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HINWEIS:
Bitte darauf achten, das das Relais K1 eine Freilaufdiode enthält, oder eine externe Diode parallel zur Relaiswicklung (Kathode an +5V, Anode an RB4) anlöten. Ansonsten könnte das IO-Port-Pin RB4 des PIC zerstört werden.
Einleitung
Dieses Messgerät habe ich mir nicht selber ausgedacht. Vielmehr habe ich im Internet nach einem geeigneten LC-Meter gesucht, und bin vielfach fündig geworden. Ich fand dort Bauanleitungen für mehrere LC-Meter, die alle sehr ähnlich aufgebaut waren und sich nur im Typ des eingesetzten Prozessors unterschieden. Da man nicht alles neu erfinden sollte, habe ich eines der Messgeräte fast unverändert nachbebaut. 99% des eingesetzten Programmcodes stammen also nicht von mir, und die Schaltung wurde nur leicht verändert, um sie an die bei mir schon vorhandenen Bauteile anzupassen.
Wem ich nun genau für die Entwicklung dieses LC-Meters danken soll, weiss ich nicht, da die Urheberschaft nicht ohne weiteres nachvollziehbar ist. Auf jeden Fall handelt es sich um eines der besten Nachbauprojekte, die ich je gefunden habe, da es das Gerät erlaubt, mit geringem Aufwand Induktivitäten und Kapazitäten recht präzise zu ermitteln. Gerade wenn man sich mit Schaltreglern befasst, ist ein Induktivitätsmessgerät unablässig, und normale Digitalmultimeter haben keinen Induktivitätsmessbereich.
Prinzip des LC-Meters
Mit einem Komparator LM311, einer 68-µH-Spule und einem 680-pF-Kondensator ist ein LC-Oszillator aufgebaut. Seine Schwingfrequenz wird mit dem Timer des PIC16F84 gemessen. Sie entspricht dabei der nebenstehenden Formel und hängt also von der Größe des Kondensators C und der Spule L ab. |
Damit diese Berechnungen genau sind, ist es erforderlich, die genauen Werte von L und C zu kennen.
An dieser Stelle hat der ursprüngliche Entwickler dieses LC-Meters einen sehr gute Idee gehabt. Er kalibriert das Messgerät, indem er mit einem Relais einen eng tolerierten Kondensator von 1,02nF parallel zum Kondensator C schaltet. Dabei verändert sich natürlich auch die Schwingfrequenz. | |
Die Verstimmung der Frequenz ist um so größer, je kleiner C im Vergleich zu den 1,02nF ist. Daraus lässt sich die Größe von C errechnen. | |
Ist C nun bekannt, lässt sich auch die Größe von L ermitteln. |
Da nun die realen Werte von L und C recht genau bestimmt
worden sind,
kann man aus der Verstimmung durch einen unbekannten
Kondensator Cx
oder
einer unbekannten Spule Lx deren Kapazität bzw.
Induktivität
recht genau berechnen. In den nebenstehenden Formeln ist f2 jeweils die durch Cx bzw. Lx verstimmte Oszillatorfrequenz. (und nicht die aus der Kalibrierung mit dem 1,02nF-Kondensator). |
mechanischer Aufbau
In der Regel sehen die Nachbauanleitungen vor, das Gerät
als Handgerät
aufzubauen. Ich bevorzuge aber eine etwas größere
Bauweise,
dadurch kann ich verschiedene Geräte am Arbeitsplatz
übereinander
stapeln.
Induktivitäten werden zwischen die linke und die
mittlere
Buchse angeschlossen. Kondensatoren schließt man
zwischen der
mittleren
und der rechten Buchse an. |
Die Verkabelung zu den Buchsen ist noch nicht ideal,
insbesondere nicht
für kleinste Induktivitäten und Kapazitäten. Die
automatische
Kalibrierung eliminiert aber den Einfluss der
Anschlussleitungen.
Zur Stromversorgung habe ich einen 9V-Block eingesetzt. Bei einer Stromaufnahme von ca. 10 mA sollte die Batterie viele Betriebsstunden lang durchhalten. Der Einfachheit halber ist die Batterie mit Klebeband am Geräteboden befestigt. Der Kontrast des LCD-Displays wird am 10kOhm-Potentiometer auf der Platine eingestellt. |
Eigentlich wollte ich aus oben genannten Gründen auf dieser Seite weder die Schaltung noch das PIC-Programm veröffentlichen (mein Anteil darann ist ja recht klein), nach einigen eMails habe ich mich nun doch überreden lassen:
Der 1,02nF-Referenz-Kondensator
Die Genauigkeit der Messung hängt von der Genauigkeit des
Referenzkondensators
ab. Dieser muss möglichst genau 1,02nF betragen. Da es so
einen
krummen Wert nicht zu kaufen gibt, muss man ihn sich aus
Einzelwerten
zusammensetzen. Ich habe im Layout drei Einbauplätze (C4, C9, C10)
für Kondensatoren vorgesehen, die zusammen 1020 pF betragen
sollten.
Ich empfehle einen 1000 pF (C9) und einen 20 pF (C10) Kondensator.
Der
Einbauplatz C4 wird dann nicht benötigt, und bleibt frei.
Die Kondensatoren sollten natürlich möglichst kleine
Toleranzen
haben. Für den 1000pF-Typ kommt z.B. in Frage:
Relais:
Das Relais schaltet während der Kalibrierung den
Referenzkondensator
in die Schaltung. Um dessen Wert nicht zu verfälschen sollte es
eine
geringe Eigenkapazität haben. Ein kleines Reedrelais ist deshalb
ideal.
Ich steuere das Relais direkt mit dem PIC an, ohne einen
Treibertransistor
zu verwenden. Deshalb ist ein 5V-Relais mit einem Spulenwiderstand
von
ca. 500 Ohm zu verwenden. Die ebenfalls am Markt befindlichen 200
Ohm
Relais
sind nicht geeignet, da sie mehr Spulenstrom benötigen als der PIC
liefern kann.
Beim Abschalten des Relais treten Induktionsspitzen auf, die den
PIC
gefährden können. Deshalb muss das Relais intern eine
Freilaufdiode
haben. Geeignete Relaistypen sind z.B.:
Neben der Platine werden einige weitere Bauteile benötigt, die (bis auf die Batterie) entsprechend diesem Stromlauplan in der Frontplatte montiert werden:
S1A/S1B
An diese Anschlüsse wird ein rastender Druckschalter (Öffner)
angeschlossen, der beide Pins in Ruhestellung verbindet.
Der Schalter wird mit L beschriftet. In
Arbeitsstellung
(L-Messung) öffnet der Schalter.
Dieser Schalter hat einen zweiten Kontaktsatz (Schließer), der
mit den Pins T13 ('GND) und T10 (RB5) der Modeumschaltung
verbunden ist
(siehe unten).
S2A/X1
nicht verwendet
X2
An diesen Anschluss kommt die mittlere Bananenbuchsen (Masse).
S2C
An diesen Anschluss kommt die linke Bananenbuchsen (L).
S2B
An diesen Anschluss kommt die rechte Bananenbuchsen (C).
Uin/GND
Hier wird die 9V-Batterie (über einen Kippschalter) angeschlossen.
SV1-LCD-Anschluss
Hier wird ein 16x2-LCD-Dotmatrix-Display
angeschlossen. Pinbelegung wie folgt:
1 - Vss (Masse)Im Stromlaufplan sind die Pin-Nummern der am meisten eingesetzten Displayvariante angegeben.
2 - Vdd (Betriebsspannung)
3 - Vo (Kontrastspannung)
4 - RS
5 - R/W
6 - E
7..10 - D4..D7
JP1
Sollte mit einem Jumper verbunden werden. Dient der Wahl der
Maßeinheit in der Anzeige.
Mode-Schalter an T8 .. T13
Wahl der Betriebsart:
GND-RB5 (T13 - T10) : L
Dient der Einschaltung der Induktivitätsmessfunktion.
Hier ist der 2. Umschalter des L-Schalters angeschlossen. Im Ruhezustand ist der Schalter offen, im Arbeitszustand (L-Messung) schließt er , und verbindet T10 (RB5) mit T13 (GND).GND-RB6 (T12 - T9) : C
Dient der Einschaltung der Kapazitätsmessfunktion.
Hier ist der C-Schalter angeschlossen. Im Ruhezustand ist der Schalter geschlossen und verbindet T9 (RB6) mit T12 (GND). Im Arbeitszustand (C-Messung) öffnet er.GND-RB7 (T11 - T8) : Zero
Diese Pins T11 (GND) und T8 (RB7) werden mit einem nicht-rastenden Taster "Zero" (Öffner) verbunden. Durch drücken auf den Taster lässt sich ein Offset vom Messwert entfernen. In der L-Betriebsart ist dazu die L-Buchse mit der M-Buchse (Masse) zu verbinden.
Vor dem Einschalten müssen sich die beiden Schalter L und C in
Ruheposition befinden, und es darf kein Kondensator angeschlossen
sein.
Nach dem Einschalten prüft das Gerät die Ruhestellung aller
Schalter, und kalibriert sich dann selbst (Relais klickt).
Kapazitätsmessung:
Schalter C einschalten (drücken).
Falls ohne Kondensator schon ein nennenswerter Kapazitätswert
angezeigt wird, dann die Zero-Taste kurz drücken.
Kondensator an die mittlere und rechte Buchse (M & C)
anschließen,
Ergebnis ablesen.
Induktivitätsmessung
Schalter L einschalten (drücken).
Spule an die linke und mittlere Buchse (L & M) anschließen,
Ergebnis ablesen.
Sicherheitshalber sollte man zum Test des Offset die linke und die
mittlere Buchse mit einem Prüfkabel verbinden, um den Offset des
Geräts
abzulesen. Wird dann ein nennenswerter Induktivitätswert
angezeigt,
dann die Zero-Taste kurz drücken, Prüfkabel wieder entfernen
und die Messung mit der Spule
wiederholen.
Fehler | mögliche Ursachen |
Keinerlei Anzeige im Display. | - Display-Kontrastspannung falsch, mit R6 richtig
einstellen - falscher Display-Typ (Hochtemperaturdisplay) - fehlende Stromversorgung - Display-Pins 1..3 falsch angeschlossen |
Im Display erscheinen in der 1. Zeile graue Rechtecke, die 2. Zeile ist leer. | PIC arbeitet nicht: - Programm im PIC falsch gebrannt - falsche Oszillatoreinstellung im PIC PIC kann Display nicht ansteuern - Fehler in der Verbindung zwischen PIC und Display |
Im Display erscheint "Switch Error" | Der Schalter L und/oder der Schalter C sind in falscher Position |
Im Display erscheint dauerhaft "Calibrating". Das Relais klickt im 2 Sekunden-Takt. | - Der Taster Zero ist in der falschen Position - Das Relais zieht nicht richtig an - der LM311-Oszillator arbeitet nicht |
Induktivitäten werden zu groß gemessen. | automatische Nullstellung mangelhaft, deshalb manuell
nullen: 1. L-Messbuchsen mit M-Messbuchse direkt verbinden, 2. Zero-Taste drücken, 3. Verbindung der Buchsen trennen, 4. Messobjekt anschließen 5. korrekten L-Wert ablesen |
Das Gerät "kalibriert" sich beim Einschalten mit Hilfe des 1,02nF-Kondensators. Die Toleranz dieses Kondensators begrenzt also die erreichbare Genauigkeit. Logischerweise ist die Kalibrierung nun für Kondensatoren am besten, die in etwa in der Größenordnung des Kalibrierkondensators liegen. Bei deutlich größeren oder kleineren Kondensatoren kann der Fehler größer werden.
Karl Rainer B. (vielen Dank) hat die Messergebnisse seines LC-Meter-Nachbaus mit den Messergebnissen einer hochwertigen LC-Messbrücke verglichen, und festgestellt, das der Messfehler seines LC-Metern mit steigender Kapazität des Prüflings stark anstieg, und bei 2 uF fast 8% erreichte. Die Ursache lag darin begründet, dass die Messung durch Frequenzveränderung des Oszillators erfolgt, und die im Oszillator eingesetzten Kondensatoren und Spulen Werte haben, die etwas frequenzabhängig sind. Auch die schlechte Qualität der Schwingkreisspule wirkte sich negativ aus.
Der Einsatz hochwertiger Bauteile (Glaskondensator für C8 und Spule mit kleinem Innenwiderstand für L2) beseitigte das Problem. Er erreichte dann eine Genauigkeit von 1% ± 1pF im Bereich von 1pF bis 1,9uF. Das ist ein besserer Wert, als ich erwartet hatte.
Fragt mich bitte nicht, wo man solche hochwertigen Bauteile her
bekommt.
Johann H. hat mich auf ein generelles Problem aufmerksam gemacht,
und dieses genauer untersucht. Bauteile ändern ihre Werte etwas
mit der Frequenz. Prinzipbedingt ist die Messfrequenz dieses
LC-Meters
nicht konstant. Dadurch ergeben sich zusätzliche Messfehler, die
hochwertige LC-Messbrücken nicht haben. Ich möchte hier nicht
in's Detail gehen, aber der dadurch entstehende Messfehler
betrifft vor
allem Induktivitäten. Aufgrund umfangreicher Messungen und
Vergleiche gibt Johann folgende maximal erreichbare Genauigkeiten
an
(unter Nutzung hochwertiger Gimmerkondensatoren und eines
hochpräziesen Referenzkondensators im Messgerät):
Induktivität | Toleranz |
1 uH ... 2 uH |
25% |
2 uH ... 5 uH | 10% |
5 uH ... 10 mH | 3% |
10 mH ... 500 mH |
2% |
Kapazität | Toleranz |
5 pF ... 10 pF |
5% |
10 pF ... 50 pF |
1% |
50 pF ... 10 nF |
0,5% |
10 nF ... 50 nF |
2,5% |
50 nF ... 200 nF |
5% |
200 nF ... 1 uF |
10% |
mögliche Verbesserungen
Eigentlich müsste das ganze Layout überarbeitet werden, damit sich Buchsen und Schalter einigermaßen intuitiv an die Platine anschließen lassen.
Unterhalb der Buchsen möchte ich eine Steckfassung anbringen, in die Kondensatoren und Spulen direkt eingesteckt werden können, da ja nur die wenigsten Bauelemente Bananenstecker haben:-)
Als Schwingkreisspule L benutze ich z.Z. eine Induktivität geringer Güte. Deshalb kann beim Ausmessen von Spulen geringer Güte die Schwingung abreißen. Ich werde zukünftig eine bessere Induktivität einsetzen.
Nach dem Einschalten der Lx-Betriebsart, ist der Nullfehler des
Messgerätes
nicht ablesbar wenn man nicht die beiden Lx-Buchsen
überbrückt.
Da ich gerade in dieser Betriebsart aber öfters größere
Nullfehler beobachtet habe (warscheinlich infolge eines nicht
perfekten
Schalterkontaktes) möchte ich über den Lx-Buchsen eine Taster
einbauen, der die Lx-Buchsen kurzschließt. Durch Drücken des
Tasters kann man den Nullfehler ablesen, wird dann der Null-Taster
gedrückt,
wird der Nullfehler automatisch kompensiert. Dafür muss ich aber
erst
mal einen kleinen Taster finden, dessen Kontaktwiderstand bei
jedem
Drücken
garantiert extrem klein ist.
Wann ich dazu komme, endlich diese kleinen Überarbeitungen
vorzunehmen, ist unklar. Bekanntlich ist nichts so beständig wie
ein Provisorium.