В наше время практически у каждого радиолюбителя имеется цифровой мультиметр, но далеко не в каждой модели имеется функция измерения ёмкости конденсаторов. Как при ремонте радиоаппаратуры, так и при оценке пригодности повторно используемых конденсаторов очень полезно измерение ёмкости и эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС) "подозрительных" конденсаторов
Основными критериями при разработке измерителя являлись простота схемы, дешевизна и доступность элементов, простота налаживания и небольшие габариты. Можно сказать, что это "конструкция выходного дня", которая может быть собрана за несколько часов
В основе работы данного прибора при измерении ёмкости лежит принцип зарядки конденсатора неизвестной ёмкости до определённого напряжения через резистор известного сопротивления Продолжительность этого процесса прямо пропорциональна ёмкости конденсатора.
Принцип измерения ЭПС заключается в следующем, разряженный конденсатор подключается к источнику напряжения через резистор известного сопротивления. затем через небольшие промежутки времени микроконтроллер дважды измеряет напряжение на заряжаемом конденсаторе и вычисляет его ЭПС.
С уменьшением ёмкости повышается погрешность измерения ЭПС. Поэтому это измерение программно отключается при ёмкости конденсатора менее 2 мкФ.
Основные технические характеристики
Интервал измерения ёмкости, мкФ............0,02...10000
Погрешность измерения ёмкости, не более, % ..... .5
Интервал измерения ЭПС, Ом................0.. 50
Дискретность измерения ЭПС, Ом . 0,2
Погрешность измерения
ЭПС, Ом ..................±0,45
Максимальное напряжение на проверяемом конденсаторе, В ...................5
Потребляемый ток, мА
в режиме покоя............5,5
в режиме измерения.....11
Схема измерителя показана на рис. 1 Основа устройства - микроконтроллер PIC 12F683 (DD1) Он работает на тактовой частоте 4 МГц от внутреннего RC-генератора. После включения микроконтроллер входит в режим измерения ёмкости, и тогда конфигурация портов ввода/вывода следующая: GP0 и GP4 работают как выходы и управляют зарядкой конденсатора через резисторы R1 и R3 соответственно; GP1 - инвертирующий вход встроенного в микроконтроллер компаратора при этом его неинвертирующий вход подключён к внутреннему источнику образцового напряжения, определяющему порог напряжения, до достижения которого осуществляется подсчёт времени зарядки конденсатора; GP3 - вход сигнала от кнопки SB1 переключения в режим измерения ЭПС- GP5 - выход управления индикацией поддиапазона ёмкости и, наконец, ССР1 - выход ШИ сигнала среднее напряжение которого пропорционально измеряемому параметру. Расчётное значение периода ШИ сигнала - 4096 мкс.
К выходным гнездам Х2 и ХЗ подключают щупы цифрового мультиметра, включённого в режим измерения постоянного напряжения на пределе 2000 мВ Фильтрации ШИ напряжения на выходе нет, поскольку все цифровые мульти-метры в режиме измерения постоянного напряжения имеют на входе АЦП ФНЧ с низкой частотой среза.
Рис. 1
Поддиапазоны измеряемой ёмкости индицируют светодиоды HL1, HL2 зелёного цвета свечения и HL3, HL4 красного цвета. При измерении емкости менее 1 мкФ, а также при измерении ЭПС светодиоды погашены Если ёмкость больше 1 мкФ, но меньше 10 мкФ, горят только красные светодиоды. Если ёмкость больше ЮмкФ, но меньше 100 мкФ, горят они все. Если ёмкость больше 100 мкФ, но меньше 1000 мкФ, горят только зелёные светодиоды Наконец, если ёмкость больше 1000 мкФ, но не более 10000 мкФ красные и зелёные светодиоды мигают В этом поддиапазоне максимальное значение на дисплее мультиметра равно "1000" в остальных - "999"
Если измеряемая ёмкость больше 10000 мкФ, светодиоды остаются в состоянии поочередного мигания, а дисплей мультиметра показывает пороговое значение, о котором написано ниже.
Разрядка измеряемого конденсатора происходит через резисторы R1 и R2, при этом порт GP1 также переключается в режим выхода. Суммарное время между циклами зарядка/разрядка в последнем поддиапазоне измерения достигает 10 с, в других поддиапазонах оно меньше.
При нажатии на кнопку SB1 прибор на 5 с переходит в режим измерения ЭПС, затем возвращается в режим измерения ёмкости. В режиме измерения ЭПС конфигурация портов ввода/вывода микроконтроллера следующая- GP0 и GP1 синхронно управляют зарядкой конденсатора через резисторы R1 и R2; GP4 - вход встроенного аналого-цифрового преобразователя;
GP5 и ССР1 выполняют те же функции, что и в режиме измерения ёмкости. Во время измерения ЭПС светодиоды не горят, индикация выводится в десятых долях ома с дискретностью 0,2 Ома. Это связано с тем, что разрешающая способность встроенного АЦП микроконтроллера составляет около 5 мВ, а ток зарядки конденсатора в этом режиме равен 25 мА Если измеренное ЭПС конденсатора превышает 50 Ом, то на дисплее мультиметра будет пороговое значение.
Измеритель питается от батареи 9 В типоразмера 6F22, которую подключают к разъёму Х1. Напряжение батареи подаётся на микросхему стабилизатора 78L05 (DA1) с выходным напряжением 5 В Конденсаторы С1 и С2 обеспечивают устойчивость её работы. Если есть возможность, взамен микросхемы 78L05 лучше применить LP2950CZ-5.0 - это уменьшит потребляемый ток до 1,5 мА в режиме покоя и до 7,5 мА в режиме измерения. Диоды VD1 и VD2 и стабилитрон VD3 служат для защиты линий входа/выхода микроконтроллера от выхода из строя при подключении заряженного конденсатора. При выборе стабилитрона VD3 надо учесть, что при напряжении 5 В через него не должен течь ток более 0,5 мА. Например, можно применить BZX55C5V6. Диоды VD1 и VD2 - любые кремниевые импульсные, например, из серий КД521, КД522. Но диоды 1N4148 выбраны из-за большего максимально допустимого импульсного прямого тока Диод VD4 может быть заменён перемычкой, если исключена неправильная полярность подключения батареи питания к разъёму Х1.
Ввиду простоты прибора печатная плата для него не разработана, он собран на макетной плате размерами 26x40 мм. Микроконтроллер устанавливают в панель. При программировании разрешение сброса микроконтроллера необходимо отключить - не должна стоять отметка в окне "MCLR Enable", поскольку этот вывод используется в качестве сигнального входа. Светодиоды HL1-HL4 - любые разного цвета свечения с заметной яркостью при токе 5...6 мА, в экземпляре автора использованы DFL-3014RC и DFL-3014LGC диаметром 3 мм. Необходимое условие - цепь из четырёх последовательно соединённых светодиодов не должна светиться при подключении к источнику напряжением 5 В, поэтому применены четыре светодиода, хотя для индикации необходимы только два. Если яркость свечения светодиодов разного цвета заметно различается, её выравнивают подбором резисторов R8 и R9.
Рис. 2
Разъём Х1 - контактная колодка от батареи типоразмера 6F22. Гнёзда Х2 и ХЗ для подключения мультиметра взяты от разъёма питания материнской платы компьютера (рис. 2). Плюсовое гнездо Х2 не имеет особенностей. Минусовое гнездо ХЗ, совмещённое с выключателем питания SA1, - самодельная конструкция, показанная на рис. 3. Одна из двух пружинящих полос контакта удалена, рядом установлена изолирующая площадка из стеклотекстолита со стороной квадрата 3...4 мм. На ней закреплена согнутая пружинная проволока диаметром 0,5...0,6 мм, выполняющая функцию выключателя питания SA1. Когда минусовый щуп мультиметра вставлен в гнездо ХЗ, он касается пружинной проволоки, в результате чего замыкается цепь минусового провода питания измерителя. Разумеется, при повторении конструкции можно применить любой миниатюрный выключатель питания SA1 промышленного изготовления и минусовое гнездо, такое, как Х2.
Рис.3
Подстроечный резистор R7 - СПЗ-19а или аналогичный миниатюрный. Резистор R3 определяет ток зарядки для интервала измеряемых ёмкостей до 15 мкФ, его лучше взять с допуском 1 % или отобрать с помощью цифрового омметра. Резистор R1 определяющий ток зарядки для ёмкостей более 15 мкФ, можно отобрать из номинала 1 кОм 5 %, его расчётное сопротивление - 980 Ом, но вполне допустимо поставить 1 кОм 1 % без отбора, поскольку такая ёмкость характерна для оксидных конденсаторов, а для них точность измерения их ёмкости 5 % вполне достаточна.
Калибровка прибора может быть выполнена двумя способами.
Первый способ - подключить к измерителю один или несколько конденсаторов суммарной ёмкостью более 10000 мкФ и движком подстроеч-ного резистора R7 установить на дисплее мультиметра пороговое значение "1023". Также можно подсоединить ко входу измерителя цепь из резистора 62 . 100 Ом и конденсатора 50 ..1000 мкФ, нажать на кнопку SB1 и аналогично установить то же самое пороговое значение на дисплее. Поскольку время нахождения измерителя в этом режиме всего 5 с, эту операцию, возможно, придётся повторить несколько раз.
Погрешность калибровки может составить около 3 % в наихудшем случае так как она складывается из погрешностей внутреннего генератора и отличий сопротивлений резисторов R1-R3 от расчётных значений Заявленная производителем точность частоты внутреннего RC-генератора микроконтроллера DD1 - ±1 % при постоянной температуре 25° и ±2 % в интервале 0...85 °С.
Второй способ - подключить к измерителю плёночный или керамический конденсатор с известной ёмкостью в пределах 4,7...9 мкФ и движком под-строечного резистора R7 установить значение его ёмкости на дисплее мультиметра. Предварительно необходимо измерить ёмкость этого конденсатора образцовым прибором с точностью не хуже 1 %. При калибровке по этому способу пороговое значение может незначительно отличаться от "1023" Выбор способа калибровки не принципиален- разброс показаний нескольких экземпляров прибора, откалиброванных разными способами, не превысил 3 %.
Разумеется, к измерителю должен подключаться только предварительно разряженный конденсатор. При измерении ёмкости оксидных конденсаторов необходимо соблюдать полярность подключения. Касание руками измерительных зажимов искажает показания.
Программы микроконтроллера можно скачать здесь
Автор: Ю. Ванюшин, г. Уфа, Башкортостан