Hace unos meses monté un capacímetro con el fin de comprobar el funcionamiento de las librerías de Arduino: Capacitor.h y CapacitorLite.h. El resultado final no fue todo lo bueno que esperaba, porque el rango de medidas quedó bastante limitado, y no conseguí medir capacidades superiores a 100μF con precisión.
Ahora tengo un capacímetro que apenas utilizo, porque la mayoría de las veces lo necesito para comprobar el estado de condensadores electrolíticos en fuentes conmutadas. En estos casos, los condensadores superan el rango de medidas del capacímetro, y además necesitaría también comprobar su valor ESR para determinar si el condensador sospechoso está en buen estado o no.
Por todo esto, he decidido ampliar las prestaciones de este capacímetro de acuerdo a las necesidades de uso más habituales:
- Medir capacidades entre 1pF y 10.000μF con precisión
- Medir los valores ESR de los condensadores a partir de 10μF
Detalles de funcionamiento del capacímetro
Después de analizar todas las posibles opciones de medida del capacímetro que monté, limitada por los 1024 umbrales del conversor ADC de Arduino, he decidido añadir una segunda toma de medida. Una entrada será para medir las capacidades entre 1pF y 1μF, y la otra será para medir valores entre 50nF y 10.000μF, incorporando la medida ESR a partir de 10μF.
Así con la primera entrada utilizaré la librería Capacitor.h para medir capacidades por debajo de 1uF, y la segunda entrada la utilizaré para medir las capacidades más altas, midiendo el tiempo que tarda el condensador bajo prueba en alcanzar el 63% de la tensión máxima del conversor ADC. Con esta segunda entrada del capacímetro, se podrán medir capacidades entre 50nF y 10.000μF.
Entrada 1: 1pF … 1μF (Capacitor.h)
La librería Capacitor.h toma como referencia la capacidad interna de un pin analógico de Arduino, y mide su voltaje después de 30nS. Luego toma como referencia el 1% de la tensión aplicada junto con la capacidad del pin de Arduino, para calcular la capacidad del condensador que se ha conectado.
Partiendo de los 5 voltios máximos del ADC de Arduino y sus 1024 posibles valores, las lecturas del ADC que podemos esperar oscilarán aproximadamente entre un valor 33 para 1pF y 993 para 1nF (1000pF).
Si la capacidad medida es superior a 1nF, la librería Capacitor.h toma como referencia la resistencia interna PullUp del pin de Arduino, de aproximadamente 30KΩ, y mide el tiempo que tarda el condensador bajo prueba en alcanzar el 63% de la tensión aplicada. A partir de ese tiempo medido se calcula la capacidad aplicando la constante de tiempo RC, tomando como referencia el valor de la resistencia PullUp.
Entrada 2: 50nF … 10.000μF (bornas)
Al conectar un condensador en la segunda entrada, el programa realizará un test de estado del condensador y luego realizará una medida rápida, conectando en serie una resistencia de bajo valor (240Ω), para medir el tiempo que tarda en alcanzar el 63% de la tensión máxima del ADC.
- Si la medida obtenida es superior a 80μF, medirá el valor ESR mostrando ambas medidas en el display. Haciendo la medida RC con una resistencia de bajo valor, se acelera el tiempo de medida de los condensadores de alta capacidad sin perder precisión.
- En caso de que la medida obtenida fuera inferior a 80μF, no se muestra el valor y se realiza una segunda medida conectando una resistencia 40 veces más alta (10KΩ), con el fin de obtener mayor precisión en la medida de condensadores más bajos. En este caso también se mide el valor ESR si la capacidad es >80μF, y se muestran los resultados en el display.
Calibración del capacímetro
El proceso de calibración de este capacímetro hay que hacerlo en 4 pasos. Dos de ellos son para calibrar los dos sistemas de medida de la librería Capacitor.h, y los otras dos para calibrar los dos rangos de medida de la segunda entrada del capacímetro.
Entrada 1: medidas entre 1pF y 1nF
Es imprescindible conocer el valor exacto de la capacidad interna del pin analógico de Arduino, junto con las capacidades parásitas externas del montaje. Por esto siempre es necesario realizar una calibración final, conectando un condensador de valor conocido y menor de 1000pF como referencia, para medir su valor con el capacímetro una vez montado y cerrado. Si la medida que muestra el capacímetro fuera inferior a la capacidad real del condensador, subiremos ligeramente el valor de la capacidad interna en el programa, y volveremos a programar el microcontrolador con la nueva referencia. Y si midiera una capacidad superior a la real, bajaremos el valor de la capacidad de referencia. Este proceso habrá que hacerlo varias veces, hasta que consigamos que el capacímetro muestre el valor real del condensador que hemos elegido como referencia.
Entrada 1: medidas entre 1nF y 1μF
Seguiremos el mismo proceso de antes, pero en este caso es mucho más sencillo porque podremos hacerlo sin cerrar la caja del capacímetro. Conectaremos un condensador algo inferior a 1μF de valor conocido, y retocaremos el valor de la resistencia PullUp que hemos puesto en el programa. Teniendo en cuenta que si aumentamos el valor de la resistencia PullUp, se reducirá el valor de la capacidad que muestre el capacímetro, y si reducimos el valor de la resistencia aumentará la capacidad medida.
Entrada 2: medidas entre 50nF y 10.000μF
En la segunda entrada del capacímetro, los condensadores de capacidad más baja (<80μF) se miden conectando una resistencia en serie de 10KΩ, y se mide el tiempo que tarda el condensador en alcanzar el 63% de la tensión máxima del conversor ADC. Aunque pongamos una resistencia de precisión, como la tensión de 5V se conecta a través de un pin digital de Arduino, tendremos que sumar el valor de su resistencia interna para que la medida sea precisa.
Por otra parte, la conexión común de ambas entradas del capacímetro no es GND, es otro pin analógico de Arduino, y aunque lo configuremos como salida con valor bajo, se sumará una resistencia extra a la constante RC. El valor de esta resistencia extra se compensa de forma automática en el código del programa.
Cuando se miden condensadores >80μF, el capacímetro le conecta una resistencia en serie de 240Ω, con el fin de reducir el tiempo de la medida. En este caso sucede lo mismo que antes, y por eso también tendremos que compensar el valor de la resistencia interna del pin digital que conecta la tensión al circuito RC.
Ajuste automático de referencia
El capacímetro realiza un ajuste a cero de las dos entradas cada vez que se conecta la alimentación, compensando así las capacidades parásitas de las puntas de medida que hayamos conectado. Es importante conectar el capacímetro con las puntas libres, sin ningún condensador conectado entre ellas.
Firmware
El código que necesitas para programar el ATMEGA-328P de Arduino, lo puedes descargar del repositorio GitHub:
https://github.com/J-RPM/Capacimeter/
Caja 3D del Capacímetro
La caja del Capacímetro la hice con 3 piezas, impresas en 3D con PLA de color negro. Para que destaque la serigrafía, se puede pintar con un pincel fino y pintura sintética, utilizando cualquier color que sea claro.
Caja del Capacímetro – Thingiverse: Capacimeter with Arduino
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