Ёмкостный мост

 Drew  Diamond, VK3XU. Статья напечатана в журнале “AMATEUR RADIO”, August, 2002.
 

Для измерения параметров пассивных радиодеталей хороший мост RCL является, практически идеальным инструментом. Но таковые порой дороги, даже б/у, имеют неприемлемые в радиолюбительской практике диапазоны измерений, неподъёмные стационарные конструкции…

  Обычно у недорогих приборов для измерения, например, ёмкости  предел нижнего поддиапазона находится в районе 2 нФ (2000 пФ), что обеспечивает очень низкую (или, мягко выражаясь, недостаточную) разрешающую способность при измерениях. Таковая ведёт к ошибкам: неточности измерений ёмкостей, особенно, в области малых их значений часто используемых в радиолюбительской практике. Так, например, если потребуется определить пределы изменения ёмкости КПЕ для ГПД, то, имея вышеназванные приборы, можно будет  только беспомощно разводить руками и достаточно широко, чтобы обрисовать пределы допуска при измерении.

Тем более, что такие приборы не учитывают утечек (потерь) в конденсаторах и работают по принципу комплексного измерения последовательного импеданса. Если конденсатор, ко всему прочему, ещё и содержит значительную утечку, то ошибочное измерение Вам гарантировано.

  Лучшим выходом из создавшегося положения является применение одного из классических мостов - моста Уитстона [ 1, 3 ].  Человеческое ухо является очень точным измерительным индикатором и позволит сразу произвести измерение ёмкости конденсатора по балансу градуированного ёмкостного моста или обнаружить неисправный конденсатор по слабому “провалу” слышимости сигнала измерительного генератора, подаваемого на мост или отсутствию оного. В хорошем мосте добротный конденсатор, обладающий малой утечкой будет давать при балансировке уровень сигнала генератора близкий к нулевому, момент баланса резок и хорошо заметен.

  Если Вы строите высокостабильный генератор (например, для ГПД), то разумно перед установкой в схему проверить все имеющиеся конденсаторы  на величину ёмкости, стабильность и высокую добротность, чтобы избежать в будущем скачков частоты, различных шорохов, тресков, повышенного уровня шумов в комплексном напряжении, вырабатываемом генератором. Возможно,  генерация  из-за дефектных конденсаторов в генераторе будет отсутствовать вовсе.

 

Ниже приведено устройство, представляющее собой приспособленный для любительских целей вариант ёмкостного моста Уитстона, простого и собранного из доступных деталей. Диапазон измеряемых емкостей простирается от 1 пФ до 10 мкФ и разбит на 6 поддиапазонов с перекрытием. Так, например, измерение ёмкости в 10 пФ можно произвести по шкале, позволяющей измерять ёмкости до 100 пФ, причём отметка в 10 пФ лежит в средней части шкалы, к которой предусмотрен переключатель множителя . Переключив последний на следующий поддиапазон, получаем, в том месте, где было значение 10 пФ - 100 пФ, а измерение теперь можно проводить до 1000 пФ (1 нФ) и так далее: до 10 мкФ.

 Почему же был выбран чисто ёмкостный мост (а не обычная комбинация RCL)?  Резисторы, например, могут быть вымерены с помощью обычного тестера и нет необходимости усложнять и удорожать прибор (различного рода переключатели также увеличивают размеры прибора и снижают его надёжность). Индуктивность для измерения потребует специальных зажимов, что увеличит ёмкости монтажа прибора и сделает невозможным измерение малых величин ёмкости, тем более, что катушки для большей точности измерений проверяют на их рабочих частотах (обычно РЧ).

 

Схема.

 

 

Человеческое ухо имеет максимальную чувствительность в районе частоты 1  кГц, поэтому обычно все измерительные мосты переменного тока издавна питались напряжением генераторов с, именно, этой частотой. В предлагаемой конструкции функцию генератора напряжения частотой в 1 кГц выполняет широко распространённый таймер NE-555, включенный как астабильный генератор. Форма вырабатываемого напряжения здесь значения не имеет. Выходное напряжение генератора приложено к первичной обмотке разделительного междукаскадного трансформатора с соотношением витков 1:1 и импедансов 3 кОм : 3 кОм. Собственно мост Уитстона питается со вторичной обмотки этого согласующего трансформатора средний отвод которого не используется (видимо, можно заменить ЗЧ согласующим трансформатором от наших старых добрых отечественных транзисторных радиоприёмников - UA9LAQ). Любой из шести калиброванных конденсаторов можно выбрать переключателем S1. С каждой стороны градуированного потенциометра, движок которого соединён с общим проводом, установлены резисторы в 100 Ом, линеаризующие шкалу. Таким образом, потенциометр в 1 кОм обеспечивает для каждого положения переключателя S1 измерение 100 : 1, что значительно повышает точность измерений, как было отмечено выше. Когда в схему моста включен эталонный конденсатор 100 пФ и добротный конденсатор подключен к гнёздам Сх прибора, то мост будет сбалансирован примерно в среднем положении движка потенциометра 1 кОм. Это означает, что напряжение на гнезде “Hi”, относительно общего провода равно нулю. Это же гнездо соединено с потенциометром в 25 кОм (регулятором громкости), сигнал с движка которого поступает на широко распространённый усилитель LM-386  и, далее, на динамическую головку.

 

Конструкция

 

Чтобы свести к минимуму паразитные ёмкости и этим обеспечить возможность измерения малых величин ёмкости, для моста выбран пластмассовый корпус с наклонной панелью размерами 189 х 134 х 32 (55) мм. Годится любой пластмассовый корпус. 9-вольтовая батарейка (“Крона”) может быть укреплена в держателях как внутри корпуса так и снаружи. Предлагаемый метод монтажа [ 2 ] можно уяснить из Рис.2 и Фото 2. Расположение деталей не столь критично, но соединительные проводники и выводы деталей следует выбирать разумно короткими, особенно те, которые непосредственно связаны со схемой моста. Микросхемы можно вставить в панельки, которые в свою очередь расположить на небольших платках, а те уже впаять в схему (Рис. 2).

Где указано, используйте экранированные провода, иначе, наводки от сети переменного тока “закроют” момент баланса моста. Корпус потенциометра 25 кОм (Vol  на Рис. 2) должен быть соединён с экранирующей оплёткой провода как показано на схеме. Для увеличения разрешающей способности шкалы потенциометра 1 кОм, её размеры должны быть максимально возможными. Автором применён алюминиевый диск диаметром 90 мм, покрытый двумя слоями белого автомобильного лака. Потенциометр сопротивлением 1 кОм расположен почти в центре монтажной платы и корпуса. Диск с визиром имеет такие же размеры как основная шкала, но выполнен из оргстекла толщиной до 3 мм, который можно выпилить круговой пилой или “балеринкой”, можно также обработать диск, закрепив его в токарном станке и подставляя к его кромке напильник с мелкой насечкой, таким образом произведя центровку диска. Проведите тонкую линию визира от центра диска до его периферии острой чертилкой и заполните её чёрной краской. Затем диск нужно приклеить к подходящей по размеру ручке и установить на оси потенциометра 1 кОм.

 

 

Калибровка моста и работа с ним

 

  Проверьте монтаж прибора, правильность подключения полярных компонентов, особое внимание уделите микросхемам. Установите движки обоих потенциометров в среднее положение и включайте питание. Вы должны услышать тональный сигнал частотой 1 кГц. Присоединим к измерительным гнёздам Сх прибора калиброванный качественный конденсатор ёмкостью, например, 100 пФ. Установив переключатель S1 в положение “100 пФ”, медленно вращайте ручку балансировки моста (диск с визиром) до получения нулевой слышимости сигнала из динамической головки прибора, которая будет, как раз, где-то вблизи среднего положения движка этого потенциометра. Установите громкость (вращая ручку другого потенциометра - 25 кОм) на уровне, при котором, “провал” при балансе моста будет слышен наиболее отчётливо. Присоедините другие (качественные!) конденсаторы для проверки прибора на  других поддиапазонах - “провал” на всех должен ощущаться и быть глубоким.

  Теперь пришла очередь калибровки шкалы моста. Необходим набор конденсаторов с известной ёмкостью, малой утечкой, термостабильных. Пусть это будет десяток конденсаторов по 100 пФ. На поддиапазоне “1 нФ” (1000 пФ) присоединяем к гнёздам Сх один конденсатор 100 пФ, балансируем мост (по минимальной слышимости звука) и ставим отметку на шкале напротив визира (для удобства градуировки  и отсчёта на линии шкалы в диске симметрично на линии визира сверлится отверстие диаметром 0,5…1,0 мм, линия визира на диске должна быть нанесена со стороны обращённой к шкале. Вставив в отверстие карандаш или ручку и вращая диск с визиром “от упора и до упора” можно нанести линию шкалы, на которой впоследствие делаются калибрационные риски, сначала – отметки, например иглой, а затем, шкалу можно вычертить и сделать фотоспособом или отсканировать, “облагородить”, затем, отпечатать на принтере (лазерном или струйном и наклеить на алюминиевый диск шкалы)  На толстых прозрачных материалах порой наносят две линии визира, с обеих сторон, совмещая линии в одну и с риской на шкале, производят отсчёт показаний – “премудрость” служит для устранения параллакса, в результате повышается точность отсчёта. В авторском варианте конструкции используется только одна шкала и риски нанесены  (и наносятся) с её края  - UA9LAQ).

 Итак, одна риска, соответствующая ёмкости 100 пФ на шкале сделана. Присоединяя параллельно другие ёмкости по сто пФ, производят градуировку шкалы до 1000 пФ = 1 нФ (200, 300, 400…1000пФ). Калибрационные точки следует отмечать как 0,1; 0,2; 0,3…1. Эти же конденсаторы (по 100 пФ) можно использовать для калибровки шкалы в положении переключателя S1 “100 пФ”, тогда риски на шкале следует обозначать как 1 (100 пФ); 2(200 пФ); 3(300 пФ) и т. д. Риска “1” должна быть примерно в середине шкалы. Таким образом, градуировка произведена и будет соответствовать калибрационным точкам во всех поддиапазонах (при условии правильного подбора емкостей моста внутри корпуса прибора – UA9LAQ), нужно лишь правильно (в соответствующее положение) устанавливать переключатель множителя S1. Шкальный механизм и способ градуировки может быть выбран и на Ваше усмотрение (в том числе, можно и использовать отдельную шкалу на каждый поддиапазон, особенно, если нет возможности тщательно подобрать эталонные конденсаторы моста. Количество отверстий на линии визира будет равно количеству поддиапазонов, столько же будет шкальных линий и свои калибрационные риски на каждой шкальной линии, останется только быть внимательным и использовать соответствующую каждому поддиапазону шкалу. Визиры, которые имеют вид полоски, приклеиваемой к ручке, обычно, в случаях применения нескольких  шкал, изготовляют из прозрачного пластика толщиной менее миллиметра - UA9LAQ).

  После калибровки следует хорошо освоить методы работы с прибором. В положении переключателя S1 “10 пФ” и отсутствии конденсаторов, подключенных к гнёздам Сх можно сбалансировать мост за отметкой “0,1” по шкале потенциометра 1 кОм. Так проявляет себя ёмкость гнёзд для подключения тестируемых конденсаторов и проводов подходящих к ним, которая составляет (при тщательном монтаже) чуть менее 1 пФ. Присоедините конденсатор ёмкостью 1 пФ к гнёздам Сх прибора и проверьте, что баланс моста наступает, когда визир на шкале установлен в положение чуть больше отметки 0,1. Это будет означать, что прибор в этой части диапазона измерения емкостей работает правильно и “чувствует” малые ёмкости. Устанавливайте регулятором громкости уровень звука таким, чтобы чётко слышать момент баланса.

 

Детали

 

  Детали для ёмкостного моста можно приобрести в обычных радиомагазинах: дефицитного ничего нет. Переходной трансформатор 3 кОм / 3 ком, динамическую головку можно применить от малогабаритного старого радиоприёмника. Её сопротивление может быть от 4 до 16 Ом.

Литература: 1. Radio Handbook; William Orr (любое издание); Sams Publications

           2. “Paddyboard  Construction”; Diamond, Amateur Radio, Feb.1995

           3. Test Equipment for the Radio Amateur; Clive Smith, G4FZH, RSGB

 

Примечание: Range Switch - переключатель поддиапазонов

            Vol. Pot – потенциометр - регулятор громкости

            On/Off Switch – выключатель питания

            Speaker – динамическая головка

            Cx – гнёзда подключения испытуемых конденсаторов

            Hi - “горячее” гнездо (не соединённое с общим проводом)

            Lo - “холодное” гнездо (соединённое с общим проводом)

            Lin. Pot - потенциометр с линейной зависимостью сопротивления от

             угла поворота движка (группы А)

            Plain circuit board - монтажная плата с “планарным” монтажом (на

             контактных точках ) -  размерами 110 х 90 мм

            Osc. – генератор

            Amp. – усилитель

            Bridge – мост

 

Свободный перевод с английского  Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень                      ноябрь, 2002 г