Ця стаття присвячена практичному знайомству з одним із базових інструментів радіоелектроніки — LC-пробником. Матеріал побудований у форматі навчального уроку і підійде тим, хто хоче краще зрозуміти принципи вимірювання індуктивності та ємності, а також логіку роботи простих вимірювальних приладів.
У статті розглядається підхід до створення компактного пристрою на мікроконтролері з використанням сучасних компонентів. Особлива увага приділяється тому, як окремі вузли схеми взаємодіють між собою, чому обираються саме такі рішення і які задачі вони вирішують у навчальному проєкті. Матеріал подається послідовно, без перевантаження формулами, що робить його зрозумілим навіть для тих, хто лише починає свій шлях в електроніці.
Не кожен електронний компонент одразу знаходить своє практичне застосування. Іноді для цього потрібен вдалий контекст і правильна задача. У цьому випадку таким контекстом став компактний пробник для вимірювання індуктивності, а ключовим елементом — e-ink дисплей діагоналлю 1,53 дюйма.
Цей дисплей належить до старіших моделей і не підтримує повноцінне оновлення всього зображення за один цикл. Проте для приладу, де показання змінюються повільно, така особливість не є недоліком. Навпаки, вона добре вписується в логіку простого вимірювального пристрою для роботи з саморобними або немаркованими індуктивностями.
Хоча готовий тестер завжди можна придбати, у межах цього проєкту основний акцент зроблено на практичному використанні наявних компонентів і зрозумілий підхід до реалізації. Тому вже на початковому етапі виникла задача підібрати відповідний корпус без 3D-друку та складного конструювання. Як основу було використано старий згорілий адаптер живлення, який виявився зручним варіантом для подальшої переробки.
Під час пошуку схем і методів вимірювання індуктивності стало очевидно, що вимірювання ємності також не є надто складним завданням, а додаткове визначення ESR електролітичних конденсаторів лише підвищує практичну цінність приладу. У процесі вивчення теми увагу привернув відомий «народний тестер» під назвою ArduTester — універсальний пристрій з відкритим вихідним кодом і широкими можливостями.
Попри привабливу ідею повторення цього проєкту, його програмна частина виявилася надто громіздкою для адаптації під конкретний e-ink дисплей: код налічує понад 4 000 рядків. Тому було прийнято рішення зосередитися лише на тих функціях, які дійсно необхідні в межах цього проєкту, а саме — вимірюванні ємності, ESR та індуктивності.
Як мікроконтролер було обрано Atmega328P, оскільки для нього, зокрема у форматі Arduino Nano, доступна велика кількість готових прикладів реалізації подібних задач. При цьому майже всі GPIO були задіяні. Інтерфейс SPI використовується як для прошивки, так і для роботи з e-ink дисплеєм, що потребувало максимально раціонального розподілу доступних ресурсів мікроконтролера.
UART використовую як nano для конвертера CH340C (примітка: він не працює без конденсатора 100нФ на нозі V3).
Окремі фрагменти схем були запозичені з попередньої розробки та додатково оптимізовані з точки зору використовуваних компонентів. У пристрої передбачено три кнопки керування. Кнопка S1 спочатку планувалася для запуску процесу вимірювання, однак згодом було вирішено використати її для калібрування, зокрема для встановлення «нульових» значень. Повноцінна функція калібрування поки не реалізована, оскільки перевіряється її практична необхідність, тому на даному етапі S1 задіяна для програмно-апаратного вимкнення пристрою. Такий підхід дозволяє коректно виводити дані на дисплей, а не просто відключати живлення.
Кнопка S2 використовується для перемикання між режимами вимірювання. Кнопка S4 відповідає за апаратне вимкнення живлення пристрою.
Для увімкнення/вимкнення живлення та вимірювання заряду акумулятора використовую пари транзисторів N-Channel та P-Channel. При натисканні кнопки S4 сигнал тригера CD4013 подається на ключ живлення. Сигнал PW_OFF від мікроконтролера емулює натискання кнопки S4 після виведення на дисплей інформації. Також, можна додати режим автоматичного вимкнення при простої.
Схему включення e-ink вже відпрацьовано. Використовую режим 4-line SPI. Дисплей старий і підтримує часткове оновлення лише кадрами певного розміру. Тобто потрібно виділити в пам’яті дисплея область, записати дані і потім вивести на дисплей. Відразу всю сторінку можна оновити тільки через повне оновлення зі стиранням, що займає 2-3 секунди.
Варіантів схем для вимірювання ємності та індуктивності в інтернеті існує дуже багато. Для цього проєкту були обрані найпростіші з точки зору реалізації рішення. Одним із ключових критеріїв стала наявність готових прикладів програмного коду, що значно спрощує розробку та налагодження.
Для визначення ESR використовується зовнішній 18-бітовий АЦП MCP3421A0T, підключений по шині I2C. На цій мікросхемі навіть існують готові вимірювачі, зокрема модель HT-RT01, огляд якої вдалося знайти у відкритих джерелах. Також трапляються схеми з використанням вбудованого АЦП мікроконтролера, проте в такому випадку точність вимірювань, імовірно, буде нижчою.
Індуктивність вимірюється за допомогою компаратора LM339DR. Вимірювана індуктивність підключається паралельно конденсатору, встановленому на платі. На вхід подається імпульс, після чого на виході компаратора фіксується його тривалість. Знаючи ємність конденсатора та довжину імпульсу, можна обчислити значення індуктивності. Приклади реалізації такого підходу доступні у відкритих репозиторіях, зокрема на GitHub.
Ємність конденсатора визначається за часом його заряду до рівня 63,2 % від максимального значення. У цьому випадку використовується класична залежність t=R⋅Ct = R \cdot C, де опір резистора в RC-ланцюзі є відомим.
На цьому робота зі схемою була завершена. Для захисту роз’ємів на випадок гарячого підключення вимірюваних компонентів встановлено TVD-діоди, що зменшує ризик пошкодження елементів пристрою. Дрібні корпуси вирішено не використовувати — у схемі застосовано пасивні компоненти типорозміру 0603 і більші.
Усі елементи розміщені на одній стороні плати. Компонування вийшло досить щільним, але загалом акуратним і зручним для подальшого складання.
Паралельно з апаратною частиною велася розробка програмного забезпечення та підгонка корпусу. Використовувати дремель вирішено не було, щоб уникнути ризику пошкодження корпусу. Отвори виконувалися шляхом акуратного свердління, після чого форма доводилася вручну за допомогою надфіля.
Далі отвори для кріплення плати, кнопок та виріз для роз’ємів. Тут головне було не поспішати і все добре проміряти.
У результаті всі елементи коректно поєдналися між собою. На мал. 11 показано окремий кадр оновлення таймера. Саме такими прямокутними областями передбачається оновлювати інформацію на екрані з періодичністю один раз на секунду.
На мал. 12 видно приклад неповного перемальовування цифри «9». Через багаторазові часткові оновлення таке поле з часом може втрачати чіткість, і тоді знадобилося б повне очищення екрана. У цьому випадку така ситуація не є критичною, оскільки вимірювання виконуються нечасто, а після вимкнення та повторного вмикання пристрою екран оновлюється повністю.
Після завершення розробки програмної частини стало можливим перейти до тестових вимірювань (на фото нижче). Для перевірки коректності вимірювання ESR спочатку було підключено резистор номіналом 1 Ом з допуском 1 %, що дозволило переконатися у правильності роботи алгоритму. Далі було підключено конденсатор — виміряне значення ESR склало 0,20 Ом, що виглядає цілком реалістично, хоча можливості порівняти результат з іншим приладом не було. Ємність конденсатора 220 µF склала 211,8 µF, тоді як прилад MV6013A показав 211 µF. Для котушки номіналом 22 µH пробник визначив індуктивність на рівні 21,9 µH.
Під час тестування у широкому діапазоні значень похибка залишилася в межах прийнятного. Виявився й один недолік — вимірювання електролітичних конденсаторів великої ємності супроводжується тривалим часом заряду. Залишається виконати порівняння показників ESR з якимось стороннім тестером.
Цей пробник не претендує на роль метрологічного приладу, однак дозволяє цілком впевнено оцінити стан конденсатора або визначити індуктивність котушки без маркування.
У підсумку вийшов простий, але цілком працездатний вимірювальний пробник, який добре справляється зі своїм основним завданням — визначенням ємності, ESR та індуктивності в побутових і навчальних сценаріях. Проєкт не орієнтований на лабораторну точність або метрологічну сертифікацію, проте демонструє збалансований компроміс між складністю реалізації, точністю вимірювань і практичною користю.
Використання e-ink дисплея виправдало себе завдяки низькій динаміці оновлення даних, а обрані методи вимірювання показали прийнятну стабільність і повторюваність результатів. Незважаючи на окремі обмеження, зокрема тривалий час вимірювання великих ємностей, прилад дозволяє швидко оцінити стан електролітичних конденсаторів або визначити параметри немаркованих котушок.
Проєкт наочно показує, що навіть з мінімальним набором доступних компонентів і без складної програмної логіки можна створити корисний інструмент, який закриває конкретні практичні потреби та водночас слугує хорошою навчальною базою для подальших експериментів.
