Kapazitätsmessbox mit NE555 bzw. SE555
erster Aufbau in einem Standard-Gehäuse (110*70*50mm)
Projekt-Beschreibung:
Kapazitätsmessung mit PC / Soundkarte
Messumsetzung : NE555 bzw. SE555
Bauteilaufwand : gering
Bauteilkosten : ca. 25 Euro
Schwierigkeitsgrad : mittel
Grundüberlegungen
Kapazitätsmessungen mit dem NE555 gelten in der allgemeinen
Fachliteratur als relativ ungenau.
Betrachtet man die dazugehörigen Schaltungen, ist dies auch
kein Wunder, denn in vielen Details wurde schlichtweg geschlampt.
Es macht wenig Sinn, mit präzise ausgemessenen Kondensatoren zu
arbeiten, wenn die Versorgungsspannung im Takt der Messung schwingt,
weil die Spannungsquelle zu hochohmig ist.
Ebenso ist in vielen Schaltungen die Versorgungsspannung zu
hoch gewählt : damit arbeitet der NE555 dann im ungünstigen Bereich.
Grundvoraussetzungen für präzises Messen:
1) Niederohmige und schwingungsstabile Versorgungsspannung
2) Verwendung einer Referenz
3) hochohmig belasteter Ausgang (> 50KOhm)
4) Kalibriermöglichkeit von Cv (0,6667 Vcc)
5) Benutzung des idealen Spannungsbereiches für den NE555
6) Verwendung des richtigen Frequenzbereiches
7) Eingrenzung des Messbereiches
zu 1) Um eine stabile Versorgungsspannung zu erhalten, muss diese
ausreichend durch Elkos gepuffert sein. Hierbei gilt jedoch nicht:
viel hilf viel. Theoretisch wäre das Problem mit beispielsweise
47000µF schon gelöst, aber : mal abgesehen davon, dass ein derartiger
Kondensator über kurz oder lang den Gleichrichter verrauchen lässt
(ein Gleichrichter mit 1 A reicht hier völlig), enstehen durch die
Ladungs-Stromspitzen wieder Schwingungen, die wir ja eben nicht haben
wollen; da hilft auch kein Parallelschalten von 2,2µF oder Ähnliches.
Aus diesem Grund wird die Pufferung etwas verteilt.
C1, C2 bilden die ersten Pufferkondensatoren, diese können sich noch
außerhalb der Platine befinden. C5 dient nochmals als Pufferung der
positiven Betriebsspannung, da die Symmetrische Betriebsspannung
ungleichmäßig belastet wird - der NE555 arbeitet nur im Bereich der
positiven Betriebsspannung. Über R1 wird die Versorgungsspannung nochmals
entkoppelt und mit C6 und C7 gepuffert. Die Kondensatoren C9..C11 sind
direkt neben dem NE555 zu plazieren, beginnend mit C11 (kann auch auf
der Lötseite montiert werden).
IC2, der LF412 wird über R2 ebenfalls entkoppelt
und mit C3 und C4 nochmals gepuffert.
Die angegebenen Werte gelten für Messungen bis 10µF.
Für Messungen, die über diesen Bereich hinausgehen sollen, ist der Wert
der Kondensatoren wie folgt anzupassen :
C1, C5, C7 : Nennkapazität / 100µF * (X[µF] / 2,828) , X = max. Messkapazität
C3, C10 : Nennkapazität / 100µF * (X[µF] / 4) , X = max. Messkapazität
C9 : Nennkapazität / 100µF * (X[µF] / 1,7) , X = max. Messkapazität
zu 2) Die verwendete Referenz besteht aus C12, C13 und C14. C12 und C13
sind Folienkondensatoren mit einer Toleranz von +-2% vom Typ MKS oder
MKP, auch MKP-Q4 sind benutzbar. C14 ist ein Silber-Glimmer Kondensator
und sollte im Bereich 100pF ... 330pF liegen. Die Gesamtkapazität errechnet
sich zu C[gesamt] = C12+C13+C14. Diese Gesamtkapazität wird später in
der dazugehörigen Software (in pF) eingetragen.
Somit ist auch die Arbeitsweise klar : der mit dem NE555 aufgebaute Oscillator
schwingt immer (auch ohne zu messenden Kondensator Cx). Die Software errechnet
dann aus der Differenz der unbeschalteten Frequenz zur beschalteten Frequenz
den Kapazitätswert. In den hier angegebenen Dimensionen können Kapazitäten
im Bereich 1pF ... 470nF gemessen werden.
zu 3) Der Ausgang des NE555 arbeitet über einen Koppelkondensator von 3,3µF
(MKT oder MKP) auf einen Belastungswiderstand, bestehen aus R11, R12 und R11).
Über R12 wird der Pegel eingestellt. Der LF412 arbeitet als Impedanzwandler
(mit einer geringen Verstärkung von etwa 1,1). Das Widerstandsnetzwerk aus
R17 und R18 dient zum Abgleich der Offset-Spannung. der Ausgang des LF412 wird
mit dem Line-Eingang der Soundkarte verbunden. Es kann ein Schutzwiderstand
von 1KOhm ... 2,2KOhm verwendet werden. Der Resonanzfrequenzbereich liegt
zwischen 20Hz und 20KHz, so dass der LF412 nicht kompensiert werden muss.
Für R18 ist ein 20-Gang-Spindeltrimmer zu benutzen.
zu 4) Mit R3, R4, R5 und R6 ist eine Kalibriermöglichkeit von Cv realisiert.
C8 dient zum Stabilisieren der Referenzspannung. An Pin 5 (Cv) des NE555 muss
eine Spannung von 2/3 Vcc anliegen.>>>Ersetzt durch LTC8852 und 1/2 LF412
R9 ist so einzustellen, dass der Widerstand zwischen Schleifer (Pin7, disc)
und Vcc incl. R8 12,5KOhm beträgt.
Hier sollten 20-Gang-Spindeltrimmer benutzt werden.
Eine weitere Möglichkeit bietet eine Spannungsreferenz mit nachgeschaltetem
Impedanzwandler.
zu 5) Der NE555 arbeitet mit niedrigsten Verzerrungswerten und besten Geschwindigkeiten
bei einer Spannungsversorgung zwischen 5,5V bis 6,5 V. Bei Spannungen wie 9V oder
15V (auch schon gesehen) steigt die Fehlertoleranz stark an, wogegen die Belastung durch
Isink (Entladen des Kondensators) weit weniger Einfluß hat.
Aus diesem Grund wurde eine Versorgungsspannung von +-6V gewählt, +6V für den NE555 / SE555.
Der Timingfehler in Abhängigkeit vom Versorgungsspannungsdrift beträgt beim NE555 0,15% .. 0,3%
beim SE555 0,03 % .. 0,05%. Hieraus ergibt sich auch die Notwendigkeit einer sehr sorgfältigen
Planung der Versorgungsspannung.
zu 6) Der Ne555 hat Timing-Fehler im Bereich von 50nS ... 200nS. Werden jetzt Messfrequenzen
von einigen 100KHz benutzt, ist der Fehlerbereich dermaßen groß, dass man bestenfalls in
der E12 - Reihe schätzen kann. Daher darf die max. Messfrequenz nicht höher als 20Khz sein,
womit dann auch Standard-Soundkarten / On-Board-Sound benutzt werden können.
zu 7) Die Teilschaltung um den NE555 sollte für einen Messbereich ausgelegt sein, der max.
6 Dekaden (besser nur 5,5 Dekaden umfasst, da zu den Endbereichen hin die Toleranz ansteigt.
Ein Umfang aus 6 Dekaden ist das Maximum : Begrenzung durch die Soundkarte und verwendete
Samplingfrequenz.
Aufbauhinweise:
Die ganze Schaltung passt auf eine Platine von 60*75mm. Die Buchsen für Cx sollten
direkt auf die Platine gelötet werden. Soll in anderen Bereichen gemessen werden, so ist
die Schaltung ein weiteres Mal aufzubauen. Das Benutzen von Schaltern und weiteren
Referenzkapazitäten verbietet sich hier, da durch diese Bauteile weitere Kapazitäten
entstehen, die schwer kontrollierbar sind.
Die Platine wird in ein Metallgehäuse eingebaut, wobei eine Seite (Frontseite) aus
PTFE (Teflon) besteht, in die die Buchsen montiert werden. Das Gehaüse muß allseitig
einen Abstand von 10mm zur Platinenfläche bzw. zu den Bauteilen haben. Idealerweise
sollte die Gehäuseinnenfläche mit Teflonspray beschichtet werden. Die Spannungszuführungen
bzw. der Ausgang kann über gute Chinch-Buchsen - die einen Teflon-Träger besitzen - erfolgen.
Die Verbindung Gehäuse (Abschirmung) nach Masse geschieht am besten von der Aussenseite des
Gehäuses zu einen sog. zentralen Massepunkt,
beispielsweise auf der Platine der Spannungsversorgung.
Das Netzteil
Der Aufbau des Netzteiles ist eine Standard-Version ohne Besonderheiten. Als Spannungsregler
kommen die Typen 7806 und 7906 zum Einsatz. Diese Spannungsregler sind für 1 A ausgelegt und
können ohne Kühlkörper montiert werden. der Transformator ist in der Leistung etwas über-
dimensioniert, dafür arbeitet er nicht im Sättigungsbereich und liefert eine etwas höhere
Wechselspannung als die Nenspannung 6V. Dies wird benötigt, damit die Spannungsregler
korrekt arbeiten können. C3 sollte ein Keramikkondensator sein. C2 und C3 sind direkt neben
den Spannungsreglern zu montieren.
Modifikationsmöglichkeiten
-Aufkleben der Referenz-C's und des 555 auf einen Kühlkörper, welcher durch Lastwiderstand
oder Halbleiter auf 35°C beheizt wird. Dies ist mit einer einfachen Regelschaltung unter
Benutzung eines PTC's oder NTC's realisierbar.
-Minimierung der Toleranz des Referenz-Kondensators:
Ausmessen der Toleranz, so dass gleich viele (z.B. 4St. und 4St.) Kondensatoren mit gegenläufiger
Toleranz vorliegen. Parallelschalten oder Netzwerk aus den ausgemessenen Kondensatoren bilden.
Hierzu ist es unwichtig, ob das benutzte Messgerät größere Messfehler aufweist, da es diese Fehler
auf allen Messungen anwendet - wichtig ist nur, eine Tendenz des Toleranzbereiches festzustellen.
Hierzu sollten die verwendeten Kondensatoren nicht (!!!) aus einer Charge stammen.
Als stabile Kondensatoren haben sich Silber-Glimmer-Kondensatoren bewährt, die es in einer Toleranz
von +-0,5% , 1% und 2% gibt.
Die Preise für solche kondensatoren sind moderat, so dass sich "relativ" günstig ein guter Referenz-
kondensator herstellen lässt:
ca. 1,40 Euro für 1nF +-1% 63V,
ca. 3,20 Euro für 10nF +-1% 63V.
-Verwendung einer "guten" Soundkarte.
Standard-Soundkarten weisen zum einen einen hohen Klirrfaktor auf
(wird durch die Software eleminiert) und haben zum anderen einen unstabilen Pegel
bzw. weisen Umrechnungsfehler auf,
was zu Ungenauigkeiten (Sprüngen) in der Wiedergabefrequenz führen kann.
Als Ansatzpunkt für eine gut zu verwendenden Soundkarte kann hier z.B.
Soundblaster Audigy gelten.
Zu erreichende Toleranzen
- mit OnBoard-Sound : +-2,5% ... +-1,5%
- Standard-Soundkarte : max +- 1,5%
- mit Soundblaster Audigy2 : max. +-0,5 %
-Verwendung einer externen Soundkarte
unter Verwendung einer externen - kein Schaltnetzteil !!! - Spannungsversorgung:
auch die Taktung der Schaltnetzteile kann sich negativ auf das Messergebnis auswirken.
Bei einigen Soundkarten hat man die Möglichkeit,
die Spannungsversorgung noch mal extra durch Elko's zu puffern.
-Verwendung des LTC6652 - 4096mV als Spannungsreferenz für Cv des NE555.
Schlussbetrachtungen:
Der NE555 kann sehr wohl als Generator mit sehr genauen Messergebnissen genutzt werden, wenn
beim Aufbau und Schaltungsdesign einige Punkte beachtet werden. Überdies sind die verwendeten
Bauteile recht preisgünstig, womit die Schaltung ohne weiteres mit Messbrücken mithalten kann,
die ein Vielefaches kosten. Der SE555 arbeitet etwa um den Faktor 1,33 genauer als der NE555.
Wenn der SE555 verfügbar ist, sollte er dem NE555 vorgezogen werden.
Nachtrag : meins Wissens ist der SE555 derzeit nur bei Farnell zu beziehen.
Statt der Schaltung mit dem LTC8852 kann die Referenzspannung (Cv) auch mit
einem LM317 in Standardbeschaltung erfolgen.
Hinweis:
C12 ... C14 bilden die Referenzkapazität, diese ist in der Software als Referenzwert einzutragen.
der voreingestellte wert beträgt 0,65nF, jedoch sind auch andere Werte möglich.
Das Schaltbild
Halbleiter :
Ne555, besser Se555
LF412
LTC8852 oder LM317
andere Bauteile, siehe Text
Screenshot der Software :
Die Software laüft ab NT4
bis XP
Anforderung per Kontaktformular
Die Software ist FREEWARE
Unter Win7 läuft die Software nur in einer virtuellen Umgebung,
da ab Win7 die Verwaltung der Eingangskanäle der Soundkarte
grundsätzlich geändert verwaltet werden.
Eine Weiterentwicklung ist derzeit nicht geplant.
Die Ausführung unter Windows 7 in
einer virtuellen Umgebung
- wie z.B. VirtualBox (Sun)
ist uneingeschränkt möglich,
wenn in der VM ein Betriebssystem
wie NT4 ... XP istalliert ist.
