Miernik LC.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

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

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

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

Projekty AVT

. 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...1µF)

z rozdzielczością 1nF.

Przy pomiarze małych pojemności trzeba

uwzględnić pojemności montażowe, wynoszą−

ce zwykle kilka do kilkunastu pikofaradów.

Pojemności montażowe, nawet bez obecności

rysunek 3

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.

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...1µF) 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...1µF.

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 220

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 2

H...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

100

Rys. 5

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

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.

. 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.

rysunku 5b

Rys. 3

Rys. 4

Opis układu

Pełny schemat ideowy przy−

stawki pomiarowej pokazany

jest na

. Z łatwością

Elektronika dla Wszystkich

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

Ω

rysunku 6

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 1

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 1

F 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=1

F 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−

H) dołączyć

cewkę o indukcyjności 1mH. Za pomocą

PR4 uzyskać napięcie wyjściowe równe 1V.

Rys. 6 Schemat ideowy

Elektronika dla Wszystkich

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 1kΩ. Wtedy przyrząd nie mierzył

cewek o indukcyjności poniżej 6,8µH. 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 1µH. Ostatecznie z jeszcze innych

H do około 2mH.

Uzyskuje się to przy częstotliwości gene−

ratora U2A około 48kHz i wartości R13 wy−

noszącej 220Ω. 1mV napięcia wyjściowego

odpowiada indukcyjności 1

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.

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 (lub 10µF/25V tantal)

Półprzewodniki

D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4148

D2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .nie montować

D3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4001

T1,T2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC548

U1 U2 . . . . . . . . . . . . . . .74AC14 lub 74HC14

U3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LM78L05

Inne

S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .µswitch

kołki z wtyków DB−xx . . . . . . . . . . . . . . . .4szt.

nasadki z gniazd DB−xx . . . . . . . . . . . . . .2szt.

złącza śrubowe ARK−2 . . . . . . . . . . . . . . .5szt.

płytka drukowana wg rysunku 7

Elementy do kalibracji

1nF

1 µ F

1mH

Ω

R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1M Ω 1%

R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4,7k Ω

R4,R7,R8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1k Ω

R5,R9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10k

Ω

R6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .910 Ω

R10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2,2M Ω

R11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .nie montować

R13,R14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220

Ω

R15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100k 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

Komplet podzespołów z płytką jest dostępny w sieci handlowej AVT

jako kit szkolny AVT−2609

Elektronika dla Wszystkich

względów zastosowano kompromisową war−

tość R14 −220Ω.

Podstawowy zakres pomiaru indukcyjno−

ści sięga od około 2,2

Rezystory

R1,R12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15k

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: