Autonomous inductance meter
A small tool to very simply measure your inductances with good precision ...
Depuis toujours j'ai désiré équiper mon labo d'un appareil permettant de mesurer les valeurs de selfs diverses.
Le coût d'un tel matériel était jusqu'alors assez rédhibitoire, et je n'en possède donc toujours pas. Avant toute chose, sachez que ce petit appareil ne peut bien évidemment pas rivaliser avec les appareils de mesure plus complexes du commerce, il n'est qu'un modeste indicateur permettant de s'affranchir de la valeur d'une self inconnue, tout simplement.
J'ai cependant récemment découvert (en 2017) un site (http://kudelsko.free.fr/inductance_usb/sommaire.htm) dans lequel est décrite la réalisation DIY (Do It Yourself: faites-le vous-même) d'un petit appareil permettant la mesure de selfs inconnues sur une plage de quelques dizaines de nH à 10mH environ... De plus, l'auteur à développé une petite interface fonctionnant sous Windows qui permet de récupérer via l'USB la valeur de la self analysée et de l'afficher sur l'écran de votre ordinateur.
Sa démarche m'a vivement intéressé, mais je recherchais plutôt un appareil autonome...
Je tiens à le remercier ici pour son partage qui a été la base de mon étude.
Description du fonctionnement et logiciel
Il existe plusieurs possibilités pour concevoir un oscillateur capable de fournir un signal de forme sinusoïdale, comme par exemple (source Wikipedia) :
Ces calculs sont intégralement réalisés par le micro-contrôleur, qui se charge en premier lieu de mesurer la fréquence de l'oscillateur via son port RC0. Afin de pouvoir effectuer cette mesure, il est indispensable de la ramener dans des valeurs acceptables pour le µC, et c'est pourquoi elle est divisée au préalable via un compteur binaire de type HEF4040 ou similaire. Le rapport de division employé ici est de 1/32. Ainsi, le micro-contrôleur ne fait l'acquisition que d'une fraction connue de la fréquence à mesurer, grâce à son Timer1 configuré de telle sorte qu'il déclenche le comptage dès le premier front montant sur RC0, l'échelle de temps étant définie à une seconde. Dès lors, la valeur du Timer1 représente le reflet exact de la fréquence du signal présent sur son entrée. Il ne reste plus au processeur qu'à effectuer l'ensemble des calculs nécessaires à la détermination de la valeur de notre self inconnue Lx. (voir Image 2) J'ai quelque peu modifié le schéma d'origine qui accueillait un micro-contrôleur PIC18F2550 en le remplaçant par un PIC18F252, n'ayant nul besoin de l'interface USB embarquée, et ajouté un afficheur LCD de 2x16 caractères.
J'ai ensuite développé un petit logiciel sous mikroC permettant tout comme dans sa version première la mesure d'une self quelconque, et l'affichage formaté (en nH, µH et mH) de sa valeur sur le LCD, le changement de gamme étant automatique. J'ai volontairement opté pour la série PIC18F car il y a quelques calculs en virgule flottante ainsi que des élévations au carré et la série PIC16F dans ces cas précis pose problème...
Un petit mot sur le relais Reed REL1:
Afin d'obtenir une oscillation qui démarre franchement quelque soit la valeur de la self inconnue Lx, une première self L1 est prise en série avec celle-ci. Lors de la mesure, la fréquence résultante du circuit oscillant est dépendante de ces deux selfs. Hors nous désirons connaître seulement la valeur de Lx, et pour ce faire, le logiciel effectue une première mesure en court-circuitant Lx de manière à pouvoir mémoriser et ensuite soustraire cette valeur f initiale, c'est le [Réglage du ZÉRO] (voir Image 3) pour lequel un message particulier s'affiche sur le LCD. Ensuite la seconde mesure prendra en compte les deux selfs, et le logiciel va effectuer le calcul de la fréquence f0 de notre self inconnue. Tout ceci est entièrement automatique, la seule manœuvre consiste à presser momentanément le bouton poussoir (connecté à RC5) pour éventuellement re-démarrer la procédure. Dans le cas où la self à mesurer est déconnectée, alors le message [no coil detected] (voir image 4) sera affiché et la diode Led rouge LED3 s'allumera. Il suffira dans ce cas de vérifier la bonne connexion de la self, et de relancer la séquence de mesure.
Ma maquette est construite sur la base d'une carte de développement Ready for PIC de mikroelektronika. Elle embarque outre le micro-contrôleur un quartz de 8 MHz, possède un afficheur LCD et un bouton poussoir qu'il convient d'actionner lors de chaque nouvelle mesure. Le programmateur PICkit3 visible ici (voir Image 11) ne sert qu'au développement et n'est pas nécessaire à l'utilisation de l'inductancemètre.
À noter qu'il convient bien entendu de réaliser des connexions aussi courtes que possible entre la tête de mesure et la self à analyser car celles-ci peuvent engendrer des erreurs dues aux capacités parasites...
celles que j'utilise (visibles sur la photo de ma maquette - Image 2) mesurent 12 cm et sont munies de fiches grippe-fils.
J'ai à nouveau quelque peu modifié le schéma que j'avais publié en premier lieu et ceci pour plusieurs raisons :
Conception et mise en coffret
Voici à quoi devrait ressembler cette carte (voir Image 6).
Je l'ai spécialement dessinée pour l'intégrer dans un coffret Multicomp MCRH3135, et voici donc la carte que j'ai fait fabriquer (voir Image 7 et 8).
Votre œil exercé n'aura pas manqué de remarquer la très petite dimension des pastilles... elles mesurent pour la plupart Ø 1,4 mm pour un perçage de 0,8 mm...
Je ne saurais trop vous conseiller d'utiliser un excellent fer à souder (j'utilise une station Weller WECP-20 avec un fer MLR-21 de 25 W équipé d'une panne de type Micropoint Ø 0,25 mm) pour réaliser les opérations de soudage, ou à défaut il vous faudra router à nouveau différemment votre carte...
[Edit du 15/11/2017] :
Deux "petits" détails cependant à propos du routage...
Photos de la carte en cours d'assemblage
(voir Image 9 et 10)
La phase de programmation
(voir Image 11 et 12)
L'appareil terminé
Voilà, comme promis je vous livre les dernières photos de mon inductancemètre terminé.
(voir Image 13 à 17)
Détails et finitions
Pour le moment les connexions avec la self à mesurer se font par l'intermédiaire de 2 fils d'environ 12 cm munis de fiches grippe-fils comme sur le prototype, je ne sais encore quel type de connecteur utiliser...
J'ai dessiné la sérigraphie de la face avant à l'aide du superbe logiciel gratuit Front Panel Designer, puis imprimé sur un support aluminium autocollant 3M (acheté il y a quelques années chez Selectronic...) avec mon imprimante laser.
Le résultat est propre, le plus délicat étant la découpe et le positionnement correct du support aluminium...
Sur la dernière photo vous pouvez lire la valeur d'une self du commerce de 220 µH (marquée "221"), la valeur analysée est de 226,21 µH soit une précision de ±3 % considérant qu'il y a la tolérance du composant ainsi que celle de la mesure... la précision pour ce type d'appareil est grandement suffisante...
L'alimentation
La partie alimentation fait appel à un MC34063, circuit spécialisé qui se charge de la régulation pour délivrer une tension parfaitement filtrée de +5 V.
La tension appliquée à l'entrée du montage est d'abord redressée puis filtrée une première fois via le condensateur C10 de 330 µF avant d'entrer dans le convertisseur Buck IC3 qu'est le MC34063. Sa fréquence de travail est d'environ 30 KHz pour une consommation totale mesurée d'environ 35 mA. En sortie de ce circuit elle est à nouveau filtrée au travers de la self L2 de 220 µH ainsi que via le condensateur C12 de 330 µF. Il en résulte une tension de +5 V parfaitement filtrée et dépouillée de tout résidu haute fréquence dû à la fréquence de découpage. Cette alimentation est capable de délivrer un courant maximal de 1,2 A.
Je reviens sur la partie redressement... l'intérêt principal de ce type de montage est de pouvoir utiliser des blocs d'alimentation délivrant aussi bien une tension alternative que continue, et pour cette dernière faire fi de tout problème de polarisation. Ainsi nul besoin de se soucier de savoir où se trouve le pôle positif, cela fonctionne parfaitement quel que soit le sens.
Le connecteur d'alimentation est de diamètre 2 mm, ce qui permet l'utilisation de bon nombre de matériels standards.
Pratique et confortable donc...
Il est bien évidemment possible d'utiliser une régulation classique de type 78L05 associée à ses condensateurs de filtrage, mais le signal en sortie ne sera pas aussi parfait que dans le cas présent.
C'est une alimentation éprouvée qui est par ailleurs embarquée sur la carte Ready for PIC... d'où mon choix.
L'analyse de la self à mesurer s'effectue en 2 temps:
Schéma de principe que j'ai dessiné sous Eagle :
(voir Image 18)
Note: les valeurs de certains composants diffèrent du schéma original de F.KUDELSKO...
Cela tient surtout au fait que j'ai utilisé ceux que j'avais dans mes tiroirs...
Les valeurs notées de couleur bleue sont les valeurs réellement mesurées avec le capacimètre.
Schéma de la partie alimentation :
(voir Image 19) Packages comprenant:
◊ Logiciel écrit en langage mikroC (source et exécutable)
◊ Schéma de principe (sans PCB) sous Eagle v7.7.0
◊ Dessin de la sérigraphie de la face avant
◊ BOM liste des composants
Convertisseur Buck:
Un convertisseur buck, ou hacheur série, est une alimentation à découpage qui convertit une tension continue en une autre tension continue de plus faible valeur. Un convertisseur Buck bien conçu possède un fort rendement et offre la possibilité de réguler la tension de sortie. Wikipédia
https://www.pleguen.fr/index.php/materiel-de-mesure/inductancemetre
Le coût d'un tel matériel était jusqu'alors assez rédhibitoire, et je n'en possède donc toujours pas. Avant toute chose, sachez que ce petit appareil ne peut bien évidemment pas rivaliser avec les appareils de mesure plus complexes du commerce, il n'est qu'un modeste indicateur permettant de s'affranchir de la valeur d'une self inconnue, tout simplement.
J'ai cependant récemment découvert (en 2017) un site (http://kudelsko.free.fr/inductance_usb/sommaire.htm) dans lequel est décrite la réalisation DIY (Do It Yourself: faites-le vous-même) d'un petit appareil permettant la mesure de selfs inconnues sur une plage de quelques dizaines de nH à 10mH environ... De plus, l'auteur à développé une petite interface fonctionnant sous Windows qui permet de récupérer via l'USB la valeur de la self analysée et de l'afficher sur l'écran de votre ordinateur.
Sa démarche m'a vivement intéressé, mais je recherchais plutôt un appareil autonome...
Je tiens à le remercier ici pour son partage qui a été la base de mon étude.
Description du fonctionnement et logiciel
Il existe plusieurs possibilités pour concevoir un oscillateur capable de fournir un signal de forme sinusoïdale, comme par exemple (source Wikipedia) :
- Oscillateur Colpitts (configuration retenue...)
- Oscillateur Clapp
- Oscillateur à déphasage
- Oscillateur Pierce
- Oscillateur Hartley
- Oscillateur à variables d'étatLe principe de fonctionnement est simple, il fait appel à un circuit LC accordé sur la base d'un oscillateur Colpitts.
Ces calculs sont intégralement réalisés par le micro-contrôleur, qui se charge en premier lieu de mesurer la fréquence de l'oscillateur via son port RC0. Afin de pouvoir effectuer cette mesure, il est indispensable de la ramener dans des valeurs acceptables pour le µC, et c'est pourquoi elle est divisée au préalable via un compteur binaire de type HEF4040 ou similaire. Le rapport de division employé ici est de 1/32. Ainsi, le micro-contrôleur ne fait l'acquisition que d'une fraction connue de la fréquence à mesurer, grâce à son Timer1 configuré de telle sorte qu'il déclenche le comptage dès le premier front montant sur RC0, l'échelle de temps étant définie à une seconde. Dès lors, la valeur du Timer1 représente le reflet exact de la fréquence du signal présent sur son entrée. Il ne reste plus au processeur qu'à effectuer l'ensemble des calculs nécessaires à la détermination de la valeur de notre self inconnue Lx. (voir Image 2) J'ai quelque peu modifié le schéma d'origine qui accueillait un micro-contrôleur PIC18F2550 en le remplaçant par un PIC18F252, n'ayant nul besoin de l'interface USB embarquée, et ajouté un afficheur LCD de 2x16 caractères.
J'ai ensuite développé un petit logiciel sous mikroC permettant tout comme dans sa version première la mesure d'une self quelconque, et l'affichage formaté (en nH, µH et mH) de sa valeur sur le LCD, le changement de gamme étant automatique. J'ai volontairement opté pour la série PIC18F car il y a quelques calculs en virgule flottante ainsi que des élévations au carré et la série PIC16F dans ces cas précis pose problème...
Un petit mot sur le relais Reed REL1:
Afin d'obtenir une oscillation qui démarre franchement quelque soit la valeur de la self inconnue Lx, une première self L1 est prise en série avec celle-ci. Lors de la mesure, la fréquence résultante du circuit oscillant est dépendante de ces deux selfs. Hors nous désirons connaître seulement la valeur de Lx, et pour ce faire, le logiciel effectue une première mesure en court-circuitant Lx de manière à pouvoir mémoriser et ensuite soustraire cette valeur f initiale, c'est le [Réglage du ZÉRO] (voir Image 3) pour lequel un message particulier s'affiche sur le LCD. Ensuite la seconde mesure prendra en compte les deux selfs, et le logiciel va effectuer le calcul de la fréquence f0 de notre self inconnue. Tout ceci est entièrement automatique, la seule manœuvre consiste à presser momentanément le bouton poussoir (connecté à RC5) pour éventuellement re-démarrer la procédure. Dans le cas où la self à mesurer est déconnectée, alors le message [no coil detected] (voir image 4) sera affiché et la diode Led rouge LED3 s'allumera. Il suffira dans ce cas de vérifier la bonne connexion de la self, et de relancer la séquence de mesure.
Ma maquette est construite sur la base d'une carte de développement Ready for PIC de mikroelektronika. Elle embarque outre le micro-contrôleur un quartz de 8 MHz, possède un afficheur LCD et un bouton poussoir qu'il convient d'actionner lors de chaque nouvelle mesure. Le programmateur PICkit3 visible ici (voir Image 11) ne sert qu'au développement et n'est pas nécessaire à l'utilisation de l'inductancemètre.
À noter qu'il convient bien entendu de réaliser des connexions aussi courtes que possible entre la tête de mesure et la self à analyser car celles-ci peuvent engendrer des erreurs dues aux capacités parasites...
celles que j'utilise (visibles sur la photo de ma maquette - Image 2) mesurent 12 cm et sont munies de fiches grippe-fils.
J'ai à nouveau quelque peu modifié le schéma que j'avais publié en premier lieu et ceci pour plusieurs raisons :
- le relais tout d'abord... l'auteur avait prévu un modèle Meder (DIP05-2A72-21D) possédant 2 contacts travail (NO) connectés en //, mais je dispose d'un Meder (DIP05-1A72-11D) à 1 seul contact (NO).
Cependant, je n'ai pu trouver la librairie Meder dans Eagle v7.7.0, et ai du utiliser celle de Hamlin (HE722A0500) en remplacement. Il se trouve que les 2 modèles sont parfaitement compatibles au niveau de leur brochage, bien évidemment. Mon PCB tient compte de cette spécificité. - l'afficheur LCD... sur ma maquette celui-ci est raccordé au PortC via un connecteur de type HE10. Sur le PCB final il sera directement monté en "impériale" au moyen d'un connecteur enfichable à 16 voies.
De fait j'ai prévu des trous de fixation sur le PCB pour pouvoir l'y fixer solidement de façon fiable à l'aide d'entretoises nylon. - le bouton poussoir câblé à l'origine sur RC3... il l'est dorénavant sur RC5, ceci pour des commodités de routage du PCB.
Conception et mise en coffret
Voici à quoi devrait ressembler cette carte (voir Image 6).
Je l'ai spécialement dessinée pour l'intégrer dans un coffret Multicomp MCRH3135, et voici donc la carte que j'ai fait fabriquer (voir Image 7 et 8).
Votre œil exercé n'aura pas manqué de remarquer la très petite dimension des pastilles... elles mesurent pour la plupart Ø 1,4 mm pour un perçage de 0,8 mm...
Je ne saurais trop vous conseiller d'utiliser un excellent fer à souder (j'utilise une station Weller WECP-20 avec un fer MLR-21 de 25 W équipé d'une panne de type Micropoint Ø 0,25 mm) pour réaliser les opérations de soudage, ou à défaut il vous faudra router à nouveau différemment votre carte...
[Edit du 15/11/2017] :
Deux "petits" détails cependant à propos du routage...
- j'ai omis de vérifier les dimensions ainsi que la forme des pastilles du connecteur d'alimentation J1...
ennuyeux seulement si vous utilisez le même modèle que moi, pour lequel il vous faudra alors "travailler" quelque peu la carte avec un outil du genre Dremel (voir Image 9)... désolé, cela m'a échappé... - il manque aussi cruellement le connecteur ICSP qui permet la programmation du processeur in-situ...
gênant pour le moins, il est cependant possible de le programmer facilement en utilisant une platine Breadboard (voir Image 10 et 11), une plaque pastillée, etc...Voici ce que cela donne après la "modification" du circuit... le connecteur J1 n'étant plus correctement maintenu par ses connexions soudées, je l'ai ensuite collé avec une colle contact...
Photos de la carte en cours d'assemblage
(voir Image 9 et 10)
La phase de programmation
(voir Image 11 et 12)
L'appareil terminé
Voilà, comme promis je vous livre les dernières photos de mon inductancemètre terminé.
(voir Image 13 à 17)
Détails et finitions
Pour le moment les connexions avec la self à mesurer se font par l'intermédiaire de 2 fils d'environ 12 cm munis de fiches grippe-fils comme sur le prototype, je ne sais encore quel type de connecteur utiliser...
J'ai dessiné la sérigraphie de la face avant à l'aide du superbe logiciel gratuit Front Panel Designer, puis imprimé sur un support aluminium autocollant 3M (acheté il y a quelques années chez Selectronic...) avec mon imprimante laser.
Le résultat est propre, le plus délicat étant la découpe et le positionnement correct du support aluminium...
Sur la dernière photo vous pouvez lire la valeur d'une self du commerce de 220 µH (marquée "221"), la valeur analysée est de 226,21 µH soit une précision de ±3 % considérant qu'il y a la tolérance du composant ainsi que celle de la mesure... la précision pour ce type d'appareil est grandement suffisante...
L'alimentation
La partie alimentation fait appel à un MC34063, circuit spécialisé qui se charge de la régulation pour délivrer une tension parfaitement filtrée de +5 V.
La tension appliquée à l'entrée du montage est d'abord redressée puis filtrée une première fois via le condensateur C10 de 330 µF avant d'entrer dans le convertisseur Buck IC3 qu'est le MC34063. Sa fréquence de travail est d'environ 30 KHz pour une consommation totale mesurée d'environ 35 mA. En sortie de ce circuit elle est à nouveau filtrée au travers de la self L2 de 220 µH ainsi que via le condensateur C12 de 330 µF. Il en résulte une tension de +5 V parfaitement filtrée et dépouillée de tout résidu haute fréquence dû à la fréquence de découpage. Cette alimentation est capable de délivrer un courant maximal de 1,2 A.
Je reviens sur la partie redressement... l'intérêt principal de ce type de montage est de pouvoir utiliser des blocs d'alimentation délivrant aussi bien une tension alternative que continue, et pour cette dernière faire fi de tout problème de polarisation. Ainsi nul besoin de se soucier de savoir où se trouve le pôle positif, cela fonctionne parfaitement quel que soit le sens.
Le connecteur d'alimentation est de diamètre 2 mm, ce qui permet l'utilisation de bon nombre de matériels standards.
Pratique et confortable donc...
Il est bien évidemment possible d'utiliser une régulation classique de type 78L05 associée à ses condensateurs de filtrage, mais le signal en sortie ne sera pas aussi parfait que dans le cas présent.
C'est une alimentation éprouvée qui est par ailleurs embarquée sur la carte Ready for PIC... d'où mon choix.
L'analyse de la self à mesurer s'effectue en 2 temps:
- séquence d'étalonnage du système avec affichage d'un premier message (voir Image 3i)
- séquence de mesure avec affichage de la valeur calculée (ivoir Image 4)L'utilisation en est vraiment très simple et confortable à l'usage.
Schéma de principe que j'ai dessiné sous Eagle :
(voir Image 18)
Note: les valeurs de certains composants diffèrent du schéma original de F.KUDELSKO...
Cela tient surtout au fait que j'ai utilisé ceux que j'avais dans mes tiroirs...
Les valeurs notées de couleur bleue sont les valeurs réellement mesurées avec le capacimètre.
Schéma de la partie alimentation :
(voir Image 19) Packages comprenant:
◊ Logiciel écrit en langage mikroC (source et exécutable)
◊ Schéma de principe (sans PCB) sous Eagle v7.7.0
◊ Dessin de la sérigraphie de la face avant
◊ BOM liste des composants
Convertisseur Buck:
Un convertisseur buck, ou hacheur série, est une alimentation à découpage qui convertit une tension continue en une autre tension continue de plus faible valeur. Un convertisseur Buck bien conçu possède un fort rendement et offre la possibilité de réguler la tension de sortie. Wikipédia
https://www.pleguen.fr/index.php/materiel-de-mesure/inductancemetre
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