- Components necessaris:
- Explicació del circuit:
- 555 Temporitzador basat en IC d'ona quadrada:
- Porta desencadenant Schmitt:
- Arduino mesura la capacitat:
- Resum i proves:
Quan ens trobem amb plaques de circuits dissenyades prèviament o en traiem una del televisor o de l'ordinador vells, per intentar reparar-les. I, de vegades, hem de conèixer la capacitat d’un determinat condensador a la placa per eliminar l’error. Aleshores ens enfrontem a un problema en obtenir el valor exacte del condensador de la placa, especialment si es tracta d’un dispositiu de muntatge superficial. Podem comprar equips per mesurar la capacitat, però tots aquests dispositius són costosos i no per a tothom. Amb això en ment, dissenyarem un mesurador de capacitat Arduino senzill per mesurar la capacitat de condensadors desconeguts.
Aquest mesurador es pot fabricar fàcilment i també és rendible. Farem un mesurador de capacitat mitjançant Arduino Uno, porta d’activació Schmitt i temporitzador 555 IC.
Components necessaris:
- IC temporitzador 555
- IC 74HC14 Porta gatera Schmitt o porta NO.
- Resistència 1K Ω (2 peces), resistència 10KΩ
- Condensador 100nF, condensador 1000µF
- 16 * 2 LCD,
- Taula de pa i alguns connectors.
Explicació del circuit:
El diagrama de circuits del mesurador de capacitat mitjançant Arduino es mostra a la figura següent. El circuit és senzill, una pantalla LCD està connectada amb Arduino per mostrar la capacitat mesurada del condensador. Un circuit de generador d’ona quadrada (555 en mode Astable) està connectat a Arduino, on hem connectat el condensador la capacitat de la qual s’ha de mesurar. S’utilitza una porta d’activació Schmitt (IC 74LS14) per garantir que només Arduino s’alimenta d’ona rectangular. Per filtrar el soroll, hem afegit un parell de condensadors a través de la potència.
Aquest circuit pot mesurar amb precisió capacitats entre 10nF i 10uF.
555 Temporitzador basat en IC d'ona quadrada:
Primer de tot, parlarem del generador d'ones quadrades basat en IC 555 Timer, o hauria de dir 555 Astable Multivibrator. Sabem que la capacitat d’un condensador no es pot mesurar directament en un circuit digital, és a dir, l’ONU tracta els senyals digitals i no pot mesurar la capacitat directament. Per tant, fem servir un circuit de generador d’ones quadrades de 555 per enllaçar el condensador amb el món digital.
Simplement parlant, el temporitzador proporciona una sortida d'ona quadrada la freqüència de la qual implica directament la capacitat connectada a aquest. Per tant, primer obtenim el senyal d’ona quadrada la freqüència de la qual és la representativa de la capacitat del condensador desconegut i alimentem aquest senyal a l’ONU per obtenir el valor adequat.
Configuració general 555 en mode Astable, tal com es mostra a la figura següent:
La freqüència del senyal de sortida depèn de les resistències RA, RB i del condensador C. L'equació es dóna com, Freqüència (F) = 1 / (període de temps) = 1,44 / ((RA + RB * 2) * C).
Aquí RA i RB són valors de resistència i C és un valor de capacitat. Posant els valors de resistència i capacitat a l’equació superior obtenim la freqüència de l’ona quadrada de sortida.
Connectarem 1KΩ com a RA i 10KΩ com a RB. Així, la fórmula esdevé, Freqüència (F) = 1 / (període de temps) = 1,44 / (21000 * C).
Reorganitzant els termes que tenim, Capacitat C = 1,44 / (21000 * F)
Al nostre Codi de programa (vegeu més avall), per obtenir el valor de la capacitat amb precisió, hem calculat el resultat en nF multiplicant els resultats obtinguts (en farads) per "1000000000". També hem utilitzat '20800' en lloc de 21000, perquè les resistències precises de RA i RB són 0,98 K i 9,88 K.
Per tant, si coneixem la freqüència de l’ona quadrada, podem obtenir el valor de la capacitat.
Porta desencadenant Schmitt:
Els senyals generats pel circuit del temporitzador no són completament segurs per donar-los directament a l’Arduino Uno. Tenint en compte la sensibilitat de l’ONU, fem servir Schmitt trigger gate. Schmitt trigger gate és una porta lògica digital.
Aquesta porta proporciona una sortida basada en el nivell de voltatge d'entrada. Un Schmitt Trigger té un nivell de tensió THERSHOLD, quan el senyal INPUT aplicat a la porta té un nivell de tensió superior al THRESHOLD de la porta lògica, la SORTIDA passa a HIGH. Si el nivell de senyal de tensió d’ENTRADA és inferior al LLINDAR, la SORTIDA de la porta serà BAIXA. Amb això, no solem obtenir l’activador Schmitt per separat, sempre tenim una porta NO que segueix l’activador Schmitt. El funcionament de Schmitt Trigger s’explica aquí: Schmitt Trigger Gate
Utilitzarem el xip 74HC14, aquest xip té 6 portes Schmitt Trigger. Aquestes SIS portes estan connectades internament com es mostra a la figura següent.
La taula de veritat de la porta d'inversió de Schmitt Inverted es mostra a la següent figura, amb això hem de programar l'ONU per invertir els períodes de temps positius i negatius als seus terminals.
Connectem el senyal generat pel circuit de temporitzador a la porta ST, tindrem una ona rectangular de períodes de temps invertits a la sortida que és segur que es donarà a l’ONU.
Arduino mesura la capacitat:
L’Uno té una funció especial pulseIn , que ens permet determinar la durada de l’estat positiu o negatiu d’una ona rectangular concreta:
Htime = pulseIn (8, HIGH); Ltime = pulseIn (8, BAIX);
La funció pulseIn mesura el temps durant el qual el nivell alt o baix està present al PIN8 de l’Uno. La funció pulseIn mesura aquest temps alt (Htime) i Low Time (Ltime) en micro segons. Quan afegim Htime i Ltime junts tindrem la durada del cicle i, invertint-la, tindrem la freqüència.
Un cop tenim la freqüència, podem obtenir la capacitat utilitzant la fórmula que hem comentat anteriorment.
Resum i proves:
En resum, connectem el condensador desconegut al circuit de temporitzador 555, que genera una sortida d’ona quadrada la freqüència de la qual està directament relacionada amb la capacitat del condensador. Aquest senyal s’atorga a l’ONU a través de la porta ST. L'ONU mesura la freqüència. Amb la freqüència coneguda, programem l’ONU per calcular la capacitat mitjançant la fórmula comentada anteriorment.
Vegem alguns resultats que he obtingut, Quan he connectat el condensador electrolític 1uF, el resultat és 1091,84 nF ~ 1uF. I el resultat amb condensador de polièster 0,1uF és de 107,70 nF ~ 0,1uF
Després vaig connectar un condensador de ceràmica 0.1uF i el resultat és de 100,25 nF ~ 0,1uF. També el resultat amb condensador electrolític de 4,7 uF és de 4842,83 nF ~ 4,8 uF
Així és com podem simplement mesurar la capacitat de qualsevol condensador.