LC-Meter

Kondensator: 1pF bis 1nF, 10% Abweichung
Spule: 1µH bis 5µH mit 25% Abweichung, 5µH bis 1mH mit 10% Abweichung

Grundlage und Quellen

Die Idee für die Spulenmessung ist von der Homepage sprut.de inspiriert worden. Auch wenn ich eine ATmega für die Lösung verwende, ist die Grundidee und Umsetzung sehr gut. Insbesondere die theoretische Grundlage ist dort sehr gut beschrieben.

Die Kondensatorenmessung ist aus dem Elektronik-Kompendium über die astabile Kippstufe inspiriert worden. Der kundige Leser wird sich direkt fragen, warum nicht nur nach der LC-Methode gemessen wurde. Zum einen ist das Messen über den NE555 Timer sehr einfach und ich erspare mir ein Reedrelais zum Umschalten. Zum anderen hat mich diese Art zu messen gereizt.

Designentscheidungen

Anzeige und Bedienung

Wird ein Wert kleiner 10pF oder 10µH gemessen, werden die 3 Nachkommastellen angezeigt. Das Messinstrument hat zwar nicht die Genauigkeit, aber es ist schon interessant, wie empfindlich die Kapazitätmessung ist. Schon wenn man das Messinstrument bewegt, ändert sich die Kapazitätsanzeige.

Bilder:

C-Messung 1,5pF

C-Messung 100nF

L-Messeung 1mH

Durch einen Kippschalter (2-polig) wird zwischen L und C Messung ausgewählt. Mit einem Schalter-Pol wird die Messleitung ausgewählt und durch den anderen Pol wird dem µC die Schalterstellung mitgeteilt.

C-Messung

In der Kondensator Messung ist ein 22pF Kondensator parallel zum messenden Kondensator gesetzt worden. Dieser Kondensator soll verhindern, dass die erzeugte Frequenz für den µC und NE555 viel zu hoch ist. Durch den parallelen Kondensator kann nur eine maximale Frequenz erzeugt werden. Ohne diesen Kondensator kann eine theoretische Frequenz im MHz Bereich erzeugt werden. Beispiel: R1 = 100kOhm, R2= 47KOhm, C=1pF

f=1/(0,69*(R1+2*R2)*C) => f=7,39MHz

Der NE555 ist aber nur bis 500kHz spezifiziert.

Wenn Cmin=22pF ist, beträgt die maximale Frequenz f=338026Hz. Alternativ könnte auch ein Cmin=15pF verwendet werden. Dann ist die maximale Frequenz f=495772Hz, was noch vom NE555 verkraftet wird.

Berechnet wird die Kapazität mit der Formel:

Der Faktor d=0,69 wird aus der Entladekurve des Kondensators abgeleitet, der der Kondensator immer zu 50% auf und entsprechend entladen wird. Die Entladekurve für Kondensatoren lautet:

Um d zu ermitteln muss die folgende Gleichung gelöst werden.

Toleranz

d% = max(log(0,5)-log(0,51), log(0,5)-log(0,49)) = 0,9% Toleranz

Durch die Kalibrierungstaste wird die maximale Frequenz ermittelt. Daraus kann der Kondensatorwert Cmin berechnet werden. Während der Kalibrierung sollte kein Kondensator in den Messpunkten angeschlossen sein. In der Zeit werden auf dem Display der gemessene Kondensatorwert und die Messfrequenz angezeigt. Weil der Kondensator Cmin nur subtrahiert wird, ist die Kalibrierung nur bei sehr kleinen Kondensatorwerten nötig.

Leider hat die aufgebaute Schaltung schon eine Kapazität. Bei meinem Aufbau sind dies 30pF. Aus diesem Grund brauche ich keinen parallel geschalteten Kondensator.

L-Messung

Für die Spulenmessung wurde ein 1nF Glimmer-Kondensator +/- 1% verwendet, weil dieser eine noch bezahlbare geringe Toleranz hat.

Eine sehr gute Beschreibung der L-Messung ist bei sprunt.de zu finden. Meine Schaltung ist einfacher, weil nur Spulen gemessen werden. So gibt es keine Kalibrierung oder Reedrelais.

Weil die minimal gewünschte Induktion 1µH ist, werden am µC maximal 5,03Mhz anliegen. Ein 16MHz betriebener ATmega kann nur bis 8 MHz zählen, was die zuverlässig messbare Induktion begrenzt.

Berechnet wird die Frequenz in Abhängigkeit mit L und C mit:

Tipp: Sollten kleinere Induktivitäten gemessen werden, müsste der Kondensator vergrößert werden. Mit 100nF könnten Messungen bis zum 10nH erreicht werden. Das Programm müsste dann natürlich noch angepasst werden.

µC

Als µC wurde der ATmega88 ausgewählt. Nach kleinen Anpassungen kann auch der ATmega8A oder ATmega8-16 eingesetzt werden. Gegebenenfalls müssen kleine Anpassungen am Sourcecode vorgenommen werden, was ich aber nicht überprüft habe.

Für den µC sollte eine hohe Taktfrequenz gewählt werden, weil über den T1 Eingang am ATmega maximal die halbe Taktfrequenz gezählt werden kann. In meiner Lösung habe ich ein 16MHz Quarz eingesetzt. Weil der interne Zeitzähler jeden 1024. Takt hoch zählt, ist es nicht möglich, dass genau eine Sekunde lang die Impulse am T1 gezählt werden. Durch die Variable SECOND_FACTOR wird dieser Fehler herausgerechnet. Im Sourcecode sind zusätzlich die Werte für 20MHz enthalten.

Gehäuse und Betrieb

Noch eine Anmerkung zum Gehäuse: Es sieht einfach nicht schön aus, aber es ist nur ein Prototyp und um Erfahrungen für das Handling zu sammeln.

Alternativen

Auch könnte ein anderer 555 Timerbausstein verwendet werden, der höhere Frequenzen erlaubt oder genauere Spannungsteiler-Widerstände enthält.

Ob der ATMega wirklich mit 16MHz betrieben werden muss, könnte man auch untersuchen. Vielleicht reichen auch schon 2MHz und einen Vorteiler an T1 aus, was die Batterie schonen würde.

Bilder

Fazit

Download

Warnung

Weil das Messgerät nicht elektromagnetisch abgeschirmt ist, muss davon ausgegangen werden, dass Störstrahlungen erzeugt werden. Hierzu gibt es Gesetze und Vorschriften, die eingehalten werden müssen. Aus diesem Grund empfehle ich, das Messgerät nur in elektromagnetisch abgeschirmten Räumen zu verwenden!

Copyright

Schaltungen und der Quellcode stehen unter GPLv3.

Gewährleistung

Es wird keinerlei Gewährleistung auf Sicherheit oder Funktion gegeben. Vor der Verwendung für kritische Systeme wird ausdrücklich gewarnt und erfolgt unter eigenem Risiko.

(14.08.16)

Bei Fragen oder Kommentaren wenden Sie sich bitte an Thomas Oltzen. .
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Sun Aug 14 17:51:26 CEST 2016