Схема 3-разрядного светодиодного измерителя емкости

Этот проект представляет собой еще одно испытательное оборудование, которое может быть чрезвычайно удобным для любого любителя электроники, и создание этого устройства может быть очень забавным.

Измеритель емкости является очень полезным испытательным оборудованием, поскольку он позволяет пользователю проверить требуемый конденсатор и подтвердить его надежность.

Обычные или стандартные цифровые измерители в большинстве случаев не имеют измерителя емкости, и поэтому энтузиаст электроники должен полагаться на дорогостоящие измерители, чтобы получить эту возможность.

Схема, обсуждаемая в следующей статье, объясняет продвинутый, но дешевый трехзначный измеритель емкости светодиодов, который обеспечивает достаточно точные измерения для ряда конденсаторов, которые обычно используются во всех современных электронных схемах.

Диапазоны емкости

Предлагаемая схема измерителя емкости обеспечивает трехзначный светодиодный дисплей и измеряет значения в пяти диапазонах, как показано ниже:

Диапазон # 1 = от 0 до 9,99 нФ
Диапазон # 2 = от 0 до 99,9 нФ
Диапазон # 3 = от 0 до 999 нФ
Диапазон # 4 = от 0 до 9,99 мкФ
Диапазон # 5 = от 0 до 99,99 мкФ

Вышеуказанные диапазоны включают в себя большинство стандартных значений, однако конструкция не может определить чрезвычайно низкие значения в несколько пикофарад или высокоэффективные электролитические конденсаторы.

На практике это ограничение может не вызывать особого беспокойства, поскольку в современных электронных схемах редко используются конденсаторы с очень низкой стоимостью, в то время как конденсаторы большой емкости могут быть испытаны с использованием пары последовательно соединенных конденсаторов, что будет подробно описано ниже в следующие параграфы.

Как это устроено

Светодиодный индикатор предупреждения о переполнении встроен для предотвращения неточных показаний в случае выбора несоответствующего диапазона. Устройство питается от батареи на 9 вольт, поэтому оно абсолютно портативное.

На рисунке 2 показана принципиальная схема тактового генератора, генератора низкой частоты, логического контроллера и каскадов моностабильного мультивибратора цепи измерителя емкости светодиодов.

Каскады счетчика / драйвера и схемы переполнения показаны на следующем рисунке выше.

На Рисунке 2 видно, что IC5 представляет собой стабилизатор постоянного напряжения на 5 В, который обеспечивает хорошо регулируемый выходной сигнал 5 В от источника батареи на 9 В. Вся схема использует эту регулируемую мощность в 5 вольт для работы.

Батарея должна иметь высокий номинал мАч, так как ток, потребляемый схемой, довольно велик и составляет около 85 мА. Потребление тока может превышать 100 мА, если для отображения подсвечивается большая часть цифр 3-дисплея.

Генератор низких частот построен на микросхемах IC2a ​​и IC2b, которые являются вентилями CMOS NOR. Тем не менее, в этой конкретной схеме эти микросхемы подключены как базовые инверторы и применяются через обычную нестабильную схему CMOS.

Обратите внимание, что рабочая частота каскада генератора намного больше по сравнению с частотой, с которой предоставляются показания, потому что этот генератор должен генерировать 10 выходных циклов для обеспечения завершения одного цикла считывания.

IC3 и IC4a сконфигурированы как этап логики управления. IC3, который является декодером / счетчиком CMOS 4017, имеет 10 выходов (от «0» до «9»). Каждый из этих выходов последовательно переходит в высокий уровень для каждого последовательного тактового цикла входа. В этой конкретной конструкции выход «0» подает сигнал сброса на счетчики.

Выход «1» впоследствии становится высоким и переключает моностабильный режим, который производит стробирующий импульс для схемы тактового генератора / счетчика. Выходы «2» - «8» не подключены, и временной интервал, в течение которого эти 2 выхода становятся высокими, дает немного времени, чтобы стробирующий импульс мог завершиться и позволить завершиться счету.

Выход «9» выдает логический сигнал, который фиксирует новое показание на светодиодном дисплее, однако эта логика должна быть отрицательной. Это достигается с помощью IC4a, который инвертирует сигнал с выхода 9 так, чтобы он переводился в соответствующий импульс.

Моностабильный мультивибратор - это стандартная версия CMOS, использующая пару вентилей ИЛИ-НЕ с двумя входами (IC4b и IC4c). Несмотря на простой моностабильный дизайн, он предлагает функции, которые делают его вполне достойным текущего приложения.

Это форма без повторного запуска и, как следствие, обеспечивает выходной импульс, который меньше, чем импульс запуска, генерируемый IC3. Эта функция на самом деле критична, потому что при использовании перезапускаемого типа наименьшее показание дисплея может быть довольно высоким.

Собственная емкость предлагаемой конструкции довольно минимальна, что важно, поскольку значительная степень локальной емкости может нарушить линейный атрибут схемы, что приведет к очень низкому показанию дисплея.

Во время использования дисплей прототипа можно было увидеть со значением «000» во всех 5 диапазонах, когда к слотам для тестирования не подключен конденсатор.

Резисторы от R5 до R9 работают как резисторы выбора диапазона. Когда вы уменьшаете временное сопротивление через декады, временная емкость, необходимая для конкретного показания, увеличивается с десятичными приращениями.

Если учесть, что резисторы диапазона рассчитаны на допуск не менее 1%, можно ожидать, что такая установка обеспечит надежные показания. Это означает, что нет необходимости калибровать каждый диапазон отдельно.

R1 и S1a подключены для запуска сегмента десятичной точки на правильном светодиодном дисплее, за исключением диапазона 3 (999 нФ), в котором индикация десятичной точки не требуется. Тактовый генератор на самом деле представляет собой обычную нестабильную конфигурацию 555.

Pot RV1 используется как контроллер тактовой частоты для калибровки этого светодиодного измерителя емкости. Моностабильный выход используется для управления выводом 4 микросхемы IC 1, а тактовый генератор будет активирован только тогда, когда доступен период затвора. Эта функция устраняет потребность в независимом сигнальном элементе.

Теперь, проверив рисунок 3, мы обнаруживаем, что схема счетчика подключена с использованием 3 микросхем CMOS 4011. На самом деле они не выделяются среди идеального семейства логических КМОП-схем, тем не менее, это чрезвычайно гибкие элементы, достойные частого использования.

Они фактически сконфигурированы как счетчики вверх / вниз, имеющие индивидуальные тактовые входы и выходы переноса / заимствования. Как можно понять, возможность использования в режиме обратного счетчика здесь бессмысленна, поэтому вход понижающего тактового сигнала соединен с отрицательной линией питания.

Три счетчика подключаются последовательно, что позволяет отображать обычный трехзначный дисплей. Здесь IC9 подключен к генерации наименее значащей цифры, а IC7 включает наиболее значимую цифру. 4011 включает в себя декадный счетчик, семисегментный декодер и каскады драйвера защелки / дисплея.

По этой причине каждая отдельная микросхема может заменить типичный трехчиповый счетчик / драйвер / защелку в стиле TTL. Выходы имеют достаточно мощности, чтобы напрямую освещать любой подходящий семисегментный светодиодный дисплей с общим катодом.

Несмотря на низкое напряжение питания 5 вольт, рекомендуется управлять каждым сегментом светодиодного дисплея через токоограничивающий резистор, чтобы ток, потребляемый всем блоком измерителя емкости, оставался ниже приемлемого уровня.

Выходной сигнал переноса IC7 применяется к входу синхронизации IC6, который представляет собой двойное деление типа D на два триггера / флопа. Однако в этой конкретной схеме реализована только одна часть ИС. Выход IC6 переключает состояние только при перегрузке. Это означает, что если перегрузка будет значительно выше, это приведет к множеству выходных циклов IC7.

Непосредственное питание светодиодного индикатора LED1 через IC6 может быть совершенно неуместным, потому что этот выход может быть кратковременным, и светодиод может генерировать всего пару коротких свечений, которые легко могут остаться незамеченными.

Чтобы избежать этой ситуации, выход IC7 используется для управления бистабильной схемой базовой установки / сброса, созданной путем подключения пары нормально пустых вентилей IC2, а затем защелка включает светодиодный индикатор LED1. Оба IC6 и защелка сбрасываются IC3, чтобы схема переполнения запускалась с нуля всякий раз, когда выполняется новое тестовое считывание.

Как построить

Построение этой трехзначной схемы измерителя емкости - это просто правильная сборка всех частей по приведенной ниже компоновке печатной платы.

Помните, что все ИС относятся к типу КМОП и поэтому чувствительны к статическому электричеству вашей руки. Чтобы избежать повреждений из-за статического электричества, рекомендуется использовать гнезда IC. Удерживая микросхемы на корпусе, вставьте их в гнезда, не касаясь при этом контактов.

Калибровка

Перед тем, как вы начнете калибровку этой доработанной 3-разрядной схемы измерителя емкости со светодиодом, может быть важно использовать конденсатор с жестким допуском и величиной, которая обеспечивает приблизительно от 50 до 100% полного диапазона шкалы измерителя.

Представим, что C6 встроен в устройство и применяется для калибровки измерителя. Теперь настройте устройство на диапазон # 1 (полная шкала 9,99 нФ) и вставьте прямую связь между SK2 и SK4.

Затем очень осторожно отрегулируйте RV1, чтобы отобразить на дисплее соответствующее значение 4,7 нФ. Как только это будет сделано, вы можете обнаружить, что прибор показывает соответствующие правильные показания для ряда конденсаторов.

Однако не ожидайте, что показания будут точными. Трехзначный измеритель емкости сам по себе довольно точен, хотя, как обсуждалось ранее, он наверняка будет сопровождаться некоторыми незначительными неточностями.

Почему используются 3 светодиодных дисплея

Многие конденсаторы, как правило, имеют довольно большие допуски, хотя несколько разновидностей могут иметь точность выше 10%. С практической точки зрения, введение 3-й цифры светодиодного дисплея может быть неоправданным с точки зрения ожидаемой точности, тем не менее, это выгодно из-за того, что эффективно увеличивает наименьшую емкость, которую устройство способно считывать в течение всего десятилетия.

Тестирование старых конденсаторов

Если с этим оборудованием будет протестирован старый конденсатор, вы можете увидеть, что цифровое значение на дисплее постепенно увеличивается. Это не обязательно может означать неисправный конденсатор, скорее, это может быть просто результатом тепла наших пальцев, что приводит к незначительному увеличению емкости конденсатора. Вставляя конденсатор в разъемы SKI и SK2, держите конденсатор за корпус, а не за провода.

Тестирование конденсаторов повышенной емкости

Конденсаторы высокой емкости, которые не входят в диапазон этого измерителя емкости светодиодов, можно проверить, подключив ее последовательно с конденсатором более низкой емкости, а затем проверив общую последовательную емкость двух блоков.

Допустим, мы хотим исследовать конденсатор, на котором напечатано значение 470 мкФ. Это можно реализовать, подключив его последовательно с конденсатором 100 мкФ. Тогда емкость конденсатора 470 мкФ может быть проверена по следующей формуле:
(C1 x C2) / (C1 + C2) = 82,5 мкФ

82,5 мкФ подтвердят, что 470 мкФ подходят для своего значения. Но предположим, что если измеритель показывает другое показание, такое как 80 мкФ, это будет означать, что 470 мкФ не в порядке, поскольку его фактическое значение тогда будет:

(Х х 100) / (Х + 100) = 80
100X / X + 100 = 80
100X = 80X + 8000
100X - 80X = 8000
X = 400 мкФ

Результат показывает, что состояние протестированного конденсатора емкостью 470 мкФ может быть не очень хорошим.

Две дополнительные розетки (SK3 и SK4) и конденсатор C6 можно увидеть на схеме. Цель SK3 состоит в том, чтобы упростить разгрузку тестовых элементов путем прикосновения к SK1 и SK3 перед их подключением к SKI и SK2 для измерения.

Это применимо только к тем конденсаторам, которые могут иметь тенденцию сохранять некоторый остаточный заряд при удалении из схемы непосредственно перед испытанием. Конденсаторы высокого номинала и высокого напряжения могут быть подвержены этой проблеме.

Однако в серьезных условиях может потребоваться аккуратная разрядка конденсаторов через спускной резистор перед их отключением от цепи. Причина включения SK3 состоит в том, чтобы позволить тестируемому конденсатору быть разряженным путем подключения через SK1 и SK3 перед тестированием их через SKI и SK2 для измерения.

C6 - удобный, готовый к использованию конденсатор для проб для быстрой калибровки. Если тестируемый конденсатор показывает некорректные показания, тогда может быть важно переключиться на диапазон 1 и установить перемычку между SK2 и SK4, чтобы C6 подключился в качестве тестового конденсатора. Затем вы можете проверить, что на дисплеях отображается допустимое значение 47 нФ.

Однако есть одна вещь, которую необходимо понять: сам по себе измеритель довольно точен в пределах нескольких% плюс / минус, за исключением значений конденсаторов, почти идентичных калибровочному значению. Дополнительная проблема заключается в том, что показания конденсатора могут зависеть от температуры и некоторых внешних параметров. Если показание емкости показывает небольшую ошибку, превышающую допустимое значение, это, скорее всего, указывает на то, что деталь абсолютно исправна и никоим образом не является дефектной.

Список деталей