Схема простого прибора определения емкости конденсатора. Цифровой измеритель емкости электролитических конденсаторов (без выпаивания из схемы). Для схемы "Измеритель емкости на логическом элементе"
Цифровой измерительный прибор в лаборатории каждого радиолюбителя сейчас не редкость. Но не все из них могут измерить характеристики конденсаторов. Измеритель, электрическая схема которого изображена на рисунке ниже, специализирован для замера емкости конденсаторов в четырех поддиапазонах:
- 0…0,01 микрофарад;
- 0…0,1 микрофарад;
- 0…1,0 микрофарад;
- 0…10,0 микрофарад.
В роли устройства отображения применяется жидкокристаллический индикатор марки ИЖЦ-5. Основа функционирования измерителя емкости конденсаторов следующая:
На радиоэлементах DD1.1 и DD1.2 собран управляемый низкочастотный генератор сигналов, частота работы которого зависит характеристиками внешних радиоэлементов R2 - C4 (С1 - C3). Контролируется генератор по выводу 2 DD1.1, к которому подключается RC-цепь.
Измеряемый конденсатор Сх подсоединяется к клеммам Х1 и при замыкании контактов 1 - 3 кнопки SВ1 сперва разряжается, а после, при отпускании кнопки SВ1, - заряжается от источника Uпит. +9 В сквозь одно из сопротивлений R4-R7 в зависимости от избранного поддиапазона.
Время заряда емкости Сх задает момент работы генератора, то есть на его выходе (выв. 4 DD1.2) будет образовано конкретное количество импульсов, пропорциональное емкости Сх. Эти сигналы идут на ввод частотомера, собранного на счетчиках DD2-DD5 марки К176ИЕ4. Эта микросхема являет собой декаду с преобразованием кода счетчика в код семи-сегментного индикатора.
Выходы каждой микросхемы DD2-DD5 подсоединены к подходящим выводам четырех разрядного индикатор HG1. Для стабильной работы индикатора ИЖЦ-5, на его общий электрод (выв. 1, 34) подаются прямоугольные сигналы с выхода генератора на радиоэлементах DD1.3, DD1.4. Эти же сигналы идут на вывод 6 DD2-DD5 для контроля за выходными сигналами микросхем (выв. 17).
Генератор на радиоэлементах DD6.1, DD6.2 формирует рабочий цикл прибора (1,5…2 с). Когда на выходе генератора высокое напряжение, емкость С7 заряжается сквозь сопротивление R3 и на выводе 5 DD2-DD6 образуется короткий положительный сигнал - электросигнал сброса счетчиков в нулевое состояние.
Затем нажимают кнопку SА1 «Измерение» и на индикаторе в течение 1,5…2 с отражается величина емкости конденсатора Сх. Для контроля точности измерителя емкости включен эталонная емкость С6, которая подсоединяется ко входу измерителя посредством выключателя SА1.
Настройка измерителя емкости
После монтажа электрической схемы на нее подают Uпит. +9 В и испытывают работоспособность генераторов на радиоэлементах DD1.3, DD1.4 и DD6.1, DD6.2. Если они исправны, то на индикаторе HG1 будут светится во всех разрядах «О». Далее замыкают между собой выводы 1, 2 DD1.1, в результате на выводах 4 DD1.4 должны образоваться сигналы и индикация HG1 изменятся.
Испытывают работоспособность генератора на всех диапазонах, переводя на них с помощью переключателей SА2 - SА5. В самом высокочастотном диапазоне (вкл SА5) добиваются стабильной генерации посредством переменного резистора R2. В след за этим размыкают выводы 1, 2 DD1.1. подсоединяют ко входу Сх эталонную емкость 1000 пФ, переключаются на диапазон «0…0,01 мк» и после сброса значений индикатора HG1 нажимают а затем отпускают кнопку SВ1 «Измерение».
На индикаторе отобразится определенное значение. Повторяя этапы замера переменным резистором R7 добиваются отображения «1000» на HG1. Так же настраивается электрическая схема и на иных поддиапазонах, только следует применить другие эталонные емкости (0,01 микрофарад, 0,1 микрофарад, 1,0 микрофарад). После этого регулировку измерителя емкости конденсаторов возможно считать завершенной.
Детали измерителя емкости конденсаторов
Емкости С1 - С4, С6 должны быть металлопленочные марки К71, К73, К77, К78. Микросхему 561ЛА7 возможно поменять на 176ЛА7. В роли ИП возможно применить батарейку марки «Крона» либо аккумулятор 7Д - 0,1 или сетевой источник питания.
«Конструкции и технологии в помощь любителям электроники», Елагин Н.А
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.
Список радиоэлементов
| 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 | ||||
Прошло примерно полтора года, с тех пор, как я начал регулярно заниматься ремонтами электроники. Как оказалось дело это не менее интересное, чем конструирование электронных конструкций. Понемногу появились люди, желающие, кто время от времени, а кто и регулярно, сотрудничать со мной как с мастером. В связи с тем что рентабельность большинства производимых ремонтов не позволяет снимать помещение, иначе аренда съедает большую часть прибыли, работаю в основном на дому либо выезжаю с инструментами к знакомым ИП имеющим скупку бытовой электроники и мастерскую.
Это абсолютно любые схемы с применением стабилизаторов, DC-DC преобразователей питания, импульсные блоки питания для любой техники, от компьютерной - до мобильных зарядок.
Вздувшийся конденсатор
Без этого устройства значительная часть ремонтов выполняемых мною либо вообще не могла бы быть выполнена, либо все же была выполнена, но с большими неудобствами в виде постоянного выпаивания и запаивания обратно электролитических конденсаторов небольшого номинала, с целью измерения эквивалентного последовательного сопротивления с помощью транзистор тестера. Мой же прибор, позволяет измерять этот параметр не выпаивая деталь, просто прикоснувшись пинцетом к выводам конденсатора.
Данные конденсаторы номиналом 0.33-22 мкФ, как известно очень редко имеют насечки в верхней части корпуса, по которым конденсаторы большего номинала, вздуваются и раскрываются розочкой, например всем знакомые конденсаторы на материнских платах и блоках питания. Дело в том, что конденсатор, не имеющий этих насечек для выпускания излишнего образовавшегося давления, визуально, без измерения прибором, даже для опытного электронщика ничем не отличим от полностью рабочего.
Конечно, если домашнему мастеру предстоит разовый ремонт, например компьютерного блока питания АТХ формата, собирать данный прибор не имеет смысла, проще заменить сразу все конденсаторы мелкого номинала на новые, но если вы ремонтируете хотя бы пять блоков питания в полгода вам этот прибор уже желателен к сборке. Какие альтернативы есть, сборке этого измерителя? Покупной прибор стоимостью порядка 2000 рублей, ESR micro.
ESR micro - фото
Из отличий и достоинств покупного прибора могу назвать только то, что у него показания выводятся сразу в миллиОмах, а у моего прибора нужно переводить из миллиВольт в миллиОмы. Что впрочем не вызывает затруднений, достаточно откалибровать прибор по значениям низкоомных точных резисторов и составить для себя таблицу. Поработав с прибором пару месяцев, уже визуально, безо всяких таблиц, просто взглянув на дисплей мультиметра уже видишь нормальное значение ESR конденсатора - на грани либо уже необходима замена. Схема моего прибора, кстати, в свое время была взята из журнала Радио.
Схема принципиальная прибора
Изначально прибор был собран с самодельными щупами - пинцетом, имеющим широкие губки, неудобным при измерении на платах, с плотным монтажом. Затем присмотрел себе на Али экспресс щупы - пинцет для измерения SMD, подключаемые к мультиметру. Заказав пинцет, провод был безжалостно укорочен, для того чтобы точность не сильно пострадала при измерении, из-за длины проводов щупов. Не забывайте, там счет идет на миллиОмы.
Сначала прибор у меня подключался щупами к мультиметру и был выполнен в виде приставки, но постепенно надоело крутить каждый раз ручку мультиметра, вырабатывая тем самым ресурс переключений. Мне тогда как раз товарищ подарил мультиметр, в связи с тем что свой я временно попалил на неразрядившемся электролитическом конденсаторе. Впоследствии прибор был восстановлен, резисторы были перепаяны, а этот мультиметр, у него были отломлены разъемы для подключения щупов на плате, и были кем-то брошены перемычки, но точность измерений уже была не та.
Но для моих целей погрешность 1-2 процента ничего не решала и решил сделать прибор полностью автономным. Для этого скрепил корпус мультиметра и корпус ESR метра на винты, и сделал для большего удобства коммутацию одновременного включения, встроенного мультиметра и ESR метра с помощью выключателя на две группы контактов. Соединения мультиметра и ESR метра, ранее осуществляемые с помощью щупов, были сделаны проводами, внутри соединенных корпусов.
Прибор испытатель конденсаторов - внешний вид
Как показала практика, времени на приведение прибора в боевую готовность, а затем, после проведения измерений, отключения, стало уходить существенно меньше, а соответственно повысилось удобство использования. Из дальнейших доработок планируемых в данном приборе - это перевести его на аккумуляторное питание, от Li-ion аккумулятора от телефона, с возможностью подзарядки от платы адаптера заряда через встроенное Mini USB гнездо, от любого зарядного устройства от смартфона с возможностью подключения USB кабеля.
Как показала практика, ранее мною уже был переделан на аккумуляторное питание с помощью аналогичного способа , также имеющий, как и ESR метр, высокое потребление благодаря установленному в нем графическому дисплею. Ощущения от переделки остались только положительные. За полгода заряжал всего один раз. В устройстве был установлен повышающий DC-DC преобразователь превращающий 3.7 вольта на выходе аккумулятора в 9 вольт, необходимые для работы прибора.
В данном случае, в моем приборе будет двойное преобразование напряжения: сначала с 3.7 вольта в 9 вольт, хотя возможно я выставлю и минимально допустимое для входа стабилизатора 7805 CV напряжение 7.5 вольт, от данного стабилизатора сейчас запитана схема прибора. Сам прибор, как можно видеть на фото, изначально питается от батареи Крона, которая, как известно, имеет относительно небольшую емкость.
Напряжение питания данной микросхемы позволяет питать ее напрямую от 9 вольт, но дело в том, что по мере разряда батареи заметил, что показания при измерении начинают потихоньку уплывать. Для борьбы с этим, и был установлен стабилизатор 7805, который, как известно, выдает у нас стабильные 5 вольт на выходе.
Также в связи с тем, что прибор приходится часто носить с собой в дипломате, на ремонты на выездах, и уже были случаи самопроизвольного включения выключателя, и соответственно высаживании батареи Крона в ноль, что сейчас, при коммутации данным выключателем 2 линий питания, мультиметра и самого прибора, было бы уже более нежелательным, так как в таком случае, придется покупать уже две кроны, стоимостью 45 рублей.
Решено было просто приклеить на термоклей, по краям выключателя, два самореза, от крепления кулера, в компьютерном блоке питания. Микросхема, применяемая в приборе, широко распространенная, и довольно дешевая, я приобретал ее, по стоимости, всего порядка 15-20 рублей.
Весь прибор, обошелся мне, с учетом бесплатного мультиметра, щупов - пинцета , стоимостью 100 рублей, и стоимости деталей для сборки прибора, и батареи крона, всего ушло порядка 150 рублей, итого все необходимое обошлось в смешную сумму 250 рублей.
Пинцет для измерения конденсаторов на плате
Что окупилось уже с применением прибора в ремонтах давно и многократно. Конечно кто нибудь, имеющий возможность и желание приобрести ESR micro, может сказать сейчас, зачем мне эти неудобства, каждый раз переводить из миллиВольт, в миллиОмы, хотя это и не требуется, как я уже выше писал, если на покупном приборе я могу сразу видеть, уже готовые значения.
Таблица значений ESR
Дело в том, что подобные приборы имеют в своем составе микроконтроллер, и при измерении подключаются напрямую, условно говоря “портом” микроконтроллера к измеряемому конденсатору. Что крайне нежелательно, достаточно один раз не разрядить конденсатор после обесточивания схемы перед измерением, путем замыкания его выводов металлическим предметом, например отверткой, как мы рискуем получить нерабочий прибор.
Первая версия щупов
Что при его немаленькой стоимости, согласитесь, не лучший вариант. В моем же приборе, параллельно измеряемому конденсатору подключается резистор 100 Ом, что означает если конденсатор все-же и будет заряжен, то он при подключении щупов начнет разряжаться. В самом же крайнем случае, если микросхема применяемая в моем приборе выгорит, вам для произведения ремонта достаточно будет лишь вынуть микросхему из DIP панельки и воткнуть новую.
Апгрейд прибора
Все, ремонт прибора окончен, можно снова производить измерения. А учитывая низкую стоимость микросхемы это не становится проблемой, достаточно лишь приобрести одну - две микросхемы про запас при закупе деталей для сборки данного ЭПС-метра.
Финальная версия
В целом прибор получился просто шикарным и очень удобным, и даже если бы детали для его сборки стоили в 2 раза больше - я бы все-равно смело мог бы рекомендовать этот ЭПС-метр к сборке всем начинающим мастерам имеющим скромный бюджет, либо желающим сэкономить и не переплачивать лишнего. Всем удачных ремонтов! AKV.
Простые измерители емкости
Многие современные и некоторые не очень современные мультиметры имеют функцию измерения емкости. Если же такого мультиметра нет, а есть только прибор, которым можно измерять сопротивление и ток, то несложные приспособления к нему позволят проверить работоспособность и узнать емкость неполярных и даже полярных конденсаторов емкостью от единиц или десятков пикофарад до сотен и тысяч микрофарад. О таких приставках и рвссказывает автор публикуемой статьи.
Вначале упомяну так называемый метод баллистического гальванометра, или, как его называют в просторечии, метод отскока стрелки. Под отскоком понимают кратковременное отклонение стрелки. Этот метод вовсе не требует дополнительных приспособлений и позволяет грубо оценить параметры конденсатора, сравнивая его с заведомо исправным. Для этого мультиметр включают на предел измерения сопротивления и щупами дотрагиваются до выводов предварительно разряженного конденсатора (рис. 1). Ток зарядки вызовет кратковременное отклонение стрелки, тем большее, чем больше емкость конденсатора. Пробитый конденсатор имеет сопротивление, близкое к нулевому, а конденсатор с оборванным выводом не вызовет никакого отклонения стрелки омметра.
На пределе "Омы" удается проверять конденсаторы емкостью в тысячи микрофарад. При проверке оксидных конденсаторов надо соблюдать полярность, предварительно определив, на каком из выводов мультиметра присутствует плюсовое напряжение (полярность выводов мультиметра в режиме измерения сопротивлений может и не совпадать с полярностью в режиме измерения токов или напряжений). На пределе "кОм х 1" можно проверять конденсаторы емкостью в сотни микрофарад, на пределе "кОм х 10" — в десятки микрофарад, на пределе "кОм х 100" — в единицы микрофарад и, наконец, на пределе "кОм х 1000" или "МОм" — в доли микрофарады. Но конденсаторы емкостью в сотые доли микрофарады и менее дают слишком малое отклонение стрелки, поэтому судить об их параметpax становится трудно.
На рис. 2 приведена схема измерения емкости с помощью понижающего трансформатора и диодного моста. Так удается измерять емкости от тысячи пикофарад до единиц микрофарад. Отклонение стрелки прибора здесь стабильное, поэтому считывать показания легче. Ток в цепи миллиамперметра РА1 пропорционален напряжению вторичной обмотки трансформатора, частоте тока и емкости конденсатора. При частоте сети 50 Гц, а это наш бытовой стандарт, и вторичном напряжении трансформатора 16 В, ток через конденсатор емкостью 1000 пФ будет около 5 мкА, через 0,01 мкФ — 50 мкА, через 0,1 мкФ — 0,5 мА и через 1 мкФ — 5 мА. Калибровать или проверять показания также можно с помощью заведомо исправных конденсаторов известной емкости.
Резистор R1 служит для ограничения тока до значения 0,1 А в случае короткого замыкания измерительной цепи. Большой погрешности в показания на указанных пределах измерений этот резистор не вносит. Трансформатор понижающий, лучше малогабаритный, подобный тем, что используют в маломощных блоках питания (сетевых адаптерах). На вторичной обмотке он должен обеспечивать переменное напряжение 12...20 В.
Работает устройство следующим образом. Когда частота колебательного контура L1C2 в цепи коллектора транзистора VT1 оказывается близкой к частоте основного резонанса кварцевого резонатора ZQ1, возбудившийся генератор потребляет минимальный ток. Омметр, который питает устройство энергией, уменьшение тока будет воспринимать как увеличение измеряемого сопротивления. Таким образом, с помощью омметра удается контролировать процесс настройки контура в резонанс конденсатором переменной емкости (КПЕ) С2. Частота генератора определяется резонансной частотой кварцевого резонатора, а емкость и индуктивность колебательного контура при резонансе взаимосвязаны в соответствии с формулой Томсона : f = 1/2WLC. Изменяя индуктивность катушки контура, необходимо добиться, чтобы резонанс наблюдался при емкости КПЕ, близкой к максимальной. Контролируемые конденсаторы подключают параллельно КПЕ, при этом резонанс будет наблюдаться при другом положении ротора КПЕ. Его емкость уменьшится на величину искомой.
Функциональную схему омметра и особенности его подключения можно посмотреть в статье . Желательно выбрать предел, на котором омметр развивает ток короткого замыкания порядка 1 ...2 мА, и определить полярность выходного напряжения. При неправильной полярности подключения омметра устройство не заработает, хотя и не выйдет из строя. Измерить напряжение холостого хода, ток короткого замыкания омметра и определить его полярность на различных пределах измерения сопротивления можно с помощью другого прибора. С помощью описанной приставки можно измерять индуктивность катушек в пределах приблизительно 17...500 мкГн. Это при использовании кварцевого резонатора на частоту 1 МГц и КПЕ емкостью 50...1500пФ. Катушку для этого устройства делают сменной и калибруют прибор, используя эталонные индуктивности. Можно также использовать приставку как кварцевый калибратор.
Вместо устройства по схеме рис. 3 можно предложить менее громоздкое, в том отношении, что не потребуются КПЕ, кварц и катушка. Его схема показана на рис. 4. Назову эту приставку "Преобразователь емкости в активное сопротивление с питанием от омметра". Она представляет собой двухкаскадный УПТ на транзисторах VT1 и VT2 разной структуры и непосредственной связью между каскадами. Измеряемый конденсатор Сх включают в цепь положительной обратной связи с выхода на вход УПТ. При этом возникает релаксационная генерация и транзисторы часть времени остаются закрытыми. Этот промежуток времени пропорционален емкости конденсатора.
Пульсации выходного тока фильтрует блокировочный конденсатор С1. Усредненный ток, потребляемый устройством, при увеличении емкости конденсатора Сх становится меньше, и омметр воспринимает это как увеличение сопротивления. Устройство уже начинает реагировать на конденсатор емкостью 10 пФ, а при емкости 0,01 мкФ его сопротивление становится большим (сотни килоом). Если сопротивление резистора R2 уменьшить до 100 кОм, то интервал измеряемых емкостей составит 100 пФ...0,1 мкФ. Начальное сопротивление устройства — около 0,8 кОм. Здесь следует отметить, что оно нелинейное и зависит от протекающего тока. Поэтому на разных пределах измерения и с разными приборами показания будут различаться, и для проведения измерений необходимо сравнивать искомые показания с показаниями, даваемыми образцовыми конденсаторами.
С. Коваленко, г. Кстово Нижегородской обл. Радио 07-05.
Литература:
1. Пилтакян А. Простейшие измерители L и С:
Сб.: "В помощь радиолюбителю", вып. 58, с.61—65. — М.: ДОСААФ, 1977.
2. Поляков В. Теория: Понемногу — обо всем.
Расчет колебательных контуров. — Радио, 2000, № 7, с. 55, 56.
3. Поляков В. Радиоприемник с питанием от... мультиметра. — Радио, 2004, № 8, с. 58.
Одной из самых частых причин выхода радиоэлектронной аппаратуры из строя или ухудшения ее параметров является изменение свойств электролитических конденсаторов. Иногда при ремонте аппаратуры (особенно произведенной в бывшем СССР), изготовленной с применением некоторых типов электролитических конденсаторов (например, K50-...), для восстановления работоспособности устройства прибегают к полной или частичной замене старых электролитических конденсаторов. Все это приходится делать из-за того, что свойства материалов, входящих в электролитический (именно электролитический, т.к. в составе используется электролит) конденсатор, под электрическим, атмосферным, тепловым воздействиями со временем изменяются. И таким образом важнейшие характеристики конденсаторов, такие как емкость и ток утечки - так же изменяются (конденсатор "высыхает" и емкость его увеличивается, часто даже более чем на 50% от первоначальной, а ток утечки возрастает, т.е. внутреннее сопротивление, шунтирующее конденсатор уменьшается), что естественно приводит к изменению характеристик, а в худшем случае и к полному отказу аппаратуры.
Измеритель обладает следующими качественными и количественными характеристиками:
1) измерение емкости на 8 поддиапазонах:
- 0 ... 3 мкф;
- 0 ... 10 мкф;
- 0 ... 30 мкф;
- 0 ... 100 мкф;
- 0 ... 300 мкф;
- 0 ... 1000 мкф;
- 0 ... 3000 мкф;
- 0 ... 10000 мкф.
2) оценка тока утечки конденсатора по светодиодному индикатору;
3) возможность точного измерения при изменении напряжения питания и температуры окружающей среды (встроенная калибровка измерителя);
4) напряжение питания 5-15 В;
5) определение полярности электролитических (полярных) конденсаторов;
6) ток потребления в статическом режиме............ не более 6 мА;
7) время измерения емкости.................................... не более 1 с;
8) ток потребления во время измерения емкости с каждым поддиапазоном возрастает,
но................................................................................. не более 150 мА на последнем поддиапазоне.
Суть прибора - измерение напряжения на выходе дифференцирующей цепи, рис.1.
 |
Напряжение на резисторе: Ur = i*R ,
где i - общий ток через цепь, R - зарядное сопротивление;
Т.к. цепь дифференцирующая, то ее ток: i = С*(dUc/dt) ,
где С - заряжаемая емкость цепи, но конденсатор будет линейно заряжаться через источник тока, т.е. стабилизированным током: i = С*const,
значит напряжение на сопротивлении (выходное для этой цепи): Ur = i*R = C*R*const - прямо пропорционально емкости заряжаемого конденсатора, а значит измеряя вольтметром напряжение на резисторе мы измеряем в некотором масштабе и исследуемую емкость конденсатора.
Схема представлена на рис. 2 .
В исходном положении испытуемый конденсатор Сх (или калибровочный С1 при включенном тумблере SA2) разряжен через R1. Измерительный конденсатор, на котором (не на испытуемом непосредственно) измеряется напряжение, пропорциональное емкости испытуемого Сх, разряжен через контакты SA1.2. При нажатии кнопки SA1 испытуемый Сх (С1) заряжается через соответствующие поддиапазону (галетный переключатель SA3) резисторы R2 ... R11. При этом зарядный ток Сх (С1) проходит через светодиод VD1, чья яркость свечения позволяет судить о токе утечки (сопротивлении, шунтирующем конденсатор) в конце заряда конденсатора. Одновременно с Сх (С1) через источник стабилизированного тока VT1,VT2,R14,R15 заряжается и измерительный (заведомо исправный и с малым током утечки) конденсатор С2. VD2, VD3 используются для предотвращения разряда измерительного конденсатора через источник напряжения питания и стабилизатор тока соответственно. После заряда Сх (С1) до уровня, определяемого R12, R13 (в данном случае до уровня примерно половины напряжения источника питания), компаратор DA1 отключает источник тока, синхронный с Сх (С1) заряд С2 прекращается и напряжение с него, пропорциональное емкости испытуемого Сх (С1) индицируется микроамперметром PA1 (две шкалы со значениями кратными 3 и 10, хотя можно настроить на любую шкалу) через повторитель напряжения DA2 с высоким входным сопротивлением, что также обеспечивает долгое сохранение заряда на С2.
Настройка
При настройке положение калибровочного переменного резистора R17 фиксируется в каким-либо положении (например, в среднем). Подключая эталонные конденсаторы с точно известными значениями емкости в соответствующем диапазоне, резисторами R2, R4, R6-R11 производится калибровка измерителя - подбирается такой ток заряда, чтобы эталонные значения емкостей соответствовали определенным значениям на выбранной шкале.
В моей схеме точные значения зарядных сопротивлений при напряжении питания 9 В составили:
После калибровки один из эталонных конденсаторов становится калибровочным С1. Теперь при изменении напряжения питания (изменения температуры окружающей среды, например при сильном охлаждении готового отлаженного прибора на морозе показания емкости у меня получались заниженными процентов на 5) или просто для контроля точности измерений достаточно подключить С1 тумблером SA2 и, нажав SA1, калибровочным резистором R17 произвести подстройку PA1 на выбранное значение емкости С1.
Конструкция
Перед началом изготовления прибора необходимо выбрать микроамперметр с подходящей шкалой(-ами), габаритами и током максимального отклонения стрелки, но ток может быть любым (порядка десятков, сотен микроампер) благодаря возможности настройки и калибровки прибора. Я применил микроамперметр ЭА0630 с Iном = 150 мкА, классом точности 1.5 и двумя шкалами 0 ... 10 и 0 ... 30.
Плата была разработана с учетом того, что она будет крепиться непосредственно на микроамперметре при помощи гаек на его выводах, рис.3 . Такое решение обеспечивает и механическую, и электрическую целостность конструкции. Прибор размещается в подходящий по габаритам корпус, достаточный для размещения также (кроме микроамперметра и платы):
SA1 - кнопка КМ2-1 из двух малогабаритных переключателей;
- SA2 - малогабаритный тумблер МТ-1;
- SA3 - малогабаритный галетный переключатель на 12 положений ПГ2-5-12П1НВ;
- R17 - СП3-9а - VD1 - любой, я применил какой-то из серии КИПх-хх, красного цвета свечения;
- 9-ти вольтовая батарея «Корунд» с габаритами 26.5 х 17.5 х 48.5 мм (без учета длины контактов).
SA1, SA2, SA3, R17, VD1 закрепляются на верхней крышке (панели) прибора и располагаются над платой (батарея укрепляется при помощи проволочного каркаса прямо на плате), но соединяются с платой проводами, а все остальные радиоэлементы схемы располагаются на плате (и под микроамперметром непосредственно тоже) и соединяются печатным монтажом. Отдельного выключателя питания я не предусматривал (да и в выбранный корпус он бы уже не поместился), совместив его с проводами для подключения испытуемого конденсатора Сх в разъеме типа СГ5. «Мама» XS1 разъема имеет пластмассовый корпус для установки на печатную плату (она устанавливается в углу платы), а «папа» XP1 подключается через отверстие в торце корпуса прибора. При подключение разъема «папа» своими контактами 2-3 включает питание прибора. К проводам Сх параллельно неплохо приладить разъем (колодку) какой-либо конструкции для подключения отдельных отпаянных конденсаторов.
Работа с прибором
При работе с прибором нужно быть внимательным с полярностью подключения электролитических (полярных) конденсаторов. При любой полярности подключения индикатор показывает одно и то же значение емкости конденсатора, но при неправильной полярности подключения, т.е. «+» конденсатора к «-» прибора, светодиод VD1 индицирует большой ток утечки (после заряда конденсатора светодиод продолжает ярко гореть), тогда как при правильной полярности подключения светодиод вспыхивает и постепенно гаснет, демонстрируя уменьшение зарядного тока до очень малой величины, практически до полного потухания (следует наблюдать 5-7 секунд), при условии, что испытуемый конденсатор обладает малым током утечки. Неполярные неэлектролитические конденсаторы имеют очень малый ток утечки, что и видно по очень быстрому и полному гашению светодиода. А если же ток утечки велик (сопротивление, шунтирующее конденсатор мало), т.е. конденсатор старый и «течет», то свечение светодиода видно уже при Rутечки = 100 кОм, а при меньших шунтирующих сопротивлениях светодиод горит еще ярче.
Таким образом можно по свечению светодиода определять полярность электролитических конденсаторов: при том подключении, когда ток утечки меньше (светодиод менее ярок) - полярность конденсатора соответствует полярности прибора.
Важное замечание!
Для большей точности показаний любое измерение следует повторять не менее 2-х раз, т.к. в первый раз часть тока заряда идет на создание оксидного слоя конденсатора, т.е. показания емкости чуть-чуть занижены.
РадиоХобби 5"2000
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DA1, DA2 | Микросхема | К140УД608 | 2 | К140УД708 или КР544 | В блокнот | |
| VT1, VT2 | Биполярный транзистор | КТ315Б | 2 | В блокнот | ||
| VD2, VD3 | Диод | КД521А | 2 | КД522 | В блокнот | |
| С1 | 2.2 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| С2 | Электролитический конденсатор | 22 мкФ | 1 | В блокнот | ||
| R1 | Резистор | 1.3 Ом | 1 | В блокнот | ||
| R2, R4, R6 | Подстроечный резистор | 100 кОм | 3 | В блокнот | ||
| R3 | Резистор | 470 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R5 | Резистор | 30 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R7, R8 | Подстроечный резистор | 10 кОм | 2 | В блокнот | ||
| R9 | Подстроечный резистор | 2.2 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R10, R11 | Подстроечный резистор | 470 Ом | 2 | В блокнот | ||
| R12, R13 | Резистор | 1 кОм | 2 | В блокнот | ||
| R14 | Резистор | 13 кОм | 1 |