Pro běžnou praxi je měřič kapacit nesporně výborný pomocník pro rychlou orientaci a kontrolu kondenzátorů, který by neměl chybět v žádné dílně. Konstrukce vychází z měřiče kapacit popsaného v časopise ELEKTOR ELECTRONICS November 1990 (strana 16 – 19). Toto zapojení je jednoduchý a levný měřič kapacit, který měří v pěti rozsazích (9,99nF; 99,9nF; 999nF; 9,99uF a 99,9uF) a dokáže nahradit poměrně drahý přístroj. Výhodou je, že pro jeho stavbu je použito běžných součástek a není potřeba používat jednočipových mikroprocesorů, do kterých mnohdy jejich autoři neuvolní programy a prodávají pouze naprogramované obvody. I v případě, že jsou programy volně ke stažení, nemá každý, z důvodu absence potřebného vybavení, možnost si procesor doma naprogramovat. I přes svou střední náročnost je tato konstrukce vhodná i pro začínající elektroniky. Původní zapojení, které bylo navrženo pro zobrazení na dvě místa, jsem přepracoval na trojmístné měřidlo. Tato úprava si však vyžádala úpravu jak digitální, tak i analogové části.

Princip činnosti

Princip měření spočívá v měření doby nabíjení kondenzátoru konstantním proudem, kdy doba nabíjení je přímo úměrná kapacitě měřeného kondenzátoru. Tato metoda je vhodná pro keramické, svitkové, tantalové a malé elektrolytické kondenzátory. Pro kondenzátory větších kapacit, které mají větší svodové proudy, není metoda vhodná, protože by se příliš zvětšovala chyba měření.

Obr. 1 - Princip měření - časové průběhy

Měření probíhá po dobu 2000 hodinových pulzů a dá se rozdělit na dva časové úseky s intervalem 1000 pulzů. V jednom intervalu probíhá vybíjení kondenzátoru, který je analogovým spínačem zkratován a vybit na nulovou hodnotu. Ve druhém intervalu je pomocí analogového spínače na měřený kondenzátor připojen zdroj konstantního proudu, čítač je vynulován a počítá přiváděné hodinové impulzy. V čase kdy napětí na kondenzátoru dosáhne hodnoty komparační úrovně (v našem případě 2,5V), se zapíše údaj do paměti a je zobrazován na displeji. Pokud v časovém intervalu, stanoveném pro integraci, nedosáhne napětí na kondenzátoru komparační úrovně, dojde po přetečení čítače ke změně stavu klopného obvodu D, připojeného ke komparátoru, a rozsvítí se LED dioda indikující překročení rozsahu. Aby nebylo potřeba zvyšovat neúměrně nabíjecí proud, je pro měření na rozsazích 9,99uF a 99,9uF použit 100x nižší hodinový kmitočet, při zachování shodných zdrojů proudu jako pro nižší kmitočty. Tím je dosaženo jednoduché rozšíření rozsahu o další dvě dekády.

Popis konstrukce a odlišností proti původnímu řešení

Obr. 2 - Blokové schéma měřiče kapacit

Obr. 3 - Schéma modulu čítače

Pro čítání měřené hodnoty (doby integrace) je použit trojnásobný dekadický čítač se střadačem a multiplexovaným výstupem CD4553. Jeho výstup je pak přiveden na dekodér a budič displeje CD4543. Řídící signály pro spínání společných anod multiplexního displeje jsou posíleny třemi PNP tranzistory. Pro zvýšení komfortu při odečítání byl doplněn obvod řízení desetinných teček. Tato úprava je realizována třemi hradly NAND (CD4011), nicméně dochází k drobnému „PRŮSVITU“ desetinné tečky na další segment. Tento nepříjemný jev je způsoben odvozením funkce od signálu z multiplexních výstupů obvodu CD4553, kde není řešena prodleva mezi jednotlivými signály pro řízení společných anod. Schéma modulu čítače je zobrazeno na obrázku č. 3 – Schéma modulu čítače. Protože obvody CD4553 jsou již dnes hůře sehnatelné, je čítač pro měření doby integrace realizován jako samostatný modul. Pro případ, že by byl použit jiný modul, jsou na řídící desce s čítači intervalů měření vyvedeny dva signály pro zápis do paměti. Tyto signály jsou vůči sobě inverzní a jsou připraveny pro případ zápisu do paměti dekodéru např. CD4543, do kterých se zapisuje sestupnou hranou zapisovacího impulzu, kdežto u obvodu CD4553 se tento zápis provádí náběžnou hranou. Toto řešení umožňuje připojení nejen varianty čítače realizovaného pomocí CD4553, ale i jinou verzi, realizovanou pomocí jiných čítačů a dekodérů.

Obr. 4 - Schéma zapojení modulu řídící jednotky – digitální část

Pro dobrou stabilitu měření je oscilátor osazen keramickým rezonátorem 500kHz v kombinaci s děličkou kmitočtu dvěma, z čehož vznikl základní hodinový kmitočet 250kHz. Následuje sestava čítačů určujích dobu měřících cyklů a řídící obvod přepínačů nulování a nabíjecího cyklu. Obvod určující dobu měření čítá do  1000. Obvody řízení nulování, nabíjecího cyklu a indikace překročení měřeného rozsahu, jsou realizovány pomocí dvojice klopných obvodů D (CD4013). Schéma výše popsaných obvodů je zobrazeno na obrázku č. 4 - Schéma zapojení modulu řídící jednotky – digitální část.

Obr. 5. - Schéma zapojení modulu řídící jednotky – analogová část

Zdroje proudu jsou tvořeny třemi tranzistory J-FET v kombinaci odporu a trimru pro nastavení odpovídajícího nabíjecího proudu. K přepínání rozsahů slouží jednoduchý přepínač. Pomocí diodové matice se současně přepínají i desetinné tečky a zdroje hodinových impulzů pro čítače. Toto řešení umožňuje použít levný a dostupný přepínač a přitom má přístroj vysoký uživatelský komfort. Jako zdroj referenčního napětí pro nastavení komparační úrovně, byl použit integrovaný obvod TL431. Je to nastavitelný zdroj referenčního napětí 2,5 – 36V. V dané konstrukci je zapojen pro výstupní napětí 2,5V. Komparátor je tvořen obvodem LM311 a jako analogové spínače, zabezpečující nulování, nabíjení a  přepínání hodin je použita čtveřice spínačů CD4066. Schéma analogové části a komparátoru je zobrazeno na obrázku č. 5 - Schéma zapojení modulu řídící jednotky – analogová část.

Postup sestavení a oživení

Celá konstrukce je sestavena z klasických vývodových součástek. Osazování začněte nejmenšími součástkami a postupně přidávejte součástky podle jejich výšky. Nejprve osaďte a zapájejte drátové propojky, diody a rezistory, následně integrované obvody, kondenzátory, tranzistory a nakonec trimry a displej.
Pokud je vše správně osazeno a zapájeno, pak oživení není větší problém a měl by jej zvládnout i začátečník. Moduly se propojí odpovídajícími signály dle popisu u pájecích bodů. Následně se přivede napájecí napětí 9V a displej by měl zobrazovat údaj 000 (plus max. 5 digit). Ověříme funkci přepínače rozsahů, kdy otáčíme voličem rozsahů proti směru hodinových ručiček, až do krajní polohy. V této poloze by měla svítit desetinná tečka na displeji vpravo u nejvýznamnějšího digitu (0.00). Otáčením voliče rozsahu ve směru hodinových ručiček by měl údaj na displeji indikovat následující údaje 00.0; 000; 0.00 a 00.0. Současně můžeme provést kontrolu kmitočtu na výstupu „COUNT“, který by se měl při výběru prvních tří rozsahů, pohybovat kolem hodnoty 250kHz a při posledních dvou na hodnotě kolem 2,5kHz.
Dále je vhodné přednastavit zdroje proudu na přibližnou hodnotu integračního proudu. Tento krok je vhodný provést k ověření jejich správné funkce a je možné odhalit případnou chybu před procesem kalibrace. Proudy jednotlivých zdrojů by se měly pohybovat kolem násleujících hodnot:
T1, R1 a P1 nastavit na 6.1μA
T2, R2 a P2 nastavit na 61μA
T3, R3 a P3 nastavit na 0.61 mA
Tyto hodnoty proudu jsou jen orientační, neboť jejich přesné nastavení závisí na konkrétní kombinaci referenčního napětí a hodinového kmitočtu. Jelikož se výrobní parametry tranzistorů mohou podstatně lišit, je možné, že i přes použití trimrů, bude potřeba provést úpravu hodnoty rezistoru R1 v rozmezí 390k – 470k, R2 v rozmezí 33k – 39k a R3 v rozmezí 3k3 – 3k9.
Pokud jsou všechny výše uvedené funkce správné, je možné přejít ke kalibraci, která se provádí na nejnižších třech rozsazích. Vhodné hodnoty kapacit pro kalibraci jsou střední hodnoty rozsahů (5nF, 50nF, 500nF). Jelikož se hodnoty 5nF, 50nF, a 500nF běžně nevyrábí, je možné použít hodnoty v násobcích 5,6 nebo 4,7 (5n6, 56n, 560n nebo 4n7 apod.). Nejlepší variantou je použít kvalitní, teplotně stabilní kondenzátory změřené na přesném RLC můstku (třeba ve školní laboratoři nebo v práci) a následně je použít pro kalibraci. Samotná kalibrace se provede připojením kondenzátoru o známé kapacitě ke svorkám a úpravou integračního proudu. Toto se provede pro odpovídající rozsah pomocí trimru P1, P2 nebo P3 tak, aby byla na displeji zobrazována hodnota odpovídající hodnotě měřeného kondenzátoru. Pro orientační nastavení může dobře posloužit i kondenzátor s tolerancí 1%, ale je pak potřeba k tomuto faktu přihlédnout při používání. Dále je dobré provést kontrolu správnosti měření v krajních mezích rozsahu, kde je vhodné použít hodnoty na horní a dolní mezi rozsahu, tj. v násobcích 8,2 nebo 10 (1nF, 8,2nF, 10nF, 82nF, 100nF, 820nF a 1uF) a pro rozsahy 9,99uF a 99,9uF kondenzátory 4,7uF, 10uF, 47uF (nejlépe svitkové nebo tantalové ).

Obr. 6 a 7 - Motiv plošného spoje a osazovací plán čítače měřené hodnoty

Obr. 8 a 9 - Motiv plošného spoje a osazovací plán řídící jednotky

Poznámky k použitým součástkám:
V některých případech není potřeba použít přímo definované součástky, které nemusí být již dostupné. Zejména se jedná o přepínač výroby TESLA TS1221116/05, který lze nahradit jakýmkoliv jiným přepínačem o 5-ti polohách a jednom paketu umístěného na čelním panelu a propjeného vodiči zapájenými do pozic určených pro původní přepínač . Další modifikace je možná u rezistorů umístěných pod displejem, kde jsou z důvodu jejich malého průměru použity odpory o velikosti 0204. Tyto rezistory mohou být stejně tak nahrazeny typem TR191 stejné hodnoty, které jsou ještě nižší než zmiňované o velikosti 0204. Další možností je umístit displej do patice, která je vyrobena z preciních dutinkových lišt a následně použít klasické rezistory velikosti 0207.

Propojené moduly je možné zaudovat do krabičky COMBIPLAST CP-Z-112F/B, kterou dodává firma TME, nebo do krabičky KP76M, s červenými čely, od dodavatele A&A, což je stejná krabička pod jiným označením. V zadní části zůstane ještě dostatek místa pro realizaci zdroje s malým transformátorem a 9V stabilizátorem.