Измерительная техника
Нашли ошибку? Сообщите нам ...Комментировать: Измерение ёмкости и ЭПС конденсаторов комбинированным приборомРаспечатать: Измерение ёмкости и ЭПС конденсаторов комбинированным прибором

Измерение ёмкости и ЭПС конденсаторов комбинированным прибором



Автор предлагает радиолюбителям, собравшим прибор [1], приставку к нему, с помощью которой можно измерять ёмкость и ЭПС конденсаторов. Знать эти параметры, особенно ЭПС, сегодня требуется довольно часто, например, при изготовлении различных импульсных устройств.

Входе модернизации комбинированного прибора [1] я решил, создавая небольшие приставки к нему, вводить в прибор новые сравнительно редко используемые функции, которые невозможно реализовать только программно. Это даёт возможность не менять в нём самом что-либо, кроме программы микроконтроллера.

Реализацию такого способа модернизации обеспечивает наличие в приборе разъёма, на который выведены четыре информационные линии его микроконтроллера и напряжение питания. К этому разъёму и подключаются приставки. Первым шагом в этом направлении было создание приставки для измерения индуктивности, описанной в [2].

Новая приставка разработана для подборки конденсаторов, которые лишь предполагается установить в какое-нибудь устройство, а не для измерения их параметров без выпайки из устройства. Исходя из этого, я счёл возможным повысить напряжение на измеряемом конденсаторе, что позволило уменьшить погрешность измерения.

С предлагаемой приставкой прибор в режиме измерения ёмкости и ЭПС имеет следующие характеристики:

Интервал измерения:

ёмкости, мкФ ........10...99999

ЭПС, Ом...............0,01...15

Дискретность/погрешность измерения:

ёмкости от 10 до 999,99 мкФ, мкФ/% ............0,01 /± 10

ёмкости от 1000 до 9999,9 мкФ, мкФ/%.......... 0,1/±10

ёмкости от 10000 до 99999 мкФ, мкФ/% ..........1 /± 15

ЭПС, Ом/%............0,01/±20

Напряжение на измеряемом конденсаторе, мВ, не более ..........................500

Напряжение питания, В ............5

Потребляемый ток, мА ........15...20

В основу измерения ёмкости и ЭПС положен принцип зарядки измеряемого конденсатора стабильным током и фиксация моментов достижения напряжением на нём двух контрольных уровней (порогов). Такой принцип использован во многих других приборах, например [3]. Структурно рассматриваемая приставка повторяет измерительную часть этого прибора.

Схема приставки

Рис. 1. Схема приставки

Схема приставки изображена на рис. 1. По сравнению с [3] в неё внесены следующие изменения:

- удалены диоды, которые должны защитить элементы устройства от повреждения при подключении к нему заряженного конденсатора большой ёмкости. Причин две. Во-первых, по мнению автора, свою защитную функцию они выполняют весьма ограниченно. Например, от случайно подключённого к устройству конденсатора ёмкостью несколько тысяч микрофарад, заряженного до напряжения 50 В и более, они всё равно не спасут. Во-вторых, диоды не позволяют сделать напряжение на измеряемом конденсаторе большим, чем уровень их открывания. При отказе от диодов защитную функцию в тех же пределах можно реализовать с помощью транзистора VT3 при должном управлении им со стороны микроконтроллера. А с точки зрения безопасности работы с прибором правильным будет, прежде чем подключать к прибору конденсатор большой ёмкости (особенно высоковольтный), обязательно разрядить его;

- в приставке использован только один генератор стабильного тока (ГСТ), который обеспечивает измерения во всём указанном выше интервале ёмкости. Он отличается от исходного более высокой стабильностью выходного тока. Это достигнуто за счёт применения в нём параллельного интегрального стабилизатора напряжения повышенной точности и транзистора с большим коэффициентом передачи тока базы. Кроме того, уве-
личен выходной ток ГСТ, что уменьшило погрешность измерения (особенно ЭПС), связанную с током утечки конденсатора.

Управление работой приставки, обработку поступающих от неё сигналов и необходимые расчёты выполняет микроконтроллер комбинированного прибора. Отсчёт интервалов времени ведут его 32-разрядные таймеры, тактируемые с частотой 32 МГц, что обеспечивает не только высокую точность измерений, но и большой теоретический верхний предел измеряемой ёмкости (несколько фарад). Однако достижение такого предела на практике затруднено тем, что скорость нарастания напряжения на измеряемом конденсаторе с увеличением его ёмкости становится очень малой, вследствие чего растёт погрешность определения компаратором момента достижения порога. Поэтому максимальная измеряемая ёмкость программно ограничена значением 99999 мкФ, чего вполне достаточно для большинства практических целей.

После подключения приставки к прибору и перевода его в режим измерения ёмкости и ЭПС микроконтроллер открывает транзистор VT3 и закрывает транзистор VT1, чем выключает ГСТ. На инвертирующие входы компараторов микросхемы DA2 поданы образцовые напряжения с делителя R4-R6, задающие пороги их срабатывания (U1≈0,25 В; U2≈0,5 В). На выходах обоих компараторов в исходном состоянии установлены логически низкие уровни напряжения.

Далее измеряемый конденсатор Cx подключают к разъёму X1 приставки и нажатием соответствующей клавиши на приборе запускают процесс измерения. В течение первых трёх секунд после запуска программа удерживает транзистор VT3 в открытом состоянии, чтобы удалить возможный остаточный заряд измеряемого конденсатора, после чего закрывает этот транзистор и открывает транзистор VT1, включая ГСТ. С этого момента выходной ток ГСТ Iст начинает заряжать конденсатор Cx. Входной ток компараторов можно не учитывать, так как по сравнению с Iст он чрезвычайно мал. В процессе зарядки напряжение на конденсаторе растёт по линейному закону.

Одновременно с включением ГСТ программа запускает два 32-разрядных таймера микроконтроллера, чтобы определить продолжительность нарастания напряжения на конденсаторе до порогов срабатывания компараторов. В момент срабатывания каждого компаратора уровень напряжения на его выходе становится высоким. Зафиксировав это, программа останавливает соответствующий таймер.

После срабатывания обоих компараторов процесс измерения заканчивается, программа закрывает транзистор VT1, выключая этим ГСТ, и открывает VT3, разряжая через его открытый канал измеряемый конденсатор, чтобы подготовить приставку к следующему циклу измерения. Затем она выполняет расчёт ёмкости и ЭПС и отображает полученные результаты на экране ЖКИ комбинированного прибора.

Формула расчёта ёмкости:

C = Iст (t2 - t1)/(U2 - U1)

где t1, t2 - моменты достижения напряжением на измеряемом конденсаторе соответственно первого и второго пороговых уровней; U1, U2 - напряжения первого и второго пороговых уровней. После вычисления ёмкости программа рассчитывает ЭПС. Методику его расчёта иллюстрируют графики на рис. 2. Красная линия на нём - график зарядки реального измеряемого конденсатора. Из-за наличия ЭПС напряжение на нём в момент начала зарядки скачком увеличивается до UR - падения напряжения на ЭПС конденсатора при протекании по нему зарядного тока Icr. Пороговых значений U1 и U2 напряжение на конденсаторе достигает соответственно в моменты t1 и t2. Синей линией показан график зарядки идеального конденсатора той же ёмкости (напомним, что ёмкость уже измерена). Поскольку ЭПС идеального конденсатора равно нулю, напряжение на конденсаторе начинает линейно нарастать с нулевого значения. Синяя линия идёт параллельно красной, поскольку зарядный ток Iст стабилизирован и от ЭПС не зависит. Напряжение на идеальном конденсаторе достигло бы уровня U2 в момент времени t3, который можно определить по формуле

t3 = U2 · Cx/Iст.

Теперь рассмотрим два треугольника ABC и A'B'C. Они подобны, следовательно, можно составить пропорцию:

B'C / BC = A'C / AC

Графики расчёта ЭПС

Рис. 2. Графики расчёта ЭПС

Из рис. 2 следует, что:

BC = t2;

AC = U2 - UR;

В'С = t3;

А'С = U2.

Подставив эти значения в приведённую выше пропорцию, получим

t3 / t2 = U2 / (U2 - UR).

С учётом формулы для вычисления t3 после несложных преобразований легко определить, что падение напряжения на ЭПС равно

UR = U2 - Iст (t2/Cx).

И наконец, искомое значение ЭПС получим, разделив на Iст левую и правую части предыдущей формулы:

R = (U2/Iст) - (t2/Cx).

Этот расчёт можно проводить и по первому порогу, заменив переменные U2 и t2 соответственно на U1 и t1.

Найденные значения ёмкости и ЭПС измеряемого конденсатора программа выводит на экран ЖКИ комбинированного прибора.

Приставка собрана на печатной плате размерами 30x60 мм, чертёж которой показан на рис. 3. Она рассчитана на установку компонентов для поверхностного монтажа.

Печатная плата

Рис. 3. Печатная плата

Все резисторы и конденсаторы типоразмера 1206. К разъёму XS1 прибора [1] приставку подключают плоским кабелем с вилкой Х2 (PLS8). К контакту 2 разъёма XS1 должно быть подведено напряжение +5 В от внутреннего источника питания прибора.

Вместо транзистора ВС857С можно применить другой маломощный транзистор структуры р-п-р с коэффициентом передачи тока базы не менее 250, а вместо транзистора ВС847С - любой маломощный транзистор структуры n-p-n. Оба транзистора должны быть в корпусе SOT23, иначе потребуется переделка печатной платы. Замена транзистора IRLL024Z - полевой с изолированным затвором и n-каналом. Он должен быть рассчитан на управление логическими уровнями напряжения, иметь сопротивление открытого канала не более 50...80 мОм, ёмкость затвора - не более 500...850 пФ, допустимый постоянный ток стока - не менее 4 А. Микросхему компаратора MCP6542-I/P можно заменить на LM293.

Плату помещают в любой удобный корпус. В качестве разъёма X1 для подключения к приставке измеряемого конденсатора удобно использовать пружинные зажимы.

Налаживание подобных устройств - обычно самый сложный этап их изготовления. Все приборы для измерения ёмкости и ЭПС, описания которых мне встречались, требуют точной подборки нескольких деталей, а некоторые (например, [3]) ещё и выполнения ряда расчётов и модификации программы микроконтроллера под конкретный экземпляр изготовленного прибора. Это довольно трудоёмкий процесс, поэтому при проектировании рассматриваемой приставки я заменил аппаратное налаживание измерением значений определяющих параметров и вводом их в действующее устройство для дальнейшего использования. Другими словами, процесс подборки деталей заменён операцией программной калибровки. Результаты калибровки хранятся в EEPROM микроконтроллера комбинированного прибора, поэтому её достаточно выполнить один раз.

Для калибровки потребуется мультиметр, способный измерять постоянный ток 5...20 мА с точностью не менее двух десятичных знаков после запятой и постоянное напряжение 0...2 В с точностью не менее трёх десятичных знаков после запятой. Этим требованиям вполне удовлетворяет большинство недорогих цифровых мультиметров.

В микроконтроллер прибора должна быть загружена прилагаемая к статье программа версии 2.05.

Приставку, к разъёму X1 которой ничего не подключено, соедините с прибором и подайте на него питание. На экран ЖКИ будет выведено главное меню, показанное на рис. 4. После дайте прибору прогреться две-три минуты для установления тепловых режимов. В режим измерения ёмкости и ЭПС входят по третьему нажатию на клавишу "ГН". Это не очень оперативно и удобно, но на клавиатуре прибора уже давно нет свободных клавиш.

Меню на экране ЖКИ

Рис. 4. Меню на экране ЖКИ

При первом переходе в режим измерения ёмкости и ЭПС программа микроконтроллера, не найдя в его EEPROM значений калибровочных коэффициентов, которые можно правильно интерпретировать, автоматически вызовет подпрограмму калибровки. Если этого не произошло, вызовите её нажатием на клавишу "2". Экран ЖКИ примет вид, показанный на рис. 5.

Меню на экране ЖКИ

Рис. 5. Меню на экране ЖКИ

Программа попросит поочерёдно ввести значения четырёх параметров: тока ГСТ, напряжений первого и второго порогов и сопротивления подключения, сопровождая запросы подробным интерактивным меню. Точное значение каждого запрашиваемого параметра следует измерить мультиметром и набрать на клавиатуре прибора.

Ток ГСТ (Iст) измеряют, подключив мультиметр в режиме измерения тока к разъёму X1 приставки. Он должен лежать в пределах 10...25 мА. Напряжение U1 измеряют на выводе 6 микросхемы DA2. Допустимые пределы - 0,2...0,32 В. Напряжение U2 измеряют на выводе 2 той же микросхемы. Допустимые пределы - 0,42...0,55 В.

Значение сопротивления подключения пока задайте нулевым. Это сопротивление соединительных проводов и контактов разъёмов, с помощью которых измеряемый конденсатор подключён к приставке. Зачастую оно сравнимо с ЭПС этого конденсатора. Но о его учёте поговорим позже.

После ввода всех требуемых параметров на экране на 2 с появится надпись "ОТКАЛИБРОВАНО" и прибор перейдёт в режим измерения ёмкости и ЭПС. Вид экрана ЖКИ после перехода в этот режим показан на рис. 6, а после выполнения измерения - на рис. 7. Если измеренное значение ЭПС менее 0,01 Ом, то выводится оно равным нулю.

Меню на экране ЖКИ

Рис. 6. Меню на экране ЖКИ

Меню на экране ЖКИ

Рис. 7. Меню на экране ЖКИ

Теперь прибор работоспособен и позволяет выполнить последний этап калибровки определение сопротивления подключения. Для этого следует подключить к разъёму X1 конденсатор ёмкостью 3300...4700 мкФ и, нажав на кнопку "D", запустить измерение его ёмкости и ЭПС. Запомнив измеренное значение ЭПС, следует повторить операцию, подключив тот же конденсатор непосредственно к контактным площадкам для упомянутого разъёма на печатной плате приставки. Разность двух полученных значений ЭПС и будет значением сопротивления подключения. Теперь осталось перевести прибор в режим калибровки, нажав на кнопку "2", и ввести в программу полученное значение. Прибор готов к работе.

Время выполнения одного измерения лежит в интервале 3...6 с. Оно не может быть менее 3 с, поскольку именно столько времени в программе отведено на разрядку измеряемого конденсатора. Ещё не более 3 с занимает собственно процесс измерения.

В ходе измерений на экран прибора могут быть выведены сообщения о выходе измеренного значения ёмкости за верхний или нижний допустимый предел, а также о неисправности приставки. Последнее свидетельствует о нарушении работы системы прерываний микроконтроллера, которое может случиться при каких-либо манипуляциях с работающей приставкой с помощью приборов, имеющих сетевое питание. Для восстановления нормальной работы комбинированный прибор следует выключить и включить вновь.

Описанная приставка даёт возможность измерить малое активное сопротивление в интервале 0,01...0,2 Ом, с чем простые мультиметры справляются плохо. Для этого измеряемый резистор следует подключить к разъёму X1 последовательно с конденсатором, ЭПС которого измерено заранее. После измерения ЭПС такой цепи из результата вычитают значение ЭПС конденсатора. Остаток - сопротивление измеряемого резистора.

В другие режимы работы прибор переводят нажатиями на кнопки "ОС", "ЛА" или "ГН".

Если в распоряжении пользователя есть конденсатор, параметры которого заранее известны с высокой точностью, целесообразно измерить их с помощью изготовленной приставки, чтобы оценить правильность её работы. Если обнаружены существенные отличия измеренных параметров от известных, следует искать их причины. Ими могут быть неисправные детали или ошибки измерения и ввода в программу параметров в ходе калибровки.

Наличие неисправных деталей либо радикально в несколько раз искажает результаты измерения, либо приводит к их значительным скачкам от измерения к измерению. Последнее характерно для нестабильно работающих компараторов.

При ошибках измерения и ввода калибровочных параметров результаты получаются стабильными, но не соответствующими истине. Именно эти ошибки - основные источники погрешности прибора. Особенно сильно влияют на результат ошибочные значения порогов. Здесь ошибка на 2...3 мВ приводит к изменению измеренного значения ЭПС на несколько ом. Не имея точного мультиметра, но при наличии эталонного конденсатора, погрешность можно устранить экспериментально, изменяя вводимые калибровочные параметры в небольших пределах.

Программу микроконтроллера версии 2.05 и файл печатной платы в формате Sprint Layout 5.0 можно найти здесь.

Литература

1. Савченко А. Усовершенствование комбинированного прибора на базе микроконтроллера ATxmega. - Радио, 2015, № 3, с. 29-34.

2. Савченко А. Измерение индуктивности комбинированным прибором. - Радио, 2017, № 1, с. 15, 16.

3. Келехсашвили В. Измеритель ёмкости и ЭПС конденсаторов. - Радио, 2010, № 6, с. 19, 20; № 7, с. 21, 22.

Автор: А. Савченко, пос. Зеленоградский Московской обл.


Дата публикации: 18.02.2017

Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.


Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу:








 



RadioRadar.net - datasheet, service manuals, схемы, электроника, компоненты, semiconductor,САПР, CAD, electronics