Cualquier ordenador corriente dispone de una potencia de cálculo asombrosa. Los convertidores ADC de la tarjeta de sonido pueden alcanzar una resolución de 16 bit, más que suficiente para realizar medidas de tensión de alta precisión. Gracias a toda esta potencia estándar se pueden crear instrumentos de mucha precisión por un coste realmente bajo y en un tiempo récord. Este medidor utiliza la tarjeta de sonido del ordenador y puede medir impedancias, bobinas, condensadores, resistencias, fase, factor de calidad etc .
Fig.1. Medidor LCR de precisión.
Para medir la impedancia de cualquier componente se hace pasar una corriente senoidal de frecuencia prefijada a través del mismo. Midiendo la tensión eficaz en el DUT ( dispositivo bajo test ), y el desfase entre la tensión y la corriente del DUT, se pueden determinar todos los parámetros de dicho componente mediante sencillas ecuaciones y transformaciones matemáticas. Para las resistencias, se puede descubrir si tienen alguna componente inductiva o poner de manifiesto con la medida el efecto capacitivo de sus espiras en paralelo. Se puede medir la resistencia de los dieléctricos en los condensadores, la tangente de pérdidas de los mismos, su factor de forma, etc. Así mismo para las bobinas se puede determinar el factor de la calidad de las mismas.
Fig. 2. Detalle del montaje.
|
Fig. 3. Detalle de las conexiones traseras del conector para 4 hilos.
|
Cuando pinchamos un componente resistivo el aparato se comporta como un medidor de resistencia de alta calidad, dependiendo la medida la precisión básica de las resistencias empleadas en las escalas de medida y la precisión del convertidor ADC de la tarjeta. Al menos usando resistencias de película metálica de 0,25% de tolerancia podemos medir resistencias con una precisión semejante. Se utilizan dos tensiones simétricas de +12V y -12V para los operacionales y los 5 V de la lógica se obtienen con un transformador aparte. De esta forma minimizamos el error que pueda introducir el ruido de las líneas de alimentación y las hacemos lo más independientes posibles.
Esquema.
El esquema consiste en un generador de reloj de 10 kHz que alimenta a un sintetizador senoidal digital seguido de varios filtros. Se obtiene así una señal senoidal de baja distorsión y baja impedancia que alimenta al DUT. Para el proceso de medida se conecta una resistencia de precisión ( 0,25% o menor ) en serie con el DUT y se mide la tensión en el DUT y la tensión de entrada. Se han utilizado en la etapa de salida operacionales con muy bajo offset de salida puesto que otros tipos introducirían más error.
Fig. 4. Esquema eléctrico. Pinchar sobre la imagen para descargar.
El programa sintetiza digitalmente la señal diferencial en la resistencia y calcula la corriente eficaz según el valor de la resistencia. Calcula además el desfase entre la tensión y la corriente que tenemos en el DUT, determinando de forma automática si se trata de una resistencia, bobina o condensador.
La medida se realiza mediante el método a cuatro hilos para minimizar el error. En las siguientes fotografías se puede apreciar el montaje del medidor a cuatro hilos.
Fig. 5. Selector de escala.
|
Fig. 6. Detalle de conexionado del componente.
|
El medidor a cuatro hilos está formado por cuatro láminas de latón de 2 mm de espesor en paralelo dos a dos y seccionadas por la mitad. Mediante tornillos con tuerca de latón y pernos también de latón se consigue el apriete del componente tal como se aprecia en la fotografía de la derecha. Entre cada par de láminas hay una arandela fina de teflón. En medio tenemos un perno de plástico y también se dispone de una arandela aislante. Las placas de debajo del todo están electricamente unidas a los pernos de latón.
Factores que influyen en la precisión.
Principalmente son los siguientes: La precisión de las resistencia de las escalas, errores en el desfase de las señales medidas, ( piedra angular en la medida precisa de bobinas y condensadores ) errores en los convertidores ADC de la tarjeta de sonido, distorsión armónica total o THD de las senoides medidas, offset de la señal senoidal que se aplica al DUT, desbalanceamiento de los canales, medidas con baja amplitud de la senoides medidas, precisión en la frecuencia usada para medir el componente, offset de los amplificadores operacionales, ruido, etc, etc.
La frecuencia de medida se ha establecido en 1 kHz y se optiene con gran estabilidad y precisión de un oscilador con salida TTL/CMOS dedicado a tal fin. ( Cajita metálica de la fotografía ). He optado por realizar esta frecuencia por hardware ya que el instrumento está previsto para funcionar sin el ordenador e incluirle en posteriores ampliaciones de un frecuencímetro en la misma caja. La amplitud de la senoide está en torno a 1,2 Vpp. La mayoría de los puentes de medida utilizan una amplitud semejante. Con el programa Cool Edit Pro podemos medir la THD de la señal, obteniendo valores realmente bajos.
Calibración.
Colocamos un osciloscopio en la patilla 6 del operacional U5 ( OP177 ) y no insertamos ningún componente. Ajustamos R21 hasta que obtengamos una perfecta simetria vertical de la senoide en pantalla. El semiciclo positivo deberá tener la misma amplitud que el negativo y estar perfectament centrada sobre la linea de 0 V. Con esto eliminamos cualquier offset que pudiera tener la señal. Si no disponemos de osciloscopio colocamos una resistencia de 1k en el medidor y la escala en 900 ohmios y ajustamos hasta que se vea la forma de onda perfectamente centrada en la pantalla del programa.
Tendremos que ajustar a cero el balance de los canales de la tarjeta de sonido y el volumen hasta que la señal Vin en color rojo en el programa tenga la máxima amplitud posible. Los semiciclos no deberán llegar a las dos lineas amarillas horizontales de la pantalla. Con este ajuste aprovechamos al máximo todo el margen dinámico de captura de la tarjeta de sonido. El correcto ajuste de los controles de volumen y balance de la tarjeta de sonido es muy importante y si no lo realizamos correctamente los errores en la medida pueden ser elevados. ( sobre todo en la medida de la resistencia de bobinas y Resr de los condensadores ).
Programa.
El programa está escrito en C++ Builder y funciona sobre Windows XP. No es necesario la instalación de ningún driver puesto que se utilizan las propias librerías estándar de Windows que se incluyen en el sistema operativo. Quien desee aprender sobre como programar la tarjeta de sonido en Builder puede revisar mi artículo aquí.
Fig. 7. Descargar el programa aquí.
El botón Medir nos realiza una única medida. Si queremos medir en bucle pulsamos Medida continua. Podemos seleccionar las señales que podemos ver en la pantalla y la cantidad de ciclos completos de onda medidos. A mayor ciclos medidos aumentamos la precisión de la medida pero también el tiempo de lectura y proceso. Un valor de 1000 ciclos por lectura es más que suficiente.
Resultados.
Obviamente, las medidas más precisas se obtienen en las resistencias puesto que no influyen en los cálculos el desfase de señales. Siempre obtendremos mayor precisión cuanto más cerca estemos del valor de impedancia medido al valor seleccionado del instrumento. Hay que elegir la escala que más convenga según el valor de la medida que estemos realizando.
Fig. 8. Valor medido por el programa.
|
Fig. 9. Valor con un error del 2,5 %.
|
Las fotografías muestran la medida de un condensador de 220 nF / 400 V de poliester. El capacimetro del tester indica 224 nF frente a los 227 nF de programa. La precisión comercial de este condensador puede rondar el 10-20%. El tester nos lo indica con una precisión del 2,5%. La precisión del programa es incluso mejor y depende principalmente de la precisión en la medida de la fase entre la tensión y la corriente en el DUT. Con resistencias el programa puede alcanzar precisiones mucho mayores como muestran las siguiente fotografías.
Fig. 10. Véase como las dos senoides se superponen. El desfase vale casi 0º.
|
Fig. 11. Medida con el polímetro.
|
El tester nos está marcando un valor de 901 ohmios para una resistencia de 900 ohmios y 0,5% de tolerancia. El fabricante de esta resistencia garantiza un valor comprendido entre 895,5 y 904,5 ( +-0,5% ). El medidor arroja un resultado de 903,83 ohmios lo que da una tolerancia en la medida sobre el valor base de 900 ohmios de 0,42 %. Se puede mejorar esta cifra utilizando resistencias de 0,1%.
Los resultados obtenidos para una bobina de prueba lo reflejan las siguientes fotografías:
Fig. 12. Valor un poco inexacto de la resistencia de la bobina.
|
Fig. 13. Medido con un error del 3%.
|
El tester tiene un error aproximadamente del 3% en la medida de inductancias. La resistencia de la bobina fue de 9,5 ohmios medida con el tester ( 0,8 % ) apreciandose un error relativamente alto. Esto es debido a que la amplitud de la señal diferencial que se ve en amarillo en la foto de la izquierda es baja.
Futuras mejoras.
Principalmente utilizando resistencias de 0,1% o menores. Se pueden añadir amplificadores de precisión en los dos canales para obtener mejor rango dinámico. La medida de inductancias elevadas se realiza fácilmente y en un amplio rango. La medida en valores menores a 100 mH requiere una nueva etapa de salida en baja impedancia que sea capaz de entregar bastante corriente. Una solución es colocar las bobinas incógnitas en serie con una bobina de 100 mH o más y obtener el valor. Luego solamente tendremos que restar al valor obtenido el valor de las bobina de 100 mH.
La electrónica base está disponible para incluir un microcontrolador con pantalla y hacer un instrumento portátil.
