Прибор для измерения емкости

В любой домашней лаборатории радиолюбителя для конструирования и выполнения регулировочных работ необходим прибор для измерения емкости. В данном описании предлагается сравнительно дешевый, малогабаритный и достаточно точный измеритель. Он позволяет не только определить в широких пределах емкости конденсаторов, но и оценить величину емкости монтажа, погонной емкости кабеля, емкости переходов полупроводниковых приборов.
Анализируя предлагаемые в радиолюбительской литературе варианты аналогичных приборов, убедился, что они в той или иной мере обладают низкой помехозащищенностью, имеют большие погрешности при измерении малых значений параметра из-за наличия индуктивных составляющих, громоздки конструкционно, имеют сложные электрические схемы, часто неудобны в эксплуатации из-за нелинейной шкалы. Поэтому принцип действия таких приборов нельзя положить в основу разработки более удобного измерителя, особенно при измерении малых значений емкости.
При конструировании нового измерителя емкости была поставлена задача найти иные приемлемые решения для создания прибора с прямым отсчетом и линейной шкалой, высокой разрешающей способностью, широким динамическим диапазоном, малой погрешностью, высокой надежностью. После проведения серии сопутствующих экспериментов такой прибор был построен. При всех названных технических качествах разработанное устройство получилось небольших габаритов, массы и недорогое в изготовлении. Его повторение не потребует от радиолюбителей поиска никаких дефицитных элементов, а при регулировке—сложного метрологического обеспечения

Внешний вид прибора показан на рис. 1.

Рис.1

Его основные технические характеристики: диапазон измеряемых емкостей от 1 пф до 1000 мкФ разбит на 12 поддиапазонов (6 положений переключателя пределов с двумя положениями переключателя множителя отсчета); погрешность измерения, приведенная к верхнему пределу поддиапазона, при использовании в качестве индикатора стрелочного измерителя класса точности 0,5 — не более 2%, цифрового вольтметра—1,5%; время установления показаний на любом из поддиапазонов — не более 30 с; дрейф начальной установки стрелки измерителя за время работы не менее 2 часов при изменении температуры окружающей среды — от +10 до +30°С на всех пределах измерения не более 1,5 деления шкалы; линейность шкалы прибора— не хуже 1% (ограничена линейностью применяемого индикатора); потребляемая мощность от сети переменного тока — не более 5 Вт; габариты прибора — 236х155х100 мм; масса — 2 кг.
Принцип работы прибора основан на зарядке измеряемого конденсатора от источника сигнала переменного тока стабильной формы, амплитуды и частоты с последующим дифференцированием, выделением постоянной составляющей на синхронном детекторе и фиксацией ее измерительными системами.
Принципиальная схема прибора приведена на рис. 2.

Рис.2

Сигнал стабильной формы формируется автогенератором, выполненным на микросхемах DA1 — DA3. На выходе микросхемы DA1 формируются колебания прямоугольной формы, которые управляют работой интегратора на микросхеме DA3. Собственная частота автогенератора определяется резисторами R10, R11 и емкостями конденсаторов С9, С10. Подключение этих конденсаторов можно коммутировать переключателем SA2, устанавливая частоту генерации равной 1000 Гц (положение «х1») или 1 Гц (положение «х1000») и тем самым расширяя диапазон измеряемой емкости. Резистор R10 позволяет отрегулировать частоту генерации более точно. Автоколебательный режим поддерживается обратными связями через конденсаторы С1, С2 в каскаде на микросхеме DA1 и положительной обратной связью через резисторы R5, R7 и инвертор на микросхеме DA2.
С выхода интегратора сигнал подают на усилитель тока, выполненный на транзисторе VT4 по схеме эмиттерного повторителя, для получения требуемых значений токов при измерении больших значений емкостей конденсаторов. После эмиттерного повторителя сигнал треугольной формы поступает на одну из обкладок измеряемого конденсатора Сx подключенного к гнездам XS1 и XS2. После прохождения через конденсатор форма колебаний из треугольной преобразуется в трапецеидальную, длительность фронта, спада и амплитуда которых зависят от величины измеряемой емкости конденсатора.
Трапецеидальный сигнал через резистор R25 подают на вход дефференциатоpa на микросхеме DA5. Ее вход защищен от короткого замыкания выводов подключения измеряемого конденсатора (подключение конденсатора с пробоем или случайное соприкосновение выводов) последовательно включенными эмиттерными переходами транзисторов VT6 и VT7. На выходе микросхемы DA5 формируется сигнал, по амплитуде пропорциональный величине измеряемой емкости.
Парафазный сигнал для работы синхронного детектора формируется работой дифференциатора и инвертора на микросхеме DA6. Синхронный детектор выполнен на полевых транзисторах VT3 и VT5. Его работу синхронизируют сигналом каскада формирователя прямоугольных колебаний, подаваемым на одно плечо через развязывающий диод VD1, а на другое — через инвертор на микросхеме DA4 и развязывающий диод VD4. Выход детектора (истоки транзисторов) подключен к балансировочному резистору R26, а с его движка сигнал через RC-фильтры R22R24C13 и R27R37C14 подают соответственно к цифровому или стрелочному (РА1) индикатору. Внешний цифровой индикатор (вольтметр с пределом измерения 100 мВ. и входным сопротивлением 1 МОм) подключает через гнезда разъемы XS3 и XS4 на передней панели измерителя емкости.
В приборе предусмотрена возможность измерения и полярных конденсаторов, имеющих большую утечку, обратносмещенных р-n переходов транзисторов или диодов. Для этого к неинвертирующему входу микросхемы DA1 автогенератора подано постоянное напряжение смещения с делителя R1R2. В этом случае на выходе микросхемы DA3 интегратора образуется постоянная составляющая порядка 2В. Такой режим работы соответствует верхнему (по схеме) положению переключателя SA1.1.
Двуполярный блок питания состоит из трансформатора Т1, двух выпрямителей и стабилизаторов с выходными напряжениями +9 и -9 В, выполненных по одинаковой схеме. В качестве опорных элементов образцового напряжения VD2 и VD3 применены стабилитроны с повышенной температурной и временной зависимостью. Выходное напряжение стабилизаторов можно изменять подстроечными резисторами R15 и R18.
В конструкции прибора использованы постоянные резисторы С2-8 (R29 — R34) с мощностью рассеяния 0,25 Вт и допустимым отклонением от номинального значения ±1%, остальные МЛТ-0,25 (можно применить и с мощностью рассеяния 0,5 Вт), подстроечные—СП5-2. Резисторы R29 — R33 отобрать с указанным значением сопротивлений или выполнить составными из нескольких резисторов. Оксидные конденсаторы типа К50-6 или К50-16, остальные керамические — трубчатые КТ и монолитные КМ различных модификаций. Конденсаторы С9 (КМ-6) и С10 (КМ-4) следует подобрать с точностью не хуже ±1%. Переключатели SA1 — МТЗ (возможна замена на МТДЗ, ТП1-2), SA2-MT1 (МТД1, ТВ2-1), SA3— ПГ2-1-6П1Н. В качестве стрелочного индикатора применен микроамперметр типа М1792 на 100 МкА, класс точности 0,5 (желательно со шкалой, имеющей 100 делений, это удобно при отсчетах).
Трансформатор питания Т1 самодельный. Магнитопровод свит из пермаллоевой ленты шириной 25 мм, толщина навивки 6,5 мм. Сетевая обмотка (1-2) выполнена проводом ПЭВ-2 0,13 и имеет 2400 витков. Понижающие обмотки 3-4 и 5-6 одинаковые, они выполнены проводом ПЭВ-2 0,3 и имеют по 165 витков. Между сетевой и понижающими обмотками располагают экран из медной фольги в виде незамкнутого витка (укладывают между слоями изолирующей прокладки). При отсутствии условий для самостоятельного изготовления трансформатора питания можно воспользоваться готовым трансформатором ТВК-70 или ТВК-110 от черно-белых телевизоров, но они потребуют доработки. Первичную обмотку можно оставить и использовать ее в качестве сетевой. Вторичную обмотку снять, и намотать две новые с таким расчетом, чтобы переменное напряжение на них было около 15 В. И в этом случае между обмотками желательно предусмотреть экран.
Основа конструкции — передняя панель. На ней с внутренней стороны размещают печатную плату и блок питания, а с лицевой стороны устанавливают микроамперметр, переключатели и гнезда для подключения цифрового вольтметра. Для подсоединения измеряемого конденсатора можно использовать гнезда или применить неразъемные выводы из изолированных проводников с наконечниками типа «крокодил» (именно такой вариант автор применил в показанном на рисунке варианте исполнения). Выводы должны иметь минимальную длину, достаточно толстый слой изоляции (лучше надеть на них фторопластовые или силиконовые трубочки) и расположены относительно друг друга на некотором расстоянии стем, чтобы уменьшить собственную емкость и снизить влияние формирователя треугольного напряжения на вход микросхемы DA5, которое может вызвать смещение нулевых показаний на низках пределах измерений (10 и 100 пФ). С этой же целью целесообразно между выводами Сx установить экран (симметрично относительно выводов и плоскости передней панели—на фотографии не показан) из латунного или дюралюминиего брусочка размерами 10х5х20 мм. Рисунок печатной платы показан на рис. 3,

Рис.3

а, расположения на ней элементов—на рис. 3, б. На плате блока питания расположены выпрямительные мосты и конденсаторы С4 и С5, монтаж этих элементов—соединительными проводниками.
Регулировку прибора следует начать с тщательной проверки правильности монтажа, сборки и соединения узлов. Проверку работоспособности отдельных узлов и блоков лучше проводить при наличии вольтметра с внутренним сопротивлением не менее 10 кОм/В (можно использовать радиолюбительский авометр) и осциллографа, можно даже среднего класса, такого, например, как осциллографы группы ОМЛ. Проверку работы узлов измерителя емкости проводят при отключенном индикаторе РА1.
Вначале необходимо измерить напряжения на выходах стабилизаторов питания и, в случае их отклонения от нормы (+9 и -9 В), произвести необходимую регулировку подстроенными резисторами R15 и R18. Затем проверить напряжение питания, подводимое к каждой микросхеме.
После этого осциллографом проверяют форму колебаний на выходе микросхемы DA1. Для этого его вход подключить через защитный резистор (чтобы исключить случайное замыкание выхода микросхемы на общую шину) с сопротивлением 3...10 кОм к выводу 6 микросхемы. При правильной работе генератора на экране осциллографа должны быть прямоугольные импульсы с амплитудой порядка 8 В. Если колебания несимметричны относительно нуля, то регулировкой подстроечного резистора R16 произвести сдвиг в нужную сторону.
Вход осциллографа переключить к эмиттеру транзистора VT4 и проверить работу интегратора. Колебания должны быть симметричной треугольной формы с хорошей линейностью, а их частота зависеть от положения переключателя SA2. В положении «х1» она должна быть 1000 Гц, а «х1000» — 1 Гц, частоты определяются величинами конденсаторов С9, С10 и резисторами R10, R11. В процессе регулировки частоту интегратора устанавливают регулировкой подстроечного резистора R10. Искажения могут возникнуть при низком качестве микросхемы DA3 или при смещении сигнала от нулевого уровня.
Регулировку каскадов на микросхемах DA5 и DA6 начинают с предела «1002» переключателя SA3 при множителе «х1» (SA2). Для этого осциллограф с защитным резистором подключают к выводу 6 микросхемы DA6, а параллельно входу осциллографа — вольтметр постоянного тока с пределом измерений 3...5 В. При нормальной работе каскадов вольтметр будет иметь незначительное отклонение, если клеммы «Сх» разомкнуты. При подключении конденсатора с емкостью 1000 пФ на экране осциллографа будут колебания трапецеидальной формы. Вольтметр с тем же пределом измерений переключить на выход синхронного детектора (параллельно резистору R26). Осциллографом поочередно проверить на затворах транзисторов VT3 и VT5 управляющее напряжение прямоугольной формы — оно должно быть амплитудой порядка 8 В и противофазным.
Балансировку работы синхронного детектора производят резистором R26 при разомкнутых выводах подключения измеряемых конденсаторов установкой минимального напряжения по шкале вольтметра. При подключении измеряемого конденсатора емкостью 1000 пФ вольтметр регистрирует напряжение порядка 1 В.
Теперь подключают индикатор Р1 и проверяют калибровку прибора в комплексе, начиная с выбора компенсации паразитной емкости прибора и наводки. Для этого резисторы R4 и R38 устанавливают в положения минимальных сопротивлений между движком и общей шиной питания при отключенном измеряемом конденсаторе. При этом стрелка индикатора должна установиться в районе нулевой отметки шкалы. Если этого не происходит, значит, в приборе имеются неисправности. После этого проверить установку нуля в положениях переключателя SA3 «10», «1» и «0,1». Если прибор работает нормально, то стрелка легко устанавливается в начальное положение (возможен ее дрейф в пределах не более одного деления шкалы).
Калибровку показаний на каждом из поддиапазонов проводят поочередным подключением к выводам «Сх» образцовых конденсаторов с емкостями 10, 100 пФ и так далее до 1 мкф, имеющих допуск на разброс значения не более 1 %. Переключатель SA2 перевести в положение «х1», а SA3 — в положение, соответствующее емкости образцового конденсатора. Подключив первый из образцовых конденсаторов, резистором R37 установить отклонение стрелки на последнее деление шкалы (при работе с цифровым вольтметром установку значащих цифр производят регулировкой резистора R22). В случае, если на остальных пределах измерений будут наблюдаться отклонения от максимального значения шкалы, то следует более точно подобрать сопротивления резисторов R29 — R34 в соответствующих положениях переключателя.
После этого проводят проверку показаний в положении переключателя SA2 «х1000», подготовив образцовые конденсаторы с емкостями от 1 до 1000 мкф. При проверке конденсаторов с емкостями выше 1 мкф в начальный момент измерения могут наблюдаться колебания стрелки с частотой 1 Гц на интервале до 10% шкалы. Если колебания превышают указанное значение, то следует увеличить емкость конденсатора С14 (С13 при работе с цифровым вольтметром) в два-три раза.
После электрической тренировки измерителя емкости в течение нескольких дней, когда стабилизируются тепловые и электрические процессы работы элементов, калибровку прибора следует повторить. Это позволит уменьшить вносимые прибором погрешности, особенно при измерении малых значений емкостей конденсаторов.
В заключение можно предложить использовать высокую чувствительность данного способа    преобразования . емкость — напряжение в различных устройствах автоматики, например, в емкостных реле охранных устройств.