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DT Proyecto Nro 2, medidor de capacitancia y ESR

Boticario Tux · 986

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Desconectado Boticario Tux

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on: octubre 21, 2018, 17:14:15 pm
Si bien la idea de los DTproyectos es que estén implementados en arduino, esto no es siempre posible. Este es un caso, para medir la capacitancia se usará un contador de pulsos rápido, y eso no está implementado en el arduino 1. Aunque si está instrumentado en otros modelos de arduino, como el UC32 o el Due; pero éstos arduinos usan potentes micros de 32 bits, lo que los hace bastante mas caros que un arduino común (entre 5 y 10 veces mas caros).
Por lo antedicho descartamos el arduino, y utilizaremos un simple PIC.
El proyecto estará basado en el mismo método de medición que el siguiente:

http://kripton2035.free.fr/digital%20esr/esr-go-russian.html

Pero no copiaremos ese proyecto ni su programa, usaremos nuestro propio diseño, pero si conservando la idea originar del autor.

Saludos!

Héctor


Desconectado link73

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Respuesta #1 on: octubre 21, 2018, 18:23:49 pm
 ohhhhh.
Me apunto, ¿A quien hay que matar?  Jejeje
Felicidades por la iniciativa Boticario Tux. Voy a estar pendiente del post.
Desde los viejos tiempos de Neoteo y Mario Sacco ya extrañaba algo asi.
Ya he hechos varios de esos proyectos pero nunca uno que sienta como propio.
Por cierto yo hice varias versiones del tester transistor de Markus con los atmega.

Saludos.


Desconectado Yoshua

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Respuesta #2 on: octubre 21, 2018, 18:51:17 pm
¿Porque el contador de pulsos rápido para medir la capacidad?
En el proyecto ESR-GO la capacidad se mide por la diferencia de tiempo entre las salidas de los comparadores DA3.1 y DA3.2, usa un temporizador e interrupciones. Para ahorrar pines se podría hacer un detector de ventana con una sola salida y medir el ancho de ese pulso, que va a ser igual a la capacidad.

Estuve haciendo unas pruebas con el tiempo de carga y la corriente y me tiró los resultados que escribí en la imagen.
Para que quede más claro, con 1mA tengo un pulso de 1mS por cada uF y con 10mA, el ancho del pulso es de 0,1mS por cada uF.


¿El arduino no puede medir el ancho de un pulso con una resolución de 0.1mS o pensas en otro circuito para la medición de la capacidad?




Desconectado Boticario Tux

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Respuesta #3 on: octubre 21, 2018, 21:33:37 pm
El tema de los timers con el arduino se complica, pues el arduino los usa para las salidas analógicas.
Si bien es posible mediante una interrupción (o 2, una de start y una de stop) usar el timer 2 y medir tiempos, en particular no me gusta porque puede invalidar las salidas analógicas. Tampoco es posible usar ese timer para contar pulsos externos. En un PIC todo lo referido a timers es infinitamente mas amigable.
Como ya dije, también hay modelos de arduino con timers, pero son caros.
Aqui en argentina, el arduino 1 cuesta 289 pesos ( algo mas de 7 dólares), el arduino due cuesta 716 pesos (unos 19 dólares); viéndolo ahora no me parece tan caro (la diferencia en prestaciones de uno y otro es abismal).
El arduino UC32 si es mucho mas caro (ese tiene un PIC de 32 bits), aqui en argentina unos 2478 pesos (unos 65 dólares). Por el momento sólo con ese modelo logré contar pulsos externos usando timers en forma sencilla.

https://articulo.mercadolibre.com.ar/MLA-670517971-chipkit-uc32-sistema-de-desarrollo-arduino-compatible-32-bit-_JM

Por ahora mantengo la idea del PIC.

Saludos!
Héctor


Desconectado Yoshua

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Respuesta #4 on: octubre 21, 2018, 23:11:55 pm
Muchas gracias por la explicación Boticario  Tux    alab_


Desconectado Jeankfranco

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Respuesta #5 on: octubre 22, 2018, 13:52:21 pm
Aparte del esr,y capacitancia podría extenderse para un probador de componentes ? algo asi como este https://www.youtube.com/watch?v=K2rbKPSyh5g

Ya venden unos hechos en china, pero la queja de los que lo compran es que se les daña muy rapido  >:( >:( >:( >:(


Desconectado Boticario Tux

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Respuesta #6 on: octubre 22, 2018, 18:38:58 pm
Una vez hecho el proyecto, si sobran terminales del micro, podemos ver de agregar alguna funcionalidad extra.
Saludos!
Héctor


Desconectado Yoshua

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Respuesta #7 on: octubre 22, 2018, 18:59:05 pm
¿Con qué micro pensas trabajar? 


Desconectado fantomas1948

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Respuesta #8 on: octubre 22, 2018, 21:12:56 pm
                           tengo uno parecido al que comenta Jeankfranco,
lo compre en china a través de amazon, funciona como probador de
condensadores ( esr completo ), diodos transistores, mosfet, triac y
resistencias, en la propaganda decía medidor de esr múltiple, pero en
la placa dice medidor de transistores, no tiene ninguna otra marca o
serigrafia, utiliza 1 c.i. ATMEGA 328P-PU, 2 transistores C9014, 1 C9012,
1 TL431AA y 1 7550, no me acuerdo para nada del modelo de la propaganda,
subo fotos con y sin display.


                                        fantomas1948


CUANDO LA LÓGICA FALLA, LO MAS LÓGICO ES HACER ALGO ILÓGICO


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Respuesta #9 on: octubre 22, 2018, 21:48:17 pm
Hola Yoshua,
Comencé a dibujar un esquemático utilizando un PIC18F26K22.
La elección del micro tiene varias razones:
1) En argentina se consigue fácilmente.
2) es económico.
3) Tiene no sólo el ADC, los timers y las interrupciones necesarias, también tiene los comparadores y una fuente de corriente de precisión programable. (forma parte de un módulo para leer teclados capacitivos). Mi idea es que el proyecto no utilice componentes extras, trataré de hacerlo sólo con el PIC.
4) Lo tengo en stock.

Tiene una sola desventaja y no es menor, es de una serie relativamente nueva y los programadores "caseros" no son compatibles, por lo cual quien decida armar el proyecto tendrá que poseer un programador comercial de última generación, como el PICKIT3.

Saludos!
Héctor


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Respuesta #10 on: marzo 25, 2019, 22:36:43 pm
Después de mucho tiempo retomo el tema. Hacerlo con un PIC implicaba hacer plaquetas, muchas pruebas y programar desde cero. No dispongo del tiempo necesario, por lo cual lo continuaré con el uso de una placa Arduino, y no ya un PIC.
La velocidad de desarrollo es violentamente mas rápida. Comencé hoy, y ya tengo resultados excelentes.
El modelo se basa en cargar un capacitor (incognita) con una fuente de corriente constante hecha con un par de transistores PNP. Un tercer transistor (MOS Powerde canal N  en este caso) es necesario para descargar el capacitor; y mido el ciclo de carga con un ADC. La pendiente de la recta será inversamente proporcional al valor de capacidad, y la ordenada al origen proporcional a la ESR. Haciendo una serie de mediciones en función del tiempo y aplicando regresión lineal (cuadrados mínimos), he obtenido resultados que me asombran por la calidad. Puedo decir que la medición de este sistema cuando esté listo, será muy superior a otros circuitos que hay en la web (obviamente no comparando equipos profesionales).
Adjunto una recta obtenida para un capacitor de 2,2uF, hecha en excel.
En este caso usé regresión cuadrática y no lineal, pues hay una componente cuadrática, posiblemente debida a corriente de fugas del capacitor, pero realmente es despreciable. ¡Obtuve un coeficiente de correlación de 1.00000! (con regresión lineal no logro esa correlación, pero igualmente es excelente)
En la ordenada están las lecturas del ADC (ADC de 16 bits modelo ADS1115) y en la abscisa el tiempo transcurrido en milisegundos. La fuente de corriente está en el orden de decenas de microamper.
Saludos!

Héctor


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Respuesta #11 on: marzo 26, 2019, 10:04:32 am
Adjunto Circuito. Como puede observarse es bastante sencillo.
En el futuro agregaré un par de resistencias mas para programar la fuente de corriente para otras escalas, pero creo que con eso bastará (para lecturas en la PC obviamente). Puede que luego agregue un display y un pulsador.

Saludos!
Héctor


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Respuesta #12 on: marzo 26, 2019, 12:23:18 pm
 ;D Saludos Boticario Tux, que bueno que retomaste el proyecto. Estaba ansioso por ver como irías desarrollando el proyecto con el PIC (y de paso aprender algo) pero veo que quizas sea para la proxima. Entiendo muy bien lo de los tiempos, yo he tenido que ir posponiendo cosas por que cada vez me es mas dificil tener que cumplir con el trabajo, la familia y la escuela.
Continuando con el tema, yo he hecho uno de los diseños que estan basados en el de Markus (Supongo que los conoces) pero solo me dedique a pegar y copiar y no me siento muy orgulloso de ello. Me gustaría tener mas conciencia acerca de lo que estoy haciendo y como es que funciona.
Muchas gracias por continuar con el tema.

 pianoo  applausuper


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Respuesta #13 on: marzo 26, 2019, 16:30:51 pm
Fundamento del Método:
Un capacitor se define con la siguiente ecuación (materia Fisica II de la escuela secundaria): C(Faradios)=Q (carga en Coulomb)/ V(diferencia de potencial en voltios).
Es decir que tengo un capacitor de un faradio cuando contiene una carga de un Coulomb y entre sus placas tiene un potencial de 1 voltio.
Ahora bien, si a un capacitor descargado lo cargo con una corriente eléctrica constante, la carga será proporcional al tiempo de carga; es decir Q (carga en Coulomb)= i (corriente en Amper) x t (tiempo en segundos).
Reemplazando en la ecuación anterior:  C(Faradios)= i(Amper) x  t (segundos) / V (voltios).
Entonces para saber el valor de capacidad, puedo utilizar esa ecuación, conociendo la corriente de carga y el tiempo durante el que se carga, y leyendo la tensión entre sus placas.
En el caso de la resistencia serie equivalente (ESR), se puede calcular midiendo la diferencia de potencial en el momento inicial de la carga (en ese momento el capacitor es un cortocicuito y sólo presenta su resistencia serie), pero para tener precisión lo que hago es la curva de carga (ver figura del post anterior) y extrapolo a tiempo 0.
Por otra parte en la ecuación C=i x t /V si despejo V obtengo V=i /C x t; eso es una recta cuya pendiente es i/C, conociendo i mas la pendiente puedo calcular C: C= i/pendiente de la recta; con esta ecuación puedo calcular la capacidad en una forma mucho mas precisa que con la ecuación anterior, pues la pendiente la obtuve utilizando muchas mas lecturas y el error estadístico es muy bajo.
Voy a estudiar mas el coeficiente cuadrático que comenté, pues creo que nos permitiría leer también la resistencia de fugas del capacitor (resistencia en paralelo); o al menos saber cuando un capacitor tiene demasiadas fugas, para ser utilizado.

Saludos!
Héctor


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Respuesta #14 on: marzo 26, 2019, 17:41:30 pm
Adjunto el programa.
Es una versión muy preliminar y no está terminada, pero al menos me permitió hacer las lecturas para copiarlas en una planilla de excel y hacer los cálculos


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Respuesta #15 on: marzo 27, 2019, 14:34:59 pm
Creo que exageré con el ADC externo de 16 bits.
Probé con el ADC propio del Arduino y funciona en forma aceptable (ver gráfico adjunto). Eso simplifica y abarata el proyecto y también simplifica el programa..
Eso si, el ADC interno no hay que usarlo con la referencia por defecto de 5V, sino con la interna de 1,1V.
Saludos!
Héctor


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Respuesta #16 on: marzo 29, 2019, 08:39:57 am
Adjunto Circuito corregido.
Ahora puedo programar la fuente de corriente en varias escalas, aunque uso sólo 3, una de 10 uA, otra de 600 uA y una de 4,6 mA.
Adjunto el programa del arduino, lo que hice hasta ayer.
Saludos!
Héctor


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Respuesta #17 on: marzo 29, 2019, 20:55:30 pm
Encontré una biblioteca para arduino que hace regresión lineal. Voy a probarla

https://construyendoachispas.blog/2017/12/22/arduino-regresion-lineal/

https://github.com/cubiwan/LinearRegressino

Saludos!

Héctor


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Respuesta #18 on: marzo 29, 2019, 21:16:19 pm

Interesante... Veo que sirve para calcular la regresión lineal...

Lo he leído y veo que puede ir recalculando el valor dinámicamente a medida que se añaden más datos.

Y si medimos un capacitor en el propio circuito, los demás componentes en la línea de ese capacitor, no provocarán ruidos que confundan al cálculo de la linealidad ?

La pregunta es, qué valor se le asignaría a N para que no tarde tanto y para que no tome "ruidos"...



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Respuesta #19 on: marzo 29, 2019, 21:52:15 pm
Los transistores MOS que estoy usando tienen pocas fugas y muy baja resistencia interna cuando conducen en saturación (nA y mili ohms). Difícilmente modifique en algo la medición, que funciona en el orden de microamperios y  ohm. Además leo el error de cero.
Estoy revisando datos de las mediciones.
Para calcular la ESR tomaré unos pocos puntos cerca de la ordenada al origen.
El cálculo de capacidad es otro tema. Hice una observación interesante y aún me faltan detalles. Cuando mido un capacitor de poliester, la curva es una recta perfecta; cuando mido un electrolítico, la curva es levemente cuadrática. Esa deformación en la curva la achaco a las corrientes de fugas del capacitor electrolítico. Si calculo la capacidad con los primeros puntos de la curva, el calculo de capacidad da error por defecto, si uso el final de la curva, da error por exceso. En el medio de la curva da valores razonables.

Por otra parte no pretendo hacer algo comercial, y ni siquiera evalué si le voy a poner un display o hacer una plaqueta (estoy trabajando con un protoboard), No me importa si tarda un par se segundos para hacer una medición. Estoy aprendiendo y compartiendo resultados. Si alguien quiere tomar la posta, y avanzar mas, encantado.

Saludos!
Héctor


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Respuesta #20 on: marzo 30, 2019, 00:58:29 am


Sigo aprendiendo... Estoy siguiendo el tema de cerca.

Saludos !!!




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Respuesta #21 on: abril 01, 2019, 08:35:24 am
Hice mas ensayos.
Adjunto la versión actualizada del programa, donde la regresión la hace el arduino y no el excel en la PC.
Los resultados fueron excelentes para medir capacidad, contrastando con un par de capacimetros comerciales, pero la ESR medida no coincide (muchísimo error por exceso) contra la medición del "capacheck" que utilizo como referencia.
Haciendo 3 mediciones diferentes, una fuera de la curva, al inicializar el sistema, usando la fuente de corriente al máximo (4.6 mA), haciendo un corto al capacitor con el MOS FET, liberandolo luego, y leyendo la tensión inmediatamente. Con este sistema obtuve los mejores resultados, pero aun así con mucho error.
Los otros métodos son extrapolando a tiempo cero en la curva, en un caso con 5 puntos y en otro con muchos mas. Los resultados son muy malos.
Puede que el problema se encuentre en el tiempo de adquisición del ADC (Hace que mida después del evento) y también la pobre resolución del ADC.
Voy hacer algunas modificaciones al hardware y seguiré ensayando.
Saludos!
Héctor


Desconectado Yoshua

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Respuesta #22 on: abril 01, 2019, 19:15:21 pm
¿Lo que haces es medir el voltaje con la fuente de corriente activada y luego medís el voltaje que queda en el capacitor para calcular la ESR?


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Respuesta #23 on: abril 01, 2019, 19:36:05 pm
Primero pongo el capacitor en cortocircuito, luego activo la fuente de corriente de 4,6 mA y mido la tensión (error de cero); luego quito el cortocircuito e inmediatamente leo la tensión. Con eso calculo la ESR preliminar, E/I=R.
Luego pongo la fuente de rango medio (0,606 mA), pongo de nuevo el capacitor en cortocircuito para descargarlo, retiro el cortocircuito y espero algunas decenas de mili segundos, leo la tensión, y si es muy alta decido usar la fuente de corriente de rango bajo (0,0107 mA), caso contrario sigo con la fuente de 0,606 mA; es decir, decidí que escala usar, según el valor del capacitor. Luego  descargo nuevamente el capacitor poniéndolo en cortocircuito, y comienzan las lecturas mediante la interrupción exactamente cada 20 milisegundos (las lecturas se guardan en una matriz propia de la biblioteca de la regresión). En la primera lectura de la serie quito el cortocircuito del capacitor. Hago lecturas hasta que el capacitor llega a 1,1 voltios, allí termina la medición y hago los cálculos por regresión lineal. Con la ordenada al origen (tensión a tiempo cero) calculo la ESR (eso no funcionó bien) y con la pendiente de la recta calculo la capacidad (eso funciona muy bien).

Saludos!
Héctor


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Respuesta #24 on: abril 01, 2019, 20:12:15 pm
Hasta lo que entendi, el ESR_go lo que hace es medir la diferencia de voltaje entre el capacitor cargandose y el voltaje que queda al cortar la carga, esa diferencia es capturada por un circuito de retencion con un 4066 y un par de capacitores, amplificada y leida. Adjunto el esquema.


 


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