Измеритель ёмкости ионисторов и конденсаторов большой ёмкости

[Admin]

Измеритель ёмкости ионисторов и конденсаторов большой ёмкости

И.Нечаев, Москва

Для измерения ёмкости конденсаторов есть несколько способов, но не все они пригодны для измерения ёмкости более нескольких сотен микрофарад. Особенно большие проблемы возникают при измерении ионисторов, ёмкость которых может достигать 10 Ф и даже более. Между тем существует относительно простой и, кстати сказать, давно известный способ, основанный на измерении времени зарядки конденсатора от источника напряжения через резистор известного сопротивления. Как известно, если подключить конденсатор ёмкостью С через резистор сопротивлением R к источнику напряжения U (рис. 1), начнётся зарядка конденсатора и напряжение на нём (Uc) будет увеличиваться по экспоненциальному закону:

Uc = U(1 - exp[-t/(RC)])

где е — основание натурального логарифма (е « 2,718); t — время; RC — так называемая постоянная времени RC-це-пи, которая не зависит от напряжения. В момент времени, когда t = trc = RC, напряжение на конденсаторе будет равно Uс = U(1-1/e) = U( 1-0,367) = 0.633U. Поэтому, измерив временной интервал от начала зарядки конденсатора до момента, когда напряжение на нём достигнет значения 0,6331), можно с помощью простого расчёта определить ёмкость измеряемого

конденсатора С = Если сопротивление резистора будет "круглым", например 10 кОм, все расчёты можно легко проводить в уме. Например, для указанного резистора время зарядки конденсатора до 0,6331) составило 46 с, тогда ёмкость измеряемого конденсатора С„ = 46/104 = 46 мФ = 4600 мкФ.

Таким образом, в этом случае коэффициент пересчёта К = 100 мкФ/с. Для резистора R = 1 кОм время измерения уменьшится в 10 раз, а коэффициент пересчёта К = 1000 мкФ/с.

По такому принципу и работает предлагаемый измеритель. Сделать его можно в виде приставки к компьютеру или другому электронному устройству со встроенным секундомером, например, к электронным (электронно-механическим) часам или сотовому телефону. Особенно следует подчеркнуть относительную простоту реализации данного способа и отсутствие необходимости проведения калибровки с помощью эталонных конденсаторов (достаточно цифрового вольтметра). Кроме того, напряжение также может быть любым (в разумных пределах), главное, чтобы оно не изменялось за время проведения измерения. Для измерения ёмкости ионисторов может потребоваться несколько минут, в сочетании с погрешностью измерения в несколько процентов это вполне допустимо для радиолюбительской практики.

Следует отметить, что на погрешность измерения влияют токи утечки и последовательное сопротивление (ESR) конденсаторов и ионисторов. Например, ESR ионисторов некоторых типов может достигать 30 Ом, и если заряжать такой ионистор через резистор сопротивлением 100 Ом, погрешность измерения может составить десятки процентов. Поэтому сопротивление резистора, через который осуществляется зарядка конденсатора, должно быть не менее 1 кОм.

Вниманию читателей предлагается измерительная приставка к электронно-механическим часам. Схема устройства представлена на рис. 2. Оно питается от встроенного в часы элемента питания (1,5 В), а сами часы можно использовать и по прямому назначению. В исходном состоянии напряжение питания поступает на микросхему, и часы работают в штатном режиме. При подключении приставки контакты гнезда XS1 размыкаются, часы останавливаются и питающее напряжение поступает на приставку. Она содержит повышающий стабилизированный преобразователь напряжения на микросхеме DA1, компаратор на ОУ DA2, электронный ключ на транзисторе VT1 и световой индикатор на светодиоде HL1.

После подачи питающего напряжения на приставку транзистор VT1 закрыт и преобразователь напряжения обесточен. Для измерения ёмкости конденсатора или ионистора его предварительно разряжают и затем подключают с соблюдением полярности к зажимам XS2, XS3 и кратковременно нажимают на кнопку SB1 "Пуск". На часы поступает напряжение питания, и они начнут отсчёт времени, одновременно начинает работать преобразователь напряжения, на его выходе появляется напряжение 3,3 В и включается светодиод HL1. Поскольку измеряемый конденсатор разряжен, напряжение на инвертирующем входе ОУ DA2 меньше, чем на неинвертирующем и на выходе будет напряжение 2...2,2 В. Транзистор VT1 откроется, и после отпускания кнопки SB1 напряжение продолжит поступать на преобразователь напряжения и на часы, которые продолжат отсчёт ; времени зарядки. Выбор выходного напряжения преобразо- г вателя (3,3 В) обусловлен тем, что в этом случае конденсатор будет заряжаться до напряжения Uc = 3,3 0,633 = 2,088 В, поэтому с помощью приставки можно измерять ёмкость ионисторов и конденсаторов с номинальным напряжением 2 В и более.

Как только конденсатор зарядится до указанного напряжения, на выходе ОУ DA2 появится напряжение, близкое к нулю, транзистор VT1 закроется, часы и преобразователь напряжения будут обесточены и светодиод погаснет — процесс измерения завершён. Остаётся считать показания часов и определить ёмкость с учётом коэффициента пересчёта, установленного переключателем SA1. Для удобства проведения измерений часы предварительно устанавливают на начало отсчёта. Для повторного измерения того же конденсатора надо предварительно разрядить его, нажав на кнопку SB2 "Разрядка" на несколько десятков секунд. Для разрядки ионистора и оксидного конденсатора ёмкостью более нескольких тысяч микрофарад это надо сделать несколько раз.

Налаживание начинают с проверки работоспособности преобразователя напряжения и установки порога переключения ОУ Для этого проволочной перемычкой временно закорачивают выводы коллектора и эмиттера транзистора VT1, зажимы XS2 и XS3 соединяют между собой и подают напряжение 1,5 В от регулируемого блока питания. При изменении положения переключателя SA1 и уменьшении напряжения питания до 1,2 В выходное напряжение преобразователя не должно изменяться более чем на несколько процентов. В положении переключателя SA1 "100" к зажимам XS2, XS3 подключают переменный (желательно многооборотный) резистор сопротивлением 33 кОм. Выходное напряжение преобразователя 1)п измеряют цифровым вольтметром с разрешением не менее трёх цифр после запятой. Переменным резистором устанавливают на зажимах XS2, XS3 напряжение U = 0,633Un. Затем, контролируя напряжение на выходе ОУ, движок построечного резистора R5 устанавливают в положение, при котором малейшие изменения его положения приводят к переключению ОУ. Так погрешность переключения, обусловленная напряжением смещения ОУ, будет скомпенсирована. После удаления перемычки между коллектором и эмиттером транзистора и переменного резистора приставка готова к работе.

В приставке применены резисторы и конденсаторы для поверхностного монтажа. Постоянные резисторы PH 1 -12 и конденсатор С1 (К10-17в) — типоразмера 1206, подстроечный резистор — PVZ3A (POZ3A), PVA3A (RVG3A), конденсатор С2 — танталовый типоразмера А или В. Для повышения точности измерения резисторы R3 и R4 следует подобрать с отклонением от номинала не более 0,5 %. Транзистор можно применить любой маломощный с коэффициентом передачи тока базы (h213) не менее 100. Светодиод — повышенной яркости свечения зелёного или красного цвета с диаметром корпуса 3 или 5 мм. Дроссель намотан на кольцевом магнитопроводе диаметром 6 мм от трансформатора КЛЛ и содержит 6...7 витков провода ПЭВ-2 0,3. Переключатель — малогабаритный движковый ПД9-1 (SPDT), В3001, В3037, кнопки — любые малогабаритные с са-мовозвратом, зажимы XS2, XS3 — "крокодил".

Большинство деталей размещены на односторонней печатной плате из стеклотекстолита, чертёж которой представлен на рис. 3, а схема расположения элементов — на рис. 4. Кнопки закреплены на верхней крышке корпуса, в ней же сделаны отверстия для светодиода и движка переключателя. Для проводов в передней и задней стенках корпуса сделаны отверстия. Часы — любые электронно-механические, в корпусе которых можно установить гнездо. Их доработка минимальна — надо перерезать печатный проводник, идущий от "+" элемента питания к микросхеме часов и установить гнездо XS1 (гнездо для подключения головных стереотелефонов). Внешний вид устройства показан на рис. 5.