3桁のLED静電容量計回路

このプロジェクトは、電子愛好家にとって非常に便利なもう1つのテスト機器であり、このユニットの構築は非常に楽しいものです。

静電容量計は、ユーザーが目的のコンデンサをチェックしてその信頼性を確認できるため、非常に便利なテスト機器です。

通常または標準のデジタルメーターには静電容量計の設備がほとんどないため、電子愛好家はこの設備を取得するために高価なメーターに依存する必要があります。

次の記事で説明する回路では、高度でありながら安価な3桁のLED静電容量計について説明します。これは、現代のすべての電子回路で一般的に使用されているさまざまなコンデンサをかなり正確に測定します。

静電容量範囲

提案された静電容量計回路設計は、3桁のLEDディスプレイを提供し、以下に示すように、5つの範囲で値を測定します。

範囲＃1 = 0〜9.99nF
範囲＃2 = 0〜99.9nF
範囲＃3 = 0〜999nF
範囲＃4 = 0〜9.99µF
範囲＃5 = 0〜99.99µF

上記の範囲にはほとんどの標準値が含まれていますが、設計では、数ピコファラッドの極端に低い値、または高い値の電解コンデンサを決定することはできません。

非常に低い値のコンデンサは現在の電子回路ではめったに使用されないため、実際にはこの制限はそれほど問題にはならないかもしれませんが、大きなコンデンサは、後で詳しく説明するように、いくつかの直列接続されたコンデンサを使用してテストできます。次の段落。

使い方

不適切な範囲が選択された場合に不正確な読み取りを防ぐために、オーバーフロー警告LEDが組み込まれています。このデバイスは9ボルトのバッテリーで駆動されるため、完全にポータブルです。

図2に、LED静電容量計回路のクロック発振器、低Hz発振器、ロジックコントローラ、および単安定マルチバイブレータステージの回路図を示します。

カウンタ/ドライバとオーバーフロー回路のステージを上の次の図に示します。

図2を見ると、IC5は5ボルトの固定電圧レギュレーターであり、9ボルトのバッテリーソースから適切に調整された5ボルトの出力を提供します。回路全体が機能するためにこの調整された5ボルトの電力を使用します。

回路の現在の使用量は約85mAとかなり大きいため、バッテリーの定格は高いmAhである必要があります。 3ディスプレイのほとんどの桁がディスプレイ用に点灯している場合は常に、消費電流が100mAを超える可能性があります。

低周波発振器は、CMOSNORゲートであるIC2aとIC2bを中心に構築されています。それにもかかわらず、この特定の回路では、これらのICは基本的なインバーターとして接続され、通常のCMOS非安定セットアップを介して適用されます。

この発振器は単一の読み取りサイクルの完了を可能にするために10の出力サイクルを生成する必要があるため、発振器ステージの動作周波数は、読み取り値が提供される周波数と比較してはるかに大きいことに注意してください。

IC3とIC4aは制御ロジックステージとして構成されています。 CMOS 4017デコーダ/カウンタであるIC3には、10個の出力（「0」から「9」）が含まれています。これらの各出力は、連続する入力クロックサイクルごとに連続してハイになります。この特定の設計では、出力「0」がリセットクロックをカウンタに供給します。

その後、出力「1」がハイになり、単安定を切り替えて、クロック/カウンタ回路のゲートパルスを生成します。出力「2」から「8」は接続されておらず、これら2つの出力がハイになる時間間隔により、ゲートパルスが完了し、カウントが終了できるように少し時間がかかります。

出力「9」は、LEDディスプレイを介して新しい読み取り値をラッチするロジック信号を提供しますが、このロジックは負のロジックである必要があります。これは、出力9からの信号を反転して適切なパルスに変換するIC4aを使用して実現されます。

単安定マルチバイブレータは、2つの入力NORゲート（IC4bおよびIC4c）を2つ使用する標準のCMOSバージョンです。シンプルな単安定設計でありながら、現在のアプリケーションに完全にふさわしい機能を提供します。

これは再トリガー不可能な形式であり、その結果、IC3から生成されるトリガーパルスよりも小さい出力パルスを提供します。再トリガー可能なタイプが使用される場合、最小の表示読み取り値がかなり高くなる可能性があるため、この機能は実際には重要です。

提案された設計の自己容量は非常に最小限です。これは、かなりの程度の局所容量が回路の線形属性を乱し、表示の読み取り値が非常に低くなる可能性があるため、不可欠です。

使用中、テストスロット間にコンデンサが接続されていない場合、プロトタイプの表示は5つの範囲すべてで「000」と表示されます。

抵抗R5〜R9は範囲選択抵抗として機能します。 10年間のステップでタイミング抵抗を減らすと、特定の読み取りに必要なタイミング容量が10年ごとに増加します。

レンジ抵抗器の定格が少なくとも1％の許容誤差であると考えると、この設定は信頼できる測定値を提供することが期待できます。つまり、各範囲を個別にキャリブレーションする必要がない場合があります。

R1とS1aは、小数点表示が不要な範囲3（999nF）を除いて、正しいLEDディスプレイで小数点セグメントを実行するように配線されています。クロック発振器は、実際には一般的な555非安定構成です。

ポットRV1は、このLED静電容量計を校正するためのクロック周波数コントローラーとして使用されます。単安定出力はIC1のピン4を制御するために使用され、クロック発振器はゲート周期が使用可能な間のみアクティブになります。この機能により、独立した信号ゲートが不要になります。

図3を確認すると、カウンタ回路が3つのCMOS 4011ICを使用して配線されていることがわかります。これらは実際には理想的なCMOSロジックファミリからは認識されていませんが、それでも、頻繁に使用する価値のある非常に柔軟な要素です。

これらは実際には、個別のクロック入力とキャリー/ボロー出力を持つアップ/ダウンカウンターとして構成されています。理解できるように、ここではダウンカウンタモードで使用する可能性は無意味であるため、ダウンクロック入力は負の電源ラインに接続されています。

3つのカウンタは順番に接続され、従来の3桁の表示を可能にします。ここで、IC9は最下位桁を生成するように配線され、IC7は最上位桁を有効にします。 4011には、ディケードカウンター、7セグメントデコーダー、およびラッチ/ディスプレイドライバーステージが含まれています。

そのため、すべてのICは、一般的な3チップTTLスタイルのカウンター/ドライバー/ラッチオプションに置き換えることができます。出力には、適切なコモンカソード7セグメントLEDディスプレイを直接照らすのに十分な電力があります。

5ボルトの低電圧供給にもかかわらず、電流制限抵抗を介してすべてのLEDディスプレイセグメントを駆動することをお勧めします。これにより、容量計ユニット全体の消費電流を許容レベル未満に保つことができます。

IC7の「キャリー」出力はIC6クロック入力に適用されます。これは、2つのフリップフロップで除算されたデュアルDタイプです。ただし、この特定の回路では、ICの一部のみが実装されています。 IC6出力は、過負荷が発生した場合にのみ状態を切り替えます。これは、過負荷が著しく高い場合、IC7からの出力サイクルが多くなることを意味します。

LEDインジケータLED1からIC6に直接電力を供給することは、この出力が瞬間的である可能性があり、LEDが簡単に見過ごされる可能性のある短い照明を数回生成できる可能性があるため、非常に不適切である可能性があります。

この状況を回避するために、IC7出力を使用して、IC2の通常は空のゲートのペアを配線することによって作成された基本的なセット/リセット双安定回路を駆動し、続いてラッチがLEDインジケータLED1を切り替えます。 2つのIC6とラッチはIC3によってリセットされ、新しいテスト読み取りが実装されるたびにオーバーフロー回路が最初から開始されます。

構築する方法

この3桁の静電容量計回路を構築することは、以下に示すPCBレイアウト上ですべての部品を正しく組み立てることです。

ICはすべてCMOSタイプであるため、手からの静電気に敏感であることを忘れないでください。静電気による損傷を防ぐため、ICソケットの使用をお勧めします。 ICを本体に保持し、途中でピンに触れずにソケットに押し込みます。

較正

この完成した3桁のLED静電容量計回路の校正を開始する前に、メーターのフルスケール範囲の約50〜100％を提供する厳しい許容誤差と大きさのコンデンサーを使用することが重要な場合があります。

C6がユニットに組み込まれ、メーターの校正に適用されていると想像してみましょう。次に、デバイスを範囲＃1（9.99 nFフルスケール）に調整し、SK2とSK4の間に直接リンクを挿入します。

次に、RV1を非常に穏やかに調整して、ディスプレイに4.7nFの適切な読み取り値を視覚化します。これが行われると、コンデンサの範囲全体で対応して正しい読み取り値を示すユニットが見つかる場合があります。

ただし、読み取り値が正確であるとは期待しないでください。 3桁の静電容量計自体はかなり正確ですが、前述のように、実際には確かにいくつかの小さな不一致が伴います。

3つのLEDディスプレイが使用される理由

多くのコンデンサは許容誤差がかなり大きい傾向がありますが、いくつかの種類では10％を超える精度が含まれている場合があります。実際には、3番目のLEDディスプレイ桁の導入は、期待される精度に関して正当化されない場合がありますが、それでも、デバイスが10年間にわたって読み取ることができる最小の静電容量を効率的に拡張するという事実により、有利です。

古いコンデンサのテスト

古いコンデンサをこの装置でテストした場合、ディスプレイのデジタル読み取り値が徐々に上昇していることがわかる可能性があります。これは必ずしもコンデンサの故障を意味するわけではなく、単に指の温かさがコンデンサの値をわずかに上昇させた結果である可能性があります。 SKIスロットとSK2スロットにコンデンサを挿入するときは、リードではなく本体でコンデンサを保持するようにしてください。

オーバーレンジの高価値コンデンサのテスト

このLED静電容量計の範囲内にない高値コンデンサは、高値コンデンサを低値コンデンサと直列に接続し、2つのユニットの合計直列容量をテストすることで調べることができます。

たとえば、470 µFの値が印刷されたコンデンサを調べたいとしましょう。これは、100µFのコンデンサと直列に接続することで実装できます。次に、コンデンサ470 µFの値は、次の式を使用して検証できます。
（C1 x C2）/（C1 + C2）= 82.5 µF

82.5 µFは、470 µFがその値で問題ないことを確認します。ただし、メーターが80 µFなどの他の読み取り値を示している場合、実際の値は次のようになるため、470 µFはOKではないことを意味するとします。

（X x 100）/（X + 100）= 80
100X / X + 100 = 80
100X = 80X + 8000
100X-80X = 8000
X = 400 µF

結果は、テストされた470µFコンデンサの状態があまり良くない可能性があることを示しています

2つの追加ソケット（SK3とSK4）とコンデンサC6を図に示します。 SK3の目的は、測定のためにSKIとSK2にプラグインする前に、SK1とSK3に触れることで、テスト要素を簡単に排出できるようにすることです。

これは、テストの直前に回路から取り外したときに残留電荷を蓄積する傾向があるコンデンサにのみ適用されます。高値および高電圧タイプのコンデンサは、この問題の影響を受けやすい可能性があります。

ただし、深刻な状況では、コンデンサを回路から取り出す前に、ブリード抵抗を介してコンデンサを穏やかに放電する必要がある場合があります。 SK3を含める理由は、測定のためにSKIとSK2の両端でテストする前に、SK1とSK3の両端に接続して、テスト対象のコンデンサを放電できるようにするためです。

C6は、迅速な校正を目的とした、便利ですぐに使用できるサンプルコンデンサです。テスト中のコンデンサに欠陥のある読み取り値が見られる場合は、範囲1に切り替え、SK2からSK4の間にジャンパーリンクを配置して、C6がテストコンデンサとして接続されるようにすることが不可欠です。次に、47nFの正当な値がディスプレイに表示されていることを確認することをお勧めします。

ただし、理解しておく必要のあることが1つあります。それは、コンデンサの値が校正値とほぼ同じであることを除けば、メーター自体が数％プラス/マイナス以内でかなり正確であるということです。追加の問題は、コンデンサの読み取り値が温度といくつかの外部パラメータに依存する可能性があることです。静電容量の読み取り値が許容値を超えるわずかな誤差を示している場合、これはおそらく部品が完全に正常であり、決して欠陥がないことを示しています。

パーツリスト