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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Kondensator-Kapazitätsmesser. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik Dieses Gerät basiert auf einem zuvor in unserem Journal beschriebenen Gerät [1]. Im Gegensatz zu den meisten Geräten dieser Art ist es interessant, die Funktionsfähigkeit und Kapazität von Kondensatoren zu überprüfen, ohne sie von der Platine entfernen zu müssen. Das vorgeschlagene Messgerät ist sehr bequem zu verwenden und weist eine ausreichende Genauigkeit auf. Jeder, der Haushalts- oder Industriefunkgeräte repariert, weiß, dass es praktisch ist, den Zustand von Kondensatoren zu überprüfen, ohne sie zu demontieren. Viele Kondensator-Kapazitätsmessgeräte bieten eine solche Möglichkeit jedoch nicht. Eine ähnliche Konstruktion wurde zwar in [2] beschrieben. Es verfügt über einen kleinen Messbereich, eine nichtlineare Skala mit Countdown, was die Genauigkeit verringert. Bei der Entwicklung eines neuen Messgeräts wurde die Aufgabe gelöst, ein Gerät mit großem Bereich, linearer Skala und direkter Ablesung zu schaffen, damit es als Laborgerät verwendet werden kann. Darüber hinaus muss das Gerät diagnostisch sein, d. h. in der Lage sein, Kondensatoren zu überprüfen, die von pn-Übergängen von Halbleiterbauelementen und Widerstandswiderständen überbrückt werden. Das Funktionsprinzip des Geräts ist wie folgt. Am Eingang des Differenzierers wird eine dreieckförmige Spannung angelegt, bei der der geprüfte Kondensator als Differenzierkondensator dient. In diesem Fall erzeugt sein Ausgang eine Rechteckwelle mit einer Amplitude proportional zur Kapazität dieses Kondensators. Anschließend wählt der Detektor den Amplitudenwert des Mäanders aus und gibt eine konstante Spannung an den Messkopf aus. Die Amplitude der Messspannung an den Sonden des Geräts beträgt ca. 50 mV, was nicht ausreicht, um die pn-Übergänge von Halbleiterbauelementen zu öffnen, sodass diese keine Nebenschlusswirkung haben. Das Gerät verfügt über zwei Schalter. „Scale“-Endschalter mit fünf Positionen: 10 µF, 1 µF, 0,1 µF, 0,01 µF, 1000 pF. Der „Multiplikator“-Schalter (X1000, x10, x10, x1) verändert die Messfrequenz. So verfügt das Gerät über acht Kapazitätsmessbereiche von 10 μF bis 000 pF, was in den meisten Fällen praktisch ausreicht. Der Dreiecksschwingungsgenerator ist auf den Operationsverstärkerchips DA1.1, DA1.2, DA1.4 aufgebaut (Abb. 1). Einer davon, DA1.1, arbeitet im Komparatormodus und erzeugt ein Rechtecksignal, das dem Eingang des Integrators DA1.2 zugeführt wird. Der Integrator wandelt rechteckige Schwingungen in dreieckige um. Die Generatorfrequenz wird durch die Elemente R4, C1 – C4 bestimmt. Im Rückkopplungskreis des Generators befindet sich ein Wechselrichter auf Basis des Operationsverstärkers DA1.4, der für einen selbstoszillierenden Modus sorgt. Mit dem Schalter SA1 kann eine der Messfrequenzen (Multiplikator) eingestellt werden: 1 Hz (X1000), 10Hz (x10O), 10 Hz (x10), 1 kHz (X1).
Der Operationsverstärker DA2.1 ist ein Spannungsfolger, an dessen Ausgang ein dreieckförmiges Signal mit einer Amplitude von etwa 50 mV ausgegeben wird, das zur Erzeugung eines Messstroms durch den getesteten Kondensator Cx verwendet wird. Da die Kapazität des Kondensators in der Platine gemessen wird, kann es zu einer Restspannung kommen. Um eine Beschädigung des Messgeräts zu verhindern, sind daher zwei antiparallele Brückendioden VD1 parallel zu seinen Sonden geschaltet. Der Operationsverstärker DA2.2 fungiert als Differenzierer und fungiert als Strom-Spannungs-Wandler. Seine Ausgangsspannung: Uout=(Rl2...R16) IBX=(Rl2...Rl6)Cx-dU/dt. Wenn man beispielsweise eine Kapazität von 100 uF bei einer Frequenz von 100 Hz misst, ergibt sich: Iin = Cx dU / dt = 100-100MB / 5MC = 2MA, Uout = R16 lBX = 1 kOhm mA = 2 V. Die Elemente R11, C5 – C9 sind für den stabilen Betrieb des Differenzierers erforderlich. Kondensatoren eliminieren Schwingungsprozesse an den Mäanderfronten, die eine genaue Messung der Amplitude unmöglich machen. Dadurch erzeugt der Ausgang von DA2.2 einen Mäander mit glatten Kanten und einer Amplitude proportional zur gemessenen Kapazität. Der Widerstand R11 begrenzt auch den Eingangsstrom, wenn die Sonden kurzgeschlossen sind oder der Kondensator defekt ist. Für den Eingangskreis des Zählers muss folgende Ungleichung erfüllt sein: (3...5)CxR1<1/(2f). Wenn diese Ungleichung nicht erfüllt ist, erreicht der aktuelle IBX in einer halben Periode keinen stabilen Wert und der Mäander erreicht nicht die entsprechende Amplitude, und es tritt ein Fehler bei der Messung auf. Beispielsweise wird in dem in [1] beschriebenen Messgerät bei der Messung einer Kapazität von 1000 μF bei einer Frequenz von 1 Hz die Zeitkonstante wie folgt definiert: Cx R25 \u10d 910OO uF - 0,91 Ohm \uXNUMXd XNUMX s. Die halbe Schwingungsdauer T/2 beträgt nur 0,5 s, daher fallen die Messungen in diesem Maßstab merklich nichtlinear aus. Der Synchrondetektor besteht aus einem Schlüssel an einem Feldeffekttransistor VT1, einer Schlüsselsteuereinheit an einem Operationsverstärker DA1.3 und einem Speicherkondensator C10. Der Operationsverstärker DA1.2 gibt während der positiven Halbwelle des Mäanders, wenn seine Amplitude eingestellt ist, ein Steuersignal an die Taste VT1. Der Kondensator C10 speichert die vom Detektor erzeugte konstante Spannung. Vom Kondensator C10 wird die Spannung, die Informationen über den Wert der Kapazität Cx enthält, über den DA2.3-Repeater zum RA1-Mikroamperemeter geleitet. Die Kondensatoren C11, C12 glätten. Vom Motor des variablen Kalibrierwiderstands R22 wird Spannung an ein digitales Voltmeter mit einer Messgrenze von 2 V angelegt. Das Netzteil (Abb. 2) erzeugt bipolare Spannungen von ±9 V. Die Referenzspannungen bilden thermisch stabile Zenerdioden VD5, VD6. Die Widerstände R25, R26 stellen die erforderliche Ausgangsspannung ein. Konstruktiv ist die Stromquelle mit dem Messteil des Gerätes auf einer gemeinsamen Platine zusammengefasst.
Das Gerät verwendet variable Widerstände vom Typ SPZ-22 (R21, R22, R25, R26). Festwiderstände R12 - R16 - Typ C2-36 oder C2-14 mit einer zulässigen Abweichung von ±1 %. Der Widerstand R16 entsteht durch Reihenschaltung mehrerer ausgewählter Widerstände. Es können auch andere Widerstandstypen R12 - R16 verwendet werden, diese müssen jedoch mit einem digitalen Ohmmeter (Multimeter) ausgewählt werden. Bei den übrigen Festwiderständen handelt es sich um beliebige Widerstände mit einer Verlustleistung von 0,125 W. Kondensator C10 - K53-1A, Kondensatoren C11 - C16 - K50-16. Kondensatoren C1, C2 - K73-17 oder andere Metallfilmkondensatoren, C3, C4 - KM-5, KM-6 oder andere Keramikkondensatoren mit TKE nicht schlechter als M750, sie müssen auch mit einem Fehler von nicht mehr als 1 % ausgewählt werden . Die restlichen Kondensatoren sind beliebig. Schalter SA1, SA2 - P2G-3 5P2N. Im Design ist die Verwendung des KP303-Transistors (VT1) mit den Buchstabenindizes A, B, V, Zh, I zulässig. Die Spannungsstabilisatoren VT2, VT3 können durch andere Siliziumtransistoren mit geringer Leistung der entsprechenden Struktur ersetzt werden. Anstelle des Operationsverstärkers K1401UD4 können Sie auch den Operationsverstärker K1401UD2A verwenden. Bei der Grenze von „1000 pF“ kann jedoch ein Fehler aufgrund der Vorspannung des Differenzierereingangs auftreten, die durch den Eingangsstrom DA2.2 an R16 erzeugt wird. Der Leistungstransformator T1 hat eine Gesamtleistung von 1 W. Es ist akzeptabel, einen Transformator mit zwei Sekundärwicklungen von jeweils 12 V zu verwenden, dann sind jedoch zwei Gleichrichterbrücken erforderlich. Zum Einrichten und Debuggen des Geräts ist ein Oszilloskop erforderlich. Es ist sinnvoll, einen Frequenzmesser zu haben, um die Frequenzen des Dreiecksoszillators zu überprüfen. Es werden auch vorbildliche Kondensatoren benötigt. Der Geräteabgleich beginnt, indem die Spannungen über die Widerstände R9, R9 auf +25 V und -26 V eingestellt werden. Anschließend wird die Funktion des Dreiecksschwingungsgenerators überprüft (Oszillogramme 1, 2, 3, 4 in Abb. 3). Wenn Sie über einen Frequenzmesser verfügen, messen Sie die Frequenz des Generators an verschiedenen Positionen des Schalters SA1. Es ist akzeptabel, wenn die Frequenzen von den Werten 1 Hz, 10 Hz, 100 Hz, 1 kHz abweichen, sie müssen sich jedoch untereinander genau zehnmal unterscheiden, da davon die Richtigkeit der Instrumentenwerte auf verschiedenen Skalen abhängt. Wenn die Generatorfrequenzen kein Vielfaches von zehn sind, wird die erforderliche Genauigkeit (mit einem Fehler von 10 %) durch die Auswahl von parallel zu den Kondensatoren C1 - C1 geschalteten Kondensatoren erreicht. Wenn die Kapazitäten der Kondensatoren C4 – C1 mit der erforderlichen Genauigkeit gewählt werden, kann auf die Messung von Frequenzen verzichtet werden.
Überprüfen Sie als nächstes die Funktion des Betriebssystems DA1.3 (Oszillogramme 5, 6). Danach wird die Messgrenze auf „10 μF“ eingestellt, der Multiplikator auf die Position „x1“ gestellt und ein beispielhafter Kondensator mit einer Kapazität von 10 μF angeschlossen. Am Ausgang des Differenzierers sollten rechteckige, aber mit verschärften, geglätteten Fronten auftretende Schwingungen mit einer Amplitude von etwa 2 V vorliegen (Oszillogramm 7). Der Widerstand R21 stellt die Messwerte des Instruments ein – die Nadel schlägt auf den vollen Skalenwert aus. An die Buchsen XS2, XS3 wird ein Digitalvoltmeter (Grenzwert 4 V) angeschlossen und über den Widerstand R22 der Messwert auf 1000 mV eingestellt. Wenn die Kondensatoren C1 – C4 und die Widerstände R12 – R16 genau ausgewählt sind, sind die Messwerte des Instruments ein Vielfaches auf anderen Skalen, was mit Standardkondensatoren überprüft werden kann. Die Messung der Kapazität eines Kondensators, der zusammen mit anderen Elementen in eine Platine eingelötet ist, liegt normalerweise im Bereich von 0,1 bis 10 uF recht genau, es sei denn, der Kondensator wird durch einen Widerstandskreis mit niedrigem Widerstand parallel geschaltet. Da sein Ersatzwiderstand von der Frequenz Xc = 000/ωС abhängt, ist es zur Reduzierung des Nebenschlusseffekts anderer Elemente des Geräts erforderlich, die Messfrequenz zu erhöhen und gleichzeitig die Kapazität der gemessenen Kondensatoren zu verringern. Wenn bei der Messung von Kondensatoren mit einer Kapazität von 1 μF, 10 μF, 000 μF, 1000 μF Frequenzen von 100 Hz, 10 Hz, 1 Hz bzw. 10 kHz verwendet werden, beeinflusst der Nebenschlusseffekt der Widerstände den Messwert des Geräts mit einem parallel geschalteten Widerstand mit einem Widerstandswert von 100 Ohm (ein Fehler von etwa 1 %) oder weniger. Bei der Messung von Kondensatoren mit einer Kapazität von 300 und 4 μF bei einer Frequenz von 0,1 kHz ergibt sich ein Fehler von 1 % durch den Einfluss eines parallel geschalteten Widerstands mit einem Widerstandswert von 1 bzw. 4 kOhm. Bei den Grenzen von 0,01 μF und 1000 pF empfiehlt es sich, die Kondensatoren bei ausgeschalteten Nebenschlusskreisen zu überprüfen, da der Messstrom gering ist (2 μA, 200 nA). Es sei jedoch daran erinnert, dass die Zuverlässigkeit kleiner Kondensatoren aufgrund des Designs und der höheren zulässigen Spannung deutlich höher ist. Manchmal, beispielsweise bei der Messung einiger Kondensatoren mit einem Oxiddielektrikum (K50-6 usw.) mit einer Kapazität von 1 µF bis 10 µF bei einer Frequenz von 1 kHz, tritt ein Fehler auf, der offenbar mit der eigenen Induktivität und den Verlusten des Kondensators zusammenhängt in seinem Dielektrikum; Die Instrumentenwerte sind niedriger. Daher kann es sinnvoll sein, Messungen bei einer niedrigeren Frequenz durchzuführen (in unserem Fall beispielsweise bei einer Frequenz von 100 Hz), obwohl sich in diesem Fall die Nebenschlusseigenschaften paralleler Widerstände bereits bei einem höheren Widerstand widerspiegeln. Literatur
Autor: V. Vasiliev, Naberezhnye Chelny
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