Перейти к содержанию

Измеритель LCR

Измеритель LCR показывает ёмкость конденсатора с точностью до десятых процента — но только на выбранной частоте, при выбранном уровне сигнала, в выбранной схеме замещения и после компенсации зажимов. Разбираем по справочнику Keysight по измерению импеданса и руководству IET Labs, от чего зависит результат и как получить число, сравнимое с даташитом.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Измеритель LCR подаёт на компонент переменный сигнал заданной частоты и уровня, измеряет напряжение на нём и ток через него и по их отношению и фазе вычисляет комплексный импеданс Z = R + jX. Индуктивность, ёмкость, сопротивление, тангенс угла потерь и добротность прибор получает из этого импеданса пересчётом в выбранную схему замещения (Keysight 5950-3000, разд. 1). Поэтому «ёмкость конденсатора» на экране — это свойство не только конденсатора, но и условий измерения.

Коротко

Измеряет
импеданс Z = R + jX на заданной частоте
Схема
ниже 10 Ом — Cs/Ls, выше 10 кОм — Cp/Lp
Потери
D = 1/Q; ESR = D/(ωC)
Малые Z
четырёхзажимное подключение, до ~10 мОм
Перед измерением
компенсация open и short
Условия
частота, уровень и смещение — как в даташите

Что измеряет прибор

Реактивное сопротивление катушки XL = ωL, конденсатора XC = 1/(ωC), где ω = 2πf. Отношение реактивной и активной частей — добротность Q = X/R, обратная величина — коэффициент потерь (тангенс угла потерь) D = 1/Q (5950-3000, с. 5–6). Для конденсаторов обычно смотрят D, для катушек — Q. Рассчитать импеданс по L, C, R и частоте можно калькулятором импеданса, подробнее о самом понятии — в статье «Импеданс».

Реальный компонент — не идеальная ёмкость или индуктивность: у конденсатора есть ESR и ESL, у катушки — сопротивление провода и межвитковая ёмкость. Поэтому измеренная «ёмкость» меняется с частотой, а выше собственного резонанса конденсатор ведёт себя как индуктивность.

Последовательная и параллельная схемы

Прибор измеряет один импеданс, но представить его можно двумя способами: идеальная ёмкость и сопротивление последовательно (Cs, Rs) или параллельно (Cp, Rp). Числа Cs и Cp различаются, и тем сильнее, чем больше потери (5950-3000, с. 16–17):

Cs=Cp(1+D2),Rp=Rs(1+1D2)C_s = C_p (1 + D^2), \qquad R_p = R_s \left(1 + \frac{1}{D^2}\right)
Последовательная и параллельная схемы замещения конденсатора с потерямиСлева — ёмкость Cs и сопротивление Rs последовательно, D = ωCsRs; справа — ёмкость Cp и сопротивление Rp параллельно, D = 1/(ωCpRp). Прибор пересчитывает один и тот же измеренный импеданс в выбранную схему.Последовательная (Cs, Rs)CsRsD = ω·Cs·RsПараллельная (Cp, Rp)CpRpD = 1 / (ω·Cp·Rp)
Последовательная и параллельная схемы замещения: одно и то же измерение, два разных набора чисел

Правило выбора от IET Labs (с. 34) — по модулю импеданса на частоте измерения:

ИмпедансСхемаПочему
меньше ~10 Ом (большие C, малые L)последовательная: Cs, Ls, Rsважнее последовательное сопротивление выводов и обкладок
больше ~10 кОм (малые C, большие L)параллельная: Cp, Lp, Rpважнее утечка и параллельные потери
междупо рекомендации производителя компонента

На 1 кГц 10 кОм соответствуют конденсатору около 16 нФ, а 10 Ом — около 16 мкФ (наш расчёт C = 1/(2πf|Z|)). При малых потерях выбор не важен: если D меньше 0,03, Cs и Cp различаются меньше чем на 0,1 %. Пример из справочника Keysight: конденсатор 10 пФ с потерями на 1 МГц показывает Cs = 10,11 пФ и Cp = 9,89 пФ.

Частота и уровень сигнала

Сравнивать измерение с даташитом можно только при тех же условиях, что у производителя. Их указывают рядом с нормой:

КомпонентУсловия измерения в даташите
Керамика KEMET X7R ≤ 10 мкФ1 кГц, 1 В
Керамика KEMET X7R > 10 мкФ120 Гц, 0,5 В
Керамика KEMET C0G ≤ 1000 пФ1 МГц
Электролиты Nichicon UPW (tg δ)120 Гц
Дроссели Vishay IHLP-2525CZ100 кГц, 0,25 В, без постоянного тока

Уровень важен не меньше частоты. Ёмкость керамических конденсаторов зависит от амплитуды испытательного напряжения, индуктивность катушек с сердечником — от испытательного тока (5950-3000, разд. 1.5.2). При этом заданный на приборе уровень обычно относится к холостому ходу: внутри прибора последовательно с выходом стоит сопротивление источника, и на компоненте с малым импедансом напряжение будет меньше (IET Labs, с. 53). Приборы с функцией ALC сами поддерживают заданный уровень на компоненте.

Постоянное смещение

В схеме на конденсатор подано постоянное напряжение, через дроссель течёт постоянный ток — и оба ведут себя иначе, чем на столе. Ёмкость керамики с высокой проницаемостью (X5R, X7R) падает с ростом постоянного напряжения, индуктивность катушки с сердечником — с ростом постоянного тока из-за насыщения сердечника (5950-3000, разд. 1.5.3). Например, у конденсатора TDK 4,7 мкФ 25 В X5R типоразмера 0603 при 5 В смещения ёмкость по графику производителя меньше примерно на 45 %. Измерить это можно только прибором со встроенным или внешним источником смещения; подробнее — в статье «DC bias».

Подключение: два, три и четыре зажима

У настольного измерителя четыре вывода: Hcur и Lcur подают ток, Hpot и Lpot измеряют напряжение (5950-3000, разд. 3.1). Как их довести до компонента, определяет, какие импедансы можно измерить без больших ошибок:

ПодключениеТипичный диапазонЧто мешает
Двухзажимное (2T)100 Ом – 10 кОм без компенсациисопротивление и индуктивность проводов, контакты, ёмкость между проводами
Трёхзажимное (3T), коаксиальные кабеливыше 10 кОмна малых Z остаются провода и контакты
Четырёхзажимное (4T, Кельвин)вниз примерно до 10 мОмна больших Z остаётся ёмкость между проводами
Пятизажимное (5T)10 мОм – 10 МОмвзаимная индукция проводов ниже 10 мОм
Четырёхзажимное (кельвиновское) подключение компонента к измерителю LCRВыводы Hc и Lc подают испытательный ток через компонент Zx, выводы Hp и Lp отдельными проводами снимают напряжение прямо на его выводах; падение напряжения на токовых проводах и контактах в измерение не попадает.LCR-метрHcHpLpLcZxиспытательный токизмерение напряженияизмерение напряженияиспытательный ток
Кельвиновское подключение: ток подают одной парой проводов, напряжение снимают другой прямо на выводах компонента

В четырёхзажимном подключении потенциальные провода почти не несут тока, поэтому падение на токовых проводах и контактах в измерение не попадает (5950-3000, разд. 3.1.3; «Четырёхпроводное измерение»). Это и есть «кельвиновские зажимы» и пинцеты с раздельными контактами. Для электролитов большой ёмкости, шунтов и малых индуктивностей они обязательны.

Компенсация: open и short

Зажимы и кабели добавляют к компоненту свою паразитную ёмкость и последовательный импеданс. Их снимают перед измерением (5950-3000, разд. 4.3):

  1. Open — зажимы разомкнуты и разведены на то же расстояние, что с компонентом. Прибор запоминает паразитную проводимость Yo.
  2. Short — зажимы замкнуты перемычкой, сопротивление которой много меньше импеданса будущего компонента. Прибор запоминает остаточный импеданс Zs.
  3. Измерение — прибор пересчитывает: Zdut = (Zxm − Zs)/(1 − (Zxm − Zs)Yo).

Для малых ёмкостей достаточно вычесть ёмкость разомкнутых зажимов (компенсация смещения, разд. 4.3.1). Компенсацию повторяют при смене частоты, зажимов или кабеля. Шум уменьшают более долгим временем измерения и усреднением (разд. 2.4.5).

ESR

Эквивалентное последовательное сопротивление — вещественная часть импеданса конденсатора в последовательной схеме (IET Labs, с. 31–32):

ESR=Rs=DωC\text{ESR} = R_s = \frac{D}{\omega C}

ESR больше фактического сопротивления выводов и обкладок: в него входят и потери в диэлектрике. Поэтому ESR зависит от частоты, и норму сравнивают на той же частоте, на которой её указал производитель. Подробнее — в статье «ESR» и «Тангенс угла потерь».

Пример: электролит 1000 мкФ на 120 Гц

Конденсатор Nichicon UPW 1000 мкФ 25 В, частота 120 Гц (наш расчёт):

∣XC∣=12π⋅120⋅1000⋅10−6≈1,33 Ом|X_C| = \frac{1}{2\pi \cdot 120 \cdot 1000 \cdot 10^{-6}} \approx 1{,}33\ \text{Ом}

Импеданс меньше 10 Ом — выбираем последовательную схему, Cs и Rs. Наибольший tg δ для серии UPW на 25 В — 0,14, значит, предельное ESR по каталогу:

ESRmax=0,14⋅1,33≈0,19 Ом\text{ESR}_\text{max} = 0{,}14 \cdot 1{,}33 \approx 0{,}19\ \text{Ом}

Если подключить такой конденсатор двухпроводными щупами, у которых провода и контакты вместе дают, например, 0,05 Ом (условное значение), прибор покажет на 0,05 Ом больше — ошибка около 27 % от нормы. Поэтому электролиты меряют кельвиновскими зажимами после компенсации short. Резонансную частоту контура из найденных L и C считает калькулятор LC-контура.

Частые ошибки

  • Не та частота. Ёмкость, ESR и индуктивность сравнивают с даташитом только при его условиях.
  • Cs вместо Cp или наоборот. При больших потерях разница — проценты; выбирайте схему по импедансу.
  • Нет компенсации. Паразитная ёмкость зажимов искажает пикофарады, сопротивление проводов — миллиомы.
  • Двухпроводное подключение к малому импедансу. Провода и контакты становятся частью ESR.
  • Керамика без учёта смещения и уровня. На столе — номинал, в схеме под напряжением — заметно меньше.
  • Заряженный конденсатор на входе прибора. Перед измерением конденсатор разряжают.

Частые вопросы

На какой частоте измерять конденсатор?

На той, на которой его нормирует производитель, иначе результат не с чем сравнить. KEMET измеряет керамику X7R до 10 мкФ на 1 кГц и 1 В, больше 10 мкФ — на 120 Гц и 0,5 В; Nichicon нормирует tg δ электролитов на 120 Гц; индуктивность дросселей Vishay IHLP — на 100 кГц и 0,25 В.

Что выбрать: Cs или Cp?

По импедансу на частоте измерения. IET Labs советует последовательную схему ниже примерно 10 Ом и параллельную выше примерно 10 кОм. На 1 кГц это около 16 мкФ и 16 нФ соответственно. При малых потерях (D меньше 0,03) разница между Cs и Cp меньше 0,1 % и выбор неважен.

Почему керамический конденсатор 4,7 мкФ показывает меньше номинала?

Проверьте условия. Ёмкость керамики X5R и X7R зависит от уровня испытательного сигнала и от постоянного смещения: у конденсатора TDK 4,7 мкФ 25 В X5R при 5 В смещения она по графику производителя меньше примерно на 45 %. Сравнивать с допуском имеет смысл только без смещения и в условиях измерения, которые указывает производитель; для керамики X7R до 10 мкФ KEMET, например, нормирует ёмкость на 1 кГц и 1 В.

Можно ли измерять ESR конденсатора прямо в схеме?

Только с осторожностью: параллельные цепи платы входят в результат, а заряженный конденсатор может повредить вход прибора. Конденсатор разряжают, а для точного результата выпаивают. ESR зависит от частоты, поэтому сравнивают с нормой производителя на той же частоте.

Источники

  1. Keysight. Impedance Measurement Handbook: A Guide to Measurement Technology and Techniques, 6th Edition (5950-3000, February 2026) — с. 5–6: Z = R + jX, XL = ωL, XC = 1/(ωC), Q = X/R, D = 1/Q; разд. 1.5.2: ёмкость керамических конденсаторов зависит от уровня испытательного напряжения, индуктивность катушек с сердечником — от испытательного тока; разд. 1.5.3: ёмкость керамики с высокой проницаемостью меняется от постоянного смещения, индуктивность катушки с сердечником — от постоянного тока из-за насыщения; с. 16–17: Rp = Rs(1 + 1/D²), Cs = Cp(1 + D²), при D < 0,03 разница Cs и Cp меньше 0,1 %; с. 19–20: 10 пФ с Rs 700 Ом и Rp 150 кОм на 1 МГц — Cs 10,11 пФ, Cp 9,89 пФ; 1 нФ — 160 кОм на 1 кГц и 16 Ом на 10 МГц; разд. 2.4.4: функция ALC поддерживает заданный уровень на компоненте; разд. 2.4.5: время измерения и усреднение снижают шум; разд. 3.1: выводы Hcur, Hpot, Lpot, Lcur; 2T — типичный диапазон без компенсации 100 Ом – 10 кОм, 3T с коаксиальными кабелями расширяет его выше 10 кОм, 4T (кельвиновское подключение) — вниз примерно до 10 мОм, 5T — от 10 мОм до 10 МОм; ниже 10 мОм ошибку даёт взаимная индукция токовых и потенциальных проводов; разд. 4.3.1: компенсация смещения — вычесть ёмкость, измеренную с разомкнутыми зажимами; разд. 4.3.2: компенсация open/short — Zdut = (Zxm − Zs)/(1 − (Zxm − Zs)Yo), при измерении open расстояние между контактами то же, что с компонентом, сопротивление перемычки short много меньше импеданса компонента
  2. IET Labs. LCR Measurement Primer, 1st Edition (February 2018) — с. 21: четырёхзажимное (кельвиновское) подключение улучшает точность на малых импедансах; с. 31–32: ESR = D/(ωC) = Rs, вещественная часть Z, ESR больше фактического последовательного сопротивления выводов и обкладок, так как включает потери в диэлектрике; с. 34: выше примерно 10 кОм — параллельная схема, ниже 10 Ом — последовательная, между ними — по рекомендации производителя компонента; с. 53: заданный уровень обычно задан на холостом ходу, напряжение на компоненте зависит от внутреннего сопротивления источника прибора и импеданса компонента; точность и скорость измерения — компромисс
  3. Nichicon. UPW series (CAT.8100N) — tg δ (max.) на 120 Гц — 0,14 для 25 В (0,16 — для 16 В), +0,02 на каждые 1000 мкФ сверх 1000 мкФ
  4. KEMET (YAGEO Group). Surface Mount MLCC X7R, C1002_X7R; C0G COTS, C1026 — C1002: коэффициент потерь измеряют на 1 кГц, 1 В при C ≤ 10 мкФ и на 120 Гц, 0,5 В при C > 10 мкФ; C1026: C0G — DF не больше 0,1 % при 25 °C, 1 МГц для C ≤ 1000 пФ и 1 кГц для больших
  5. Vishay Dale. IHLP-2525CZ-01 (Document Number 34104) — индуктивность нормирована на 100 кГц, 0,25 В, 0 А; DCR и ток насыщения — отдельными столбцами
  6. TDK. Characterization Sheet C1608X5R1E475K080AC — 4,7 мкФ, 25 В, X5R: по графику DC Bias Characteristic ёмкость при 5 В около −45 % (значение снято с графика)

Нашли ошибку?

Смотрите также