C тестер
В радиолюбительской мастерской, рядом с различными измерительными приборами, может занять хоть и скромное, но вполне законное место "С-тестер" (СТ) для измерения электрической емкости "микрофарадных" конденсаторов. Измерять емкость таких конденсаторов приходится нечасто. Поэтому совместно с СТ предполагается использование внешних приборов: секундомера или часов с секундной стрелкой и, в некоторых случаях, многопредельного миллиамперметра (тестера). Этим достигается предельная простота, малые габариты и низкая стоимость СТ. Собранный по схеме, приведенной на рис.1, он не потребует настройки, градуировки, подбора деталей и обеспечит относительную погрешность измерения не более ±10% (без учета погрешности внешних приборов) в диапазоне 5...10000 мкФ. Такая погрешность измерения для указанных конденсаторов допустима в большинстве практических случаев. При необходимости она может быть существенно уменьшена.
Рис.1. Принципиальная схема С-тестера
В схеме СТ осуществлен принцип косвенного определения электрической емкости конденсатора по времени его разрядки от начального напряжения до некоторого конечного, находящегося в фиксированном отношении к начальному. При начальном напряжении, равном Е, напряжение на конденсаторе U при его разрядке подчиняется уравнению:U = E e -t / RC, (1)откудаC = t/R * 1/(/nE - /nU), (2)
Примем:t = RC. (3)
Подставляя значение t из (3) в формулу (1), получим:U = E / e, (4)то есть при соблюдении условия формулы (4) емкость из (3) определяется так:C = t / R. (5)
Таким образом, согласно формуле (5), при начальном напряжении, равном Е, и конечном напряжении, рассчитанном согласно формуле (4), значение измеряемой емкости прямо пропорционально времени t. Примем сопротивление резистора R равным 1 МОм. Тогда емкость конденсатора в соответствии с формулой (5) будет определятьсяC = t 10 -6 (Ф) = t (мкФ), (6)т.е. емкость конденсатора С в микрофарадах численно равна времени его разрядки t в секундах. В СТ предусмотрены три диапазона измерения емкости с декадными множителями х1, х10, х100 и разрядные резисторы с сопротивлениями 1 МОм, 100 кОм, 10 кОм соответственно. С учетом этого формула (6) будет выглядетьC = t n, (7)где: С — емкость, мкФ; n — множитель диапазона (1, 10 или 100).
СТ устроен и работает следующим образом. К клеммам "Сх" подключается измеряемый конденсатор (с соблюдением полярности для полярных конденсаторов). Конденсатор одним своим выводом через цепочку нормально замкнутых контактов кнопок SB1, SB2, SB3, маркированных "х1", "х10", и "х100", резистор R4, ограничивающий ток зарядки конденсатора, и выключатель питания SA1 подключен к источнику питания G1. Другой вывод конденсатора подключен к общему проводу через клеммы "lут" и "корпус", замкнутые перемычкой (на рис.1 перемычка не показана). При включении питания тумблером SA1 конденсатор заряжается до напряжения питания. Это - начальное напряжение. Операционный усилитель DA1 включен по схеме компаратора напряжения. Его инвертирующий вход подключен к измеряемому конденсатору, а неинвертирующий - к делителю напряжения R5, R6, в точке деления которого устанавливается напряжение, равноеU = E / e,где Е - напряжение источника питания, В; е - основание натурального логарифма (е=2,718). Это - конечное напряжение. В исходном состоянии, при полностью заряженном конденсаторе, напряжение на выходе компаратора низкое, транзистор VT1 закрыт, и светодиод HL1 не горит. При нажатии и удерживании любой из кнопок (SB1, SB2 или SB3) измеряемый конденсатор подключается к соответствующему резистору R1, R2 или R3, и начинается его разрядка. Когда напряжение на конденсаторе станет равным напряжению делителя R5-R6, компаратор переключается, напряжение на его выходе устанавливается около 6 В, транзистор VT1 открывается, и загорается светодиод HL1. Время t в секундах измеряется от момента нажатия кнопки до момента загорания светодиода. Теперь можно отпустить кнопку. Конденсатор через цепочку нормально замкнутых контактов кнопок SB1, SB2, SB3 и резистор R4 снова зарядится, и светодиод погаснет.
При измерении емкости выбор той или иной кнопки произволен и определяется только удобством отсчета времени. Измерение можно начинать с любой кнопки, но не ранее чем через 10 с от момента включения питания или отпускания ранее нажатой кнопки. Это время нужно для надежной зарядки измеряемого конденсатора. После измерения, прежде чем отключить конденсатор от клемм "Сх", следует отключить питание тумблером "ВКЛ". При этом конденсатор разрядится через замкнувшиеся контакты тумблера SA1, резистор R4 и перемычку на клеммах "lyт". При измерении емкости оксидных (электролитических) конденсаторов иногда приходится учитывать их ток утечки Iут, который может внести существенную ошибку в результат измерения (результат будет ниже истинного значения). Исправить положение позволит введение коэффициента Кут, зависящего от lyт конденсатора и выбранного диапазона изменения n. В применении к СТ с учетом тока утечки конденсатора формула (7) выглядит так:С = t n Кут, (8)где: С - емкость конденсатора, мкФ; Кут - коэффициент поправкиКут = 1 + (Iут / nE),n - множитель диапазона (1, 10 или 100); Iут - ток утечки, мкА; Е - напряжение источника питания, В.
Напряжение источника питания примерно равно 9 В. ТогдаКут = 1 + (Iут / n9).
Коэффициент Кут несложно подсчитать по этой формуле, но проще воспользоваться графиком его зависимости от тока утечки Iyт, приведенным на рис.2.
Рис.2.Ток утечки конденсатора измеряется миллиамперметром, подключенным к клеммам "Iyт" вместо перемычки. Подключение миллиамперметра следует производить при выключенном питании. При включении тумблера питания ток зарядки конденсатора в первый момент может достигать 20 мА, а затем падает до некоторой величины, определяемой величиной утечки конденсатора. В установившемся режиме величина тока утечки может находиться в пределах от долей микроампера до 20 мА (у пробитого конденсатора). Это нужно учитывать при установке предела измерения миллиамперметра в момент включения питания. При измерении тока утечки электролитических конденсаторов следует некоторое время выдержать их под напряжением (потренировать), пока значение тока установится. За это время конденсатор не только заряжается, но и "формуется", изменяя свою емкость.
Типы применяемых деталей могут быть любыми. Резисторы R1, R2, R3, R5, R6 должны иметь допуск по сопротивлению не более ±5%. Микросхему К140УД8 можно заменить микросхемой К140УД6 или К140УД12 (с учетом цоколевки). На панели СТ устанавливаются: тумблер SA1, кнопки SB1, SB2, SB3, клеммы "Сх", "Iут" и светодиод HL1. Питается СТ от батареи напряжением 9 В, потребляя ток 6 мА.
При желании уменьшить погрешность измерения следует установить резисторы R1, R2, R3 с сопротивлениями, максимально совпадающими со значениями, указанными на схеме. Нужно также подобрать сопротивления резисторов R5 и R6 так, чтобы соблюдалось условие R5/R6=1,72.
Это может уменьшить погрешность измерения на 3%. А можно поступить так. К клеммам "Сх+" и "Корпус" подключить с соблюдением полярности регулируемый источник постоянного напряжения, установить на его выходе напряжение, равное измеренному напряжению батареи питания, умноженному на коэффициент 0,368. Например, при Е=9,21 В напряжение на клеммах "Сх" нужно установить равным U=9,21*0,368=3,39 (В). Кнопки нажимать не нужно, клеммы "Сх-"и "Iyт" должны быть свободны. Включается СТ. При этом, если светодиод горит, последовательно с резистором R6 включается переменный резистор сопротивлением 1 кОм, и его регулировкой находится порог, при котором зажигается и гаснет светодиод. Если светодиод не горит, то приведенные выше действия нужно проделать, включив переменный резистор последовательно с резистором R5. Сопротивление переменного резистора измеряется, и добавляется постоянный резистор с таким же сопротивлением. При таком способе подбора будет компенсировано технологическое смещение входных напряжений операционного усилителя DA1, которое также является источником ошибки, правда, небольшой.
Способ измерения времени t прямо определяет точность измерения емкости. Для измерения времени можно воспользоваться секундомером, секундной стрелкой часов, мигающей точкой на табло цифровых часов, а можно, если не нужна большая точность, просто считать секунды.
Уменьшение измеренной емкости конденсатора по отношению к его номиналу может быть следствием увеличенного тока утечки. Если при включении тумблера питания светодиод не гаснет, в измеряемом конденсаторе либо замыкание, либо очень велика утечка. Когда после нажатия кнопки "х1" светодиод зажигается без задержки, в конденсаторе либо обрыв, либо он потерял емкость. В любом случае имеется возможность сделать вывод о пригодности конденсатора.
Приведенный в начале статьи диапазон измерения емкости указан условно. Принципиально он не ограничен этими цифрами и может быть расширен в обе стороны без каких-либо изменений в схеме. Расширится только диапазон измерения времени внешним прибором. Возможно, увеличится погрешность измерения малых емкостей за счет трудности измерения малых промежутков времени.
Источники
Ф.Е. Евдокимов. Теоретические основы электротехники. 5-е изд. - М.: Высш. школа, 1981.
Автор: В.ГУСАРОВ, г.Минск
Похожие материалы из категории "Измерения":
Комментарии посетителей
Добавление комментария