А. Воробйов, м Кишинів

На практиці досить часто виникає необхідність у точному вимірі малих ємностей. Будь то р-п-переходи транзисторів або діодів, варикапи, друковані та підлаштування конденсатори. Для любителів High-End при виборі чи виготовленні міжблочних сполучних кабелів також потрібно мати достовірну інформацію про ємності. Особливо корисний даний вимірювач ємності (Capasitome- ter) може бути радіоаматорам при налаштуванні вхідних, проміжних і вихідних каскадів. А при самостійному виготовленні високовольтних та інших конденсаторів невеликої ємності він взагалі може виявитися незамінним. На жаль, серед доступних мультиметров немає таких, які могли б виміряти ємність з точністю 0,1 пФ. А професійні вимірювальні прилади далеко не всім по кишені. Та й не завжди зручно просити друзів або знайомих провести ряд замірів. Щоб заповнити цю прогалину у сфері вимірювань, автором був розроблений простий і надійний прилад, що дозволяє вимірювати ємність від 0,1 до 5000 пФ з точністю 1% без перемикання поддиапазонов.

.Предлагаем Вашій увазі Capasitometer є, по суті, CU-перетворювачем з високою лінійністю.

Його можна використовувати не тільки за прямим призначенням для вимірювання ємності, але також при вимірюванні інших величин, з нею пов’язаних. Наприклад, для вимірювання діелектричної проникності різних ізоляційних матеріалів або оцінки ТКЕ конденсаторів.

Схема приладу зібрана на КМОП таймерах 7555, що володіють високою стабільністю і низьким споживанням струму (рис. 5.1).

Це дозволило зробити прилад з струмом споживання не перевищує 4 мА, в діапазоні живлячих напруг 6 … 9 В. Для зручності роботи цей діапазон був обраний завдяки широко поширена *

Рис. 5.1. Принципова схема вимірювача ємності ним батареям 6F22 (крона). При бажанні можна використовувати будь-яке джерело живлення з напругою до 18 В. Слід тільки не забувати, що нижня межа стабілізації вбудованого стабілізатора 6 В.

Розглянемо його роботу більш докладно. Сам стабілізатор компенсаційного типу виконаний на транзисторах VT2-VT4. Дуже великим його перевагою є мале споживання струму – близько 100 мкА і низьке падіння напруги – близько 0,6 В, яке падає на переході керуючого транзистора VT4. Якщо його замінити на германієвого малопотужний транзистор, то це значення можна ще більше знизити – аж до 0,3 В. Опорне напруга задається резисторами R11 і R12. Величина їх не критична, важливо тільки співвідношення, від якого і залежатиме вихідна напруга. У даному випадку воно дорівнює 6 В. При збільшенні вхідної напруги, збільшиться і рівень на базі транзистора VT2, що призведе до зменшення опору переходу К-Е, яке свого часу почне закривати транзистор VT3 і тим самим зменшить його струм колектора, включеного в базу керуючого транзистора VT4. Це призведе до зменшення опорної напруги на базі транзистора VT2. Виникає ефект стабілізації з досить високим коефіцієнтом. Для усунення можливих паразитних збуджень і автоколебательного режиму при відстеження напруги включені конденсатори С4 і СЗ. Подібна схема стабілізатора просто незамінна для живлення різних приладів від автономних джерел. Хоча існує велике число інтегральних стабілізаторів напруги, проте це не є перешкодою для використання цієї схеми як стабілізатор Q вихідним струмом в десятки міліампер. Тим більше що транзистори можна взяти будь з коефіцієнтом посилення 100 … 600.

Схема приладу складається з генератора коротких імпульсів, виконаного на DA1 і чекає мультивібратора на DA2, під времязадающей ланцюга якого для поліпшення лінійності резистор замінений на генератор мікрострумами. Він виконаний на VT1, R5, R6. Це дозволило перекрити діапазон вимірювань більш ніж в 10 000 разів. Вся схема живиться від стабілізатора на VT2, VT3, VT4, як було сказано вище.

Генератор виробляє імпульси з частотою близько 250 Гц, точне значення якого уточнюється при налаштуванні. Параметри самого імпульсу можна розрахувати за формулами:

• Час імпульсу 0,76 х Rt х С1

• Час паузи 0,76 х R2 х С1

Шпаруватість 0 < (Rt / R2 + Rt) <100%, де Rt = R1 + R3.

Прямокутні імпульси з виходу таймера DA1 (третій ніжка) надходять на вхід чекає мультивібратора DA2 (2-я ніжка). Одновіатор DA2 формує імпульси з амплітудою, рівної напрузі харчування. Насправді вона буде трохи менше 6 В, за рахунок падіння напруги на внутрішніх ключах мікросхеми. Цим напругою і визначається верхня межа вимірюваних ємностей (5000 пФ). Тривалість цих імпульсів буде дорівнює 1,1 х Rt х Сх, де в якості Rt служить генератор струму з величиною 5 мкА, а в якості Сх виступає вимірюваний конденсатор. Неважко помітити, Що чим менше вимірювана ємність, тим коротше буде вихідний імпульс, що знімається з виходу DA2 (третій ніжка). Таким чином, на виході будуть імпульси з частотою повторення 250 ;Гц, тривалість яких безпосередньо залежатиме від Сх.

Якщо підключити до виходу мікросхеми DA2 цифровий вольтметр, то напруга на ньому в мілівольтах дорівнюватиме ємності в пікофарад. І точність вимірювань залежить в основному від похибки самого вольтметра. При використанні недорогих трьох розрядних вольтметрів його шкала для вимірювання буде виглядати наступним чином:

межа вимірювань напруги 200 мВ (0,2 В)

межа вимірювання ємності 0,1 … 200 пФ 2000 мВ (2 В);

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

10 … 5000 пФ (5 нФ).

Для того щоб можна було компенсувати вхідну ємність приладу, а тим самим збільшити точність вимірювань на нижніх межах, негативний висновок вольтметра включений не безпосередньо до загального проводу, а до ланцюжка R9-R10. Через резистор R9 далі на підстроєні резистор R10 подається невеликий позитивний потенціал, який і служить для точної установки нуля. В якості вольтметра можна використовувати будь стрілочний прилад, тільки точність при цьому буде значно нижче.

Вибір деталей та налаштування

Найважливішим ланкою, що відповідає за тимчасову і температурну стабільність, є генератор. Так як поширені резистори, аналогічні МЛТ-0,25, мають цілком прийнятні температурні і тимчасові параметри з точки зору стабільності, то слід звернути увагу на частотозадающіх конденсатор С1. Він обов’язково повинен бути плівковим і ні в якому разі не керамічним. На щастя, зараз досить багато всяких імпортних конденсаторів подібного типу. Якщо виникнуть сумніви в обраному типі, то достатньо розламати подібний конденсатор, щоб все стало ясно. Конденсатори С2, СЗ – блокувальні. В цьому випадку підійдуть будь і з великим допуском (10 нФ … 0,1 мФ). Це відноситься також і до CS. Конденсатор С4 бажано поставити безиндукціонность танталовий або ниобиевая К51-К53. Найчастіше вони виглядають у вигляді сталевих циліндрів або у формі крапель з компаунда різних кольорів. Транзистори серії КТ3102 і КТ3107. Коефіцієнт посилення найкраще заздалегідь підібрати в районі 200 … 400, тоді буде менше проблем з налаштуванням. В якості клем для підключення ємності можна використовувати контактну групу від панельки для мікросхем. Якщо не потрібно вимірювати малі величини ємностей, то цілком підійдуть і звичайні щупи від мультиметра. У цьому випадку пвлйется можливість вбудувати вимірювач ємності в мультиметр, так як точне балансування нуля вже не потрібно і R9, R10 виключаються зі схеми. Мінусовій провід для вольтметра підключається безпосередньо до загального проводу живлення випромінювача.

Для настройки приладу знадобляться 2 конденсатора з точним значенням ємності. Бажано, щоб допуск був не гірше 0,5%. Ємність одного з них повинна бути в районі 20 … 50 пФ, іншого –

2000 .. .5000 пФ. Після підключення живлення необхідно заміряти струм споживання. Він повинен бути в межах 3 … 4 мА. Потім вимірюють напругу на конденсаторі С4. Якщо воно буде значно відрізнятися від б В, то слід трохи змінити номінал резистора Rl 1 або R12. Потім перевіряють роботу генератора струму. Для цього замість вимірюваної ємності до клем Сх підключають мікроамперметр або мультиметр в режимі вимірювання струму. Показання повинні бути в цьому випадку близько 5 мкА. Роботу генератора можна перевірити при допомоги навушників, підключених через конденсатор 0,01 … 0,1 мкФ або через резистор 1 кОм до точки з’єднання мікросхем DA1 і DA2 (3-а і 2-я ніжка). Якщо з усім цим ви вдало впоралися, то можна приступати до калібрування вимірювача.

Для цього до виходів Capasitometer підключають мультиметр на межі 0,2 В і обертанням R10 добиваються нульового свідчення. Для прискорення налаштування краще на початку це зробити на межі 2 В. Далі до клем Сх підключають зразковий конденсатор з більшою величиною і обертанням R3 домагаються потрібного показання вольтметра. Чергуючи ці операції, добиваємося стійких показань. Потім встановлюємо ємність з меншим номіналом і вже дуже обережно проробляємо ті ж дії. Ще раз нагадую, що найкраще

спочатку вольтметр встановити в режим максимального значення 20 В, а потім поетапно калібрувати на межі 2 і 0,2 В. Після виконаних вищевказаних дій прилад готовий до роботи.

Друкована плата і розташовані на ній компоненти зображені на рис. 5.2 та 5.3. На рис. 5.4 і 5.5 показані фотографії монтажу плати пристрою з двох сторін.

На закінчення хотілося б сказати, що мною і моїми друзями було зібрано кілька подібних приладів. За кілька років роботи з ними калібрування практично не збивалася і не було жодного випадку несправності. Дуже малий струм, що проходить через вимірюваний конденсатор, не вивів з ладу жоден напівпровідниковий р-п-перехід.

Джерело: За редакцією А. Я. Гріфа, Оригінальні схеми і конструкції. Творити разом! – М .: СОЛОН-Пресс, 2004. – 200 с .: іл. – (Серія «СОЛОН – радіоаматори», вип. 23)