Studiu de Caz Proiectarea Unui Sistem de Masurare a Inductantelor Si Capacitatilor de Valoare Micadocx

=== Studiu de caz – proiectarea unui sistem de masurare a inductantelor si capacitatilor de valoare mica ===

V. Studiu de caz

Proiectarea unui sistem de măsurare a inductanțelor și capacităților de valoare mică (magnitudine de nH respectiv pF)

5.1 Introducere

Prezenta lucrare reprezintă realizarea practică a unui LC-Metru, un instrument de măsurare care permite determinarea valorii inductanței unei bobine sau capacității unui condensator prin afișarea directă a măsurătorii. Acest dispozitiv de măsurare poate fi foarte util atât în dotarea unui laborator, cât și în atelierul oricărui pasionat de electronică.

Domeniul de măsurare al aparatului este cuprins între 0 și 0.1 µF în cazul măsurării condensatoarelor (se pot măsura și până la 0.22 µF, dar cu o eroare de măsurare relativ mare aproximativ 3%) și în cazul măsurării inductanțelor bobinelor, cu o valoare cuprinsă între 0 și 10 mH. În general precizia aparatului este de ±1% adică ± 0.1 pF pentru capacități și ±10 nH pentru inductanțe.

Calculul valorilor măsurate și afișarea rezultatelor se face cu ajutorul unui microcontroller (PIC16F628A) și folosind un display de 16 caractere pe două rânduri (16×2). Alimentarea se poate face prin doă moduri:

– la 9V cu ajutorul unei baterii de tip 6LR61 conectată la intrarea integratului LM7805;

– direct cu ajutorul unui adaptor la o tensiune de 5V;

– folosind o sursă de tensiune de laborator.

Curentul mediu consumat de aparat este relativ scăzut și este cuprins între 8-10 mA (fără iluminarea display-ului).

5.2 Funcționarea aparatului. Descrierea principiului de funcționare.

Aparatul are la bază măsurarea frecvenței de oscilație a unui oscilator LC. În primă fază, se efectuează măsurarea frecvenței inițiale a oscilatorului LC, iar apoi este introdusă în circuit o capacitate cunoscută (capacitate de calibrare) măsurându-se din nou frecvența, având această capacitate în circuit.

Oscilatorul LC care stă la baza aparatului este compus din bobina L=100µH respectiv condensatorul C=1nF. Capacitatea de calibrare Ccal, este aplicată în paralel cu condensatorul din oscilator, prin intermediul releului RY1. Dioda 1N4148 conectată în paralel cu bobina releului are rolul de protecție al microcontrolerului față de curentul autoindus ce apare la conectarea/deconectarea acestuia.

Prin apăsarea butonului „Reset”, pinul 4 al microcontrolerului este conectat la masă, declanșându-se astfel procedura de calibrare a dispozitivului prin aplicarea valorii Ccal. Reglajul contrastului display-ului se face prin potențiometrul de 1kΩ.

Schema de principiu a montajului este prezentată în figura următoare (figura 5.1.1).

Figura 5.1.1 Schema de principiu a unui LC-metru

După efectuarea pașilor de calibrare (descriși mai sus) se poate aplica capacitatea sau inductanța ce trebuiesc măsurate iar microcontrollerul prelucrează, cu ajutorul relațiilor matematice de mai jos rezultatul măsurătorii.

În cazul condensatoarelor:

În cazul bobinelor:

5.2 Realizarea practică

Prima etapă în realizarea aparatului a fost alegera tipului de cablaj utilizat. Atât din motive de costuri cât și datorită simplității acestuia s-a optat utilizarea unui cablaj de test standard, în simplu strat.

Pe lângă aceste aspecte, trebuie ținut cont de faptul că tot procesul de imprimare a cablajului pe folia de retroproiector, folosind o imprimantă cu laser, apoi tăierea cablajului imprimat la dimensiunile corespunzătoare, lipirea cu ajutorul fierului de călcat, expunerea la raze UV, corodarea în clorura ferică, realizarea montajului într-un program de PCB design etc. duc la mărirea timpului de execuție precum și la costuri suplimentare.

O altă etapă în vederea realizării montajului constă în alegerea și plasarea componentelor pe placa de test, lipirea terminalelor display-ului, a butoanelor precum și a suportului (adaptorului) folosit pentru măsurarea componentelor.

În special nu sunt necesare componente precise, cu excepția unora:

– Condensatorii externi să fie de precizie, de valoare cunoscută, utilizați pentru calibrarea aparatului.

– Cele două condensatoare de 1nF ar trebui să fie destul de bună calitate. Cele din polistiren ar fi de preferat. Se pot folosi și cele de tipul MKT. Condensatoarele de tipul „greencaps” tind să se abată în valoare prea mult. Sunt de evitat condensatoarele ceramice. Unele dintre acestea pot avea pierderi mari.

– Cele două condensatoare 10µF în oscilator ar trebui să fie tantal (pentru joasă rezistență serie/inductanță).

– Cristalul 4MHz ar trebui să fie unul de frecvență fixă 4MHz și nu ceva aproximativ la 4MHz. O eroare de 1% din frecvența cristalului adaugă o eroare de 2% la valoarea inductivității indicate de către aparat.

– Releul ar trebui să fie unul curent redus (reed relay) deoarece microcontrollerul poate oferi un curent de antrenare de doar aproximativ 30mA.

– Dioda de comutație de pe bobina releului, care are rol de protecție de protecție !

O altă etapă importantă în realizarea lucrării este reprezentată de scrierea programului în memoria microcontrollerului. Este de la sine știut că microcontrollerul trebuie programat, în funcție de utilizarea sa. Efectuarea acestei proceduri s-a efectuat cu un kit de programare MPLab, versiunea 3. S-a folosit un cod sursă existent pe internet (https://sites.google.com/site/microembededfiles/home/november/LCmeterfirmwareandschematic.rar?attredirects=0&d=1 – accesat la data de 23 Mai 2016) de unde s-a utilizat programul în format *.hex.

5.3 Mod de utilizare

1) Se pornește dispozitivul de măsurare apoi se așteaptă cca. 1-2 minute (pt. încărcarea condensatorilor).

2) Se alege cu ajutorul comutatorulului L (bobină) sau C (condensator) în funcție de piesa care trebuie măsurată, totodată aducându-se aparatul la 0.

3) În cazul condensatorilor (comutatorul în poziția „C”), se lasă bornele de măsurare ale aparatului în gol și se apasă butonul „Reset”.

4) În cazul bobinelor, se pun bornele aparatului în scurt și se apasă butonul „Reset”.

5) Se fixează componenta de măsurat în cele 2 borne și se citește valoarea măsurată.

Se va evita ținerea mâinilor în jurul bornelor (sau a componentei de măsurare) în timpul măsurării atât a capacitaților cât și a inductanțelor pentru a nu se introduce capacități/inductanțe parazite, care ar putea afecta măsuratoarea. Totuși, în cazul în care valoarea indicată pe display este greu de citit, se reglează contrastul din potențiometrul de 1kΩ, până la apariția unei imagini clare.