Прилад для вимірювання ємності

С. Кучин, г.Митіщі, Московської обл.
У будь-якій домашній лабораторії радіоаматора для конструювання і виконання регулювальних робіт необхідний прилад для вимірювання ємності. У даному описі пропонується порівняно дешевий, малогабаритний і досить точний вимірювач. Він дозволяє не тільки визначити в широких межах ємності конденсаторів, а й оцінити величину ємності монтажу, погонною ємності кабелю, ємності переходів напівпровідникових приладів.

Аналізуючи запропоновані в радіоаматорського літературі варіанти аналогічних приладів, переконався, що вони в тій чи іншій мірі володіють низькою перешкодозахищеність, мають великі похибки при вимірюванні малих значень параметра з-за наявності індуктивних складових, громіздкі конструкційно, мають складні електричні схеми, часто незручні в експлуатації через нелінійної шкали. Тому принцип дії таких приладів не можна покласти в основу розробки більш зручного вимірювача, особливо при вимірюванні малих значень ємності.

При конструюванні нового вимірювача ємності було поставлено завдання знайти інші прийнятні рішення для створення приладу з прямим відліком та лінійної шкалою, високої разрешаюшей здатністю, широким динамічним діапазоном, малої похибкою, високою надійністю. Після проведення серії експериментів супутніх такий прилад був побудований. При всіх названих технічних якостях розроблене пристрій вийшло невеликих габаритів, маси і недороге у виготовленні. Його повторення не зажадає від радіоаматорів пошуку ніяких дефіцитних елементів, а при регулюванні – складного метрологічного забезпечення.

Зовнішній вигляд приладу показаний на мал.1. Його основні технічні характеристики: діапазон вимірюваних ємностей від 1 пФ до 1000 мкФ розбитий на 12 поддіапаеонов (6 положень перемикача межами з двома положеннями перемикача множника відліку); похибка вимірювання, приведена до верхньої межі поддіапаеона, при використанні як індикатора стрілочного вимірювача класу точності 0,5 – не більше 2%, цифрового вольтметра – 1,5%; час встановлення показів на кожному з піддіапазонів – не більше 30 с; дрейф початкової установки стрілки вимірювача за час роботи не менше 2 годин при зміні температури навколишнього середовища – від +10 до +30 ° С на всіх межах вимірювання не більше 1,5 поділки шкали; лінійність шкали приладу не гірше 1% (обмежена лінійністю застосовуваного індикатора); споживана потужність від мережі змінного струму – не більше 5 Вт; габарити приладу – 236x155x100 мм; маса – 2 кг.

Рис.1. Зовнішній вигляд приладу

Принцип роботи приладу заснований на зарядці вимірюваного конденсатора від джерела сигналу змінного струму стабільної форми, амплітуди і частоти з подальшим диференціюванням, виділенням постійної складової на синхронному детекторі і фіксацією її вимірювальними системами.

Принципова схема приладу приведена на мал.2. Сигнал стабільної форми формується автогенератора, виконаним на мікросхемах DA1 – DA3. На виході мікросхеми DA1 формуються коливання прямокутної форми, які керують роботою інтегратора на мікросхемі DA3. Власна частота автогенератора визначається резисторами R10, R11 і ємностями конденсаторів C9, C10. Підключення цих конденсаторів можна комутувати перемикачем SA2, встановлюючи частоту генерації рівною 1000 Гц (положення <х1>) або 1 Гц (положення <х1000>) і тим самим розширюючи діапазон вимірюваної ємності. Резистор R10 дозволяє відрегулювати частоту генерації більш точно. Автоколебательний режим підтримується зворотними зв'язками через конденсатори C1, C2 в каскаді на мікросхемі DA1 і позитивним зворотним зв'язком через резистори R5, R7 і інвертор на мікросхемі DA2.

Рис.2. Принципова схема приладу Рис.2

З виходу інтегратора сигнал подають на підсилювач струму, виконаний на транзисторі VT4 за схемою емітерний повторювача, для одержання необхідних значень струмів при вимірюванні великих значень ємностей конденсаторів. Після емітерний повторювача сигнал трикутної форми надходить на одну з обкладок конденсатора вимірюваного Cx, підключеного до гнізд XS1 і XS2. Після проходження через конденсатор форма коливань з трикутної перетвориться в трапецеїдальних, тривалість фронту, спаду і амплітуда яких залежать від величини вимірюваної ємності конденсатора.

Трапецеїдальних сигнал через резистор R25 подають на вхід дефференціатоpa на мікросхемі DA5. Її вхід захищений від короткого замикання висновків підключення вимірюваного конденсатора (підключення конденсатора з пробоєм або випадкове зіткнення висновків) послідовно включеними емітерний переходами транзисторів VT6 і VT7. На виході мікросхеми DA5 формується сигнал, по амплітуді пропорційний величиною вимірюваної ємності.

Парафаений сигнал для роботи синхронного детектора формується роботою діфференціатора і інвертора на мікросхемі DA6. Синхронний детектор виконаний на польових транзисторах VT3 і VT5. Його роботу синхронізують сигналом каскаду формувача прямокутних коливань, що подаються на одне плече через розв'язують діод VD1, а на інше – через інвертор на мікросхемі DA4 і розв'язувати діод VD4. Вихід детектора (Витоки транзисторів) підключений до балансувальне резистори R26, а з його движка сигнал через RC-фільтри R22R24C13 і R27R37C14 подають відповідно до цифрового або стрілочному (PA1) індикатором. Зовнішній цифровий індикатор (вольтметр з границею вимірювання 100 мВ і вхідним опором 1 МОм) підключає через гнізда-роз'єми XS3 і XS4 на передній панелі вимірювача ємності.

У приладі передбачена можливість вимірювання і полярних конденсаторів, що мають велику витік, обратносмещенних PN переходів транзисторів або діодів. Для цього до неінвертуючий вхід мікросхеми DA1 автогенератора подано постійна напруга зміщення з дільника R1R2. У цьому випадку на виході мікросхеми DA3 інтегратора утворюється постійна складова порядку 2 В. Такий режим роботи відповідає верхнього (за схемою) положенню перемикача SA1.1.

Двуполярность блок живлення складається з трансформатора T1, двох випрямлячів і стабілізаторів з вихідними напругами +9 і -9 В, виконаних за однаковою схемою. В якості опорних елементів зразкового напруги VD2 і VD3 застосовані стабілітрони з підвищеною температурною і тимчасової залежністю. Вихідна напруга стабілізаторів можна змінювати підлаштування резисторами R15 і R18.

У конструкції приладу використані постійні резистори С2-8 (R29 – R34) з потужністю розсіювання 0,25 Вт і допустимим відхиленням від номінального значення ± 1%, решта МЛТ-0, 25 (можна застосувати і з потужністю розсіювання 0,5 Вт), підлаштування – СП5-2. Резистори R29 – R33 відібрати з вказаним значенням опорів або виконати складовими з кількох резисторів. Оксидні конденсатори типу К50-6 або К50-16, решта керамічні – трубчасті КГ і монолітні КМ різних модифікацій. Конденсатори C9 (КМ-6) і C10 (КМ-4) слід підібрати з точністю не гірше ± 1%. Перемикачі SA1 – МТЗ (можлива заміна на МТДЗ, ТП1-2), SA2 – MT1 (МТД1, ТВ2-1), SA3 – ПГ2-1-6П1H. Як стрілочного індикатора застосований мікроамперметр типу М1792 на 100 мкА, клас точності 0,5 (бажано зі шкалою, що має 100 поділів, це зручно при відліку).

Трансформатор харчування T1 саморобний. Магнітопроводи світ з пермаплоевой стрічки шириною 25 мм, товщина навивки 6,5 мм. Мережева обмотка (1-2) виконана проводом ПЕВ-2 0,13 і має 2400 витків. Понижувальні обмотки 3-4 і 5-6 однакові, вони виконані проводом ПЕВ-2 0,3 і мають по 165 витків. Тим мережевої та знижувальними обмотками мають у своєму розпорядженні екран з мідної фольги у вигляді незамкненого витка (укладають між шарами ізолюючої прокладки). За відсутності умов для самостійного виготовлення трансформатора живлення можна скористатися готовим трансформатором ТВК-70 або ТВК-110 від чорно-білих телевізорів, але вони зажадають доопрацювання. Первинну обмотку можна залишити і використовувати її як мережевий. Вторинну обмотку зняти, і намотати дві нові з таким розрахунком, щоб змінна напруга на них було близько 15 В. І в цьому випадку між обмотками бажано передбачити екран.

Основа конструкції – передня панель. На ній з внутрішньої сторони розміщують друковану плату і блок живлення, а з лицьової сторони встановлюють мікроамперметр, перемикачі та гнізда для підключення цифрового вольтметра. Для під'єднання вимірюваного конденсаторів можна використовувати гнізда чи застосувати нероз'ємні висновки з ізольованих провідників з наконечниками типу "крокодил" (саме такий варіант автор застосував у показаному на малюнку варіанті виконання). Висновки повинні мати мінімальну довжину, досить товстий шар ізоляції (краще одягти на них фторопластові або силіконові трубочки) і розташовані відносно один одного на деякій відстані з тим, щоб зменшити власну ємність і знизити вплив формувача трикутного напруги на вхід мікросхеми DA5, яке може викликати зсув нульових свідчень на низьких межах вимірів (10 і 100 пФ). З цією ж метою доцільно між висновками Cx встановити екран (симетрично щодо висновків і площини передньої панелі – на фотографії не показаний) з латунного при дюралюмінію брусочки розмірами 10x5x20 мм. Малюнок друкованої плати показаний на рис.3, розташування на ній елементів – на ріс.3б.

Рис.3
Рис. 3а.

Ріс.3б.
Рис. 3б.

На платі блоку живлення розташовані випрямні мости і конденсатори C4 і C5, монтаж цих елементів – сполучними провідниками.

Регулювання приладу слід почати з ретельної перевірки правильності монтажу, складання та з'єднання вузлів. Перевірку працездатності окремих вузлів і блоків краще проводити за наявності вольтметра з внутрішнім опором не менше 10 кОм / В (можна використовувати радіоаматорській авометр) і осцилографа, можна навіть середнього класу, такого, наприклад, як осцилографи групи ОМЛ. Перевірку роботи вузлів вимірювача ємності проводять при відключеному індикаторі PA1.

Спочатку необхідно виміряти напруги на виходах стабілізаторів харчування і, у разі їх відхилення від норми (+9 і -9 В), провести необхідну регулювання підлаштування резисторами R15 і R18. Потім перевірити напругу живлення, що підводиться до кожної мікросхемі.

Після цього осцилографом перевіряють форму коливань на виході мікросхеми DA1. Для цього його вхід підключити через захисний резистор (щоб виключити випадкове замикання виходу мікросхеми на загальну шину) з опором 3 … 10 кОм до висновку 6 мікросхеми. При правильній роботі генератора на екрані осцилографа повинні бути прямокутні імпульси з амплітудою близько 8 В. Якщо коливання несиметричні щодо нуля, то регулюванням підлаштування резистора R16 призвести зрушення в потрібну сторону.

Вхід осцилографа переключити до емітером транзистора VT4 і перевірити роботу інтегратора. Коливання повинні бути симетричною трикутної форми з хорошою лінійністю, а їх частота залежати від положення перемикача SA2. У положенні <х1> вона повинна бути 1000 Гц. а <x1000> – 1 Гц, частоти визначаються величинами конденсаторів C9, C10 і резисторами R10, R11. У процесі регулювання частоту інтегратора встановлюють регулюванням підлаштування резистора R10. Спотворення можуть виникнути при низькій якості мікросхеми DA3 або при зміщенні сигналу від нульового рівня.

Регулювання каскадів на мікросхемах DA5 і DA6 починають як межі <1000> перемикача SA3 при множник <x1> (SA2). Для цього осцилограф із захисним резистором підключають до висновку 6 мікросхеми DA6, а паралельно входу осцилографа – вольтметр постійного струму з межею вимірювань 3 … 5 В. При нормальній роботі каскадів вольтметр буде мати незначне відхилення, якщо клеми Cx розімкнуті. При підключенні конденсатора з ємністю 1000 ПФ на екрана осцилографа будуть коливання трапецеїдальної форми. Вольтметр з тим же межею вимірювань перемкнути на вихід синхронного детектора (паралельно резистори R26). осцилографом по черзі перевірити на затворах транзисторів VT3 і VT5 керуюче напруга прямокутної форми – воно має бути амплітудою близько 8 В і протівофазним.

Балансування роботи синхронного детектора виробляють резистором R26 при розімкнутих висновках підключення вимірюваних конденсаторів установкою мінімальної напруги за шкалою вольтметра. При підключенні вимірюваного конденсатора ємністю 1000 ПФ вольтметр реєструє напругу близько 1 В.

Тепер підключають індикатор P1 і перевіряють калібрування приладу в комплексі, починаючи з вибору компенсації паразитної ємності приладу і наводки. Для цього резистори R4 і R38 встановлюють у положення мінімальних опорів між движком і загальною шиною живлення при відключеному вимірюваної конденсаторі. При цьому стрілка індикатора повинна встановитися в районі нульової позначки шкали. Якщо цього не відбувається, значить, в приладі існують несправності. Після цього перевірити установку нуля в положеннях перемикача SA3 <10>, <1> і <0,1>. Якщо прилад працює нормально, то стрілка легко встановлюється в початкове положення (можливий її дрейф у межах не більше одного поділу шкали).

Калібрування показань на кожному з піддіапазонів проводять почерговим підключенням до висновків <Cx> зразкових конденсаторів з ємностями 10, 100 ПФ і так далі до 1 мкФ, які мають допуск на розкид значення не більше 1%. Перемикач SA2 перевести в положення <х1>, а SA3 – в положення, відповідне ємності зразкового конденсатора. Підключивши перший зі зразкових конденсаторів, резистором R37 встановити відхилення стрілки на останнє поділ шкали (при роботі з цифровим вольтметром установку значущих цифр виробляють регулюванням резистора R22). У разі, якщо на інших межах вимірювань будуть спостерігатися відхилення від максимального значення шкали, то слід більш точно підібрати опору резисторів R29 – R34 у відповідних положеннях перемикача.

Після цього проводять перевірку свідчень в положенні перемикача SA2 <х1000>, підготувавши зразкові конденсатори з ємностями від 1 до 1000 МКФ. При перевірці конденсаторів з ємностями вище 1 МКФ у початковий момент вимірювання можуть спостерігатися коливання стрілки з частотою 1 Гц на інтервалі до 10% шкали. Якщо коливання перевищують вказане значення, то слід збільшити ємність конденсатора C14 (C13 при роботі з цифровим вольтметром) у два-три рази.

Після електричної тренування вимірювача ємності протягом декількох днів, коли стабілізуються теплові та електричні процеси роботи елементів, калібрування приладу слід повторити. Це дозволить зменшити вносяться приладом похибки, особливо при вимірюванні малих значень ємностей конденсаторів.

На закінчення можна запропонувати використовувати високу чутливість даного способу перетворення ємність – напруга в різних пристроях автоматики, наприклад, в ємнісних реле охоронних пристроїв.

© Радіо, № 6, 1993 р.

Джерело матеріалу