Obwód 3-cyfrowego miernika pojemności LED

Ten projekt jest kolejnym sprzętem testowym, który może być niezwykle przydatny dla każdego hobbysty elektronicznego, a budowanie tego urządzenia może być niezłą zabawą.

Miernik pojemności jest bardzo przydatnym sprzętem testowym, ponieważ pozwala użytkownikowi sprawdzić żądany kondensator i potwierdzić jego wiarygodność.

Zwykłe lub standardowe liczniki cyfrowe przeważnie nie mają urządzenia do pomiaru pojemności, dlatego entuzjasta elektroniki musi polegać na kosztownych licznikach, aby uzyskać tę funkcję.

Obwód omawiany w następnym artykule wyjaśnia zaawansowany, ale tani 3-cyfrowy miernik pojemności LED, który zapewnia dość dokładny pomiar dla szeregu kondensatorów, które są powszechnie stosowane we wszystkich współczesnych obwodach elektronicznych.

Zakresy pojemności

Proponowany projekt obwodu miernika pojemności zawiera 3-cyfrowy wyświetlacz LED i mierzy wartości w pięciu zakresach, jak pokazano poniżej:

Zakres nr 1 = 0 do 9,99 nF
Zakres nr 2 = 0 do 99,9nF
Zakres nr 3 = 0 do 999nF
Zakres nr 4 = 0 do 9,99 µF
Zakres # 5 = 0 do 99,99 µF

Powyższe zakresy obejmują większość wartości standardowych, jednak konstrukcja nie jest w stanie wyznaczyć skrajnie małych wartości kilku pikofaradów lub kondensatorów elektrolitycznych o dużej wartości.

Praktycznie to ograniczenie może nie być zbyt wielkim problemem, ponieważ kondensatory o skrajnie niskiej wartości są rzadko stosowane w dzisiejszych obwodach elektronicznych, podczas gdy duże kondensatory można testować przy użyciu kilku połączonych szeregowo kondensatorów, co zostanie szczegółowo opisane w dalszej części. następujące akapity.

Jak to działa

Wbudowana dioda LED ostrzegająca o przepełnieniu zapobiega niedokładnym odczytom w przypadku wybrania niewłaściwego zakresu. Urządzenie jest zasilane baterią 9 V, dzięki czemu jest absolutnie przenośne.

Rysunek 2 przedstawia schemat obwodu oscylatora zegarowego, oscylatora o niskiej częstotliwości, kontrolera logicznego i stopni monostabilnego multiwibratora obwodu miernika pojemności LED.

Stopnie licznika / sterownika i obwodu przelewowego są pokazane na następnym rysunku powyżej.

Patrząc na rysunek 2, IC5 jest 5-woltowym stabilizatorem stałego napięcia, który zapewnia ładnie regulowane 5-woltowe wyjście z 9-woltowego źródła baterii. Cały obwód wykorzystuje do działania tę regulowaną moc 5 V.

Bateria powinna mieć wysoką wartość mAh, ponieważ pobór prądu przez obwód jest dość duży i wynosi około 85 mA. Pobór prądu może przekroczyć 100 mA, ilekroć większość cyfr na 3-wyświetlaczu jest podświetlona na potrzeby wyświetlania.

Oscylator niskiej częstotliwości jest zbudowany wokół IC2a ​​i IC2b, które są bramkami CMOS NOR. Niemniej jednak w tym konkretnym obwodzie te układy scalone są połączone jako podstawowe falowniki i stosowane w normalnej astabilnej konfiguracji CMOS.

Zauważ, że częstotliwość robocza stopnia oscylatora jest znacznie większa w porównaniu z częstotliwością, z jaką podawane są odczyty, ponieważ oscylator ten musi generować 10 cykli wyjściowych, aby umożliwić zakończenie pojedynczego cyklu odczytu.

IC3 i IC4a są skonfigurowane jako stopień logiki sterującej. Układ IC3, który jest dekoderem / licznikiem CMOS 4017, zawiera 10 wyjść (od „0” do „9”). Każde z tych wyjść przechodzi w stan wysoki, kolejno, dla każdego kolejnego cyklu zegara wejściowego. W tym konkretnym projekcie wyjście „0” dostarcza zegar zerowania do liczników.

Wyjście „1” następnie staje się wysokie i przełącza monostabilny, który wytwarza impuls bramki dla obwodu zegara / licznika. Wyjścia od „2” do „8” są niepodłączone, a przedział czasu, w którym te 2 wyjścia osiągają stan wysoki, zapewnia trochę czasu, aby impuls bramki mógł zakończyć się i umożliwić zakończenie liczenia.

Wyjście '9' dostarcza sygnał logiczny, który zatrzaskuje nowy odczyt na wyświetlaczu LED, jednak logika ta musi mieć wartość ujemną. Odbywa się to za pomocą układu IC4a, który odwraca sygnał z wyjścia 9, tak aby przekształcić go w odpowiedni impuls.

Multiwibrator monostabilny jest standardową wersją CMOS wykorzystującą kilka 2 wejściowych bramek NOR (IC4b i IC4c). Pomimo tego, że jest prostym monostabilnym projektem, oferuje funkcje, które sprawiają, że jest on doskonale godny aktualnej aplikacji.

Jest to postać bez możliwości ponownego wyzwalania, w wyniku czego generowany jest impuls wyjściowy, który jest mniejszy niż impuls wyzwalający generowany przez układ IC3. Ta funkcja jest w rzeczywistości krytyczna, ponieważ gdy używany jest typ z możliwością ponownego wyzwalania, najmniejszy odczyt wyświetlacza może być dość wysoki.

Pojemność własna proponowanego projektu jest dość minimalna, co jest istotne, ponieważ znaczny stopień lokalnej pojemności może zakłócać atrybut liniowy obwodu, powodując ogromny najniższy odczyt na wyświetlaczu.

Podczas użytkowania prototypowy wyświetlacz można było zobaczyć z odczytem „000” we wszystkich 5 zakresach, gdy nie ma kondensatora podłączonego do gniazd testowych.

Rezystory R5 do R9 działają jako rezystory wyboru zakresu. Kiedy zmniejszasz rezystancję taktowania w krokach dziesięcioleci, pojemność taktowania wymagana dla określonego odczytu zwiększa się w przyrostach dziesięcioletnich.

Jeśli weźmiemy pod uwagę, że rezystory zakresu są oceniane z tolerancją co najmniej 1%, można oczekiwać, że ta konfiguracja zapewni wiarygodne odczyty. Oznacza to, że może nie być konieczne osobne kalibrowanie każdego zakresu.

R1 i S1a są podłączone tak, aby uruchamiać segment przecinka dziesiętnego na odpowiednim wyświetlaczu LED, z wyjątkiem zakresu 3 (999nF), w którym wskazanie przecinka dziesiętnego nie jest konieczne. Oscylator zegara jest w rzeczywistości typową astabilną konfiguracją 555.

Pot RV1 jest używany jako regulator częstotliwości zegara do kalibracji tego miernika pojemności LED. Wyjście monostabilne służy do sterowania pinem 4 układu IC 1, a oscylator zegarowy będzie aktywowany tylko wtedy, gdy dostępny jest okres bramki. Ta funkcja eliminuje zapotrzebowanie na niezależną bramkę sygnałową.

Teraz sprawdzając rysunek 3, okazuje się, że obwód licznika jest podłączony za pomocą 3 układów scalonych CMOS 4011. W rzeczywistości nie są one rozpoznawane z idealnej rodziny logiki CMOS, niemniej są to niezwykle elastyczne elementy, które są warte częstego użytkowania.

Są one faktycznie skonfigurowane jako liczniki w górę / w dół z indywidualnymi wejściami zegarowymi i wyjściami przenoszenia / pożyczania. Jak można zrozumieć, możliwość użycia w trybie licznika w dół jest tutaj bez znaczenia, dlatego wejście zegara taktującego jest połączone z ujemną linią zasilania.

Trzy liczniki są połączone kolejno, aby umożliwić konwencjonalny 3-cyfrowy wyświetlacz. Tutaj IC9 jest podłączony tak, aby generować najmniej znaczącą cyfrę, a IC7 umożliwia najbardziej znaczącą cyfrę. 4011 zawiera licznik dekad, dekoder siedmiosegmentowy i stopnie sterownika zatrzasku / wyświetlacza.

Z tego powodu każdy pojedynczy układ scalony mógłby zastąpić typowy 3-chipowy licznik / sterownik / zatrzask w stylu TTL. Wyjścia mają wystarczającą moc, aby bezpośrednio oświetlać dowolny odpowiedni siedmiosegmentowy wyświetlacz LED ze wspólną katodą.

Pomimo niskiego napięcia 5 V zaleca się, aby każdy segment wyświetlacza LED był zasilany przez rezystor ograniczający prąd, aby pobór prądu przez cały miernik pojemności był utrzymywany poniżej akceptowalnego poziomu.

Wyjście 'carry' IC7 jest przykładane do wejścia zegara IC6, czyli podwójnego typu D podzielonego przez dwa przerzutniki / flop. Jednak w tym konkretnym obwodzie zaimplementowana jest tylko jedna część układu scalonego. Wyjście IC6 przełączy stan tylko w przypadku przeciążenia. Oznacza to, że jeśli przeciążenie jest znacznie wysokie, spowoduje to wiele cykli wyjściowych z IC7.

Bezpośrednie zasilanie wskaźnika LED LED1 przez IC6 może być całkiem niewłaściwe, ponieważ wyjście to może być chwilowe, a dioda LED może być w stanie wygenerować tylko kilka krótkich iluminacji, które mogą zostać łatwo niezauważone.

Aby uniknąć takiej sytuacji, wyjście IC7 jest używane do sterowania podstawowym obwodem bistabilnym ustawiania / resetowania, utworzonego przez okablowanie pary normalnie pustych bramek IC2, a następnie zatrzask włącza wskaźnik LED LED1. Dwa układy scalone IC6 i zatrzask są resetowane przez układ IC3 w celu rozpoczęcia od zera obwodu przepełnienia za każdym razem, gdy wykonywany jest nowy odczyt testowy.

Jak zbudować

Zbudowanie tego trzycyfrowego obwodu miernika pojemności polega po prostu na poprawnym złożeniu wszystkich części na poniższym układzie PCB.

Pamiętaj, że wszystkie układy scalone są typu CMOS i dlatego są wrażliwe na elektryczność statyczną z dłoni. Aby uniknąć uszkodzeń spowodowanych elektrycznością statyczną, zaleca się stosowanie gniazd IC. Przytrzymaj układy scalone na ich korpusie i wepchnij do gniazd, nie dotykając przy tym pinów.

Kalibrowanie

Przed rozpoczęciem kalibracji tego sfinalizowanego 3-cyfrowego obwodu miernika pojemności LED może być ważne, aby zastosować kondensator z wąską tolerancją i wielkością, która zapewnia około 50 do 100% pełnego zakresu miernika.

Wyobraźmy sobie, że C6 został wbudowany w urządzenie i służy do kalibracji miernika. Teraz ustaw urządzenie na zakres # 1 (pełna skala 9,99 nF) i wstaw bezpośrednie łącze między SK2 i SK4.

Następnie bardzo delikatnie wyreguluj RV1, aby zwizualizować odpowiedni odczyt 4,7nF na wyświetlaczu. Po wykonaniu tej czynności może się okazać, że jednostka pokazuje odpowiednio prawidłowe odczyty dla szeregu kondensatorów.

Nie należy jednak oczekiwać, że odczyty będą dokładnie dokładne. Sam trzycyfrowy miernik pojemności jest dość precyzyjny, chociaż, jak wspomniano wcześniej, na pewno będą mu praktycznie towarzyszyć drobne rozbieżności.

Dlaczego używane są 3 wyświetlacze LED

Wiele kondensatorów ma raczej duże tolerancje, chociaż kilka odmian może mieć stopień dokładności wyższy niż 10%. Praktycznie rzecz biorąc, wprowadzenie trzeciej cyfry wyświetlacza LED może nie być uzasadnione z punktu widzenia oczekiwanej precyzji, niemniej jest to korzystne ze względu na to, że skutecznie rozszerza najniższą pojemność, jaką urządzenie jest w stanie odczytać przez całą dekadę.

Testowanie starych kondensatorów

W przypadku testowania starego kondensatora z tym sprzętem, można prawdopodobnie zauważyć, że odczyt cyfrowy na wyświetlaczu stopniowo rośnie. Niekoniecznie musi to oznaczać wadliwy kondensator, a raczej może to być po prostu wynikiem ciepła naszych palców, powodującego nieznaczny wzrost wartości kondensatora. Wkładając kondensator do gniazd SKI i SK2, należy trzymać kondensator za korpus, a nie za przewody.

Testowanie kondensatorów o wysokiej wartości z przekroczeniem zakresu

Kondensatory o dużej wartości, które nie mieszczą się w zakresie tego miernika pojemności LED, można zbadać, łącząc szeregowo kondensator o dużej wartości z kondensatorem o niższej wartości, a następnie testując całkowitą pojemność szeregową dwóch jednostek.

Powiedzmy, że chcemy zbadać kondensator, na którym wydrukowano wartość 470 µF. Można to zrealizować podłączając go szeregowo z kondensatorem 100 µF. Wówczas wartość kondensatora 470 µF można zweryfikować za pomocą następującego wzoru:
(C1 x C2) / (C1 + C2) = 82,5 uF

82,5 µF potwierdzi, że 470 µF jest w porządku ze swoją wartością. Ale załóżmy, że jeśli miernik pokazuje inny odczyt, np. 80 µF, oznaczałoby to, że 470 µF nie jest OK, ponieważ jego rzeczywista wartość byłaby wtedy:

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

Wynik wskazuje, że stan testowanego kondensatora 470 µF może nie być bardzo dobry

Na schemacie widać dwa dodatkowe gniazda (SK3 i SK4) oraz kondensator C6. Intencją SK3 jest ułatwienie rozładowywania elementów testowych poprzez dotknięcie ich w poprzek SK1 i SK3 przed podłączeniem ich do SKI i SK2 w celu pomiaru.

Dotyczy to tylko tych kondensatorów, które mogą mieć tendencję do gromadzenia resztkowego ładunku po wyjęciu z obwodu tuż przed testowaniem. Na ten problem mogą być narażone kondensatory o dużej wartości i wysokim napięciu.

Jednak w poważnych warunkach kondensatory mogą wymagać delikatnego rozładowania przez opornik upustowy przed wyjęciem ich z obwodu. Powodem włączenia SK3 jest umożliwienie rozładowania testowanego kondensatora poprzez połączenie między SK1 i SK3 przed przetestowaniem ich w SKI i SK2 w celu pomiaru.

C6 to poręczny, gotowy do użycia kondensator do próbek do szybkiej kalibracji. W przypadku, gdy testowany kondensator wykazuje jakiś błędny odczyt, może być konieczne przełączenie na zakres 1 i umieszczenie zworki na SK2 do SK4, tak aby C6 został podłączony jako kondensator testowy. Następnie możesz chcieć sprawdzić, czy na wyświetlaczach wskazana jest prawidłowa wartość 47nF.

Jest jednak jedna rzecz, którą należy zrozumieć: sam miernik jest dość dokładny w granicach kilku% plus / minus, oprócz wartości kondensatorów prawie identycznych z wartością kalibracji. Dodatkową kwestią jest to, że odczyty kondensatorów mogą być zależne od temperatury i kilku parametrów zewnętrznych. W przypadku, gdy odczyt pojemności wykazuje niewielki błąd przekraczający wartość tolerancji, najprawdopodobniej oznacza to, że część jest całkowicie OK i nie jest w żaden sposób wadliwa.

Lista części