Вимірювач ємності конденсаторів на операційному підсилювачі
Пристрій, схема якого приведена на Рис.2.2, дозволяє вимірювати ємність конденсаторів від декількох пікофарад до 1 мкф. Нижня межа вимірювань багато в чому залежить від конструкції приладу, зокрема, від паразитної ємності між клемами для підключення досліджуваного конденсатора.
Рис.2.2 Вимірювач ємності конденсаторів на операційному підсилювачі
Прилад має шість піддіапазонів, верхні межі для яких рівні відповідно 10пф, 100пф, 1000пф, 0,01мкф, 0,1мкф і 1мкф. Відлік ємності виконується за лінійною шкалою мікроамперметра.
Принцип дії приладу заснований на вимірюванні змінного струму, що протікає через досліджуваний конденсатор. На операційному підсилювачі DA1 зібраний генератор прямокутних імпульсів. Частота повторення цих імпульсів залежить від ємності одного з конденсаторів С1-С6 і положення движка підлаштовочного резистора R5. Залежно від піддіапазону, вона змінюється від 100Гц до 200кГц. Підлаштовочним резистором R1 встановлюємо симетричну форму коливань (меандр) на виході генератора.
Діоди D3-D6, підлаштовочні резистори R7-R11 і мікроамперметр PA1 утворюють вимірювач змінного струму. Для того, щоб похибка вимірювань не перевищувала 10% на першому піддіапазоні (ємність до 10пФ), внутрішній опір мікроамперметра повинен бути не більш 3кОм. На решті піддіапазонів паралельно PA1 підключають підлаштовочні резистори R7-R11.
Необхідний піддіапазон вимірювань встановлюють перемикачем SA1. Однією групою контактів він перемикає частотозадавальні конденсатори С1-С6 в генераторі, іншою - підлаштовочні резистори в індикаторі. Для живлення приладу необхідне стабілізоване двополярне джерело на напругу від 8 до 15 В. Номінали частотозадавальних конденсаторів С1-С6 можуть відрізнятися на 20%, але самі конденсатори повинні мати достатньо високу температурну і часову стабільність.
Налагодження приладу виконують в наступній послідовності. Спочатку на першому піддіапазоні добиваються симетричних коливань резистором R1. Движок резистора R5 при цьому повинен бути в середньому положенні. Потім, підключивши до клем "Сх" еталонний конденсатор 10пф, підлаштовочним резистором R5 встановлюють стрілку мікроамперметра на поділку, яка відповідає ємності еталонного конденсатора (при використовуванні приладу на 100 мкА, на кінцеву поділку шкали).
Після цього перевіряють форму коливань на виході генератора і, при необхідності, ще раз підстроюють резистори R1,R5. На решті піддіапазонів калібрування приладу також виконуватись по еталонних конденсаторах, використовуючи для цього підлаштовочні резистори R7-R11.
Оскільки змінна напруга на виході генератора двох полярна (практично, воно змінюється від +Uжив до -Uжив),то вимірювати цим приладом ємність електролітичних конденсаторів не можна.
Вимірювач ємності електролітичних конденсаторів
Однією з найчастіших причин виходу радіоелектронної апаратури з ладу або погіршення її параметрів є зміна властивостей електролітичних конденсаторів. Іноді при ремонті апаратури (особливо виробленої в колишньому СРСР), виготовленої із застосуванням деяких типів електролітичних конденсаторів (наприклад, K50-...), для відновлення працездатності пристрої вдаються до повної або часткової заміни старих електролітичних конденсаторів. Все це доводиться робити через те, що властивості матеріалів, що входять в електролітичний (саме електролітичний, оскільки в складі використовується електроліт) конденсатор, під електричною, атмосферною, тепловою діями з часом змінюються. І таким чином найважливіші характеристики конденсаторів, такі як ємність і струм витоку - так само змінюються (конденсатор "висихає" і ємність його збільшується, часто навіть більш ніж на 50% від первинної, а струм витоку зростає, тобто внутрішній опір, що шунтує конденсатор зменшується), що природно приводить до зміни характеристик, а у гіршому разі і до повної відмови апаратури.
Вимірювач володіє наступними якісними і кількісними характеристиками [3]:
вимірювання ємності на 8 піддіапазонах:
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) оцінка струму витоку конденсатора по світлодіодному індикатору;
3) можливість точного вимірювання при зміні напруги живлення і температури навколишнього середовища (вбудоване калібрування вимірника);
4) напруга живлення 5-15 В ;
5) визначення полярності електролітичних (полярних) конденсаторів;
6) струм споживання в статичному режимі не більш 6 мА;
7) час вимірювання ємності не більш 1 с;
8) струм споживання під час вимірювання ємності з кожним піддіапазоном зростає, але не більш 150 мА на останньому піддіапазоні.
Суть роботи приладу полягає у вимірюванні напруги на виході диференціюючого ланцюга, рис.2.3.
Рис.2.3. Ланцюг, що диференціює
Напруга на резисторі: Ur = i R,
де i - загальний струм через ланцюг, R - зарядний опір ;
Оскільки ланцюг диференціюючий, то струм, що протікає через нього:
i = С(dUc/dt), (2.3)
де С - заряджена ємність ланцюга, але конденсатор лінійно заряджатиметься через джерело струму, тобто стабілізованим струмом : i = С*const значить напругу на опорі (вихідне для цього ланцюга): Ur = i*R = C*R*const - прямо пропорційна ємності заряджаючого конденсатора, а значить вимірюючи вольтметром напругу на резисторі ми вимірюємо в деякому масштабі і досліджувану ємність конденсатора.
Схема пристрою представлена на Рис.2.4.
Рис.2.4 Принципова електрична схема вимірювача ємності електролітичних конденсаторів
У початковому положенні випробовуваний конденсатор Сх (або калібрувальний С1 при включеному тумблері SA2) розряджений через R1. Вимірювальний конденсатор, на якому (не на випробовуваному безпосередньо) вимірюється напруга, пропорційна ємності випробовуваного Сх, розряджений через контакти SA1.2. При натисненні кнопки SA1 випробовуваний Сх (С1) заряджає через відповідні піддіапазони (галетний перемикач SA3) резистори R2... R11. При цьому зарядний струм Сх (С1) проходить через світлодіод VD1, чия яскравість свічення дозволяє судити про струм витоку (опорі, що шунтує конденсатор) в кінці заряду конденсатора. Одночасно з Сх (С1) через джерело стабілізованого струму VT1,VT2,R14,R15 заряджає і вимірювальний (явно справний і з малим струмом витоку) конденсатор С2. VD2, VD3 використовуються для запобігання розряду вимірювального конденсатора через джерело напруги живлення і стабілізатор струму відповідно. Після заряду Сх (С1) до рівня, який визначається резисторами R12, R13 (в даному випадку до рівня зразково половини напруги джерела живлення), компаратор DA1 відключає джерело струму, синхронне з Сх (С1) заряд С2 припиняється і напруга з нього, пропорційна ємності випробовуваного Сх (С1) відображається мікроамперметром PA1 (дві шкали із значеннями кратними 3 і 10, хоча можна налаштувати на будь-яку шкалу) через повторювач напруги DA2 з високим вхідним опором, що також забезпечує довге збереження заряду на С2.
При налаштуванні положення калібрувального змінного резистора R17 фіксується в яким-небудь положенні (наприклад, в середньому). Підключаючи еталонні конденсатори з точно відомими значеннями ємності у відповідному діапазоні, резисторами R2, R4, R6-R11 виконується калібрування вимірювача - підбирається такий струм заряду, щоб еталонні значення ємностей відповідали певним значенням на вибраній шкалі.
Після калібрування один з еталонних конденсаторів стає калібрувальним С1. Тепер при зміні напруги живлення (зміни температури навколишнього середовища, наприклад при сильному охолоджуванні готового відладженого приладу на морозі покази ємності виходять заниженими відсотків на 5 або просто для контролю точності вимірювань достатньо підключити С1 тумблером SA2 і, натиснувши SA1, калібрувальним резистором R17 виконати підстроювання PA1 на вибране значення ємності С1.
При роботі з приладом потрібно бути уважним з полярністю підключення електролітичних (полярних) конденсаторів. При будь-якій полярності підключення індикатор показує одне і те ж значення ємності конденсатора, але при неправильній полярності підключення, тобто «+» конденсатора до «-» приладу, світлодіод VD1 відображає великий струм витоку (після заряду конденсатора світлодіод продовжує яскраво горіти), тоді як при правильній полярності підключення світлодіод спалахує і поступово гасне, демонструючи зменшення зарядного струму до дуже малої величини, практично до повного затухання (слід спостерігати 5-7 секунд), за умови, що випробовуваний конденсатор володіє малим струмом витоку. Неполярні неелектролітичні конденсатори мають дуже малий струм витоку, що і видно по дуже швидкому і повному гасінню світлодіода. А якщо ж струм витоку великий (опір, що шунтує конденсатор малий), тобто конденсатор старий і «тече», то свічення світлодіода видно вже при Rвитікання = 100 кОм, а при менших шунтуючих опорах світлодіод горить ще яскравіше.
Таким чином можна по свіченню світлодіода визначати полярність електролітичних конденсаторів: при тому підключенні, коли струм витоку менше (світлодіод менш яскравий) - полярність конденсатора відповідає полярності приладу.