Kapazitätsmessplatz                

von Jürgen Kuhn
                                 
   Platz 4 im NE556-Schaltungswettbewerb            
 
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Gerade für Anfänger ist es oft nicht leicht die Kapazität eines Scheibenkondensators zu ermitteln. Entweder gibt es keinen Aufdruck oder der Anfänger kann mit dem Aufdruck von z.B. „104“ nichts anfangen. Sind es nun 100 pF oder 100 nF?



In der Schaltung werden nur Bauelemente aus dem Adventskalender 2011 verwendet. Der erste Timer des NE556 funktioniert als Rechteckgenerator, so wie auf der Rückseite des Kalenders im Bild Elektronikwissen-Nr. 9 dargestellt. Die Frequenz beträgt 5,8 kHz. Es handelt sich um die Grundschaltung des astabilen Betriebs. Am Pin 2 bzw. Pin 6 kann man folgendes Signal sehen:


Signal am Eingang Pin 2 bzw. 6

Am Ausgang des ersten Timers entsteht ein Rechtecksignal, welches an den zweiten Timer des NE556 auf den Reset und Triggereingang geleitet wird. Die Aufgabe des ersten Timers ist somit nur die Erzeugung eines Rechecksignals.


Signal am Pin 5 (Output 1. Timer)

Der zweite Timer des NE556 arbeitet im monostabilen Betrieb. In Abhängigkeit der Kapazität des zu messenden Kondensators (In der Schaltung Cx) ändert sich die Haltezeit und somit letztlich das Tastverhältnis des Rechtecksignals am Ausgang des zweiten Timers Pin 9. Lässt man den Ausgang vorerst unbeschaltet, kann man die verschiedenen Tastverhältnisse für verschiedene Kapazitätswerte gut erkennen:


Ohne Kapazität Cx


Reihenschaltung von 3 Stück 100nF und somit ca. 33nF


Reihenschaltung von zwei Stück 100 nF und somit ca. 50 nF


Verwendung von Cx = 100 nF

Um die Kapazität zu ermitteln, wird aber der Ausgang des zweiten Timers Pin 9 beschaltet. Um die Kapazität bzw. ein der Kapazität proportionales Ausgangssignal zu erhalten, wird folgendes Prinzip ausgenutzt: Je nach Tastverhältnis enthält das Signal einen unterschiedlichen Gleichspannungsanteil. Um diesen auszuwerten wird mit dem Ausgangssignal von Pin 3 der Elektrolytkondensator (10 uF) über zwei in Reihe geschaltete Widerstände (je 10kOhm) aufgeladen. Je höher der Gleichspannunganteil, desto größer wird die Gleichspannung am Kondensator. Damit der Kondensator sich auch gleichmäßig entlädt und man eine Spannung größer 1,6 V erkennt, ist noch die rote Leuchdiode dem Kondensator parallel geschaltet.

Folgende Messwerte habe ich erhalten:

Cx                                    Spannung am Elko/LED
1 Kondensator 100 n        1,7 Volt LED an
2 Kond. in Reihe 50 n       1,5 Volt LED aus
3 Kond. In Reihe 33 n       0,9 Volt LED aus
2 Kond. Parallel 200 n      1,7 Volt LED an

Die rote LED benötigt zum Leuchten etwa 1,6 Volt. Somit leuchtet diese nur bei einem Cx-Bereich von 100 n und dient in der Schaltung als Anzeige eines Kondensators von wenigstens 100 n. Bei Kondensatoren im Piko-Bereich bleibt sie aus. Bei größeren zu messenden Kapazitäten, z.B. Parallelschaltung zweier 100-n-Scheibenkondensatoren, vergrößert sich die Gleichspannung nicht mehr. Das liegt daran, dass das Tastverhältnis nur soweit ansteigen kann, bis das Tastverhältnis des Ausgangssignals des ersten Timers erreicht wird. Somit lassen sich mit der vorliegenden Schaltung Kapazitäten im Bereich von 10 nF bis 100 nF messen. Diese Werte lassen sich zum Experimentieren mit den vorhandenen Scheibenkondensatoren des Kalenders durch Reihenschaltung realisieren. Der Messbereich lässt sich durch Änderung des Widerstands an Pin 13 (Discharge Timer 2) und Änderung der Grundfrequenz des ersten Timers verändern. Aber für die im Kalender vorhandenen Scheibenkondensatoren genügt diese Schaltung völlig.


Zwei Kondensatoren 100 nF in Reihe und somit 50 nF – LED bleibt aus


Nur ein Scheibenkondensator von 100 nF – LED ist an

Als richtiges Kapazitätsmessgerät sollte statt der roten LED ein Drehspulinstrument mit Vorwiderstand und entsprechend kalibrierter Skale eingesetzt werden.

Viel Spaß beim Experimentieren!