Capaci-meter

16 januari 2020, 09:45
Capaci-meter
Capaci-meter

 

Jez Siddons (projects@peakelec.co.uk)

printontwerp van Boldport (saar@boldport.com)

 

Met twee cijfers voor de weergave is dit natuurlijk geen nauwkeurig meetinstrument. In plaats daarvan is het de bedoeling te kunnen vaststellen of een condensator in de buurt van de gewenste waarde zit, vooral wanneer de op de condensator opgedrukte waarde moeilijk leesbaar is.

Meetbereik en nauwkeurigheid

De capaci-meter heeft vier meetbereiken (zie tabel 1). De minimale capaciteit voor elk bereik wordt eigenlijk bepaald door de tellerresolutie (en jitter), en daarom is dit minimum gewoonlijk twee keer de meetresolutie. Zoals bij elk meetsysteem is het goed om het meetbereik te kiezen dat de waarde de maximale volle-schaalwaarde zo dicht mogelijk benadert (maar niet overschrijdt).

Typische nauwkeurigheden liggen in de orde van grootte van ±5%, maar dit kan voor elk van de vier bereiken worden verbeterd met een paar afregelweerstanden. Houd er echter rekening mee dat een 2-cijferig display slechts een maximale theoretische nauwkeurigheid van ±1% van de volle schaal kan bieden. Verder kunnen quantiseringseffecten en jitter nog eens een fout van ±1 cijfer toevoegen. U zou dus in de praktijk een nauwkeurigheid van ±2% van de volle schaal kunnen halen als alle meetbereiken zijn afgeregeld.

Dekatron-display

Twee cirkels van tien LED's vormen het 2-cijferige display van de capaci-meter. Deze cirkels doen denken aan de dekatrons die lang voor de komst van chips, LED’s en zelfs transistoren voor tellers/displays werden gebruikt. In tegenstelling tot de originele dekatrons zijn de LED’s hier opgesteld als de uren op een klok, zodat het display gemakkelijker (intuïtiever) kan worden afgelezen (zie figuur 1 en figuur 2).
 

Figuur 1. Hier wordt de waarde ‘47’ weergegeven. Als dus het meetbereik 0,0...9,9 μF was geselecteerd, betekent dit dit display ‘47 μF’.
Figuur 2. Het display toont nul (links) en ‘99’ (rechts). Het display kan ‘99’ tonen als de gemeten waarde precies volle-schaal is, of wanneer die te groot is.


Jitter

Af en toe is het mogelijk dat het display tussen twee waarden ‘jittert’ zoals geschetst in figuur 3. Dit kan gebeuren als de capaciteit zich net op de grens tussen twee meetstappen bevindt, of als ruis voor kleine variaties zorgt. Meestal is echter gemakkelijk te zien welke waarde wordt weergegeven, zelfs als er wat jitter is. De uitlezing kan echter lastiger te interpreteren zijn als de eenheden tussen 9 en 0 heen en weer springt, wat tot jitter bij de tientallen kan leiden.
 

Figuur 3. Het display ‘jittert’ tussen ‘39’ en ‘40’. Dat is even wennen, maar vergeet niet dat jitter meestal voorkomt tussen aangrenzende waarden (zoals 39 en 40). Dat betekent dat we er zeker van kunnen zijn dat het display niet ‘30' en ‘49’ weergeeft omdat dat geen aangrenzende waarden zijn.

Het meetprincipe

De capaci-meter meet herhaaldelijk de tijd die de onbekende condensator (Cx) nodig heeft om via een bekende weerstand tot een zekere waarde opgeladen te worden. De schakeling bestaat uit drie delen:

 

  • Cx-klok (waarbij Cx de onbekende condensator ia): een simpele pulsgenerator op basis van een 555 (U3A, de helft van een 556 dual-timer). De lengte van de pulsen is evenredig met de capaciteit van Cx.
  • Hoofdklok: een blokgolf die door de teller wordt gebruikt om de tijd te meten. Door de frequentie ervan te wijzigen, kan het effectieve meetbereik van het hele instrument worden veranderd.
  • Teller/display: telt de opgaande flanken van de hoofklok-blokgolf. Zo kan de tijd worden gemeten. De tellers sturen ook de LED’s van het display aan.

 

De hoofdklok genereert de pulsen voor teller en display. Wanneer het Cx-kloksignaal hoog is, worden de pulsen van de hoofdklok geteld. Als het Cx-kloksignaal laag is, wordt de hoofdklok gestopt (figuur 4) en stopt de teller dus ook. Tegelijkertijd worden de LED’s ingeschakeld zodat de getelde waarde wordt uitgelezen.
 

Figuur 4. De duur van (A) is afhankelijk van de waarde van Cx. De teller telt de pulsen van de hoofdklok (2) alleen als de Cx-klok (1) hoog is (B). Als deze laag is, wordt de waarde weergegeven (C).

Tellen begint bij nul

Om er zeker van te zijn dat de teller elke keer bij nul begint, moeten we de teller op de opgaande flank van het Cx-kloksignaal resetten. Dit doen we met behulp van een eenvoudige differentiator (R12/C8) die zeer smalle pulsen produceert bij elke opgaande en neergaande flank van de blokgolf (figuur 5). Om te voorkomen dat de tellers negatiefgaande pulsen te verwerken krijgen, is diode D4 toegevoegd om deze te elimineren.
 

Figuur 5. (1) is de Cx-klok, (2) is het resetsignaal voor de tellers. Differentiator R12/C8 produceert een positieve puls bij een opgaande flank aan de ingang en een negatieve puls bij een neergaande flank. D4 begrenst die negatieve puls tot ongeveer –0,6 V om beschadiging van de tellers te voorkomen. De waarden van R12 en C8 bepalen de afvalsnelheid van het gedifferentieerde signaal. Hier hebben we waarden gekozen die een afval van ongeveer 63% geven in 10 μs (dat is gewoon T = R × C).

Het volledige schema van de capaci-meter is in figuur 6 getekend.
 

Figuur 6. Het uitgewerkte schema van de capaci-meter.

Overloop voorkomen

Hoewel niet strikt noodzakelijk, is de telling beperkt tot 99 om dubbelzinnige waarden te vermijden wanneer er overloop optreedt van tellerstand 99 naar tellerstand 00. Het tellen wordt gestopt zodra de eenheden EN de tientallen de stand 9 hebben bereikt. Hiervoor hebben we een AND-poort nodig. Om een IC uit te sparen hebben we die discreet opgebouwd met twee diodes (D2 en D3) en MOSFET Q1. Wanneer beide tellers een hoog niveau op de ‘9’-uitgangen voeren, wordt de hoofdklok nu met Q1 laag getrokken om verdere telpulsen te blokkeren.

Hoofdklok-frequenties

We willen dat de teller tot 99 telt bij een capaciteit die in het gekozen bereik een volle-schaal-uitlezing zou opleveren. Een voorbeeld: bij het meten van een condensator van 9,9 μF in het hoogste bereik willen we dat de teller precies tot 99 komt. In onze schakeling wordt de tijd dat de puls van de Cx-klok hoog is, bepaald door de waarden van R10, R11 en Cx volgens deze betrekking:

 

THOOG = 0,693 × (R10 + R11) × (Cx + C7) [s]

 

Met de gegeven waarden voor R10 en R11 en 9,9 μF voor Cx komen we uit op 0,981 seconden. Gedurende die tijd willen we 99 pulsen van het hoofd-kloksignaal tellen. De frequentie van de hoofdklok moet daarvoor bedragen:

 

fKLOK = 99 / 0,981 = 100,9 [Hz]

 

Dat is de frequentie die nodig is voor het 9,9μF-bereik. Als we het capaciteitsbereik een factor 10 verkleinen (tot een volle schaal-bereik van 0,99 μF) en we willen nog steeds tot 99 tellen, dan moet de hoofd-klokfrequentie een factor 10 hover worden, enzovoort.

Deze frequenties zijn de theoretische waarden voor elk bereik; de daadwerkelijke frequenties kunnen iets afwijken door onderdelentoleranties. Fijnregeling is desgewenst mogelijk door de waarden van de betreffende weerstandspaaartjes R1 & R1', R2 & R2', R3 & R3' en R4 & R4' aan te passen. Zonder aanpassingen zal de nauwkeurigheid waarschijnlijk beter zijn dan ±5% volle-schaal, en mogelijk nog beter.

Meet de hoofdklok-frequentie op pen 9 van U3 bij kortgesloten testkabels. Let op: de trimweerstanden R1', R2' en R4' (niet R3') zijn op de print kortgesloten; u moet die kortsluiting dus onderbreken vóórdat u een trimweerstand monteert.

Afwijking van de theoretische waarden

Om alle vier meetbereiken te bestrijken, moet de hoofdklok frequenties genereren van ongeveer 100 Hz tot 100 kHz. Volgens de datasheet van de 555 geldt voor frequentie:

 

f = 1,44 / (C6 × (R8 + 2 × Rx)) [Hz]

Hier is Rx ofwel R1 + R1’, R2 + R2’, R3 + R3’ of R4 + R4’. Helaas wijkt de werkelijke uitgangsfrequentie af van de theoretische waarde naarmate de frequenties hoger worden. Met deze afwijking is rekening gehouden bij de keuze van de trimweerstanden. Het is echter mogelijk nog enige verbetering te bereiken door de waarden van de trimweerstanden nauwkeuriger aan te passen.

Bouw van de capaci-meter

Begin zoals gewoonlijk met het monteren van de ‘lage’ onderdelen zoals diodes en weerstanden en werk dan naar de ‘hogere’ componenten toe. Let erop dat R1’, R2’ en R4’ (nog) niet mogen worden gemonteerd, R3’ daarentegen moet wel worden gemonteerd. Zorg ervoor dat alle gepolariseerde componenten (in dit project alles behalve de weerstanden, de keramische condensatoren en de headers) niet verkeerd-om zijn aangebracht. Het verdient aanbeveling voor U1, U2 en U3 voetjes te gebruiken. Voer de aansluitdraden voor de batterij door de twee gaten in de print alvorens ze op de soldeereilandjes vast te solderen.

Test

Voer eerst een grondige visuele controle van de print uit op eventuele kortsluitingen. Controleer ook of de IC's correct zijn geplaatst.

Zet een jumper op één van de bereikskeuze-headers. Sluit een 9V-batterij aan. De groene LED’s moeten oplichten, misschien ook een rode LED van de rechter LED-kring. Neem een condensator met een bekende waarde die in het midden van één van de vier meetbereiken ligt, bijvoorbeeld 47 μF voor het 99 μF-bereik. Sluit deze testcondensator op de twee testpads aan (gebruik desgewenst meetsnoertjes – in de gaten in de testpads passen 2mm- en 4mm-bussen). De waarde van de condensator zou op het display moeten verschijnen. Als dat niet het geval is, controleer dan of het juiste bereik is geselecteerd en/of controleer nogmaals uw soldeerwerk.

Een laatste opmerking voor de volledigheid. De capaci-meter kan gevoed worden door een 9V-batterij (J3) of een separate 7...15VDC-voeding op J2 – maar niet beide tegelijk! J1 is alleen bedoeld voor testdoeleinden; gebruik hier geen voeding op aan.
 

Tot slot

Ik wil Stephen Bernhoeft bedanken voor zijn kritische blik, advies en inzicht bij het perfectioneren en testen van deze schakeling. Dank ook aan Saar Drimer van Boldport voor het ontwerp van de print.

Ik hoop dat u net zoveel plezier beleeft aan het bouwen en gebruiken van dit project als ikzelf.

 

(191043-04)

 

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Wilt u meer van die fantastische Elektor-artikelen?

 

--> Neem vandaag nog een abonnement op Elektorlabs - u mist nooit meer een artikel, project of handleiding!

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Reacties worden ingeladen...
gerelateerde items