Microcontroladores: Capacímetro Autorrango

por Mario 3 octubre, 2009, 5:38 pm 44 Votes 109 Comments

Midiendo Diodos y Transistores

Uno de los instrumentos que no puede faltar en cualquier banco de trabajo es un medidor de capacitores. La mayoría de los instrumentos que encontramos en el mercado cuestan muy caro. Además, los medidores de capacitores que encontramos en los multímetros no pueden medir más allá de los 1000uF o 2000uF, en el mejor de los casos. El medidor que te mostramos hoy es capaz de medir dispositivos de pocos pico Faradios hasta varios Faradios, con la ventaja de utilizar una única escala que se ajustará en forma automática y sin necesidad de ninguna llave selectora. Averiguar el estado de un capacitor ya no será privilegio de sólo algunos profesionales. Toda la construcción paso a paso, detallada en este artículo, ¿te lo vas a perder? Con sólo un PIC 16F628A y un popular temporizador 555 puedes tener, en una tarde de trabajo, un medidor de capacitores que te sorprenderá por su sencillez constructiva, por su facilidad de uso y, sobre todo, por su precisión utilizando componentes comunes. Tal como puedes ver en el circuito, el temporizador 555 debe ser de tecnología CMOS y los más populares son los fabricados por Harris, Texas Instruments, Philips, Intersil y Thomson. El circuito integrado es básicamente el mismo que el NE555 común, con la única diferencia que la tecnología de fabricación empleada es otra. Los beneficios que trae la utilización de este tipo de 555 es el bajo consumo (60uA) sumado a la precisión (2%) y la bajísima necesidad de corriente para activar entradas como THRESHOLD, TRIGGER y RESET (20pA). Teoría de funcionamiento El funcionamiento del instrumento que te presentamos hoy se basa en el funcionamiento del 7555 como multivibrador monoestable. Para efectuar la medición del capacitor, el microcontrolador se encarga de manejar las entradas RESET y TRIGGER en forma adecuada y, una vez disparado el multivibrador, toma el tiempo en que OUTPUT permanece en estado alto (HIGH). Como se puede apreciar en el diagrama siguiente, el tiempo que dure el pulso generado será directamente proporcional al valor de C (que es el capacitor bajo prueba) y de Ra. Repasando brevemente el modo de operación de un multivibrador monoestable, podemos recordar que inicialmente C se cargará a través de Ra, intentando alcanzar una tensión de carga equivalente a la tensión de alimentación del circuito. En la práctica, esto nunca llega a suceder ya que el transistor conectado en el Pin 7 del IC provocará la descarga de C cuando la misma alcance los 2/3 de la tensión de alimentación. Para lograr un funcionamiento deseado, el PIC colocará un estado bajo en el Pin 4, dando RESET al temporizador. Luego disparará (TRIGGER) el monostable mediante la colocación de una muy breve transición desde un estado alto a uno bajo para luego retornar y quedar en un estado alto hasta el próximo disparo del multivibrador. Durante el flanco descendente del impulso de disparo, el 7555 activará su conteo cambiando el estado del Flip-Flop interno del IC, lo que permitirá la carga de C al liberar el transistor interno que lo mantenía forzado a un potencial de GND. Al momento de dispararse el TRIGGER, el transistor interno (Pin 7) libera al capacitor (en nuestro caso, de valor desconocido) de un potencial igual a GND y permite la carga de este componente a través de la resistencia Ra que, en nuestro circuito, será la seleccionada para cada rango y estará formada por un potenciómetro multi-vueltas y una resistencia fija. El trabajo de selección para determinar cuál “rama” de resistencias se ocupará de cargar el capacitor estará a cargo del PIC y será en función del resultado que vaya obteniendo a medida que la salida OUTPUT del multivibrador vaya evolucionando. Esto es: el PIC inicia un acumulador de tiempo y, si el mismo se excede en determinada cantidad de cuentas, el PIC entenderá que no se trata de un capacitor pequeño (escala de pico Faradios) y conmutará automáticamente a drenar corriente a través de la rama de las resistencias indicadas como nano Faradios. Si la salida del multivibrador se sigue manteniendo alta y el segundo contador dentro del programa del microcontrolador también se desborda, el PIC conmutará automáticamente al tercer rango para cargar más rápidamente el capacitor que evidentemente estará dentro del rango de los microfaradios. De acuerdo al programa realizado, los desbordes sucederán a las 9.999 unidades y, para facilitar la lectura de los resultados obtenidos, las escalas se expresarán de 1 a 999 pico Faradios, luego de 1,00 a 9,9 nano Faradios y de 10 a 99 nano Faradios, repitiéndose este modo de visualización en la escala de los micro y mili Faradios. Resumiendo: el PIC maneja en forma constante al multivibrador y “lee” el tiempo que dura el pulso de salida de éste cuando se produce el cambio de estado en OUTPUT. Esa “longitud” de tiempo representa un equivalente al valor del capacitor bajo prueba (CUT, Capacitor Under Test). El circuito propuesto Esta versión del circuito y su arquitectura están inspiradas en un circuito muy popular publicado hace un tiempo. Lo que hemos hecho en nuestro caso es tomar sus características sobresalientes, simplificar el circuito a un montaje entendible, práctico y útil, por sobre todas las cosas. De esta forma, podemos ver tres bloques bien definidos que estarán formados por la fuente de alimentación, el multivibrador y el PIC. En el caso de la fuente, hemos decidido un montaje dividido por razones de espacio dentro del gabinete seleccionado y para facilitar su construcción. (Los gabinetes que fabricamos nosotros mismos a partir de un perfil de aluminio obtenido en un parque de chatarras).

El mecanizado lleva un poco de tiempo extra en la construcción pero nos asegura un producto terminado muy robusto y presentable. Tengamos en cuenta que esta clase de instrumentos no se puede montar y mantener sobre una plataforma de ensayos (protoboard) ya que éstas son muy propensas a presentar conexiones erráticas con el tiempo y el continuo traslado del instrumento de un lugar a otro. En el caso de la fuente de alimentación, aprovecharemos la instalación del regulador 7805 en la misma pared del gabinete que, por ser de aluminio, facilitará su refrigeración, aunque la temperatura que pueda tomar será ínfima gracias al bajo consumo del circuito en general. Por su parte, la placa de circuito impreso deberá ser lo suficientemente pequeña como para entrar dentro del gabinete que ya está ocupado en su gran mayoría por el LCD, las fichas “banana” donde conectaremos el CUT, la llave de encendido y el 7805 sus circuitos adicionales. Podrás notar que hemos incorporado un diodo 1N4007 en la entrada al regulador de 5Volts para prevenir potenciales errores de inversión de polaridad que pueden provocar daños en nuestro circuito.

Debido a que nuestro desarrollo trabajará con una batería para hacerlo un instrumento portátil y de fácil traslado, los parámetros mencionados anteriormente de bajo consumo por parte del multivibrador son muy importantes. El consumo medido del equipo sin el backlight del display encendido es menor a los 10mA, gasto energético que lo hace muy atractivo para utilizarlo con una simple batería alcalina de 9Volts. Si conectamos la luz del LCD, nos vamos a 20mA de consumo, que tampoco es una cifra tan importante si consideramos que el uso de este instrumento no será tan intensivo. Por otro lado, en la imagen superior se podrá ver que para facilitar la realización del circuito impreso hemos apelado a la implementación de puentes hechos con cables. Si se utiliza un diseño de placa de doble faz, este artilugio no será necesario. Como dijimos antes, todos los componentes empleados están colocados de manera tal que no se eleven demasiado sobre la placa para permitir una cómoda y eficiente instalación dentro del gabinete, como vemos a continuación:

Para el desarrollo de las entradas de conexión del CUT debes tener especial precaución debido a que, cuando realiza mediciones en el rango de los pico Faradios, el sistema puede captar ruidos e interferencias desde transformadores o circuitos de atenuación controlados por SCR, los que pueden hacer variar los resultados concluyendo en mediciones erróneas, inestables y a veces absurdas. Nosotros hemos utilizado un sencillo par de fichas banana hembras en la parte frontal del gabinete que te permitirán colocar allí los cables comunes de un multímetro, el CUT directamente sobre ellas o bien puedes construirte un par de caimanes (pinzas cocodrilo) especiales para la medición. Esto último es muy práctico a la hora de medir capacitores sueltos. En el caso de utilizar cables de multímetro, trata de que los mismos sean lo más cortos posibles.

Ajuste automático del cero Una de las funciones interesantes que se ha incorporado al capacímetro es una rutina inicial de medición de la capacidad parásita que existe en el circuito de entrada al momento de encenderse el equipo. Es decir, cada vez que el equipo se inicializa, se realiza una lectura del valor de capacidad existente y a este valor se lo acumula en una variable destinada a tal fin. Los cables internos, las cercanías de éstos al gabinete, los cables de medición (en caso de que los utilicemos) y los caimanes pueden sumar capacidades parásitas “variables” (según el medio que utilicemos para analizar los capacitores) que se restarán al valor final obtenido. Por este motivo, es muy importante tener en cuenta que no debe existir ningún capacitor conectado al instrumento al momento de encenderlo. Durante la rutina de encendido que hemos preparado para el instrumento veremos un mensaje de bienvenida, luego la información de la ejecución del ajuste de cero mencionado y, por último, la ejecución de la rutina principal del programa que será la de esperar la medición de cualquier capacitor que se coloque en sus puntas de prueba. En imágenes, lo expresado se aprecia de la siguiente forma: Calibración Realizaremos el ajuste y la calibración del instrumento con capacitores de buena calidad y, preferentemente, los denominados “patrones”, es decir, los que poseen una tolerancia de error mínima en su valor nominal (1%). Se recomienda que la capacidad utilizada para esta tarea se ubique en la porción central de las escalas de medición. Es decir, en la escala de pico Faradios debemos utilizar un capacitor de 470pF o de 560pF. Lo mismo para la escala de nano Faradios (470nF o 560nF). Y para la escala de micro Faradios y mili Faradios podemos realizar abundantes mediciones con capacitores de buena calidad hasta lograr un ajuste satisfactorio del preset correspondiente. La posibilidad de incorporar un preset multivueltas para cada rango facilita la calibración y nos permite realizar un ajuste de precisión. Vale aclarar también que debes efectuar un correcto ajuste en el preset P1 para obtener una visión correcta en el display de los textos que en él aparezcan. Uso cotidiano Tan fácil como encender cualquier instrumento, colocar el CUT en las puntas de prueba y proceder a leer el valor indicado en el display. Con el uso irás observando que, para capacitores de mayor valor, el instrumento necesitará más tiempo para efectuar una medición correcta. Es decir, el tiempo que demora el multivibrador en realizar la carga hasta que OUTPUT cambia de estado es directamente proporcional al valor de la capacidad. Para valores de varias decenas de mili Faradios, una medición puede llegar a demorar hasta un minuto de tiempo. Debes ser paciente en este punto de la utilización.

Recomendaciones Además de aconsejarte que trates de instalar todo en un gabinete metálico para prevenir interferencias y/o ruidos externos que puedan alterar las mediciones, te recomendamos que tengas la precaución de descargar los capacitores que vayas a medir para evitar accidentes por sobretensión dentro del instrumento. A pesar de que D2 y D3 están para eliminar cualquier carga que puedan traer en especial los capacitores electrolíticos, debes extremar esta precaución para evitar sorpresas desagradables. Como dato final podemos agregar que los valores expresados en los capacitores nunca serán exactos en todos los casos. Recuerda que, como cualquier componente electrónico de fabricación masiva, poseen un margen de error (tolerancia) que puede variar, según el caso, entre un 10% y un 20%. Por supuesto que errores mayores a éstos significarán que el componente analizado está defectuoso. Con cualquier programador sencillo de PIC’s puedes grabar el archivo .HEX necesario para poder disfrutar de este magnífico instrumento que no debe faltar en tu banco de trabajo y experimentación.