2001.12 Miernik LC, Projekty AVT
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
++
Projekty AVT
Miernik
LC
2 6 0 9
Przystawka do miernika zasilana
napięciem stałym lub zmiennym
Zakresy pomiarowe:
1pF...1nF
1nF...1
µ
F
2,2
µ
H...2mH
100
µ
H...200mH
tery). Po przejściu przez inwertery przebieg
w punkcie C jest opóźniony, ale nadal ma wy−
pełnienie 50%, więc po uśrednieniu w filtrze
dolnoprzepusto−
wym, na wyjściu
D wystąpi napięcie
stałe dokładnie rów−
ne połowie napięcia
zasilania. Zmiana
wartości Cx będzie
wprawdzie zmieniać
opóźnienie przebie−
gu w punkcie C, jed−
nak napięcie stałe na
wyjściu D cały czas
będzie równe poło−
wie napięcia zasila−
nia.
Jeśli układ zmo−
dyfikujemy według
rysunku 2a
, doda−
jąc tranzystor T,
otrzymamy miernik
pojemności. Jeśli
w punkcie A pojawi
się stan wysoki
(chwila t
0
na
rysun−
ku 2b
), napięcie na
kondensatorze Cx
zacznie rosnąć
z szybkością zależ−
ną od stałej czaso−
wej RaCx. Gdy
w punkcie A napię−
cie gwałtownie opa−
dnie, tranzystor
T zostanie otwarty
i bardzo szybko roz−
ładuje kondensator
Cx. Przebieg z kondensatora Cx jest podawa−
ny na wejście bramki (inwertera), więc
w punkcie C pojawi się przebieg prostokątny
W Miniankietach nadesłanych przez Czytel−
ników EdW często powtarzają się prośby
o projekty przystawek do mierników uniwer−
salnych (multimetrów). Idea jest jak najbar−
dziej słuszna, bo w ten sposób tanim kosztem
można zrealizować różne pożyteczne przy−
rządy pomiarowe.
Redakcja sukcesywnie realizuje takie
prośby. W niniejszym artykule opisany jest
pożyteczny przyrząd tego rodzaju − przy−
stawka do pomiaru pojemności i indukcyjno−
ści. Współpracuje ona z dowolnym, nawet
najprostszym cyfrowym multimetrem, a kon−
kretnie woltomierzem.
Odczytana na mierniku wartość w mili−
woltach odpowiada, zależnie od zakresu, po−
jemności w piko− lub nanofaradach albo in−
dukcyjności w mikrohenrach.
Dodatkowy zakres pomiaru indukcyjności
pozwala na pomiary w zakresie do 200mH.
Rys. 1
Rys. 2
Zasada działania
Przystawka ma dwa zupełnie oddzielne tory
pomiarowe pojemności i indukcyjności. Do−
datkowo dwa zakresy pojemności realizowa−
ne są w nietypowy sposób.
Aby poznać zasadę działania należy prze−
analizować zachowanie układu z
rysunku 1
.
Przebieg prostokątny o wypełnieniu dokła−
dnie równym 50% podawany jest na obwód
całkujący RC i dalej na dwie bramki (inwer−
Elektronika dla Wszystkich
13
Projekty AVT
o wypełnieniu różnym od 50%. Czym więk−
sza pojemność Cx, tym bardziej wypełnienie
przebiegu będzie różnić się od 50%. Tym sa−
mym zwiększenie pojemności Cx będzie po−
wodować zmniejszanie napięcia w punkcie
D poniżej połowy napięcia zasilania.
Wystarczyłoby zastosować dodatkowy
dzielnik Rx, Rx, by napięcie między punkta−
mi D, M było wprost proporcjonalne do mie−
rzonej pojemności Cx.
W proponowanym układzie zastosowano
lepsze rozwiązanie. Zamiast dzielnika Rx,
Rx zastosowano drugi, podobny tor pomiaro−
wy. Dołączony miernik (woltomierz) mierzy
różnicę napięć na wyjściach obu torów. Ideę
pokazuje
rysunek 3
. Gdy pojemności mie−
rzone Cx w obu torach są równe zeru, na obu
wyjściach napięcia są równe połowie napię−
cia zasilania. Dołączenie jednego kondensa−
tora Cx spowoduje pojawienie się różnicy
napięć wyjściowych, a wskazywane napięcie
będzie proporcjonalne do mierzonej pojem−
ności. Oczywiście przy takiej zasadzie pracy,
podczas pomiaru kondensator powinien być
dołączony tylko do jednego z torów.
W proponowanym układzie wartości re−
zystorów Ra w obu torach różnią się 1000−
krotnie, dzięki czemu w prosty sposób uzy−
skuje się dwa zakresy pomiarowe. Pierwszy
mierzy pojemności małe (1pF...1nF) z roz−
dzielczością 1pF, drugi większe (1nF...1
kondensatora Cx powodowałyby zmianę
współczynnika wypełnienia na wyjściu toru
i błędne wskazanie w obu torach.
Pojemności montażowe mogą być różne,
dlatego w torze pomiaru małych pojemności
dodano obwód kompensujący. Pokazuje to
ry−
sunek 4a
. Potencjometr P1 trzeba tak ustawić,
by obwód P1Ck dawał takie same opóźnienie
jak obwód RaCmont. Wtedy, jak pokazuje
w przesadnie dużej skali
rysunek 4b
, prze−
bieg na wyjściu drugiego inwertera będzie
wprawdzie dodatkowo opóźniony, ale współ−
czynnik wypełnienia pozostanie równy 50%.
Zasadę pomiaru indukcyjności ilustruje
w uproszczeniu
rysunek 5
. Impuls prosto−
kątny podany na szeregowy obwód RL spo−
woduje wystąpienie na indukcyjności napię−
cia samoindukcji.
F) do punktów B1, B2.
Woltomierz pokazujący zmierzoną pojem−
ność dołączany jest do punktów C, D.
Potencjometr PR1 umożliwia kalibrację
zakresu 1pF...1nF. Dodatkowy potencjometr
PR2 pozwoli wyeliminować wpływ pojem−
ności montażowych na tym zakresie.
Potencjometr PR3 pozwala skalibrować
zakres 1nF...1
µ
F.
Na układzie U2 zrealizowany jest miernik
indukcyjności. Przebieg z generatora U2A po−
dawany jest na bufory U2B, U2C, U2E, U2F,
które zapewniają dużą wydajność prądową.
Co prawda przy wartości R13
równej 220Ω ta duża wydajność
nie jest wykorzystywana, jednak
przyda się, jeśliby ktoś z istotnych
powodów chciał zmniejszyć war−
tość R13. Rezystor R14 ogranicza
prąd podczas przepięć, gdy napię−
cie na cewce wykracza poza do−
datnie napięcie zasilające (patrz
rysunek 5b).
Potencjometr PR4 reguluje
częstotliwość generatora i powala
w prosty sposób skalibrować
przyrząd na zakresie 2µH...2mH.
Zmiana zakresu pomiarowego
dokonywana jest przez zmianę
częstotliwości generatora. Kon−
densatory C8, C9, dołączone za pomocą
przycisku S obniżają częstotliwość 100−krot−
nie, a tym samym zwiększają zakres pomia−
rowy do około 200mH. 1mV napięcia wyj−
ściowego odpowiada wtedy indukcyjności
100µH.
Dokładność zależy tu od częstotliwości,
uzyskanej po naciśnięciu S − powinna się
zmniejszyć dokładnie 100 razy (z około 48kHz
do około 480Hz). W najprostszej wersji
w miejsce C8, C9 zostanie wlutowany jeden
kondensator o nominale 100nF. Ze względu
na rozrzut wartości kondensatorów o toleran−
cji 5%, uzyskana częstotliwość zapewne bę−
dzie się trochę różnić od pożądanej. Tym sa−
mym w wersji podstawowej dokładność na
tym dodatkowym zakresie pomiaru indukcyj−
ności będzie mniejsza, niż na pozostałych za−
kresach. Kto chce, może dokładnie skalibro−
wać także i ten zakres – mając cewkę induk−
cyjną o znanej wartości trzeba dobrać warto−
ści pojemności C8, C9 – w układzie przewi−
dziano miejsce na dwa kondensatory, a do−
datkowy można dolutować od druku.
Kondensator C13 w zasadzie powinien
być włączony pomiędzy punkty E, F. Włą−
czono go jednak między punkt E a plus zasi−
lania tylko po to, żeby w razie potrzeby moż−
na tam wlutować zwykły, aluminiowy „elek−
trolit”, który musi być stale formowany.
µ
Rg
E
Cs
µ
F)
z rozdzielczością 1nF.
Przy pomiarze małych pojemności trzeba
uwzględnić pojemności montażowe, wynoszą−
ce zwykle kilka do kilkunastu pikofaradów.
Pojemności montażowe, nawet bez obecności
Rys. 5
Rys. 3
Czas trwania powstałego impulsu jest za−
leżny od indukcyjności, a ogólnie biorąc, od
stałej czasowej L/R.
Czym większa indukcyjność, tym dłuższy
czas powstałego impulsu. Wystarczy podać na
obwód RL przebieg prostokątny, by uzyskać
przebiegi jak na
rysunku 5b
. Przebieg z cew−
ki podawany jest na wejście bramki (inwerte−
ra). Ponieważ indukcyjność dołączona jest tu
do dodatniej szyny zasilania, wykorzystywane
są ujemne „szpilki”. Na wyjściu inwertera,
w punkcie C uzyskuje się dodat−
nie szpilki, których czas trwania
jest proporcjonalny do mierzonej
indukcyjności. Tym samym śre−
dnie napięcie na wyjściu inwer−
tera jest wprost proporcjonalne
do indukcyjności Lx. Prosty filtr
dolnoprzepustowy (RsCs) uśre−
dnia przebieg i z punktu E na
woltomierz podawane jest napię−
cie stałe, proporcjonalne do mie−
rzonej indukcyjności.
Rys. 4
Ra
Opis układu
Pełny schemat ideowy przy−
stawki pomiarowej pokazany
jest na
rysunku 6
. Z łatwością
14
Elektronika dla Wszystkich
można tu zidentyfikować wszystkie omówio−
ne wcześniej bloki pomiarowe.
Blok pomiaru pojemności zrealizowany
jest z układem U1. Małe pojemności
(1pF...1nF) należy dołączać do punktów A1,
A2, większe (1nF...1
Projekty AVT
Jeśli ktoś chce, może kalibrować przystaw−
kę przed każdym pomiarem za pomocą wzor−
cowych elementów L, C i wtedy dokładność
będzie duża. W gruncie rzeczy do pomiarów
orientacyjnych, takich jak identyfikacja nomi−
nałów i dobieranie par wcale nie jest potrzeb−
na duża dokładność, a jedynie powtarzalność
wskazań. Dlatego w większości przypadków
wystarczy jednorazowa kalibracja, wykonana
po zbudowaniu i uruchomieniu układu.
Montaż i uruchomienie
Przystawkę można zmontować na płytce dru−
kowanej, pokazanej na
rysunku 7
. Otwory
w rogach można wykorzystać do wykonania
nóżek. Montaż układu nie jest trudny. Kali−
bracja też nie jest trudna pod warunkiem po−
siadania elementów wzorcowych, o znanych
wartościach. Kalibracja nie sprawi kłopotów
nabywcom kitu AVT−2609, ponieważ w jego
skład wchodzą elementy do kalibracji układu.
Wygodny sposób dołączenia miernika za−
pewnią wlutowane w płytkę szpilki ze złącz
DB−xx. Warto wykonać specjalny kabel do
miernika, z jednej strony wyposażony w „ba−
nanki”, z drugiej w nasadki z żeńskich złącz
DB−xx. Przy pomiarze pojemności będzie on
dołączany do punktów C, D, a przy indukcyj−
ności – do punktów E, F. Biegunowość nie
gra tu roli.
Uwaga! W układzie nie mogą pracować
układy bipolarne rodzin TTL Standard, S, F,
LS, AS. Nie powinny też być stosowane ko−
Rys. 7 Schemat montażowy
stki ‘HCT14, ‘ACT14 ze względu na obniżo−
ne wartości napięć progowych.
ści elementów nie byłoby to możliwe, trzeba
wymienić C4 na najbliższy z szeregu lub
zmienić R1).
Odłączyć mierzony kondensator 1nF. Za
pomocą potencjometru PR2 ustawić napięcie
wyjściowe równe zeru.
Do punktów B1, B2 dołączyć kondensa−
tor o pojemności 1µF i za pomocą PR3 uzy−
skać na wyjściu napięcie 1V.
Podczas kalibracji i pomiarów indukcyj−
ności woltomierz dołączyć do punktów E, F.
Do punktów L1, L2 dołączyć zworę w miej−
sce cewki. Za pomocą PR5 uzyskać napięcie
wyjściowe dokładnie równe zeru. Następnie
do punktów L1, L2 (Lx 1mV=1µH) dołączyć
cewkę o indukcyjności 1mH. Za pomocą
PR4 uzyskać napięcie wyjściowe równe 1V.
Kalibracja
W wersji podstawowej przyrząd będzie służył
do identyfikacji elementów, a jego dokładność
bezwzględna nie musi być duża. Do kalibracji
takiej wersji wystarczą całkowicie typowe ele−
menty ze sklepu: kondensatory o nominałach
1nF i 1µF oraz cewki 1mH i 100mH.
Aby skalibrować miernik pojemności, na−
leży dołączyć do zacisków A1, A2 (Cx
1mV=1pF) kondensator 1nF, a do punktów
C, D woltomierz. Za pomocą PR1 ustawić
wskazanie woltomierza równe 1V. (Jeśli
wskutek wyjątkowo dużego rozrzutu warto−
Rys. 6 Schemat ideowy
Elektronika dla Wszystkich
15
Projekty AVT
W wersji podstawowej kalibracji zakresu
pomiarowego do 200mH nie przeprowadza się.
W wersji dokładnej należy wykorzystać
elementy o dokładnie zmierzonej wartości
i w opisany sposób ustawić napięcia wyjścio−
we stosownie do rzeczywistej wartości ele−
mentów. Kalibracja zakresu 200mH będzie
polegać na dołączeniu cewki 100mH i dobra−
niu wartości C8, C9, by napięcie ściśle odpo−
wiadało mierzonej indukcyjności.
Dla dociekliwych
i zaawansowanych
Przyrząd w opisanej wersji podstawowej do−
skonale pełni swoją rolę i będzie znakomitym
uzupełnieniem pracowni wielu elektroników.
Czytelnicy bardziej dociekliwi być może
zechcą coś zmienić. Prawdopodobnie zechcą
na bazie opisanego rozwiązania zbudować
przyrząd wielozakresowy, o jeszcze lepszej
dokładności. Podczas testów modelu spraw−
dzono możliwości pomiaru skrajnie małych
i dużych wartości LC.
W przypadku pojemności nie było god−
nych uwagi problemów.
W przypadku miernika indukcyjności
trzeba uwzględnić pewne zależności i cechy
układu.
Na początku przewidziano rezystor R14
o wartości 1k
.
Podstawowy zakres pomiaru indukcyjno−
ści sięga od około 2,2µH do około 2mH.
Uzyskuje się to przy częstotliwości gene−
ratora U2A około 48kHz i wartości R13 wy−
noszącej 220
Inną możliwością jest... 1000−krotne
zwiększenie wartości R13. Jeszcze inną
jednoczesne zmniejszenie częstotliwo−
ści i zwiększenie R13 (30...33 razy), by
wskazanie dołączonego miernika wyno−
siło 1mV/mH. Taka operacja wymagała−
by jednak znacznej ingerencji w układ.
Obwody pomiaru pojemności można też
wykorzystać inaczej. Jeśli w torze pomiaro−
wym pojemności obydwie gałęzie byłyby
identyczne, uzyskuje się komparator pojem−
ności do porównywania dwóch kondensato−
rów o jednakowych nominałach.
Podobnie dwa identyczne tory pozwolą
zbudować komparator indukcyjności.
. 1mV napięcia wyjściowego
odpowiada indukcyjności 1µH.
Można w dość prosty sposób zmodyfiko−
wać układ, by 1mV napięcia wyjściowego
odpowiadał 1mH, co pozwoliłoby uzyskać
zakres pomiarowy od około 2mH...2H. Moż−
liwości jest kilka. Można na przykład 1000−
krotnie zmniejszyć częstotliwość, ale nie jest
to najlepsze rozwiązanie, bo wymaga zasto−
sowania filtru R15C13 o dużej stałej czaso−
wej, co będzie niewygodne w praktyce.
Piotr Górecki
Wykaz elementów
C8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .*
C9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF
C10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1nF
C12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .470µF/25V
C13 . . . . . . . . .1µF MKT (llub 10µF/25V ttanttall)
Półprzewodniki
D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4148
D2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .niie monttować
D3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4001
T1,,T2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC548
U1 U2 . . . . . . . . . . . . . . .74AC14 lub 74HC14
U3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LM78L05
Inne
S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .µswiittch
kołłkii z wttyków DB−xx . . . . . . . . . . . . . . . .4sztt..
nasadkii z gniiazd DB−xx . . . . . . . . . . . . . .2sztt..
złłącza śrubowe ARK−2 . . . . . . . . . . . . . . .5sztt..
płłyttka drukowana wg rysunku 7
Elementy do kalibracji
1nF
1
Rezystory
R1,,R12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15k
Ω
R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1M
Ω
Ω
R4,,R7,,R8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1k
Ω
R5,,R9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10k
Ω
R6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .910
Ω
R10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2,,2M
. Wtedy przyrząd nie mierzył
cewek o indukcyjności poniżej 6,8
Ω
Ω
R11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .niie monttować
R13,,R14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220
Ω
R15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100k
H. Pro−
blem w tym, że na mierzonej cewce Lx wystę−
pują również impulsy o polaryzacji dodatniej
względem dodatniej szyny zasilania.
Rezystor R14 ogranicza prąd płynący
przez wewnętrzne wejściowe obwody
ochronne bramek. Dla układów AC deklaro−
wana typowa wartość otwierania pasożytni−
czej struktury tyrystorowej jest rzędu 75mA
dla wejść i 300mA dla wyjść. Nawet przy
zwarciu R14 taki prąd przez wejście U2D nie
popłynie. Niewielki prąd nie uszkodzi wej−
ścia bramki, ani nie spowoduje zatrzaśnięcia
pasożytniczych struktur tyrystorowych. Po
zwarciu R14, przyrząd mierzył indukcyjno−
ści już od 1
µ
Ω
PR1,,PR2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100k
Ω
PR3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220
Ω
PR4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10k
Ω
PR5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1k
Ω
Kondensatory
C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .270pF
C2,,C6,,C11,,C14 . . . . . . . . . . . . . . .100µF/25V
C3,,C5,,C7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10µF/25V
C4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22nF
F
1mH
µ
H. Ostatecznie z jeszcze innych
Komplet podzespołów z płytką jest dostępny w sieci handlowej AVT
jako kit szkolny AVT−2609
REKLAMA
•
REKLAMA
•
REKLAMA
AKUMULATORY 12V
TYP POJEMNOŚĆ DŁUGOŚĆ SZEROKOŚĆ WYSOKOŚĆ WAGA CENA
NP1,,2−12 . . . . .1,,2Ah . . . . . . . .97 . . . . . . . .48 . . . . . . . . . .54,,5 . . . . . .0,,57 . . .62,,00
NP3,,2−12 . . . . .3,,2Ah . . . . . . .134 . . . . . . . .67 . . . . . . . . . . .64 . . . . . .1,,17 . . .76,,00
NP4−12 . . . . . . . .4Ah . . . . . . . .90 . . . . . . . .70 . . . . . . . . . .106 . . . . . .1,,70 . . .79,,00
NP6−12 . . . . . . . .6Ah . . . . . . .151 . . . . . . . .65 . . . . . . . . . .97,,5 . . . . . .2,,40 . . .82,,00
NP7−12 . . . . . . . .7Ah . . . . . . .151 . . . . . . . .65 . . . . . . . . . .97,,5 . . . . . .2,,64 . . .89,,00
NP12−12 . . . . . .12Ah . . . . . . .151 . . . . . . . .98 . . . . . . . . . .97,,5 . . . . . .4,,00 . . .160,,0
AKUMULATORY 6V
TYP POJEMNOŚĆ DŁUGOŚĆ SZEROKOŚĆ WYSOKOŚĆ WAGA CENA
NP1,,2−6 . . . . . .1,,2Ah . . . . . . .97 . . . . . . . .25 . . . . . . . . . .54,,5 . . . . . .0,,30 . . .41,,00
NP4−6 . . . . . . . . .4Ah . . . . . . .70 . . . . . . . .47 . . . . . . . . .105,,5 . . . . . .0,,85 . . .55,,00
NP12−6 . . . . . . .12Ah . . . . . .151 . . . . . . . .65 . . . . . . . . . .97,,5 . . . . . .2,,10 . . .70,,00
AVT Korporacja Dział Handlowy,
skr. Poczt. 72, 01−900 Warszawa 118
e−mail: handlowy@avt.com.pl
tel./fax (022) 835−66−88, tel. (022) 864−64−82
16
Elektronika dla Wszystkich
względów zastosowano kompromisową war−
tość R14 −220
Ω
Ω
1%
R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4,,7k
µ
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
zanotowane.pl doc.pisz.pl pdf.pisz.pl charloteee.keep.pl
++
Projekty AVT
Miernik
LC
2 6 0 9
Przystawka do miernika zasilana
napięciem stałym lub zmiennym
Zakresy pomiarowe:
1pF...1nF
1nF...1
µ
F
2,2
µ
H...2mH
100
µ
H...200mH
tery). Po przejściu przez inwertery przebieg
w punkcie C jest opóźniony, ale nadal ma wy−
pełnienie 50%, więc po uśrednieniu w filtrze
dolnoprzepusto−
wym, na wyjściu
D wystąpi napięcie
stałe dokładnie rów−
ne połowie napięcia
zasilania. Zmiana
wartości Cx będzie
wprawdzie zmieniać
opóźnienie przebie−
gu w punkcie C, jed−
nak napięcie stałe na
wyjściu D cały czas
będzie równe poło−
wie napięcia zasila−
nia.
Jeśli układ zmo−
dyfikujemy według
rysunku 2a
, doda−
jąc tranzystor T,
otrzymamy miernik
pojemności. Jeśli
w punkcie A pojawi
się stan wysoki
(chwila t
0
na
rysun−
ku 2b
), napięcie na
kondensatorze Cx
zacznie rosnąć
z szybkością zależ−
ną od stałej czaso−
wej RaCx. Gdy
w punkcie A napię−
cie gwałtownie opa−
dnie, tranzystor
T zostanie otwarty
i bardzo szybko roz−
ładuje kondensator
Cx. Przebieg z kondensatora Cx jest podawa−
ny na wejście bramki (inwertera), więc
w punkcie C pojawi się przebieg prostokątny
W Miniankietach nadesłanych przez Czytel−
ników EdW często powtarzają się prośby
o projekty przystawek do mierników uniwer−
salnych (multimetrów). Idea jest jak najbar−
dziej słuszna, bo w ten sposób tanim kosztem
można zrealizować różne pożyteczne przy−
rządy pomiarowe.
Redakcja sukcesywnie realizuje takie
prośby. W niniejszym artykule opisany jest
pożyteczny przyrząd tego rodzaju − przy−
stawka do pomiaru pojemności i indukcyjno−
ści. Współpracuje ona z dowolnym, nawet
najprostszym cyfrowym multimetrem, a kon−
kretnie woltomierzem.
Odczytana na mierniku wartość w mili−
woltach odpowiada, zależnie od zakresu, po−
jemności w piko− lub nanofaradach albo in−
dukcyjności w mikrohenrach.
Dodatkowy zakres pomiaru indukcyjności
pozwala na pomiary w zakresie do 200mH.
Rys. 1
Rys. 2
Zasada działania
Przystawka ma dwa zupełnie oddzielne tory
pomiarowe pojemności i indukcyjności. Do−
datkowo dwa zakresy pojemności realizowa−
ne są w nietypowy sposób.
Aby poznać zasadę działania należy prze−
analizować zachowanie układu z
rysunku 1
.
Przebieg prostokątny o wypełnieniu dokła−
dnie równym 50% podawany jest na obwód
całkujący RC i dalej na dwie bramki (inwer−
Elektronika dla Wszystkich
13
Projekty AVT
o wypełnieniu różnym od 50%. Czym więk−
sza pojemność Cx, tym bardziej wypełnienie
przebiegu będzie różnić się od 50%. Tym sa−
mym zwiększenie pojemności Cx będzie po−
wodować zmniejszanie napięcia w punkcie
D poniżej połowy napięcia zasilania.
Wystarczyłoby zastosować dodatkowy
dzielnik Rx, Rx, by napięcie między punkta−
mi D, M było wprost proporcjonalne do mie−
rzonej pojemności Cx.
W proponowanym układzie zastosowano
lepsze rozwiązanie. Zamiast dzielnika Rx,
Rx zastosowano drugi, podobny tor pomiaro−
wy. Dołączony miernik (woltomierz) mierzy
różnicę napięć na wyjściach obu torów. Ideę
pokazuje
rysunek 3
. Gdy pojemności mie−
rzone Cx w obu torach są równe zeru, na obu
wyjściach napięcia są równe połowie napię−
cia zasilania. Dołączenie jednego kondensa−
tora Cx spowoduje pojawienie się różnicy
napięć wyjściowych, a wskazywane napięcie
będzie proporcjonalne do mierzonej pojem−
ności. Oczywiście przy takiej zasadzie pracy,
podczas pomiaru kondensator powinien być
dołączony tylko do jednego z torów.
W proponowanym układzie wartości re−
zystorów Ra w obu torach różnią się 1000−
krotnie, dzięki czemu w prosty sposób uzy−
skuje się dwa zakresy pomiarowe. Pierwszy
mierzy pojemności małe (1pF...1nF) z roz−
dzielczością 1pF, drugi większe (1nF...1
kondensatora Cx powodowałyby zmianę
współczynnika wypełnienia na wyjściu toru
i błędne wskazanie w obu torach.
Pojemności montażowe mogą być różne,
dlatego w torze pomiaru małych pojemności
dodano obwód kompensujący. Pokazuje to
ry−
sunek 4a
. Potencjometr P1 trzeba tak ustawić,
by obwód P1Ck dawał takie same opóźnienie
jak obwód RaCmont. Wtedy, jak pokazuje
w przesadnie dużej skali
rysunek 4b
, prze−
bieg na wyjściu drugiego inwertera będzie
wprawdzie dodatkowo opóźniony, ale współ−
czynnik wypełnienia pozostanie równy 50%.
Zasadę pomiaru indukcyjności ilustruje
w uproszczeniu
rysunek 5
. Impuls prosto−
kątny podany na szeregowy obwód RL spo−
woduje wystąpienie na indukcyjności napię−
cia samoindukcji.
F) do punktów B1, B2.
Woltomierz pokazujący zmierzoną pojem−
ność dołączany jest do punktów C, D.
Potencjometr PR1 umożliwia kalibrację
zakresu 1pF...1nF. Dodatkowy potencjometr
PR2 pozwoli wyeliminować wpływ pojem−
ności montażowych na tym zakresie.
Potencjometr PR3 pozwala skalibrować
zakres 1nF...1
µ
F.
Na układzie U2 zrealizowany jest miernik
indukcyjności. Przebieg z generatora U2A po−
dawany jest na bufory U2B, U2C, U2E, U2F,
które zapewniają dużą wydajność prądową.
Co prawda przy wartości R13
równej 220Ω ta duża wydajność
nie jest wykorzystywana, jednak
przyda się, jeśliby ktoś z istotnych
powodów chciał zmniejszyć war−
tość R13. Rezystor R14 ogranicza
prąd podczas przepięć, gdy napię−
cie na cewce wykracza poza do−
datnie napięcie zasilające (patrz
rysunek 5b).
Potencjometr PR4 reguluje
częstotliwość generatora i powala
w prosty sposób skalibrować
przyrząd na zakresie 2µH...2mH.
Zmiana zakresu pomiarowego
dokonywana jest przez zmianę
częstotliwości generatora. Kon−
densatory C8, C9, dołączone za pomocą
przycisku S obniżają częstotliwość 100−krot−
nie, a tym samym zwiększają zakres pomia−
rowy do około 200mH. 1mV napięcia wyj−
ściowego odpowiada wtedy indukcyjności
100µH.
Dokładność zależy tu od częstotliwości,
uzyskanej po naciśnięciu S − powinna się
zmniejszyć dokładnie 100 razy (z około 48kHz
do około 480Hz). W najprostszej wersji
w miejsce C8, C9 zostanie wlutowany jeden
kondensator o nominale 100nF. Ze względu
na rozrzut wartości kondensatorów o toleran−
cji 5%, uzyskana częstotliwość zapewne bę−
dzie się trochę różnić od pożądanej. Tym sa−
mym w wersji podstawowej dokładność na
tym dodatkowym zakresie pomiaru indukcyj−
ności będzie mniejsza, niż na pozostałych za−
kresach. Kto chce, może dokładnie skalibro−
wać także i ten zakres – mając cewkę induk−
cyjną o znanej wartości trzeba dobrać warto−
ści pojemności C8, C9 – w układzie przewi−
dziano miejsce na dwa kondensatory, a do−
datkowy można dolutować od druku.
Kondensator C13 w zasadzie powinien
być włączony pomiędzy punkty E, F. Włą−
czono go jednak między punkt E a plus zasi−
lania tylko po to, żeby w razie potrzeby moż−
na tam wlutować zwykły, aluminiowy „elek−
trolit”, który musi być stale formowany.
µ
Rg
E
Cs
µ
F)
z rozdzielczością 1nF.
Przy pomiarze małych pojemności trzeba
uwzględnić pojemności montażowe, wynoszą−
ce zwykle kilka do kilkunastu pikofaradów.
Pojemności montażowe, nawet bez obecności
Rys. 5
Rys. 3
Czas trwania powstałego impulsu jest za−
leżny od indukcyjności, a ogólnie biorąc, od
stałej czasowej L/R.
Czym większa indukcyjność, tym dłuższy
czas powstałego impulsu. Wystarczy podać na
obwód RL przebieg prostokątny, by uzyskać
przebiegi jak na
rysunku 5b
. Przebieg z cew−
ki podawany jest na wejście bramki (inwerte−
ra). Ponieważ indukcyjność dołączona jest tu
do dodatniej szyny zasilania, wykorzystywane
są ujemne „szpilki”. Na wyjściu inwertera,
w punkcie C uzyskuje się dodat−
nie szpilki, których czas trwania
jest proporcjonalny do mierzonej
indukcyjności. Tym samym śre−
dnie napięcie na wyjściu inwer−
tera jest wprost proporcjonalne
do indukcyjności Lx. Prosty filtr
dolnoprzepustowy (RsCs) uśre−
dnia przebieg i z punktu E na
woltomierz podawane jest napię−
cie stałe, proporcjonalne do mie−
rzonej indukcyjności.
Rys. 4
Ra
Opis układu
Pełny schemat ideowy przy−
stawki pomiarowej pokazany
jest na
rysunku 6
. Z łatwością
14
Elektronika dla Wszystkich
można tu zidentyfikować wszystkie omówio−
ne wcześniej bloki pomiarowe.
Blok pomiaru pojemności zrealizowany
jest z układem U1. Małe pojemności
(1pF...1nF) należy dołączać do punktów A1,
A2, większe (1nF...1
Projekty AVT
Jeśli ktoś chce, może kalibrować przystaw−
kę przed każdym pomiarem za pomocą wzor−
cowych elementów L, C i wtedy dokładność
będzie duża. W gruncie rzeczy do pomiarów
orientacyjnych, takich jak identyfikacja nomi−
nałów i dobieranie par wcale nie jest potrzeb−
na duża dokładność, a jedynie powtarzalność
wskazań. Dlatego w większości przypadków
wystarczy jednorazowa kalibracja, wykonana
po zbudowaniu i uruchomieniu układu.
Montaż i uruchomienie
Przystawkę można zmontować na płytce dru−
kowanej, pokazanej na
rysunku 7
. Otwory
w rogach można wykorzystać do wykonania
nóżek. Montaż układu nie jest trudny. Kali−
bracja też nie jest trudna pod warunkiem po−
siadania elementów wzorcowych, o znanych
wartościach. Kalibracja nie sprawi kłopotów
nabywcom kitu AVT−2609, ponieważ w jego
skład wchodzą elementy do kalibracji układu.
Wygodny sposób dołączenia miernika za−
pewnią wlutowane w płytkę szpilki ze złącz
DB−xx. Warto wykonać specjalny kabel do
miernika, z jednej strony wyposażony w „ba−
nanki”, z drugiej w nasadki z żeńskich złącz
DB−xx. Przy pomiarze pojemności będzie on
dołączany do punktów C, D, a przy indukcyj−
ności – do punktów E, F. Biegunowość nie
gra tu roli.
Uwaga! W układzie nie mogą pracować
układy bipolarne rodzin TTL Standard, S, F,
LS, AS. Nie powinny też być stosowane ko−
Rys. 7 Schemat montażowy
stki ‘HCT14, ‘ACT14 ze względu na obniżo−
ne wartości napięć progowych.
ści elementów nie byłoby to możliwe, trzeba
wymienić C4 na najbliższy z szeregu lub
zmienić R1).
Odłączyć mierzony kondensator 1nF. Za
pomocą potencjometru PR2 ustawić napięcie
wyjściowe równe zeru.
Do punktów B1, B2 dołączyć kondensa−
tor o pojemności 1µF i za pomocą PR3 uzy−
skać na wyjściu napięcie 1V.
Podczas kalibracji i pomiarów indukcyj−
ności woltomierz dołączyć do punktów E, F.
Do punktów L1, L2 dołączyć zworę w miej−
sce cewki. Za pomocą PR5 uzyskać napięcie
wyjściowe dokładnie równe zeru. Następnie
do punktów L1, L2 (Lx 1mV=1µH) dołączyć
cewkę o indukcyjności 1mH. Za pomocą
PR4 uzyskać napięcie wyjściowe równe 1V.
Kalibracja
W wersji podstawowej przyrząd będzie służył
do identyfikacji elementów, a jego dokładność
bezwzględna nie musi być duża. Do kalibracji
takiej wersji wystarczą całkowicie typowe ele−
menty ze sklepu: kondensatory o nominałach
1nF i 1µF oraz cewki 1mH i 100mH.
Aby skalibrować miernik pojemności, na−
leży dołączyć do zacisków A1, A2 (Cx
1mV=1pF) kondensator 1nF, a do punktów
C, D woltomierz. Za pomocą PR1 ustawić
wskazanie woltomierza równe 1V. (Jeśli
wskutek wyjątkowo dużego rozrzutu warto−
Rys. 6 Schemat ideowy
Elektronika dla Wszystkich
15
Projekty AVT
W wersji podstawowej kalibracji zakresu
pomiarowego do 200mH nie przeprowadza się.
W wersji dokładnej należy wykorzystać
elementy o dokładnie zmierzonej wartości
i w opisany sposób ustawić napięcia wyjścio−
we stosownie do rzeczywistej wartości ele−
mentów. Kalibracja zakresu 200mH będzie
polegać na dołączeniu cewki 100mH i dobra−
niu wartości C8, C9, by napięcie ściśle odpo−
wiadało mierzonej indukcyjności.
Dla dociekliwych
i zaawansowanych
Przyrząd w opisanej wersji podstawowej do−
skonale pełni swoją rolę i będzie znakomitym
uzupełnieniem pracowni wielu elektroników.
Czytelnicy bardziej dociekliwi być może
zechcą coś zmienić. Prawdopodobnie zechcą
na bazie opisanego rozwiązania zbudować
przyrząd wielozakresowy, o jeszcze lepszej
dokładności. Podczas testów modelu spraw−
dzono możliwości pomiaru skrajnie małych
i dużych wartości LC.
W przypadku pojemności nie było god−
nych uwagi problemów.
W przypadku miernika indukcyjności
trzeba uwzględnić pewne zależności i cechy
układu.
Na początku przewidziano rezystor R14
o wartości 1k
.
Podstawowy zakres pomiaru indukcyjno−
ści sięga od około 2,2µH do około 2mH.
Uzyskuje się to przy częstotliwości gene−
ratora U2A około 48kHz i wartości R13 wy−
noszącej 220
Inną możliwością jest... 1000−krotne
zwiększenie wartości R13. Jeszcze inną
jednoczesne zmniejszenie częstotliwo−
ści i zwiększenie R13 (30...33 razy), by
wskazanie dołączonego miernika wyno−
siło 1mV/mH. Taka operacja wymagała−
by jednak znacznej ingerencji w układ.
Obwody pomiaru pojemności można też
wykorzystać inaczej. Jeśli w torze pomiaro−
wym pojemności obydwie gałęzie byłyby
identyczne, uzyskuje się komparator pojem−
ności do porównywania dwóch kondensato−
rów o jednakowych nominałach.
Podobnie dwa identyczne tory pozwolą
zbudować komparator indukcyjności.
. 1mV napięcia wyjściowego
odpowiada indukcyjności 1µH.
Można w dość prosty sposób zmodyfiko−
wać układ, by 1mV napięcia wyjściowego
odpowiadał 1mH, co pozwoliłoby uzyskać
zakres pomiarowy od około 2mH...2H. Moż−
liwości jest kilka. Można na przykład 1000−
krotnie zmniejszyć częstotliwość, ale nie jest
to najlepsze rozwiązanie, bo wymaga zasto−
sowania filtru R15C13 o dużej stałej czaso−
wej, co będzie niewygodne w praktyce.
Piotr Górecki
Wykaz elementów
C8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .*
C9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF
C10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1nF
C12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .470µF/25V
C13 . . . . . . . . .1µF MKT (llub 10µF/25V ttanttall)
Półprzewodniki
D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4148
D2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .niie monttować
D3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4001
T1,,T2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC548
U1 U2 . . . . . . . . . . . . . . .74AC14 lub 74HC14
U3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LM78L05
Inne
S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .µswiittch
kołłkii z wttyków DB−xx . . . . . . . . . . . . . . . .4sztt..
nasadkii z gniiazd DB−xx . . . . . . . . . . . . . .2sztt..
złłącza śrubowe ARK−2 . . . . . . . . . . . . . . .5sztt..
płłyttka drukowana wg rysunku 7
Elementy do kalibracji
1nF
1
Rezystory
R1,,R12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15k
Ω
R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1M
Ω
Ω
R4,,R7,,R8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1k
Ω
R5,,R9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10k
Ω
R6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .910
Ω
R10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2,,2M
. Wtedy przyrząd nie mierzył
cewek o indukcyjności poniżej 6,8
Ω
Ω
R11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .niie monttować
R13,,R14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220
Ω
R15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100k
H. Pro−
blem w tym, że na mierzonej cewce Lx wystę−
pują również impulsy o polaryzacji dodatniej
względem dodatniej szyny zasilania.
Rezystor R14 ogranicza prąd płynący
przez wewnętrzne wejściowe obwody
ochronne bramek. Dla układów AC deklaro−
wana typowa wartość otwierania pasożytni−
czej struktury tyrystorowej jest rzędu 75mA
dla wejść i 300mA dla wyjść. Nawet przy
zwarciu R14 taki prąd przez wejście U2D nie
popłynie. Niewielki prąd nie uszkodzi wej−
ścia bramki, ani nie spowoduje zatrzaśnięcia
pasożytniczych struktur tyrystorowych. Po
zwarciu R14, przyrząd mierzył indukcyjno−
ści już od 1
µ
Ω
PR1,,PR2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100k
Ω
PR3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220
Ω
PR4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10k
Ω
PR5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1k
Ω
Kondensatory
C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .270pF
C2,,C6,,C11,,C14 . . . . . . . . . . . . . . .100µF/25V
C3,,C5,,C7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10µF/25V
C4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22nF
F
1mH
µ
H. Ostatecznie z jeszcze innych
Komplet podzespołów z płytką jest dostępny w sieci handlowej AVT
jako kit szkolny AVT−2609
REKLAMA
•
REKLAMA
•
REKLAMA
AKUMULATORY 12V
TYP POJEMNOŚĆ DŁUGOŚĆ SZEROKOŚĆ WYSOKOŚĆ WAGA CENA
NP1,,2−12 . . . . .1,,2Ah . . . . . . . .97 . . . . . . . .48 . . . . . . . . . .54,,5 . . . . . .0,,57 . . .62,,00
NP3,,2−12 . . . . .3,,2Ah . . . . . . .134 . . . . . . . .67 . . . . . . . . . . .64 . . . . . .1,,17 . . .76,,00
NP4−12 . . . . . . . .4Ah . . . . . . . .90 . . . . . . . .70 . . . . . . . . . .106 . . . . . .1,,70 . . .79,,00
NP6−12 . . . . . . . .6Ah . . . . . . .151 . . . . . . . .65 . . . . . . . . . .97,,5 . . . . . .2,,40 . . .82,,00
NP7−12 . . . . . . . .7Ah . . . . . . .151 . . . . . . . .65 . . . . . . . . . .97,,5 . . . . . .2,,64 . . .89,,00
NP12−12 . . . . . .12Ah . . . . . . .151 . . . . . . . .98 . . . . . . . . . .97,,5 . . . . . .4,,00 . . .160,,0
AKUMULATORY 6V
TYP POJEMNOŚĆ DŁUGOŚĆ SZEROKOŚĆ WYSOKOŚĆ WAGA CENA
NP1,,2−6 . . . . . .1,,2Ah . . . . . . .97 . . . . . . . .25 . . . . . . . . . .54,,5 . . . . . .0,,30 . . .41,,00
NP4−6 . . . . . . . . .4Ah . . . . . . .70 . . . . . . . .47 . . . . . . . . .105,,5 . . . . . .0,,85 . . .55,,00
NP12−6 . . . . . . .12Ah . . . . . .151 . . . . . . . .65 . . . . . . . . . .97,,5 . . . . . .2,,10 . . .70,,00
AVT Korporacja Dział Handlowy,
skr. Poczt. 72, 01−900 Warszawa 118
e−mail: handlowy@avt.com.pl
tel./fax (022) 835−66−88, tel. (022) 864−64−82
16
Elektronika dla Wszystkich
względów zastosowano kompromisową war−
tość R14 −220
Ω
Ω
1%
R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4,,7k
µ
[ Pobierz całość w formacie PDF ]