3-stelliger LED-Kapazitätsmesserkreis

Dieses Projekt ist ein weiteres Testgerät, das für jeden elektronischen Bastler äußerst praktisch sein kann, und der Bau dieses Geräts kann eine Menge Spaß machen.

Ein Kapazitätsmesser ist ein sehr nützliches Testgerät, da er es dem Benutzer ermöglicht, einen gewünschten Kondensator zu überprüfen und seine Zuverlässigkeit zu bestätigen.

Gewöhnliche oder standardmäßige digitale Zähler verfügen meist nicht über Kapazitätsmessgeräte, und daher muss sich ein elektronischer Enthusiast auf teure Zähler verlassen, um diese Einrichtung zu erhalten.

Die im folgenden Artikel beschriebene Schaltung erklärt ein fortschrittliches, aber billiges dreistelliges LED-Kapazitätsmessgerät, das eine einigermaßen genaue Messung für eine Reihe von Kondensatoren liefert, die üblicherweise in allen modernen elektronischen Schaltungen verwendet werden.

Kapazitätsbereiche

Das vorgeschlagene Schaltungsdesign des Kapazitätsmessers bietet eine dreistellige LED-Anzeige und misst die Werte mit fünf Bereichen, wie unten angegeben:

Bereich # 1 = 0 bis 9,99 nF
Bereich # 2 = 0 bis 99,9 nF
Bereich # 3 = 0 bis 999 nF
Bereich # 4 = 0 bis 9,99 uF
Bereich # 5 = 0 bis 99,99 uF

Die obigen Bereiche umfassen die meisten Standardwerte, jedoch kann das Design keine extrem niedrigen Werte einiger Picofarad oder Elektrolytkondensatoren mit hohem Wert bestimmen.

In der Praxis ist diese Einschränkung möglicherweise nicht allzu besorgniserregend, da Kondensatoren mit extrem niedrigem Wert in heutigen elektronischen Schaltungen selten verwendet werden, während die großen Kondensatoren unter Verwendung einiger in Reihe geschalteter Kondensatoren getestet werden könnten, wie später ausführlich beschrieben wird die folgenden Absätze.

Wie es funktioniert

Eine Überlaufwarn-LED ist eingebaut, um ungenaue Messwerte zu vermeiden, falls ein ungeeigneter Bereich gewählt wird. Das Gerät wird über eine 9-Volt-Batterie betrieben und ist daher absolut tragbar.

Fig. 2 zeigt das Schaltbild für den Taktoszillator, einen Niedrig-Hz-Oszillator, eine Logiksteuerung und monostabile Multivibratorstufen der LED-Kapazitätsmessschaltung.

Die Stufen des Zählers / Treibers und des Überlaufkreises sind in der nächsten Abbildung oben dargestellt.

In Abbildung 2 ist IC5 ein 5-Volt-Festspannungsregler, der einen gut geregelten 5-Volt-Ausgang von der 9-Volt-Batteriequelle liefert. Die gesamte Schaltung nutzt diese geregelte 5-Volt-Leistung für die Funktion.

Die Batterie sollte eine hohe mAh-Bewertung haben, da der Stromverbrauch der Schaltung mit etwa 85 mA ziemlich groß ist. Die Stromaufnahme kann über 100 mA hinausgehen, wenn die meisten Ziffern des 3-Displays für die Anzeige beleuchtet werden.

Der Niederfrequenzoszillator ist um die IC2a ​​und IC2b herum aufgebaut, die CMOS-NOR-Gatter sind. Trotzdem sind diese ICs in dieser speziellen Schaltung als Basisinverter angeschlossen und werden durch einen normalen CMOS-Astable-Aufbau angelegt.

Beachten Sie, dass die Arbeitsfrequenz der Oszillatorstufe im Vergleich zu der Frequenz, mit der die Messwerte bereitgestellt werden, viel größer ist, da dieser Oszillator 10 Ausgangszyklen erzeugen muss, um den Abschluss eines einzelnen Lesezyklus zu ermöglichen.

IC3 und IC4a sind als Steuerlogikstufe konfiguriert. IC3, ein CMOS 4017-Decoder / Zähler, enthält 10 Ausgänge ('0' bis '9'). Jeder dieser Ausgänge geht nacheinander für jeden einzelnen aufeinanderfolgenden Eingangstaktzyklus hoch. In diesem speziellen Entwurfsausgang liefert '0' den Rücksetztakt an die Zähler.

Der Ausgang '1' wird anschließend hoch und schaltet den Monostabilen um, der den Gate-Impuls für die Takt- / Zählerschaltung erzeugt. Die Ausgänge '2' bis '8' sind nicht verbunden, und das Zeitintervall, in dem diese 2 Ausgänge hoch werden, ermöglicht ein wenig Zeit, damit der Gate-Impuls abgeschlossen werden kann und die Zählung beendet werden kann.

Der Ausgang '9' liefert das Logiksignal, das den neuen Messwert über die LED-Anzeige speichert. Diese Logik muss jedoch negativ sein. Dies wird mit IC4a erreicht, das das Signal vom Ausgang 9 invertiert, so dass es in einen geeigneten Impuls übersetzt wird.

Der monostabile Multivibrator ist eine Standard-CMOS-Version mit zwei NOR-Gattern mit zwei Eingängen (IC4b und IC4c). Obwohl es sich um ein einfaches monostabiles Design handelt, bietet es Funktionen, die es für die aktuelle Anwendung perfekt geeignet machen.

Dies ist eine nicht retriggerbare Form und liefert als Ergebnis einen Ausgangsimpuls, der kleiner als der von IC3 erzeugte Triggerimpuls ist. Diese Funktion ist tatsächlich kritisch, da bei Verwendung eines retriggerbaren Typs der niedrigste Anzeigewert ziemlich hoch sein kann.

Die Eigenkapazität des vorgeschlagenen Designs ist ziemlich gering, was wesentlich ist, da ein erheblicher Grad an lokaler Kapazität das lineare Attribut der Schaltung stören könnte, was zu einem sehr niedrigen Anzeigewert führt.

Während der Verwendung konnte die Prototypanzeige mit der Anzeige '000' in allen 5 Bereichen angezeigt werden, wenn kein Kondensator zwischen den Teststeckplätzen angeschlossen ist.

Die Widerstände R5 bis R9 fungieren als Bereichsauswahlwiderstände. Wenn Sie den Timing-Widerstand über Dekadenschritte verringern, wird die für einen bestimmten Messwert erforderliche Timing-Kapazität in den Dekadenschritten erhöht.

Wenn wir davon ausgehen, dass die Bereichswiderstände eine Toleranz von mindestens 1% aufweisen, kann davon ausgegangen werden, dass diese Einstellung zuverlässige Messwerte liefert. Dies bedeutet, dass möglicherweise nicht jeder Bereich separat kalibriert werden muss.

R1 und S1a sind so verdrahtet, dass das Dezimalpunktsegment auf der richtigen LED-Anzeige ausgeführt wird, mit Ausnahme des Bereichs 3 (999 nF), in dem keine Dezimalpunktanzeige erforderlich ist. Der Taktoszillator ist tatsächlich eine übliche stabile Konfiguration.

Der Topf RV1 wird als Taktfrequenzregler zur Kalibrierung dieses LED-Kapazitätsmessers verwendet. Der monostabile Ausgang wird zur Steuerung des Pins 4 von IC 1 verwendet, und der Taktoszillator wird nur aktiviert, solange die Gate-Periode verfügbar ist. Diese Funktion macht ein unabhängiges Signalgatter überflüssig.

Wenn wir nun die Abbildung 3 betrachten, stellen wir fest, dass die Zählerschaltung mit 3 CMOS 4011-ICs verdrahtet ist. Diese werden aus der idealen CMOS-Logikfamilie eigentlich nicht erkannt, sind jedoch äußerst flexible Elemente, die häufig verwendet werden sollten.

Diese sind tatsächlich als Aufwärts- / Abwärtszähler mit einzelnen Takteingängen und Übertrags- / Ausleihausgängen konfiguriert. Es versteht sich, dass das Potential zur Verwendung im Abwärtszählermodus hier bedeutungslos ist, daher ist der Abwärtstakteingang mit der negativen Versorgungsleitung verbunden.

Die drei Zähler sind nacheinander verbunden, um eine herkömmliche dreistellige Anzeige zu ermöglichen. Hier ist IC9 verdrahtet, um die niedrigstwertige Ziffer zu erzeugen, und IC7 ermöglicht die höchstwertige Ziffer. Der 4011 enthält einen Dekadenzähler, einen Sieben-Segment-Decoder und eine Latch / Display-Treiberstufe.

Aus diesem Grund könnte jeder einzelne IC eine typische 3-Chip-TTL-Zähler- / Treiber- / Latch-Option ersetzen. Die Ausgänge haben genug Leistung, um jede geeignete LED-Anzeige mit sieben Segmenten der gemeinsamen Kathode direkt zu beleuchten.

Trotz einer Niederspannungsversorgung von 5 Volt wird empfohlen, jedes einzelne LED-Anzeigesegment über einen Strombegrenzungswiderstand anzusteuern, damit der Stromverbrauch der gesamten Kapazitätsmesseinheit unter einem akzeptablen Wert gehalten werden kann.

Der 'Carry'-Ausgang des IC7 wird an den IC6-Takteingang angelegt, dh einen Dual-D-Typ, der durch zwei Flip / Flops geteilt wird. In dieser speziellen Schaltung ist jedoch nur ein Teil des IC implementiert. Der IC6-Ausgang wechselt nur bei Überlastung in den Status. Dies bedeutet, dass bei einer signifikant hohen Überlastung viele Ausgabezyklen von IC7 ausgeführt werden.

Das direkte Einschalten der LED-Anzeige LED1 über IC6 kann völlig ungeeignet sein, da dieser Ausgang vorübergehend sein kann und die LED möglicherweise nur ein paar kurze Beleuchtungen erzeugen kann, die leicht unbemerkt bleiben können.

Um diese Situation zu vermeiden, wird der IC7-Ausgang verwendet, um eine bistabile Grundschaltung zum Setzen / Zurücksetzen anzusteuern, die durch Verdrahten eines Paares normalerweise leerer Gates von IC2 erzeugt wird, und anschließend schaltet der Latch die LED-Anzeige-LED1. Die beiden IC6 und der Latch werden von IC3 zurückgesetzt, damit die Überlaufschaltung bei jeder Implementierung eines neuen Testmesswerts von vorne beginnt.

Wie zu bauen

Beim Aufbau dieser dreistelligen Kapazitätsmessschaltung müssen nur alle Teile korrekt über dem unten angegebenen Leiterplattenlayout zusammengebaut werden.

Denken Sie daran, dass die ICs alle CMOS-Typen sind und daher empfindlich auf statische Elektrizität aus Ihrer Hand reagieren. Um Schäden durch statische Elektrizität zu vermeiden, wird die Verwendung von IC-Buchsen empfohlen. Halten Sie die ICs an ihrem Körper und drücken Sie sie in die Sockel, ohne dabei die Stifte zu berühren.

Kalibrierung

Bevor Sie mit der Kalibrierung dieser endgültigen dreistelligen LED-Kapazitätsmessschaltung beginnen, kann es wichtig sein, einen Kondensator mit einer engen Toleranz und einer Größe zu verwenden, die ungefähr 50 bis 100% des gesamten Messbereichs des Messgeräts liefert.

Stellen wir uns vor, dass C6 in das Gerät integriert wurde und zur Kalibrierung des Messgeräts verwendet wird. Stellen Sie das Gerät nun auf Bereich 1 (9,99 nF Skalenendwert) ein und fügen Sie eine direkte Verbindung zwischen SK2 und SK4 ein.

Stellen Sie als nächstes RV1 sehr vorsichtig ein, um den entsprechenden Wert von 4,7 nF auf dem Display anzuzeigen. Sobald dies erledigt ist, zeigt das Gerät möglicherweise die entsprechend korrekten Messwerte für eine Reihe von Kondensatoren an.

Erwarten Sie jedoch nicht, dass die Messwerte genau sind. Das dreistellige Kapazitätsmessgerät allein ist ziemlich präzise, ​​obwohl es, wie bereits erwähnt, mit Sicherheit mit geringfügigen Abweichungen einhergeht.

Warum 3 LED-Anzeigen verwendet werden

Viele Kondensatoren neigen dazu, ziemlich große Toleranzen zu haben, obwohl eine Handvoll Sorten eine Genauigkeitsrate von mehr als 10% aufweisen können. In der Praxis ist die Einführung der 3. LED-Anzeigeziffer möglicherweise nicht in Bezug auf die erwartete Genauigkeit gerechtfertigt. Sie ist jedoch vorteilhaft, da sie die niedrigste Kapazität, die das Gerät über ein ganzes Jahrzehnt lesen kann, effizient erweitert.

Testen alter Kondensatoren

Wenn ein alter Kondensator mit diesem Gerät getestet wird, können Sie möglicherweise feststellen, dass der digitale Messwert auf dem Display allmählich ansteigt. Dies bedeutet möglicherweise nicht unbedingt einen fehlerhaften Kondensator, sondern kann einfach auf die Wärme unserer Finger zurückzuführen sein, die dazu führt, dass der Kondensatorwert geringfügig ansteigt. Achten Sie beim Einsetzen eines Kondensators in die SKI- und SK2-Steckplätze darauf, den Kondensator am Gehäuse und nicht an den Kabeln zu halten.

Testen von Überbereichskondensatoren mit hohem Wert

Hochwertige Kondensatoren, die nicht im Bereich dieses LED-Kapazitätsmessers liegen, könnten untersucht werden, indem der Hochwertkondensator in Reihe mit einem Kondensator mit niedrigerem Wert geschaltet und dann die gesamte Serienkapazität der beiden Einheiten getestet wird.

Angenommen, wir möchten einen Kondensator untersuchen, auf dem ein Wert von 470 µF gedruckt ist. Dies kann implementiert werden, indem es in Reihe mit einem 100 uF-Kondensator geschaltet wird. Dann könnte der Wert des Kondensators 470 uF unter Verwendung der folgenden Formel verifiziert werden:
(C1 x C2) / (C1 + C2) = 82,5 uF

Der 82,5 µF bestätigt, dass der 470 µF mit seinem Wert in Ordnung ist. Nehmen wir jedoch an, wenn das Messgerät einen anderen Messwert wie 80 µF anzeigt, bedeutet dies, dass der 470 µF nicht in Ordnung ist, da sein tatsächlicher Wert dann wäre:

(X x 100) / (X + 100) = 80
100X / X + 100 = 80
100X = 80X + 8000
100X - 80X = 8000
X = 400 uF

Das Ergebnis zeigt, dass der Zustand des getesteten 470µF-Kondensators möglicherweise nicht sehr gut ist

Die beiden zusätzlichen Buchsen (SK3 und SK4) und der Kondensator C6 sind im Diagramm zu sehen. Die Absicht von SK3 ist es, das Entladen von Testelementen durch Berühren von SK1 und SK3 zu erleichtern, bevor sie für die Messung über SKI und SK2 gesteckt werden.

Dies gilt nur für Kondensatoren, die dazu neigen, Restladung zu speichern, wenn sie unmittelbar vor dem Testen aus einem Stromkreis entfernt werden. Hochwertige Kondensatoren und Kondensatoren vom Hochspannungstyp sind diejenigen, die für dieses Problem anfällig sein können.

Unter ernsthaften Bedingungen müssen Kondensatoren jedoch möglicherweise vorsichtig über einen Entlüftungswiderstand entladen werden, bevor sie aus einem Stromkreis herausgenommen werden. Der Grund für die Aufnahme von SK3 besteht darin, dass der zu prüfende Kondensator entladen werden kann, indem er zwischen SK1 und SK3 angeschlossen wird, bevor er für die Messung zwischen SKI und SK2 getestet wird.

C6 ist ein handlicher, gebrauchsfertiger Probenkondensator für die schnelle Kalibrierung. Wenn ein zu testender Kondensator einen fehlerhaften Messwert aufweist, kann es wichtig sein, auf Bereich 1 umzuschalten und eine Überbrückungsverbindung zwischen SK2 und SK4 herzustellen, damit C6 als Testkondensator angeschlossen wird. Als Nächstes möchten Sie möglicherweise überprüfen, ob über den Anzeigen ein legitimer Wert von 47 nF angezeigt wird.

Eines muss jedoch verstanden werden: Das Messgerät selbst ist innerhalb weniger% plus / minus ziemlich genau, abgesehen von Kondensatorwerten, die fast identisch mit dem Kalibrierungswert sind. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Kondensatorwerte von der Temperatur und einigen externen Parametern abhängen können. Falls ein Kapazitätsmesswert einen geringfügigen Fehler aufweist, der über seinem Toleranzwert liegt, weist dies höchstwahrscheinlich darauf hin, dass das Teil absolut in Ordnung und keinesfalls defekt ist.

Liste der Einzelteile