Danas je nabavljen mjerač kapaciteta kondenzatora. Instrument na sebi nema nikakve druge oznake te je moguće da se radi o nekom nedovršenom tvorničkom prototipu ili pak instrumentu rađenom u amaterskoj samogradnji. Instrument je u dobrom vizualnom stanju, međutim, nigdje se ne uočava priključnica za izvor napajanja. Postoji mogućnost da je unutar kućišta predviđeno mjesto za bateriju, dakle, ne preostaje drugo nego otvoriti kućište instrumenta.
U unutrašnjosti se zatekao uredno smotan mrežni kabao što znači da se ovdje svakako radi o nekom nedovršenom projektu. Uočava se mrežni transformator sa stabilizatorom napona od 5V (78L05), pločica sa glavnim sklopovljem instrumenta, šest-položajna dvostruka sklopka za odabir mjernih područja ispitivanih kapaciteta, pločica sa trimer potenciometrima za kalibraciju skale instrumenta na pojedinim mjernim opsezima, tri sklopke za odabir mjernog područja instrumenta, te sam instrument – mikroampermetar.
Glavna pločica instrumenta sadrži dva logička integrirana kruga: 7413 (dva nezavisna NAND vrata sa schmittovim okidačima svaka sa četiri ulaza) i 74121 (dvostruki monostabil sa svojstvom ponovog okidanja). Desno od njih na pločici se uočava šest mjernih kondenzatora, a lijevo su trimeri za kalibraciju skale instrumenta na njegovim mjernim područjima.
Jeftini mjerači kapaciteta kakvi se obično susreću u samogradnji baziraju se na monostabilnom multivibratoru (monostabilu) koji može biti okidan oscilatorom pravokutnog napona. Na izlazu iz monostabila dobije se pravokutni signal kojem je odnos napon-pauza (duty cycle) određen kapacitetom priključenog kondenzatora. Kad takav napon dovedemo na analogni mjerni instrument on će pokazivati efektivnu vrijednost toga pravokutnog napona. Ukoliko je kondenzator većeg kapaciteta, trajanje napona u pravokutnom signalu će biti veće od trajanja pauze, čime će efektivna vrijednost takvog napona biti veća, pa će i otklon kazaljke biti veći. S obzirom da je veličina izlaznog napona kritična poželjno je monostabil napajati stabiliziranim naponom 5 V kako bi na mjerenje izlaznog napona imao utjecaj samo duty cycle odnos.
Monostabil možemo promatrati kao digitalnu elektroničku sklopku. Kada nema nikakve pobude na ulazu (logička 0) monostabil će na izlazu zadržavati jedno stabilno logičko stanje. Tek kad se ulaz pobudi nekim kratkim naponskim impulsom (logička 1) monostabil će promijeniti stanje na izlazu, ali u tom stanju više neće ostati trajno, već samo neko određeno vrijeme, a trajanje tog vremena ovisi o vanjskim RC elementima monostabila, odnosno o kapacitetu kondenzatora i otporu kroz kojeg se taj kondenzator prazni. Ovo stanje se stoga naziva nestabilno ili kvazistabilno. Kada to vrijeme prođe, monostabil se ponovno vraća u prvobitno stabilno stanje.
Iz svega je jasno da ćemo dovođenjem neke vanjske pobude na ulaz monostabila (ona može biti i ručna preko nekog tipkala kojim ćemo dati kratkotrajni impuls npr. 5V) na izlazu iz monostabila dobiti naponski impuls čije trajanje je proporcionalno kapacitetu kondenzatora. No, taj jedan jedini kratki naponski signal koji ćemo dobiti na izlazu nije podesan za izravno mjerenje već bi trebali dobiti neprekidni niz takvih signala, što bi onda činilo neki stalni napon koji možemo mjeriti na instrumentu proizvoljno dugo vrijeme. Stoga je za ponavljajuće okidanje monostabila najbolje upotrijebiti neki vanjski oscilator pravokutnih impulsa stalne frekvencije.
Kao monostabil sa svojstvom ponovog okidanja u primjeru našeg mjerača kapaciteta upotrijebljen je integrirani krug 74121, dok se oscilator temelji na integriranom krugu 7413 koji sadrži dva NAND Schmitt okidača sa po četiri ulaza. Vidimo na pločici da su ulazi kod oba NAND vrata spojeni, čime smo onda dobili dva inverterska Schmitt okidna sklopa. Schmittov okidni sklop pretvara ulazni signal bilo kojeg valnog oblika u pravokutne impulse iste frekvencije. Jedan inverterski Schmitt okidni sklop spojen je stoga kao oscilator pravokutnog napona čija frekvencija je određena vanjskim RC elementima. Otpornik oscilatora je u našem slučaju fiksni, dok se kondenzator mijenja sklopkom za odabir mjernih područja. Kondenzatori za pojedina područja imaju redom vrijednosti 1n, 10n, 100n, 1u, 10u, 100u. Sukladno tome, na izlazu iz oscilatora izmjerili smo frekvencije 3MHz, 300kHz, 30kHz, 3kHz, 300Hz, 30Hz. Viša frekvencija okidanja potrebna je za manje mjerne opsege jer će kod manjih kapaciteta i kvazistabilno stanje monostabila trajati kraće, pa su potrebne kraće pauze (viša frekvencija okidanja) kako bi efektivna vrijednost napona za otklon kazaljke bila paralelno ista na svim opsezima. Drugi inverter koristi se kao stupanj za odvajanje (buffer) između oscilatora i monostabila.
Rekli smo kako monostabilni multivibrator – monostabil ima jedno stabilno stanje (vremenski neograničenog trajanja) i jedno kvazistabilno stanje (vremenski ograničenog trajanja). Slično tome bistabilni multivibrator – bistabil ima oba stanja stabilna, dok astabilni multivibrator – astabil ima oba stanja kvazistabilna. Astabil će dakle stalno sam od sebe mijenjati svoja stanja, također frekvencijom koja je određena RC krugom, odnosno vremenom pražnjenja kapaciteta preko otpornika. Na taj način se svaki astabil može iskoristiti kao oscilator pravokutnog napona.
Ovaj instrument ima puno kritičnih elemenata i puno točaka za kalibraciju i podešavanje. Možda bi bilo zgodnije da su mjerni opsezi izvedeni promjenom otpora, a ne promjenom kondenzatora u krugu oscilatora, jer je otpornike niske tolerancije puno jednostavnije i jeftinije nabaviti, a osim toga mogu im se vrlo jednostavno dodati i trimer potenciometri za kalibraciju. Naš instrument testirali smo na svim mjernim opsezima poznatim vrijednostima kapaciteta i ispostavilo se da je isti zadovoljavajuće precizan. Na opsegu skale x1 identificirani su ovi mjerni opsezi: 0-10p, 10-100p, 100p-1n, 1n-10n, 10n-100n, 100n-1u. Osjetljivost skale može se sklopkama smanjiti na x3 i taj opseg se koristi za lakše očitanje graničnih vrijednosti pojedinog opsega (npr. vrijednost 100p teško je očitati kao puni otklon skale na nižem mjernom opsegu ili nula otklon na višem, lakše je tu vrijednost precizno očitati kao 300p oko treće podjele skale). Također, osjetljivost skale može se smanjiti i na x10 i tada instrument mjeri do 10u. Na tom mjernom mjernom opsegu ciklusi su tako spori da je primjetno treperenje kazaljke instrumenta prilikom mjerenja.
Mi smo danas navikli na digitalne mjerače kapaciteta koji sami biraju frekvencije i opsege, prikazuju izravne brojčane vrijednosti, a kalibracija se svodi na eventualno resetiranje “nule” kako bi se poništio parazitni kapacitet između mjernih vodova.
Tko zna zašto je “JYMY83” odustao od završetka ovog svojeg instrumenta. Možda ga je jednostavno pregazilo vrijeme, a volju mu do kraja uništila ponuda jeftinih i lako dostupnih digitalnih mjerača kojima je svakom elektroničaru danas teško odoljeti… pa ako ni zbog čega drugog, svakako zauzimaju puno manje mjesta na našem uvijek skučenom i pretrpanom malom privatnom elektroničkom kutku 🙂