Medidor de capacitância de ionistores e capacitores de alta capacitância. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Existem várias maneiras de medir a capacitância de capacitores, mas nem todas são adequadas para medir capacitâncias de mais de algumas centenas de microfarads. Problemas particularmente grandes surgem ao medir ionistores, cuja capacitância pode atingir 10 F ou até mais. Enquanto isso, existe um método relativamente simples e, aliás, há muito conhecido, baseado na medição do tempo de carregamento de um capacitor de uma fonte de tensão por meio de um resistor de resistência conhecida. Como você sabe, se você conectar um capacitor com capacitância C através de um resistor com resistência R a uma fonte de tensão U (Fig. 1), o capacitor começará a carregar e a tensão nele (U_С) aumentará exponencialmente:

U_C = você(1 - e^-t/(RC)),

onde e é a base do logaritmo natural (e ≈ 2,718); t - tempo; RC é a chamada constante de tempo de um circuito RC, que é independente da tensão. No momento em que t = t_RC\uXNUMXd RC, a tensão no capacitor será igual a U_C = você(1 - e^-1) ≈ U(1 - 0,367) ≈ 0,633U. Portanto, medindo o intervalo de tempo desde o início do carregamento do capacitor até o momento em que a tensão atinge o valor de 0,633U, é possível, por meio de um cálculo simples, determinar a capacitância do capacitor medido С = t_RC/R. Se a resistência do resistor for "redonda", por exemplo 10 kOhm, todos os cálculos podem ser feitos facilmente na mente. Por exemplo, para o resistor especificado, o tempo de carregamento do capacitor para 0,633U foi de 46 s, então a capacitância do capacitor medido C_х = 46 / 10⁴ = 46 mF = 4600 uF. Assim, neste caso, o fator de conversão é K = 100 μF/s. Para um resistor R = 1 kOhm, o tempo de medição diminuirá em um fator de 10 e o fator de conversão K = 1000 μF / s.

Arroz. 1. Dependência U_C de t

De acordo com esse princípio, o medidor proposto funciona. Você pode fazer isso na forma de um prefixo para um computador ou outro dispositivo eletrônico com cronômetro embutido, por exemplo, para um relógio eletrônico (eletrônico-mecânico) ou um telefone celular. Particularmente notável é a relativa facilidade de implementação deste método e a ausência da necessidade de calibração usando capacitores de referência (um voltímetro digital é suficiente). Além disso, a tensão também pode ser qualquer (dentro de limites razoáveis), o principal é que não mude durante a medição. Pode levar vários minutos para medir a capacitância dos supercapacitores, em combinação com um erro de medição de vários por cento, o que é bastante aceitável para a prática de rádio amador.

Deve-se notar que o erro de medição é afetado por correntes de fuga e resistência em série (ESR) de capacitores e capacitores. Por exemplo, o ESR de alguns tipos de ionistores pode atingir 30 ohms e, se você carregar esse ionistor por meio de um resistor de 100 ohms, o erro de medição pode ser de dezenas de por cento. Portanto, a resistência do resistor através do qual o capacitor é carregado deve ser de pelo menos 1 kOhm.

Os leitores são convidados para o anexo de medição do relógio eletrônico-mecânico. O esquema do dispositivo é mostrado na fig. 2. É alimentado por uma bateria embutida no relógio (1,5 V), e o próprio relógio também pode ser usado para o fim a que se destina. No estado inicial, a tensão de alimentação é fornecida ao microcircuito e o relógio opera no modo normal. Quando o decodificador é conectado, os contatos do soquete XS1 abrem, o relógio para e a tensão de alimentação é fornecida ao decodificador. Ele contém um conversor de tensão estabilizado no chip DA1, um comparador no amplificador operacional DA2, uma chave eletrônica no transistor VT1 e um indicador de luz no LED HL1.

Arroz. 2. Diagrama do dispositivo (clique para ampliar)

Depois de aplicar a tensão de alimentação ao acessório, o transistor VT1 é fechado e o conversor de tensão é desenergizado. Para medir a capacitância de um capacitor ou ionistor, primeiro é descarregado e depois conectado em relação à polaridade aos terminais XS2, XS3 e pressione brevemente o botão SB1 "Iniciar". O relógio é alimentado com uma tensão de alimentação, e eles começarão a contar o tempo, ao mesmo tempo em que o conversor de tensão começa a funcionar, uma tensão de 3,3 V aparece em sua saída e o LED HL1 acende. Como o capacitor medido está descarregado, a tensão na entrada inversora do amplificador operacional DA2 é menor do que no não inversor e a saída será de 2 ... 2,2 V. O transistor VT1 abrirá e, após liberar o Botão SB1, a tensão continuará fluindo para o conversor de tensão e para o relógio, que continuam contando o tempo de carregamento. A escolha da tensão de saída do conversor (3,3 V) se deve ao fato de que neste caso o capacitor será carregado com a tensão U_C \u3,3d 0,633 2,088 \u2d XNUMX V, portanto, usando o anexo, você pode medir a capacitância de supercapacitores e capacitores com tensão nominal de XNUMX V ou mais.

Assim que o capacitor for carregado com a tensão especificada, uma tensão próxima a zero aparecerá na saída do amplificador operacional DA2, o transistor VT1 fechará, o relógio e o conversor de tensão serão desenergizados e o LED acenderá desligue - o processo de medição está concluído. Resta ler o relógio e determinar a capacidade, levando em consideração o fator de conversão definido pela chave SA1. Para conveniência das medições, o relógio é ajustado preliminarmente para a origem. Para medir novamente o mesmo capacitor, você deve primeiro descarregá-lo pressionando o botão SB2 "Descarregar" por várias dezenas de segundos. Para descarregar um ionistor e um capacitor de óxido com capacidade superior a vários milhares de microfarads, isso deve ser feito várias vezes.

O ajuste começa com a verificação do desempenho do conversor de tensão e a definição do limite de comutação do amplificador operacional. Para fazer isso, os terminais do coletor e emissor do transistor VT1 são temporariamente encurtados com um jumper de fio, os terminais XS2 e XS3 são conectados entre si e uma tensão de 1,5 V é fornecida a partir de uma fonte de alimentação ajustável. Ao alterar a posição da chave SA1 e reduzir a tensão de alimentação para 1,2 V, a tensão de saída do conversor não deve mudar mais do que alguns por cento. Na posição do interruptor SA1 "100", um resistor variável (de preferência multivoltas) com uma resistência de 2 kOhm é conectado aos terminais XS3, XS33. Tensão de saída do conversor U_п medido com um voltímetro digital com uma resolução de pelo menos três casas decimais. Um resistor variável é definido nos terminais XS2, XS3 tensão U \u0,633d XNUMX U_п. Então, controlando a tensão na saída do amplificador operacional, o motor do resistor de construção R5 é ajustado para uma posição na qual a menor mudança em sua posição leva à comutação do amplificador operacional. Assim, o erro de comutação devido à tensão de polarização do amplificador operacional será compensado. Depois de remover o jumper entre o coletor e o emissor do transistor e o resistor variável, o prefixo está pronto para operação.

O console usa resistores e capacitores para montagem em superfície. Resistores fixos RN1-12 e capacitor C1 (K10-17v) - tamanho 1206, resistor trimmer - PVZ3A (POZ3A), PVA3A (RVG3A), capacitor C2 - tântalo tamanho A ou B. Para melhorar a precisão da medição, os resistores R3 e R4 devem ser selecionado com desvio do valor nominal não superior a 0,5%. Você pode usar qualquer transistor de baixa potência com um coeficiente de transferência de corrente base (h_21E) não inferior a 100. LED - brilho aumentado de brilho verde ou vermelho com um diâmetro de caixa de 3 ou 5 mm. O indutor é enrolado em um circuito magnético anular com diâmetro de 6 mm do transformador CFL e contém 6 ... 7 voltas de fio PEV-2 0,3. Interruptor - deslizante de tamanho pequeno PD9-1 (SPDT), B3001, B3037, botões - qualquer tamanho pequeno com retorno automático, clipes XS2, XS3 - "crocodilo".

Arroz. 3. Desenho PCB

Arroz. 4. Disposição dos elementos

Arroz. 5. Aparência do dispositivo

A maioria das peças é colocada em uma placa de circuito impresso de fibra de vidro de face única, cujo desenho é mostrado na Fig. 3, e a disposição dos elementos - na fig. 4. Os botões são fixados na tampa superior da caixa, nela são feitos furos para o LED e o slide do interruptor. Os orifícios são feitos para os fios nas paredes frontal e traseira do gabinete. Relógios - qualquer eletrônico-mecânico, no caso do qual você pode instalar um ninho. Seu refinamento é mínimo - você precisa cortar o condutor impresso que vem da bateria "+" para o chip do relógio e instalar o soquete XS1 (tomada para conectar fones de ouvido estéreo). A aparência do dispositivo é mostrada na fig. 5.

Autor: I. Nechaev

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