Kapaciteitsmeter
Technische gegevens
meetbereiken
- 200 pF, 20 nF, 2 µF, 200 µF, 2000 µF en 20.000 µF (volle schaal)
nauwkeurigheid
- maximale afwijking 1% (bij afregeling met behulp van een 1% referentiekondensator) ± 1 digit
- maximale afwijking 10 ... 15% in het 20.000 µF bereik bijzonderheden
- 3½: digit LCD
- lekstromen hebben geen invloed op het meetresultaat
- kleinst meetbare kapaciteit: 0,1 pF!
- geschikt voor zowel gewone kondensatoren als varicap-dioden
- meettijd minder dan 1 sekonde
- meting met frekwentie waarbij fabrikanten de kapaciteit opgeven (behalve in het 20.000 µF bereik)
- gebruik van meetsnoeren mogelijk (behalve in 200 pF bereik)
Kondensatoren worden hoofdzakelijk gebruikt als koppel- of afvlakkondensatoren of als frekwentiebepalende onderdelen in HF- en LF schakelingen. Met "frekwentiebepalend" bedoelen we natuurlijk niet dat we ons helemaal aan het nekwerk overgeven wat betreft het frekwentiegedrag. In de meeste gevallen, zoals bijvoorbeeld bij filters, moet de kondensatorwaarde zo goed mogelijk overeen komen met de van te voren berekende waarde. Maar omdat 1 % kondensatoren in de klasse "exotisch en duur" vallen, kan men het beste maar het aanbod van ƒ 14,90 aannemen, om daaruit vervolgens de gewenste waarde te selekteren met een kapaciteitsmeter. En natuurlijk kan zo'n meter ook gebruikt worden om "verdachte" kondensatoren in defekte schakelingen te testen.
We hebben een nauwkeurige 3½ digit LCD kapaciteitsmeter ontwikkeld, waarmee in zes meetbereiken kapaciteiten gemeten kunnen worden van 0,1 pF tot 20.000 µF.
Meten van kapaciteit
In de begindagen van de elektronica werden kondensatoren en spoelen, de zogenaamde schijnweerstanden, in brugschakelingen gemeten. Deze meetbruggen bevatten behalve een generator, een netvoeding en een gevoelige meetversterker ook hele preciese en daarom dure referentiekondensatoren en/of spoelen. Bovendien moeten er voor de meting nogal wat handelingen worden verricht. Specialisten die in ontwikkellaboratoria vlot en zonder fouten met deze instrumenten overweg konden, werden dan ook met respekt behandeld. De voordelen van een meetbrug zijn echter onbetwistbaar: in een keer kunnen verschillende faktoren (zoals reaktantie en verliezen) bepaald worden die voor het funktioneren van het gemeten objekt in een schakeling van belang zijn. Maar de doorsnee hobbyist heeft normaal gesproken al die informatie niet nodig. Eenvoudige en eenvoudig te bedienen kapaciteitsmeters werken volgens een principe waarbij de te meten kondensator in een oscillatorschakeling wordt opgenomen. De frekwentie van het afgegeven signaal wordt met een frekwentiemeter of een voltmeter (na omzetting in een met de frekwentie evenredige spanning) gemeten. Een aangepaste schaal geeft een uitlezing in farads. Voorbeelden van dit principe zijn de talrijke schakelingen die werken met het timer-IC 555 (zie Elektuur december 1981, kapaciteitskonverter voor frekwentiemeter).
Een ander meetprincipe zullen we aan de hand van figuur 1 iets nauwkeuriger beschrijven. De truuk van deze meetmethode is dat de onbekende kapaciteit CX bepaald kan worden na differentiatie van het ingangssignaal (door het netwerk CX/RS) door middel van een spanningsmeting. Wordt in deze schakeling weerstand RS veel kleiner gekozen dan de wissel-stroomweerstand van CX, dan volgt daaruit de waarde voor CX:
Figuur 1. Op deze manier kan met een spanningsmeting de kapaciteit van een onbekende kondensator bepaald worden. Voorbeeld: U = 3 V, fo = 1 kHz, RS = 100 Ω, U1 = 3 mV (gemeten). Daaruit volgt CX = 1,6 nF.
U, fo en RS zijn zonstante en bekende grootheden, zodat alleen U1 gemeten hoeft te worden om hem vervolgens in de formule in te vullen.
Nu willen we natuurlijk niet dat elke meting gepaard gaat met het manipuleren van potlood, papier en rekenmachine; het zou wenselijk zijn dat de waarde direkt afgelezen kon worden. Vandaar dat de schakeling van figuur 1 nog wat is uitgebreid. In figuur 2 zien we dat een gelijkrichter en een digitale voltmeter zijn toegevoegd. De generator levert een driehoekspanning die aan de te meten kondensator wordt aangeboden. Deze kondensator bevindt zich in een differentiator. Aan de uitgang van de differentiator zien we een blokspanning, waarvan de amplitude een maat voor de beproefde kapaciteit is (zoals U1 voor CX in figuur 1). Om die amplitude te meten moet de blokspanning eerst worden gelijkgericht. Dit gebeurt met twee schakelaars: ES5 en ES6. Op ES5 staat het normale bloksignaal en op ES6 het geïnverteerde. Beide schakelaars worden gestuurd door een signaal dat afgeleid is van het driehoeksignaal van de generator, en wel zodanig dat de schakelaars steeds alleen het positieve gedeelte van de blokspanning doorlaten. Bij het optellen van de signalen afkomstig van de schakelaars ontstaat een kontinue gelijkspanning waarvan de hoogte hetzelfde is als de amplitude van de blokspanning.
Figuur 2. Deze schakeling funktioneert in principe hetzelfde als die van figuur 1. Er is een gelijkrichter en een digitale voltmeter toegevoegd.
In het tijdvolgordediagram (figuur 3) wordt het bovenstaande nog eens verduidelijkt. De driehoekvormige ingangsspanning wordt door de (inverterende) differentiator omgezet in een blokspanning. Die blokken zijn eventueel afgeschuind als gevolg van de lekweerstand van de kondensator. Spanningsvorm B bestaat dan in wezen uit een blokspanning met daarop gesuperponeerd de verzwakte en geïnverteerde ingangsspanning. Na gelijkrichten resulteert dit in een zaagtand op de gelijkspanning. Deze zaagtand zal echter geen invloed hebben op het meetresultaat omdat hij bij de spanningsmeting wordt uitgemiddeld. De kondensator-lekweerstand gooit daarom geen roet in het eten.
Figuur 3. Het driehoeksignaal A wordt door een funktiegenerator geleverd. Na differentiatie ontstaat de blokspanning B. Gestippeld is de invloed van een eventuele lekstroom getekend. C is het signaal na gelijkrichting. Het aandeel van de lekstroom wordt bij de spanningsmeting uitgemiddeld.
De schakeling
IC1 en IC2 in figuur 4 vormen samen een driehoekgenerator. IC1, geschakeld als schmitt-trigger, levert aan zijn uitgang een konstante spanning die door IC2, in deze schakeling werkend als integrator, omgezet wordt in een kontinu stijgende spanning. Als deze "helling" het triggernivo van de schmitt-trigger bereikt zal de laatste omklappen. Nu zal de uitgangsspanning van IC2 kontinu gaan dalen en wel tot de onderste triggerdrempel van de schmitt-trigger bereikt wordt. Op deze manier verkrijgen we dus aan de uitgang van IC1 een blokspanning en aan de uitgang van IC2 een driehoekspanning.
Figuur 4. De meetschakeling bevat een funktiegenerator, bestaande uit IC1 en IC2. Daarop volgend een differentiator (CX en IC3) en een gelijkrichter (ES4, ES5, ES6 en IC4). S1 en ES1 ... ES3 dienen voor het omschakelen van het meetbereik. Met S2 kan naar wens een dc-offset ingesteld worden op de meetklemmen om in bereik "c" ook elko's te kunnen meten. IC5 zorgt in kombinatie met ES7 voor de overflow-indikatie.
De driehoekspanning is het testsignaal voor de te meten kondensator CX, die deel uit maakt van de rond IC3 opgebouwde differentiator. Aan de uitgang van IC3 vinden we de blokspanning waarvan de amplitude een maat is voor de waarde van CX. De gelijkrichter bestaat uit de elektronische schakelaars ES5 en ES6 en krijgt zijn signaal een maal rechtstreeks van IC3 en een maal via IC4 (inverter). Het stuursignaal voor de schakelaars wordt afgenomen aan de uitgang van IC1 en bedient direkt ES5. Voor ES6 wordt het eerst geïnverteerd door ES4. De uitgangssignalen van ES5 en ES6 worden samengevoegd om vervolgens via R20 naar de digitale voltmeter gevoerd te worden. Het met P1, R6 en C2 opgebouwde laagdoorlaatfilter maakt van de blokspanning afkomstig van IC1 een driehoekspanning met relatief kleine amplitude. Via C3 komt deze spanning op de ingang van IC3 te staan. Zij is in tegenfase met de door IC2 geleverde driehoekspanning en daardoor is het mogelijk de invloed van de onvermijdelijke parasitaire kapaciteit van de ingangsbussen teniet te doen. In de praktijk betekent dat: bij open aansluitklemmen P1 zodanig instellen dat de DVM nul volt aangeeft.
Het uitgangssignaal van IC5 zorgt ervoor dat bij een verkeerd gekozen meetbereik de multimeter een overflow-aanduiding geeft. Als CX namelijk voor een bepaald meetbereik te groot is, dan werkt IC3 niet meer als differentiator maar als komparator. Deze komparator slaat om telkens op het moment waarop de ingangsdrie-hoekspanning door nul gaat. Aan de uitgang van IC3 manifesteert zich dit als een blokspanning die 90° faseverschoven is ten opzichte van de eigenlijk gewenste blokspanning. De amplitude is nagenoeg gelijk aan de voedingsspanning en dus geen maat meer voor de waarde van CX. Vanwege die 90° faseverschuiving zal de gemiddelde uitgangsspanning van de gelijkrichter echter 0 V zijn, hetgeen door de DVM aangegeven zou worden. Maar IC5 zorgt ervoor dat bij een bepaald uitgangsnivo schakelaar ES7 gesloten wordt. Op de ingang van de DVM komt dan een hoge gelijkspanning te staan (via R21) en daarom wordt een overflow gegeven. Nog iets over de meetbereiken en de in die bereiken gegenereerde ingangsspanning voor de differentiator. S1 is de keuzeschakelaar voor de verschillende meetbereiken. In de laagste drie bereiken (200 pF, 20 nF en 2 µF) bedraagt de amplitude van het driehoeksignaal ongeveer 1,8 Vtt bij een frekwentie van zo'n 1000 Hz. In deze meetbereiken zijn ES1 en ES2 gesloten. Alle "niet-elko's" kunnen zo gemeten worden en de testkondities komen overeen met de fabrikantenopgave. Voor het meten van elko's staan ook drie bereiken tot onze beschikking. Hier wordt met gereduceerde frekwentie en amplitude gemeten. Dat is belangrijk om de stroom binnen de perken te houden en om ervoor te zorgen dat de "verkeerd-om gepoolde" spanning (elko's hebben immers een polariteit!) binnen het toegestane blijft (0,5 V max.).
Figuur 5. De digitale voltmeter is een oude bekende. Hij heeft een LCD-uitlezing en is ook als losse voltmeter te gebruiken.
In de bereiken "d" en "e" (200 µF en 2000 µF) zijn de schakelaars ES1 en ES2 geopend en daarom is de frekwentie van het driehoeksignaal gereduceerd tot 100 Hz bij een amplitude van 18 mVtt. Ook dit komt overeen met de testkondities die de fabrikanten hanteren. In bereik "f" (20.000 µF) is de frekwentie nog eens gereduceerd (ES3 gesloten) tot 10 Hz, omdat de stroom die anders zou lopen (in de orde van grootte van zo'n 70 mA, afhankelijk van CX) de opamps te zwaar zou belasten. Door die lage frekwentie bedraagt de onnauwkeurigheid in dit bereik 10 tot 15%. Dat is niet zo erg omdat de precieze waarde van kondensatoren van dit kaliber, die normaal alleen als bufferelko's dienst doen, er toch niet zo toe doet. In de andere bereiken is de maximale meetfout slechts 1%, mits er afgeregeld is met behulp van een 1% referentiekondensator. Als men ook in bereik "c" (2 µF) elko's wil meten dan moet S2 gesloten worden. Daarmee krijgt het ingangssignaal een DC-offset van 1,5 V, waardoor de aan de elko aangeboden testspanning altijd positief zal zijn.
De schakeling van de DVM komt in wezen overeen met die van de LCD-meter uit het oktobernummer van 1981. Alleen wordt bij deze toepassing de decimale punt omgeschakeld met S1b en de daarbij behorende diodenmatrix. Bovendien wordt met de dioden D4 t/m D7 aangegeven wat de eenheid van de uitgelezen waarde is (pF, nF, µF of mF).
Opbouw
De print van de meetschakeling (figuur 6) wordt, op R12 en C10 na, van onderdelen voorzien. In de gaatjes waarin R12 en C10 gemonteerd moeten worden kunnen het beste soldeerpennetjes gesoldeerd worden om later de afregeling te vergemakkelijken.
Figuur 6. Lay-out en komponentenopstelling van de meet-print. De bereikkeuzeschakelaar wordt op de print gesoldeerd.
| R1 | 5k6 |
| R2 | 47 k |
| R3 | 4M7 |
| R4,R19 | 1 k |
| R5 | 3k9 |
| R6,R22,R23 | 100 k |
| R7 | 10 M |
| R8 | 8k2 |
| R9 | 3M32/1 % |
| R10 | 33k2/1 % |
| R11,R13,R14 | 332 Ω/1 % |
| R12 | 3k32/1 % |
| R15,R16,R21 | 10 k |
| R17,R18,R24,R25 | 10 k/1 % |
| R20 | 1 M |
| R26 | 100 Ω |
| P1 | 1 M instelpotmeter |
| P2 | 5k meerslagen-instelpotmeter |
| P3 | 25 k instelpotmeter |
| C1 | 100 µ/4 V |
| C2 | 22 n |
| C3 | 4p7 |
| C4,C5 | 1 µ MKT |
| C6 | 220 n |
| C7 | 1p5 |
| C8 | 150 p |
| C9,C10 | 15 n |
| C11,C12 | 150 n |
| C13, C14 | 1 µ/16 V |
| C15 | 220 µ/40 V |
| C16 | 330 n |
| C17 | 100 n |
| 1% kondensator, 10 n, voor de afregeling | |
| D1-D10 | 1N4148 |
| D11-D14 | 1N4001 |
| IC1 | CA3130E |
| IC2-IC5 | LF356N |
| IC6,IC7 | 4066 |
| IC8 | 7815 |
| IC9 | 741 |
| S1 | draaischakelaar, 2 x 6 standen (printuitvoering) |
| S2 | enkelpolige tuimelschakelaar |
| S3 | dubbelpolige netschakelaar |
| Tr1 | nettrafo 18 V/150 mA |
| F1 | zekering, 100 mA traag met houder behuizing type 075-01411D (VERO) |
| EPS 84012-1 | |
De tweede print, die van de LCD-voltmeter (figuur 7), kan eveneens volgebouwd worden. De display en de LED's komen aan de koperzijde van de print. Op de plaats van Rl en R7 moeten twee draadbruggen komen, terwijl Dl en D3 niet gemonteerd worden. Deze onderdelen zijn namelijk bij deze toepassing niet nodig. Ook moet er nog een extra draadbrug B gelegd worden.
Figuur 7. Lay-out en komponentenopstelling van de display-print. Het LCDisplay en de LED's worden aan de koperzijde gesoldeerd. D1 en D3 komen te vervallen.
| R1,R7 | draadbruggen |
| R2 | 820 Ω |
| R3 | 22 k |
| R4 | 1k5 |
| R5,R8-R12 | 100 k |
| R6 | 47 k |
| P1 | 2k5 meerslagen instelpotmeter |
| C1,C3 | 100 n |
| C2 | 100 p |
| C4 | 470 n |
| C5 | 220 n |
| D1,D3 | vervallen |
| D2 | zener 3V3/400 mW |
| D4-D7 | LED |
| IC1 | 7106 (Intersil) |
| IC2 | 4070 |
| LCD | 3½ digit uitlezing, 13,5 mm cijferhoogte bijvoorbeeld Data Modul 43D5R03, Hamlin 3901 of 3902, SE 6902 |
| EPS 84012-2 |
De mechanische opbouw is op de eerste pagina van dit artikel te zien. We hebben in dit geval een bepaald type behuizing gekozen waarin een montageplaat van aluminium geschoven kan worden. Op die montageplaat worden beide printen bevestigd; een op de voorkant (de display-print) en een op de achterkant (de meetprint). Op deze manier hebben we ook vanzelf een afscherming tussen beide printen. Met behulp van flat-cable kunnen de verschillende verbindingen tussen beide printen gemaakt worden. De aansluitingen "1", "CDp" en "Z" op de display-print blijven vrij. De aansluitbussen voor de te meten kondensator worden door middel van twee-aderige afgeschermde kabels met de meetprint verbonden. De afscherming wordt alleen op de meet-print (bij de CX aansluitingen) met het massapunt verbonden.
Nu moet nog de verbinding gemaakt worden tussen S2 en de meet-print en moeten de frontplaat en de montageplaat met massa worden verbonden. Overigens wordt er door Elektuur een plakfolie geleverd om op de frontplaat te plakken, waardoor de kapaciteitsmeter een keurig uiterlijk krijgt. Rest nog het inbouwen van de nettrafo en de zekeringhouder. Plaats die trafo zover mogelijk verwijderd van de meet-print. Als de hele zaak afgeregeld is kan het geheel, frontplaat en montageplaat met printen, in de betreffende geleidingen van de behuizing worden geschoven.
Figuur 8. Een voorstel voor de frontplaat. Dit ontwerp wordt door Elektuur als plakfolie geleverd.
Figuur 9. Het boorplan van de aluminium montageplaat (de gaten die met een B aangegeven zijn) en van de frontplaat (gaten met een A). In de frontplaat komt ook een rechthoekig gat voor het LCd (zie ook layout-pagina 2-51).
Afregeling
Draai schakelaar S1 in stand"f"; dat is het grootste meetbereik. Zorg ervoor dat het display 0 aangeeft met behulp van P3. Schakel vervolgens bereik "a" in (het kleinste meetbereik) en stel het display weer op 0, maar nu met P1 (op de meet-print).
Nu schakelen we de meter uit en wordt een weerstand van 332 kΩ (1%) op de plaats van R12 gesoldeerd en een kondensator van 150 pF op de plaats van C10. De meetklemmen worden verbonden met een kondensator van 1,5 µF (geen elko!). Zet S1 in stand "d", schakel het apparaat in en noteer de aangegeven waarde. Vervolgens draaien we S1 in stand "c" en stellen we P2 zodanig in dat de waarde op het display overeenkomt met de eerder genoteerde waarde. De plaats van de decimale punt speelt daarbij geen rol. Als dat gedaan is kunnen de tijdelijk ingesoldeerde waarden voor R12 en C10 vervangen worden door de goede waarden (3,32 kΩ en 15 nF).
Voor de laatste stap in de afregelprocedure moeten we beschikken over een 1% referentiekondensator van 10 nF. Sluit deze aan op de meetklemmen, zet S1 in stand "b" en verdraai P1 op de display-print tot de waarde 10.00 verschijnt. Kan men alleen beschikken over kondensatoren met een grotere tolerantie, dan heeft dat uiteraard gevolgen voor de uiteindelijke nauwkeurigheid van de meter.
Gebruik
De kapaciteitsmeter kan ook als adapter voor een andere digitale voltmeter gebruikt worden. In dat geval is de display-print uiteraard niet nodig. Neem dan voor R20 een waarde van 100 kΩ en sluit een 1 MΩ meerslagenpotmeter aan tussen de punten HI en LO. De loper van deze potmeter is de uitgang van de kapaciteitsmeetadapter. De afregelwerkzaamheden zijn het zelfde als hiervoor beschreven, zij het dat de instelling op 10.00 nF nu met de 1 MΩ meerslagenpotmeter uitgevoerd wordt. Op deze manier, dus met een aparte DVM, treedt er echter een schoonheidsfoutje op: de decimale punt staat niet op de goede plaats. Opgepast dus! Met deze meter is het ook mogelijk de kapaciteit van varicap's te bepalen. Daarvoor is een variabele spanningsbron nodig. De meetschakeling staat in figuur 10. De aangegeven kapaciteit geldt bij die ingestelde spanning, waarbij een meetfout van enkele procenten kan optreden vanwege de aangelegde meetwisselspanning. Door de kapaciteit bij verschillende spanningen te meten is het mogelijk de karakteristiek van de varicap te bepalen. Let er wel op dat de ingestelde spanning niet onder 2 V komt, omdat anders de mogelijkheid bestaat dat de varicap in geleiding komt. Pen 6 van IC3 is ook verbonden met het moederkontakt van S1a, zodat eventueel met een draad van daaruit een aparte "varicap-aansluiting" gemaakt kan worden.
afregeling: meet-print P1 = nulinstelling bereik"a" P2 = afregeling bereik "c" + "d" P3 = nulinstelling bereik "f" display-print P1 = afregelen op referentiewaarde
Figuur 10. Meetschakeling voor het bepalen van de karakteristiek van een kapaciteitsdiode.
Belangrijk
Als een elko of een andere kondensator met de meetklemmen verbonden wordt, moet hij ontladen zijn! Ontlaadt ze daarom voor elke meting met een weerstand! Gebruik in het kleinste meetbereik geen meetsnoeren!
Tot slot
Een samenvatting van de voordelen van deze kapaciteitsmeter:
- De kondensatoren worden met de goede frekwentie gemeten (dezelfde als waarbij ze gespecificeerd worden).
- Lekstromen hebben nagenoeg geen invloed op het meetresultaat.
- De bedradingskapaciteit is zo klein gehouden dat ook waarden van minder dan 1 pF gemeten kunnen worden.
- Na het aansluiten van de te beproeven kondensator kan de waarde al na een sekonde afgelezen worden, ook bij een 10.000 µF type.
Bronnen
- LCD-meter, Elektuur oktober 1981, blz. 62
- Capacitance-to-voltage-converter, WB. de Ruyter, Wireless World, 6/83, blz. 68