SKORI WEBLAPJA
L-C-ESR mérõ
A címbõl sejthetõen ebben az írásomban egy induktivitás és kapacitás mérõrõl lesz szó.
Az Interneten számos különféle LC mérõ leírás található, ezek közül a legnépszerûbbek és a legjobban használható mûszerek mikrovezérlõre épülnek. Miért kell mikrovezérlõ? Azért mert így olyan mérési módszert lehet kidolgozni, ami nagyon széles tartományban képes pontosan mérni, gyakorlatilag méréshatár-váltás nélkül. Hogyan lehetséges ez? A mérés módszere az, hogy építünk egy LC oszcillátort, pl. 100µH induktivitású tekercset, és 1nF kapacitású kondenzátort felhasználva. Ennek a Rezonancia frekvenciája 503kHz körülire adódik. A mérendõ induktivitást vagy kapacitást ebbe a rezgõkörbe kötjük be a mûszerre való csatlakoztatáskor. A mûszer megméri a frekvenciát a sima rezgõkör esetében, majd megméri a frekvenciát a mérendõ alkatrésszel kiegészített rezgõkör esetében is. Ebbõl pedig ki tudja számolni a mért alkatrész kapacitását vagy induktivitását. Az LC rezonancián alapuló mérés esetén a frekvencia az L-C elemek négyzetgyökével lesz arányos, emiatt pl. ha a kapacitás 1nF-ról 1µF-ra növekszik a rezgõkörben, akkor a rezonancia frekvencia nem fog az ezred részére csökkenni, hanem csak kb. a 30-ad részére. Jelen példa esetében 503kHz-rõl 15,9kHz-re. Itt jön a képbe a mikrovezérlõ, egyrészt számolni kell, nem is keveset, másrészt egy általában kvarcvezérelt órajellel mûködõ mikrovezérlõ viszonylag pontosan tud frekvenciát és/vagy periódusidõt mérni. A valóságban még egy hangyányit bonyolítanak a helyzeten azzal, hogy az LC mérõ tartalmaz egy referencia kondenzátort, ezzel a kondenzátorral kiegészítve szintén végez egy frekvenciamérést a mûszer, és ezzel kalibrálja magát. Így a tényleges méréskor használt L-C rezgõkör elemeinek nem kell nagy pontosságúnak lennie (mert a mûszer szoftvere gyakorlatilag ezek pontos értékét is megméri). Ez annyit jelent, hogy a kijelzett értéket, a mikrovezérlõ a fent említett 3 frekvencia értékébõl számolja ki. A mérés pontossága emiatt elvileg csak a beépített referencia kondenzátor pontosságától függ. A gyakorlatban még néhány tényezõ befolyásolja az ilyen mérés pontosságát, de egy korrektül megépített LC mérõ még így is meghaladja egy sima kézimûszer pontosságát.

De ha sok ilyen projekt van már az Interneten, akkor ide minek, és miért? A dolog elõzménye a még 2009-ben a Hobbielektronika weboldalon megjelent, LCM3 mûszerrõl szóló cikk, azaz PIstván és Deguss által fejlesztett mûszer. Ezt a mûszert annak idején én is megépítettem két példányban. Az elsõt még a kitt-ben kapható nyákra, a másodikat pedig egy, a hobbielektronikán megismert kollégától vásárolt nyákra. Tulajdonképpen mindkét mûszer jól mûködött, egészen pontosan lehetett vele kapacitást és induktivitást mérni. Ez a mûszer annyiban tud többet a többi hasonlóhoz képest, hogy nagy kapacitású elektrolit kondenzátorok mérésére is képes. Ráadásul ilyenkor a kapacitás értéke mellett a kondenzátor soros veszteségi ellenállását is méri és kijelzi. De ugyanakkor a megépített mûszereknek voltak apróbb hiányosságaik, amiket meg akartam oldani.

Sajnos elõfordul, hogy bekapcsolva felejtek valamilyen kézimûszert, és mire észreveszem, a benne levõ elem vagy akkumulátor már le is merült. Ennek a pótlása drága, és a mûszer nem áll használatra készen amikor szükség lenne rá. PIstvánnal annak idején többet leveleztünk, amikor a szoftver újabb verzióit fejlesztette, többek között arról is, hogy jó lenne egy automatikus kikapcsolás funkció is a mûszerbe. Azonban a nyákok ekkor már készen voltak, és a felhasznált MCU-nak sem voltak már szabad I/O lábai, így hardveres módosításokra gyakorlatilag már nem volt lehetõség. Ezért egy külön megépíthetõ kis részegységet dolgoztam ki, a vezérléséhez pedig az LCD kijelzõ RS lábát használtuk fel. A kijelzõ, a mûködési ideje zömében csak megjeleníti az adatokat, tényleges adatforgalom a kivezetésein csak a kijelzett értékek frissítésekor van, és akkor is csak nagyon rövid ideig. István úgy módosította a mûszer programját, hogy amikor nincs adatforgalom az RS lábon, akkor az automatikus kikapcsolás vezérlésének megfelelõen ez a láb fixen L vagy H szinten van. Ebbõl egy megfelelõ idõállandójú R-C szûrõvel kiszûrhetjük az LCD kijelzõ adatforgalmát, és megkapjuk a kikapcsolást vezérlõ jelet. Tehát aki utólag hozzáépítette a mûszeréhez ezt a kiegészítõ áramkört, annak képessé vált automatikus kikapcsolásra az elkészített mûszere.

A 2009-ben megjelent kit nyáktervével nekem az volt a problémám, hogy a kijelzõt vezetékekkel kellett ráhuzalozni, ami nem túl szép, és nem is praktikus megoldás. Nekem személy szerint szimpatikusabbak az olyan megoldások, ahol a kijelzõ forrasztási pontjaiba egy tüskesor van beforrasztva, a mûszer nyákjába pedig egy tüskesor aljzat, és a kijelzõt egyszerûen csak rászúrjuk a mûszer paneljára. Persze ehhez a panel mechanikai méretének és kialakításának illeszkednie kellene a kijelzõhöz.

A másik megvásárolt NYÁKlemezt már a fent említett tüskesorral használtam, bár ez sem volt a leg-optimálisabb de mégis jobb megoldás volt az elsõ verziónál. Viszont egyik nyák sem tartalmazta a korábban említett automatikus kikapcsolást megvalósító kiegészítést. Ezeket ugyan utólag mindkét mûszerhez megépítettem, de szimpatikusabb lett volna egy olyan panel, ami eleve tartalmazza ezt is.
Volt olyan utánépítõ aki az LC mérõt a szokásos kb. 80mm szélességû 2x16-os LCD kijelzõ helyett szélesebb, és jóval nagyobb karaktereket megjelenítõ, kb. 122mm szélességû kijelzõvel építette meg. A nagyobb kijelzõ nekem is megtetszett és elhatároztam, hogy építek egy újabb mûszert, amely: Mivel ez a mûszer már elkészült, és sok-sok év óta teszi a dolgát, ahogy kell, ezért úgy gondoltam másoknak is hasznára válhat, és közzé teszem itt. Tehát nézzük a fentiek alapján elkészített kapcsolási rajzot:
A Hobbielektronika oldalon megjelent cikk kapcsolási rajzához képest több eltérés is látható. A kapcsolási rajz felsõ részén látható, a stabil 5V tápfeszültséget elõállító, és az automatikus kikapcsolást megvalósító áramkör, amely a Q2 és Q3 FET-re és környezõ alkatrészeikre épül. Az áramkör S1 kapcsolóval történõ bekapcsolásakor, az X4, X5 pontokra kapcsolódó áramforrás (esetemben 2db sorbakapcsolt Lítium cella) feszültsége, az ekkor még kisütött állapotban levõ C22 kondenzátoron át kinyitja a Q2 FET-et. Q2 nyitása miatt R22 ellenálláson keresztül feltöltõdik a C21 kondenzátor és a Q3 FET nyitófeszültséget kap. Q3 FET-en keresztül feszültség alá kerül az IC1 5V-os stabkocka, amely ellátja árammal a mûszer többi részét. Amikor a mikrovezérlõ elindul, akkor az RB6 port lábon H szintet fog adni (kivéve az LCD kijelzõ kommunikációja alatti rövid idõpillanatokat) és a továbbiakban ez az R20 ellenálláson keresztül nyitott állapotban tartja a Q2 és közvetve a Q3 FETeket. Amennyiben a mûszert bekapcsolva felejti valaki, akkor egy idõ után az MCU alacsony szintre húzza az RB6 lábát, emiatt az R10-C22 által meghatározott idõzítést követõen a Q2 FET lezár, majd az R21-C21 által meghatározott idõ múlva Q3 FET is lezár, és a mûszer kikapcsolt állapotba kerül. Néhány LCD kijelzõ nem specifikált felhúzó ellenállást tartalmaz az RS lábán, és ez akadályozta az automatikus kikapcsolás normál mûködését, ezért volt szükség az R25 ellenállás beépítésére az áramkörben.

Egy további, apróbb módosítás a C4, C44, C5 és C55 kondenzátor beépítése. Az eredeti LCM3 mûszerben ezekben a pozíciókban 10µF kapacitású, késõbb pedig 15µF kapacitású tantál kondenzátorok voltak beépítve. A tantál kondenzátorok kapacitása bár nem túl pontos, de stabil és állandó érték. Viszont a (soros) veszteségi ellenállás, vagy másképpen jósági tényezõ szempontjából nem túl jók. A nagy kapacitású kerámia kondenzátorok többnyire X7R anyagúak, ezeknek kifejezetten alacsony a veszteségük, tehát a soros veszteségi ellenállásuk (ESR) lényegében elhanyagolhatóan kicsi egy tantál elektrolit kondenzátorhoz képest, és sokkal nagyobb frekvenciáig is használhatók. Azonban hátrányos tulajdonságuk viszont, hogy a kapacitásuk függ a rákapcsolt feszültségtõl! Bizonyos áramkörökben emiatt (meg még további okokat is fel lehetne sorolni) gyakran használnak olyan megoldásokat, ahol a szükséges kapacitást többféle (anyagú, felépítésû, technológiájú, stb.) kondenzátor párhuzamos kapcsolásával hozzák létre. Ebben az áramkörben a 15µF kapacitású kondenzátorokat egy 10µF-os tantál és egy 4,7µF-os kerámia kondenzátor párhuzamos kapcsolásával váltottam ki.

Az eredeti kapcsolásban az 1nF-os referencia kondenzátort (C-REF) egy dip tokos relé felhasználásával kapcsolta a mikrovezérlõ a rezgõkörre (L1 és CMEAS) a kalibráláskor. Ezt a relét egy tranzisztorral (Q4) váltottam ki. Ennek vannak elõnyei és hátrányai is. Olcsóbb, stabilabb, kisebb áramot igényel, cserébe kb. 3-10pF plusz kapacitást visz be a rezgõkörbe. A Q4 poziciójában kipróbáltam egy FET-et is, mivel váltakozó áramot kell kapcsolni, ez tûnt jobb megoldásnak elsõre, azonban a FET sokkal nagyobb plusz kapacitást vitt be a rezgõkörbe, mint a BJT. A bipoláris tranzisztor is képes váltakozó áram kapcsolására, bár a szokásoshoz képest fordított polaritású feszültség ill. áram esetén lényegesen kisebb az erõsítési tényezõje, mint normál felhasználás esetén, de ez viszonylag nagy bázisárammal kompenzálható, és ez az áram még mindig sokkal kisebb, mint a relés megoldás esetén, a behúzótekercs áramigénye. A tranzisztor kapacitása feszültségfüggõ, nagyobb feszültség esetén kisebb, ezért került be az áramkörbe az R13 ellenállás, ami a Q4 tranzisztor kikapcsolt állapotában 5V feszültségre húzza fel a kollektorát. Így valamivel kisebb, és stabil nagyságú lesz a bevitt parazita kapacitás. Ha nagyon pontos mûszert akarunk építeni, akkor persze még ezzel a kapacitással is foglakozni kell. Az egyik lehetõség az lenne, hogy a referencia kondenzátorra kapcsolunk egy párhuzamos 10...20pF végkapacitású trimmer kondenzátort, és ezzel bekalibráljuk a mûszert. Szerencsére ennél sokkal egyszerûbb megoldás is van, ugyanis PIstván a mûszer szoftverének megírásakor figyelembe vette, hogy szükség lehet a referencia kondenzátor értékének kalibrálására. Tehát a szoftveres kalibrálással gyakorlatilag a kapcsoló-félvezetõ által bevitt pF nagyságrendû hiba is kikompenzálható az eredeti Hobbielektronika cikkben leírt módon, illetve a kalibrálás menetére ezen az oldalon is vissza fogok térni. Ettõl függetlenül érdemes az eredeti cikket is elolvasni.

Az általam készített nyomtatott áramköri terv tehát a nagyméretú LCD kijelzõk lábkiosztzásához igazodik, azonban a kijelzõ háttérvilágításának bekötése nincs rajta (és ez a kapcsolási rajzon sem szerepel). Akinek szüksége van a kijelzõ háttérvilágítására is, az kösse be ezt a két lábát is a kijelzõnek, egy soros áramkörlátozó ellenálláson keresztül a tápfeszültségre. Ez lehet az 5V-os stabilizátor kimenete, de akár a stabilizátor elé is beköthetõ, hogy a világítás árama ne terhelje a stabkockát. A saját, fenti kapcsolási rajz alapján készült LC mérõmben ez utóbbi megoldást választottam. Késõbb azonban ez a jelnetõségét vesztette, ugyanis a mûszer annyira bevált, hogy úgy döntöttem vásárolok hozzá egy méretben és vezérlésében is kompatibilis OLED kijelzõt. Ez akkoriban éppen akciós volt az egyik alkatrész forgalmazónál, és így sem volt olcsónak mondható, ugyanis még így is, az LC mérõ összes többi alkatrészének az együttes árának a többszörösébe került - de szerintem megérte. Az OLED kiejlzõ sokkal nagyobb kontrasztú mint az LCD kijelzõk, és oldalról is, szinte bármilyen szögbõl nézve jól olvasható. Tényleg jobb annyival, amennyivel drágább. Aki ilyet akar vásárolni, annak a sárga és a fehér szinû OLED kijelzõket tudom javasolni leginkább. Ha már szóba került az OLED kijelzõ, annnyi hátránya volt a dolognak, hogy ezek a kijelzõk tartalmaznak egy kicsi, kapcsolóüzemû DC/DC konvertert, a belsõ tápellátásuk megoldásához. Ez sajnos zavarforrásként jelentkezik, és csökkentheti a mûszer pontosságát. Azonban ez sem megoldhatatlan probléma, ha ilyen elõfordul, akkor a kijelzõ tápellelátását egy 470...1000uF közötti polimer kondenzátorral szûrni kell, és egy soros 50...100µH induktivitású tekercset is érdemes beiktatni. Ezzel gyakorlatilag teljesen jól megoldható a zavarszûrés. OLED kijelzõ használata esetén nem kell háttérvilágítással foglakozni, mivel minden képpont önálló fényforrás, és az LCD kijelzõhöz szükséges kontraszt beállító trimmerpotmétert sem kell beépíteni. Nézzük a kapcsolási rajzhoz tartozó nyomtatott áramkör képét:

Szokásomtól eltérõen, nemcsak képként, hanem a nyáktervezõ program (Eagle7) formátumában is elérhetõvé teszem az áramkör terveit. A letölthetõ .zip fájl, a kapcsolási rajzon és a nyákterven kívül, a mûszer PIC mikrovezérlõjének programját is tartalmazza:
LCM3-SKORI.zip

A mûszer megépítése:
A mûszer pontosságát leginkább a beépített CREF kondenzátor befolyásolja. Mivel a kapacitásának értéke kalibrálható azért nem elsõsorban a pontos értéke fontos (bár nyilván az jó ha minél pontosabb) hanem az értékének a stabilitása hosszú távú stabilitása, és a hõmérsékleti stabilitása. Ebbe a pozicióban célszerû legalább 1% pontosságú, nagy jóságú kondenzátort használni. A saját tapasztalataim és méréseim alapján a csillám kondenzátorok, a kis tûrésû NP0/C0G anyagú SMD kerámia kondenzátorok, és a kis tûrésû fóliakondenzátorok a leg alkalmasabbak erre a feladatra. A méréshez használt, CMEAS jelû konmdenzátornak célszerû hasonlóan jó minõségû tipust választani, de ennek a pontossága kevésbé kritikus.
A másik kritikus alkatrész az L1 tekercs. Itt sem az abszolút pontosság a legfontosabb, hanem a stabilitás, és a minél nagyobb jóság, továbbá a minél kisebb parazita kapacitás. Az optimális L1 tekercs kicsi fazékvasmagra készül, litze huzalllal, vagy 0,3...04mm átmérõjû zománc-selyem, vagy hasonlóan jó szigetelésû tekercselõ huzalból. A fazékvasmag furatában ne legyen (fém)csavar, (mûanyag lehet), és a hozzá való hangoló csavar se legyen beleépítve. A tekercset a nyáklemezre pl. ragasztással lehet rögzíteni, vagy külsõ rögzítõ kengyellel. Gyári I vasmagra készült tekercs is használható, de ekkor kisebb pontosság érhetõ el a mûszerrel. Azonban a gyári tekercssel elkészített LC mérõ már alkalmas arra, hogy egy házilag készített fazékvasmagos tekercs induktivitását ellenõrizzük vele, ill. pontosan be "tudjuk lõni" vele.
A kapcsolásban 1%-os tûrésû SMD ellenállásokat használtam fel, és SMD kerámia vagy tantál kondenzátorokat. A tantál kondenzátorok polaritását a kapcsolási rajzon jelöltem.
A mûszerben jó minõségû, kicsi, karos kapcsolókat használtam fel. Fontos a kicsi átmeneti ellenállás és a nagyon stabil kontaktus, ezen is múlik a kész Lc mérõ pontossága és stabilitása. A kapcsolókat nem a képen látható módon ültettem a panelbe, hanem a lábaikra forrasztott rövid vezetékek segítségével (kb 2cm), a panlhez képest 90°-ban, úgy, hogy a kapcsoló karok felfelé nézzenek, mivel a nyáklemez feletti helyet a kijelzõ fogja elfoglalni.
A kijelzõ forrasztási pontjaiba egy 16 lábú tüskesort forrasztottam, a panelbe pedig egy ehhez passzoló tüskesor aljzatot, így a kijelzõ furatai pontosan a panel furatai fölé kerülnek, és megfeleLõ távtartók segítségével egymáshoz rögzíthetõk.
A mûszer áramforrása esetemben 2db sorbakapcsolt 18650-es lítium akkumulátor cella. Az akkumulátorokat egy hordozható DVD lejátszó roncsából bontottam ki, a hozzá tartozó töltõ, és védõ elektronikával együtt, beépítettem a készülék házába. Így gyakorlatilag egy 9...12V-os adapter csatlakoztatásával tölthetõ a mûszer akkumulátora. A használt 18650-es akkumulátorok, a kapacitásuk és belsõ ellenállásuk miatt az eredeti funkciójuk ellátására már nem voltak 100%-osan alkalmasok, azonban a mûszer áramfogyasztása nagyságrendekkel kisebb, mint a DVD lejátszó fogyasztása. Így kimondottan hosszû üzemidõ érhetõ el, még aktív kijelzõ világítás használata esetén is. Az eredeti töltõáramkörben levõ, a töltõáram figyelésre használt sönt ellenállás értékét megnöveltem, ezzel csökkentve a töltõáramot, az akkumulátorok és a tölrõáramkör kímélése (és hosszú élettartam elérése) érdekében.

A mûszer kalibrálása.
Kapacitás mérés, kalibrálás lépései: Induktivitás mérés kalibrálása: Elkó (ESR) kalibrálás: A programozható csatlakozóra dugható feltéttel, (két nyomógomb) a kalibráló kapacitás értéke pontosítható.
Az alábbi ábrán látható feltétet az L/C kapcsoló C állásában, és a CAL/MEAS kapcsoló CAL állásában kell csatlakoztatni a panel programozó csatlakozójára.

A két nyomógombbal a kijelzett CCal érték módosítható fel/le. A mûvelet után egy ismert és pontos értékû kondenzátort kell megmérni a mûszerrel.
Szükség esetén újra meg lehet ismételni a fenti folyamatot, amíg elérjük, hogy a mûszer pontos értéket mutasson!

Végül pedig jöjjenek a mûszer paraméterei.
A táblázatokban szereplõ adatokat az eredeti mûszerrõl szóló cikkbõl vettem át. A tapasztalat azt mutatja, hogy egy precízen elkészített mûszer, ami pontos értékú, és jó minõségû alkatrészekbõl, van felépítve, az általában a fetni paramétereket bõven felülmúlja, mind a mérés tartománya, mind a pontossága tekintetében, (nem lehetetlen akár a 0,25%-os pontosság elérése sem).
Mérési tartomány
Polarizálatlan kondenzátor mérése1pF - 1µF
Polarizált (elektrolit) kondenzátor mérése100nF - 0,2F
Induktivitás mérése10nH - 100H
ESR és ellenállás mérése1mΩ - 30Ω

Mérési pontosság
1pF - 1nF1% ±0,1pF
1nF - 100nF1% ±1pF
100nF - 1µF2,5% ±1nF
1µF - 0,1F5%
1nH - 20H5%
1mΩ - 0,5Ω5% ±1mΩ
0,5Ω - 30Ω10% ±10mΩ

Sikeres építést kívánok mindenkinek aki kedvet kapott hozzá. Az esetlegesen felmerülõ kérdéseket elsõsorban a Hobbielektronika fórumán, az LC mérõ témában javaslom feltenni, bár az emailekre is igyekszem válaszolni, de szinte biztos, hogy ez a lassúbb mód a kérdések megbeszélésére.
Skori@2020.marc.