LC-meter - prefixo para o multímetro. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Este artigo dá continuidade ao tema da expansão dos recursos dos populares multímetros da série 83x. A baixa corrente consumida pelo decodificador permite que ele seja alimentado pelo estabilizador ADC interno do multímetro. Usando este acessório, você pode medir a indutância de bobinas e bobinas, a capacitância dos capacitores sem removê-los da placa.

Os projetos de acessórios de medição para multímetros, além das diferenças nos projetos de circuitos e métodos de medição de um ou outro parâmetro, também diferem na capacidade de trabalhar com ou sem fonte de alimentação própria, utilizando o estabilizador de tensão ADC do multímetro. Os decodificadores alimentados pelo estabilizador ADC do multímetro, na opinião do autor, são mais convenientes de usar, especialmente “fora de casa”. Se necessário, podem ser alimentados por uma fonte externa de 3 V, por exemplo, por duas células galvânicas. Obviamente, surge a questão sobre a corrente consumida por tal decodificador, que não deve exceder vários miliamperes, mas o uso de componentes modernos em combinação com circuitos ideais resolve esse problema. No entanto, a questão do consumo de corrente sempre foi e será relevante, especialmente para instrumentos de medição com alimentação autónoma, quando a duração do funcionamento de uma fonte autónoma muitas vezes determina a escolha do dispositivo.

Ao desenvolver o medidor LC, a atenção principal foi dada não apenas à minimização do consumo de corrente, mas também à capacidade de medir a indutância de bobinas e bobinas e a capacitância dos capacitores sem dessoldá-los da placa. Esta possibilidade deve ser sempre tida em conta no desenvolvimento de tais instrumentos de medição. Existem muitos exemplos em que os rádios amadores, infelizmente, não prestam atenção a isso em seus projetos. Se, por exemplo, você medir a capacitância de um capacitor carregando-o com uma corrente estável, mesmo quando a tensão no capacitor for superior a 0,3...0,4 V sem dessoldá-lo da placa, muitas vezes é impossível determinar com segurança a capacitância.

O princípio de funcionamento de um medidor LC não é novo [1, 2], ele se baseia no cálculo do quadrado do período medido das oscilações naturais em um circuito LC ressonante, que está relacionado aos parâmetros de seus elementos pelas relações

T = 2π √LC ou LC = (T/2π)².

Segue-se desta fórmula que a indutância medida está linearmente relacionada ao quadrado do período de oscilação com uma capacitância constante no circuito. Obviamente, a mesma dependência linear relaciona a capacitância medida com uma indutância constante, e para medir a indutância ou capacitância basta converter o período de oscilação em um valor conveniente. A partir da fórmula acima fica claro que com uma capacitância constante de 25330 pF ou uma indutância de 25,33 mH para multímetros da série 83x, a resolução mínima de medição é 0,1 µH e 0,1 pF nos intervalos de 0...200 µH e 0 ...200 pF respectivamente, e a frequência de oscilação com uma indutância medida de 1 μH é igual a 1 MHz.

O anexo contém um gerador de medição, cuja frequência é determinada pelo circuito LC e, dependendo do tipo de medição, pela indutância conectada aos soquetes de entrada da bobina ou pela capacitância do capacitor, uma unidade de estabilização de tensão de saída do gerador , um modelador de pulso, divisores de frequência para expandir os intervalos de medição e um conversor de período de repetição de pulso em uma tensão proporcional ao seu quadrado, que é medida por um multímetro.

Principais características técnicas

• Limites de medição de indutância......200 µH; 2mH; 20mH; 200mH; 2Gn; 20 gramas
• Limites de medição de capacitância ....... 200 pF; 2nF; 20 nF; 0,2 µF; 2 µF; 20 µF
• Erro de medição nos primeiros quatro limites do valor limite de 0,1 e acima, não mais, % .......3
• Erro de medição dentro de 2 μF e 2 H, não mais, % .......10
• Erro de medição dentro de 20 μF e 20 H, não mais, % .......20
• Consumo máximo de corrente, não mais que, mA ....... 3

O erro na medição da indutância na faixa de 2 e 20 H depende da própria capacitância da bobina, sua resistência ativa, da magnetização residual do circuito magnético, e a capacitância na faixa de 2 e 20 μF depende da resistência ativa do bobina no circuito LC e o ESR do capacitor que está sendo medido.

O diagrama de fixação é mostrado na Fig. 1. Na posição “Lx” da chave SA1, meça a indutância da bobina conectada às tomadas XS1, XS2, em paralelo com a qual o capacitor C1 está conectado, e na posição “Cx” - a capacitância do capacitor, em paralelo com qual indutor L1 está conectado. Os transistores VT1, VT2 são utilizados para montar um gerador de medição de tensão senoidal, cuja frequência, conforme mencionado acima, é determinada pelos elementos do circuito LC. Este é um amplificador coberto por feedback positivo (POS).

O primeiro estágio do amplificador é montado de acordo com um circuito com coletor comum (seguidor de emissor), possui grande resistência de entrada e baixa saída, e o segundo - de acordo com um circuito com base comum (CB) - possui baixo entrada e grande resistência de saída. Assim, uma boa coordenação é alcançada quando a saída do segundo é fechada com a entrada do primeiro. Ambos os estágios são não inversores, portanto esta conexão cobre o amplificador de um PIC XNUMX%, que, em combinação com a alta impedância de entrada do seguidor de emissor e do estágio de saída com OB, garante que o gerador opere na frequência de ressonância do Circuito LC em uma ampla faixa de frequência.

Arroz. 1 (clique para ampliar)

Consideremos o funcionamento de um medidor LC com um indutor ou capacitor conectado aos soquetes XS1, XS2 “Lx, Cx”. A tensão da saída do gerador é alimentada a um amplificador de alta impedância de entrada, montado em um transistor VT3, que a amplifica cinco vezes, o que é necessário para o funcionamento normal da unidade de estabilização da tensão de saída do gerador. A unidade de estabilização é montada nos diodos VD1, VD2, capacitores C3, C5 e transistor VT4. Ele mantém a tensão de saída do gerador em um nível constante de cerca de 100 mV rms, no qual as medições podem ser feitas sem dessoldar os elementos da placa, e também aumenta a estabilidade das oscilações do gerador neste nível.

A tensão de saída do amplificador, retificada pelos diodos VD1, VD2 e suavizada pelo capacitor C5, é aplicada à base do transistor VT4. Quando a amplitude da tensão na saída do gerador é inferior a 150 mV, este transistor é aberto pela corrente de base que flui através do resistor R7, e a tensão de alimentação total de +3 V é fornecida ao gerador (esta tensão deve ser aplicada ao gerador para sua inicialização confiável, bem como ao medir indutância 1.. .3 µH). Se durante a medição a amplitude da tensão do gerador for superior a 150 mV, uma tensão com a polaridade que fecha o transistor VT4 aparecerá na saída do retificador. Sua corrente de coletor diminuirá, o que levará à diminuição da tensão de alimentação do gerador e ao restabelecimento da amplitude de sua tensão de saída para um determinado nível. Caso contrário, ocorre o processo inverso.

A tensão de saída do amplificador no transistor VT3 através do circuito C4, C6, R8 é fornecida a um modelador de pulso montado nos transistores VT5 e VT6 usando um circuito de disparo Schmitt com acoplamento de emissor. Em sua saída são formados pulsos retangulares com a frequência do gerador, um curto tempo de decaimento (cerca de 50 ns) e uma oscilação igual à tensão de alimentação. Este tempo de queda é necessário para o funcionamento normal dos contadores decimais DD1-DD3. O resistor R8 garante operação estável do gatilho Schmitt em baixas frequências. Cada um dos contadores DD1 - DD3 divide a frequência do sinal por 10. Os sinais de saída dos contadores são enviados para a chave fim de curso de medição SA2.

A partir do contato móvel da chave, dependendo do limite de medição selecionado “x1”, “x10”²", "x10⁴"sinais de pulso de onda quadrada U_и (Fig. 2, a) são fornecidos a um conversor de tensão de período montado no amplificador operacional DA1.1, transistores de efeito de campo VT7-VT9 e capacitor C8. Com a chegada do próximo pulso de sinal com duração de 0,5 T, o transistor VT7 fecha neste momento. A tensão do divisor resistivo R13R14 (cerca de 2,5 V) é fornecida à entrada não inversora do amplificador operacional DA 1.1. Uma fonte de corrente estável (IT) é montada usando este amplificador operacional e transistor VT9. A corrente IT de 140 μA é definida pela conexão paralela dos resistores R16 e R17 com os contatos da chave SA3 fechados (posição "x1") e dez vezes menos - 14 μA - pelo resistor R16 com contatos abertos (posição "x10").

Fig. 2

No momento da chegada de um pulso com duração de 0,5 T, o transistor VT8 abre através do circuito diferenciador C7R15 por 5...7 μs, descarregando o capacitor C8 durante este tempo, após o qual fecha e começa a carregar o capacitor C8 com um estável corrente de TI (Fig. 2,b). No final do pulso, o transistor VT7 abre, fechando o resistor R13, e a corrente IT torna-se zero. Durante o próximo intervalo de 0,5T, a tensão U1 no capacitor C8 permanece inalterada e igual a

U₁ =U_S8 = Eu_IT1xT/(2xC8) = K₁xT,

onde K₁ = Eu_IT1/(2xC8) - coeficiente constante.

Desta expressão segue-se que a tensão no capacitor carregado C8 é proporcional ao período T dos pulsos de entrada. Neste caso, uma tensão de 2 V corresponde ao valor máximo do parâmetro medido em cada limite de medição. A entrada de um amplificador buffer no amplificador operacional DA1.2 com ganho unitário é conectada ao capacitor, cuja corrente de entrada é insignificante (vários picoamperes) e não afeta a descarga (e carregamento) do capacitor C8.

Da saída do amplificador buffer ele vai para o próximo conversor - “tensão-corrente” para amplificador operacional DA2.1. Outro IT (IT18) é montado usando este amplificador operacional e resistores R21-R2. A corrente deste IT é determinada pela tensão de entrada fornecida ao terminal esquerdo do resistor R18 no diagrama, e sua resistência, e o sinal depende de qual dos resistores (no nosso caso é R18 ou R20) está ligado como entrada. IT é carregado no capacitor C9. Durante a ação de um pulso de entrada com duração de 0,5 T, o transistor VT10 está aberto e a tensão U₂ no capacitor C9 é igual a zero (Fig. 2, c). No final do pulso, o transistor fecha e o capacitor começa a carregar com corrente contínua da tensão fornecida ao resistor R18 do amplificador buffer para o amplificador operacional DA1.2. Como pode ser visto no diagrama (Fig. 2, c), a tensão no capacitor aumenta linearmente na forma de uma serra até que o próximo pulso apareça após um tempo de 0,5 T. No momento em que aparecer, a tensão no capacitor atingirá o valor

U_2max =U_С9max = Eu_IT2xT/(2xC9) = você_C8xT/(2xR18xC9) = K₂xU_C8xT = K₁xK₂xT²,

onde K₁, PARA₂ - coeficientes constantes; Para₂ = 1/(2xR18xC9).

Desta expressão segue-se que a amplitude da tensão no capacitor C9 é proporcional ao quadrado do período dos pulsos de entrada, ou seja, depende linearmente da indutância ou capacitância medida. Esta transformação “ao quadrado do período” é logicamente compreensível mesmo sem a expressão acima, uma vez que a tensão no capacitor C9 depende linearmente simultaneamente do período e da tensão na entrada IT, que também depende linearmente do período. Neste caso, uma tensão U2max igual a 2 V corresponde ao valor máximo do parâmetro medido em cada limite de medição.

A entrada do amplificador buffer para o amplificador operacional DA9 está conectada ao capacitor C2.2. De sua saída, uma tensão dente de serra, reduzida ao nível requerido pelo divisor R22R23, é fornecida à entrada “VΩmA” do multímetro (conector XP2). O circuito RC integrador do multímetro, conectado à entrada ADC (constante de tempo 0,1 s), e o externo - R22C12 suaviza os pulsos dente de serra para um valor médio ao longo do período, que é igual a um quarto do amplitude. Assim, com a amplitude da “serra” no conector XP2 “VΩmA” de 0,8 V, a tensão na entrada do ADC do multímetro é de 200 mV, o que corresponde ao limite superior da medição de tensão DC no limite de 200 mV .

O console é montado em uma placa feita de folha de fibra de vidro em ambos os lados. O desenho da placa de circuito impresso é mostrado na Fig. 3, e a localização dos elementos nele está na Fig. 4.

Fig. 3

Fig. 4

Fotos da placa de circuito impresso são mostradas na Fig. 5, 6. Pino XP1 "NPNC" - adequado para o conector. Os pinos XP2 "VΩmA" e XP3 "COM" são provenientes de cabos de teste do multímetro com falha. Soquetes de entrada XS1, XS2 - bloco de terminais de parafuso 350-02-021-12 série 350 da DINKLE. Chaves deslizantes: SA1 - SS12D07; SA2, SA3 - séries MSS, MS, IS, por exemplo, MSS-23D19 (MS-23D18) e MSS-22D18 (MS-22D16), respectivamente. A bobina L1 é caseira, contém aproximadamente (a especificar durante a instalação) 160 voltas de fio PEV-2 0,2, enroladas em quatro seções de 40 voltas em um circuito magnético de anel de tamanho padrão 10x6x4,5 feito de ferrite 2000NM1, 2000NM3 ou N48 ( EPCOS). Ferritas desses graus têm um coeficiente de permeabilidade magnética de baixa temperatura. O uso de ferritas de outras marcas, por exemplo N87, levará a um aumento no erro na medição de capacitância quando a temperatura mudar em 5...10 ^оC.

Fig. 5

Fig. 6

Os capacitores C1, C8 e C9 são capacitores de filme importados para uma tensão de 63 V (por exemplo, WIMA, EPCOS). O desvio na capacitância dos capacitores C8, C9 não deve ser superior a 5%. Os demais são para montagem saliente: C2, C10, C11 - tamanho 0805; C4, C6, C7 - 1206; óxido C3, C5, C12 - tântalo B. Todos os resistores são tamanho 1206. Os resistores R13, R14, R16-R21 devem ser usados ​​com uma tolerância de não mais que 1%, e os resistores R18, R20 e R19, R21 devem ser selecionados com um multímetro com resistências tão próximas quanto possível em cada par Freqüentemente, um conjunto de 10...20 resistores da série E24 com uma classe de precisão de cinco por cento é suficiente para a seleção.

Os transistores VT1 -VT5 devem ter um coeficiente de transferência de corrente de pelo menos 500, VT6 - de 50 a 200. Os transistores BSS84 são intercambiáveis ​​com IRLML6302 e IRLML2402 com FDV303N. Ao substituir por outro lado, deve-se levar em consideração que a tensão limite dos transistores não deve ser superior a 2 V, a resistência de canal aberto não deve ser superior a 0,5 Ohm e a capacitância de entrada não deve ser superior a 200 pF em uma tensão dreno-fonte de 1 V. Os amplificadores operacionais de micropotência AD8542ARZ são substituíveis, por exemplo, MSR602 ou KF1446UD4A doméstico. É aconselhável selecionar este último por tensão de deslocamento zero não superior a 2 mV para reduzir o erro de medição quando seu resultado não ultrapassar 10% do limite definido. Os contadores decimais lógicos de alta velocidade 74HC4017D podem ser substituídos por similares da série 4000B da NXP (PHILIPS) - HEF4017B. Você não deve usar medidores semelhantes de outras empresas, especialmente os nacionais K561IE8. Com uma tensão de alimentação de 3 V, a frequência de entrada de 1 MHz do gerador de medição é muito alta para tais contadores e o tempo de decaimento do pulso em sua entrada (50 ns) é curto. Eles podem não “sentir” tal sinal.

Os terminais dos capacitores C8, C9, indo para o fio comum, são soldados em ambos os lados da placa de circuito impresso. Da mesma forma, são soldados os terminais da chave SA3 e o terminal proveniente do contato móvel SA2, bem como o plugue XP1-XP3. Além disso, XP2 e XP3 são fixados primeiro por soldagem e, em seguida, um furo é feito “no lugar” e o plugue XP1 é soldado. Pedaços de fio estanhado são inseridos nos orifícios das almofadas próximas à fonte do transistor VT10 e do resistor R14 e soldados em ambos os lados. Antes da instalação nos microcircuitos DD2, DD3, o pino 4 deve ser dobrado ou removido.

Ao trabalhar com medidor LC, a chave para o tipo de funcionamento do multímetro é colocada na posição de medição de tensão contínua no limite de “200mV”. Os limites de medição do medidor LC correspondentes às posições das chaves SA2, SA3 são fornecidos na tabela.

A calibração do medidor LC é realizada dependendo da disponibilidade dos instrumentos e qualificações necessárias. No caso mais simples, você precisará de uma bobina com uma indutância precisamente conhecida, cujo valor esteja próximo do limite de medição correspondente, e do mesmo capacitor com uma capacitância medida. Para eliminar o erro da capacitância de entrada do medidor LC, a capacitância do capacitor deve ser de pelo menos 1800 pF (por exemplo, 1800 pF, 0,018 µF, 0,18 µF). O decodificador é primeiro conectado a uma fonte de alimentação autônoma com tensão de 3 V e medido o consumo de corrente, que não deve ultrapassar 3 mA, e depois conectado a um multímetro.

Em seguida, coloque a chave SA1 na posição “Lx” e conecte uma bobina com uma indutância conhecida aos soquetes XS1, XS2 “Lx, Cx”. As chaves SA2 e SA3 são ajustadas no limite apropriado e obtêm leituras no indicador numericamente iguais à indutância (a vírgula do indicador não é levada em consideração), se necessário, conectando em paralelo com o capacitor C1 uma capacitância adicional de até 3300 PF. Os capacitores C1, C8, C9 possuem almofadas na placa de circuito impresso para dessoldar tamanhos adicionais 0805 para montagem em superfície.

É possível ajustar as leituras com mais precisão alterando a resistência do resistor R22 ou R23 dentro de pequenos limites. Um medidor LC é calibrado da mesma maneira ao medir a capacitância, mas as leituras correspondentes no indicador são definidas alterando o número de voltas da bobina L1.

Ao medir a capacitância de um decodificador, é necessário levar em consideração sua capacitância de entrada, que na amostra do autor é de 41,1 pF. Este valor é exibido pelo indicador do multímetro se você colocar a chave SA1 na posição “Cx” e SA2 e SA3 na posição “x1”. Ao alterar a topologia da placa de circuito impresso, as ligações entre os terminais dos capacitores C8 e C9 com os terminais dos transistores VT9 e VT10 devem ser feitas com condutores separados.

O decodificador pode ser usado como gerador de frequências fixas de formato senoidal e retangular. Um sinal senoidal com tensão de 0,1 V é removido do emissor do transistor VT3, um sinal retangular com amplitude de 3 V é removido do contato móvel da chave SA2. As frequências necessárias são obtidas conectando capacitores de capacidade adequada à entrada do decodificador na posição “Cx” da chave SA1.

O desenho PCB no formato Sprint Layout 5.0 pode ser baixado em ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/08/Lc-metr.zip.

Literatura

1. Gerador LC universal. - Rádio, 1979, nº 5, p. 58.
2. L-metro com escala linear. - Rádio, 1984, nº 5, p. 58, 61.

Autor: S. Glibin

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