Л. А. Курочкина. Измеритель емкости оксидных конденсаторов

"Радио - начинающим"

Цифровой измеритель емкости оксидных конденсаторов
Фотография цифрового измерителя емкости да короткое сообщение о нем - вот и все, что увидели читатели журнала в "Радио", 1984, № 12, стр. 38.
Малые габариты прибора и достаточно широкие пределы измерения не остались незамеченными юными радиолюбителями.
В адрес редакции и авторов разработки стали поступать многочисленные письма с просьбой рассказать о конструкции этого измерительного прибора, весьма нужного в радиолюбительской практике.
Немало пришлось потрудиться руководителю лаборатории радиоэлектроники клуба юных техников новосибирского Академгородка Людмиле Александровне Курочкиной, чтобы подготовить сегодняшний рассказ.
Вместе с автором редакция надеется получить от читателей отзывы о работе прибора и советы по его возможной модернизации с целью упрощения, повышения точности измерения, снижения потребляемой мощности.

Емкость оксидного конденсатора, как известно, со временем может измениться, и даже весьма значительно. Поэтому еще до установки таких конденсаторов в конструкцию желательно измерить их действительную емкость и сделать вывод о целесообразности использования того или иного конденсатора в соответствующей цепи.
Для этих целей и предназначен предлагаемый прибор с цифровой индикацией, который разработан и изготовлен активистом нашей лаборатории радиоэлектроники Евгением Волковым. Вот уже несколько лет прибор успешно используется нами для проверки конденсаторов емостью от 10 до 9999 мкФ.
Принцип действия прибора основан на измерении продолжительности разрядки проверяемого конденсатора при строго фиксированных уровнях зарядки и разрядки.
Познакомимся сначала со структурной схемой измерителя емкости, показанной на 4-й с. вкладки вверху слева. Прибор состоит из генератора тактовых импульсов, устройства сравнения, электронного ключа, счетчика импульсов с дешифратором, цифрового индикатора и источника питания (на схеме не показан).
В исходном состоянии, когда проверяемый конденсатор С_x подключен ко входу прибора, переключатель рода работы SВ1 находится в показанном на схеме положении. Конденсатор оказывается заряженным до напряжения источника питания U₀ через резистор R_зар (рис. 1,а в тексте). Измерение емкости конденсатора начинается при нажатии кнопки переключателя (момент t₁).

В этом случае конденсатор подключается к одному из входов устройства сравнения и начинается его разрядка через резистор R_раз по экспоненциальному закону. Через некоторый интервал времени (t₂— t₁), пропорциональный постоянной времени разрядки, напряжение на конденсаторе упадет до U_оп, равного 0,368 U₀. Такое напряжение называется опорным и подается на второй вход устройства сравнения (или имеется в нем, как в нашем случае).
В течение всего времени разрядки на выходе устройства сравнения будет такой сигнал (рис. 1, б), при котором электронный ключ открыт. И все это время через ключ будут проходить импульсы тактового генератора(рис. 1, в). Иными словами, за время разрядки конденсатора через ключ пройдет

Рис. 1

пачка импульсов. Число их в пачке подсчитывает счетчик-дешифратор, а цифровой индикатор высвечивает результат подсчета.
Принципиальная схема измерителя емкости приведена на рис. 2. К выводам проверяемого конденсатора подключают выносные щупы ХР1 и ХР2, которые соединены экранированным проводом через разъем Х3 с устройством сравнения. Это устройство собрано на транзисторах VT1, VT2 и представляет собой триггер Шмитта. На транзисторе же VT3 собран усилитель - ограничитель сигнала управления (импульс на рис. 1, б), поступающего на ключ.
Заряжается проверяемый конденсатор через резистор R5 до напряжения U₀ = +5 В, а разряжается через резисторы R6, R7.
Пока заряженный конденсатор не подключен к базе транзистора VT1, на выходе устройства (на коллекторе транзистора VT3) уровень логического 0 (транзистор открыт).
Электронный ключ, выполненный на элементе DD1.4, закрыт.
Как только нажимают кнопку SВ1 и подключают заряженный конденсатор к базе транзистора VT1, триггер Шмитта срабатывает и закрывает транзистор VT3. Его выходной сигнал в виде логической 1 поступает на электронный ключ и открывает его.
Триггер Шмитта переходит в первоначальное состояние, когда напряжение на конденсаторе упадет до уровня 0,368 U₀, т. е. до 1,84 В. Такое опорное напряжение должно быть на базе транзистора VТ2 (относительно общего провода, а не эмиттера транзистора).

Рис. 2

Генератор тактовых импульсов собран на элементах DD1.1 и DD1.2. Его частота выбрана равной 1 МГц и стабилизирована кварцевым резонатором ZQ1. Через инвертор DD1.3 импульсы генератора поступают на делитель частоты, выполненный на счетчиках DD2 — DD4. В итоге на вход ключа DD1.4 поступают импульсы, следующие с частотой 1000 Гц. Такая частота удобна тем, что при разрядном резисторе (суммарное сопротивление резистора R7 и введенной части резистора R6) сопротивлением 1000 Ом число импульсов, поступивших на счетчик-дешифратор через электронный ключ, пропорционально емкости проверяемого конденсатора в микрофарадах. Двоично-десятичный счетчик — четырехразрядный, он собран на микросхемах DD6 — DD9. С помощью дешифраторов DD10 — DD13 состояния счетчиков преобразуются в сигналы управления семисегментными индикаторами НG1 — НG4. Счетчик DD6, дешифратор DD10 и индикатор НG1 образуют младший разряд измерителя (в конструкции индикатор НG1 — крайний справа), а счетчик DD9, дешифратор DD13 и индикатор НG4 — старший (индикатор НG4 — крайний левый). Цепь установки счетчиков в нулевое состояние, а значит, сброса показаний индикаторов, выполнена на элементе DD5.1, резисторе R16 и кнопке SВ2.

Блок питания выполнен на понижающем трансформаторе Т1, выпрямительном мосте VD1, стабилизаторе напряжения, в котором работают стабилитрон VD3 и транзисторы VТ5, VТ6, и каскаде защиты блока от коротких замыканий нагрузки — он собран на транзисторе VТ4. Выходное напряжение устанавливают подстроенным резистором R19. Выпрямленное напряжение сглаживается конденсатором С3, а выходное защищено от импульсных помех конденсаторами С4 — С8 (они расположены непосредственно вблизи защищаемых цепей).
О деталях прибора. В нем применены постоянные резисторы МЛТ-0,125, резистор R7 желательно использовать с возможно меньшим ТКС (температурный коэффициент сопротивления), например, типа С5-16. Подстроенный резистор R6 — СП5-1 либо СПО-0,5, R19 — СПЗ-16. Конденсатор С3 — К50-6, остальные могут быть любые малогабаритные.
Кроме указанных на схеме КТ315А, подойдут любые транзисторы серий КТ312, КТ315. Вместо транзистора П702 (VТ6) подойдет КТ807А -(в любом варианте транзистор устанавливают на радиатор). На месте VТ4, VТ5 могут работать любые транзисторы из серий МП35 — МП38. Выпрямительный мост VD1 — любой из серий КЦ402—КЦ405, диод VD2 — любой из серии Д226 или Д7.
Индикаторы АЛ304Б заменимы на АЛ304А, АЛ304В. Кварцевый резонатор — на частоту 1 МГц.

В качестве трансформатора подойдет унифицированный выходной трансформатор кадровой развертки телевизоров ТВК-110ЛМ, если перемотать его вторичную обмотку проводом ПЭВ-1 0,51 (90...100 витков). Для самодельного трансформатора понадобится магнитопровод Ш14x21. Обмотка I должна содержать 1500 витков провода ПЭВ-1 0,1, обмотка II — 55 витков ПЭВ-1 0,51.
Входной разъем прибора — высокочастотный, возможно меньших габаритов. Он должен быть изолирован от корпуса. Прибор смонтирован в корпусе размерами 115x60x200 мм. Верхняя П-образная крышка согнута из мягкого листового дюралюминия толщиной 2 мм. Ее прикрепляют к шасси, внутри которого размещены печатные платы и некоторые детали (см. 4-ю стр. вкладки). В передней стенке шасси выпилено прямоугольное отверстие, через которое видны индикаторы. На этой же стенке размещены выключатель питания, входной разъем, кнопки измерения и сброса. Стенка закрыта лицевой панелью из органического стекла, окрашенной сзади в серый цвет. Надписи выполнены наборным алфавитом.
На задней стенке шасси размещены держатель предохранителя с предохранителем, регулирующий транзистор с радиатором и ввод сетевого шнура.

Часть деталей прибора смонтирована на трех печатных платах (рис. 3, 4 в тексте и 4-я стр. вкладки в предыдущем номере) из фольгированного двустороннего стеклотекстолита толщиной 1,6 мм. Индикаторы расположены на небольшой плате из стеклотекстолита. Их выводы соединяют с платой, на которой смонтированы дешифраторы, отрезками многожильных монтажных проводников в изоляции.
Кварцевый резонатор установлен на стойке из пенопласта, приклеенной к шасси. На шасси закреплены трансформатор питания, конденсатор фильтра, диодный мост, подстроечный резистор R6. Блокировочные конденсаторы С4 — С8 (они на чертежах печатных плат не показаны) припаяны к проводникам питания со стороны микросхем. Два конденсатора можно разместить на некотором расстоянии друг от друга на плате тактового генератора, два — на плате счетчика-дешифратора и один — на плате стабилизатора напряжения (параллельно резистору R21).
По окончании монтажа тщательно проверяют его правильность, а затем приступают к проверке работы и налаживанию прибора. Первым проверяют блок питания. К его выходу (резистор R21) вместо узлов прибора подклю-

чают эквивалент нагрузки — резистор сопротивлением 10 Ом на номинальную мощность не менее 5 Вт.
Подстроечным резистором R19 устанавливают выходное напряжение точно 5 В и выдерживают блок включенным в течение часа — выходное напряжение должно оставаться практически неизменным.
После подачи питающего напряжения на узлы прибора должны высвечиваться цифры на индикаторах. Чтобы на них были нули, нажимают кнопку SB2 «Сброс». Подав теперь на вход С1 счетчика DD6 от образцового генератора импульсы частотой 1...3 Гц, можно наблюдать работу устройств в режиме счета. Если такого генератора нет, подойдет простейший мультивибратор, собранный на свободных элементах микросхемы DD5 либо на отдельной микросхеме К155ЛА3.
Далее проверяют режим транзисторов VT1 и VT3 в исходном состоянии — они должны быть открыты и находиться в насыщении, т. е. напряжения между коллектором и эмиттером должны быть близки к нулевому. Транзистор же VT2 закрыт, но напряжение на его базе должно быть равно 1,84 В относительно общего провода (минусового провода питания).

Устанавливают это напряжение подбором резисторов R1O, R11 (а иногда и R8). Если после этого соединить вывод базы транзистора VT1 с общим проводом, пойдет непрерывный счет импульсов — на индикаторах будут мелькать цифры.
Сняв перемычку между базой транзистора VT1 и общим проводом и сбросив показания индикаторов кнопкой SB2, можно подключить входные щупы прибора к выводам проверяемого конденсатора известной емкости. Подстроенным резистором R6 добиваются более точных показаний прибора. Подключая к прибору другие конденсаторы известной емкости, записывают показания прибора — они не должны отличаться от истинного значения емкости более чем на 10 %. Диапазон измерений емкостей можно расширить в сторону меньших значений, произведя небольшую доработку прибора. Цепь коллектора транзистора VT3 нужно отсоединить от вывода 13 элемента DD1.4 и подключить к выводу 10 (он отключается от других цепей) элемента DD1.3, а освободившийся вывод 13 элемента DD1.4 подключать к выходам микросхем DD2 — DD4 в зависимости от нужного диапазона измерения емкостей.

Л. А. КУРОЧКИНА
г. Новосибирск

"Радио", 1988 г., № 8, 9