3章:コンデンサ容量測定

    作成2013.11.21
     コンデンサ容量測定は、テスターのみではうまくできません。ここでは、 簡易オシロを使用したコンデンサ容量測定を検討します。

  1. 容量測定回路
     図3-1にモード1の容量測定回路、図3-2にモード2の容量測定回路を示します。
     スイッチがOFFのとき、測定端子とGNDは46kΩの抵抗を通して短絡されます。
     スイッチをONすると抵抗RとコンデンサCに電源電圧1.52Vが印加されます。
     モード1では、コンデンサCの両端の電圧を測定し、モード2では抵抗Rの両端の電圧を測定することになります。



  2. CR回路の基礎理論
     コンデンサCの両端の電圧と抵抗Rの両端の電圧を加算すると電源電圧V0に等しくなります。したがって

    (3.1)式を電荷qに置き換えると

     (3.2)式は1階線形微分方程式であり、ラプラス変換法で代数解を求めることができます。初期条件でq=0としてラプラス変換すると

    (3.3)式を変形すると

    となります。したがって、(3.4)式をラプラス逆変換すると

    したがって(3.2)式の解は

    となります。コンデンサCの両端の電圧Vcは

    となります。したがって、抵抗Rの両端の電圧Vrは

    となります。


  3. コンデンサ容量測定ソフト
    (1)コンデンサ容量測定ソフトのダウンロード
     コンデンサ容量測定ソフトは以下からダウンロードできます。
    [ コンデンサ容量測定ソフト]をダウンロードする。

    (2)コンデンサ容量測定ソフトの構成
     解凍すると「CR回路測定」フォルダーがあります。フォルダー内には
    ・USB-FSIO_Oscillo.exe:簡易オシロ実行ファイル
    ・USB-IO_Family.dll:USB-FSIO_Oscillo.exeで使用するDLL
    ・容量計算.xls:コンデンサ容量演算ファイル

    (3)使用方法
    ・USB-FSIO_Oscillo.exeを起動し、測定を実行します。測定を実行すると同一フォルダー内に測定結果が「out.txt」に保存されます。
    ・容量計算.xlsを起動して、シート「操作」の「測定データコピー」ボタンを押すと測定結果がシート「data」にコピーされます。
    ・シート「操作」の計算条件表を設定して、「計算実行」ボタンを押すと容量Cの計算結果が表示されます。
    ・シート「data」には、理論計算値が追加されます。
    ・シート「グラフ」は測定値と理論計算値が表示されます。

    (4)容量Cの計算手法
    ・最小自乗法による関数近似を用いました。


  4. 評価結果
    (1)モード(1)1000μF


    (2)モード(2)1000μF


    (3)モード(1)100μF


    (4)モード(1)2.2μF


    (5)モード(1)0.1μF


    (6)モード(1)?μF




  5. 結果の検討
    (1)推奨抵抗値10kΩにおいて、約1μF程度まで、測定値と計算値は良く一致しているように思われます。(1000μFは充電時間が長くなりすぎるため1kΩを使用)
    (2)表示容量100μFにおいて、測定結果と15%の誤差があるが、測定値と計算値が良く一致していることから、部品バラツキと思われる。
    (3)0.1μF以下においては、変化点のデータが少なくなりすぎて、関数近似誤差が発生しているように思える。
    (4)時間間隔を短くすると簡易オシロのデータ取得ボタンを押してから、電源スイッチをONするタイミングが難しくなる傾向があります。
    (6)0.1μF以下においては、抵抗Rを10kΩよりさらに大きめに設定する必要がありそうです。
    (7)?μFにおいては、あきらかに測定値と計算値がずれていますが、?μFは純粋なコンデンサではない可能性が高い。
    (8)実用的な容量の範囲において、簡易オシロでコンデンサの容量測定が可能です。









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