Прилад для вимірювання ємностей без випайки їх зі схем

В приладі передбачена  можливість вимірювання і полярних конденсаторів, що мають велику витік, назад-зміщений р-п переходів транзисторів або діодів. Для цього до неінвертірующему входу мікросхеми 0А1 автогенератора подано постійне напруга зміщення з дільник В.1Н2. У цьому випадку на виході мікросхеми ОАЕ інтегратора утворюється постійна складова порядку 2В. Такий режим роботи відповідає верхньому (по схемі) положенню перемикача ЗА 1.1. 

Двуполярний блок живлення складається з трансформатора Т1, двох випрямлячів І стабілізаторів з вихідними напруженнями +9 і -9 В, виконаних за однаковою схемою. В  якості опорних елементів зразкового напруги У02 і \ ЛЕЗ застосовані стабілітрони з підвищеною температурною і тимчасової залежністю. Вихідна напруга стабілізаторів можна змінювати подстровчнимі резистори В.15 і В18. 
 

В конструкції  приладу використані постійні резистори  С2-8 (В29 - Н34) з потужністю розсіювання 0,25 Вт та допустимі відхилення від номінального значення ± 1%, решта МЛТ-0, 25 (мож ¬ но застосувати і з потужністю розсіювання 0,5 Вт ), подстроечние-СП5-2. Резистори Я29 - ВЗЗ відібрати з вказаним значенням опору або виконати складовими з декількох резисторів. Оксидні конденсатори типу К50-6 або К50-16, інші керамічні - трубчасті КТ та монолітні КМ різних модифікацій. Конденсатори С9 (КМ-6) і Сю (КМ-4) слід підібрати з точністю не гірше ± 1%. Переключатели ЗА1 - МТЗ (можлива заміна на МТДЗ, ТП1-2), ЗА2-МТ1 (МТД1, ТВ2-1), ЗАЗ - ПГ2-1-6П1Н. В якості стрілочного індикатора застосований мікроамперметр типу М1792 на 100 мкА, клас точності 0,5 (бажано зі шкалою, що має 100 поділок, це зручно при відліку). 

Трансформатор живлення Т1 саморобний. Магнітопровод світ з пермаллоевой стрічки шириною 25 мм, товщина навівкі 6,5 мм. Мережева обмотка (1-2) виконана проводом ПЕВ-2 0,13 і має 2400 витків. Понижують обмотки 3-4 і 5-6 однакові, вони виконані проводом ПЕВ-2 0,3 і мають по 165 витків. Між мережевої і понижающий обмотками мають екран з мідної фольги у вигляді незамкненого витка (укладають між шарами ізолюючої прокладки). При відсутності умов для самостійного виготовлення трансформатора харчування можна скористатися готовим трансформатором ТВК-70 або ТВК-110 від чорно-білих телевізорів, але вони вимагають доопрацювання. Первинну обмотку можна залишити і використовувати її як мережевий. Вторинну обмотку зняти, і намотать дві нові з таким розрахунком, щоб змінну напругу 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  та блок живлення, а з лицьової сторони  встановлюють мікроамперметр, перемикачі і гнізда для підключення цифрового вольтметра. Для під'єднання вимірюється конденсатора можна використовувати гнізда або застосувати нераз'емние ви-води з ізольованих провідників з наконечниками типу «крокодил» (саме такий варіант автор застосував у показано на малюнку варіанті виконання). Висновки повинні мати мінімальну довжину, досить товстий шар ізоляції (краще надягти на них фторопластовие або силіконові трубочки) і розташовані щодо один одного на деякій відстані з тим, щоб зменшити власну ємність і знизити вплив формувачі трикутною напруги на вхід мікросхеми 0А5, яка може викликати зміщення нульових показань на низьких межах вимірювань (10 і 100 пФ). З цією ж метою доцільно між висновками С, встановити екран (симетрично щодо висновків і площині передній панелі на фотографії не показаний) з латунного ній дюралюмініего брусочка розмірами 10x5x20 мм. Малюнок друкованої плати показано на рис. 3, а, розташування на ній елементів-на рис. 3, б. На платі блоку живлення розташовані випрямних мости та конденсатори С4 та С5, монтаж цих елементів-з'єднувальним провідниками. 

Регулювання приладу  слід почати з ретельної перевірки  правильності монтажу, зборки і з'єднання  вузлів. Перевірку працездатності окремих  вузлів і блоків краще проводити  при наявності вольтметра з внутрішнім опором не менше 10 кОм / В (можна використовувати Радіоаматорський авометр) і осцилографа, можна навіть середнього класу, такого, наприклад, як Осцилографи групи ОМЛ. Перевірку роботи вузлів вимірника ємності проводять при відключеному індикаторі РА1.

Спочатку необхідно виміряти напруги на виходах стабілізаторів живлення і, у разі їх відхилення від норми (+9 і -9 В), провести необхідну регулювання подстроечнимі резистори Н15 і П18. Потім перевірити напругу живлення, подводімое до кожної мікросхеми.

Після цього  осцилографом перевіряють форму  коливань на виході мікросхеми ОМ. 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 несиметричний щодо нуля, то регулюванням підлаштовано резистора 016 призвести зсув в потрібну сторону. 

Вхід осцилографа  перемкнути до емітером транзистора \ ЛГ4 і перевірити роботу інтегратора. Коливання повинні бути симетричної  трикутної форми з гарною лінійність, а їх частота залежати від положення  перемикача 8А2. У положенні «х1»  вона повинна бути 1000 Гц, а «х1000» - 1 Гц, частоти визначаються величинами конденсаторов С9, Сю і резистори ню, І11. У процесі регулювання частоту інтегратора встановлюють регулюванням підлаштовано резистора Я10. Перекручування можуть виникнути при низькій якості мікросхеми КОЖНІ або при зміщення сигналу від нульового рівня.

Регулювання каскадів на мікросхемах РА5 і 0А6 починають  з межі «1002» перемикача 5АЗ при  множник «х1» (5А2). Для цього осцилограф із захисним резистором підключають  до висновку 6 мікросхеми РА6, а паралельно входу осцилографа - Вольтметр постійного струму з межею вимірювань 3 ... 5 В. При нормальній роботі каскадів Вольтметр буде мати незначне відхилення, якщо клеми «СГ» розімкнутих. При підключенні конденсатора з ємністю 1000 пФ на екрані осцилографа будуть коливання трапецеїдальних форми. Вольтметр з тим же межею вимірювань перемкнути на вихід синхронного детектора (паралельно резистори В26) осцилографом по черзі перевірити на затвора транзисторів УТЗ і \ ЛГ5 управляючий напругу прямокутної форми - воно повинне бути амплітудою близько 8 В і протівофазним.

Балансування  роботи синхронного детектора виробляють резистором В26 при розімкнутих висновках  підключення вимірюваних конденсаторов  встановленням мінімального напруги  за шкалою вольтметра. При підключенні вимірюється конденсатора ємністю 1000 пФ Вольтметр реєструє напруга порядку 1 В.

Тепер підключають  індикатор Р1 і перевіряють калібрування приладу в комплексе.начіная з  вибору компенсації паразитного  ємності приладу й наводки. Для цього резистори В4 і Н38 встановлюють у положення мінімальних опорів між движком і загальною шиною живлення при відключеному вимірюваним конденсаторі. При цьому стрілка індикатора повинна встановити в районі нульової позначки шкали. Якщо цього не відбувається, значить, в приладі є несправності. Після цього перевірити установку нуля в положеннях перемикача ВАЗ «10», «1» і «0,1» * Якщо прилад працює нормально, то стрілка легко встановлюється в початкове положення (можливий її дрейф в межах не більше одного ділення шкали). 

Калібрування показів на кожному з поддіапазонов проводять почерговий підключенням до висновків «Ск» зразкових конденсаторів з місткостями 10, 100 ПФ і так далі до 1 мкФ, що мають допуск на розкид значення не більше 1%. Перемикач ЗА2 перевести в положення «х1», а ЗАЗ - в положення, відповідне ємності зразкового конденсатора. Підключивши перший із зразкових конденсаторів, резистором Н37 встановити відхилення стрілки на останнє поділ шкали (при роботі з цифровим вольтметром встановлення значущих цифр виробляють регулюванням резистора Р22) У випадку, якщо на інших межах вимірювань будуть спостерігатися відхилення від максимального значення шкали, то слід більш точно підібрати опору резисторів Н29 - В34 у відповідних положеннях перемикача.

Після цього  проводять перевірку показань в положенні перемикача ЗА2 «х1000», підготувавши зразкові конденсатори з місткостями від 1 до 1000 мкФ. При перевірці конденсаторів з місткостями вище 1 МКФ в 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 С14 (С13 при роботі з цифровим вольтметром) у два-три рази.

Після електричної  тренування вимірника ємності протягом кількох 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, у ємнісних реле охоронних пристроїв.

                      3.  ВИМІРЮВАЧ ЄМНОСТІ  КОНДЕНСАТОРА

Цей пристрій побудовано на основі приладу, раніше описаного в нашому журналі . На відміну від більшості таких приладів воно цікаво тим, що перевірка справності і ємності конденсаторів можлива і без їх демонтажу з плати. В експлуатації пропонований вимірник досить зручний і має достатню точність.

Той, хто займається ремонтом побутової чи промислової радіоапаратури, знає, що справність конденсаторів зручно перевіряти без їх демонтажу. Однак багато вимірювачі ємності конденсаторів такої можливості не надають. Щоправда, одна подібна конструкція була описана . Вона має невеликий діапазон вимірювання, нелінійну шкалу зі зворотним відліком, що знижує точність. При проектуванні ж нового вимірника вирішувалася завдання створення приладу з широким діапазоном, лінійної шкали і прямим відліком, щоб можна було користуватися ним, як лабораторним. Крім цього, прилад повинен бути діагностичним, тобто здатним перевіряти та конденсатори, зашунтірованние р-п конвертаціями напівпровідникових приладів і опору резисторів.

Принцип роботи приладу такий. На вхід діфференціатора, у якої перевіряється конденсатор використовується як диференціюються, подається напруга трикутної форми. При цьому на його виході виходить меандр з амплітудою, пропорційною ємності цього конденсатора. Далі детектор виділяє амплітудно значення меандра і видає постійне напруження на вимірювальну головку. 

Амплітуда вимірювального напруги на щупах приладу приблизно 50 мВ, що недостатньо для відкриття  р-п переходів напівпровідникових приладів, тому вони не мають свого  шунтірующего дії. 

Прилад має  два перемикача. Перемикач меж "Шкала" з п'ятьма положеннями: 10 мкФ, 1 мкФ, 0,1 мкФ, 0,01 мкФ, 1000 пФ. Перемикачем "Множник" (ХЮ00, хЮО, хЮ, Х1) змінюється частота вимірювання. Таким чином, прилад має вісім поддіапазонов вимірювання ємності від 10 000 мкФ до 1000 пФ, що практично достатньо, в більшості випадків.

Генератор трикутні коливань зібраний на ОУ мікросхеми ОА1.1, ОА1.2, ОА '\ .4 (рис. 1). Один з них, ОА1, 1, працює в режимі компаратор і формує сигнал прямокутної форми, що надходить  на вхід інтегратора ОА1.2. Інтегратор перетворює прямокутні коливання в трикутні. Частота генератора визначається елементами Р4, С1 - С4. У ланцюга зворотного зв'язку генератора варто инвертор на ОУ ОА1.4, який забезпечує автоколебательний режим. Перемикачем 8А1 можна встановлювати одну з частот вимірювання (множник): 1 Гц (Х1000), ЮГц (хЮО), ЮОГц (хЮ), 1 kHz (Х1).

ОУ ОА2.1 - повторювачі  напруги, на його виході сигнал трикутної  форми амплітудою близько 50 мВ, який і використовується для створення  вимірювального струму через які  перевіряються конденсатор сх.

 
Так як ємність конденсатора вимірюється  в платі, на ньому може знаходитися  залишковий напруга, тому для виключення пошкодження вимірника паралельно його щупам підключені два встречнопараллельних діод моста \ Ю1. 

ОУ ЕА2.2 працює як діфференціатор і виконує роль перетворювача струм - напруга. Його вихідна напруга:  
івих = (^ 12 ... Р16) 1вх = (Р12. .. Р16) сх-а, і / а, 1.  
Наприклад, при вимірі ємності 100 мкФ на частоті 100 Гц получается: 1вх = СХ-СШ / о, т = 100-100мВ/5мс = 2мА, івих = Я16 1 ^ = 1 кОм мА = 2 В.

Елементи Р11, С5 - С9 необхідні для стійкої роботи діфференціатора. Конденсатори усувають коливальні процеси на фронтах меандра, які роблять неможливим точне  вимірювання його амплітуди. У результаті на виході виходить РА2.2 меандр з плавними фронтами і амплітудою, пропорційної вимірюваної ємності. Резистор Р11 також обмежує вхідний струм при замкнутих щупах або при пробитим конденсаторі. Для вхідний ланцюга вимірника має виконуватися нерівність:  
(3 ... 5) Схт1 <1 / (2Г). 

Якщо це нерівність не виконано, то за половину періоду ток 1вх не досягає усталеного значення, а меандр - відповідної амплітуди, і з езнікает погрішність у вимірі. Наприклад, у вимірювачі, описаному в [1], при вимірі ємності 1000 мкФ на частоті 1 Гц постійна часу визначається як  
Сх • В25 = 1000 мкФ • 910 Ом = 0,91 с.  
Половина ж періоду коливань Т / 2 становить лише 0,5 с, тому на цій шкалі вимірювання виявляться помітно нелінійними.

Синхронний детектор складається з ключа на польовому  транзисторі \ / Т1, вузла управління ключем на ОУ ОА1.3 і накопичувального конденсатора С10. ОУ ОА1.2 видає керуючий сигнал на ключ \ / Т1 під час позитивної полуволни меандра, коли його амплітуда встановлена. Конденсатор Сю запам'ятовує постійне напруження, виділене детектором.

З конденсатора Сю напруга, яка несе інформацію про величину ємності сх, через повторювачі ОА2.3 подається на мікроамперметр РА1. Конденсатори С11, С12 - згладжує. З движка перемінного резистора калібрування В22 знімається напруга на цифровий Вольтметр з межею вимірювання 2 В.

Джерело живлення (рис. 2) видає двухполярние напруги  ± 9 В. Опорні напруги утворюють термостабільние  стабілітрони \ ЛЕ5, \ Ю6. Резистори В25, В26 встановлюють необхідну величину вихідної напруги. Конструктивно джерело  живлення об'єднаний з вимірювальної частиною приладу на загальній монтажної плати.