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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Medidor LC. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Tecnología de medición En la práctica de un radioaficionado, medir los parámetros de los elementos de radio utilizados es el primer paso fundamental para lograr los objetivos marcados al crear un complejo electrónico o de ingeniería de radio. Sin conocer las propiedades de los "ladrillos elementales", es muy difícil decir qué propiedades tendrá una casa construida con ellos. Este artículo ofrece al lector una descripción de un sencillo dispositivo de medición que todo radioaficionado debería tener en su laboratorio. El principio de funcionamiento del medidor LC propuesto se basa en medir la energía acumulada en el campo eléctrico del condensador y el campo magnético de la bobina. Este método se describió por primera vez en relación con el diseño amateur en [1], y en los años siguientes, con modificaciones menores, se usó ampliamente en muchos diseños de medidores de inductancia y capacitancia. El uso de un microcontrolador y un indicador LCD en este diseño hizo posible crear un dispositivo simple, de tamaño pequeño, económico y fácil de usar con una precisión de medición bastante alta. Cuando trabaje con el dispositivo, no necesita manipular ningún control, solo necesita conectar el elemento que se está midiendo y leer las lecturas del indicador. características técnicas
El diagrama esquemático del dispositivo se muestra en la fig. una
La señal de voltaje de excitación de forma rectangular procedente del pin 6 (PB1) del microcontrolador DD1, a través de los tres elementos amortiguadores inferiores DD2 del circuito, se suministra a la parte de medición del dispositivo. Durante un nivel de voltaje alto, el capacitor Cx medido se carga a través de la resistencia R9 y el diodo VD6, y durante un nivel de voltaje bajo, se descarga a través de R9 y VD5. El dispositivo convierte la corriente de descarga promedio, proporcional al valor de la capacitancia medida, en voltaje utilizando el amplificador operacional DA1. Los condensadores C5 y C7 suavizan sus ondulaciones. La resistencia R14 se utiliza para poner a cero con precisión el amplificador operacional. Al medir la inductancia durante un nivel alto, la corriente en la bobina aumenta a un valor determinado por la resistencia R10, y durante un nivel bajo, la corriente creada por la autoinductancia fem de la bobina medida también ingresa a la entrada del microcircuito DA4 a través de VD11 y R1. Por lo tanto, con un voltaje de suministro y una frecuencia de señal constantes, el voltaje en la salida del amplificador operacional es directamente proporcional a los valores de la capacitancia o inductancia medida. Pero esto sólo es cierto si el condensador está completamente cargado durante la mitad del período de tensión de excitación y también completamente descargado durante la otra mitad. Lo mismo ocurre con el inductor. La corriente que contiene debe tener tiempo de aumentar hasta el valor máximo y caer a cero. Estas condiciones pueden garantizarse mediante la selección adecuada de las resistencias R9-R11 y la frecuencia del voltaje de excitación. Se suministra un voltaje proporcional al valor del parámetro del elemento que se está midiendo desde la salida del amplificador operacional a través del filtro R6C2 al ADC de diez bits incorporado del microcontrolador DD1. El condensador C1 es un filtro de la fuente de voltaje de referencia interna del ADC. Los tres elementos superiores del circuito, DD2, así como VD1, VD2, C4, C11, se utilizan para generar el voltaje de -5 V necesario para el funcionamiento del amplificador operacional. El dispositivo muestra el resultado de la medición en una pantalla LCD HG1 de siete segmentos y diez dígitos (KO-4V, producida en serie por Telesystems en Zelenograd). Se utiliza un indicador similar en los teléfonos PANAPHONE. Para aumentar la precisión, el dispositivo tiene nueve subrangos de medición. La frecuencia de la tensión de excitación en la primera subbanda es de 800 kHz. A esta frecuencia se miden condensadores con una capacitancia de hasta aproximadamente 90 pF y bobinas con una inductancia de hasta 90 μH. En cada subrango posterior, la frecuencia se reduce 4 veces y, en consecuencia, el límite de medición se amplía en la misma cantidad. En la novena subbanda, la frecuencia es de 12 Hz, lo que asegura la medición de condensadores con una capacidad de hasta 5 μF y bobinas con una inductancia de hasta 5 H. El dispositivo selecciona automáticamente el subrango requerido y, después de encenderlo, la medición comienza desde el noveno subrango. Durante el proceso de conmutación, el número de subbanda se muestra en el indicador, lo que le permite determinar a qué frecuencia se está realizando la medición. Después de seleccionar el subrango deseado, el resultado de la medición en pF o μH se muestra en el indicador. Para facilitar la lectura, las décimas de pF (μH) y las unidades de μF (H) están separadas por un espacio vacío y el resultado se redondea a tres cifras significativas. El LED rojo HL1 se utiliza como estabilizador de 1,5 V para alimentar el indicador. El botón SB1 se utiliza para la corrección cero del software, lo que ayuda a compensar la capacitancia e inductancia de los terminales y el interruptor SA1. Este interruptor se puede eliminar instalando terminales separados para conectar la inductancia y capacitancia medidas, pero esto es menos conveniente de usar. La resistencia R7 está diseñada para descargar rápidamente los condensadores C9 y C10 cuando se corta la alimentación. Sin él, la reactivación, que garantiza el correcto funcionamiento del indicador, es posible no antes de 10 s, lo que resulta algo incómodo durante el funcionamiento. Todas las partes del dispositivo, excepto el interruptor SA1, están montadas en una placa de circuito impreso de una cara, como se muestra en la Fig. 2.
El indicador HG1 y el botón SB1 se instalan en el lado de montaje y se muestran en el panel frontal. La longitud de los cables al interruptor SA1 y a los terminales de entrada no debe exceder los 2...3 cm Los diodos VD3-VD6 son de alta frecuencia con una baja caída de voltaje, se pueden usar D311, D18, D20. Las resistencias recortadoras R11, R12, R14 son del tipo SPZ-19 de tamaño pequeño. Reemplazar R11 con una resistencia bobinada no es deseable, ya que conducirá a una disminución en la precisión de la medición. El microcircuito 140UD1208 se puede reemplazar con cualquier otro amplificador operacional que tenga un circuito de puesta a cero y sea capaz de operar con un voltaje de ±5 V, y el K561LN2 se puede reemplazar con cualquier microcircuito CMOS de los modelos 1561, 1554, 74NS, Serie 74AC, que contiene seis inversores, por ejemplo, 74NS14. El uso de TTL series 155, 555, 1533, etc. no es deseable. El microcontrolador ATtinyl 5L de ATMEL no tiene análogo y reemplazarlo por otro tipo, por ejemplo el popular AT90S2313, es imposible sin ajustar el programa. No se debe reducir la capacidad nominal de los condensadores C4, C5, C11. El interruptor SA1 debe ser de tamaño pequeño y con capacitancia mínima entre los pines. Al programar el microcontrolador, todos los bits FUSE deben dejarse en su valor predeterminado: BODLEVEL=0, BODEN=1, SPIEN=0, RSTDISBL=1, CKSEL1 ...0=00. El byte de calibración debe escribirse en el byte bajo del programa en la dirección $000F. Esto asegurará un ajuste preciso de la frecuencia del reloj de 1,6 MHz y, en consecuencia, la frecuencia del voltaje de excitación para el circuito de medición en el primer rango de 800 kHz. En la copia de ATtinyl 5L que tenía el autor, el byte de calibración es igual a $8B. Códigos de firmware del microcontrolador Para la configuración, es necesario seleccionar varias bobinas y condensadores con valores de parámetros en el rango de medición del dispositivo y que tengan una tolerancia de desviación mínima según el valor nominal. Si es posible, sus valores exactos deben medirse utilizando un medidor LC industrial. Estos serán tus elementos "modelo". Teniendo en cuenta que la escala del medidor es lineal, en principio, un condensador y una bobina son suficientes. Pero es mejor controlar todo el rango. Los inductores normalizados de los tipos DM y DP son muy adecuados como bobinas modelo. La configuración comienza poniendo el microcircuito DA1 a cero, monitoreando el voltaje en su salida mediante un multímetro. Este voltaje debe establecerse entre 0...+5 mV con la resistencia R14. El control deslizante de la resistencia R12 debe estar en la posición media y es recomendable desconectar el interruptor SA1 de la placa para reducir la capacitancia de entrada parásita. Las lecturas del indicador deben estar entre 0...3. Luego se restablece la conexión SA1 y se presiona y suelta el botón SB1. Después de 2 s el indicador debería mostrar 0...±1. Después de esto, se conecta una capacitancia de referencia a los terminales de entrada y, al girar el control deslizante R12, se establece que la lectura corresponda al valor real de la capacitancia del capacitor seleccionado. El precio del dígito menos significativo es 0,1 pF. Luego es necesario comprobar todo el rango y, si es necesario, aclarar la posición del motor R12, intentando obtener un error no peor del 2...3%. El ajuste a cero también es aceptable si las lecturas al final de la escala son ligeramente demasiado bajas o demasiado altas. Pero después de cada cambio en la posición del control deslizante R14, debe apagar el condensador que se está midiendo y presionar el botón cero. Habiendo configurado el dispositivo en modo de medición de capacitancia, debe mover SA1 a la posición inferior según el diagrama, cerrar las tomas de entrada y presionar SB1. Después de la corrección cero, conecte una bobina de referencia a la entrada y use la resistencia R11 para configurar las lecturas requeridas. El precio del dígito menos significativo es 0,1 μH. En este caso, debe prestar atención a que la resistencia de R11 sea de al menos 800 ohmios; de lo contrario, debe reducir la resistencia de la resistencia R10. Si R11 es mayor que 1 kOhm, se debe aumentar R10, es decir, R10 y R11 deben tener un valor nominal similar. Este ajuste garantiza aproximadamente la misma constante de tiempo para "cargar" y "descargar" la bobina y, en consecuencia, un error de medición mínimo. Se puede conseguir sin dificultad un error no peor que ±2...3% al medir condensadores, pero al medir bobinas todo es algo más complicado. La inductancia de la bobina depende en gran medida de una serie de condiciones que la acompañan: la resistencia activa del devanado, las pérdidas en los circuitos magnéticos debido a corrientes parásitas, la histéresis, la permeabilidad magnética de los ferroimanes depende no linealmente de la intensidad del campo magnético, etc. , las bobinas están expuestas a diversos campos externos y todos los ferromagnetos reales tienen un valor de inducción residual bastante alto. Los procesos que ocurren durante la magnetización de materiales magnéticos se describen con más detalle en [2]. Como resultado de la influencia de todos estos factores, las lecturas del dispositivo al medir la inductancia de algunas bobinas pueden no coincidir con las lecturas de un dispositivo industrial que mide resistencia compleja a una frecuencia fija. Pero no se apresure a criticar este dispositivo y a su autor. Solo hay que tener en cuenta las peculiaridades del principio de medición. Para bobinas sin núcleo magnético, para núcleos magnéticos abiertos y para núcleos magnéticos ferromagnéticos con un espacio, la precisión de la medición es bastante satisfactoria si la resistencia activa de la bobina no supera los 20...30 ohmios. Esto significa que se puede medir con mucha precisión la inductancia de todas las bobinas y bobinas de dispositivos de alta frecuencia, transformadores para fuentes de alimentación conmutadas, etc. Pero al medir la inductancia de bobinas de pequeño tamaño con una gran cantidad de vueltas de alambre delgado y un circuito magnético cerrado sin espacio (especialmente de acero para transformadores), habrá un gran error. Pero en un dispositivo real, las condiciones de funcionamiento de la bobina pueden no corresponder al ideal que se garantiza al medir resistencias complejas. Por ejemplo, la inductancia del devanado de uno de los transformadores de que disponía el autor, medida con un medidor LC industrial, resultó ser de aproximadamente 3 H. Cuando se aplicó una corriente de polarización de CC de solo 5 mA, las lecturas llegaron a ser de aproximadamente 450 mH, es decir, ¡la inductancia disminuyó 7 veces! Pero en los dispositivos que funcionan realmente, la corriente que pasa por las bobinas casi siempre tiene un componente constante. El medidor descrito mostró que la inductancia del devanado de este transformador era 1,5 H. Y queda por ver qué cifra se acercará más a las condiciones laborales reales. Todo lo anterior es cierto en un grado u otro para todos los medidores LC de aficionados sin excepción. Lo que pasa es que sus autores guardan un modesto silencio al respecto. Por esta razón, la función de medir la capacitancia se encuentra en muchos modelos de multímetros económicos, mientras que la inductancia sólo se puede medir con dispositivos profesionales caros y complejos. En condiciones de aficionados, es muy difícil fabricar un medidor de resistencia complejo bueno y preciso, es más fácil comprar uno industrial si realmente lo necesita. Si esto es imposible por una razón u otra, creo que el diseño propuesto puede servir como un buen compromiso con una relación óptima entre precio, calidad y facilidad de uso. Literatura
Autor: I. Khlyupin, Kirov
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