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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Medidor de capacitância de capacitor. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Tecnologia de medição Este dispositivo é baseado em um dispositivo descrito anteriormente em nosso jornal [1]. Ao contrário da maioria desses dispositivos, é interessante porque é possível verificar a operacionalidade e a capacidade dos capacitores sem removê-los da placa. O medidor proposto é muito conveniente de usar e possui precisão suficiente. Quem repara equipamentos de rádio domésticos ou industriais sabe que é conveniente verificar a operacionalidade dos capacitores sem desmontá-los. No entanto, muitos medidores de capacitância de capacitores não oferecem essa capacidade. É verdade que uma construção semelhante foi descrita em [2]. Possui uma pequena faixa de medição e uma escala de contagem regressiva não linear, o que reduz a precisão. Ao projetar um novo medidor, foi resolvido o problema de criar um dispositivo com amplo alcance, escala linear e leitura direta, para que pudesse ser utilizado como laboratório. Além disso, o dispositivo deve ser de diagnóstico, ou seja, capaz de testar capacitores desviados por junções p-n de dispositivos semicondutores e resistências de resistores. O princípio de funcionamento do dispositivo é o seguinte. Uma tensão triangular é aplicada à entrada do diferenciador, na qual o capacitor em teste é utilizado como diferenciador. Neste caso, sua saída produz uma onda quadrada com amplitude proporcional à capacitância deste capacitor. Em seguida, o detector seleciona o valor da amplitude do meandro e emite uma tensão constante para o cabeçote de medição. A amplitude da tensão de medição nas pontas de prova do dispositivo é de aproximadamente 50 mV, o que não é suficiente para abrir as junções p-n dos dispositivos semicondutores, portanto não têm efeito de desvio. O dispositivo possui dois interruptores. Chave fim de curso "Escala" com cinco posições: 10 µF, 1 µF, 0,1 µF, 0,01 µF, 1000 pF. A chave "Multiplicador" (X1000, x10O, x10, X1) altera a frequência de medição. Assim, o dispositivo possui oito subfaixas de medição de capacitância de 10 μF a 000 pF, o que é praticamente suficiente na maioria dos casos. O gerador de oscilação triangular é montado em chips amplificadores operacionais DA1.1, DA1.2, DA1.4 (Fig. 1). Um deles, DA1.1, opera em modo comparador e gera um sinal retangular, que é alimentado na entrada do integrador DA1.2. O integrador converte oscilações retangulares em triangulares. A frequência do gerador é determinada pelos elementos R4, C1 - C4. No circuito de realimentação do gerador existe um inversor baseado no amplificador operacional DA1.4, que fornece modo autooscilante. A chave SA1 pode ser usada para definir uma das frequências de medição (multiplicador): 1 Hz (X1000), 10 Hz (x10O), 10 Hz (x10), 1 kHz (X1).
O amplificador operacional DA2.1 é um seguidor de tensão, em sua saída há um sinal triangular com amplitude de cerca de 50 mV, que é usado para criar uma corrente de medição através do capacitor Cx que está sendo testado. Como a capacitância do capacitor é medida na placa, pode haver tensão residual nele, portanto, para evitar danos ao medidor, dois diodos de ponte VD1 costas com costas são conectados paralelamente às suas pontas de prova. O amplificador operacional DA2.2 funciona como um diferenciador e atua como um conversor de corrente-tensão. Sua tensão de saída: Uout=(Rl2...R16) IBX=(Rl2...Rl6)Cx-dU/dt. Por exemplo, ao medir uma capacitância de 100 μF a uma frequência de 100 Hz, resulta: Iin=Cx dU/dt=100-100MB/5MC = 2MA, Uout= R16 lbX= 1 kOhm mA= 2 V. Os elementos R11, C5 - C9 são necessários para a operação estável do diferenciador. Os capacitores eliminam processos oscilatórios nas frentes dos meandros, o que impossibilita a medição precisa de sua amplitude. Como resultado, a saída do DA2.2 produz um meandro com bordas suaves e amplitude proporcional à capacitância medida. O resistor R11 também limita a corrente de entrada quando as pontas de prova estão em curto ou quando o capacitor está quebrado. Para o circuito de entrada do medidor a seguinte desigualdade deve ser satisfeita: (3...5)CxR1<1/(2f). Se esta desigualdade não for satisfeita, então na metade do período o IBX atual não atinge o valor do estado estacionário, e o meandro não atinge a amplitude correspondente, e ocorre um erro na medição. Por exemplo, no medidor descrito em [1], ao medir uma capacitância de 1000 μF a uma frequência de 1 Hz, a constante de tempo é determinada como Cx R25 \u10d 910OO uF - 0,91 Ohm \uXNUMXd XNUMX s. Metade do período de oscilação T/2 é de apenas 0,5 s, portanto nesta escala as medições serão visivelmente não lineares. O detector síncrono consiste em uma chave em um transistor de efeito de campo VT1, uma unidade de controle de chave em um amplificador operacional DA1.3 e um capacitor de armazenamento C10. O amplificador operacional DA1.2 emite um sinal de controle para alternar VT1 durante a meia onda positiva do meandro, quando sua amplitude é definida. O capacitor C10 armazena a tensão constante gerada pelo detector. Do capacitor C10, a tensão que carrega informações sobre o valor da capacitância Cx é fornecida através do repetidor DA2.3 ao microamperímetro RA1. Os capacitores C11, C12 estão suavizando. A tensão é removida do resistor de calibração variável R22 para um voltímetro digital com limite de medição de 2 V. A fonte de alimentação (Fig. 2) produz tensões bipolares ±9 V. As tensões de referência são formadas por diodos zener termicamente estáveis VD5, VD6. Os resistores R25, R26 definem a tensão de saída necessária. Estruturalmente, a fonte de alimentação é combinada com a parte de medição do dispositivo em uma placa de circuito comum.
O dispositivo utiliza resistores variáveis do tipo SPZ-22 (R21, R22, R25, R26). Resistores fixos R12 - R16 - tipo C2-36 ou C2-14 com desvio permitido de ±1%. A resistência R16 é obtida conectando vários resistores selecionados em série. As resistências dos resistores R12 - R16 podem ser utilizadas em outros tipos, mas devem ser selecionadas por meio de um ohmímetro digital (multímetro). Os demais resistores fixos são quaisquer com potência de dissipação de 0,125 W. Capacitor C10 - K53-1A, capacitores C11 - C16 - K50-16. Capacitores C1, C2 - K73-17 ou outro filme metálico, C3, C4 - KM-5, KM-6 ou outra cerâmica com TKE não pior que M750, também devem ser selecionados com erro não superior a 1%. Os capacitores restantes são quaisquer. Chaves SA1, SA2 - P2G-3 5P2N. No projeto, é permitido usar o transistor KP303 (VT1) com os índices de letras A, B, V, Zh, I. Os transistores VT2, estabilizadores de tensão VT3 podem ser substituídos por outros transistores de silício de baixa potência da estrutura correspondente. Em vez do amplificador operacional K1401UD4, você pode usar o K1401UD2A, mas no limite “1000 pF”, pode ocorrer um erro devido à polarização da entrada do diferenciador criada pela corrente de entrada DA2.2 em R16. O transformador de potência T1 tem potência total de 1 W. É permitido usar um transformador com dois enrolamentos secundários de 12 V, mas são necessárias duas pontes retificadoras. Para configurar e depurar o dispositivo, você precisará de um osciloscópio. É uma boa ideia ter um medidor de frequência para verificar as frequências do oscilador triangular. Capacitores modelo também serão necessários. O dispositivo começa a ser configurado ajustando as tensões +9 V e -9 V usando os resistores R25, R26. Em seguida, é verificado o funcionamento do gerador de oscilação triangular (oscilogramas 1, 2, 3, 4 na Fig. 3). Se você tiver um frequencímetro, meça a frequência do gerador em diferentes posições da chave SA1. É aceitável que as frequências difiram dos valores 1 Hz, 10 Hz, 100 Hz, 1 kHz, mas entre si devem diferir exatamente 10 vezes, pois disso depende a exatidão das leituras do instrumento nas diferentes escalas. Se as frequências do gerador não forem múltiplos de dez, então a precisão necessária (com um erro de 1%) é alcançada selecionando capacitores conectados em paralelo com os capacitores C1 - C4. Se as capacitâncias dos capacitores C1 - C4 forem selecionadas com a precisão necessária, você poderá dispensar a medição de frequências.
A seguir, verifique o funcionamento do amplificador operacional DA1.3 (oscilogramas 5, 6). Depois disso, defina o limite de medição para “10 µF”, o multiplicador para a posição “x1” e conecte um capacitor padrão com capacidade de 10 µF. A saída do diferenciador deve ser retangular, mas com frentes prolongadas e suavizadas, oscilações com amplitude em torno de 2 V (oscilograma 7). O resistor R21 define as leituras do instrumento - a agulha desvia para a escala completa. Um voltímetro digital (no limite de 2 V) é conectado aos soquetes XS3, XS4 e o resistor R22 é usado para definir a leitura para 1000 mV. Se os capacitores C1 - C4 e os resistores R12 - R16 forem selecionados com precisão, as leituras do instrumento serão múltiplas em outras escalas, o que pode ser verificado usando capacitores padrão. Medir a capacitância de um capacitor soldado em uma placa com outros elementos geralmente é bastante preciso na faixa de 0,1 a 10 uF, exceto quando o capacitor é desviado por um circuito resistivo de baixa resistência. Como sua resistência equivalente depende da frequência Xc = 000/ωС, para reduzir o efeito de desvio de outros elementos do dispositivo é necessário aumentar a frequência de medição com diminuição da capacitância dos capacitores medidos. Se, ao medir capacitores com capacidade de 1 μF, 10 μF, 000 μF, 1000 μF, forem usadas frequências de 100 Hz, 10 Hz, 1 Hz, 10 kHz, respectivamente, então o efeito de desvio dos resistores afetará a leitura do dispositivo com um resistor conectado em paralelo com resistência de 100 Ohms (um erro de cerca de 1%) ou menos. Ao medir capacitores com capacidade de 300 e 4 μF na frequência de 0,1 kHz, um erro de 1% será devido à influência de um resistor conectado em paralelo com resistência de 1 e 4 kOhm, respectivamente. Nos limites de 0,01 μF e 1000 pF, é aconselhável verificar os capacitores com os circuitos shunt desligados, pois a corrente de medição é pequena (2 μA, 200 nA). Vale lembrar, entretanto, que a confiabilidade de pequenos capacitores é visivelmente maior devido ao seu design e à maior tensão permitida. Às vezes, por exemplo, ao medir alguns capacitores com dielétrico de óxido (K50-6, etc.) com capacidade de 1 µF a 10 µF na frequência de 1 kHz, aparece um erro, aparentemente associado à própria indutância e perdas do capacitor em seu dielétrico; As leituras do instrumento são mais baixas. Portanto, pode ser aconselhável realizar medições em uma frequência mais baixa (por exemplo, no nosso caso, em uma frequência de 100 Hz), embora neste caso as propriedades de derivação dos resistores paralelos já sejam refletidas em uma resistência mais alta. Literatura
Autor: V. Vasiliev, Naberezhnye Chelny
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