Medidor de LC. Esquema, descrição

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Na prática de um radioamador, medir os parâmetros dos elementos de rádio utilizados é o primeiro passo fundamental para atingir os objetivos traçados na criação de uma engenharia de rádio ou complexo eletrônico. Sem conhecer as propriedades dos “tijolos elementares”, é muito difícil dizer quais propriedades terá uma casa construída a partir deles. Este artigo oferece ao leitor a descrição de um simples aparelho de medição que todo radioamador deve ter em seu laboratório.

O princípio de funcionamento do medidor LC proposto baseia-se na medição da energia acumulada no campo elétrico do capacitor e no campo magnético da bobina. Este método foi descrito pela primeira vez em relação ao projeto amador em [1], e nos anos subsequentes, com pequenas modificações, foi amplamente utilizado em muitos projetos de medidores de indutância e capacitância. O uso de um microcontrolador e um indicador LCD neste projeto tornou possível criar um dispositivo simples, de pequeno porte, barato e fácil de usar, com uma precisão de medição bastante alta. Ao trabalhar com o dispositivo, você não precisa manipular nenhum controle, basta conectar o elemento que está sendo medido e ler as leituras do indicador.

características técnicas

Faixa de capacitância medida......0,1pF...5mkF
Faixa de indutância medida......0,1 μH...5 H
Erro do valor medido, não mais, %......±3
Tensão de alimentação, V ...... 7,5 ... 9
Corrente de consumo, mA, não mais ...... 15
Seleção automática de faixa
Software Zero
Dimensões, mm......140x40x30

O diagrama esquemático do dispositivo é mostrado na fig. 1

(clique para ampliar)

O sinal de tensão de excitação retangular do pino 6 (PB1) do microcontrolador DD1, através dos três elementos buffer inferiores DD2 no circuito, é fornecido à parte de medição do dispositivo. Durante um nível de alta tensão, o capacitor medido Cx é carregado através do resistor R9 e do diodo VD6, e durante um nível de baixa tensão, é descarregado através de R9 e VD5. A corrente média de descarga, proporcional ao valor da capacitância medida, é convertida pelo dispositivo em tensão por meio do amplificador operacional DA1. Os capacitores C5 e C7 suavizam suas ondulações. O resistor R14 é usado para zerar com precisão o amplificador operacional.

Ao medir a indutância durante um nível alto, a corrente na bobina aumenta para um valor determinado pelo resistor R10, e durante um nível baixo, a corrente criada pela fem de autoindutância da bobina medida também entra na entrada do microcircuito DA4 através VD11 e R1.

Assim, com uma tensão de alimentação e frequência de sinal constantes, a tensão na saída do amplificador operacional é diretamente proporcional aos valores da capacitância ou indutância medida. Mas isso só é verdade se o capacitor estiver totalmente carregado durante metade do período da tensão de excitação e também totalmente descarregado durante a outra metade. O mesmo vale para o indutor. A corrente nele deve ter tempo para aumentar até o valor máximo e cair para zero. Estas condições podem ser garantidas pela seleção adequada dos resistores R9-R11 e pela frequência da tensão de excitação.

Uma tensão proporcional ao valor do parâmetro do elemento que está sendo medido é fornecida da saída do amplificador operacional através do filtro R6C2 para o ADC de dez bits integrado do microcontrolador DD1. O capacitor C1 é um filtro da fonte de tensão de referência interna do ADC.

Os três elementos superiores do circuito, DD2, bem como VD1, VD2, C4, C11, são usados para gerar a tensão de -5 V necessária para a operação do amplificador operacional.

O dispositivo exibe o resultado da medição em um LCD HG1 de dez dígitos e sete segmentos (KO-4V, produzido em série pela Telesystems em Zelenograd). Um indicador semelhante é usado em telefones PANAPHONE.

Para aumentar a precisão, o dispositivo possui nove subfaixas de medição. A frequência da tensão de excitação na primeira sub-banda é de 800 kHz. Nessa frequência são medidos capacitores com capacitância de até aproximadamente 90 pF e bobinas com indutância de até 90 μH. Em cada subfaixa subsequente, a frequência é reduzida em 4 vezes e o limite de medição é expandido na mesma proporção. Na nona subbanda, a frequência é de 12 Hz, o que garante a medição de capacitores com capacidade de até 5 μF e bobinas com indutância de até 5 H. O dispositivo seleciona automaticamente a subfaixa necessária e, após ligar a energia, a medição começa a partir da nona subfaixa. Durante o processo de comutação, o número da subbanda é exibido no indicador, o que permite determinar em que frequência a medição está sendo realizada.

Após selecionar a subfaixa desejada, o resultado da medição em pF ou μH é exibido no indicador. Para facilitar a leitura, décimos de pF (μH) e unidades de μF (H) são separados por um espaço vazio e o resultado é arredondado para três algarismos significativos.

O LED vermelho HL1 é usado como um estabistor de 1,5 V para alimentar o indicador. O botão SB1 é usado para correção zero do software, que ajuda a compensar a capacitância e a indutância dos terminais e da chave SA1. Essa chave pode ser eliminada instalando terminais separados para conectar a indutância e a capacitância medidas, mas isso é menos conveniente de usar. O resistor R7 foi projetado para descarregar rapidamente os capacitores C9 e C10 quando a energia é desligada. Sem ele, a reativação, garantindo o correto funcionamento do indicador, não é possível antes de 10 s, o que é um tanto inconveniente durante a operação.

Todas as partes do dispositivo, exceto a chave SA1, são montadas em uma placa de circuito impresso unilateral, mostrada na Fig. 2.

Medidor de LC

O indicador HG1 e o botão SB1 são instalados no lado de montagem e exibidos no painel frontal. O comprimento dos fios para a chave SA1 e os terminais de entrada não deve exceder 2...3 cm Os diodos VD3-VD6 são de alta frequência com baixa queda de tensão, você pode usar D311, D18, D20. Os resistores trimmer R11, R12, R14 são do tipo SPZ-19 de tamanho pequeno. Substituir R11 por um resistor de fio enrolado é indesejável, pois levará a uma diminuição na precisão da medição. O microcircuito 140UD1208 pode ser substituído por qualquer outro amplificador operacional que tenha um circuito de configuração zero e seja capaz de operar com uma tensão de ±5 V, e o K561LN2 pode ser substituído por qualquer microcircuito CMOS dos modelos 1561, 1554, 74NS, Série 74AC, contendo seis inversores, por exemplo, 74NS14. O uso das séries TTL 155, 555, 1533, etc. O microcontrolador ATtinyl 5L da ATMEL não possui analógico e substituí-lo por outro tipo, por exemplo o popular AT90S2313, é impossível sem ajustar o programa.

A classificação de capacitância dos capacitores C4, C5, C11 não deve ser reduzida. A chave SA1 deve ser pequena e com capacitância mínima entre os pinos.

Ao programar o microcontrolador, todos os bits FUSE devem ser deixados no padrão: BODLEVEL=0, BODEN=1, SPIEN=0, RSTDISBL=1, CKSEL1 ...0=00. O byte de calibração deve ser escrito no byte inferior do programa no endereço $000F. Isso garantirá o ajuste preciso da frequência do clock de 1,6 MHz e, consequentemente, da frequência da tensão de acionamento do circuito de medição na primeira faixa de 800 kHz. Na cópia do ATtinyl 5L que o autor possuía, o byte de calibração é igual a US$ 8 bilhões.

Códigos de firmware do microcontrolador

Para a configuração é necessário selecionar diversas bobinas e capacitores com valores de parâmetros na faixa de medição do dispositivo e com tolerância mínima de desvio de acordo com o valor nominal. Se possível, seus valores exatos devem ser medidos usando um medidor LC industrial. Estes serão os elementos do seu “modelo”. Considerando que a escala do medidor é linear, a princípio um capacitor e uma bobina são suficientes. Mas é melhor controlar todo o alcance. As bobinas normalizadas dos tipos DM e DP são adequadas como bobinas modelo.

A configuração começa definindo o microcircuito DA1 para zero, monitorando a tensão em sua saída por meio de um multímetro. Esta tensão deve ser ajustada entre 0...+5 mV com resistor R14. O controle deslizante do resistor R12 deve estar na posição intermediária, sendo aconselhável desconectar a chave SA1 da placa para reduzir a capacitância de entrada parasita. As leituras do indicador devem estar entre 0...3. Em seguida, a conexão SA1 é restaurada e o botão SB1 é pressionado e liberado. Após 2 s o indicador deverá mostrar 0...±1. Depois disso, uma capacitância de referência é conectada aos terminais de entrada e, girando o controle deslizante R12, a leitura é estabelecida para corresponder ao verdadeiro valor da capacitância do capacitor selecionado. O preço do dígito menos significativo é 0,1 pF. Depois é preciso verificar toda a faixa e, se necessário, esclarecer a posição do motor R12, tentando obter um erro não pior que 2...3%. O ajuste de zero também é aceitável se as leituras no final da escala forem ligeiramente baixas ou altas demais. Porém, após cada mudança na posição do controle deslizante R14, você deve desligar o capacitor que está sendo medido e pressionar o botão zero.

Tendo configurado o dispositivo no modo de medição de capacitância, você deve mover SA1 para a posição inferior conforme o diagrama, fechar os conectores de entrada e pressionar SB1. Após a correção de zero, conecte uma bobina de referência à entrada e use o resistor R11 para definir as leituras necessárias. O preço do dígito menos significativo é 0,1 μH. Neste caso, deve-se atentar para que a resistência do R11 seja de no mínimo 800 Ohms, caso contrário deve-se reduzir a resistência do resistor R10. Se R11 for maior que 1 kOhm, R10 deverá ser aumentado, ou seja, R10 e R11 deverão estar próximos em valor nominal. Esta configuração garante aproximadamente a mesma constante de tempo para “carregar” e “descarregar” a bobina e, consequentemente, um erro mínimo de medição.

Um erro não pior que ±2...3% ao medir capacitores pode ser alcançado sem dificuldade, mas ao medir bobinas tudo é um pouco mais complicado. A indutância da bobina depende em grande parte de uma série de condições associadas - a resistência ativa do enrolamento, perdas em circuitos magnéticos devido a correntes parasitas, histerese, a permeabilidade magnética dos ferromagnetos depende não linearmente da intensidade do campo magnético, etc. , as bobinas são expostas a vários campos externos, e todos os ferromagnetos reais têm um valor bastante alto de indução residual. Os processos que ocorrem durante a magnetização de materiais magnéticos são descritos com mais detalhes em [2]. Como resultado da influência de todos esses fatores, as leituras do dispositivo ao medir a indutância de algumas bobinas podem não coincidir com as leituras de um dispositivo industrial que mede resistências complexas em uma frequência fixa. Mas não se apresse em criticar este dispositivo e seu autor. Basta levar em consideração as peculiaridades do princípio de medição. Para bobinas sem núcleo magnético, para núcleos magnéticos abertos e para núcleos magnéticos ferromagnéticos com folga, a precisão da medição é bastante satisfatória se a resistência ativa da bobina não exceder 20...30 Ohms. Isso significa que a indutância de todas as bobinas e bobinas de dispositivos de alta frequência, transformadores para comutação de fontes de alimentação, etc. pode ser medida com muita precisão.

Mas ao medir a indutância de bobinas de pequeno porte com um grande número de voltas de fio fino e um circuito magnético fechado sem folga (especialmente de aço de transformador), haverá um grande erro. Mas em um dispositivo real, as condições de operação da bobina podem não corresponder ao ideal que é garantido na medição de resistências complexas. Por exemplo, a indutância do enrolamento de um dos transformadores de que o autor dispõe, medida com um medidor LC industrial, revelou-se cerca de 3 H. Quando uma corrente de polarização DC de apenas 5 mA foi aplicada, as leituras tornaram-se cerca de 450 mH, ou seja, a indutância diminuiu 7 vezes! Mas em dispositivos reais em funcionamento, a corrente através das bobinas quase sempre tem um componente constante. O medidor descrito mostrou que a indutância do enrolamento deste transformador é de 1,5 H. E resta saber qual número estará mais próximo das condições reais de trabalho.

Todos os itens acima são verdadeiros, de uma forma ou de outra, para todos os medidores LC amadores, sem exceção. Acontece que seus autores permanecem modestamente silenciosos sobre isso. Não menos importante, por esta razão, a função de medir capacitância é encontrada em muitos modelos de multímetros baratos, enquanto apenas dispositivos profissionais caros e complexos podem medir indutância. Em condições amadoras, é muito difícil fazer um medidor de resistência complexo bom e preciso, é mais fácil comprar um industrial se você realmente precisar dele. Se isso for impossível por um motivo ou outro, acho que o design proposto pode servir como um bom compromisso com uma ótima relação preço, qualidade e facilidade de uso.

Literatura

Stepanov A. Medidor LC simples. - Rádio, 1982, nº 3, p. 47, 48.
Semenov B. Eletrônica de potência. - M.: SOLON-R, 2001.

Autor: I. Khlyupin, Kirov

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