Un LC metru simplu

Imposibilitatea de a măsura inductanţe cu multimetrele obişnuite constituie o mare problemă pentru majoritatea electroniştilor. Schemele publicate până acum în diverse cărţi sau reviste din ţară sunt complicate, scumpe şi imprecise, iar L metrele profesionale sunt costisitoare şi nu pot măsura inductanţe sub 1μH, lucru foarte necesar ţinând cont de extinderea gamei de frecvenţe utilizate actualmente.

Lovindu-mă de această problemă, am căutat soluţii pe internet şi am analizat mai multe tipuri, ajungând la concluzia că cel bazat pe oscilatorul liber cu deplasare de frecvenţă este cel mai indicat şi mai utilizat de foarte mulţi constructori amatori şi profesionişti din toată lumea.

In principiu, un circuit oscilant cuplat foarte slab atât cu partea de alimentare cât şi cu cea de comandă şi prelucrare, oscilează pe o frecvenţă dată de formula lui Thomson (f= 1/2π√LC), care poate fi măsurată cu un frecvenţmetru. Adăugând o inductanţă în serie (sau în paralel) cu cea a circuitului, frecvenţa se va modifica şi printr-un calcul matematic se poate determina valoarea inductanţei adăugate, după ce s-au stabilit exact valorile L şi C prin operaţia de calibrare.

Acelaşi lucru este valabil şi pentru o capacitate pusă în paralel pe circuit.
Frecvenţa reală este puţin diferită de cea teoretică deoarece la capacitatea şi inductanţa fizice se adaugă o capacitate şi o inductanţă parazită Ls (stray inductance) datorită firelor de conexiune şi traseelor de pe circuit şi pentru că un condensator real diferă de cel teoretic, ca şi inductanţa care are şi o capacitate proprie.



Am conceput un montaj foarte compact pentru a putea neglija aceste valori, dacă piesele de măsurat se conectează direct la bornele de măsură, sau cu fire cât mai scurte.

Datorită calculului, metoda este greoaie şi dificilă şi a fost evitată cu străşnicie până când a fost posibilă măsurarea şi calcularea automată fie printr-un calculator cu microcontroler integrat (şi programat corespunzător), fie printr-un frecvenţmetru şi un soft simplu pe un PC obişnuit. AADE din SUA produce şi vinde un asemenea aparat cu citire directă pe display a mărimii măsurate. Pentru prima etapă am ales a doua posibilitate mai ieftină, prezentată pe site-ul iz7ath de către radioamatorul italian Talino Tribuzio, care oferă şi softul de calcul.

Aparatul construit pe o plăcuţă compactă (30x77,5 mm ) costă cca. 15 lei cu toate piesele cumpărate şi mult mai ieftin cu piese recuperate, de găsit în "zestrea" oricărui amator. Mult mai costisitoare este cutia, atât ca timp cât şi ca bani (dacă se cumpără din comerţ). Aceasta se recomandă a fi din tablă de oţel de min. 0,8 mm, deoarece câmpurile magnetice eventual existente influenţează semnificativ valoarea inductanţei,( în sensul scăderii ei) deci şi frecvenţa oscilatorului.

Intervalul de măsură indicat de către autor este cuprins între 1nH...100 mH şi 1pF...0,5μF, în realitate fiind puţin diferit din motivele indicate mai sus. Nu se pot măsura condensatoare polarizate (electrolitice) şi nici inductanţe cu miez din tole (de ex. şocuri de valoare mare) care la cca 20 kHz au pierderi foarte mari.

Descrierea aparatului

Circuitul oscilant cu L=68μH şi C=970pF oscilează sinusoidal pe frecvenţa de 640...650kHz, (frecvenţa depizând de valoarea exactă a inductanţei) şi transmite oscilaţia pin condensatorul C2 (neapărat cu tantal) unui comparator de tensiune LM 311, în montaj cu reacţie pozitivă, împreună cu care formează blocul oscilator.

Condensatorul electrolitic C4 poate fi cu aluminiu, dar de foarte bună calitate. Inainte de montare se recomandă polarizarea lui prin supunere progresivă la tensiune până la tensiunea nominală şi lăsarea sub această tensiune cel puţin 12 ore.
Inainte de montare va fi descărcat.


Mai departe, oscilaţia transmisă circuitului integrat 4011 (cu orice prefix) este prelucrată, amplificată şi trimisă prin condensatorul C6 către frecvenţmetru sub forma unei oscilaţii dreptunghiulare. Un comutator 2x2 permite schimbarea funcţiei (Lx sauCx)

Consumul fiind mic (10...14 mA), aparatul poate fi alimentat de la o baterie 6F22 de 9 V, şi nu este neapărat necesar să fie alimentat cu tensiune stabilizată, deoarece am constatat că la variaţia tensiunii între 6 şi 12 V frecvenţa a variat cu max. 500 Hz..

Pentru că am vrut să pot folosi orice alimentator existent la momentul respectiv pe masă, am folosit o alimentare universală (Fig. 2) cu un stabilizator 78L08 şi o punte B40 C800, în acest fel aparatul putând fi alimentat cu curent continuu (indiferent de polaritate) sau alternativ cu valori între 10 şi 16V.

Evident, partea dreaptă a circuitului poate fi eliminată dacă optaţi pentru alimentarea din baterie. Se va adăuga un mic întrerupător şi borne de conectare pentru baterie, eventual şi un LED înseriat cu o rezistenţă de 10 kΏ, ca să nu uitaţi aparatul sub tensiune. Frecvenţmetrul folosit pentru măsurare trebuie să fie de min.1MHz şi cu precizie de 100Hz, cu sensibilitate medie (0,1 V), dar am obţinut rezultate suficient de bune şi cu un multimetru chinezesc cu precizia de 1 kHz şi mult mai puţin sensibil.
Pentru că frecvenţa oscilatorului depinde de temperatura ambiantă, aparatul necesită calibrare ( una singură la începutul unei serii de măsurători), după cum voi arăta mai jos.

Modul de lucru

De pe site-ul: http://www.qsl.net/i...w/21_LCMeter01/ se descarcă softul LC meter.exe pe computer. Se porneşte aparatul şi frecvenţmetrul şi se lasă câteva minute să se stabilizeze. Calibrarea se poate face fie pe poziţia Lx fie pe Cx, dar toţi constructorii preferă a doua variantă, deoarece se poate mai uşor găsi un condensator cu valoare precisă şi care poate fi verificată cu un multimetru sau capacimetru profesional.

De precizia valorii condensatorului de calibrare depinde exactitatea măsurătorilor. Cei mai mulţi constructori recomandă o precizie de 1%, unii folosind un condensator cu abatere mai mare (în minus), compensat în paralel cu un condensator de valoare mică astfel ca să se ajungă la valoarea exactă.

Se pune aparatul şi softul pe Cx, pe soft se acţionează (printr-un clic) butonul calibrate şi se înscriu în căsuţele corespunzătoare frecvenţa F1 şi capacitatea condensatorului (atenţie la ordinul de mărime – Hz, kHz sau MHz-).

Prin apăsarea butonului aparatului se conectează condensatorul de calibrare, se citeşte frecvenţa F2 şi se trece în căsuţa corespunzătoare.
Se acţionează butonul calculate (sau F1 de pe tastatură) şi apar valorile C1 şi L0 + Ls, care se trec cu butonul return în tabelul din soft.

Calibrarea rămâne valabilă pentru toate tipurile de măsurători, chiar dacă frecvenţa afişată pe Cx variază puţin în timp. Se trec aparatul şi softul pe Lx şi se execută măsurătorile dorite. Dacă pe poziţia Lx se pun în scurtcircuit bornele de intrare, se poate citi o altă frecvenţă şi calcula inductanţa parazită Ls, care se trece în căsuţa din soft, fiind luată în calcul. Softul permite şi măsurarea inductanţelor şi pe poziţia Cx.

Cerinţe speciale 

Condensatorul circuitului oscilant şi cel de calibrare trebuie să fie de calitate bună, cu poliester sau polistiren şi cu inductanţă proprie cât mai mică. Se pot folosi cu rezultate bune condensatoare MKT sau WIMA de 1 nF, care sunt neinductive şi au fost sortate cu multimetrul sau un capacimetru cât mai precis..

Condensatorul circuitului trebuie să aibă valoarea de 970 pF, implementată în soft. Pentru condensatorul de calibrare am ales aceeaşi valoare. Deşi există condensatoare ceramice cu coeficient de temperatură definit şi care ar putea elimina total variaţiile de frecvenţă ele sunt evitate de constructori, unele având pierderi mari la frecvenţe mici. Alegerea inductanţei este deasemeni importantă. Cele vechi, bobinate universal nu au dat rezultate bune, iar unele inductanţe industriale şi drosele cu ferită au un coeficient de temperatură mare şi instabil şi capacitate proprie apreciabilă.

In lipsa unei inductanţe etalon am folosit una recuperată dintr-un vidorecorder vechi cu rezultate acceptabile. Acum, având un L metru, voi încerca să-mi confecţionez o inductanţă mai bună dintr-un mic transformator de MF recuperat dintr-un radio cu tranzistoare.

Rezultate

Am măsurat mai multe condensatoare cu multimetrul şi mai multe drosele cumpărate şi inductanţe recuperate din diverse aparate, cu rezultatele din tabelele de mai jos



Ce alte utilităţi mai are ?

Dimensionarea unei inductanţe fără miez se poate face (aproximativ) utilizând indicaţiile din literatură [3], sau formula lui Nagaoka. Dacă este necesar să fie blindată, problema se complică şi mai mult, calculele fiind foarte puţin exacte. Aici L metrul ne poate ajuta, măsurând o inductanţă cu şi fără blindaj şi lucrând prin aproximaţii succesive până ajungem la valoarea exactă.

Pentru inductanţe cu ferită problema este şi mai dificilă, neexistând formule şi deobicei amatorul neştiind caracteristicile feritei. In primul rând trebuie aflat factorul de material, care ne dă indicaţii şi asupra frecvenţei admisibile şi permite un calcul suficient de exact. Formula de calcul este n = K√L, unde n este numărul de spire, K factorul feritei şi L inductanţa în μH. Pe miez se bobinează un număr de spire, (20...50) se măsoară inductanţa şi se calculează factorul K, ceeace permite dimensionarea exactă.

Domeniul de frecvenţă funcţie de K este următorul:
K < 1 ; f < 1 MHz ; K = 2…10 ; f = 1…20 MHz ; K > 10 ; f > 20 MHz [2]
Pe situl AADE un cumpărător descrie cum poate fi folosit C metrul şi pentru măsurarea capacităţii diodelor varicap.

Etapa a doua. După ce am construit aparatul, am observat că la măsurarea inductanţelor foarte mici apare o mică instabilitate şi erorile cresc. Ca atare am căutat pe internet şi am intrat pe situl ironbark.bendigo.la trobe.edu.au./~rice/lc „A Surprisingly Accurate LC meter", unde am găsit o sumedenie de scheme şi constructori din toate ţările, prezentând variante cu microcontroler şi citire directă.

O idee originală este prezentată de Cristi Morariu, care a adăugat încă un circuit oscilant pentru a mări precizia de citire în domeniul inductanţelor mici şi introduce în soft nişte constante de corecţie pentru erorile sistematice eventual prezente. Schemele lui utilizează un microcontroler PIC 16 F 84 şi patru relee pentru comutarea funcţiilor, ceeace măreşte semnificativ consumul.

După vreo trei zile de bătaie de cap, am reuşit să refac schemele şi un desen compact al plăcii de circuit, cu numai două relee mici şi ieftine şi care nu sunt anclanşate la funcţionarea cu oscilatorul primar

Ideea cu al doilea oscilator poate fi aplicată şi la varianta descrisă în prezentul articol cu condiţia schimbării valorii condensatorului în soft, lucru la care nu mă pricep. Pentru că, ceeace vreau eu să realizez presupune modificări minore în programul microcontrolerului, m-am oprit momentan neştiind să-l programez. In măsura în care voi avansa şi termina ce mi-am propus voi publica rezultatul.

Câteva consideraţii 

Analizând schemele din siturile amintite am observat că frecvenţele de lucru ale diferiţilor constructori variază între 500 …750 kHz şi m-am întrebat care ar fi cea mai potrivită. La măsurarea unui condensator de 1 μF frecvenţa este de 19…21 kHz iar ecartul cel mai mare (care asigură şi cea mai bună precizie de citire) este la 750 kHz, dar presupune modificarea softului.

Execuţie

Placa de circuit a fost desenată la scara 2/1, scanată şi este văzută prin transparenţă. Cu linie întreruptă roşie sunt arătate ştrapurile, care vor fi montate primele pe partea plantată (faţa plăcii). Ele se pot şterge de pe desenul de circuit. Pentru execuţie se va printa (pe folie transparentă sau pe calc) după ajustarea dimensiunilor la cele trecute pe desen şi deasupra ei se va aşeza (cu partea cuprată în jos) o plăcuţă de circuit din sticlotextolit tăiată la dimensiune cu traforajul cu pânză de tăiat metal şi se va fixa cu bandă adezivă. Cu un cherner bine ascuţit se vor marca toate punctele şi se vor trasa cu un balustru cu abdeckfarbe sau vopsea pentru pantofi, etc, apoi se vor trasa liniile, se va coroda cu soluţie de clorură ferică, se va finisa şi se vor executa găurile cu ø 0,8 sau 1 mm.



Dacă există posibilitatea se va utiliza metoda cu fotorezist , sau oricare altă metodă. Găurile alungite (pentru comutator şi mufele pentru ieşire şi alimentare) se vor prelucra tot cu traforajul cu pânză Nr. 1 pentru tăiat metal. Se montează piesele (atenţie la circuitele integrate şi la condensatoarele polarizate), se lipesc şi se protejează circuitul cu lac nitro. Pentru condensatorul circuitului oscilant şi cel de calibrare am prevăzut puncte de conectare pe plăcuţă pentru condensatoare de egalizare, în caz de necesitate. Când am executat LC metrul eram foarte nerăbdător şi am uitat să prevăd condensatorul şi butonul de calibrare pe placă, aşa că am redesenat circuitul cu cele două piese şi am inlocuit bornele de intrare improvizate cu unele din comerţ.

Din acest motiv fotografia nu se potriveşte exact cu circuitul şi pe ea am pus butonul, borna de intrare şi mufa de ieşire, la care trebuie tăiat picioruşul indicat. Planul de montaj indică aşezarea corectă a pieselor. Din punct de vedere al execuţiei, cutia este cea mai complicată şi pentru realizarea ei recomand a se consulta articolul meu din revista Tehnium Nr. 1 / 2005. (Construcţia cutiilor din tablă)

Intre partea de alimentare şi restul circuitului s-a prevăzut un separator din tablă de 0,25 mm, cu două picioruşe care intră în găurile alungite şi se lipesc la masă. Mufele de alimentare şi ieşire au fost fixate şi prin lipire cu răşină epoxidică de placă.

Desene şi fotografii:






Bibliografie

• Internet
• Rev. Tehnium Nr. 3- 2004
• St. Constantinescu Radiotehnica teoretică şi practică, Ed. Tehnică 1960

Articol realizat de dl. ing. Lungu Iancu;