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Electronique

Inductancemètre autonome avec écran LCD

Depuis toujours j'ai désiré équiper mon labo d'un appareil permettant de mesurer les valeurs de selfs diverses. Module Inductancemètre seul rotation 30 [160x129px]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 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

 INFOS PROJET
  Types de composants : Traversants
  Niveau : ◆◆◇◇◇
  Temps de construction : 2 à 3 h
  Coût : env. 57 €

Il existe plusieurs possibilités pour concevoir un oscillateur capable de fournir un signal de forme sinusoïdale, comme par exemple (source Wikipedia) :

Le principe de fonctionnement est simple, il fait appel à un circuit LC accordé sur la base d'un oscillateur Colpitts. La valeur des condensateurs étant connue (j'ai mesuré leur valeur avec mon capacimètre pour plus de précision dans les calculs), il ne reste plus (...) qu'à appliquer la formule de THOMSON qui va bien pour calculer la valeur de Lx:

Lorsque que les réactances de la self en série avec le condensateur sont de valeur quasiment identiques (condition difficile à obtenir compte tenu des pertes et des capacités parasites...), alors la fréquence d'oscillation du système s'appelle la fréquence de résonance f0.
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'un 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.

Avec la self L1 seule, la fréquence maximale atteinte par l'oscillateur est d'environ 86 KHz, et divisée par 32 cela donne environ 2760 Hz.
Dans ces conditions, le Timer1 ne pourra jamais déborder puisque sa valeur maximale est de 65536 !

Figure 1

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] 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] 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 8MHz, possède un afficheur LCD et un bouton poussoir qu'il convient d'actionner lors de chaque nouvelle mesure. Le programmateur PICkit3 visible ici 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) mesurent 12cm 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 v7.0, 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 (double-face avec trous métallisés, sérigraphie et vernis épargne).
Je l'ai spécialement dessinée pour l'intégrer dans un coffret Multicomp MCRH3135...

et voici donc la carte que j'ai fait fabriquer :
la carte côté composants...la carte côté soudures...

empty Désolé... il ne m'en reste plus...

Votre œil exercé n'aura pas manqué de remarquer la très petite dimension des pastilles... elles mesurent pour la plupart Ø 1,4mm pour un perçage de 0,8mm...
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 25W équipé d'une panne de type Micropoint Ø 0,25mm) 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...

  1. 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 Figure 3)... désolé, cela m'a échappé...
  2. 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 Figure 4 et 5), 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 collé avec une colle contact...
Photos de la carte en cours d'assemblage:

la carte modifiée en cours d'assemblage...
Figure 2
la carte modifiée en cours d'assemblage...
Figure 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La phase de programmation [Edit du 04/08/2023] :

le microcontrôleur monté sur une platine Breadboard...
Figure 4
le microcontrôleur monté sur une platine Breadboard en cours de programmation...
Figure 5
le microcontrôleur monté sur un adaptateur de programmation, avec un PICkit3...
Figure 6

Pour pouvoir programmer le microcontrôleur, il est possible d'utiliser une platine "Breadboard" (Figures 4 et 5), ou même une carte d'adaptation disponible chez les revendeurs "Chinois" (Figure 6 et 7). Dans ce dernier cas vous veillerez à placer correctement le microcontrôleur dans le support ZIF, ainsi que de positionner les cavaliers comme suit :

  • J1 → A
  • J2 → 2-3
  • J3 → 2-3

Note : Le programmateur PICkit alimente lui-même le PIC à lire et/ou programmer. Aussi il arrive parfois que le PICkit3 (même l'officiel de Microchip "10-00424-R7" que je possède...) ne parvienne pas à se connecter au PIC avec une tension de 5V. Voici le genre de message retourné par l'application MPLAB IPE (v6.05) que j'utilise sous Linux :

Connecting to MPLAB PICkit 3...

Currently loaded firmware on PICkit 3
Firmware Suite Version.....01.56.09
Firmware type..............PIC18F
PICkit 3 is trying to supply 5,000000 volts from the USB port, but the target VDD is measured to be 4,625000 volts. This could be due to the USB port power capabilities or the target circuitry affecting the measured VDD.

The target circuit may require more power than the debug tool can provide. An external power supply might be necessary.
Connection Failed.

Et bien évidemment il n'est pas possible dans cette configuration d'utiliser une alimentation extérieure. L'astuce consiste donc à choisir une tension de 3,25V, et alors la connexion s'établira sans problème. Cet incident est connu de Microchip sous la référence ETN #32 (Engineering Technical Note #32). J'ai bien sûr effectué cette modification préconisée, mais elle ne solutionne pas toujours le défaut. Par contre en abaissant la tension d'alimentation du PIC, le problème disparait. Évitez d'augmenter la tension à plus de 5V, les microcontrôleurs risquent de ne pas trop apprécier...

vue du tableau des connexions ICSP...
Figure 7

Voici le compte rendu de MPLAB IPE avec une tension de 3,25V :

Connecting to MPLAB PICkit 3...

Currently loaded firmware on PICkit 3
Firmware Suite Version.....01.56.09
Firmware type..............PIC18F
Programmer to target power is enabled - VDD = 3,250000 volts.
Target device PIC18F252 found.
Device Revision ID = 7

Reading...

The following memory area(s) will be read:
program memory: start address = 0x0, end address = 0x7fff
configuration memory
EEData memory
User Id Memory
Read complete

Ce phénomène se ne produit pas avec son grand frère le PICkit4.

 


L'appareil terminé

Voilà, comme promis je vous livre les dernières photos de mon inductancemètre terminé.

IMG 20170927 131828 [320x180px]
Figure 8
IMG 20170927 131917 [320x180px]
Figure 9
IMG 20170927 131941 [320x180px]
Figure 10

 

IMG 20170928 151715 [320x180px]
Figure 11
IMG 20170928 151857 [320x180px]
Figure 12

 

 

 

 

 

 

 

Réglage du zéro 2 [320x73px]
Valeur mesure 2 [320x74px]
no coil detected [320x71px]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Détails et finitions

Les connexions avec la self à mesurer se font par l'intermédiaire de 2 fils d'environ 12cm munis de fiches grippe-fils comme sur le prototype (voir Figure 1 et 12).

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 220µH (marquée "221"), la valeur analysée est de 226,21µH 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

*** Correction du descriptif suivant conseil de M. VALENS - Elektor (17/11/2021) ***

La partie alimentation fait appel à un MC34063, circuit spécialisé qui se charge de la commande d'un convertisseur Buck.
La tension appliquée à l'entrée du montage est d'abord redressée (dans le cas d'une source AC) puis filtrée via le condensateur C10 de 330µF avant d'entrer dans le MC34063 (IC3). L'inductance L2 de 220µH ainsi que le condensateur C12 de 330µF servent de réservoirs d'énergie durant les deux cycles de commutation des transistors Q1/Q2 internes de IC3. La fréquence de travail de ce convertisseur Buck est d'environ 30KHz pour une consommation totale mesurée d'environ 35mA. Il en résulte une tension filtrée de +5V. Cette alimentation est capable de délivrer un courant maximal de 1,2A.
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 2mm, 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:

      1. séquence d'étalonnage du système avec affichage d'un premier message
      2. séquence de mesure avec affichage de la valeur calculée

L'utilisation en est vraiment très simple et confortable à l'usage.

Quelques mesures comparatives (23/12/2021)

inductance de 220 µH 10%

inductance de 220 µH 10%

J'ai profité d'un peu de mon temps libre (...) pour effectuer quelques mesures comparatives avec des matériels dont je dispose, à savoir :

      • MINIWARE DT71 - Mini Digital Tweezers
      • Multi-function Tester - TC1
      • et...un générateur de signaux sinusoïdaux avec un oscilloscope

Les mesures comparatives ont été effectuées avec une inductance de récupération bobinée autour d'un tore ferrite. La self possède un marquage qui renseigne sur sa valeur : "221" soit 220 µH (probablement 10%), ce que nous allons vérifier. La première mesure est effectuée avec l'inductancemètre décrit dans cette page :

1er cas : l'inductancemètre réalisé affiche une valeur analysée de 236 µH, le taux d'erreur étant alors de ~6,8% (voir Figure 13)

2ème cas : le MINIWARE DT71 affiche une valeur analysée de 223 µH, le taux d'erreur étant alors de ~4,7% (voir Figure 14)

3ème cas : le Multi function Tester - TC1 affiche une valeur analysée de 220 µH, le taux d'erreur étant alors nul, c'est la mesure la plus juste... (voir Figure 15)

4ème cas : le générateur de signaux sinusoïdaux et l'oscilloscope, avec la méthode décrite dans une de mes pages Mesurer des Selfs inconnues, affiche une valeur analysée de 223 µH, le taux d'erreur étant alors de ~4,7% (voir Figure 16)

test avec l'inductancemètre
Figure 13
test avec le MINIWARE DT71
Figure 14
test avec le Multi-function Tester - TC1
Figure 15
test avec le générateur de signaux sinusoïdaux et l'oscilloscope
Figure 16

 

 

 

 

 

Conclusion

Je trouve les résultats plus que corrects compte tenu de la technologie emplyée ici pour mesurer une inductance de valeur inconnue. Cela permet de se faire une idée de cette valeur et bien sûr, cet appareil ne peux en rien concurencer un appareil de laboratoire plus abouti, plus complexe et aussi plus cher. Il reste un appareil d'évaluation, et a été conçu dans cet esprit.

Schéma de principe que j'ai dessiné sous Eagle :

Inductancemètre Main Board.sch

 

 

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 :

*** Schéma redessiné pour une meilleure compréhension ***

Inductancemètre Power Supply.sch

Packages comprenant : save f2
Logiciel écrit en langage mikroC (source et exécutable)
Schéma de principe (avec 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

 

Quelques liens vers les sites de mes amis...

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