Presný merač kapacity kondenzátorov

V amatérskej praxi sa vyskytuje často požiadavka merania kondenzátorov. Popisovaný kapacitný komparátor umožňuje merať kondenzátory od 100pF do 470nF s presnosťou do 2% (prípadne aj lepšou). Zapojenie je nenáročné a lacné na stavbu. Skladá sa z dvoch integrovaných obvodov (4011 a TCA965) a niekoľkých súčiastok.

Kapacita kondenzátora

Kapacita kondenzátora je schopnosť danej súčiastky akumulovať elektrický náboj. Kondenzátor sa skladá z dvoch vodivých dosiek oddelených dielektrikom. Na každú z dosiek sa privádzajú elektrické náboje opačnej polarity, ktoré sa vzájomne priťahujú elektrickou silou. Dielektrikum medzi doskami nedovolí, aby sa častice s nábojom dostali do kontaktu, a tým došlo k vybitiu elektrického náboja.

Princíp merača kapacity kondenzátorov

Merač sa skladá z dvoch častí: astabilného klopného obvodu a napäťového diskriminátora. Pomer logickej jednotky a nuly výstupného signálu klopného obvodu s CMOS 4011 je určený pomerom kapacít kondenzátorov Cx a Cref podľa vzorca: d = Cx / (Cx + Cref).

To platí samozrejme za predpokladu, že odpor rezistorov v klopnom obvode je rovnaký. Preto tieto rezistory je potrebné vybrať s čo najväčšou presnosťou. Na klopný obvod je naviazaný integračný obvod 1M a 100nF. Z neho sa potom odvádza jednosmerné napätie do diskriminátora.

Veľkosť tohto jednosmerného napätia sa mení podľa pomeru kapacít Cx a Cref. Iné napätie bude, ak bude ich kapacita rovnaká, iné ak bude kapacita jedného väčšia alebo menšia.

Napäťový diskriminátor je osadený obvodom TCA965. Tento obvod sa používa najmä ako indikátor vyladenia FM prijímačov, ale nám poslúži tiež. Katalógový list nájdete v sekcii download.

Hotový merač je potrebné nakalibrovať. Potrebovať na to budeme dva kondenzátory rovnakej kapacity (čo najpresnejšie, 1% a presnejšie). Osadíme ich na pozíciu Cx a Cref. Trimrom 1k nastavíme diskriminátor tak, aby sa rozsvietila LED OK. Deličom 100k/1k pripojeným na vývod 9 sa nastavuje veľkosť rozsahu rozsvietenia diódy OK. Ak chceme presnejší merač, zmenšíme rezistor 1k. Napájacie napätie musí byť stabilizované, odber je minimálny (stačí 9V batéria a stabilizátor 78L06).

Meranie kapacity kondenzátora komparátorom

Takto zhotovíme však kapacitný komparátor. Zistiť kapacitu neznámeho kondenzátora by bolo však časovo náročné. Ak však nahradíme kondenzátor Cref ociachovaným otočným kondenzátorom 2x500pF, môžeme tak rýchlo a presne merať kapacity v rozsahu 10pF až 1nF. Na svorky Cx je potrebné pripojiť paralelne malý kondenzátor aby sa vyrovnala počiatočná kapacita otočného kondenzátora a parazitné kapacity svoriek a vodičov, pričom tento kondenzátor musí mať aspoň 100pF.

Na meranie väčších kapacít si treba vyrobiť kapacitnú sadu s prepínačmi. Budeme potrebovať tri prepínače s jedenástimi polohami a jeden s piatimi. Na jedenásťpolohové prepínače budú pripojené presné a stabilné kondenzátory – na prvý 100, 200, 300,….1000pF; na druhý 1,2,3,….10nF; na tretí 10, 20, 30,…100nF. Na posledný kondenzátory 100 až 400nF. Vytvoríme tak kapacitné dekády, pričom v poslednej, jedenástej (resp.piatej) polohe nebude pripojený žiadny kondenzátor. Dekády budú spojené paralelne na svorky Cref.

Pri zisťovaní kapacity neznámeho kondenzátora budeme nastavovať dekády dovtedy, kým nedosiahneme rozsvietenie LED OK. Meranie začíname pripínaním najväčších kapacít. Ak bude vytrvalo svietiť LED NIŽŠIA C, neznámy kondenzátor bude mať kapacitu menšiu ako 100nF. Výslednú kapacitu neznámeho potom vypočítame ako súčet pripojených kondenzátorov (napr. 30nF + 8nF + 200pF = 38,2nF).