Cách đo tụ điện: Hướng dẫn từng bước về đồng hồ vạn năng và đồng hồ đo LCR

Câu trả lời đáng tin cậy ngắn nhất: đặt đồng hồ vạn năng kỹ thuật số của bạn ở chế độ điện dung (ký hiệu µF), xả hết tụ điện, tháo nó ra khỏi mạch điện, nối dây màu đỏ với cực dương và dây đen với cực âm, đợi số đọc ổn định và so sánh nó với giá trị microfarad được in trên vỏ tụ điện.

Một tụ điện đo bên trong dung sai định mức của nó là tốt về điện. Một cái có giá trị đọc thấp hơn nhiều so với giá trị định mức của nó, đọc bằng 0 hoặc tạo ra màn hình ngoài phạm vi (OL) thường là ứng cử viên để thay thế. Trình tự này áp dụng cho các tụ gốm nhỏ, tụ điện điện phân nhôm và các tụ điện chạy bằng động cơ AC lớn hơn được sử dụng trong máy giặt, máy bơm nước và máy nén điều hòa không khí. Chi tiết của từng bước và những lỗi đo lường dẫn đến kết quả sai lệch chính là nội dung mà hướng dẫn này đề cập đến.

Tại sao việc đo tụ điện không phải là tùy chọn

Tụ điện thường không bị hỏng chỉ sau một đêm. Tụ điện chạy bằng động cơ có định mức 12µF dần dần mất điện dung khi màng kim loại bị oxy hóa, chất điện phân khô đi hoặc mấu kết nối bên trong bị xuống cấp. Một số hiện tượng trôi dạt đó dự kiến ​​sẽ diễn ra trong thời gian sử dụng khoảng 8 đến 10 năm. Tuy nhiên, khi giá trị đo được giảm xuống dưới giới hạn dung sai thấp hơn, động cơ mà nó hỗ trợ sẽ tiêu thụ nhiều dòng điện hơn, chạy nóng hơn, kêu vo vo, khó khởi động hoặc dừng hoàn toàn. Đo tụ điện là cách duy nhất để biết liệu bạn đang thay thế một bộ phận bị hỏng hay đang tìm kiếm một lỗi mạch sẽ làm hỏng tụ điện tiếp theo.

Đo điện dung phục vụ ba mục đích thực tế:

• Chẩn đoán lỗi: Phân biệt tụ điện chết ngoài cuộn dây động cơ, rơ-le khởi động hoặc tầng cấp điện bị lỗi.
• Xác minh: thử nghiệm thiết bị thay thế hoàn toàn mới trước khi lắp đặt vì tụ điện có thể bị dán nhãn sai hoặc bị hỏng trong quá trình vận chuyển.
• Phù hợp: xác nhận rằng định mức µF, cấp điện áp và dung sai thay thế phù hợp với thiết kế động cơ hoặc mạch điện.

Lỗi không liên tục cũng thường liên quan đến tụ điện. Máy giặt dừng giữa chu kỳ vào những thời điểm ngẫu nhiên, máy bơm nước ngắt chức năng bảo vệ nhiệt sau vài phút hoặc máy nén tủ lạnh kêu vo vo mà không khởi động là ba triệu chứng kinh điển thường gặp do tụ điện trông vẫn ổn về mặt vật lý nhưng đã tụt xuống dưới điện dung định mức. Việc đo lường đầu tiên sẽ ngăn ngừa sai lầm kinh điển là thay thế một tụ điện hoàn toàn tốt trong khi lỗi thực sự nằm ở mạch khởi động động cơ.

Quy tắc an toàn: Xả trước, đo thứ hai

Quy tắc số một: không bao giờ kết nối tụ điện đã tích điện với đồng hồ vạn năng. Ngay cả sau khi rút phích cắm thiết bị, tụ điện đã tích điện vẫn có thể giữ điện áp nguy hiểm trong thời gian dài. Tụ động cơ được đánh giá ở mức 370V AC hoặc 450V AC có thể giữ lại hàng trăm vôn trong vài phút, đặc biệt khi thiết bị không có điện trở xả. Việc gắn tụ điện đã tích điện vào đồng hồ có thể làm nổ cầu chì đầu vào, làm hỏng vĩnh viễn mạch bảo vệ và gây điện giật cho người cầm dây dẫn.

Thực hiện theo quy trình xuất viện này mỗi lần:

1. Rút phích cắm hoặc ngắt kết nối thiết bị và đợi từ một đến hai phút để điện trở xả bên trong có thể tiêu hao điện áp cao.
2. Kết nối điện trở 1kΩ đến 10kΩ định mức ít nhất 5W qua các cực của tụ điện trong 10 đến 15 giây. Đối với tụ điện trên 50µF, sử dụng điện trở 100Ω đến 1kΩ và giữ trong 20 đến 30 giây.
3. Xác nhận bằng vôn kế rằng tụ điện đọc 0V trước khi bạn chạm vào các cực bằng tay trần.
4. Các tụ điện nhỏ dưới 10µF có thể được phóng điện bằng cách dùng tuốc nơ vít cách điện làm ngắn mạch dây dẫn; phương pháp điện trở vẫn là thói quen được khuyến khích vì nó tránh được tia lửa điện và ứng suất cơ học.

Không bao giờ rút ngắn tụ điện động cơ lớn trực tiếp bằng tuốc nơ vít. Dòng phóng điện có thể hàn các lỗ vào dụng cụ, bắn tung tóe kim loại nóng chảy và làm nứt vỏ tụ điện. Phương pháp điện trở xả điện trơn tru và an toàn.

Phương pháp 1: Đồng hồ vạn năng kỹ thuật số ở chế độ điện dung – Cách thiết thực nhất

Đồng hồ vạn năng kỹ thuật số ở chế độ điện dung đo điện dung bằng cách sạc tụ điện với dòng điện không đổi đã biết, đo tốc độ tăng điện áp và tính toán giá trị microfarad từ tốc độ đó. Như được mô tả trong hướng dẫn ứng dụng của Fluke, phương pháp này cho phép đọc số trực tiếp với độ chính xác khoảng từ ±1% đến ±5% trên các thiết bị tốt, đủ cho hầu hết mọi chẩn đoán tại hiện trường. Hầu hết các đồng hồ vạn năng kỹ thuật số hiện đại trong phạm vi giá phổ biến đều có vị trí µF, vì vậy hầu hết mọi người đều có thể sử dụng phương pháp này.

Quy trình từng bước

1. Tắt thiết bị và rút phích cắm.
2. Tháo tụ điện ra khỏi mạch. Trên bảng mạch, hãy khử mối hàn hoặc nâng ít nhất một dây dẫn lên để không có thành phần song song nào cản trở việc đọc.
3. Xả tụ điện bằng phương pháp điện trở được mô tả ở phần trước.
4. Xoay mặt số vạn năng sang chế độ điện dung, thường được đánh dấu bằng ký hiệu µF hoặc hai đường thẳng song song.
5. Nếu có sẵn chế độ tương đối (REL hoặc Δ), hãy chạm hai đầu dò vào nhau, nhấn REL về 0 điện dung đạo trình, sau đó tách các đầu dò ra. Điều này quan trọng khi đo các giá trị nhỏ từ 1nF đến 100nF, vì dây dẫn thử nghiệm sẽ thêm một vài picofarad của điện dung tạp tán.
6. Kết nối đầu dò màu đỏ với cực dương (dây dài hơn của tụ điện phân cực) và đầu dò màu đen với cực âm. Tụ điện chạy bằng động cơ CBB không bị phân cực nên việc định hướng không quan trọng đối với chúng.
7. Chờ cho việc đọc ổn định. Tụ điện động cơ 30µF có thể mất vài giây để đạt giá trị ổn định vì dòng sạc phải chạy đủ lâu để đồng hồ đo điện dung.
8. So sánh số đọc cuối cùng với giá trị định mức cộng với dung sai được in trên vỏ.

Bảng dưới đây cho thấy cách diễn giải những gì bạn nhìn thấy trên màn hình.

Nếu số đọc cao hơn một chút so với giá trị định mức, chẳng hạn như 12,8µF trên tụ điện 12µF ±5%, thì bộ phận đó vẫn nằm trong mức chênh lệch do sản xuất và có thể chấp nhận được. Chỉ số nằm dưới dải dung sai là lỗi lão hóa phổ biến hơn và cần được thay thế nhanh chóng.

Phương pháp 2: Đồng hồ vạn năng tương tự ở chế độ điện trở – Kiểm tra tình trạng nhanh

Nếu đồng hồ của bạn không có chế độ điện dung, chế độ điện trở vẫn cho phép kiểm tra tình trạng hữu ích. Đặt bộ chọn ở phạm vi điện trở cao nhất, 10kΩ trở lên, nối dây dẫn kiểm tra và quan sát chuyển động của kim.

• Tụ điện tốt: kim nhảy về 0 khi tụ điện nhận điện tích, sau đó từ từ di chuyển lên về phía vạch vô cực.
• Tụ điện bị chập: kim vẫn bị ghim ở mức rất gần 0 và không bao giờ phục hồi được.
• Tụ hở: kim không bao giờ di chuyển và số đọc vẫn ở vô cực ngay từ đầu.
• Rò tụ điện: kim di chuyển một thời gian ngắn, dừng lại ở một lực cản trung bình nào đó và không bao giờ đạt tới điểm vô cực.

Kiểm tra điện trở analog chỉ là chỉ báo đạt, không đạt hoặc yếu; nó không thể đưa ra giá trị microfarad chính xác. Sử dụng nó như một biện pháp kiểm tra nhanh tại hiện trường khi không có sẵn đồng hồ đo điện dung, nhưng không đưa ra quyết định cuối cùng về việc sửa chữa động cơ chỉ dựa trên thử nghiệm analog.

Phương pháp 3: Máy đo LCR - Hệ số chính xác, ESR và tản nhiệt

Máy đo LCR đo độ tự cảm, điện dung và điện trở với độ chính xác cao hơn đáng kể và cung cấp các thông số bổ sung mà đồng hồ vạn năng đa năng không thể làm được. Máy đo LCR cầm tay thông thường mang lại độ chính xác điện dung trong khoảng từ ±0,2% đến ±1%, so với ±3% đến ±5% của đồng hồ vạn năng kỹ thuật số. Để kiểm tra đầu vào, xác minh dây chuyền sản xuất và phân tích lỗi của tụ điện động cơ, máy đo LCR là công cụ chính xác.

Ba điều cần biết khi sử dụng máy đo LCR:

1. Tần suất kiểm tra: tụ điện của động cơ được quy định ở tần số nguồn điện lưới, 50Hz hoặc 60Hz. Máy đo LCR thường cung cấp 100Hz, 120Hz, 1kHz và 10kHz. Đối với tụ điện động cơ, sử dụng 100Hz hoặc 120Hz làm cài đặt thực tế gần nhất và luôn ghi lại tần số được sử dụng vì điện dung thay đổi đôi chút theo tần số.
2. Hệ số tản nhiệt: thường được viết là tan δ hoặc DF, điều này biểu thị sự mất điện môi bên trong. Đối với tụ điện động cơ bằng polypropylen kim loại (CBB), hệ số tiêu tán dưới 0,1% ở 100Hz là bình thường. Giá trị cao hơn rõ rệt cho thấy chất điện môi của màng đã xuống cấp.
3. Điện trở nối tiếp tương đương: ESR là tổn thất điện trở thực bên trong tụ điện ở tần số thử nghiệm. Tụ điện chạy bằng động cơ 20µF sẽ hiển thị ESR từ vài trăm milliohms trở xuống ở 100Hz. Nếu ESR tăng lên trong khi điện dung vẫn nằm trong phạm vi dung sai, tụ điện sẽ nóng lên khi có tải và hỏng sớm.

Sử dụng đồng hồ đo LCR bất cứ khi nào động cơ tiếp tục hoạt động bất thường sau khi vượt qua bài kiểm tra điện dung vạn năng hoặc khi bạn cần khớp một giá trị chính xác cho dãy tụ điện. Đối với một quyết định thay thế thông thường, đồng hồ vạn năng kỹ thuật số là đủ.

Cách giải thích bài đọc: Giá trị định mức và dung sai

Dung sai điện dung là mức chênh lệch cho phép của giá trị danh nghĩa tại thời điểm sản xuất. IEC 60384-1 xác định các cấp dung sai tiêu chuẩn được sử dụng trong toàn ngành, bao gồm ±5%, ±10% và ±20%. Một tụ điện được đánh dấu 20µF ±10% có thể được chấp nhận nếu nó đo được trong khoảng từ 18µF đến 22µF khi còn mới. Tuy nhiên, dải dung sai không đảm bảo tuổi thọ sử dụng: sau nhiều năm sử dụng điện áp xoay chiều, tụ điện tương tự có thể giảm xuống dưới 18µF mặc dù nó nằm trong dung sai khi vận chuyển từ nhà máy.

Đối với mạch động cơ, quy tắc thực tế chặt chẽ hơn dung sai được in: nếu tụ điện đang chạy bị mất khoảng 10% điện dung định mức, mô-men xoắn khởi động giảm đáng kể và dòng điện chạy tăng. Thay thế nó. Dung sai được in phản ánh quá trình sản xuất dàn trải tại nhà máy chứ không phải giới hạn lão hóa có thể chấp nhận được.

Để có kết quả đo nhất quán nhất, hãy đo ở nhiệt độ phòng trong khoảng từ 20°C đến 25°C và so sánh các kết quả đo được với cùng một thiết bị và cùng tần số kiểm tra.

Đo tụ điện khởi động và chạy động cơ như một kỹ thuật viên

Tụ điện động cơ xứng đáng có quy trình đo riêng vì chúng hoạt động dưới áp suất điện áp xoay chiều liên tục và dạng lỗi chủ yếu của chúng là mất điện dung dần dần. Động cơ một pha trong máy giặt, máy bơm nước, quạt trần, máy nén tủ lạnh, quạt làm mát và điều hòa không khí sử dụng hai họ tụ điện.

• Chạy tụ điện ở trong mạch trong suốt thời gian động cơ chạy. Giá trị tiêu biểu là 2µF đến 60µF, với mức điện áp từ 250V AC đến 500V AC. Ví dụ phổ biến là loại CBB60 vỏ nhôm tròn trong máy bơm nước, loại CBB61 vuông trong quạt trần và loại CBB65 kín có vỏ nhôm chống cháy nổ trong máy nén điều hòa.
• tụ điện khởi động chỉ tham gia khi khởi động. Chúng thường có giá trị điện dung lớn hơn nhiều, thường từ 70µF đến vài trăm microfarad và thường là loại điện phân có dung sai rộng hơn. Chúng phải được đo sau khi phóng điện hoàn toàn vì điện trở trong thấp hơn của chúng có thể mang lại sự phóng điện mạnh hơn nhiều.

Quy trình đo hiện trường

1. Kiểm tra trường hợp trước khi đo. Lỗ thông hơi an toàn bị phồng lên, rò rỉ dầu dọc theo đường nối hoặc đầu cực bị cháy khiến tụ điện trở thành ứng cử viên thay thế ngay cả trước khi đồng hồ vạn năng được bật.
2. Ngắt kết nối một dây để tụ điện được cách ly hoàn toàn khỏi cuộn dây động cơ.
3. Phóng điện qua điện trở trong ít nhất 10 giây, sau đó xác nhận 0V trên các cực bằng vôn kế.
4. Đặt máy đo ở chế độ điện dung và chọn phạm vi cao hơn giá trị được in; ví dụ: phạm vi 40µF hoặc 200µF cho tụ điện 30µF.
5. Đọc giá trị sau khi màn hình ổn định, sau đó so sánh nó với nhãn trên tụ điện, không phải với giá trị được in trong sách hướng dẫn, vì các nhà sản xuất thỉnh thoảng sửa đổi xếp hạng giữa các lô sản xuất.

Ngưỡng thay thế thực tế: đối với tụ điện đang chạy, hãy thay thế nếu giá trị đo được thấp hơn định mức in trên 10% hoặc dưới giới hạn dung sai in dưới. Nếu tụ điện đọc trong giới hạn dung sai nhưng bị phồng lên về mặt vật lý, hãy thay thế nó; lỗ thông hơi an toàn đã hoạt động một lần. Đối với tụ điện khởi động, hãy thay thế nếu số đọc không ổn định, nếu số đọc gần bằng 0 hoặc nếu giá trị đo được thấp hơn 20% so với định mức được in.

Các ứng dụng chiếu sáng và hệ số công suất, chẳng hạn như tụ bù dòng CBB80, có thể được đo bằng cùng một quy trình phóng điện và microfarad, mặc dù điện dung không phải là thông số hiệu suất duy nhất; hệ số tiêu tán cũng quan trọng không kém đối với nhiệm vụ hiệu chỉnh hệ số công suất.

Sáu sai lầm đo lường dẫn đến kết quả sai

1. Đo trong mạch. Trong khi tụ điện vẫn được kết nối, các thành phần khác như điện trở, cuộn dây động cơ, điốt hoặc tụ điện thứ hai tạo ra các đường dẫn song song làm sai lệch kết quả. Loại bỏ ít nhất một dây dẫn trước khi đo.
2. Đo một tụ điện tích điện. Điện áp dư làm thay đổi kết quả và có thể làm hỏng đồng hồ. Xả trước và xác nhận 0V.
3. Chọn phạm vi sai. Giá trị lớn hơn phạm vi đã chọn sẽ hiển thị OL và giá trị nhỏ hơn nhiều sẽ đọc không chính xác. Bắt đầu với phạm vi cao nhất và giảm dần cho đến khi số đọc chiếm một phần thoải mái trên thang đo.
4. Đọc quá sớm. Các tụ điện lớn mất vài giây để sạc trong mạch kiểm tra đồng hồ đo. Chỉ đọc giá trị sau khi màn hình ổn định.
5. Chạm cả hai đầu dò vào nhau trong quá trình đo làm chập dòng điện thử nghiệm và tạo ra kết quả sai gần bằng 0.
6. Bỏ qua tần suất kiểm tra. Điện dung của tụ màng ở 100Hz, 1kHz và 10kHz khác nhau một chút do sự hấp thụ điện môi. Khi sử dụng máy đo LCR, hãy chọn tần số phù hợp với ứng dụng: 100Hz hoặc 120Hz đối với tụ điện động cơ tần số nguồn điện.

Bất kỳ sai sót nào trong số này đều có thể biến tụ điện tốt thành hư hỏng giả hoặc tụ điện kém thành hư hỏng giả tạo. Thói quen tránh tất cả chúng chỉ mất thêm một phút.

Hai con số phát hiện những lỗi tiềm ẩn: ESR và rò rỉ

Đây là một ví dụ xảy ra thường xuyên hơn hầu hết các kỹ thuật viên mong đợi: một tụ điện đo chính xác 30,2µF so với định mức 30µF, tuy nhiên máy nén vẫn khởi động chậm và bị quá tải nhiệt. Thông tin còn thiếu là sức đề kháng nội bộ. Một tụ điện thực hoạt động như một tụ điện lý tưởng nối tiếp với điện trở nhỏ (ESR) và song song với điện trở cách điện cao. Khi kết nối lá kim hoặc chất điện môi bị suy giảm, ESR tăng lên trong khi tổng điện dung có thể thay đổi rất ít.

Đo ESR

Sử dụng máy đo LCR hoặc máy đo ESR chuyên dụng. Đối với tụ điện động cơ màng CBB, ESR điển hình ở 100Hz là dưới khoảng 0,5Ω. Nếu ESR cao hơn nhiều, chẳng hạn như trên 1Ω đối với tụ điện 20µF, thì tụ điện sẽ tản nhiệt dưới tải ngay cả khi điện dung có vẻ bình thường, do đó việc thay thế là hợp lý. Đối với các tụ điện nhỏ trong bộ nguồn, ESR trên 1Ω thường có nghĩa là phải thay thế; các giá trị thay đổi theo điện dung và điện áp, vì vậy hãy so sánh với bảng dữ liệu của nhà sản xuất.

Kiểm tra rò rỉ

Đặt đồng hồ vạn năng ở phạm vi điện trở cao nhất, kết nối nó với tụ điện đã phóng điện và theo dõi điện trở cuối cùng sau 30 đến 60 giây. Một tụ điện lớn khỏe mạnh có mức cao hàng trăm kilo-ohm hoặc ở phạm vi megohm; một tụ điện bị rò rỉ sẽ lắng xuống thấp hơn và tiếp tục trôi xuống. Đối với tụ điện màng AC thuộc loại AC 400V, điện trở cách điện hàng trăm megohm là điều kiện bình thường.

Kết hợp hai kiểm tra điện này với kiểm tra trực quan đơn giản. Lỗ thông hơi an toàn bị bật, PCB sẫm màu bên dưới tụ điện hoặc mùi chất điện phân bị cháy đều cho thấy đã thay thế, bất kể đồng hồ đo cho biết gì.

Câu hỏi thường gặp về tụ điện đo

Tôi có thể đo tụ điện mà không cần tháo nó ra khỏi mạch không?

Trong hầu hết các trường hợp, không. Các thành phần song song tạo ra các đường dẫn thay thế làm thay đổi cách đọc. Tháo hoặc nhấc một dây dẫn lên để cách ly tụ điện. Một số đồng hồ vạn năng cung cấp chế độ điện dung trong mạch, nhưng độ chính xác phụ thuộc vào mức độ vượt trội của giá trị tụ điện so với các thành phần xung quanh; coi những bài đọc như vậy là chỉ dẫn hơn là cuối cùng.

Tại sao đồng hồ của tôi hiển thị OL khi tôi đo tụ điện?

OL có nghĩa là Trên phạm vi. Tụ điện bị hở, điện dung của nó lớn hơn phạm vi đã chọn hoặc các dây dẫn không tiếp xúc đúng cách. Chọn phạm vi cao hơn, kiểm tra các kết nối đầu dò, xả lại tụ điện và lặp lại phép đo.

Đọc điện dung tốt là gì?

Số đọc bên trong dải dung sai được in, được đo ở nhiệt độ phòng trên màn hình ổn định và cố định. Đối với tụ điện động cơ, số đọc cũng phải nằm trong khoảng 10% giá trị được in. Chỉ số trên mức đánh giá một chút là bình thường; số đọc bên dưới dải cho thấy sự lão hóa.

Làm cách nào để xả tụ điện trước khi đo?

Ngắt kết nối nguồn, đợi một phút, nối điện trở 1kΩ đến 10kΩ qua các cực trong 10 đến 15 giây, lâu hơn đối với tụ điện trên 50µF, sau đó xác minh 0V bằng vôn kế. Sử dụng điện trở có công suất 5W hoặc cao hơn cho tụ điện động cơ.

Sự khác biệt giữa việc kiểm tra tụ điện khởi động và tụ điện chạy là gì?

Tụ điện chạy là loại màng được thiết kế để hoạt động xoay chiều liên tục và mức tiêu tán thấp; họ nên đo gần với giá trị được in bất cứ lúc nào. Các tụ điện khởi động chỉ được cấp điện trong thời gian ngắn, thường có giá trị lớn hơn nhiều và dung sai rộng hơn và thường được kiểm tra khi phóng điện hoàn toàn và cách ly. Nếu giá trị không ổn định hoặc gần bằng 0, hãy thay thế bộ phận đó.

Một tụ điện có điện dung chính xác vẫn có thể xấu?

Đúng. ESR cao, hệ số tiêu tán cao, dòng điện rò rỉ hoặc hư hỏng vật lý như vỏ phồng lên hoặc lỗ thông hơi an toàn bị mở có thể khiến tụ điện không hoạt động ngay cả khi số đọc microfarad nằm trong dung sai. Trước tiên hãy đánh giá điện dung, sau đó xác nhận bằng ESR hoặc kiểm tra rò rỉ và tình trạng vật lý.

Quy trình đo tụ điện hoàn chỉnh – phóng điện, cách ly, đo microfarad, so sánh với dung sai định mức, sau đó xác nhận bằng ESR hoặc kiểm tra vật lý – chỉ mất chưa đầy năm phút và ngăn ngừa hầu hết các sự cố điện lặp lại trong các thiết bị chạy bằng động cơ.

• Một tụ điện trông có vẻ tốt bên ngoài vẫn có thể xấu: vỏ bị sưng, các cực bị cháy và các đường nối bị rò rỉ là bằng chứng quyết định.
• Một tụ điện có điện dung thấp đã bị xuống cấp: hãy thay thế nó trước khi nó làm động cơ yếu hơn nữa.
• An toàn luôn được đặt lên hàng đầu: xả điện, cách ly, xác nhận 0V rồi mới đo.

Với những thói quen đó, đồng hồ vạn năng của bạn sẽ luôn cho bạn câu trả lời đáng tin cậy.