Misuratore di capacità per ionistori e condensatori ad alta capacità. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Tecnologia di misurazione

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Esistono diversi metodi per misurare la capacità dei condensatori, ma non tutti sono adatti per misurare una capacità superiore a poche centinaia di microfarad. Problemi particolarmente grossi sorgono quando si misurano gli ionistori, la cui capacità può raggiungere 10 F o anche di più. Nel frattempo, esiste un metodo relativamente semplice e, tra l'altro, noto da tempo, basato sulla misurazione del tempo di carica di un condensatore da una sorgente di tensione attraverso un resistore di resistenza nota. Come sai, se colleghi un condensatore con una capacità C attraverso un resistore con una resistenza R a una sorgente di tensione U (Fig. 1), il condensatore inizierà a caricarsi e la tensione ai suoi capi (U_С) aumenterà esponenzialmente:

U_C = U(1 - e^-t/(RC)),

dove e è la base del logaritmo naturale (e ≈ 2,718); t - tempo; RC è la cosiddetta costante di tempo di un circuito RC, che non dipende dalla tensione. Nel momento in cui t = t_RC= RC, la tensione ai capi del condensatore sarà pari a U_C = U(1 - e^-1) ≈ U(1 - 0,367) ≈ 0,633U. Pertanto, misurando l'intervallo di tempo dall'inizio della carica del condensatore fino al momento in cui la tensione ai suoi capi raggiunge un valore di 0,633U, è possibile utilizzare un semplice calcolo per determinare la capacità del condensatore misurato C = t_RC/R. Se la resistenza del resistore è “rotonda”, ad esempio 10 kOhm, tutti i calcoli possono essere facilmente eseguiti a mente. Ad esempio, per il resistore indicato, il tempo per caricare il condensatore a 0,633U è stato di 46 s, quindi la capacità del condensatore misurato è C_х = 46 / 10⁴ = 46 mF = 4600 mF. Quindi in questo caso il fattore di conversione K = 100 µF/s. Per un resistore R = 1 kOhm, il tempo di misurazione diminuirà di 10 volte e il fattore di conversione K = 1000 μF/s.

Riso. 1. Dipendenza U_C da t

Il contatore proposto funziona secondo questo principio. Può essere realizzato sotto forma di collegamento a un computer o altro dispositivo elettronico con cronometro incorporato, ad esempio a un orologio elettronico (elettronico-meccanico) o a un telefono cellulare. Vale soprattutto la pena sottolineare la relativa semplicità di implementazione di questo metodo e l'assenza della necessità di calibrazione utilizzando condensatori di riferimento (è sufficiente un voltmetro digitale). Inoltre, la tensione può essere qualsiasi (entro limiti ragionevoli), l'importante è che non cambi durante la misurazione. La misurazione della capacità dei supercondensatori può richiedere diversi minuti; combinato con un errore di misurazione di diversi punti percentuali, questo è abbastanza accettabile per la pratica radioamatoriale.

Va notato che l'errore di misurazione è influenzato dalle correnti di dispersione e dalla resistenza in serie (ESR) di condensatori e ionistori. Ad esempio, l'ESR di alcuni tipi di ionistori può raggiungere i 30 Ohm e se tale ionista viene caricato tramite un resistore da 100 Ohm, l'errore di misurazione può ammontare a decine di percentuali. Pertanto, la resistenza del resistore attraverso il quale viene caricato il condensatore deve essere di almeno 1 kOhm.

Presentiamo all'attenzione dei lettori un accessorio di misurazione per orologi elettronico-meccanici. Lo schema del dispositivo è mostrato in Fig. 2. È alimentato da una batteria integrata nell'orologio (1,5 V) e l'orologio stesso può essere utilizzato per lo scopo previsto. Nello stato iniziale, la tensione di alimentazione viene fornita al microcircuito e l'orologio funziona normalmente. Quando il set-top box è collegato, i contatti della presa XS1 si aprono, l'orologio si ferma e la tensione di alimentazione viene fornita al set-top box. Contiene un convertitore di tensione stabilizzato boost sul chip DA1, un comparatore sull'amplificatore operazionale DA2, un interruttore elettronico sul transistor VT1 e un indicatore luminoso sul LED HL1.

Riso. 2. Schema del dispositivo (clicca per ingrandire)

Dopo aver fornito la tensione di alimentazione alla console, il transistor VT1 è chiuso e il convertitore di tensione è diseccitato. Per misurare la capacità di un condensatore o ionistore, questo viene prima scaricato e poi collegato, rispettando la polarità, ai terminali XS2, XS3 e premendo brevemente il pulsante SB1 “Start”. L'orologio viene alimentato con la tensione di alimentazione e inizierà a contare il tempo, contemporaneamente il convertitore di tensione inizia a funzionare, alla sua uscita appare una tensione di 3,3 V e il LED HL1 si accende. Poiché il condensatore da misurare è scarico, la tensione sull'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale DA2 è inferiore a quella non invertente e la tensione di uscita sarà 2...2,2 V. Il transistor VT1 si aprirà e dopo aver rilasciato il Tasto SB1, la tensione continuerà a fluire al convertitore di tensione e all'orologio, che continuerà a contare il tempo di ricarica. La scelta della tensione di uscita del convertitore (3,3 V) è dovuta al fatto che in questo caso il condensatore verrà caricato alla tensione U_C = 3,3·0,633 = 2,088 V, quindi tramite l'adattatore è possibile misurare la capacità di ionistori e condensatori con tensione nominale pari o superiore a 2 V.

Non appena il condensatore viene caricato alla tensione specificata, all'uscita dell'amplificatore operazionale DA2 appare una tensione vicina allo zero, il transistor VT1 si chiude, l'orologio e il convertitore di tensione sono diseccitati e il LED si spegne: il processo di misurazione è completato. Non resta che leggere l'orologio e determinare la capacità tenendo conto del fattore di conversione impostato dallo switch SA1. Per facilitare la misurazione, l'orologio è preimpostato all'inizio. Per misurare nuovamente lo stesso condensatore è necessario prima scaricarlo premendo il pulsante “Scarica” SB2 per diverse decine di secondi. Per scaricare uno ionistore e un condensatore a ossido con una capacità di diverse migliaia di microfarad, è necessario farlo più volte.

La configurazione inizia con il controllo della funzionalità del convertitore di tensione e l'impostazione della soglia di commutazione dell'amplificatore operazionale. Per fare ciò, i terminali del collettore e dell'emettitore del transistor VT1 vengono temporaneamente cortocircuitati con un ponticello, i terminali XS2 e XS3 sono collegati tra loro e una tensione di 1,5 V viene fornita dall'alimentazione regolata. Quando si modifica la posizione dell'interruttore SA1 e si riduce la tensione di alimentazione a 1,2 V, la tensione di uscita del convertitore non dovrebbe cambiare di più di una piccola percentuale. Nella posizione "1" dell'interruttore SA100 ai morsetti XS2, XS3 è collegata una resistenza variabile (preferibilmente multigiro) con una resistenza di 33 kOhm. Tensione di uscita del convertitore U_п misurata con un voltmetro digitale con una risoluzione di almeno tre cifre decimali. Un resistore variabile viene utilizzato per impostare la tensione U = 2 U sui terminali XS3, XS0,633_п. Quindi, controllando la tensione all'uscita dell'amplificatore operazionale, il cursore del resistore di costruzione R5 viene impostato in una posizione in cui i minimi cambiamenti nella sua posizione portano alla commutazione dell'amplificatore operazionale. In questo modo, l'errore di commutazione causato dalla tensione di polarizzazione dell'amplificatore operazionale verrà compensato. Dopo aver rimosso il ponticello tra il collettore e l'emettitore del transistor e il resistore variabile, il set-top box è pronto per l'uso.

Il set-top box utilizza resistori e condensatori per il montaggio su superficie. Resistori fissi RN1-12 e condensatore C1 (K10-17v) - dimensione 1206, resistore di regolazione - PVZ3A (POZ3A), PVA3A (RVG3A), condensatore C2 - tantalio dimensione A o B. Per aumentare la precisione della misurazione, i resistori R3 e R4 dovrebbero essere selezionato con deviazione dal valore nominale non superiore allo 0,5%. Qualsiasi transistor a bassa potenza con coefficiente di trasferimento di corrente di base (h_21E) non inferiore a 100. LED - verdi o rossi ad alta luminosità con diametro del corpo di 3 o 5 mm. L'induttore è avvolto su un nucleo magnetico ad anello con un diametro di 6 mm da un trasformatore CFL e contiene 6...7 spire di filo PEV-2 0,3. Interruttore - cursore di piccole dimensioni PD9-1 (SPDT), B3001, B3037, pulsanti - qualsiasi di piccole dimensioni con ritorno automatico, morsetti XS2, XS3 - "coccodrillo".

Riso. 3. Disegno PCB

Riso. 4. Disposizione degli elementi

Riso. 5. Aspetto del dispositivo

La maggior parte delle parti sono posizionate su un circuito stampato a singola faccia in fibra di vetro, il cui disegno è mostrato in Fig. 3, e la disposizione degli elementi è in Fig. 4. I pulsanti sono fissati sul coperchio superiore del case e sono presenti anche dei fori per il LED e il cursore dell'interruttore. Nelle pareti anteriore e posteriore della custodia sono presenti fori per i cavi. Orologi: qualsiasi orologio elettronico-meccanico, nel caso in cui è possibile installare una presa. La loro modifica è minima: è necessario tagliare il conduttore stampato che va dalla batteria “+” al chip dell'orologio e installare la presa XS1 (jack per il collegamento delle cuffie stereo). L'aspetto del dispositivo è mostrato in Fig. 5.

Autore: I. Nechaev

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