Capacímetro & ESR con Arduino (v2)

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.

Capacímetro con Arduino

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

Medida de un condensador variable

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.

Esquema: Capacímetro & ESR

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.

Capacitor.h con capacidades

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.

Medida de capacidades altas

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.

Test de los condensadores

  • 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.

Medida 1000uF

  • 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.

Pin de medida del Capacímetro

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.

Pin de referencia del capacímetro

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.

Auto ajuste inicial del capacímetro

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 3D para el Capacímetro.

Caja del Capacímetro – Thingiverse: Capacimeter with Arduino

¿Necesitas fabricar un circuito impreso?

Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos (PCB), pero no en todas podemos conseguir pequeñas tiradas a buen precio. Por suerte, ahora disponemos de Internet y es mucho más fácil que antes. Podemos buscar empresas en cualquier parte del mundo, y es más fácil encontrar un fabricante que haga nuestros prototipos (PCB) a buen precio. Una de las empresas más grandes del sector es PCBWay.

Logo: PCBWay

https://www.pcbway.es/

Litros de un depósito en el móvil

Construcción de un medidor de nivel de líquidos por ultrasonidos con Arduino. Los litros que contiene un depósito se calculan en función de la ditancia libre del depósito, medida por ultrasonidos, y se muestran en un display OLED con una resolución de 1 litro. Las medidas del depósito se deben configurar en el firmware, antes de programar el ATMega328P. Todos los ajustes y medidas pueden comprobarse a distancia en un teléfono móvil, mediante una conexión Bluetooth.

Interior del medidor de litros

Nivel de un depósito con ultrasonidos

Mejoras con respecto al montaje anterior

  • Montar un módulo Bluetooth para ver en el teléfono todos los datos de cada medida, además de los litros, que es lo único que muestra el display.
  • Bajar la resolución de la medida a milímetros, para coseguir que los litros que muestra el display cambien de uno en uno, y no cada 7,4 litros.

Resolución de la medida

Precisión de la medida

Los litros que muestra este medidor sólo sirven como referencia orientativa. Aunque la precisión de la medida de distancia por ultrasonidos sea bastante buena, hay que tener en cuenta otros factores:

  • Lo normal es que un depósito no sea totalmente simétrico, debido a los flejes de refuerzo y sus ondaluciones.  Si además es un depósito de plástico,  su capacidad varía en función del volumen de líquido que contiene y su temperatura.
  • Teniendo en cuenta que en el depósito que lo instalé, cada milímetro de combustible se corresponden a 0,74 litros, en el mejor de los casos la precisión de la medida sería de +/-1 litro.

Esquema

A continuación se muestra el nuevo esquema del medidor de litros por ultrasonidos. Lo único que cambia con respecto al esquema anterior, es el pulsador del Reset y el módulo Bluetooth HC-05.

Esquema del medidor de litros

Bluetooth HC-05

Es necesario configurar el módulo Bluetooth HC-05 antes de montarlo en el circuito. Aparte de su nombre y password, se debe configurar en modo esclavo a 38.400bps. Luego sólo habría que hacer 3 conexiones con este medidor: los dos hilos de alimentación (5VCC), y la conexión entre el terminal RXD del módulo HC-05 y el terminal TX del microcontrolador ATmega328P.

La conexión TX del módulo ARDUINO UNO está rotulada como D1, y se corresponde con el pin número 3 del microcontrolador ATmega328P.

Configuración del módulo Bluetooth HC-05

El pulsador Reset lo monté para poder reiniciar el microcontrolador en cualquier momento, y permitir que el módulo Bluetooth envíe los datos de configuración del depósito al teléfono móvil.

Configuración del depósito en el móvil

Configurar el tamaño del depósito

Las medidas y capacidad del depósito forman parte de los parámetros de ajuste del código del programa, pudiendo así adaptar con facilidad el firmware a las dimensiones y volumen de cualquier depósito.

Configuración del tamaño del depósito

En esta versión hay que poner todas las medidas en milímetros. Las valores de las tres últimas variables se dejan sin valor, el programa se encargará de calcular estos valores en función de las medidas del depósito.

Al aumentar la resolución de la medida de distancia hasta un milímetro, es muy fácil que cualquier movimiento del líquido en la superficie del depósito haga fluctuar la medida. Para minimizar este efecto, el programa realizará una serie de medidas consecutivas y mostrará el promedio de todas ellas. Cada vez que toma una muestra, introducirá un pequeño retardo antes de realizar la medida siguiente. Este retardo lo calcula el programa, y varía en función de la altura del depósito. Con este retardo se minimiza el efecto eco de una medida anterior en la siguiente, lo cuál introduciría un error al calcular el promedio.

APP para el móvil

Para mostrar los datos que envía el medidor en un teléfono móvil, se puede instalar cualquier aplicación de tipo ‘Terminal‘, yo utilizo una APP gratuita:

Serial Bluetooth Terminal 

APP: Serial Bluetooth Terminal

Firmware

El código que necesitas para programar el ATMEGA-328P de Arduino, lo puedes descargar del repositorio GitHub:

https://github.com/J-RPM/Level-of-a-tank-with-ultrasound

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Nivel de un depósito con ultrasonidos

Construcción de un medidor de nivel de líquidos para un depósito con ultrasonidos. En un depósito simétrico, dividiendo su capacidad máxima en litros entre la altura en centímetros, obtendremos el número de litros que contiene cada centímetro del líquido dentro del depósito. Conociendo la capacidad máxima del depósito, es posible medir la distancia libre de la parte superior del depósito por reflexión de los ultrasonidos en la superficie del líquido. Luego restamos esa distancia con la altura total del depósito, y así podremos calcular los litros que almacena en su interior.

Medidor de nivel por ultrasonidos, instalado en el depósito

Aprovechando el medidor de distancias ultrasónico que hice el año 2018, sólo he tenido que adaptar su código para convertir el medidor de distancia en un medidor de litros, y mostrarlos en el display.

OLED: SSD1306 ‘Fake in China’ & Sensor de proximidad para invidentes

Litros de un depósito

Para calcular el número de litros que hay dentro de un depósito simétrico, podemos medir la distancia libre de líquido, desde su nivel máximo de llenado hasta la superficie del líquido. Luego restamos esa distancia de la altura total del depósito, y la multiplicamos por el número de litros por centímetro que previamente hemos calculado en función de la altura del depósito y su capacidad máxima.

Litros en el depósito

De esta forma podemos realizar la medida desde arriba, colocando un medidor de distancia ultrasónico en alguna de las bocas de respiración del depósito. Apuntando el haz ultrasónico del medidor hacia el fondo, el sensor recibirá el eco que se refleje en la superficie del líquido. A partir de esa medida ya podemos calcular el número de litros que contiene el depósito, evitamos que el sensor entre en contacto con el líquido, y podríamos medir cualquier producto químico o corrosivo.

Funcionamiento del sensor HC-SR04

El sensor de ultrasonidos HC-SR04 tiene dos cápsulas piezoeléctrias, por una de ellas transmite un tren de impulsos inaudible (40 KHz), y por la otra recibe el eco de la señal reflejada. Dependiendo de la distancia del punto de reflexión, el eco recibido llegará con mayor o menor retardo. Tomando como referencia la velocidad de propagación del sonido en el espacio libre, con tan sólo medir el tiempo de retardo del eco recibido con respecto al origen, podremos calcular con precisión a qué distancia del sensor se encuentra el obstáculo.

Sensor HC-SR04

El sensor HC-SR04 dispone de 4 pines de conexión, 2 de ellos son para alimentar su circuito con 5VDC (Vcc/GND), y los otros dos son para realizar las medidas:

      • Trig: Un microprocesador externo envía un impulso de corta duración cada vez que necesita obtener una medida.
      • Echo: El sensor entrega un impulso de ancho variable, y midiendo su duración obtenemos la distancia a la que se encuentra el obstáculo.


    Sensor HC-SR04

Esquema

Este circuito incluye un zumbador piezoeléctrico, el cual he aprovechado en este montaje para utilizarlo como alarma acústica, y avisar cuando el nivel del líquido está por debajo del nivel mínimo que hayamos prefijado (reserva).

Esquema: Detector de proximidad

Características del depósito

Las medidas y capacidad del depósito forman parte de los parámetros de ajuste del código del programa, pudiendo así adaptar con facilidad el firmware a las dimensiones y volumen de cualquier depósito.

Ajustes del tamaño del depósito

El nivel de la reserva también se configura en el código del programa, y son los centímetros desde el fondo del depósito hasta el nivel mínimo prefijado. En función del número de litros por centímetro del depósito, podemos calcular el número de litros de la reserva. En este caso, el nivel de reserva sería: 7,41 L/cm. X 40 cms. = 296,4 litros.

Montaje en el depósito

Como este medidor es muy pequeño, lo monté en una de las bocas de respiración para el llenado del depósito, sustituyendo su tapón por un soporte que hice a medida con la impresora 3D.

Soportes 3D, para el interruptor y el sensor de medida por ultrasonidos

Para conectar el medidor ultrasónico sólo cuando lo necesite, cambié  su interruptor de encendido por un conector de alimentación. Desde el conector hice una prolongación con cable paralelo, hasta llegar al interruptor de encendido/apagado. El interruptor lo puse en la puerta de acceso al hueco donde tengo el depósito, con el fin de no tener que acercarme hasta el depósito para ver su contenido.

Test de funcionamiento

Antes de montar el sensor en el depósito, es conveniente comprobar que no hemos cometido algún error al introducir los parámetros de ajuste en el código del programa, y de paso comprobar que funciona correctamente en todo el rango de medidas.

Test del calibrado

En la imagen anterior, comprobé que el display mostraba 1000 litros a una distancia de 5 cms. La capacidad máxima de mi depósito es de 1000 litros, y la distancia entre el sensor y el nivel máximo del depósito (offset) es de 5 cms.

Firmware

El código que necesitas para programar el ATMEGA-328P de Arduino, lo puedes descargar del repositorio GitHub:

https://github.com/J-RPM/Level-of-a-tank-with-ultrasound

Soportes 3D

El soporte del medidor y su interruptor remoto los hice on PLA de color negro. Los ficheros los puedes descargar desde el siguiente link:

https://www.thingiverse.com/thing:5633438

¿Necesitas fabricar un circuito impreso?

Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos (PCB), pero no en todas podemos conseguir pequeñas tiradas a buen precio. Por suerte, ahora disponemos de Internet y es mucho más fácil que antes. Podemos buscar empresas en cualquier parte del mundo, y es más fácil encontrar un fabricante que haga nuestros prototipos (PCB) a buen precio. Una de las empresas más grandes del sector es PCBWay.

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Nivel de líquidos con Arduino

Hace unos días monté un Capacímetro con Arduino. Modificando ligeramente el código es posible añadir una función extra, y utilizarlo también como medidor de nivel de un depósito de agua o combustible.

Medida de nivel con el capacímetro

Capacímetro con Arduino

Sensor de nivel para líquidos

Para medir el nivel de líquidos en un depósito, lo mejor sería montar un sensor resistivo con una boya magnética. Estos sensores son bastante precisos y fiables, pero no son nada baratos cuando los depósitos son grandes. Los sensores resistivos de varilla están construídos con un tubo de acero inoxidale hermético, y una boya imantada en forma de toride por el exterior.

Sensor de nivel resistivo

La varilla del sensor mide lo mismo que la altura del depósito, en mi caso 130 cms. para un depósito de 1000 litros.  En el interior de la varilla hay muchas resistencias en serie, su número varía en función de la altura del depósito y la resolución del sensor. Cada resistencia incluye un microcontacto magnético, el cuál se cierra cuando la boya exterior alcanza su altura, modificando así el valor de la resistencia entre sus dos terminales de salida. Algunos sensores pueden tener tres cables, el cable extra va conectado a un microinterruptor que se posiciona casi al final de la varilla, al fondo del depósito,  y se puede utilizar como alarma para avisar cuando se ha llegado a la reserva.

Sensor de nivel Capacitivo

El inconveniente principal de un medidor de nivel de líquidos capacitivo, es que su precisión disminuye a medida que aumenta la longitud del cableado de conexión entre el sensor y el equipo de medida, y su resolución varía en función de las propiedades del líquido. A cambio es una alternativa barata, y es muy sencillo fabricar un sensor capacitivo de forma casera.

El extremo del cable-sensor hay que sellarlo, porque el líquido no puede entrar en contacto con el cobre. Para dar rigidez al cable, utilicé un trozo de canaleta de plástico del tamaño del depósito (130 cms).

Sensor de nivel capacitivo

Para sellar el extremo final del sensor utilicé adhesivo termofundible (error), pero después hice pruebas con gasoil, con el fin de comprobar el posibe deterioro del aislante, la canaleta y el sellado del extremo.

Al cable no le pasa nada, pero la canaleta pierde algo de rigidez, y el adhesivo termofundible pierde adherencia con el cable. Con el tiempo se podría desprender el sellado del cable y falsear la medida. La solución que tomé, fué quitar el adhesivo termofundible y la canaleta.

Sellado del cable: presionando y moviendo la funda del cable hacia fuera hasta ocultar el cobre. Luego con aire caliente puse el plástico del extremo muy viscoso, y lo sellé presionando con un alicante de punta estriada.

Mantener el cable rígido dentro del depósito: puse un trozo de acero inoxidable en el extremo inferior del cable-sonda, y luego tensando el cable hacia fuera del depósito y bloqueando con una brida en el extremo superior, el cable-sensor queda totalmente recto.

Esquema del capacímetro

Este capacímetro está construido con un ATMEGA328P y sus componentes mínimos: el circuito oscilador y el del Reset.

Esquema del Capacímetro.

Código de programación

Para que este capacímetro pueda mostrar el nivel del depósito, he creado una tabla referenciando a cero el valor de capacidad que mide el sensor sin entrar en contacto con el gasoil, y la máxima la he calculado a partir de la medida que muestra el capacímetro con el sensor sumergido, actualmente el gasoil está a 93 cms. de altura desde el fondo del depósito.

Código: Capacímetro y Nivel de líquidos

Con el capacímetro colocado a dos metros del depósito, la capaciadad que medí con el sensor fuera del depósito era de 252pF, y con el sensor sumergido a 93 cms medí 267,26pF. Así  el incremento de capacidad por centímetro de gasoil en el depósito es: (267,26pF – 252pF) / 93 cms = 0,164pF. Y con el depósito lleno, la capacidad sería:  252 + (0,164pF x 130 cms) = 273,33pF.

Como podemos comprobar, existe una diferencia de capacidad entre el depósito lleno y vacío de tan apenas 21,33pF. para una distancia de 130 cms. En las pruebas que hice con la jarra de agua, el incremento de capacidad por centímetro era de 2pF… una resolución 12 veces mejor que en el depósito de gasoil. Aparte de la diferencia que exista entre el agua y el gasoil, poner el capacímetro tan lejos del sensor no ha sido buena idea. Para conseguir una mayor precisión y estabilidad en la medida, tendría que haber colocado el capacímetro más cerca del depósito.

Para minimizar la fluctuación de las medidas, se toman 150 muestras y se calcula el valor promedio, antes de mostrar los datos en la pantalla. El nivel del depósito se muestra de forma gráfica en la línea superior del display. La barra de nivel se forma a partir de 6 caracteres gráficos que se almacenan en la RAM, indexados del 0 al 5. El gráfico con index 0 es un caracter en blanco, el uno rellena la primera línea vertical de la matriz de 7×5 que conforma cada letra, y así sucesivamente hasta el index 5 que rellena las 5 líneas verticales. Así la barra gráfica completa se compone de 5 niveles por 16 caracteres = 80 niveles.

Nivel del depósito

Al inicio del void loop() se toma una medida de capacidad, y si el valor leído es inferior a 355pF se accede a la rutina de medida de pF con dos decimales, pero se muestra el valor directamente en pFx100. en la línea inferior del display, y la gráfica de nivel del depósito se muestra en la línea superior. Si la capacidad medida es superior a 355pF, funciona como un capacímetro y no se muestra la gráfica del nivel,

Madida de capacidad

Firmware

El código que necesitas para programar el ATMEGA-328P de Arduino, lo puedes descargar del repositorio GitHub:

https://github.com/J-RPM/Capacimeter-Level

¿Necesitas fabricar un circuito impreso?

Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos (PCB), pero no en todas podemos conseguir pequeñas tiradas a buen precio. Por suerte, ahora disponemos de Internet y es mucho más fácil que antes. Podemos buscar empresas en cualquier parte del mundo, y es más fácil encontrar un fabricante que haga nuestros prototipos (PCB) a buen precio. Una de las empresas más grandes del sector es PCBWay.

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Capacímetro con Arduino

La plataforma de programación de Arduino es muy versátil. Al ser un sistema de código abierto, hay mucha gente que colabora y comparte sus programas. Con Arduino es muy sencillo diseñar y fabricar cualquier dispositivo electrónico a medida. Sólo hay que buscar las librerías del proyecto que tengamos en mente, y escribir unas pocas líneas de código para  hacer que todo funcione según lo hemos pensado. Hace unos días me preguntaron si conocía la librería Capacitor.h, y como la mejor forma de conocer una librería es trabajar con ella, hice este capacímetro con Arduino. Como en realidad son dos librerías, he utilizado las dos dentro del mismo código.

«Capacitor.h» permite medir capacidades comprendidas entre 1pF y 100μF.

https://wordpress.codewrite.co.uk/pic/2014/01/21/cap-meter-with-arduino-uno/

«CapacitorLite.h» utiliza menos almacenamiento de programa y funciona más rápido. Puede medir entre 0,2pF y 655pF, pero se aumenta su resolución porque entrega los valores en pFx100 (dos decimales).

https://wordpress.codewrite.co.uk/pic/2014/01/25/capacitance-meter-mk-ii/

Esquema del capacímetro

Este capacímetro está construido con un ATMEGA328P y sus componentes mínimos: el circuito oscilador y el del Reset.

Esquema del Capacímetro.

Para montar todo esto, utilicé un PCB de los que me sobraron cuando hice el Shield del programador ISP para Arduino.

Shield programador ATmega/ATtiny (ARDUINO)

El único problema es que tuve que hacer algunos puentes con cable por debajo.

Puentes a realizar en el PCB del Capacímetro-

Para alimentar el capacímetro utilicé una batería LiPo de 3,86V de tensión nominal, es un módulo recuperado de la batería de un PC. El largo y ancho del capacímetro lo hice en función del tamaño de la batería. La batería va alojada en la base de la caja, debajo de toda la electrónica. Para elevar la tensión de la batería a 5V, es necesario un circuito Step-Up Converter. El primer circuito Step-Up que utilicé interfería las lecturas del conversor ADC, y el capacímetro mostraba algunas medidas erróneas. Al final probé con un módulo MT-3608, previamente ajustado a 5V, y se acabaron los problemas. Para cargar la batería, utilicé el módulo de carga y protección TP-4056.

La  medida de la capacidad se muestra en un display LCD de 2×16 caracteres, utilizando la librería CapacitorLite si el condensador bajo prueba mide menos de 655 pF, o Capacitor.h para mostrar capacidades hasta 100μF. El rango de la medida de capacidad se podría aumentar un poco más, pero la precisión empeora rápidamente.

Código de programación

En los comentarios de inicio del programa están los detalles de funcionamiento, y los link de acceso a las dos publicaciones de Jonathan Nethercott, donde explica con más detalle el funcionamiento de las dos librerías y su calibración.

Código Arduino para el Capacímetro.

Al principio del código se definen los pines de conexión del display LCD y los dos pines donde las dos librerías medirán el condensador bajo prueba: el pin digital 12 y el analógico 2. Para realizar la medida, la librería genera un impulso de 5V de corta duración, alrededor de 100μSeg.

Impulso generado por el Capacímetro.

Posteriormente se realiza la media de tensión en el condensador entre los pines D12 y A2, en función de la capacidad interna y la resistencia PullUp del microprocesador que se utiliza. Estos valores los define de forma automática la librería, pero se pueden calibrar para aumentar la precisión.

En el void setup() se define la velocidad del puerto serie y se genera el mensaje de presentación en el LCD y el puerto serie. También se pueden modificar los valores de calibración de las dos librerías si fuera necesario.

En el void loop() se repite el ciclo de medida de capacidad cada segundo. Se empieza midiendo la capacidad con la librería CapacitorLite.h. El valor de esta medida es en pF x 100, por lo que habría que dividir el valor obtenido entre 100 para mostrar la medida en pF, pero primero se comprueba si el valor obtenido es menor de 65.500, ya que el contador es de 16 bits y se desborda al superar 65.535. A continuación se puede ver el impulso de 5V de corta duración, que genera el pin D12 para realizar la medida de capacidad.

Si el valor de la medida fuese mayor de 655pF, se repetiría la medida utilizando la librería Capacitor.h. A continuación se pueden ver los dos impulsos que genera el pin D12, uno a continuación del otro, para realizar otra medida de capacidad utilizando la segunda librería.

Doble impulso del capacímetro

Con Capacitor.h se obtienen directamente valores en pF. Mediante el código se ajustan los valores superiores a 1.000 para que se muestre en nF, y si la medida es superior a 1.000.000, se ajusta el valor a μF. Al principio de todo, se comprueba que el valor medido sea inferior a 101 μF, con el fin de no mostrar valores imprecisos en las medidas.

Al final del código se muestra la medida realizada en el LCD y a través del puerto serie, añadiendo una indicación de actividad en el display durante 300mSeg. Al final se realiza una pausa de 700mSeg. antes de repetir de nuevo el ciclo de medida.

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 3D para el Capacímetro.

Caja del Capacímetro – Thingiverse: Capacimeter with Arduino

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DELL P71G: Cambiar la Batería

Este ordenador portátil es un DELL de 13″, modelo XPS P71G. Es un portátil muy fino y poco pesado con pantalla táctil. Su cierre es magnético, muy cómodo de abrir y cerrar,  y además se puede plegar el teclado para utilizarlo como una tablet.

DELL XPS P71G

El problema que tiene es que su batería no aguanta ni una hora funcionando, y cuando era nuevo aguantaba alrededor de 5 horas. He abierto el gestor de carga del PC,  y con un 72% de carga estima una duración de tan solo 24 minutos.

Batería en mal estado

Batería de repuesto

He comprado una batería compatible, no es la original. Me arriesgo porque su precio es aproximadamente la mitad que la batería original, y es muy fácil cambiarla en caso de que salga mal.

Batería DELL P71G

La batería de repuesto es prácticamente igual que la original, y además el vendedor incluye los dos destornilladores que se necesitan para sustituir la batería, un con punta de estrella y el otro Torx.

Antes de desmontar el PC, lo primero que hay que hacer es apagarlo

Acceso a la batería

En total hay que quitar los 8 tornillos Torx del contorno, y 1 de estrella debajo de la tapa. Después hay que soltar los clip que sujetan la tapa trasera, presionando con los dedos y tirando hacia fuera, no es necesario utilizar herramientas.

Tornillos de la tapa trasera

En la misma batería están serigrafiados los tornillos que la sujenta, indicando su tamaño y métrica.

Tornillos de sujección e la batería

Comprobación de la nueva batería

Una vez montado el PC, comprobé el estado de carga de la nueva batería, abriendo el gestor de estado de la batería del sistema operativo. El porcentaje de carga era de un 66%, un valor normal en una batería nueva.

Carga de la nueva batería

Después puse en carga al PC, para comprobar los nuevos valores que mostraba con la nueva batería cargada al máximo. El gestor del PC calcula una duración superior a 5 horas…  es la duración que tenía cuando este PC era nuevo.Batería nueva a plena carga

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Telurómetro ST-1520 (Reparación, Calibrado y Medidas)

El Telurómetro es un equipo pensado para medir la impedancia de las tomas de tierra. Utilizan una frecuencia próxima a la frecuencia de red y sus armónicos. Hace poco, mostraba la forma de medir la resistencia de una toma de tierra con dos polímetros. Para comprobar la precisión de estas medidas, compré un Telurómetro de segunda mano.

Comprobación de la escala 2K

Medir la toma de tierra con dos polímetros

Para comprobar el estado del Telurómetro antes de comprarlo, hice un kit de calibración con 5 resistencias de precisión, 2 de ellas de 330 ohmios, para simular la resistencia de las dos picas de control, y 3 resistencias de diferente valor para simular la impedancia de la toma de tierra, y comprobar las 3 escalas de medida del Telurómetro que iba a comprar.

Conjunto Telurómetro

Por desgracia, este Telurómetro estaba averiado. Al final lo compré al precio que podrían tener sus accesorios: el maletín de transporte, los 3 cables de medida y las dos picas… ya que no tenía nada claro que lo pudiera reparar.

¿Qué es un Telurómetro?

El Telurómetro es un equipo de medida, pensado para medir la impedancia de las tomas de tierra. Se utilizan para medir conexiones de pararrayos, edificios, instalaciones industriales, conexiones a tierra de componentes y equipos en general.

  • Utilizan corriente alterna para la prueba, pues la tierra no conduce bien la corriente continua.
  • Utilizan una frecuencia próxima, pero distinta, a la frecuencia de red y sus armónicos. De esta forma, se evita que las corrientes fantasmas o procedentes de otras fuentes interfieran con las medidas de impedancia de tierra.
  • Los medidores de cuatro hilos disponen de cables de generación y medida independientes para compensar la resistencia eléctrica de los propios cables. Este método permite eliminar de la medida de la impedancia de tierra el valor de la resistencia óhmica de los cables de prueba pues, en ocasiones, por tener una elevada longitud, presentan una apreciable resistencia eléctrica.
  • Tienen un filtro de entrada diseñado para captar su propia señal y rechazar todas las demás.

Reparación y Calibrado

Reparar un Telurómetro sin esquema ni repuestos es muy complicado, pero tuve suerte al comprobar que tenía un consumo excesivo, cerca de 500mA a 9V, aproximadamente 4,5W. Este tipo de averías se localizan fácilmente, porque lo normal es que alguno de sus componentes se caliente en exceso. En este caso, el transistor PNP que alimentaba una parte del circuito quemaba. Lo medí y estaba bien, pero tenía su salida en cortocircuito. Aunque es muy extraño, el condensador del filtro, un electrolítico de 1000uF/16v estaba en cortocircuito. Al sustituir el condensador otro nuevo, el consumo se redujo a un valor normal (70mA) y el Telurómetro ya mostraba valores más creíbles… sólo hacía falta calibrarlo.

Ajustes ST-1520

Este Telurómetro SEW ST-1520 tiene 9 resistencia ajustables. Utilizando el kit de calibración resistivo que me había hecho, y después de hacer varias pruebas, pude asociar los ajustes a cada escala y calibrar el equipo.

Calibración ST-1520

Medidas con el Telurómetro

Para medir la resistencia de tierra con un Telurómetro, es conveniente aislar la pica de tierra de la instalación, y comprobar que no haya una tensión inducida superior a 10V de alterna, entre la pica de tierra (terminal ‘E‘ del Telurómetro), y la pica de potencial (terminal ‘P‘). La distancia óptima para colocar la pica de potencial es el 61,8% de la distancia total. Siendo la distancia total entre 10 y 15 metros, medidos entre la pica de tierra (terminal ‘E‘, verde) y la pica de corriente (terminal ‘C‘, rojo).

Medida de tierra con Telurómetro

Antes de realizar la medida de resistencia, se coloca el Telurómetro en la medida de voltios; se conecta el cable verde a la pica de tierra (E) y el amarillo a la pica de potencial (P), sin conectar el cable rojo (C).  Si la tensión inducida en la tierra es inferior a 10 voltios, ya se puede realizar la medida de resistencia.

Tensión inducida en la tierra

  1. Para medir la resistencia de la pica de tierra, se cambia el selector del Telurómetro a la posición de Ohmios y se conecta la pica de corriente (C), cable rojo. Al pulsar el botón de medida, este Telurómetro inyecta una señal cuadrada de 860 Hz, con una amplitud de 164 Vpp.
  1. Luego mide la tensión existente a esta frecuencia, entre la pica de tierra (E) y la pica de potencial (P).
  1. A partir de la tensión medida y la corriente inyectada, calcula el valor de la resistencia, y lo muestra en el display.

El Telurómetro SEW ST-1520 puede medir los valores de resistencia  entre 0 y 2000 Ohmios, con una resolución diferente, dependiendo del valor y la  posición del selector de medida.

Telurómetro: SEW ST-1520

El Telurómetro SEW ST-1520 mide resistencia y tensión de tierra con respecto a la puesta a tierra de la instalación. Como todos sabemos, para garantizar la seguridad de una instalación, todos los componentes de un sistema deben tener una misma tensión de referencia; por eso, la tensión y la resistencia de tierra deben ser lo más bajas posible. El Telurómetro SEW ST-1520 tiene un filtro incorporado que suprime distorsiones y mide  la frecuencia de 860 Hz evitando la influencia de corrientes dispersas por frecuencias de red y sus armónicos.

Especificaciones

  • Rangos y resolución de resistencia de puesta a tierra:
    0~20 Ω (0,01Ω)
    0~200 Ω (0,1 Ω)
    0~2000 Ω (1 Ω)
  • Tensión de tierra: 200Vca , 40~500Hz
  • Display LCD 3 ½ dígitos
  • Apagado automático después de 3 a 6 minutos de inactividad
  • Retención de lectura
  • Indicación de batería baja
  • Indicación de circuito abierto
  • Alimentación: 6 pilas 1,5 V tipo AA
  • Cumple normas: IEC 1010, CAT III

Medidas con el Telurómetro

Cuando hice las medidas de la impedancia de las tomas de tierra con los dos polímetros, era un día de mucho calor, y con la pica de tierra secundaria hice una medida en seco y la otra en mojado.

Para hacer las medidas con el Telurómetro coloque la pica de Corriente a 15 metros de la pica de tierra secundaria, y la pica de Potencial a 10 metros. El terreno estaba ligeramente húmedo, porque había llovido un poco por la mañana. La medida de tensión en el terreno era de 0,1V, y el valor de la resistencia 144,7 Ohmios, un valor intermedio entre las dos medidas que hice con los polímetros en seco y en mojado.

Medida de tierra 2

Por curiosidad hice la misma medida con la tierra de la vivienda, conectando la lengüeta de tierra de una toma de enchufe. Aquí medí un valor de 2,6 Ohmios, ligeramente inferior a la medida que hice con los dos polímetros, pero teniendo en cuenta que la anterior medida la hice con el terreno en seco.

Medida de tierra 1

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Medir la toma de tierra con dos polímetros

Cuando se instalan paneles solares en la vivienda, es importante disponer de una buena toma de tierra. La estructura metálica que soporta los paneles se suele instalar en los tejados, y la carga electrostática que se genera en las tormentas podría llegar a la estructura de todos los electrodomésticos a través del cableado de tierra. Siempre que se pueda, se debería instalar una red de tierra independiente para el equipamiento de energía solar. Vamos a ver un método muy sencillo para medir la resistencia de las tomas de tierra, cuando no se dispone del equipamiento de medida adecuado (Telurómetro)… sólo necesitas dos polímetros.

Medir la resistencia de la toma de tierra con dos polímetros

Tensión del suministro eléctrico

En una central de transformación, la salida del Neutro normalmente se une con la toma de tierra, manteniendo así un potencial de 0 voltios entre NeutroTierra, y 230 voltios entre FaseNeutro,  o Fase-Tierra.  Dependiendo de la resistividad del terreno, la distancia desde la central de transformación y la calidad de la toma de tierra de la vivienda, estas tensiones varían. Un indicador bastante bueno para saber si la calidad de la toma de tierra de la vivienda es buena, es medir la tensión entre Neutro-Tierra y entre Fase-Tierra. Cuanto más próximas sean a los valores de la central, de mejor calidad será la tierra de la vivienda.

Estado de la toma de tierra

Para hacer esta comprobación, tomaremos como referencia la tensión que tengamos en ese momento entre Fase y Neutro, aunque lo ideal sería hacer las 3 medidas a la vez.

Comprobar el estado de la toma de tierra

En este ejemplo medimos 230,5 VAC. Después medimos entre Fase y Tierra, y tenemos 228,5 VAC, una diferencia de 2 V con respecto a la referencia. Ahora hacemos la misma medida utilizando la segunda toma de Tierra, y medimos 227,6 VAC. Al ser este valor más alejado a la tensión de referencia con respecto a la tierra de la vivienda, y además la tierra de la vivienda está conectada al cuadro eléctrico, no está aislada como la segunda, sabemos que la toma de tierra secundaria es de peor calidad que la toma de tierra instalada en la vivienda.

Al medir la tensión entre Neutro y Tierra, comparando ambas medidas, comprobamos que la tensión con la tierra secundaria es más próxima a 0V. Esta medida sería significativa si ambas tomas de tierra estuvieran aisladas, sin equipos conectados. En este caso podríamos interpretar que la segunda tierra es mejor que la de la vivienda, pero se podrían invertir los valores en otro momento, porque la tierra de la vivienda tiene equipos conectados que podrían estar derivando corriente, y la tierra secundaria está abierta.

Si medimos tensión entre ambas tierras, medimos 4mV, y con tensión no podemos utilizar el polímetro para medir resistencias.

Valores recomendados de resistencia a tierra

Lo ideal es que la resistencia de la toma de tierra fuera de 0 Ω, pero se consideran valores buenos entre 25 y 40 Ω, dependiendo del país y las condiciones del terreno. Cuando se trata de instalaciones sensibles, lo ideal es que el valor de la resistencia a tierra fuera inferior a 5 Ω.

Según se define en el Reglamento electrotécnico de baja tensión REBT 2002, el valor de resistencia de tierra será tal que cualquier masa no pueda dar lugar a tensiones de contacto superiores a 24V y 50V, y fija el valor medio de la resistencia eléctrica del cuerpo humano en 2.500 Ω. Teniendo en cuenta que en la instalación eléctrica se emplea normalmente como protección un interruptor diferencial de 30mA, el valor máximo de la resistencia de tierra será de 1.666 Ω para tensiones de contacto de 50V y de 800 Ω para tensiones de contacto de 24V.

  • Rt = 50V/30mA = 1.666 Ω
  • Rt = 24V/30mA = 800 Ω

Reglamento eléctrico de baja tensión

Para facilitar la rápida desconexión del interruptor diferencial, es conveniente conseguir que los valores de la resistencia de tierra estén siempre por debajo de estos valores, teniendo en cuenta las condiciones cambiantes del terreno y la climatología.

El interruptor diferencial y toma de tierra

Exista o no una toma de tierra en nuestra instalación eléctrica, los interruptores diferenciales cortan el suministro eléctrico cuando se supera una corriente de fuga superior a 30mA, protegiendo así a las personas contra una posible electrocución. Disponer de una buena toma de tierra en la vivienda es fundamental para evitar descargas desagradables al tocar los electrodomésticos. Una buena toma de tierra impide el paso de corriente de cualquier aparato eléctrico defectuoso hacia las personas, disparando de forma automática el interruptor diferencial de la vivienda cuando esto ocurre.

Toma de tierra con paneles solares

Cuando se instalan paneles solares en una vivienda, se monta una gran estructura metálica, normalmente en los tejados. Para proteger los inversores, encargados de convertir la tensión continua de los paneles en tensión alterna, para luego inyectarla en paralelo con la instalación eléctrica, se instalan descargadores de sobretensión en las tomas de conexión con los paneles. Así se evita que entren picos de tensión en el inversor cuando hay tormentas… pero estos descargadores también hay que conectarlos a una toma de tierra.

Dos tomas de tierra separadas

Si conectamos la estructura metálica de los paneles y los descargadores a la toma de tierra de la vivienda, cuando la toma de tierra de la vivienda no es muy buena, parte de esas descargas eléctricas se distribuyen por el mismo cable hacia todos los enchufes, llegando así a la estructura metálica de todos los electrodomésticos.

Si queremos evitar que esto suceda, lo mejor es instalar una toma de tierra auxiliar, independiente de la toma de tierra de la vivienda. Conectando ahí todas las tierras del equipamiento de energía solar. De esta forma se facilita el paso eléctrico de cualquier descarga eléctrica hacia la nueva pica de tierra, y se impide así que entre parte de esa tensión hacia la estructura de los electrodomésticos.

Medida de tierra con dos polímetros

Aunque existen equipos de medida específicos  para medir el valor resistivo de las tomas de tierra (Telurómetro), también es posible hacer esta medida con gran precisión utilizando un voltímetro junto con un miliamperímetro de corriente alterna.

Medir la resistencia a tierra con un Telurómetro

Midiendo los valores de tensión y corriente de forma simultánea, se puede calcular el valor de la resistencia aplicando la Ley de Ohm. Como la precisión de esta medida dependerá de la tolerancia sumada de dos instrumentos de medida diferentes, es aconsejable utilizar dos polímetros de calidad.

IMPORTANTE

Para hacer medidas en la red eléctrica es necesario tener muy claro lo que se está haciendo, porque siempre existe el riesgo de electrocución. Es muy importante utilizar gafas y guantes de protección y seguir un orden, en este caso:

  • Seleccionar las medidas tensión/corriente y sus escalas en los polímetros
  • Interconectar el cableado de ambos medidores, y no tocar los selectores de los polímetros cuando estén conectados a la red eléctrica.
  • Conectar el sistema de medida con la red eléctrica, y tomar una fotografía en la que se vean con claridad los valores de tensión y corriente de ambos medidores.

Nunca se deberían hacer este tipo de medidas en la entrada de la acometida eléctrica, y tampoco se debería manipular el cableado eléctrico sin disponer de una protección diferencial.

Resistencia entre dos tomas de tierra

Hacer esta medida en una vivienda no tiene mucho sentido, pero la hice para saber si la pica de tierra de la vivienda está alejada de la otra o no. Las pruebas las hago alimentando una bombilla de filamento de 230V / 100W, y haciendo circular la corriente entre ambas tomas de tierra. Midiendo la caida de tensión entre ambas tierras y la corriente que circula, aplicando la Ley de Ohm obtenemos el valor de resistencia entre ambas tomas.

No es buena idea hacer este tipo de pruebas sin tomar medidas de precaución, y sin estar seguro de lo que se hace. Por otra parte, esta prueba no se puede hacer inyectando tensión de la red eléctrica, porque saltaría el diferencial, y NUNCA se deberían manipular los cableados antes de dicha protección.

Para hacer esta medida he utilizado un inversor de red de onda modificada de 2000W, alimentado con una batería de coche. He montado todo el circuito conectando el cableado del polímetro para medir la caída de tensión entre ambas tomas de red, y la pinza amperimétrica para medir la corriente. Después he conectado el interruptor del inversor un instante, el tiempo que me ha tomado hacer la fotografía.

Medir la resistencia entre dos tomas de tierra

La fotografía de la izquierda es la referencia, conectando la tensiín del inversor directamente a la bombilla. Como vemos el inversor entrega 209,5 voltios y circula una corriente de 0,31A. Al ser algo baja la tensión de alimentación, la bombilla está consumiendo 65W en lugar de 100.

En la fotografía de la derecha vemos que hay una caída de tensión de 74,9 voltios entre ambas tomas de tierra, y circula una corriente de 0,25A. Por lo tanto la resistencia entre ambas tomas de tierra es de (74,9/0,25) 299,6 Ω. Aunque sigo sin saber dónde está montada la pica de tierra de la vivienda, con esta medida entiendo que está lo suficientemente lejos de la nueva toma de tierra.

Medir la resistencia de una toma de tierra

Para medir la resistencia de las dos tierras de forma individual, vamos a provocar una fuga de corriente entre Fase y Tierra, mediante una resistencia de valor conocido. Como la suma de corriente de fugas de todos los equipos conectados a la instalación eléctrica tiene que ser inferior a 30mA,  siempre que la instalación no esté al límite podremos añadir una corriente de fuga adicional próxima a 10mA, y así ya tenemos  una buena  resolución en la medida de corriente. Si al hacer las pruebas ‘saltara’ el diferencial, bajando los magnetotérmicos de todos los electrodomésticos se desconectan sus filtros de red, y se reducirá notablemente la corriente de fugas en toda la instalación.

Procedimiento de la medida

Esta prueba la hago con dos resistencias de potencia, cerámicas de 15 KΩ, montadas  en serie. Con 30 KΩ se producirá una corriente de fuga de 7,66 mA a una tensión de 230 voltios. Para hacer esta medida es importante utilizar resistencias de potencia, con el fin de evitar que aumente su valor resistivo al paso de la corriente y nos falseen las medidas.

Cada vez que realicemos una medida, tomaremos como referencia la tensión entre Neutro y Tierra antes de conectar la resistencia entre Fase y Tierra. Este valor lo tendremos que restar del valor que midamos después de conectar la resistencia.  Si el polímetro que utilizamos dispone de un botón de referencia (REL), lo pulsamos antes de conectar la resistencia y el display mostrará 0V. De esta forma evitamos tener que hacer la resta, porque la medida de tensión que muestre el polímetro cuando conectemos la resistencia será la diferencia entre ambas medidas.

Para hacer esta medida es imprescindible aislar la tierra y desconectar todos los disyuntores que nos sea posible en el cuadro eléctrico, con el fin de reducir la carga de corriente del hilo del Neutro al máximo, y evitar posibles fluctuaciones de tensión entre Neutro y Tierra cuando estemos haciendo las medidas.

Toma de tierra de la vivienda

Medidas en la toma de tierra de la vivienda

Después de pulsar el botón REL del voltímetro, al conectar la resistencia entre fase y la tierra de la vivienda, medimos 0,1V entre Neutro y Tierra y una corriente de 7,51 mA. La tierra de la vivienda mide: 0,1V/7,51 mA = 13,3 Ω

Toma de tierra secundaria, en seco

Medidas en la toma de tierra secundaria en seco

Ahora quitamos de los polímetros la tierra de la vivienda, conectamos la otra y volvemos a pulsar el botón REL del voltímetro.  Al conectar la resistencia entre Fase y la segunda Tierra, medimos 1,787V entre Neutro y la Tierra 2 y una corriente de 7,45 mA. En seco, la segunda tierra mide: 1,787V /7,45 mA = 239,8 Ω

Toma de tierra secundaria, en mojado

Medidas en la toma de tierra secundaria en mojado

Después de mojar la pica de la segunda toma de tierra, al conectar la resistencia entre Fase y Tierra, medimos 0,636V entre Neutro y Tierra una corriente de 7,45 mA. En mojado, la segunda tierra mide: 0,636V /7,45 mA = 85,3 Ω

Observaciones

Al tratarse de una pica de tierra de tan solo 60 cms, y además dentro de un bloque de hormigón, al mojar la toma de tierra ha bajado notablemente el valor de su resistencia. A pesar de que ambos valores son altos, se mantienen por debajo de 800 Ω y se cumple con las especificaciones del reglamento de baja tensión para tensiones de contacto de 24V.

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Transmisor DCF77 con ESP32 (v2)

Hace casi dos años hice un transmisor de DCF77 con un módulo ESP32, y lo acoplé dentro de otro transmisor que había hecho con anterioridad con Arduino. Ahora voy a montar otra versión del mismo transmisor DCF77, reduciendo al mínimo su tamaño y sin eliminar sus prestaciones.

Amplificador DCF77

Transmisor DCF77 con ESP32

Esquema

En la versión 2 del transmisor DCF77 con ESP32, he quitado el segundo controlador de Arduino, ya que sólo servía para complementar la información que muestra el display OLED. Pero he utilizado un trozo del PCB de ese transmisor, el que contiene los componentes del amplificador, y mediante 3 hilos lo he conectado con el módulo ESP32: los 2 hilos de alimentación y el hilo de salida DCF77 ya modulado. La salida de los impulsos DCF77 no se utiliza, pero se puede utilizar para hacer medidas.

Esquema: Transmisor DCF77 con ESP32 (v2)

Para comprobar que se está transmitiendo la señal por el amplificador, he montado un LED SMD en serie con una resistencia limitadora,  en paralelo con el condensador de 1nF del circuito resonante de salida, la antena transmisora. La resistencia limitadora del LED la he puesto bastante alta, de 3k9,  con el fin de que no se reduzca el nivel de RF radiado.

Nivel de salida DCF77

Con el fin de comprobar el correcto funcionamiento del amplificador de salida, y medir el nivel de tensión pico a pico de la portadora DCF77 (77,5 kHz), he conectado las puntas del osciloscopio en paralelo con la bobina del amplificador (antena). La punta de referencia del osciloscopio (GND) la he conectado a la toma de la bobina que va conectada a la alimentación de +5V, ya que para la señal de RF el +5 es lo mismo que el GND. Así en las medidas del osciloscopio, la referencia GND que muestre se corresponderá con la tensión +5 del amplificador.

El osciloscopio debería funcionar con batería, o estar aislado de la tensión de la red eléctricaMedida DCF77 a la salida del amplificador

Analizando la gráfica que muestra el osciloscopio, la amplitud de la señal DCF77 ocupa 3 cuadros X 5V = 15Vpp. Se puede observar que desde el punto de referencia del osciloscopio (1→ de la izquierda) hacia abajo hay un cuadro = 5V, justo la tensión a la que está alimentado el amplificador. Al estar funcionando el amplificador en Clase C (se polariza con la señal de RF) el transistor deja de conducir cada segundo durante 100 o 200ms, dependiendo si se transmite un CERO o UNO lógico. En la imagen se muestran dos segundos consecutivos (10 divisiones de 200ms), con dos intervalos sin portadora de 100ms = dos ceros lógicos. La medida que muestra a la derecha la pantalla del osciloscopio de 10V, es la tensión ‘extra’ que produce la bobina de 4mH junto con el condensador de 1nF al estar en resonancia a la frecuencia de 77,5 kHz.

Firmware

Repositorio GitHub:
https://github.com/J-RPM/DCF77-Transmitter

El archivo que necesitas para programar el ESP32, lo puedes descargar de forma gratuita desde el siguiente enlace: DFC77_ESP32_JR.rar

Caja 3D (ESP32+Display)

Caja 3D: Transmisor DCF77 con ESP32 (v2)

El fichero .stl que necesitas para fabricar esta caja, lo puedes descargar desde el siguiente enlace: DCF77 transmitter with ESP32 (v2)

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Cambiar tubo fluorescente a LED, ampliando su haz luminoso

En la actualidad la iluminación LED es la tecnología más eficiente, y además sus precios han bajado notablemente. Ahora se puede comprar un tubo LED de 16W, equivalente a un tubo fluorescente de 36W, por 6€ aproximadamente. Con este cambio el consumo eléctrico se reducirá en más del 50%, se eliminará el parpadeo de 100 Hz (doble de la frecuencia de red) que producen los tubos fluorescentes, y además su encendido será inmediato.  También se evitará el riesgo de que se rompa el tubo cuando está encendido, y se contamine el aire con el vapor de mercurio de su interior. También he modificado el haz luminoso del tubo LED, ya que los tubos fluorescentes iluminan los 360 grados y los LED sólo 180.

Barras con 9 LED blanco día

El objetivo es iluminar un poco el techo, y reforzar el haz luminoso en la vertical del tubo con una luz blanco día, dejando el resto de la estancia iluminada con luz más cálida (4000K). Para conseguir esto, he montado 2 barras LED recuperadas del Backlight de un TV LED averiado.

Construye una barra LED

Sustituir un tubo fluorescente por LED

Los tubos LED se pueden clasificar en dos tipos, dependiendo de su conexión con la red eléctrica. Cualquier tubo LED podría conectarse a un soporte de tubo fluorescente sin tener que abrir la carcasa para modificar el cableado, pero su adaptación varía dependiendo del  tubo LED que se vaya a montar. A pesar de que los tubos LED muestren un terminal con la letra F (Fase) y el otro con la letra N (Neutro), no importa si se cambia la polaridad. Si se decide abrir el soporte del tubo fluorescente para eliminar la reactancia y el cebador, es conveniente mantener el código de colores del cableado, utilizando siempre el color azul para el Neutro y nunca para la Fase.

Sustitución de tubo fluorescente a LED

REACTANCIA: No es imprescindible eliminar la reactancia. La reactancia (bobina) produce una componente reactiva +j, y  compensa el coeficiente reactivo -j que producen los driver de corriente constante que alimentan los LED del tubo, reduciendo así la potencia reactiva consumida y como consecuencia la corriente que circula por los cables.

Medidas con reactancia

CEBADOR: Dependiendo del tipo de tubo LED, habrá que eliminar o sustituir el cebador.

Cebador para tubo fluorescente

1 – Alimentación por ambos laterales del tubo

Para conectar este tipo de tubo LED al soporte de un tubo fluorescente, es necesario desconectar el cebador. Con la reactancia y sin cebador, ya se encendería el tubo LED. Si se quisiera eliminar la reactancia y rehacer el cableado:

Tubo LED con conexión por los dos laterales

  • Abrir la carcasa del tubo y desconectar todo: cableado, reactancia, cebador y el condensador de compensación de energía reactiva (si lo tiene).
  • Unir los dos contactos de conexión, en ambos casquillos del lateral y conectar un cable en cada extremo.
  • Conectar ambos cables a la alimentación de la red eléctrica, Fase y Neutro. No es necesario respetar la polaridad de los cables.

2 – Alimentación por un solo lateral

Estos tubos LED son muy fáciles de sustituir, siempre que se siga el proceso que indican los fabricantes, y sin hacer caso a algunos tutoriales que se publican en Internet. Los tubos LED que llevan las dos conexiones en un lateral incluyen un cebador, que en realidad es un fusible. El proceso de sustitución es muy rápido y sencillo, porque no es necesario desmontar la carcasa.

  • Desconectar el tubo fluorescente y el cebador.
  • Conectar el cebador LED (fusible) y el tubo LED, sin importar la polaridad

En caso de necesidad se podría montar de nuevo un tubo fluorescente, sustituyendo el cebador LED (fusible), por un cebador convencional

Características de los tubos LED

La ventajas principales de un tubo LED frente a un tubo fluorescente son las siguientes:

  • Ahorro del consumo eléctrico >50%
  • Encendido inmediato, sin parpadeo
  • Se evita el efecto estroboscópico de los tubos fluorescentes (100 Hz)
  • Tiempo de vida muy superior al de un tubo fluorescente
  • Se evita el riesgo de respirar vapor de mercurio, en caso de rotura del tubo

El único inconveniente de los tubos LED es que su haz de luz es de 180º, en lugar de los 360 de los tubos fluorescentes. Los tubos LED suelen llevar una marca a lo largo del tubo, normalmente una línea blanca, indicando la zona donde no iluminan. La única precaución que hay que tomar a la hora de colocar un tubo LED, es girarlo en el sentido que queda la línea blanca orientada hacia el techo.

Modificar el haz luminoso de un tubo LED

Al sutituir el tubo fluorescente por otro LED, el techo quedará muy apagado. Con el fin de ampliar el haz de luz del tubo LED hacia el techo y modificar la temperatura de color por zonas, he montado en los laterales del soporte dos barras LED, recuperadas del Backlight de un TV LED averiado. Cada barra contine 9 LED SMD blanco día, con un lente difusor muy eficiente y direccional en la zona vertical.

Tubo LED con dos barras de 9 LED

Las dos barras LED las he pegado con cinta adhesiva de doble cara, en los laterales largos del soporte de chapa. Los cables de alimentación entran por el agujero donde estaba alojado el cebador del tubo fluorescente, y se conectan en paralelo al driver LED de corriente constante que he ajustado a 220mA (2x 110mA).  El driver de corriente constante lo montado dentro del soporte, donde estaba alojada la reactancia del tubo fluorescente.

Driver de corriente constante

Los LED utilizados en iluminación deberían estar alimentados con fuentes de corriente constante. De otra manera, las fluctuaciones de tensión en el suministro podrían ocasionar bajos rendimientos lumínicos cuando cae la tensión, o averías prematuras cuando se producen picos de sobretensión.

Esquema: Driver LED de corriente constante

La corriente de funcionamiento de los driver no es ajustable, viene prefijada de fábrica y hay que elegirla en función de la corriente de trabajo y el número de LED en serie que se utilicen. En este caso, he comprobado que las barras LED que voy a montar iluminan muy bien con una corriente de 110 mA, y además no se calientan nada. Como es lógico, si los LED los hacemos funcionar por debajo de su corriente mínima aconsejable, se calentarán menos y aumentará su vida útil.

Resistencia de ajuste de coriiente

Aunque la corriente de trabajo de un driver de corriente constante no tenga ajuste, se puede modificar sustituyendo el valor de alguno de sus componentes. Casi siempre, el ajuste de corriente lo determina el valor de una resistencia. En el driver que he utilizado, la modificación consiste en sustituir la resistencia Rs1 de 0,62 Ohmios (SMD), por otra de 0,89 Ohmios que he hecho a medida con hilo de Nicrom. Como las dos barras LED son idénticas y las voy a conectar en paralelo, la corriente del driver LED la he ajustado al doble (220 mA).

Tubo LED con reactancia y sin ella

Aunque los tubos LED no necesitan una reactancia (balasto) para funcionar, cuando vamos a sustituir un tubo fluorescente por LED, tenemos la opción de dejar la reactancia o quitarla. Para comparar el comportamiento de un tubo LED con reactancia y sin ella, hice unas medidas.

Consumos del tubo LED, con reactancia y sin ella

Como podemos comprobar en las medidas, la corriente que circula por los cables es mayor sin la reactancia, porque su inductancia estaba compensando la reactiva C que producen todas las fuentes conmutadas, en este caso el driver de corriente constante que alimenta el tubo LED.

La reactancia del tubo fluorescente corrige en parte la energía reactiva de un tubo LED, reduciendo la corriente que circula por los cables.

Destellos de los LED con la luz apagada

Al sustituir las bombillas de filamento o fluorescentes por otras de tipo LED, debido al bajo consumo de los LED, en algunas ocasiones con el interruptor abierto (luz apagada) se producen destellos de luz de forma cíclica. Este efecto se produce por una pequeña fuga de corriente de la instalación hacia la lámpara LED. Esta fuga se origina casi siempre en los interruptores de encendido, ya sea por estar defectuosos (falta de aislamiento) o porque incluyen algún tipo de iluminación en su mecanismo.  Si el interruptor tiene algún tipo de iluminación, la solución más rápida sería sustituir el interruptor por otro sin luz. También se podría poner una carga resistiva en la conexión de red de la bombilla LED, por ejemplo una bombilla de filamento de pequeño tamaño y potencia. Al aumentar la carga a la salida del interruptor, la corriente de fuga del interruptor se repartiría entre la bombilla y el driver LED; y esa corriente ya no sería suficiente para que la fuente de alimentación del driver LED consiguiera alimentar a su circuito PWM.Destellos LED con la luz apagada

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