Приставка к тестеру для измерения емкости

Сразу предупреждаю, статью пишу как любитель для любителей, так что уровень и стиль изложения соответствующий. Итак, к сути вопроса.

Существует масса схем для измерения, или же оценки эквивалентного последовательного сопротивления (equivalent series resistance) конденсаторов, особо желающие могут ознакомиться с ними, например, здесь:

Останавливаться на теории, а также полезности устройства — не буду, данную информацию несложно найти на просторах интернет.

Перейду сразу к делу — существует множество причин, по которым для меня интерес представляли простые схемы, без использования трансформаторов, микроконтроллеров, с готовыми печатными платами, и очень желательно — на имеющейся у меня в наличии элементной базе.

Таким образом, выбор был между схемами на базе микросхем К155ЛА3 (четыре логических элемента 2И-НЕ), К561ЛА7 (четыре логических элемента 2И-НЕ), таймера 555 (NE555, LC555, LM555, LC7555).

В результате я остановился на схеме, разработанной финским радиолюбителем, и подробно описанной на следующем сайте:

Там же имеются ссылки на схему и архив с файлами проекта для программы Eagle, при помощи которых в несколько нажатий мышью получаем готовую печатную плату.

Совсем ленивые могут скачать готовый PDF файл здесь.

Плату собирал по схеме №2:

Но за ненадобностью не запаивал операционный усилитель LM358 и его обвязку, так как мне не требуется подключать схему к стрелочному амперметру, то есть получать на выходе зависимость мА/Ом, а достаточно получить зависимость В/Ом.

В основном схема выбрана по причине того, что в её основе лежит высокостабильный генератор прямоугольных импульсов, или просто — таймер. Таким образом, не требуется специальных ухищрений, чтобы получить необходимую для измерения ESR частоту, в данном случае — 100кГц.

У данной схемы, конечно же, есть недостатки, как например:

— узкий диапазон измерений: от 0,1 мОм, до 1 Ом, что накладывает ограничение на нижний порог диапазона емкостей конденсаторов — он начинает где-то от 100мкФ, ниже справочная информация:

— автор часто забывал указывать номиналы деталей, так что приходилось сверять два варианта схемы, а также фотографию готовой платы на оригинальном сайте;

— наличие в схеме стабилизатора напряжения, для получения 12В, что во-первых — требует питания устройства от двух батареек типа «крона», и во-вторых — означает бОльшее потребление, за счет потерь на стабилизаторе (забегая вперед, хочу отметить, что в итоге устройство потребляет 40-42мА).

Далее всё просто — при помощи прямых рук и технологии лазерного утюга, была получена следующая печатная плата:

Которая была сразу же вручную залужена при помощи канифоли и самого обычного припоя, а предварительно не иначе как сдуру — засверлены отверстия:

И были запаяны детали, резисторы и конденсаторы в подавляющем большинстве в SMD исполнении, размера 0805:

Таймер NE555N вставил на запаянную ранее панельку.

Также были сделаны следующие отступления от оригинала:

— D3 — диод Шоттки 1N5819 (40В, 1А);

— диоды D2 и D5 — вместо стандартных выпрямительных BY255 (1300В, 3А) использовал ультрабыстродействующие HER308 (1000В, 3А);

— D4 — вместо универсального выпрямительного диода 1N4004 (400В, 1А) использовал RL205 (600В, 2А);

— вместо подстроечного резистора на 1 МОм использовал переменный на 220кОм (по факту

190кОм), и один постоянный резистор на 820кОм (чтобы выставить «0» понадобилось, чтобы между земляным полигоном и 1N5819 было постоянно

190кОм, а между землёй и "+" выходом на мультиметр была возможность регулировки от нуля до 190+820=1010кОм);

— транзисторы использовал рекомендованные, так как они остались в закромах после ремонта одного из усилителей, ну а у кого нет ВС547С (NPN, 50V, 0.1A, 300MHz, h=420-800), хочу успокоить — это аналоги наших родных и знакомых КТ3102Г (NPN, 20V, 0.1A, 300MHz, h=400-1000), КТ3102Е (NPN, 20V, 0.1A, 300MHz, h=400-1000), но рассчитаны на более высокое напряжение, что в нашей схеме не принципиально. Только не забудьте сверить цоколевку выводов. Возможно подойдут маломощные универсальные 2SC945 (NPN, 50V, 0.1A, 250MHz), по всей видимости желательно с буквой «P» (h=200-400), а лучше — «К» (h=300-600) на конце маркировки;

— конденсаторы C1, C2 и C4 — 100мкФ (C1, C2 — на напряжение где-то на 1/3 больше 18В, лично я взял то, что было под рукой — 100мкФ, 50В и 63В);

— в качестве стабилизатора 12В использовал К142ЕН8Б (итоговое напряжение 11,87В).

В итоге устройство запустилось сразу, после описанных ранее манипуляций с подстроечным резистором — показания при измерении стали похожи на правду, в действии выглядит следующим образом:

В принципе я доволен, хоть и осталось нерешенными несколько вопросов:

1) Думаю над вариантами питания схемы от блока питания, после чего определюсь в какой из имеющихся корпусов упаковать данный девайс. Возможно попробую собрать повышающий DC-DC преобразователь на MC34063, чтобы выбросить из схемы стабилизатор, и оставить для питания только одну батарейку.

2) Не могу придумать каким образом правильно откалибровать устройство, и есть подозрение, что точность измерения страдает, вот пример:

— выставляю 0,1 В по постоянному резистору 0,1 Ом (на фото), но при измерении сопротивления 1 Ом — получаю около 0,8 В;

— выставляю 1 В по резистору 1 Ом, измеряю сопротивление резистора 0,1 Ом — получаю около 0,2 В.

В общем, устройство работает, свою функцию отбраковки негодных электролитических конденсаторов выполняет, но без калибровки это не измерительное устройство, а «показометр», с возможностью приблизительной оценки состояния измеряемого конденсатора.

Прибор во временном корпусе:

Надеюсь мой опыт кому-нибудь будет полезен. Благодарю за терпение и внимание.

Предлагаю измеритель емкости (рис.1), с помощью которого можно измерять конденсаторы, даже не выпаивая их из схемы. Основными узлами измерителя служат:

• DD1.1, DD1.2, DD1.4 -генератор треугольного напряжения;
• VT4. VT6, DD1.6 — измерительный усилитель;
• VT7 — узел сравнения и детектор;
• VT8 — усилитель тока;
• DD1.3, DD1.5, VT9 — коммутатор, подключающий емкость СЭ к выходу детектора на пределах измерения "500 мкФ" и "5000 мкФ" (когда частота задающего генератора очень низкая);
• VT1. VT3 — стабилизатор напряжения с защитой от КЗ и индикацией разряда батареи питания.

Рис.1. Принципиальная схема приставки С-метра

Выходное напряжение стабилизатора — примерно 3,9 В. Режим стабилизации сохраняется до того момента, пока входное напряжение превышает 4 В. Степень насыщения регулирующего транзистора VT1 устанавливается резистором R9; R8 служит для запуска стабилизатора. Светодиод VD3 и диоды VD4, VD5 используются в качестве стабилитрона. Светодиод может быть любого типа, но даже экземпляры одного типа имеют заметный разброс по напряжению зажигания. Поэтому для точной установки выходного напряжения стабилизатора необходимо подобрать резистор R11. Входное напряжение 4 В выбрано с тем расчетом, что если использовать для питания аккумуляторы (4 шт.), то при их полной разрядке на каждом аккумуляторе не должно быть меньше 1 В (иначе их ресурс резко снижается). Если входное напряжение падает ниже 4 В, режим стабилизации срывается, и светодиод гаснет. Конденсатор С12 служит для подавления паразитных ВЧ-колебаний. Генератор DD1.1, DD1.2, DD1.4 вырабатывает треугольное напряжение разных частот (для каждого предела измерения своя частота). Чем больше измеряемая емкость, тем ниже должна быть частота генератора. Выходное напряжение генератора через делитель R6-R7 (1:100) подается на измеряемую емкость. Его величина на клеммах "Сх" — примерно 35 мВ. Поэтому элементы схемы, в которой стоит данная емкость, не оказывают влияния на точность измерения. Исключение составляют низкоомные резисторы или индуктивность, включенные параллельно емкости, что бывает весьма редко.

Широкополосный усилитель на VT4. VT6 и источник опорного напряжения на DD1.6 усиливают эти 35 мВ до напряжения порядка 3 В. Если измеряемая емкость не подключена, на концах резистора R17 присутствуют два напряжения одной частоты и примерно одинаковой амплитуды, но противоположные по фазе, поскольку усилитель инвертирует выходное напряжение генератора. Резистором R17 балансируют вход детектора, добиваясь минимальных показаний микроамперметра. Предварительно резистором R22 (баланс по постоянному току) стрелку тестера следует вывести на середину шкалы. После балансировки с помощью R17, резистором R22 возвращают стрелку прибора на "О" шкалы.

Прибор готов к работе. При переключении пределов измерения балансировка сохраняется, но при повторном включении через большой промежуток времени может возникнуть разбаланс, который восстанавливается через 2. 3 минуты. На пределах "500 мкФ" и "5000 мкФ" стрелка устанавливается на "О" дольше, т.к. к выходу детектора VT7 подключается большая емкость С9.

Измеряемый конденсатор Сх включается в цепь обратной связи измерительного усилителя, снижая его коэффициент усиления на данной частоте пропорционально своей емкости. Выходное напряжение усилителя уменьшается и уже не компенсирует противофазное образцовое напряжение генератора. Величину разбаланса на R17 фиксирует VT7, эмиттерный повторитель VT8 усиливает сигнал по току и подает на измеритель. Стрелка отклоняется пропорционально измеряемой емкости. Частоты генератора подобраны таким образом, что для прибора с током полного отклонения 100 мкА на первом пределе измерений отклонение стрелки на всю шкалу вызывает емкость 0,1 мкФ.

Если используется контрольный прибор на 50 мкА, максимальная емкость, измеренная на первом пределе, будет составлять 0,05 мкФ. На схеме пределы измерений и элементы указаны для головки 50 мкА. Схема работает достаточно линейно и с головкой 100 мкА. Бывают тестеры с измерительными головками на 60 или 75 мкА. Сопротивления рамок у всех тестеров разные. Поэтому если в конце шкалы возникает нелинейность, следует подобрать токоограничительный резистор R24, и в небольших пределах — частоту генератора.

Эту регулировку удобно проводить на 2-м, 3-м или 4-м пределе. Допустим, на 3-м пределе подключаем образцовую емкость 2 мкФ. Стрелка тестера (включен предел 100 мкА) устанавливается на деление "20". Проверяем точность в середине шкалы, измерив емкость 5 мкФ. Если во всех точках измеренные значения соответствуют номиналам, а в конце шкалы, допустим, образцовая емкость 10 мкФ дает "90", то надо несколько уменьшить R24. При этом показания по всем точкам сместятся в большую сторону. Чтобы сместить все точки обратно, следует несколько понизить частоту генератора на 3-м пределе, т.е. увеличить емкость СЗ. После регулировки линейности на одном из пределов, она сохраняется и на остальных, но может потребоваться коррекция частот в ту или иную сторону. Понижая частоту, получаем снижение показаний, и наоборот. В начале шкалы линейность измерений зависит от того, насколько точно проведена балансировка с помощью R17.

Для проверки работы измерительного усилителя необходимо отпаять R4 от вывода 4 DD1.2 и запаять его на вывод 6 DD1.4. Измеряем постоянное напряжение на выводе 6 DD1 и коллекторе VT6 относительно "общего" провода — оно должно быть одинаковым (отличаться не больше чем на 100. 200 мВ). Регулировка производится подбором R14 (при его уменьшении напряжение на коллекторе VT6 повышается).

Измерения следует проводить через 5. 10 мин после перепайки элементов, чтобы успел восстановиться тепловой режим схемы. После регулировки напряжений соединение R4 с выводом 4 DD1 восстанавливается. На пределе 3 измеряются переменные напряжения на обоих выводах R17. Если они отличаются где-то на 200 мВ, то этого достаточно.

Для детектирования сигнала используется положительная полуволна треугольного напряжения, поэтому важно, чтобы измерительный усилитель не входил в насыщение при усилении положительной полуволны. Если нет осциллографа, то это можно проверить так. Включив нижний предел и сравнив колебания стрелки тестера, измерить выходное напряжение генератора на выводе 6 DD1 и на коллекторе VT6. Измерять следует постоянное напряжение, т.к. период колебаний стрелки — около 1 с. Измерительный усилитель не будет входить в насыщение, если размах колебаний на коллекторе VT6 меньше на 100. 200 мВ, чем на выводе 6 DD1. Это легко компенсируется балансировкой R17. Размах напряжения на выходе усилителя регулируется резисторами R14, R15 (при уменьшении номиналов усиление уменьшается).

Все эти регулировки подробно описаны для получения повышенной точности измерений. В большинстве случаев этого не потребуется (погрешность — в пределах 10%).

На пределе 6 возможны небольшие колебания стрелки прибора, что в большинстве случаев не влияет на точность измерений.

Детали. DD1 — К561ЛН2, 564ЛН2, К176ЛН2. Транзисторы лучше использовать КТ3102. КТ3107, но, в принципе, подойдут любые кремниевые.

Диоды — любые кремниевые. Все резисторы — МЛТ-0,125 или 0,25 Вт, кроме R7. Перед измерением конденсатор желательно разрядить. Если случайно попался не разряженный, R7 должен иметь запас по мощности. Когда измеряемая емкость имеет небольшой заряд, броска стрелки прибора не происходит, т.к. R18 ограничивает скорость заряда СЮ (С9), вводя VT7 в насыщение. За это время R7 разряжает Сх, и показания устанавливаются плавно. Для увеличения скорости движения стрелки R18 можно уменьшить.

Выключатель питания SA2 и переключатель пределов SA1 — любого типа. Резисторы R17, R22 — желательно группы А, любого типа.

Прибор собран на плате из тонкого нефольгированного стеклотекстолита. Отверстия под выводы деталей проколоты шилом. Элементы соединены своими выводами — для уменьшения монтажной емкости. С1 . С6 распаяны на переключателе. Конструкция поместилась в корпусе от карманного радиоприемника "Электрон". На передней панели расположены SA1, SA2, VD3, R17, R22, гнезда "Сх" и "мкА". При напряжении питания 4,5 В ток потребления приставки — примерно 15 мА.

Автор: В.БОГНАР, г.Харьков.

Мнения читателей

• Александр / 08.09.2011 — 10:58
  В 2001 году сделал свою разработку измерителя емкостей без выпайки из плал от 1000 пф до 22000 мкф, основываясь на публикациях журнала Радио, схема переработана. При желании пишите дам схему и кратое описание, по принципу — как есть. villy_59@mail.ru
• Валентин / 05.04.2011 — 22:11
  Хтось реалізував ідею ?
• жорик / 02.12.2010 — 13:25
  круто
• igzob / 29.01.2008 — 20:27
  Впервые встречаю измеритель ,работающий с емкостями такой величины с достаточно хорошей точностью. Очень актуальная проблематика для ремонтника.Автору рекомендую доработать приставку до самостоятельного многошкального прибора.Сам постараюсь реализовать идею.Спасибо.

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу:

Используя данную приставку к цифровому мультиметру, можно измерять емкости конденсаторов в диапазоне 2 пФ…200 мкФ. Она собрана на двух микросхемах, одна из которых — интегральный таймер.

Принцип ее работы основан на периодической зарядке измеряемого конденсатора до фиксированного напряжения и последующей его разрядке через эталонный резистор. На микросхеме DA2 собран генератор прямоугольных импульсов, частоту которых устанавливают выбором одного из токозадающих резисторов R1-R8 и конденсаторов СЗ, С4 переключателем SA1; с помощью секции SA1.3 переключают эталонные резисторы R12-R15. Амплитуду импульсов генератора на микросхеме DA2 поддерживает интегральный стабилизатор напряжения на DA1.

Работает приставка следующим образом. После подключения проверяемого конденсатора Cх к гнездам XS3 в момент появления импульса напряжения на выходе DA2 происходит его быстрая зарядка через диод VD2. Во время паузы конденсатор разряжается через эталонное сопротивление, и при этом формируется импульс, длительность которого пропорциональна емкости конденсатора Сх. Эти импульсы поступают на интегрирующую цепочку R11C5, на выходе которой образуется напряжение, пропорциональное длительности этих импульсов и, соответственно, емкости измеряемого конденсатора. К выходу этой цепи и подключают мультиметр в режиме измерения напряжения на пределе 200 мВ.

Генератор вырабатывает импульсы с частотой следования примерно 25 кГц (положение 1 переключателя SA1, поддиапазон 20 пф); 2,5 кГц (положение 2, 200 пФ); 250 Гц (положение 3, 2000 пФ) и 25 Гц (положения 4-8, поддиапазоны 0,02-200 мкФ). Для повышения экономичности напряжение питания на приставку подается через кнопку SB1 только на время измерения. Это позволяет питать устройство от автономного источника, например, батарей «Крона», «Корунд», «Ника» 7Д-0,125. Максимальный ток, потребляемый приставкой при измерении емкости полярных конденсаторов на поддиапазоне 200 мкФ, составляет 25…30 мА. На поддиапазоне 20 мкФ он уменьшается примерно в полтора раза, а на остальных составляет 10…12 мА. Диод VD1 предохраняет приставку от подачи напряжения обратной полярности.

Детали в устройстве можно заменить: DA2 — М1006ВИ1, диоды — любые импульсные, полярные конденсаторы С1, С2 — групп К50, К52, К53, СЗ — К73, С4-КМ, К10-17. Подстроечные резисторы — СПЗ-19 или аналогичные, постоянные — МЛТ, С2-33. Кнопка SB1 с самовозвратом (без фиксации) любого типа, например КМ, переключатель — ПГ2 или аналогичный на три направления и не менее восьми положений. Гнезда разъемов Х1, Х2, Х4, Х5 — любые, подходящие к соединительным шнурам, в качестве разъема XS3 была использована половина панельки для микросхемы.

Налаживание приставки проводят совместно с мультиметром, с которым предполагается ее использовать. Потребуются эталонные конденсаторы, емкость которых предварительно измерена с точностью не хуже 1…2 %. Для каждого поддиапазона нужен такой конденсатор с емкостью, соответствующей предельному значению или несколько меньшей. После проверки правильности монтажа и работоспособности приставки ее налаживание начинают с поддиапазона 20 пФ. Для этого подключают эталонный конденсатор и подстроенным резистором R1 добиваются показаний мультиметра (на пределе измерения 200 мВ), соответствующих емкости конденсатора. Аналогичную процедуру проводят на поддиапазоне 200 пф, но на этот раз с помощью резистора R3. Так же калибруют приставку на следующем поддиапазоне 2000 пФ резистором R5, а на поддиапазоне 0,02 мкФ — резистором R7. Если изменения сопротивления подстроенных резисторов для получения калибровки не хватает, придется изменить сопротивление соответствующего постоянного резистора (R2, R4, R6, R8). После калибровки на указанных пределах измерения движки подстроечных резисторов перемещать уже нельзя.

На поддиапазонах с пределами от 0,2 мкФ до 200 мкФ калибровка приставки осуществляется подбором резисторов R12-R15 соответственно, их размещают непосредственно на переключателе SA1. При этом резисторы R12-R15, возможно, придется составить, по крайней мере, из двух последовательно включенных.

Если настройку проводить тщательно с применением конденсаторов, емкость которых измерена с указанной выше точностью, то погрешность измерения приставки совместно с хорошим мультиметром составит не более 5%, за исключением первого и восьмого поддиапазонов. На первом поддиапазоне при измерении конденсаторов емкостью менее 5 пФ погрешность возрастает до 20…30% из-за влияния емкости монтажа и диода VD2, но эта погрешность может быть легко учтена. На последнем поддиапазоне из-за влияния выходного сопротивления микросхемы DA2 погрешность также возрастает до 20…30 %, но и она поддается учету.