Přípravek na měření malých kapacit a zkoušení svodu

Tento doplněk k digitálnímu multimetru je určen k měření malých a středních kapacit od 1 pF do 200 nF a zkoušení svodu kondenzátorů od 0,01 nS do 20 nS, tj. od 1/100 000 MΩ do 1/50 MΩ. Umožňuje vykompenzovat kapacitu přívodů a svorek i jejich svod. Také je možno měřit ve třísvorkovém zapojení, má vyvedenou svorku pro ukostření stínění připojovacího přípravku. Díky tomu můžete měřit i velmi malé kapacity a zkoušet svod kondenzátorů s velmi dobrou izolací. Při zkoušení kondenzátoru na tomto přípravku změříte snadno a rychle oba důležité parametry kondenzátoru, totiž kapacitu a kvalitu izolace.

Princip měření

Kapacita se měří tak, že kondenzátor se nabíjí a vybíjí přes odpor napětím obdélníkového průběhu o stálé velikosti 15 V mezivrcholově a známé frekvenci, a měří se proud, který teče kondenzátorem. Svod se měří tak, že na kondenzátor se připojí stejnosměrné napětí 15 V a měří se protékající proud.

Technické parametry přípravku

Vlastnosti multimetru, ke kterému je určen

Přesnost

Přesnost platí, pokud je přípravek používán se stejným multimetrem, se kterým byl seřízen. Obyčejné levné multimetry se mohou kus od kusu lišit tolik, že se tím zhorší přesnost měření.

Napájení

Napájení multimetru musí být izolované od napájení měřicího přípravku, jinak nefunguje seřízení nuly. Proto doporučuji použít multimetr napájený z baterie. Pokud máte stolní voltmetr tř. I, který má zápornou svorku spojenou s ochranným kolíkem v zásuvce, napájejte přípravek na měření kapacity buď z baterie (třeba 2x9V) nebo ze síťového zdroje tř. II. s dvojitou izolací, který nemá ochranný vodič, má jen dvoužilovou šňůru.

Použití přístroje

Připojení

Na šroubové svorky pro měřenou kapacitu upněte dvě krokodýlové svorky s vidličkami, za které je uchytíte pod matice svorek. Vzdálenost konců čelistí krokodýlků nastavte takovou, jaká je vzdálenost vývodů měřeného kondenzátoru.

Můžete použít i jiný přípravek na připojení měřeného kondenzátoru, ale pro měření malých kapacit je vhodné, aby se přívody nemohly volně hýbat a měřený kondenzátor byl vždy ve stejné poloze. Kdybyste potřebovali připojit stíněný měřicí přípravek nebo stíněné měřicí šňůry, stínění připojte k zemnicímu šroubku. Stínění by nemělo mít příliš velkou kapacitu vůči svorkám, aby neovlivňovalo funkci přístroje (aby nezatěžovalo zdroj signálu a neodvádělo proud z měřicího usměrňovače). Jen tak se nebude měnit nastavení nuly.

Ohebné nestíněné kablíky s krokosvorkami můžete použít jen při měření větších kapacit na rozsazích 20 nF a 200 nF, kde už změny kapacity přívodů nehrají roli.

Připojte multimetr, přepněte ho na stejnosměrný rozsah 200 mV, a připojte napájecí zdroj.

Seřízení nuly

Před začátkem měření nebo po změně svorek či připojovacího adaptéru je třeba seřídit nulu. Přepínač rozsahů na přípravku přepněte na rozsah 200 pF a páčkový přepínač funkce na měření C. Knoflík Nastavení nuly C nastavte tak, aby multimetr ukazoval nulu. Přepněte přepínač funkcí na G, a knoflíkem Nastavení nuly G nastavte nulu na multimetru.

Měření svodu

Přepínač funkcí dejte do polohy G. Připojte měřený kondenzátor a počkejte, až se údaj multimetru ustálí. Pokud krátce blikne červená LED a hned zhasne, nevadí to, ale pokud stále svítí, je tam zkrat. Zkontrolujte, zda se nedotkly svorky nebo přívody ke kondenzátoru, pokud ne, kondenzátor je vadný, má zkrat. Když LED nesvítí, vodivost v nS zjistíte tak, že údaj multimetru v mV podělíte 10:
G = U/10 [nS, mV]

Pokud není svod měřeného kondenzátoru příliš velký, změřte jeho kapacitu.

Měření kapacity

Přepínač funkcí dejte do polohy C a přepínač rozsahu nastavte podle očekávané kapacity. Pokud se rozsvítí červená LED, buď má kondenzátor o hodně větší kapacitu, než je nastavený rozsah, nebo je zkratovaný. Když svítí LED, přepněte na vyšší rozsah. Pokud svítí i na nejvyšším rozsahu, kondenzátor má o hodně větší kapacitu než 200 nF, nebo je vadný. Pokud LED nesvítí, přečtěte údaj z multimetru. Na rozsahu 200 pF napětí 1 mV odpovídá kapacita 1 pF, na vyšších rozsazích je to 10x, 100x či 1000x více.

Jaký kondenzátor je dobrý

Přípustná velikost svodu záleží na způsobu použití kondenzátoru. Kondenzátor určený do tranzistorových obvodů pracujících s malým napětím a nízkými impedancemi by měl mít svod menší než cca 3 nS, tomu odpovídá údaj multimetru menší než 30 mV, tj. izolační odpor větší než 333 MΩ. Kondenzátory na blokování napájení v obvodech malého napětí mohou mít i o něco větší svod.

Nový kondenzátor určený jako vazební do elektronkových přístrojů by měl mít svod menší než 1 nS (10 mV na multimetru), starší je možno ponechat v obvodu pokud má svod menší než 2 nS ( 20 mV).

Kondenzátor určený do citlivých obvodů s malými proudy a velkými impedancemi nebo třeba jako integrační kondenzátor do A/D převodníku by měl mít ještě menší svod, záleží na způsobu využití.

Nejmenší svod pod 1 nS mají kondenzátory s plastovým dielektrikem a keramické kondenzátory z jakostní vf keramiky (třeba NP0 a N047). Podobné je to se slídovými kondenzátory. O něco větší svod mívají keramické kondenzátory z keramiky s velkou permitivitou s kapacitami od desítek nanofaradů výše.

Papírové kondenzátory měly nové svod pod 1 nS, ale stárnutím a vlivem vlhkosti se jejich svod zvyšuje. Při opravě historického přístroje je třeba posoudit podle konkrétního místa v obvodu, zda je možno tam kondenzátor s určitým svodem ponechat, nebo ho vyměnit.

Tolerance kapacity bývá na kondenzátoru vyznačena. Pokud není, tak obyčejné svitkové a keramické kondenzátory s kapacitami od 2,2 nF výše obvykle mívají toleranci ±20%. Keramické z materiálů s velkou permitivitou mají někdy i větší povolené odchylky, třeba -20 +50%.

Kondenzátory určené do úzkopásmových filtrů, laděných obvodů a měřicích přístrojů mívají menší toleranci ±0,5% až ±10%, záleží na způsobu použití a na tom, zda je možno obvod seřídit, nebo je pevně naladěný. Pevně laděné obvody vyžadují přesnější součástky.

Schema zapojení

Podrobný popis činnosti

Obvod měření kapacity

Zdroj signálu tvoří krystalový oscilátor s CMOS invertorem IC2A CD4069, napájený stabilizovaným napětím 15 V. Výstupní napětí tak má konstantní amplitudu i kmitočet. Amplitudu jsem zvolil co největší, aby se co nejméně uplatnil úbytek na usměrňovači a ss milivoltmetru. 15 V je nejvyšší doporučené napájecí napětí CMOS obvodů, i když vydrží o trochu více. V oscilátoru jsem použil miniaturní hodinový krystal 32768 Hz.

Druhý invertor IC2B lépe tvaruje obdélník a zbývající 4 invertory spojené paralelně jen posilují výstup, aby měl malý výstupní odpor a aby se IC2 nepřetížil kdyby měl kondenzátor zkrat.

Měřený kondenzátor se nabíjí a vybíjí přes odpor R3 a měřicí usměrňovač se Schottkyho diodami. Kondenzátor se v každé půlvlně úplně nabije a úplně vybije, protože časová konstanta R3 * CX je mnohem menší než půl periody kmitu. Prošlý náboj je tak určen jen napětím a kapacitou. Protékající proud závisí jen na kapacitě CX, mezivrcholovém napětí a kmitočtu, nezávisí na tvaru průběhu, tedy ani odchylka R3 nemá vliv na výsledek. R3 chrání invertory IC2C až F před přetížením špičkovým proudem, a také brání divokým vf zákmitům, které způsobují chybu měření malých kapacit pod 30 pF. Ochranný odpor R3 nemůže být příliš velký, protože časová konstanta R3 * CX musí být alespoň 7x menší než půl periody obdélníkového signálu, aby se měřený kondenzátor CX stačil zcela nabít a vybít.

Usměrněný proud se měří ss milivoltmetrem V (digitální multimetr na nejcitlivějším rozsahu 200 mV) s bočníky R4+R17, R5, R6. Odpor usměrňovače zmenšuje napětí na kondenzátoru a způsobuje chybu měření, ta se dá do jisté míry korigovat úpravou bočníku R2.

Rozsahy 200 pF a 2 nF se přepínají změnou bočníku R4+R17 nebo R5A+R5B. Pro měření větších kapacit je třeba snížit kmitočet měřicího napětí, nestačí zmenšit bočník, protože větší kondenzátor by se na kmitočtu 33 kHz už nestačil za půl periody zcela nabít nebo vybít. Na rozsahu 20 nF a 200nF se používá stejný bočník jako pro 2 nF. Na rozsahu 20 nF se kmitočet měřicího napětí snižuje 10x děličkou IC3A, a na rozsahu 200 nF se snižuje 100x děličkami IC3A a IC3B zapojenými za sebou.

Při zkratu se rozsvítí červená LED, proud omezuje odpor R3.

Obvod měření svodu

Při měření svodu se vstupy invertorů IC2C až F přepínačem S1A uzemní, takže na jejich výstupu je stejnosměrné napětí +15 V, a do výstupního obvodu se zapojí bočník R6A+R6B s velkým odporem pro měření velmi malého proudu. Přepínačem S1B se odpojí měřicí usměrňovač s bočníky R4 a R5, aby neovlivňoval měření svodu. Když by usměrňovač zůstal připojen, diody by usměrňovaly rušení, což by udělalo chybu 1 nebo 2 mV na výstupu. Přesnost by také zhoršoval také závěrný proud diody D1.

Kdybych tam místo Schottkyho diody dal obyčejnou třeba 1N4148 nebo KA206, ta by měla větší závěrný odpor, ale také větší úbytek v propustném směru, takže by se zlepšilo měření svodu ale zhoršila by se chyba při měření kapacity. Kapacitu ale potřebujeme měřit přesněji než svod. Tak jsem tam nechal Schottkyho diodu a použil přepínač S1B, který diodu odpojí.

Vodivosti 1 nS, což je převrácená hodnota izolačního odporu 1000 MΩ, odpovídá na výstupu měřáku napětí 10 mV.

Kompenzace kapacity přívodů naprázdno a svodu svorek

Seřízení nuly kvůli odstranění kapacity a svodu svorek se dělá tak, že se na záporný pól voltmetru přivede malé pomocné napětí, které se seřizuje potenciometrem.

Posunutí nuly při měření kapacity nastavujete potenciometrem R13, napájeným z děliče R7 až R12. Dělič R9 až R12 zajišťuje, že nastavení nuly je stejné pro všechny rozsahy kapacit, takže na každém vyšším rozsahu kapacity je korekční napětí 10x menší. Dělič jsem udělal tak, aby pro první dva nejcitlivější rozsahy měl téměř stejný výstupní odpor okolo 100 Ω a tak byl vliv zatížení děliče potenciometrem stejný. Na rozsazích 20 nF a 200 nF už je korekční napětí tak malé, že nepřesnost výstupního odporu nemá vliv.

Posunutí nuly při měření svodu se nastavuje potenciometrem R15, napájeným přes odpor R16.

Napájení

Napájecí napětí jde nejdříve přes LC filtr s kondenzátorem C11 a proudově kompenzovanou dvojitou tlumivkou L1. Filtr brání vnikání rušení z okolí do přístroje i úniku rušivých proudů ven po napájecím vodiči. Tlumivka není bifilární, ale každé vinutí je navinuto samostatně na opačné straně stejného jádra. Tlumivka tak má větší rozptylovou indukčnost  než bifilární, a může tak filtrovat součtovou i rozdílovou složku proudu. Filtr není nutný, ale chci, aby přístroj nerušil a aby fungoval i v silně zarušeném prostředí. Musí být elektromagneticky kompatibilní i s rušícími křápy, jejichž výrobce na žádné EMC nedbá.

Dále jde proud přes diodu D5, která chrání přístroj proti přepólování zdroje. Následují Zenerovy diody D3 a D4, které přístroj chrání před přepětím. Potom napájecí napětí stabilizuje obvod IC1 78L15, k němu patří kondenzátory C1 a C2, bránící divokému kmitání. Kondíky C3, C6 a C12 blokují napájení obvodů IC2 a IC3.

Postup výroby

Výběr některých součástek

U invertoru IC2A doporučuji před jeho zapojením vyzkoušet, zda má rozhodovací úroveň blízko poloviny napájecího napětí, jinak se může stát, že oscilátor bude fungovat špatně. Hlavě laciné obvody z výprodejů nebo poslané od soudruhů z dalekého východu mívají někdy rozhodovací úroveň někdy posunutou.

Krystal Q1 32768 Hz je hodinkový v malém válcovém pouzdře. Stává se, že v tomto zapojení některé krystaly nechtějí kmitat, pak je třeba experimentovat s hodnotami C4, C5 a R2 nebo vyměnit krystal. Rezistory R4, R5A, R5C, R6A, R7 až R12 a R16 jsou stabilní s kovovou vrstvou. R8 až R11 by měly mít přesnost ±1%, je třeba buď koupit přesné, nebo je vybrat ohmmetrem, případně poskládat. Odpor R12 složte ze dvou rezistorů 2,2 Ω spojených paralelně. Odporové trimry R17, R5B, R6B jsou cermetové víceotáčkové. Potenciometry R13 a R15 jsou cermetové, v nouzi by se daly asi použít i uhlíkové.

Kondenzátory s kapacitou do 100 nF jsou všechny keramické. Kapacity od 10 μF výše jsou elektrolytické. Kondenzátory C1, C2, C3 a C6 které blokují napájení jsou v SMD provedení a připájejte je blízko k napájecím vývodům IO. C1 a C2 jsou u stabilizátoru IC1, C3 je u invertoru IC2 a C6 u děličky IC3. Jako C8 je nejlepší dát tantalový kondenzátor, ale lze tam použít i hliníkový, pokud ho předem dobře naformujete.

Tam, kde se to mechanicky hodilo, jsem použil SMD rezistory a kondenzátory. Konstrukce smíšená z SMD a součástek s drátovými vývody umožňuje velmi hustou montáž. SMD jsou malinké a sází se dobře blízko vedle sebe, zatímco součástky s drátovými vývody, které oizoluji silikonovou bužírkou, mohou překročit větší vzdálenost.

Tlumivka L1 má 12 závitů vodiče tl. 0,3 mm na feritovém toroidu o průměru 1 cm z hmoty H20. Každé vinutí je vinuto smostatně na opačné straně jádra.

Páčkový přepínač S1 je dvoupolohový třípólový. Špatně se shání, kdybyste ho nemohli sehnat, můžete použít i Isostat nebo otočný přepínač, ale páčkový se mi zde jeví nejšikovnější.

Zapojení a vyzkoušení

Obvod jsem zapojil na 2 univerzálních deskách plošných spojů, nenavrhl jsem žádný tišťák. Použil jsem destičky ze kuprextitu, nedoporučuji destičky z pertinaxu. Na jedné destičce je stabilizátor napájení IC1, oscilátor s IC2 a dělička IC3. Kondenzátor C11 sedí přímo na napájecím konektoru, tlumivka L1 visí ve vzduchu mezi konektorem a destičkou se stabilizátorem. Diody D1 a D2 a kondenzátory C7 a C10 zatím zapojte ve vzduchu mezi svorku pro měřený kondík a druhou destičku, a nechte jim zatím delší vývody. Odpory R9, R10, R11 jsou připájené přímo na vývodech (pájecích očkách) přepínače S2C. Na druhé destičce jsou bočníky, děliče a pod., prostě většina součástek, co je na schematu od C7 vpravo.
Doporučuji nejdříve zapojit a oživit oscilátor, napájet ho budete ze stabilizovaného regulovatelného zdroje. Napájecí napětí nastavíte na 15 V. Zkontrolujte osciloskopem, že napětí na výstupu IC2A má střídu zhruba 1:1 a čítačem ověřte správnou frekvenci s odchylkou 1% . Na přesném dodržení frekvence nezáleží, jde o to, aby obvod nekmital úplně mimo a aby frekvence byla stálá. Snížíte napájecí napětí na 12V a ověřte, že i při nižším napětí se oscilátor spolehlivě rozkmitá, a že frekvence se při snížení napětí nezměnila více než o 0,1% .

Zkuste ho zapínat a vypínat opakovaně, abyste ověřili spolehlivý start. Pokud nechce kmitat, je třeba pokusně měnit hodnoty C4, C5, R2, nebo příp. vyměnit krystal za jiný.

Když spolehlivě kmitá, zvyšte napětí zase na 15 V a nechte ho zapnutý několik hodin, a ověřte, zda se kmitočet nezměnil více než o 0,1%. Foukejte na oscilátor fénem na sušení vlasů mírně teplým vzduchem, a zkontrolujte, zda se kmitočet nezměnil více než o 0,1%.

Po vyzkoušení oscilátoru zapojte a vyzkoušejte stabilizátor napětí, potom děličku a invertory. Ověřte, že při změně vstupního napětí z 18 V na 30 V se stabilizované napětí 15 V na C2 nezmění více než o 0,1 V. Dále už budete přístroj napájet přes stabilizátor vstupním napětím 18 V nebo více.

Dvojitou proudově kompenzovanou tlumivku L1 zapojte tak, aby stejnosměrné proudy v obou vinutích působily proti sobě a jejich magnetické pole se rušilo. Tím se zabrání stejnosměrnému sycení tlumivky.

Potom zapojte usměrňovač s bočníky a obvod na seřízení nuly. Vyzkoušejte funkci a seřiďte bočníky pro každý rozsah. Žádný trimr po seřízení nesmí být až na konci dráhy, protože musí jít seřizovat oběma směry. Po zamontování do krabičky se totiž nastavení trochu změní. Pokud je trimr na konci dráhy, změňte pevný odpor, spojený sériově s trimrem tak, aby správná poloha trimru byla blízko středu.
Přístroj by měl fungovat i bez stínicí krabičky, ale bude větší kapacita na prázdno a možná bude kolísat asi o 0,2 pF.

Seřízení

Budete potřebovat stabilní kondenzátory z kvalitního dielektrika s kapacitami okolo 4,7 pF, 180 pF, 1,8 nF, 15 až 19 nF a 150 až 190 nF. Doporučuji keramický kondík 180 pF z hmoty N047 nebo NP0, a polystyrenové kondenzátory větších hodnot. Ty změříte na nějakém přesném měřiči kapacity a popíšete.

Dále budete potřebovat rezistor s odporem Rn 50 až 100 MΩ, který změříte dobrým ohmmetrem, vypočítáte jeho vodivost Gn=1/Rn a tu si poznamenáte. Pokud takový rezistor nemáte, spojíte sériové několik menších rezistorů, třeba 10 MΩ nebo 22 MΩ. Spojujte je na destičce z kuprextitu s ploškami Cu folie a mezi nimi 1vcm širokými izolačními mezerami, které musejí být čisté. Kuprextit také musí mít oholené kraje bez měděné fólie jako izolaci při dotyku s okolím. Mezery a okraje nesmíte zapatlat spálenou kalafunou, protože ta je trochu vodivá a zmenšovala by odpor.

Nejdříve nastavte nulu svodu a kapacity, jak je popsáno v návodu k použití. Přepněte na rozsah 200 pF, připojíte kondenzátor 180 pF a seřiďte R17 tak, aby údaj byl správný. Potom změříte kondenzátor 4,7 pF, údaj by se neměl lišit od správné hodnoty o více než 0,3 pF, jinak to může znamenat, že obvod divoce zakmitává, a to je třeba opravit.

Když je to v pořádku, přepněte na rozsah 2 nF a připojte kondík 1,8 nF. Seřiďte R5b tak, aby byl údaj správný. Na rozsazích 20 nF a 200 nF změřte kondíky 18 nF a 180 nF. Chyba by měla být pod 2%. Seřiďte kompromisně R5b tak, aby chyba při 1,8 nF, 18 nF a 180 nF byla co nejmenší a přibližně stejná, nebo na 1,8 nF spíše menší, než na vyšších rozsazích. Na všech rozsazích musí být chyba pod 2%.

Odpojte kondenzátor, přepněte na měření svodu, a nastavte nulu G. Připojte odpor Rn, a umístěte ho tak, aby se vývody ani vodivými ploškami kuprextitu nedotýkal ničeho kromě svorek. Smí se dotýkat jen izolovanými částmi. Nastavte R6B tak, aby multimetr správně ukazoval Gn.

Montáž do krabičky

Měřič kapacit jsem vestavěl do krabičky udělané z plechové lišty co se dává pod sádrokarton. Dno je z pozinkovaného ocelového plechu tl. 0,5 mm. Krabička má rozměry 6 x 2,8 x 17,5 cm. Zvenku je natřená základovkou na kov a bílým emailem. Na dně jsou přilepené gumové nožky. Potenciometry a přepínače jsou centrálními maticemi přišroubované k horní stěně krabičky, spojové destičky jsou připevněny šroubky s distančními sloupky. Matice a hlavy šroubků kryje bílý plastový kryt, na něm jsou nalepené štítky s popisem. Kryt nejdříve jen volně přiložíte, spadnutí brání knoflíky potenciometrů a přepínače, podložené plstěnými kroužky. Nakonec po sestavení, vyzkoušení a seřízení celého přístroje přilepíte kryt tavným lepidlem nebo kyanoakrylátovým lepem k přední stěně. Kdybyste někdy museli potenciometr nebo přepínač měnit, kryt odtrhnete a po výměně zase přilepíte.

Na zadní stěně krabičky je napájecí konektor Jack 5,5 mm. Od zadu dopředu jsou v krabičce potenciometry nastavení nuly, destička s IO, přepínač rozsahů, destička s usměrňovačem a bočníky, přepínač funkcí a až vpředu svorky na připojení měřeného kondenzátoru. Na pravém boku jsou zdířky na připojení voltmetru.

Mezi oběma svorkami pro připojení kondenzátoru je uvnitř krabičky stínicí přepážka z tenkého plechu z konzervy.

Centrální uzemňovací bod je na horní stěně v blízkosti svorek na měřený kondenzátor, je tam plným měděným nýtem přinýtované dvojité pájecí očko a stejný nýt drží i plechovou stínicí přepážku umístěnou uvnitř mezi svorkami. Očko je ještě spájeno s nýtem a krabičkou. Pod svorkami je na předku krabičky také zanýtovaná matice M3 a v ní je zvenku šroubek, sloužící jako zemní svorka k připojení vnějšího stínění. Tato nýtovací matka také drží uvnitř stínicí přepážku.

Diody D1 a D2 připojíte ve vzduchu na pravou šroubovací svorku pro připojení měřeného kondenzátoru a kondenzátory C7 a C10 neživým koncem na uzemňovací bod na pájecím očku. K tomu připojíte LED1 a výstupní zdířky pro voltmetr. Při tom už zkrátíte vývody součástek tak, aby byly blízko svorek, proud tekl co nejkratší cestou a součástky zbytečně nevlály. Na zemnicí očko připojíte i zemní vodiče od obou destiček se součástkami.

Přívody k přepínači S1A a od R3 k levé svorce pro připojení CX povedete v koutě krabičky tak, aby byly co nejdál od ostatních vodičů a od diod D1 a D2.Tyto signálové vodiče zkroutíte s příslušnými zemními vodiči, které vedou k zemnicímu očku.

Po zamontování do krabičky přístroj vyzkoušejte. Když vše funguje, propojovací vodiče vedoucí vrchem svažte do svazků. Nakonec znovu nastavte nulu a seřiďte bočníky.

Zpět na domovskou stránku Petra Jeníčka