiteyi isitmadiginiz halde frekans degisecektir.

Dolayisi ile yaklasik olcum islerinde kullanabilirsiniz.