Circuit de mesurament de capacitat LED de 3 dígits

Aquest projecte és un altre equip de prova que pot ser molt útil per a qualsevol aficionat a l’electrònica, i construir aquesta unitat pot ser molt divertit.

Un mesurador de capacitància és un equip de prova molt útil, ja que permet a l’usuari comprovar el condensador desitjat i confirmar-ne la relativitat.

La majoria dels comptadors digitals normals o normals no tenen un mesurador de capacitat i, per tant, un entusiasta de l’electrònica ha de dependre de costosos comptadors per aconseguir aquesta instal·lació.

El circuit que es tracta a l'article següent explica un mesurador de capacitància LED de tres dígits avançat però barat, que proporciona una mesura raonablement precisa per a una gamma de condensadors que s'utilitzen habitualment en tots els circuits electrònics contemporanis.

Rangs de capacitat

El disseny del circuit de mesurador de capacitància proposat proporciona una pantalla LED de 3 dígits i mesura els valors amb cinc intervals, tal com s’indica a continuació:

Rang 1 = 0 a 9,99 nF
Interval núm. 2 = 0 a 99,9 nF
Interval núm. 3 = 0 a 999 nF
Interval núm. 4 = 0 a 9,99 µF
Rang 5 = 0 a 99,99 μF

Els rangs anteriors inclouen la majoria dels valors estàndard, però el disseny no és capaç de determinar valors extremadament baixos d'algunes picofarades o condensadors electrolítics d'alt valor.

Pràcticament aquesta limitació pot no preocupar-se gaire, ja que els condensadors de valor extremadament baix poques vegades s’utilitzen en circuits electrònics actuals, mentre que els condensadors grans es podrien provar utilitzant un parell de condensadors connectats en sèrie, com es descriurà en profunditat més endavant. els paràgrafs següents.

Com funciona

S'incorpora un LED d'alerta de desbordament per tal d'evitar lectures inexactes en cas que es triï un interval inadequat. El dispositiu funciona mitjançant una bateria de 9 volts i, per tant, és absolutament portàtil.

La figura 2 mostra el diagrama del circuit de l’oscil·lador de rellotge, un oscil·lador de baixa Hz, un controlador lògic i etapes multivibradores monoestables del circuit del mesurador de capacitància LED.

Les etapes del circuit de comptador / controlador i desbordament es mostren a la següent figura anterior.

Mirant la figura 2, IC5 és un regulador de voltatge fix de 5 volts que proporciona una sortida de 5 volts molt ben regulada des de la font de la bateria de 9 volts. Tot el circuit utilitza aquesta potència regulada de 5 volts per al funcionament.

La bateria hauria de tenir una qualificació mAh elevada, ja que l’ús actual del circuit és bastant gran, al voltant dels 85 mA. El consum actual pot superar els 100 mA sempre que la majoria dels dígits de la pantalla de 3 s’il·luminen per mostrar-los.

L'oscil·lador de baixa freqüència està construït al voltant de l'IC2a i l'IC2b que són portes CMOS NOR. Tanmateix, en aquest circuit en concret, aquests circuits integrats es connecten com a inversors bàsics i s’apliquen mitjançant una configuració normal CMOS astable.

Tingueu en compte que la freqüència de treball de l’etapa de l’oscil·lador és molt més gran en comparació amb la freqüència amb què es proporcionen les lectures, perquè aquest oscil·lador ha de generar 10 cicles de sortida per permetre completar un cicle de lectura únic.

IC3 i IC4a es configuren com a etapa lògica de control. IC3, que és un descodificador / comptador CMOS 4017, inclou 10 sortides (del 0 al 9). Cadascuna d’aquestes sortides s’eleva, successivament, per a cada cicle de rellotge d’entrada consecutiu. En aquest disseny concret, la sortida '0' subministra el rellotge de restabliment als comptadors.

La sortida '1' es torna posteriorment alta i commuta el monoestable que produeix el pols de la porta del circuit de rellotge / comptador. Les sortides '2' a '8' no estan connectades i l'interval de temps durant el qual aquestes 2 sortides augmenten permet una mica de temps perquè el pols de la porta es pugui completar i permeti que el recompte acabi.

La sortida '9' proporciona el senyal lògic que bloqueja la nova lectura sobre la pantalla LED, però aquesta lògica necessita una negativa. Això s'aconsegueix amb IC4a que inverteix el senyal de la sortida 9 de manera que es tradueixi en un pols adequat.

El multivibrador monoestable és una versió CMOS estàndard que utilitza un parell de 2 portes NOR d’entrada (IC4b i IC4c). Tot i ser un disseny simple i monoestable, ofereix funcions que el fan perfectament digne de l’aplicació actual.

Es tracta d’una forma que no es pot tornar a configurar i, en conseqüència, proporciona un impuls de sortida que és menor que el pols de desencadenament generat des d’IC3. Aquesta funció és realment fonamental, ja que quan s’utilitza un tipus que es pot tornar a configurar, la lectura mínima de la pantalla pot ser bastant alta.

L'autocapacitat del disseny proposat és força mínima, cosa que és essencial, ja que un grau substancial de capacitat local podria pertorbar l'atribut lineal del circuit, resultant en una lectura de pantalla molt baixa.

Mentre es feia servir, la pantalla del prototip es podia veure amb la lectura de '000' en els 5 rangs quan no hi ha condensador connectat a les ranures de prova.

Les resistències R5 a R9 funcionen com resistències de selecció de rang. Quan reduïu la resistència de sincronització a través dels passos de la dècada, la capacitat de sincronització necessària per a una lectura concreta augmenta en els increments de la dècada.

Si considerem que les resistències de rang tenen una tolerància d’almenys l’1%, es pot esperar que aquesta configuració doni lectures fiables. Això vol dir que potser no sigui necessari que cada rang es calibri per separat.

R1 i S1a estan connectats per executar el segment de punt decimal a la pantalla LED correcta, excepte el rang 3 (999nF) en què no és necessària una indicació de punt decimal. L'oscil·lador de rellotge és en realitat una configuració astable 555 comuna.

Pot RV1 s’utilitza com a controlador de freqüència de rellotge per calibrar aquest mesurador de capacitat LED. La sortida monoestable s’utilitza per controlar el pin 4 de l’IC 1 i l’oscil·lador de rellotge només s’activarà mentre estigui disponible el període de la porta. Aquesta funció elimina la demanda d'una porta de senyal independent.

Ara comprovant la figura 3, trobem que el circuit del comptador està connectat mitjançant 3 circuits integrats CMOS 4011. En realitat, no es reconeixen de la família lògica CMOS ideal, tot i que es tracta d’elements extremadament flexibles que mereixen un consum freqüent.

En realitat, es configuren com a comptadors amunt / avall amb entrades de rellotge individuals i sortides de transport / préstec. Com es pot entendre, el potencial d’utilitzar en el mode de comptador baix no té cap sentit aquí, per tant, l’entrada del rellotge descendent està connectada a la línia de subministrament negativa.

Els tres comptadors es connecten en seqüència per permetre una visualització convencional de 3 dígits. Aquí, IC9 està connectat per generar el dígit menys significatiu i IC7 habilita el dígit més significatiu. El 4011 inclou un comptador de dècades, un descodificador de set segments i una fase de controlador de latch / display.

Per aquest motiu, cada CI podria substituir una opció típica de comptador / controlador / tancament a l'estil TTL de 3 xips. Les sortides tenen prou potència per il·luminar directament qualsevol pantalla LED de càtode comú adequada de set segments.

Malgrat un subministrament de baixa tensió de 5 volts, es recomana conduir cada segment de pantalla LED a través d’una resistència limitadora de corrent, de manera que el consum de corrent de tota la unitat de mesurament de la capacitat màxima es pugui mantenir per sota d’un nivell acceptable.

La sortida 'carry' de l'IC7 s'aplica a l'entrada de rellotge IC6, és a dir, un tipus D dividit per dos flip / flop. No obstant això, en aquest circuit concret només s’implementa una part de l’IC. La sortida IC6 canviarà d'estat només quan hi hagi una sobrecàrrega. Això implica que, si la sobrecàrrega és significativament alta, es produiran molts cicles de sortida des d'IC7.

Potenciar directament l’indicador LED LED1 a IC6 pot ser bastant inadequat, perquè aquesta sortida pot ser momentània i el LED pot generar només un parell d’il·luminacions curtes que podrien passar desapercebudes fàcilment.

Per evitar aquesta situació, la sortida IC7 s'utilitza per conduir un circuit bistable bàsic de configuració / restabliment creat mitjançant el cablejat d'un parell de portes normalment buides de l'IC2 i, posteriorment, el pestell commuta l'indicador LED LED1. Els dos IC6 i el pestell són restablits per IC3 per tal que el circuit de desbordament comenci de zero sempre que s’implementi una nova lectura de prova.

Com construir

Construir aquest circuit de mesurament de capacitància de 3 dígits consisteix en muntar totes les peces correctament sobre la distribució de PCB que es proporciona a continuació.

Recordeu que els IC són tots els tipus CMOS i, per tant, sensibles a l’electricitat estàtica de la mà. Per evitar danys causats per l'electricitat estàtica, es recomana utilitzar endolls IC. Mantingueu els CI al cos i empenyeu-los als endolls sense tocar els passadors del procés.

Calibratge

Abans de començar a calibrar aquest circuit final de mesurament de capacitància LED de 3 dígits, pot ser que sigui important emprar un condensador amb una tolerància ajustada i una magnitud que proporcioni aproximadament el 50 al 100% de l’escala completa del mesurador.

Imaginem que C6 s’ha incorporat a la unitat i s’aplica per calibrar el comptador. Ara, ajusteu el dispositiu al rang # 1 (9,99 nF a escala completa) i inseriu un enllaç directe entre SK2 i SK4.

A continuació, ajusteu molt suaument RV1 per visualitzar la lectura adequada de 4.7nF a la pantalla. Un cop fet això, és possible que trobeu la unitat que mostra les lectures correctament corresponents en una gamma de condensadors.

Tanmateix, no espereu que les lectures siguin exactes. El mesurador de capacitat de 3 dígits per si sol és bastant precís, tot i que, com ja s’ha comentat anteriorment, segur que s’acompanyarà d’algunes discrepàncies menors.

Per què s’utilitzen 3 pantalles LED

Molts condensadors solen tenir toleràncies força grans, tot i que un grapat de varietats poden incloure una taxa de precisió superior al 10%. Pràcticament parlant, la introducció del tercer dígit de la pantalla LED pot no estar justificada respecte a la precisió esperada, tot i que és avantatjosa pel fet que amplia de manera eficient la capacitat més baixa que el dispositiu pot llegir durant una dècada completa.

Provant condensadors antics

En cas que es provi un condensador antic amb aquest equip, és possible que vegeu que la lectura digital a la pantalla augmenta gradualment. Això pot no significar necessàriament un condensador defectuós, sinó que pot ser simplement com a resultat de la calor dels nostres dits que fa que el valor del condensador pugi marginalment. Mentre inseriu un condensador a les ranures SKI i SK2, assegureu-vos de mantenir el condensador pel seu cos i no pels cables.

Proves de condensadors d’alt valor per sobre del rang

Els condensadors d’alt valor que no estiguin dins del rang d’aquest mesurador de capacitància LED es podrien examinar connectant el condensador d’alt valor en sèrie amb un condensador de valor inferior i provant la capacitat total de sèrie de les dues unitats.

Diguem que volem examinar un condensador amb un valor de 470 µF imprès. Això es pot implementar connectant-lo en sèrie amb condensador 100µF. Aleshores, es podria verificar el valor del condensador 470 µF mitjançant la fórmula següent:
(C1 x C2) / (C1 + C2) = 82,5 µF

El 82,5 µF confirmarà que el valor de 470 µF està bé. Però suposem que si el mesurador mostra alguna altra lectura com ara 80 µF, això significaria que els 470 µF no estan bé, ja que el seu valor real seria:

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

El resultat indica que la salut del condensador provat de 470µF pot no ser molt bona

Les dues preses addicionals (SK3 i SK4) i el condensador C6 es poden veure al diagrama. La intenció de SK3 és facilitar la descàrrega dels elements de prova tocant SK1 i SK3 abans de connectar-los a SKI i SK2 per a la mesura.

Això només s'aplica a aquells condensadors que poden tenir la tendència a emmagatzemar una mica de càrrega residual quan es treuen d'un circuit just abans de provar-los. Els condensadors tipus alt valor i alta tensió són els que poden ser susceptibles a aquest problema.

No obstant això, en condicions greus, és possible que els condensadors hagin de descarregar-se suaument mitjançant una resistència de purga abans de treure'ls d'un circuit. La raó per incloure SK3 és permetre que el condensador sotmès a prova es descarregui mitjançant la connexió entre SK1 i SK3 abans de provar-los a SKI i SK2 per a la mesura.

C6 és un condensador de mostra pràctic, llest per utilitzar, per a una calibració ràpida. En el cas que un condensador en proves mostri una lectura defectuosa, pot ser essencial canviar al rang 1 i posar un enllaç de pont a través de SK2 a SK4 perquè C6 es connecti com a condensador de prova. A continuació, és possible que vulgueu comprovar que s’indiqui un valor legítim de 47 nF a les pantalles.

Tot i això, cal entendre una cosa: el mesurador per si sol és bastant precís amb un percentatge de més / menys, a part dels valors del condensador gairebé idèntics al valor de calibratge. Un problema addicional és que les lectures del condensador poden dependre de la temperatura i d'alguns paràmetres externs. En cas que una lectura de capacitància mostri un lleuger error superior al seu valor de tolerància, és probable que això indiqui que la peça està absolutament bé i que no és defectuosa.

Llista de peces