Article gratuit : Capaci-Meter avec 'Dekatron'

17 janvier 2020, 07:00

Auteurs : Jez Siddons & Saar Drimer
Avec son afficheur à seulement deux chiffres, cet instrument de mesure, sans offrir la plus grande précision, fait un excellent indicateur de tendance. Il vous dit p.ex. si le condensateur testé est proche de la valeur souhaitée, ce qui est utile p.ex. quand la valeur imprimée sur le composant est illisible, mais que sa capacité exacte, au pouième de farad près, vous importe peu.

Plage de mesure et précision

Ce capacimètre offre quatre plages de mesure (tableau 1). La capacité minimale de chaque calibre est en fait la limite de la résolution du compteur (ainsi que de la gigue), donc le minimum est généralement le double de la résolution de la mesure. Comme pour toute mesure, il est bon de choisir la plage de mesure qui donne une valeur aussi proche que possible du maximum, mais toujours inférieure à la pleine échelle.

La précision normale est de l'ordre de ±5%, mais améliorable dans chacune des quatre gammes au moyen de quelques résistances de réglage fin. Un affichage à 2 chiffres n’offre toujours qu'une précision théorique maximale de ±1% de la pleine échelle. De plus, la quantification et la gigue peuvent augmenter l’erreur de ±1 chiffre. Il paraît donc réaliste d’attendre de cet appareil ±2% de précision à pleine échelle, à condition que les quatre plages soient bien réglées.

Façon Dekatron

Deux cercles de dix LEDs composent l'affichage à deux chiffres du Capaci-Meter. Ces cercles rappellent les Dekatrons utilisés comme afficheurs bien avant l'avènement des puces, des LED et même des transistors. Afin d’obtenir un affichage plus intuitif et contrairement aux décatrons d'origine, les LEDs sont disposées ici comme sur un cadran d’horloge (fig. 1 et 2).
 

Figure 1. Si la plage de mesure est 0,0 – 9,9 μF, la valeur affichée '47' représente 4,7 μF.
Figure 2. Zéro (à gauche) et '99' (à droite) :  Soit la capa mesurée a exactement cette valeur
(pleine échelle), soit sa valeur dépasse la plage de mesure.

Gigue ou instabilité

Il est possible que l'affichage hésite entre deux valeurs (fig. 3). Cela peut se produire quand la capacité mesurée est à la limite entre deux calibres, ou en présence d’un parasite électrique qui cause cette instabilité. Dans la plupart des cas, la valeur affichée reste lisible même avec de la gigue. Sauf quand celle-ci se produit entre 9 et 0, car il en découlerait également une gigue des dizaines, plus gênante.
 

Figure 3. L'affichage oscille entre '39' et'40'. Cette gigue déroute un peu au début.
Elle se produit généralement entre valeurs adjacentes (comme 39 et 40).
Il n'oscille pas entre '30' et '49' qui ne sont pas des valeurs adjacentes.

Principe de mesure

Ce capacimètre mesure à répétition le temps de charge du condensateur sous test (Cx) jusqu’à une valeur donnée, à travers une résistance de valeur connue. Le circuit comprend trois sections principales :

  • Horloge Cx (où Cx est le condensateur testé) : un simple générateur d'impulsions basé sur 555 (U3A, moitié d'une puce 556 à double temporisateur). La durée des impulsions est proportionnelle à la capacité Cx.
  • Horloge maîtresse : une onde carrée utilisée par le compteur pour mesurer le temps. En changeant la fréquence de l'onde carrée, nous pouvons changer la plage de mesure effective de l'instrument entier.
  • Compteur/afficheur : compte les fronts ascendants du signal de l'horloge maîtresse. Ce faisant, il mesure le temps. Les compteurs commandent également les LEDs qui forment l'afficheur.

L'horloge maîtresse produit des impulsions envoyées au compteur/afficheur. Lorsque le signal d'horloge Cx est haut, le compteur compte les impulsions de l'horloge maître. Lorsqu’il est bas, l'horloge maîtresse est désactivée (fig. 4) et le compteur s'arrête. En même temps, les LEDs s'allument pour indiquer la valeur comptée.
 

Figure 4. La durée de (A) dépend de la valeur de Cx. Le compteur compte les
impulsions de l'horloge maîtresse (2) uniquement lorsque l'horloge Cx (1) est
haute (B). Lorsqu'elle est basse, la valeur s'affiche (C).

Démarrage du comptage à zéro

Pour s'assurer que le compteur part de zéro chaque fois que le comptage commence, le compteur est initialisé sur le front montant du signal d'horloge Cx. C’est un différentiateur simple (R12/C8) qui s’en charge en donnant des impulsions très étroites à chaque front montant et descendant du signal rectangulaire (fig. 5). Pour éviter que les compteurs ne reçoivent des signaux qu'ils ne pourraient pas traiter, la diode D4 supprime les impulsions négatives.
 

Figure 5. (1) est l'horloge Cx, (2) le signal de r.à z. des compteurs.
Le différentiateur R12/C8 produit une impulsion positive en réponse à un front
montant sur son entrée et une impulsion négative si ce front est descendant.
Pour éviter d'endommager les compteurs, D4 limite l'impulsion négative à
environ –0,6 V. Les valeurs de R12 et C8 déterminent le taux de décroissance
du signal différencié. Ici, nous avons choisi des valeurs qui donnent
environ 66% de décroissance en 10 μs, déterminées simplement par T = R × C.

Le schéma complet du Capaci-Meter est sur la fig. 6.
 

Figure 6. Le schéma complet du Capaci-Meter (nom original anglais de ce kit).

Blocage du dépassement

Ce n’est pas indispensable, mais le comptage est limité à 99 pour éviter les valeurs tronquées ambiguës au-delà de 99. D'un point de vue logique, on arrête le décompte lorsque les deux unités ET les dizaines sont à 9. Il nous faut donc un opérateur ET, confectionné avec une paire de diodes (D2 & D3) et le MOSFET Q1. Maintenant, lorsque le niveau de la sortie ‘9’ des deux compteurs est haut, l'horloge maîtresse est forcée vers le bas par Q1 pour bloquer la poursuite du comptage.

Fréquences d'horloge maîtresse

Nous voulons que le compteur compte jusqu'à 99 pour une capacité à pleine échelle dans la gamme où nous sommes. Par exemple, en testant un condensateur de 9,9 μF sur la plage supérieure, nous voulons que le compte atteigne exactement 99. Dans notre circuit, la durée du niveau haut issu de l'horloge Cx est déterminée par les valeurs de R10, R11 et Cx , avec la formule suivante :

THAUT = 0,693 × (R10 + R11) × Cx

Avec les valeurs données pour R10 et R11 et 9,9 μF pour Cx, cela nous donne une durée de niveau haut de 0,981 seconde. Pendant ce temps, nous voulons compter 99 impulsions de l'horloge maîtresse. La fréquence de l'horloge maîtresse devrait donc être :

fhorloge = 99 / 0,981 = 100,9 Hz

C'est la fréquence requise pour la gamme 9,9 μF. Si nous réduisons la plage de capacité d'un facteur 10 (jusqu'à une pleine échelle de 0,99 μF) et que nous voulons toujours compter jusqu'à 99, alors la fréquence de l'horloge maîtresse doit être augmentée d'un facteur 10, et ainsi de suite.

Ces fréquences sont les valeurs théoriques cibles pour chaque gamme, les fréquences réelles peuvent différer légèrement en raison des tolérances des composants de l'horloge maître. Si vous le souhaitez, vous pouvez les affiner en ajustant la valeur des paires de résistances correspondantes R1 & R1', R2 & R2', R3 & R3' et R4 & R4'. Sans aucun réglage, la précision sera probablement de ±5% de la pleine échelle, peut-être même mieux.

Mesurez la fréquence de l'horloge maîtresse en surveillant la broche 9 de U3 tandis que les fils de test du condensateur sont court-circuités. Notez que les résistances de réglage fin R1', R2' et R4' (mais pas R3') sont court-circuitées sur le circuit imprimé, ce qui implique de supprimer ce court-circuit avant de monter l'une d'elles.

Écart des valeurs théoriques

Pour couvrir les quatre plages de mesure, l'horloge maîtresse doit produire des fréquences d'environ 100 Hz à 100 kHz. Selon la fiche technique du 555, la fréquence est calculée comme suit :

f = 1,44 / (C6 × (R8 + 2 × Rx)) Hz

Ici Rx est soit R1 + R1', R2 + R2', R3 + R3' ou R4 + R4'. Malheureusement, à mesure que nous approchons des fréquences supérieures, la fréquence de sortie réelle s'écarte de la valeur théorique. Cet écart a été pris en compte lors du choix des résistances de réglage de gamme. Toutefois, il pourrait y avoir un certain avantage à apporter des ajustements supplémentaires, comme nous l'avons expliqué plus tôt.

 

Montage du Capaci-Meter

Comme d'habitude, commencez par monter les petits composants,diodes et résistances, puis progressez vers les composants plus encombrants. Notez que R1', R2' et R4' ne doivent pas être montées, R3' par contre doit l’être. Assurez-vous que tous les composants polarisés (dans ce projet, tous sauf les résistances, les condensateurs en céramique et les connecteurs) sont correctement orientés. L'utilisation de supports pour U1, U2 et U3 est fortement recommandée. Passez les fils de la batterie dans deux trous du circuit imprimé avant de les souder sur les pastilles.

Test

Commencez par vérifier l'ensemble de la carte. Pas de court-circuit ? Les circuits intégrés sont-ils bien implantés ?

Placez un cavalier sur l'un des connecteurs de sélection de gamme. Branchez une pile de 9 V. Les LED vertes devraient s'allumer, éventuellement en plus aussi une LED rouge sur le cercle de droite. Trouvez un condensateur d'une valeur connue comprise dans l'une des quatre plages de mesure, par exemple 47 nF pour la plage 99 nF. Appliquez le condensateur sur les deux contacts de test ou utilisez des cordons d'essai si vous le souhaitez (les trous dans les contacts conviennent pour des fiches bananes de 2 mm et de 4 mm). La valeur du condensateur doit apparaître sur l'afficheur. Si ce n'est pas le cas, vérifiez la plage sélectionnée et revérifiez vos soudures.

Le Capaci-Meter peut être alimenté soit par une batterie de 9 V (J3), soit par une source d'alimentation externe de 7 à 15 V continus connectée à J2.

Ne les connectez jamais en même temps. J1 n'est utilisé qu'à des fins de test ; ne l'utilisez pas comme source d'alimentation.

Salut

Je remercie ici Stephen Bernhoeft pour son œil critique, ses conseils et sa clarté dans le raffinement et la mise à l’épreuve de ce circuit. Merci également à Saar Drimer de Boldport pour son circuit imprimé.

J'espère que vous apprécierez autant que moi la construction et l'utilisation de ce projet.


► Elektor est réputé pour la qualité de son contenu. En voulez-vous davantage ?
► Abonnez-vous maintenant au magazine  Elektor et ne manquez plus jamais aucun de ces articles précieux ni aucun de ces projets géniaux.

 

Chargement des commentaires...
articles apparentés