CAPACIMETRU

Una dintre caracteristicile principale care deosebesc aparatul descris de capacimetrele obișnuite constă în modul său de funcționare. De obicei, capacimetrele măsoară valoarea capacității necunoscute prin introducerea condensatorului într-o punte alimentată în curent alternativ. Valoarea se citește pe un instrument etalonat în submultipli sau unități de microfarad.

Schema prezentată în fig. 1 se bazează pe un principiu cu totul diferit, care oferă avantajul preciziei și al lărgirii domeniului.

Capacitatea necunoscută este încărcată cu tensiune până la o valoare de referință. Timpul necesar depinde de valoarea capacității necunoscute. Pentru evitarea impedimentului de cronometrare, această operație se face automat, iar indicația valorii se realizează direct în microfarazi pe cadranul unui instrument gradat liniar.

Înainte de a intra în analizarea schemei, reamintim că, la încărcarea unui condensator cu o sursă de tensiune constantă, tensiunea la borne crește exponențial, iar dacă încărcarea se realizează cu o sursă de curent constant, tensiunea crește liniar, într-un interval de timp dat.

Folosind acest principiu clasic, s-a realizat schema instrumentului alăturat (fig. 1 și 2). Schița panoului este redată în fig. 3. Urmărind schema, vedem că tranzistoarele T1 și T2, cu piesele aferente, formează câte o sursă de curent constant (independente). Sursa formată din T1, diodele cu siliciu D1-D2, rezistența R6 și una dintre rezistențele comutabile din grupul R1-R5 asigură alimentarea condensatorului necunoscut. Comutatorul K1 permite selectarea domeniului de măsură. Comutatorul K2, în poziția arătată în schemă, șuntează la masă curentul generat. Acționând acest comutator în poziția 3, se pornește încărcarea capacității necunoscute. Datorită principiului arătat, rezultă o creștere liniară a tensiunii la bornele condensatorului.

Circuitul integrat CI 1 (741) este un amplificator operațional folosit în schemă drept comparator. Astfel, borna neinversoare (+) este conectată la R8, de la care se culege tensiunea de referință. Borna inversoare (-) este legată la condensatorul necunoscut. Dacă această tensiune depășește cu câțiva milivolți valoarea de referință, ieșirea comparatorului (CI 1) comută brusc de la +12 V la -12 V.

Tensiunea de ieșire a comparatorului comandă a doua sursă de curent constant, formată din T2, diodele cu siliciu D3-D4-D5 și rezistențele R10-R11.

Condensatorul C1 se încarcă de la această sursă. Comutatorul K2 (prin secțiunea K2B) asigură scurtcircuitarea acestui condensator înainte și după efectuarea măsurătorilor. În timpul măsurătorii, atât K2A cât și K2B sunt deschise (poz. 3). Curentul constant al sursei formate din T2 îl încarcă pe condensatorul necunoscut, iar sursa formată din T2 încarcă pe C1. Tensiunea crește liniar. La atingerea valorii de referință, comparatorul basculează, iar dioda cu siliciu D6 se polarizează invers, oprind astfel încărcarea lui C1. Întrucât acest condensator se încarcă liniar și numai în intervalul de timp până la bascularea comparatorului, tensiunea măsurată la borne este direct proporțională cu capacitatea condensatorului necunoscut (Cx).

Pentru a evita descărcarea lui C1 în timpul măsurătorii, acest condensator trebuie să fie electrolitic, de bună calitate (curent de fugă cât mai mic).

De asemenea, instrumentul de măsură trebuie să prezinte o rezistență internă (respectiv, sarcina pe bornele condensatorului) de o valoare cât mai mare. Această condiție se realizează prin circuitul integrat CI 2 (741) intercalat între instrumentul de măsură de 1 mA și bornele condensatorului. Rezistența adițională R13* (1 kΩ) se alege în funcție de instrumentul folosit, în așa fel încât la o tensiune de 1 V, acesta să indice cap de scală (1 mA).

De remarcat că în locul instrumentului se poate utiliza și un multimetru, corelând valoarea lui R9 și reglând în mod corespunzător pe R8. Ajustarea acestor valori se face pentru a obține cât mai exact 1 mA, respectiv 1 V, în cazul fixării la bornele C a unui condensator etalon de 1 μF. Comutatoarele K1 și K2 vor fi potrivite pe poziția corespunzătoare. Condensatorul C2 a fost inclus în circuitul lui T1 pentru prevenirea autooscilațiilor. Este recomandabilă folosirea în acest scop a unui condensator cu polistiren sau mică.

Rezistențele R9 și R12 protejează amplificatoarele operaționale în cazul unei eventuale opriri a rețelei de alimentare, când Cx și C1 sunt încărcate. Descărcarea acestor condensatoare prin amplificatoarele operaționale ar putea cauza distrugerea integratelor.

De remarcat că tot pentru evitarea acestui neajuns se folosește în exploatarea normală poziția nr. 1 a sectoarelor K2C și K2D, prin care se întrerupe circuitul de alimentare (+12 V și -12 V). În acest fel, la punerea în funcțiune, rotirea comutatorului K2 pe poziția „Măsură” (poz. 3) se face prin trecerea obligatorie prin poziția „Repaus” (poz. 2), care asigură descărcarea condensatoarelor Cx și C1. Această operație prealabilă de descărcare a condensatoarelor este obligatorie la fiecare măsurare efectuată, pentru eliminarea tensiunilor reziduale care afectează precizia măsurătorii. Menționăm acest lucru pentru a sublinia importanța contactelor 2 și 3 de la comutatorul K2, sectoarele A și B.

Sursa stabilizată de alimentare (fig. 2) nu prezintă particularități deosebite. Consumul mic permite folosirea unei scheme simple, stabilizarea realizându-se numai prin folosirea diodelor Zener (DZ1-DZ2). Comutatorul K3 întrerupe alimentarea transformatorului. Indicația vizuală a funcționării s-a realizat prin becul cu neon Ne-1, prevăzut cu rezistență limitatoare adecvată.

Se reglează zeroul mecanic al miliampermetrului. Se conectează apoi un condensator etalon de 1 μF la bornele Cx. Comutatorul K1 se potrivește pe poziția „x 1”. Se pornește alimentarea prin K3, iar K2 se rotește în poziția „Repaus”. Se menține în această poziție aproximativ 30 de secunde. Se trece apoi K2 în poziția „Măsură”. Acul instrumentului va devia până la o anumită valoare. Se va regla imediat potențiometrul trimer R8, până când acul instrumentului indică exact cifra 1 (cap de scală). În caz de nevoie, se ajustează valoarea lui R13. Este însă de preferat ca valoarea acestei rezistențe să fie ajustată corect în prealabil în așa fel încât convertirea exactă a tensiunii măsurate în miliamperi (1 volt <-> 1 miliamper) să fie asigurată cu precizie.

Etalonarea pe un singur domeniu este suficientă, restul domeniilor fiind implicit etalonate de rezistențele R1–R5. Se repetă operația de etalonare după o oră de funcționare.

Folosind un miliampermetru cu clasa 1,5 la sută, și rezistențe sortate pentru grupul R1–R5, clasa de precizie a aparatului va fi de 2 la sută. Utilizând rezistențe nesortate, cu o clasă de precizie de 4 la sută sau 10 la sută, precizia aparatului va fi între 3 la sută și 6 la sută, dacă erorile rezistențelor nu sunt la limitele extreme opuse.

Efectuarea măsurătorilor este deosebit de simplă. Manevrele sunt identice cu cele descrise la operația de etalonare.

Timpul de încălzire pentru regimul normal este de un minut. Menționăm că norma de abateri admisibile de la valoarea nominală la condensatoarele electrolitice este deosebit de largă, în special spre valorile mai mari. Se recomandă din acest motiv testarea valorii pe un domeniu cu un ordin de mărime mai mare decât valoarea nominală, mai ales la valori apropiate de cap de scală. Astfel, la măsurarea unui condensator de 100 μF se testează prima dată domeniul „x 1 k”. Dacă s-a măsurat o valoare mai mică de 100 μF, se poate repeta operația pe domeniul „x 100”. Această prudență este utilă pentru a evita șocarea miliampermetrului.

La măsurarea condensatoarelor cu o capacitate necunoscută (s-a șters inscripția) se va folosi pentru testare domeniul cu valoarea cea mai mare.

Aparatul permite măsurarea condensatoarelor cu dielectric de orice fel (hârtie, plastic, electrolitic), iar domeniul larg (10 nF…10 000 μF) al capacimetrului este încă un avantaj tot atât de important.

Spre deosebire de aparatele clasice de măsură bazate pe punți în curent alternativ (punți Wien sau Maxwell), acest capacimetru utilizează o metodă ingenioasă de conversie capacitate-timp-tensiune:

Aparatul utilizează componente standard din anii ’70-’80, care pot fi înlocuite cu ușurință pentru a obține o stabilitate și o precizie superioară în prezent: