Tutorial para hacer un medidor de inductancia con arduino

Esto es un inductor y su propiedad de almacenar energía en forma de fuerza electromotriz se llama inductancia. Hoy usando un arduino y algunos componentes más construiremos un medidor de inductancia. Te mostraré cómo funciona el circuito, las fórmulas y las matemáticas detrás de él, el código usado y finalmente vamos a probar el circuito, así que vamos a empezar.

Hola electrónicos, bienvenidos, la semana pasada he comenzado una serie de medidores arduino con el Tutorial para hacer un Medidor de Capacitancia con Arduino para hacer un multímetro desde cero.

Hoy vamos a construir otra parte de este multímetro, esta parte es de medidor de inductancia y en electrónica la inductancia es la propiedad de un conductor eléctrico para inducir fuerza electromotriz debido a un cambio de corriente eléctrica, en otras palabras un inductor puede definirse como un dispositivo de almacenamiento de energía en forma de un campo magnético. Hoy vamos a construir un medidor de inductancia muy barato y muy fácil usando el microcontrolador arduino, este método es muy preciso, con un alcance de 80 microhenrios a 30.000 microhenrios pero debería funcionar para reductores un poco más pequeños o más grandes. Antes de empezar echémos un vistazo a los materiales que tenemos que comprar para este proyecto.

Materiales

-Arduino.

-Pantalla Lcd.

-Diodo.

-2 Condensadores no polares.

-Una resistencia de 150 y otra de 330.

-Comparador.

Objetivos del proyecto

Por supuesto necesitaremos un arduino, puedes usar cualquier tipo que desees, recomiendo el arduino UNO por su simplicidad. A continuación, necesitaremos una pantalla lcd para imprimir los valores medidos, he usado la pantalla con conexión I2C para reducir las conexiones. Luego necesitaremos un diodo, dos condensadores no polares de un microfaradio, una resistencia de 150 ohms y otra de 330 ohms. Finalmente necesitaremos un comparador, he usado el comparador LM339 para este proyecto.

Muy bien entonces cómo vamos a medir la inductancia bueno un inductor en paralelo con un condensador se llama un circuito LC y si golpeamos este circuito resonará como una campana. Con golpear me refiero a aplicarle un pulso de voltaje y por resonar quiero decir oscilar, si cargamos este circuito digamos a 5 voltios y luego lo descargamos, el voltaje no caerá con la curva exponencial como lo haría un condensador, en cambio,

 la carga del condensador cruzará el inductor creando un campo magnético, este campo magnético caerá y la energía cargará el condensador otra vez. Este proceso se repetiría una y otra vez si la resistencia del circuito fuera cero tal y como se muestra en las imagenes que se muestran a continuacion.

Pero en la mayoría de los casos la resistencia entre los terminales de ambos componentes no será exactamente cero, por lo que la amplitud de la señal disminuirá con el tiempo, un ejemplo de esto seria que no importa cuán fuerte se golpea una campana, siempre va a sonar a su frecuencia de resonancia. Cada circuito LC tiene su propia frecuencia de resonancia dependiendo de los componentes usados así que si podríamos medir esa frecuencia y conocer los valores de capacitancia podríamos obtener fácilmente el valor de la inductancia.

Daremos un golpe electrónicamente a la campana LC, esperamos un poco para que las cosas resuenen, luego tomaremos una medida. Habrá algo de resistencia interna así que realmente este circuito es un RLC y hablaré de esto más en la parte de matemática de este tutorial.

Los microcontroladores no son tan buenos para analizar señales analógicas, el ADC (Analog to Digital Converter) de la ATMEGA328p es capaz de mostrar señales analógicas de 9,6 kilohercios, lo cual es rápido, pero no suficientemente rápido para este proyecto así que vamos a usar un chip diseñado para convertir señales analógicas reales a señales digitales básicas.

Vamos a utilizar un comparador LM339 que conmuta más rápido que un amplificador operacional normal como, por ejemplo, el LM741.

Muy bien, usando un comparador, tan pronto como la tensión del circuito LC se vuelve positiva que en esta señal es este punto de aquí el LM339 estará flotando, lo cual puede ser elevado con una resistencia de pull up.

 

Cuando el voltaje del circuito LC se vuelve negativo en LM339 tendrá su salida a tierra.

 

Me he dado cuenta de que el LM339 tiene una alta capacidad de salida, por lo que utilice un pull up de baja resistencia entonces, en resumen lo que haremos es aplicar una señal de pulso al circuito LC.

 

En este caso serán 5 voltios desde el arduino, cargamos el circuito por un tiempo y luego cambiamos el voltaje desde 5 voltios directamente a 0, ese pulso hará que el circuito resuene creando un tipo de señal sinusoidal que oscila a la frecuencia de resonancia. Lo único que tenemos que hacer es medir esa frecuencia y luego usar la siguiente fórmula para obtener el valor de la inductancia. Usaremos el arduino para medir la frecuencia y calcular el valor.

Como sabemos que la frecuencia de resonancia está relacionada con esta ecuación entonces, podríamos obtener el valor de la inductancia L porque conocemos la frecuencia F que acabamos de medir pero también sabemos el valor de la capacitancia C del condensador porque es un componente que nosotros hemos seleccionado así que todo lo que necesitamos hacer es obtener la Inductancia L usando la siguiente ecuación:

 

Para medir la frecuencia usaremos la función de pulseIn del arduino, el pulseIn es un pulso alto o bajo en un pin, por ejemplo, si el valor de pull seguir es definido como high la función espera que el pin se ponga en high e inicia un cronometraje, luego espera a que el pin se ponga en low y luego detiene el cronometraje para finalmente devolver la duración del pulso en microsegundos o un 0 en caso de que no reciba ningún pulso completo dentro de un tiempo de espera.

 

Como nuestra onda es una onda sinusoidal pasará el mismo tiempo por encima de cero que por debajo de cero, esto quiere decir que el comparador lo convertirá en una onda cuadrada con un ciclo de trabajo de 50%, luego la función de pulseIn me dirá el tiempo en microsegundos transcurridos desde el flanco de subida hasta el flanco de bajada del pulso, esta medida se puede duplicar para obtener el período.

 

Y el inverso del periodo es la frecuencia, como el circuito está resonando esta frecuencia es la frecuencia de resonancia y eso es todo, tenemos nuestra frecuencia de resonancia.

 

Aunque tengamos una resistencia interna, el circuito RLC aún resonará, pero la amplitud se irá haciendo cada vez más pequeña debido a la resistencia, con una resistencia baja, el circuito RLC pondrá la frecuencia de resonancia más rápido, entonces en lugar de obtener una onda sinusoidal que nunca acaba obtenemos algo como la siguiente imagen.

Todo lo que tenemos que hacer es medir la frecuencia al comienzo de la señal. La medición del periodo de los dos primeros pulsos debería ser suficiente. Muy bien ahora sabemos cómo funciona este circuito.

 

Conexiones

Echémos un vistazo al esquema, vamos a aplicar un pulso de 5 voltios al circuito LC con el pin digital 13 del arduino por un tiempo, después de eso detenemos el pulso y el circuito resonará. El comparador dará una salida de la señal cuadrada con la misma frecuencia que el ruido medirá utilizando la función pulseIn que mide el tiempo entre cada pulso de la onda cuadrada, hacemos las matemáticas e imprimimos el valor obtenido en la pantalla LCD.

 

Tenemos que alimentar el comparador LM339 con 5 voltios y conectar tierra al pin 12 del LM33 y 5 voltios al pin 3, utilizaremos la entrada 2 del comparador, la entrada negativa será el pin 6 y el pin positivo el 7.

La salida es el pin número 1, que siempre será el pin marcado con el punto en el integrado. Muy bien el número del pin del chip aumenta en el sentido antihorario así que será muy fácil saber cuáles son los pines conecte la salida del comparador al pin digital 11 del arduino, conecte el pin 13 del arduino a través de una resistencia de 150 ohms y un diodo al bloque LC y el circuito está listo.

 

Código

Primero que nada, importamos las librerías:

El módulo de la pantalla LCD es I2C, por lo que debemos proporcionarle una librería especial para su correcto funcionamiento. Descarga la librería de cristal líquido I2C en el siguiente link.

Una vez descargada las librería, abre el IDE del arduino, vamos a Sketch>Include Library>Add .ZIP Library. Selecciona los archivos zip descargados para instalarlos.

Ahora echemos un vistazo al código, debemos incluir las librerías para la pantalla lcd y eso es exactamente lo qué hacemos al principio del código.

 

Muy bien, inicializamos la pantalla y definimos nuestros pines como entradas o salidas.

Una vez hacemos eso pasamos a nuestra funcion loop que empieza aquí, en este bucle lo primero que se debe hacer es aplicar un pulso en high al pin digital 12 o 13 depende el que uses para cargar el circuito.

Con un retraso de 5 milisegundos, a continuación ponemos el pin en low y le damos otro pequeño retraso para asegurarnos de que el circuito esté resonando.

Ahora usando el pulseIn y medimos el periodo del pulso de entrada correspondiente a la resonancia del circuito.

Definimos el valor del condensador utilizado como capacitance, en mi caso he usado dos condensadores de un microfaradio en paralelo con una capacitancia total de dos microfaradios, luego aplicamos las matemáticas y obtenemos los valores de inductancia.

Y todo lo que tenemos que hacer es imprimir el valor en la pantalla lcd, imprimir en los valores en microhenrios y similares este ejemplo también imprime el valor en el monitor serial del arduino por si no tienes una pantalla lcd.

Bueno eso es todo, acabamos de medir inductancia usando una placa de pruebas, hago todas las conexiones, conecto los pines I2C a la pantalla de lcd, coloca el comparador LM339 y hago todas las conexiones adicionales, aquí colocaré el inductor desconocido, haré una prueba con este inductor de 47 microhenrios, la medida es bastante precisa.

Para asegurarme de que sea el valor correcto también lo mido con mi probador de RLC, este probador no tiene tanta precisión, pero 0,05 mH se acerca bastante a mi valor medido de 0,047 mH.

Esto es todo chicos así que espero que has disfrutado este tutorial.

 

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