Измеритель емкости с расширенным диапазоном

December 19, 2014 by admin Комментировать »

А. Воробьев, г. Кишинев

На практике довольно часто возникает необходимость в точном измерении малых емкостей. Будь то р-п-переходы транзисторов или диодов, варикапы, печатные и подстроечные конденсаторы. Для любителей High-End при выборе или изготовлении межблочных соединительных кабелей также нужно иметь достоверную информацию о емкости. Особенно полезен данный измеритель емкости (Capasitome- ter) может быть радиолюбителям при настройке входных, промежуточных и выходных каскадов. А при самостоятельном изготовлении высоковольтных и других конденсаторов небольшой емкости он вообще может оказаться незаменимым. К сожалению, среди доступных мультиметров нет таких, которые могли бы измерить емкость с точностью 0,1 пФ. А профессиональные измерительные приборы далеко не всем по карману. Да и не всегда удобно просить друзей или знакомых провести ряд замеров. Чтобы восполнить этот пробел в сфере измерений, автором был разработан простой и надежный прибор, позволяющий измерять емкость от 0,1 до 5000 пФ с точностью 1% без переключения поддиапазонов.

.Предлагаемый вашему вниманию Capasitometer является, по сути, C-U-преобразователем с высокой линейностью.

Его можно использовать не только по прямому назначению для измерения емкости, но также при измерении других величин, с ней связанных. Например, для измерения диэлектрической проницаемости различных изоляционных материалов или оценки ТКЕ конденсаторов.

Схема прибора собрана на КМОП таймерах 7555, обладающих высокой стабильностью и низким потреблением тока (рис. 5.1).

Это позволило сделать прибор с током потребления не превышающим 4 мА, в диапазоне питающих напряжений 6…9 В. Для удобства работы этот диапазон был выбран благодаря широко распространенна*

Рис. 5.1. Принципиальная схема измерителя емкости ным батареям 6F22 (крона). При желании можно использовать любой источник питания с напряжением до 18 В. Следует только не забывать, что нижний предел стабилизации встроенного стабилизатора 6 В.

Рассмотрим его работу более подробно. Сам стабилизатор компенсационного типа выполнен на транзисторах VT2—VT4. Очень большим его достоинством является малое потребление тока — около 100 мкА и низкое падение напряжения — около 0,6 В, которое падает на переходе управляющего транзистора VT4. Если его заменить на германиевый маломощный транзистор, то это значение можно еще больше снизить — вплоть до 0,3 В. Опорное напряжение задается резисторами R11 и R12. Величина их не критична, важно только соотношение, от которого и будет зависеть выходное напряжение. В данном случае оно равно 6 В. При увеличении входного напряжения, увеличится и уровень на базе транзистора VT2, что приведет к уменьшению сопротивления перехода К-Э, которое в свое время начнет закрывать транзистор VT3 и тем самым уменьшит его ток коллектора, включенного в базу управляющего транзистора VT4. Это приведет к уменьшению опорного напряжения на базе транзистора VT2. Возникает эффект стабилизации с довольно высоким коэффициентом. Для устранения возможных паразитных возбуждений и автоколебательного режима при отслеживании напряжения включены конденсаторы С4 и СЗ. Подобная схема стабилизатора просто незаменима для питания различных приборов от автономных источников. Хотя существует большое число интегральных стабилизаторов напряжения, однако это не является препятствием для использования этой схемы в качестве стабилизатора Q выходным током в десятки миллиампер. Тем более что транзисторы можно взять любые с коэффициентом усиления 100…600.

Схема прибора состоит из генератора коротких импульсов, выполненного на DA1 и ждущего мультивибратора на DA2, во времязадаей цепи которого для улучшения линейности резистор заменен на генератор микротока. Он выполнен на VT1, R5, R6. Это позволило перекрыть диапазон измерений более чем в 10000 раз. Вся схема питается от стабилизатора на VT2, VT3, VT4, как было сказано выше.

Генератор вырабатывает импульсы с частотой порядка 250 Гц, точное значение которого уточняется при настройке. Параметры самого импульса можно рассчитать по формулам:

•            Время импульса 0,76 х Rt х С1

•            Время паузы 0,76 х R2 х С1

•         Скважность 0 < (Rt/R2+Rt) < 100%, где Rt = R1 + R3.

Прямоугольные импульсы с выхода таймера DA1 (3-я ножка) поступают на вход ждущего мультивибратора DA2 (2-я ножка). Одновиатор DA2 формирует импульсы с амплитудой, равной напряжению питания. На самом деле она будет чуть меньше 6 В, за счет падения напряжения на внутренних ключах микросхемы. Этим напряжением и определяется верхний предел измеряемых емкостей (5000 пФ). Длительность этих импульсов будет равна 1,1 х Rt х Сх, где в качестве Rt служит генератор тока с величиной 5 мкА, а в качестве Сх выступает измеряемый конденсатор. Нетрудно заметить, Что чем меньше измеряемая емкость, тем короче будет выходной импульс, снимаемый с выхода DA2 (3-я ножка). Таким образом, на выходе будут импульсы с частотой повторения 250 ;Гц, длительность которых напрямую будет зависеть от Сх.

Если подключить к выходу микросхемы DA2 цифровой вольтметр, то напряжение на нем в милливольтах будет равно емкости в пикофарадах. И точность измерений зависит в основном от погрешности самого вольтметра. При использовании недорогих трех разрядных вольтметров его шкала для измерения будет выглядеть следующим образом:

предел измерений напряжения 200 мВ (0,2 В)

предел измерения емкости 0,1…200 пФ 2000 мВ (2 В);

1..                                   .2000 пФ (2 нФ) 20 В;

10 …5 000 пФ (5 нФ).

Для того чтобы можно было скомпенсировать входную емкость прибора, а тем самым увеличить точность измерений на нижних пределах, отрицательный вывод вольтметра включен не напрямую к общему проводу, а к цепочке R9—R10. Через резистор R9 далее на подстроенный резистор R10 подается небольшой положительный потенциал, который и служит для точной установки нуля. В качестве вольтметра можно использовать любой стрелочный прибор, только точность при этом будет значительно ниже.

Выбор деталей и настройка

Самым важным звеном, отвечающим за временную и температурную стабильность, является генератор. Так как распространенные резисторы, аналогичные МЛТ-0,25, имеют вполне приемлемые температурные и временные параметры с точки зрения стабильности, то следует обратить внимание на частотозадающий конденсатор С1. Он обязательно должен быть пленочным и ни в коем случае не керамическим. К счастью, сейчас довольно много всяких импортных конденсаторов подобного типа. Если возникнут сомнения в выбранном типе, то достаточно разломать подобный конденсатор, чтобы все стало ясно. Конденсаторы С2, СЗ — блокировочные. В этом случае подойдут любые и с большим допуском (10 нФ…0,1 мФ). Это относится также и к CS. Конденсатор С4 желательно поставить безындукционный танталовый или ниобиевый К51—К53. Чаще всего они выглядят в виде стальных цилиндров или в форме капель из компаунда различных цветов. Транзисторы серии КТ3102 и КТ3107. Коэффициент усиления лучше всего заранее подобрать в районе 200…400, тогда будет меньше проблем с настройкой. В качестве клемм для подключения емкости можно использовать контактную группу от панельки для микросхем. Если не нужно измерять малые величины емкостей, то вполне подойдут и обычные щупы от мультиметра. В этом случае пвлйется возможность встроить измеритель емкости в мультиметр, так как точная балансировка нуля уже не потребуется и R9, R10 исключаются из схемы. Минусовой провод для вольтметра подключается непосредственно к общему проводу питания излучателя.

Для настройки прибора понадобятся 2 конденсатора с точным значением емкости. Желательно, чтобы допуск был не хуже 0,5%. Емкость одного из них должна быть в районе 20…50 пФ, другого —

2000..                 .5000 пФ. После подключения питания необходимо замерять потребляемый ток. Он должен быть в пределах 3…4 мА. Затем измеряют напряжение на конденсаторе С4. Если оно будет значительно отличаться от б В, то следует немного изменить номинал резистора Rl 1 или R12. Затем проверяют работу генератора тока. Для этого вместо измеряемой емкости к клеммам Сх подключают микроамперметр или мультиметр в режиме измерения тока. Показания должны быть в этом случае около 5 мкА. Работу генератора можно проверить при помощи наушников, подключенных через конденсатор 0,01…0,1 мкФ или через резистор 1 кОм к точке соединения микросхем DA1 и DA2 (3-я и 2-я ножка). Если со всем этим вы удачно справились, то можно приступать к калибровке измерителя.

Для этого к выходам Capasitometer подключают мультиметр на пределе 0,2 В и вращением R10 добиваются нулевого показания. Для ускорения настройки лучше в начале это сделать на пределе 2 В. Далее к клеммам Сх подключают образцовый конденсатор с большей величиной и вращением R3 добиваются нужного показания вольтметра. Чередуя эти операции, добиваемся устойчивых показаний. Затем устанавливаем емкость с меньшим номиналом и уже очень осторожно проделываем те же действия. Еще раз напоминаю, что лучше всего

сначала вольтметр установить в режим максимального значения 20 В, а затем поэтапно калибровать на пределе 2 и 0,2 В. После проделанных вышеуказанных действий прибор готов к работе.

Печатная плата и расположенные на ней компоненты изображены на рис. 5.2 и 5.3. На рис. 5.4 и 5.5 показаны фотографии монтажа платы устройства с двух сторон.

В заключение хотелось бы сказать, что мной и моими друзьями было собрано несколько подобных приборов. За несколько лет работы с ними калибровка практически не сбивалась и не было ни одного случая неисправности. Очень малый ток, проходящий через измеряемый конденсатор, не вывел из строя ни один полупроводниковый р-п-переход.

Источник: Под редакцией А. Я. Грифа, Оригинальные схемы и конструкции. Творить вместе! — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. – 200 с.: ил. – (Серия «СОЛОН – РАДИОЛЮБИТЕЛЯМ», вып. 23)

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты