Схема эта, несмотря на свою видимую сложность, совсем проста в повторении, поскольку собрана на цифровых микросхемах и при отсутствии ошибок в монтаже и использовании заведомо исправных деталей практически не требует настройки. Тем не менее, возможности устройства достаточно велики:
Рассмотрим схему прибора:
щелкните для увеличения
На микросхеме DD1, точнее на двух его элементах, собран кварцевый генератор, работа которого пояснений не требует. Дальше тактовая частота поступает на делитель, собранный на микросхемах DD2 – DD4. Сигналы с него с частотами 1 000, 100, 10 и 1 кГц поступают на мультиплексор DD6.1, который использован в качестве узла автоматического выбора поддиапазона.
Основной узел измерения – одновибратор, собранный на элементах DD5.3, DD5.4, длительность импульса которого напрямую зависит от подключенного к нему конденсатора. Принцип измерения емкости – подсчет количества импульсов за время работы одновибратора. На элементах DD5.1, DD5.2 собран узел, предотвращающий дребезг контактов кнопки «Старт измерения». Ну и последняя часть схемы — четырехразрядная линейка двоично-десятичных счетчиков DD9 — DD12 с выводом на четыре семисегментных индикатора.
Рассмотрим алгоритм работы измерителя. При нажатии на кнопку SB1 двоичный счетчик DD8 обнуляется и переключает узел диапазона (мультиплексор DD6.1) на самый нижний диапазон измерения – 0.010 – 10.00 мкФ. При этом на один из входов электронного ключа DD1.3 поступают импульсы частотой 1 МГц. На второй вход этого же ключа проходит разрешающий сигнал с одновибратора, длительность которого прямо пропорциональна подключенной к нему емкости измеряемого конденсатора.
Таким образом на счетную декаду DD9…DD12 начинают поступать импульсы с частотой 1 МГЦ. Если происходит переполнение декады, то сигнал переноса с DD12 увеличивает показания счетчика DD8 на единицу и разрешает запись нуля в триггер DD7 по входу D. Этот нуль включает формирователь DD5.1, DD5.2 а он в свою очередь сбрасывает счетную декаду, снова устанавливает DD7 в «1» и перезапускает одновибратор. Процесс повторяется, но на счетную декаду через коммутатор теперь поступает частота 100 кГц (включился второй диапазон).
Если до завершения импульса с одновибратора счетная декада снова переполнилась, то опять происходит смена диапазона. Если одновибратор отключился раньше, то счет останавливается и на индикаторе можно прочитать значение подключенной для измерения емкости. Последний штрих – блок управления десятичной точкой, которая и указывает текущий поддиапазон измерения. Его функции выполняет вторая часть мультиплексора DD6, которая засвечивает нужную точку в зависимости от включенного поддиапазона.
В качестве индикаторов в схеме используются вакуумные люминесцентные индикаторы ИВ6, поэтому блок питания измерителя должен выдавать два напряжения: 1 В для накала и +12 В для анодного питания ламп и микросхем. Если индикаторы заменить ЖКИ, то можно обойтись одним источником +9В, применение же светодиодных матриц невозможно из-за малой нагрузочной способности микросхем DD9…DD12.
В качестве калибровочного резистора R8 лучше применить многооборотный, поскольку именно от точности калибровки будет зависеть величина погрешности измерения прибора. Остальные резисторы могут быть МЛТ-0.125. По поводу микросхем — в приборе можно использовать любую из серий К1561, К564, К561, К176, но следует иметь в виду, что 176 серия очень неохотно работает с кварцевым резонатором (DD1).
Настройка прибора достаточно проста, но выполнить ее следует с особой тщательностью.
По материалам «Радиолюбитель» №5, 2001г.
Данный прибор уже 8 лет используется для ремонта телевизоров и показал себя с самой лучшей стороны. В приборе использованы микросхемы КМОП, которые еще у многих пылятся в старых запасах. Это, а также применение ЖК - индикатора ИЖЦ5-4/8 позволило довести потребляемый ток до 10 мА и питать прибор от батареи типа "Крона". Размеры прибора позволяют разместить его в корпусе от мультиметра типа D-830 и т.п. Несмотря на относительно большое количество микросхем, общая стоимость деталей (по прайсам известных Интернет-магазинов) не превышает стоимости только одного современного LCD индикатора типа 8x2 или 16x1 и т.п.
На микросхемах DA1 и DA2 собран преобразователь Емкость-Время (рис.1) - разновидность известного мультивибратора на ОУ, далее будем его называть ПЕВ. На ОУ DA1.1 реализована искусственная “земля” (средняя точка) для аналоговой части. На ОУ DA2 и DA1.2 собран собственно преобразователь. Период следования импульсов определяется выражением T=2*R7*Cx*(1+ln(2*R3/R5)). Из формулы видно, что период мало зависит от дестабилизирующих факторов, таких как напряжение питания, температура (резисторы лучше выбрать термостабильные) и т.д. и может быть достаточно высоким. Амплитуда напряжения на измеряемой емкости составляет Uc=Ud*(R3/(R3+R5)), (где Ud-прямое напряжение на диоде) и не превышает 0.1 Вольт, что позволяет измерять емкость не выпаивая ее из схемы, так как при таком напряжении все полупроводниковые переходы закрыты. Применение в качестве DA2 микросхемы КР544УД2 позволило уменьшить погрешность прибора при измерении малых емкостей. Для защиты DA2 при подключении заряженного конденсатора введены элементы VD3, VD4, R4, причем, диоды выбраны со значительным допустимым однократным импульсным током, а резистор мощностью не менее 0.5 Вт. С вывода 6 DA2 импульсы с периодом, пропорциональным емкости измеряемого конденсатора, поступают на блок управления.
Блок управления реализован на микросхемах DD1 – DD4. Импульсы от ПЕВ, через инвертор на DD3.1, поступают на счетный вход С D-триггера DD2.2. На вход С другого триггера микросхемы поступают секундные импульсы. Логика работы и соединение триггеров между собой таково, что на инверсном выходе DD2.2 присутствует низкий уровень длительностью равной периоду ПЕВ(время счета) и высокий – длительностью, равной примерно 1 сек (время индикации). С прямого же выхода (вывод 1) через элементы C10, R15 короткий импульс сбрасывает счетчики в 0 в начале каждого измерительного периода. Элемент 2ИЛИ-НЕ DD3.4 пропускает импульсы образцовой частоты 32768 Гц на вход счетчика только в течении времени счета. На микросхеме DD1 собран кварцевый генератор образцовой частоты, которая поступает на вывод 6 DD3.4 с выходного буфера (вывод 12). С нее же секундные импульсы поступают с вывода 5 на счетный вход триггера DD2.1, а также снимаются импульсы частотой 63 Гц (рабочая частота индикатора). ЖК индикатор не допускает подачи на него постоянного напряжения, поэтому в данном устройстве на индикатор подается переменное напряжение частотой 63 Гц, а включение сегментов осуществляется фазовым методом (если на сегмент подается сигнал такой же фазы, что и на общий вывод индикатора, то сегмент погашен, если же в противофазе – сегмент включен). Для управления запятыми применены элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ микросхемы DD4. На один из входов элементов DD4.2, DD4.3, DD4.4 подается сигнал 63 Гц (в противофазе к общему индикатора). Каждый элемент, при подаче на другой вход логического 0, повторяет на выходе импульсы (запятая индицируется), а при подаче логического 1 – инвертирует (запятая погашена). DD4.2 управляет запятой 3-го (от старшего к младшему) разряда, которая нормально включена. На элементе DD4.1 реализован RS-триггер, на выходе которого устанавливается лог.1 путем подачи на вывод 5 короткого положительного импульса через элементы C8, R10, VD5 в начале каждого интервала измерения. При переполнении счетчика, отрицательный перепад с выхода старшего разряда счетчика, через инвертор DD3.2 и дифференцирующую цепочку C9, R12 , воздействует на вывод 6 DD4.1 и переводит его выход в 0. Если на месте DD4 будет использоваться микросхема более быстродействующей серии, возможно, для правильной работы DD4.1 придется уменьшить номинал R12 для укорачивания импульса на выводе 6. В случае установления на выводе 6 DD4.1 логического 0, через элемент DD4.4 включается запятая младшего разряда, индицируя переполнение.
На элементах DD4.4, VD6, R14 выполнен индикатор разряда батареи. При уменьшении напряжения ниже 7В, на выводе 12 DD4.4 устанавливается низкий уровень и “зажигаются” запятые 1-го и 2-го разрядов, тем самым сигнализируя о разряде батареи. Элемент DD3.3 играет роль буфера-инвертора.
На микросхемах DD5-DD8 выполнен счетчик импульсов с выводом на ЖК-индикатор. При подаче на вывод 6 счетчика импульсов 63 Гц той же фазы, что и на индикатор, на выходах присутствуют импульсы с фазой, зависящей от включения сегмента и на индикаторе видно соответствующую цифру.
В приборе не предусмотрено переключения пределов измерения, однако, при необходимости измерения емкостей до 10000 мкф, можно навесным монтажом ввести еще один счетчик и переключатель по схеме, изображенной на рис.6. Для этого необходимо удалить перемычку, соединяющую вывод 4 элемента DD3.4 и 4-й же вывод микросхемы DD5 и соответственно между этими точками переключателем S2 подключается счетчик DD9. Вторая группа контактов подачей логического 1 на вывод 9 DD4.2 отключает индикацию запятой 3-го разряда (на печатной плате для этого предусмотрен контакт, обозначенный “х”). Следует отметить, что при измерении емкостей свыше 1000 мкФ, считывание показаний становится не совсем удобным из-за заметности “бега” показаний в период счета. Однако, при этом, показания вполне можно прочесть безошибочно.
Ниже привожу еще один способ увеличения верхнего предела до 10000 мкФ, который, пожалуй, самый простой, какой может быть. Параллельно резистору R7 подключается дополнительный с сопротивлением 85.3 Ома, снижая его сопротивление до 76.7 Ома, то есть в 10 раз. У этого способа свои преимущества и недостатки. Преимущества: простота, минимальные затраты, не меняется максимальное время измерения (0.3 сек). Недостаток один - при таком увеличении предела, становится гораздо заметнее зависимость результата от ESR конденсатора (правда этот недостаток может стать достоинством, если прибор используется для поиска неисправных конденсаторов). Уже ESR, равный 0.5-1 Ом, приводит к серьезному снижению показаний. В данном случае, возможно придется отказаться от защитного резистора R4, что повысит опасность порчи DA2 при подключении к прибору заряженного конденсатора. Выбор способа остается за читателем.
Практически все детали устройства размещены на односторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1мм размерами 60х95 мм, которая представлена во вложенном файле (также в формате ). Индикатор установлен поверх микросхем К176ИЕ4 на колодках, которые изготовляются из розетки для микросхем с 40 выводами и шагом 2.5 мм. Розетка делится вдоль на 2 части (получаются две узкие однорядные колодки) и каждая укорачивается до 17 контактов. Выводы индикатора формуются в виде буквы “Г” с расстоянием межу загибами, равным 35 мм.
Сначала следует впаять перемычки и дискретные элементы, а потом уже микросхемы и колодки для индикатора. Перемычки изготовляются из луженого провода диаметром 0.3-0.5 мм. Все резисторы, кроме R4, применены типа МЛТ-0.125. Конденсаторы, керамические и электролитические, применены малогабаритные. Стабилитрон можно применить импортный на 3.3 В. Диоды VD1, VD2, VD5 любые из серий КД521, КД522. Диоды VD3,VD4 можно применить любые серий HER10x – HER20x. Из отечественных подойдут КД212, но могут быть сложности с установкой из-за больших габаритов и толщины выводов. Кварцевый резонатор можно применить от неисправных настольных и даже наручных часов. Микросхему DA1, в случае ее отсутствия, можно заменить почти любым сдвоенным ОУ импортного производства, но с изменением рисунка платы (или установить навесным монтажом), например, LM358. DA2 можно заменить на КР544УД1, КР140УД6 с небольшим увеличением погрешности на малых значениях. DD1 вполне можно заменить на К176ИЕ12 с изменением рисунка платы, в крайнем случае три раздельных генератора на 1, 63 и 32768 можно собрать на микросхеме К561ЛН2 по известным схемам на двух инверторах, причем стабильным должен быть только генератор на 32768 Гц, остальные можно применить на RC. К176ТМ2 меняется без изменения рисунка на К176ТМ1 или соответствующие 561 серии. Также К176ЛП2 и К176ЛЕ5 меняются на К561ЛП2 и К561ЛЕ5. Индикатор можно заменить на ИЖЦ21-4/7.
При правильном монтаже, прибор не нуждается в наладке и калибровке. Только необходимо подобрать резисторы R3, R5, R7 с точностью, как минимум, 1 % (R7 можно составить из резисторов 1 кОм и 3.3 кОм, включенных параллельно).
Как говорилось выше, прибор можно разместить в корпусе от мультиметра типа D-830 - D-838, но у маня на тот момент такового не оказалось и корпус был сделан самостоятельно: передняя панель - из 3мм-оргстекла и оклеена самоклейкой, остальной корпус - футляр из латуни толщиной 0.4 мм. Передняя панель вставляется в футляр и фиксируется с боков тонкими "саморезами", вкрученными в предварительно просверленные отверстия. Щуп сделан из двух булавок и представляет собой две пружинистые иголки, припаянные к плате из фольгированного стеклотекстолита.
В заключении, отмечу, что прибор предназначен для измерения емкости, а не ЭПС (ESR), однако, при возрастании эквивалентного последовательного сопротивления, показания прибора резко снижаются (примерно в два раза при сопротивлении 10-15 Ом). Данное свойство прибора позволяет успешно применять его для ремонта радиоаппаратуры – просто бракуем конденсаторы, емкость которых по показаниям прибора более чем в 2 раза ниже номинала, независимо от истинной причины низких показаний.
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Блок управления | |||||||
| DD1 | Микросхема | К176ИЕ5 | 1 | В блокнот | |||
| DD2 | Микросхема | К176ТМ2 | 1 | В блокнот | |||
| DD3 | Микросхема | К176ЛЕ5 | 1 | В блокнот | |||
| DD4 | Микросхема | К176ЛП2 | 1 | В блокнот | |||
| VD5 | Диод | КД522Б | 1 | В блокнот | |||
| VD6 | Стабилитрон | КС133А | 1 | В блокнот | |||
| Z1 | Кварцевый резонатор | 32768 Гц | 1 | В блокнот | |||
| R8, R15 | Резистор | 100 кОм | 2 | В блокнот | |||
| R9 | Резистор | 10 МОм | 1 | В блокнот | |||
| R10 | Резистор | 27 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R11 | Резистор | 22 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R12, R13 | Резистор | 30 кОм | 2 | В блокнот | |||
| R14 | Резистор | 1 кОм | 1 | В блокнот | |||
| C6 | Конденсатор | 51 пФ | 1 | В блокнот | |||
| C7 | Конденсатор | 220 пФ | 1 | В блокнот | |||
| C8 | Конденсатор | 1000 пФ | 1 | В блокнот | |||
| C9 | Конденсатор | 100 пФ | 1 | В блокнот | |||
| C10 | Конденсатор | 22 пФ | 1 | В блокнот | |||
| C11 | Электролитический конденсатор | 100мкФ x 16В | 1 | В блокнот | |||
| Счетчик импульсов | |||||||
| DD5-DD8 | Микросхема | К176ИЕ4 | 4 | В блокнот | |||
| HL1 | Индикатор | ИЖЦ 5-4/8 | 1 | В блокнот | |||
| Преобразователь Емкость-Период | |||||||
| DA1 | Микросхема | К157УД2 | 1 | В блокнот | |||
| DA2 | Микросхема | К544УД2 | 1 | ||||
В. ВАСИЛЬЕВ, г. Набережные Челны
Радио, 1998 год, №4
Тот, кто занимается ремонтом бытовой или промышленной радиоаппаратуры, знает, что исправность конденсаторов удобно проверять без их демонтажа. Однако многие измерители емкости конденсаторов такой возможности не предоставляют. Правда, одна подобная конструкция была описана в . Она имеет небольшой диапазон измерения, нелинейную шкалу с обратным отсчетом, что снижает точность. При проектировании же нового измерителя решалась задача создания прибора с широким диапазоном, линейной шкалой и прямым отсчетом, чтобы можно было пользоваться им, как лабораторным. Помимо этого, прибор должен быть диагностическим, т. е. способным проверять и конденсаторы, зашунтированные р-n переходами полупроводниковых приборов и сопротивлениями резисторов.
Принцип работы прибора таков. На вход дифференциатора, в котором проверяемый конденсатор используется в качестве дифференцирующего, подается напряжение треугольной формы. При этом на его выходе получается меандр с амплитудой, пропорциональной емкости этого конденсатора. Далее детектор выделяет амплитудное значение меандра и выдает постоянное напряжение на измерительную головку.
Амплитуда измерительного напряжения на щупах прибора примерно 50 мВ, что недостаточно для открывания р-n переходов полупроводниковых приборов, поэтому они не оказывают своего шунтирующего действия.
Прибор имеет два переключателя. Переключатель пределов "Шкала" с пятью положениями: 10 мкФ, 1 мкФ, 0,1 мкФ, 0,01 мкФ, 1000 пФ. Переключателем "Множитель" (Х1000, х10О, х10, Х1) меняется частота измерения. Таким образом, прибор имеет восемь поддиапазонов измерения емкости от 10 000 мкФ до 1000 пФ, что практически достаточно в большинстве случаев.
Генератор треугольных колебаний собран на ОУ микросхемы DA1.1, DA1.2, DA1.4 (рис. 1). Один из них, DA1.1, работает в режиме компаратора и формирует сигнал прямоугольной формы, который поступает на вход интегратора DA1.2. Интегратор преобразует прямоугольные колебания в треугольные. Частота генератора определяется элементами R4, С1 - С4. В цепи обратной связи генератора стоит инвертор на ОУ DA1.4, который обеспечивает автоколебательный режим. Переключателем SA1 можно устанавливать одну из частот измерения (множитель): 1 Гц (Х1000), 10Гц(х10О), 10ОГц(х10), 1 кГц(Х1).
ОУ DA2.1 - повторитель напряжения, на его выходе сигнал треугольной формы амплитудой около 50 мВ, который и используется для создания измерительного тока через проверяемый конденсатор Сх.
Так как емкость конденсатора измеряется в плате, на нем может находиться остаточное напряжение, поэтому для исключения повреждения измерителя параллельно его щупам подключены два встречно-параллельных диода моста VD1.
ОУ DA2.2 работает как дифференциатор и выполняет роль преобразователя ток - напряжение. Его выходное напряжение:
Uвых=(Rl2...R16)·IBX=(Rl2...Rl6)Cx-dU/dt.
Например, при измерении емкости 100 мкФ на частоте 100 Гц получается: Iвх=Cx·dU/dt=100-100MB/5MC = 2MA, Uвых= R16 ·lBX= 1 кОм · мА= 2 В.
Элементы R11, С5 - С9 необходимы для устойчивой работы дифференциатора. Конденсаторы устраняют колебательные процессы на фронтах меандра, которые делают невозможным точное измерение его амплитуды. В результате на выходе DA2.2 получается меандр с плавными фронтами и амплитудой, пропорциональной измеряемой емкости. Резистор R11 также ограничивает входной ток при замкнутых щупах или при пробитом конденсаторе. Для входной цепи измерителя должно выполняться неравенство:
(3...5)CxR1<1/(2f).
Если это неравенство не выполнено, то за половину периода ток IBX не достигает установившегося значения, а меандр - соответствующей амплитуды, и возникает погрешность в измерении. Например, в измерителе, описанном в , при измерении емкости 1000 мкФ на частоте 1 Гц постоянная времени определяется как
Сх·R25 = 10ОО мкФ - 910 Ом = 0,91 с.
Половина же периода колебаний Т/2 составляет лишь 0,5 с, поэтому на данной шкале измерения окажутся заметно нелинейными.
Синхронный детектор состоит из ключа на полевом транзисторе VT1, узла управления ключом на ОУ DA1.3 и накопительного конденсатора С10. ОУ DA1.2 выдает управляющий сигнал на ключ VT1 во время положительной полуволны меандра, когда его амплитуда установлена. Конденсатор С10 запоминает постоянное напряжение, выделенное детектором.
С конденсатора С10 напряжение, несущее информацию о величине емкости Сх, через повторитель DA2.3 подается на микроамперметр РА1. Конденсаторы С11, С12 - сглаживающие. С движка переменного резистора калибровки R22 снимается напряжение на цифровой вольтметр с пределом измерения 2 В.
Источник питания (рис. 2) выдает двухполярные напряжения ±9 В. Опорные напряжения образуют термостабильные стабилитроны VD5, VD6. Резисторами R25, R26 устанавливают необходимую величину выходного напряжения. Конструктивно источник питания объединен с измерительной частью прибора на общей монтажной плате.
В приборе использованы переменные резисторы типа СПЗ-22 (R21, R22, R25, R26). Постоянные резисторы R12 - R16 - типа С2-36 или С2-14 с допустимым отклонением ±1%. Сопротивление R16 получено соединением последовательно нескольких подобранных резисторов. Сопротивления резисторов R12 - R16 можно использовать и других типов, но их надо подобрать с помощью цифрового омметра (мультиметра). Остальные постоянные резисторы - любые с мощностью рассеяния 0,125 Вт. Конденсатор С10 - К53- 1А, конденсаторы С11 - С16 - К50-16. Конденсаторы С1, С2 - К73-17 или другие метал-лопленочные, СЗ, С4 - КМ-5, КМ-6 или другие керамические с ТКЕ не хуже М750, их необходимо также подобрать с погрешностью не более 1%. Остальные конденсаторы - любые.
Переключатели SA1, SA2 - П2Г-3 5П2Н. В конструкции допустимо применить транзистор КПЗОЗ (VT1) с буквенными индексами А, Б, В, Ж, И. Транзисторы VT2, VT3 стабилизаторов напряжения могут быть заменены другими маломощными кремниевыми транзисторами соответствующей структуры. Вместо ОУ К1401УД4 можно использовать К1401УД2А, но тогда на пределе "1000 пФ" возможно появление ошибки из-за смещения входа дифференциатора, создаваемого входным током DA2.2 на R16.
Трансформатор питания Т1 имеет габаритную мощность 1 Вт. Допустимо использовать трансформатор с двумя вторичными обмотками по 12 В, но тогда необходимо два выпрямительных моста.
Для настройки и отладки прибора потребуется осциллограф. Неплохо иметь частотомер для проверки частот генератора треугольных колебаний. Нужны будут и образцовые конденсаторы.
Прибор начинают настраивать с установки напряжений +9 В и -9 В с помощью резисторов R25, R26. После этого проверяют работу генератора треугольных колебаний (осциллограммы 1, 2, 3, 4 на рис. 3). При наличии частотомера измеряют частоту генератора при разных положениях переключателя SA1. Допустимо, если частоты отличаются от значений 1 Гц, 10 Гц, 100 Гц, 1 кГц, но между собой они должны отличаться точно в 10 раз, так как от этого зависит правильность показаний прибора на разных шкалах. Если частоты генератора не кратны десяти, то необходимой точности (с погрешностью 1%) добиваются подбором конденсаторов, подключаемых параллельно конденсаторам С1 - С4. Если емкости конденсаторов С1 - С4 подобраны с необходимой точностью, можно обойтись без измерения частот.
Далее проверяют работу ОУ DA1.3 (осциллограммы 5, 6). После этого устанавливают предел измерения "10 мкФ", множитель - в положение "х1" и подключают образцовый конденсатор емкостью 10 мкф. На выходе дифференциатора должны быть прямоугольные, но с затянутыми, сглаженными фронтами колебания амплитудой около 2 В (осциллограмма 7). Резистором R21 выставляют показания прибора - отклонение стрелки на полную шкалу. Цифровой вольтметр (на пределе 2 В) подключают к гнездам XS3, XS4 и резистором R22 выставляют показание 1000 мВ. Если конденсаторы С1 - С4 и резисторы R12 - R16 точно подобраны, то показания прибора будут кратными и на других шкалах, что можно проверить с помощью образцовых конденсаторов.
Измерение емкости конденсатора, впаянного в плату с другими элементами, обычно получается достаточно точным на пределах 0,1 - 10 000 мкф, за исключением случаев, когда конденсатор зашунтирован низкоомной резистивной цепью. Так как его эквивалентное сопротивление зависит от частоты Хс = 1/ωС, то для уменьшения шунтирующего действия других элементов устройства необходимо увеличивать частоту измерения с уменьшением емкости измеряемых конденсаторов. Если при измерении конденсаторов емкостью 10 000 мкф, 1000 мкФ, 100 мкф, 10 мкф использовать соответственно частоты 1 Гц, 10 Гц, 100 Гц, 1 кГц, то шунтирующее действие резисторов скажется на показании прибора при параллельно включенном резисторе сопротивлением 300 Ом (ошибка около 4%) и меньше. При измерении конденсаторов емкостью 0,1 и 1 мкф на частоте 1 кГц ошибка в 4% будет из-за влияния параллельно включенного резистора уже сопротивлением 30 и 3 кОм соответственно.
На пределах 0,01 мкф и 1000 пФ конденсаторы целесообразно проверять все-таки с отключением шунтирующих цепей, так как измерительный ток мал (2 мкА, 200 нА). Стоит, однако, напомнить, что надежность конденсаторов небольшой емкости заметно выше благодаря конструкции и более высокому допустимому напряжению.
Иногда, например, при измерении некоторых конденсаторов с оксидным диэлектриком (К50-6 и т. п.) емкостью от 1 мкф до 10 мкф на частоте 1 кГц появляется погрешность, связанная, по всей видимости, с собственной индуктивностью конденсатора и потерями в его диэлектрике; показания прибора оказываются меньшими. Поэтому бывает целесообразно производить измерения на более низкой частоте (например, в нашем случае на частоте 100 Гц), хотя при этом шунтирующие свойства параллельных резисторов будут сказываться уже при большем их сопротивлении.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кучин С. Прибор для измерения емкости. - Радио. 1993, ╧ 6, с 21 - 23.
2. Болгов А. Испытатель оксидных конденсаторов. - Радио, 1989, ╧ 6, с. 44.
Конденсатор - элемент электрической цепи, состоящий из проводящих электродов (обкладок), разделённых диэлектриком. Предназначен для использования его электрической ёмкости. Конденсатор, ёмкостью С, к которому приложено напряжение U, накапливает заряд Q на одной стороне и - Q - на другой. Ёмкость здесь в фарадах, напряжение - вольтах, заряд - кулоны. Когда ток силой 1 А протекает через конденсатор ёмкостью 1 Ф напряжение изменяется на 1 В за 1 с.
Одна фарада ёмкость огромная, поэтому обычно применяются микрофарады (мкФ) или пикофарады (пФ). 1Ф = 106 мкФ = 109 нФ = 1012 пФ. На практике используются значения от нескольких пикофарад до десятков тысяч микрофарад. Зарядный ток конденсатора отличается от тока через резистор. Он зависит не от величины напряжения, а от скорости изменения последнего. По этой причине для измерения ёмкости требуются специальные схемные решения, применительно к особенностям конденсатора.
Проще всего определить значение ёмкости по маркировке, нанесённой на корпус конденсатора.
Электролитический (оксидный) полярный конденсатор, ёмкостью 22000 мкФ, рассчитанный на номинальное напряжение 50 В постоянного тока. Встречается обозначение WV - рабочее напряжение. В маркировке неполярного конденсатора обязательно указывается возможность работы в цепях переменного тока высокого напряжения (220 VAC).
Плёночный конденсатор ёмкостью 330000 пФ (0.33 мкФ). Значение в этом случае, определяется последней цифрой трёхзначного числа, обозначающей количество нолей. Далее буквой указана допустимая погрешность, здесь - 5 %. Третьей цифрой может быть 8 или 9. Тогда первые две умножаются на 0.01 или 0.1 соответственно.
Ёмкости до 100 пФ маркируются, за редкими исключениями, соответствующим числом. Этого достаточно для получения данных об изделии, так маркируется подавляющее число конденсаторов. Производитель может придумать свои, уникальные обозначения, расшифровать которые не всегда удаётся. Особенно это относится к цветовому коду отечественной продукции. По стёртой маркировке узнать ёмкость невозможно, в такой ситуации не обойтись без измерений.
Простейшая RC - цепь состоит из параллельно включённых резистора и конденсатора.
Выполнив математические преобразования (здесь не приводятся), определяются свойства цепи, из которых следует, что если заряженный конденсатор подключить к резистору, то он будет разряжаться так, как показано на графике.
Произведение RC называют постоянной времени цепи. При значениях R в омах, а C - в фарадах, произведение RC соответствует секундам. Для ёмкости 1 мкФ и сопротивления 1 кОм, постоянная времени - 1 мс, если конденсатор был заряжен до напряжения 1 В, при подключении резистора ток в цепи будет 1 мА. При зарядке напряжение на конденсаторе достигнет Vo за время t ≥ RC. На практике применяется следующее правило: за время 5 RC, конденсатор зарядится или разрядится на 99%. При других значениях напряжение будет изменяться по экспоненциальному закону. При 2.2 RC это будет 90 %, при 3 RC - 95 %. Этих сведений достаточно для расчёта ёмкости с помощью простейших приспособлений.
Для определения ёмкости неизвестного конденсатора следует включить его в цепь из резистора и источника питания. Входное напряжение выбирается несколько меньшим номинального напряжения конденсатора, если оно неизвестно - достаточно будет 10–12 вольт. Ещё необходим секундомер. Для исключения влияния внутреннего сопротивления источника питания на параметры цепи, на входе надо установить выключатель.
Сопротивление подбирается экспериментально, больше для удобства отсчёта времени, в большинстве случаев в пределах пяти - десяти килоом. Напряжение на конденсаторе контролируется вольтметром. Время отсчитывается с момента включения питания — при зарядке и выключении, если контролируется разряд. Имея известные величины сопротивления и времени, по формуле t = RC вычисляется ёмкость.
Удобнее отсчитывать время разрядки конденсатора и отмечать значения в 90 % или 95 % от начального напряжения, в этом случае расчёт ведётся по формулам 2.2t = 2.2RC и 3t = 3RC. Таким способом можно узнать ёмкость электролитических конденсаторов с точностью, определяемой погрешностями измерений времени, напряжения и сопротивления. Применение его для керамических и других малой ёмкости, с использованием трансформатора 50 Hz, вычислением емкостного сопротивления - даёт непрогнозируемую погрешность.
Самым доступным методом замера ёмкости является широко распространённый мультиметр с такой возможностью.
В большинстве случаев, подобные устройства имеют верхний предел измерений в десятки микрофарад, что достаточно для стандартных применений. Погрешность показаний не превышает 1% и пропорциональна ёмкости. Для проверки достаточно вставить выводы конденсатора в предназначенные гнёзда и прочитать показания, весь процесс занимает минимум времени. Такая функция присутствует не у всех моделей мультиметров, но встречается часто с разными пределами измерений и способами подключения конденсатора. Для определения более подробных характеристик конденсатора (тангенса угла потерь и прочих), используются другие устройства, сконструированные для конкретной задачи, не редко являются стационарными приборами.
В схеме измерения, в основном, реализован мостовой метод. Применяются ограничено в специальных профессиональных областях и широкого распространения не имеют.
Не принимая во внимание разные экзотические решения, такие как баллистический гальванометр и мостовые схемы с магазином сопротивлений, изготовить простой прибор или приставку к мультиметру по силам и начинающему радиолюбителю. Широко распространённая микросхема серии 555 вполне подходит для этих целей. Это таймер реального времени со встроенным цифровым компаратором, в данном случае используется как генератор.
Частота прямоугольных импульсов задаётся выбором резисторов R1–R8 и конденсаторов С1, С2 переключателем SA1 и равняется: 25 kHz, 2.5 kHz, 250 Hz, 25Hz - соответственно положениям переключателя 1, 2, 3 и 4–8. Конденсатор Сх заряжается с частотой следования импульсов через диод VD1, до фиксированного напряжения. Разряд происходит во время паузы через сопротивления R10, R12–R15. В это время образуется импульс длительностью, зависимой от емкости Сх (больше ёмкость - длиннее импульс). После прохождения интегрирующей цепи R11 C3 на выходе появляется напряжение, соответствующее длине импульса и пропорциональное величине ёмкости Сх. Сюда и подключается (Х 1) мультиметр для измерения напряжения на пределе 200 mV. Положения переключателя SA1 (начиная с первого) соответствуют пределам: 20 пФ, 200 пФ, 2 нФ, 20 нФ, 0.2 мкФ, 2 мкФ, 20 мкФ, 200 мкФ.
Наладку конструкции необходимо делать с прибором, который будет применяться в дальнейшем. Конденсаторы для наладки надо подобрать с ёмкостью, равной поддиапазонам измерений и как можно точнее, от этого будет зависеть погрешность. Отобранные конденсаторы поочерёдно подключаются к Х1. В первую очередь настраиваются поддиапазоны 20 пФ–20 нФ, для этого соответствующими подстроечными резисторами R1, R3, R5, R7 добиваются соответствующих показаний мультиметра, возможно придётся несколько изменить номиналы последовательно включённых сопротивлений. На других поддиапазонах (0.2 мкФ–200 мкФ) калибровка проводится резисторами R12–R15.
При выборе источника питания следует учитывать, что амплитуда импульсов напрямую зависит от его стабильности. Интегральные стабилизаторы серии 78хх вполне здесь применимы Схема потребляет ток не более 20–30 миллиампер и конденсатора фильтра ёмкостью 47–100 микрофарад будет достаточно. Погрешность измерений, при соблюдении всех условий, может составить около 5 %, на первом и последнем поддиапазонах, по причине влияния ёмкости самой конструкции и выходного сопротивления таймера, возрастает до 20 %. Это надо учитывать при работе на крайних пределах.
R1, R5 6,8k R12 12k R10 100k C1 47nF
R2, R6 51k R13 1,2k R11 100k C2 470pF
R3, R7 68k R14 120 C3 0,47mkF
R4, R8 510k R15 13
Диод VD1 - любой маломощный импульсный, конденсаторы плёночные, с малым током утечки. Микросхема - любая из серии 555 (LM555, NE555 и другие), русский аналог - КР1006ВИ1. Измерителем может быть практически любой вольтметр с высоким входным сопротивлением, под который проведена калибровка. Источник питания должен иметь на выходе 5–15 вольт при токе 0.1 А. Подойдут стабилизаторы с фиксированным напряжением: 7805, 7809, 7812, 78Lxx.
Вариант печатной платы и расположение компонентов
Это измеритель ESR (ЭПС) + измеритель ёмкости конденсаторов.
Прибор измеряет ЭПС (эквивалентное последовательное сопротивление) конденсатора и его ёмкость измеряя время зарядки постоянным током. В роли источника тока выступает управляемый стабилитрон TL431 и p-n-p транзистор.
Ёмкость меряет в пределах 1 - 150 000мкФ, ESR - до 10 Ом.
Вся конструкция была успешно позаимствована с сайта pro-radio, где Олег Гинц (он же GO и он же автор конструкции) выложил свою работу на общее обозрение. Эта конструкция была повторена не один десяток, а то и сотню раз, опробована и одобрена народом. При правильной сборке остаётся лишь выставить поправочные коэффициенты на ёмкость и сопротивление.
Прибор собран на микроконтроллере PIC16F876A, распространённом ЖК-дисплее типа WH-1602 на базе HD44780 и рассыпухе. Контроллер можно заменить на PIC16F873 - в конце статьи есть прошивки на обе модели.
Ёмкость и ESR конденсаторов около 1000 мкф измеряет за доли секунды. Так же с большой точностью измеряет малое сопротивление. То есть можно пользоваться, когда необходимо сделать шунт для амперметра:)
Так же хорошо меряет ёмкость внутрисхемно. Только, если есть индуктивности - может врать. В этом случае выпаиваем элемент.
Корпус, Z-42, в качестве коннектора подключения щупов по четырёхпроводной схеме выбрал старый, добрый, надёжный USB 2.0 порт.
Старый, советский, подсохший электролитический конденсатор.
А это нерабочий конденсатор с цепи питания процессора на материнской плате.
Как работает.
Конденсатор предварительно разряжается, включается источник тока 10 мА, оба входа измерительного усилителя подключаются на Сх, делается задержка порядка 3.6 мкс для устранения влияния звона в проводах. Одновременно через ключи DD2.3 || DD2.4 заряжается конденсатор С1, который собственно и запоминает самое большое напряжение, которое было на Cx. Следующим шагом размыкаются ключи DD2.3 || DD2.4 и выключается источник тока. Инвертирующий вход ДУ остается подключенным к Сх, на котором после выключения тока напряжение падает на величину 10мА*ESR. Вот собственно и все - далее спокойно можно мерять напряжение на выходе ДУ - там два канала, один с КУ=330 для предела 1 Ом и КУ=33 для 10 Ом.
На форуме-источнике, где выложена печатная плата и прошивки - печатка была двухсторонняя. С одной стороны - все дорожки, с другой - сплошной слой земли и просто дырки под компоненты. У меня такого текстолита на момент сборки не было, поэтому пришлось делать землю проводами. Так или иначе, особых сложностей это не доставило и на работоспособности и точности прибора никак не отразилось.
На последней картинке - источник тока, источник отрицательного напряжения и силовой ключ.
Плата простая, настройка - ещё проще.
Первое включение - проверяем наличие +5V после 78L05 и -5V (4.7V) на выходе DA4 (ICL7660). Подбором R31 добиваемся нормальной контрастности на индикаторе.
Включение прибора при нажатой кнопке Set переводит его в режим установки корректирующих коэффициентов. Их всего три - для каналов 1 Ом, 10 Ом и для ёмкости. Изменение коэффициентов кнопками + и -, запись в EEPROM и перебор - той же кнопкой Set.
Имеется так же отладочный режим - в этом режиме на индикатор выводятся измеренные значения без обработки - для емкости - состояние таймера (примерно 15 отсчетов на 1 мкФ) и оба канала измерения ESR (1 шаг АЦП=5V/1024). Переход в отладочный режим - при нажатой кнопке "+"
И еще один момент - установка нуля. Для этого замыкаем вход, нажимаем и удерживаем кнопку "+" и с помощью R4 добиваемся минимальных показаний (но не нулевых!) одновременно по обоим каналам. Не отпуская кнопку "+", нажимаем Set - на индикатор выведется сообщение о сохранении U0 в EEPROM.
Далее измеряем образцовые сопротивления 1 Ом (или меньше), 10 Ом и емкость (которой доверяете) , определяем поправочные коэффициенты. Прибор выключаем, включаем при нажатой кнопке Set и устанавливаем к-ты соответственно результатам измерений.
Плата в три этапа, вид сверху:
Схема прибора:
Привожу небольшой список FAQ, сформировавшийся на форуме-источнике.
Q. При подключении резистора в 0,22 Ома - пишет - 1 с копейками, при подключении резистора в 2,7 Ом - пишет ESR > 12.044 Ом.
A. Отклонения могут быть, но в пределах 5-10%, а тут в 5 раз. Надо проверять аналоговую часть, виновниками могут быть в порядке убывания вероятности:
источник тока,
дифф. усилитель
ключи
Начните с источника тока. Он должен выдавать 10 (+/-0.5) мА, его проверить можно либо в динамике осциллографом, нагрузив на 10 ом - в импульсе должно быть не более 100 мВ. Если ловить иголки не хочется - проверьте в статике - уберите перемычку (нулевое сопротивление) между RC0 и R3, нижний конец R3 на землю, и включаете миллиамперметр между коллектором VT1 и землей (правда возможно будет мешать VT2 - тогда при проверке коллектор VT1 лучше отключить от схемы).
На деле решение было такое: -"Перепутал я сослепу 102 и 201 - и вместо 1 килоома забубенил 200 ом."
Q. Возможна ли замена TL082 на TL072?
A. К ОУ особых требований нет кроме полевиков на входе, с TL072 должно работать.
Q. Зачем на вашей печатке сделаны два входных разъёма: один подключен к диодам-транзисторам, а другой - к DD2?
A. Чтобы скомпенсировать падение напряжения на проводах, тестируемый элемент лучше подключать по 4-х проводной схеме, поэтому и разъем 4-х контактный, а провода объединяются вместе уже на крокодилах.
Q. На холостом ходу отрицательное напряжение -4 Вольта и сильно зависит от типа конденсатора между 2 и 4 выводами ICL 7660. С обычным электролитом всего -2 В было.
A. После замены на танталовый, выдранный с 286 материнки стало -4 В.
Q. Индикатор WH-1602 не работает или греется контроллер индикатора.
A. Неверно указана цоколевка индикатора WINSTAR WH-1602 в плане разводки питания, перепутаны 1 и 2 выводы! На alldatasheet 1602L, который совпадает с цоколевкой, указанной Winstar и на схеме. Мне же попался 1602D - вот он имеет "спутанные" 1 и 2 выводы.
Надпись Cx ---- выводится в следующих случаях:
При измерении емкости срабатывает тайм-аут, т.е. за отведенное время измерения прибор не дождался переключения обоих компараторов. Это происходит при измерении резисторов, закороченных щупах, либо когда измеряемая емкость >150000 мкФ и т.п.
Когда напряжение, измеренное на выходе DA2.2 превысит 0x300 (это показания АЦП в 16-ричном коде), процедура измерения емкости не выполняется и на индикатор также выводится Cx ----.
При разомкнутых щупах (или R>10 Ом) так и должно быть.
Знак ">" в строке ESR появляется при превышении напряжения на выходе DA2.2 0x300 (в единицах АЦП)
Подводя итог: травим плату, без ошибок паяем элементы, прошиваем контроллер - и прибор работает.
Спустя пару лет решил сделать прибор автономным. По мотивам зарядного устройства для смартфонов был сделан step-up преобразователь на 7 В выходного напряжения. Можно было бы сразу на 5 В, но так как плата закреплена в корпусе на клей - отдирать не стал, да и падение напряжения на КРЕН7805 в два Вольта - небольшая потеря:)
Мой новый конструктор выглядел так:
Маленькая платка преобразователя была "обута" в термоусадку, произведена распайка всех проводов, разъём для кроны нам больше не понадобится. Просто дырка в корпусе смотрится не очень, поэтому мы его оставим, но провода откусим. Внутри корпуса не осталось места для аккумулятора, поэтому я приклеил батарею на тыльную сторону прибора и приделал ему ножки, чтобы в рабочем состоянии он не лежал на аккумуляторе.
На лицевой стороне вырезал отверстия для кнопки питания и светодиода индикации успешной зарядки. Индикацию заряда аккумулятора не делал.
Потом решил, что раз пошла такая пьянка неплохо было бы видать экран в темноте, на случай ремонта при свечах, если отключат свет, а работать хочется:)
Но это уже после того, как появился более понтовый RLC-2. Подробнее об этом приборе в этой статье.
