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UNDESTANDING FIXING AND IMPROVING THE LC-100 METER

Manfred Mornhinweg
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Compreendendo, consertando e melhorando o medidor de indutância e capacitância LC100-A

Talvez isso já tenha acontecido com você: navegando pela internet, você se depara com uma oferta de um dispositivo, instrumento, brinquedo, seja lá o que for, que parece boa demais para deixar passar — e você compra, só para garantir. Isso aconteceu comigo quando me deparei com o medidor de indutância e capacitância LC100-A, vendido em muitos sites pelo mundo, e mostrado aqui em uma foto tirada de um desses sites.

O manual afirma especificações muito boas: uma faixa de medição de 0,01pF a 100mF (sim, são 100.000µF), 1nH a 100H, precisão de 1% de 1pF a 1µF e de 1µH a 1H, e precisão de 5% fora dessas faixas. Tudo isso por apenas US$ 11, incluindo frete padrão internacional totalmente rastreável da AliExpress! Parece bom demais para ser verdade, mas ao mesmo tempo muito tentador e promete entretenimento por pouco dinheiro. Se funcionar bem o suficiente, pode ser uma adição valiosa à minha bancada de trabalho, porque embora eu tenha dois multímetros que medem bem capacitores, não tenho outro medidor de indutância que seja rápido e confortável de usar. Então, comprei este LC100-A.

Assim que o adquiri, testei-o em uma ampla variedade de capacitores e indutores, medindo os capacitores também em ambos os meus multímetros. Surpresa! A precisão típica deste medidor, em muitos componentes, era de cerca de -15%, bem longe dos ±1% anunciados. Bem, podemos realmente chamar isso de surpresa?

Este instrumento possui quatro faixas. C baixo mede até 10 µF, C alto mede capacitâncias de 1 µF para cima, L baixo mede indutores de até 100 mH e L alto mede indutores de 1 mH para cima. Então, decidi testar cada uma das quatro faixas.

A faixa de C alto funcionou muito bem. O C baixo tendia a ficar cerca de 15% baixo em grande parte da faixa, melhorando em valores em torno de 200 nF e, em seguida, registrando valores ridiculamente altos além disso, como uma leitura acima de 8 µF para um capacitor de filme de 2,2 µF e 5%.

As faixas de L baixo tenderam a apresentar valores tão baixos quanto a faixa de C baixo, com a faixa de L alto sendo muito mais próxima dos valores reais. Ao medir indutores, é importante ter em mente que este medidor usa uma frequência de teste variável de até várias centenas de quilohertz, e muitos indutores feitos para frequências mais baixas usam núcleos magnéticos que não funcionam bem em frequências mais altas. Isso não é uma falha do instrumento e, depois de perceber isso, usei apenas indutores de teste que têm um valor estável até pelo menos 1 MHz.

Outro problema era que os interruptores apresentavam resistência de contato instável. Pressionar e soltar um interruptor fazia o medidor mostrar um valor muito diferente! Mesmo balançando levemente o botão do interruptor L/C, sem realmente pressioná-lo, o valor medido mudava bastante.

Em todas as faixas, exceto em C alto, era crucial usar a função de zeragem com bastante frequência, pois o instrumento apresentava um desvio que causava um erro grave de medição quando não era zerado por alguns minutos. Esse tipo de desvio é esperado em um instrumento de baixo custo, mas a incapacidade de obter uma precisão superior a 15% na maior parte de sua faixa significava que o instrumento era praticamente inútil. Então, decidi fazer engenharia reversa, só por diversão, e ver se poderia ser corrigido.

Consertando os interruptores

O primeiro passo foi desmontar os quatro interruptores, limpar seus contatos com o limpador de contatos concentrado DeOxIt, enxaguar com álcool isopropílico e, em seguida, aplicar uma camada de DeOxIt Shield para evitar que os contatos oxidassem muito rápido, e remontá-los. Após esse trabalho, que não é difícil de fazer, mas requer alguma destreza e paciência, a instabilidade do interruptor desapareceu. Mas o problema subjacente é que a fábrica usava interruptores com contatos de potência, em vez de contatos de pequeno sinal. O revestimento de ouro necessário nos contatos de pequeno sinal provavelmente torna os interruptores caros demais para serem usados em um medidor de US$ 11.

Então, comecei a fazer engenharia reversa no circuito para entendê-lo e entender por que funcionava tão mal. Não tentei acessar o software em execução no medidor, concentrando meus esforços no hardware. O motivo é que o software provavelmente está correto em sua operação matemática, e os problemas geralmente são causados por decisões erradas na seleção de componentes na fábrica. Aparentemente, esses medidores são fabricados por diversas fábricas, e algumas são melhores que outras.

Como funciona o LC100-A

Este medidor contém dois circuitos de medição completamente separados. Um é usado apenas para a faixa de C alto, enquanto o outro é usado para as outras três faixas. Um microcontrolador faz os cálculos necessários e apresenta os resultados no visor.

Então, vamos começar com o circuito de medição principal.

Este é um oscilador LC, cuja frequência é controlada por três componentes internos (L1, C12, C14) e o componente que está sendo medido. Essas quatro partes formam um circuito ressonante paralelo.

Na faixa de C baixo, a extremidade inferior de L1 é aterrada, C14 está em paralelo e o capacitor que está sendo medido é conectado em série com C12, esta combinação sendo conectada em paralelo a C14. Portanto, o circuito ressonante tem uma indutância fixa de L1 e uma capacitância que varia de 1 nF quando os fios de teste estão abertos, a 101 nF quando estão em curto e muito próximo de 101 nF quando um capacitor grande é conectado. A faixa de frequência ressonante resultante é então de cerca de 700 kHz com os cabos de teste abertos, descendo para cerca de 70 kHz quando estão em curto, mas esses valores dependem do valor real de L1, que pode variar bastante de uma amostra para outra.

Ao pressionar o botão "Zero", a CPU medirá a frequência e, assumindo uma capacitância de 1 nF, calculará o valor de L1. Ao conectar um capacitor aos cabos de teste, a CPU medirá a nova frequência e, como conhece os valores de L1, C12 e C14, pode calcular o valor do capacitor externo.

Na faixa de L baixo, C12 não é usado, e o indutor medido é conectado em série com L1, sendo essa combinação em paralelo com C14. A lógica de operação é a mesma da faixa de C baixo. E na faixa de L alto, a única diferença é que C12 é adicionado em paralelo com C14, então agora a capacitância do circuito ressonante é 101 nF, a frequência de operação livre (cabos de teste em curto) é em torno de 70 kHz, e a frequência mais baixa com o indutor suportado mais alto conectado é 50 Hz.

Vamos agora olhar para o resto do oscilador: O capacitor de tântalo de 22µF em paralelo com um chip cerâmico acopla o circuito ressonante ao comparador, que é configurado de tal forma que a polarização CC em sua entrada positiva é de 2,5 V, e na ausência de qualquer oscilação no circuito ressonante ele oscilará em baixa frequência, dada principalmente pelo valor de C15 junto com seu resistor de 100 kΩ. As transições de comutação excitarão o circuito ressonante, e o oscilador então cairá em um modo operacional onde C15 e seu resistor fornecem uma polarização CC no pino 3 que segue o que o pino 2 recebe, de modo que a onda quadrada de saída atingirá um ciclo de trabalho de aproximadamente 50%. A oscilação do circuito ressonante basicamente comuta o comparador, que fornece um feedback positivo fraco através do resistor de 100 kΩ de sua saída para o pino 2 e, portanto, para o circuito ressonante. Assim, a amplitude de oscilação no circuito ressonante aumentará de forma relativamente lenta e, finalmente, será limitada pelos dois diodos Schottky, que a cortam para um valor pico a pico de cerca de 5,4 V.

É interessante perceber que o comparador e seus resistores associados carregam o circuito ressonante com aproximadamente 30 kΩ. A 700 kHz, o circuito ressonante tem uma reatância de cerca de 230 Ω em cada perna, de modo que o Q carregado seria em torno de 130. Na prática, é certamente um pouco menor, devido às perdas de L1. Na outra extremidade da escala, com 100 mH conectado externamente na faixa de L baixo, o Q carregado é de apenas 3! É por isso que o circuito requer a comutação para a faixa de L alto, adicionando o outro capacitor, para trazer o Q carregado de volta e permitir a medição de indutâncias ainda mais altas.

Observe que C7 provavelmente não é necessário. Com o circuito oscilador carregando o circuito ressonante a 30 kΩ, considero altamente improvável que um capacitor de tântalo de 22 µF tenha indutância ou resistência em série suficiente para ser significativo e exigir curto-circuito por um capacitor cerâmico.

O circuito para a faixa de alta tensão (C) é totalmente diferente. Ele carrega e descarrega o capacitor em teste, através de resistores de 100 Ω controlados por MOSFETs, e mede o tempo necessário para alternar entre duas tensões fixas. O TL431 fornece uma referência de 2,5 V, que define o nível de tensão superior, e um divisor resistivo cria o nível inferior de 1,0 V. Os dois comparadores alteram seus estados de saída quando a tensão do capacitor cruza esses níveis.

Observe que o tempo necessário para carregar de 1 V a 2,5 V depende da tensão de alimentação, portanto, este não é um parâmetro útil para medir, exceto se a tensão de alimentação for bem regulada – e não é neste instrumento, dada a falta de um regulador de tensão local. Em vez disso, o tempo de descarga de 2,5 V a 1 V é independente da tensão de alimentação, então eu acho (e espero!!!) que esse é o tempo que o software usa para calcular a capacitância.

O funcionamento deste circuito pode ser assim: a CPU liga o MOSFET superior, espera até que o capacitor carregue até 2,5 V, conforme detectado no pino 20, espera um pouco mais, desliga o MOSFET superior e liga o inferior. Em seguida, mede o tempo desde o instante em que a tensão do capacitor cruza 2,5 V até cruzar 1 V, através das transições dos pinos 20 e 19, e calcula a capacitância a partir disso. Em seguida, repete o ciclo.

O diodo Schottky SS24 protege o circuito caso alguém conecte um capacitor carregado com polaridade invertida. Mas se alguém conectar um capacitor carregado a mais de 5 V, com a polaridade correta, seria fácil explodir o LM393. O manual alerta corretamente contra isso.

Dadas as resistências de 1% e o TL431 bastante preciso, tal circuito poderia ser usado sem qualquer calibração. Certamente produziria uma precisão dentro de alguns pontos percentuais. E, claro, não precisa de calibração de zero, já que a capacitância zero faz com que o tempo zero seja medido, e capacitâncias parasitas são insignificantes em relação aos valores de capacitância que este circuito mede. Mas este circuito inclui um capacitor de referência e, ao pressionar o botão "zero", ele realiza uma calibração de escala. Fiquei chocado ao ver que o capacitor de referência de calibração é um capacitor de polímero de alumínio com uma especificação de tolerância de ±20%! Usar isso é pior do que não calibrar nada! Mas então medi aquele pequeno capacitor e fiquei profundamente surpreso ao descobrir que seu valor real estava dentro de 0,3% do valor nominal! Não sei se eles selecionam capacitores para esta posição de um lote grande, ou se foi pura sorte, ou se todos esses capacitores de polímero são muito mais precisos do que suas especificações indicam. Essas são as aventuras da engenharia reversa!

Já vi fotos de outras versões do LC100-A usando um capacitor de tântalo para calibração. Não sei se isso seria melhor ou pior. Mas no meu espécime esse circuito de medição de C alto funciona bem, então o deixei de lado e dediquei meus esforços adicionais ao circuito de medição principal.

Resolvendo os problemas

Meu LC100-A veio com um toroide de ferro em pó como núcleo para L1. É um núcleo amarelo com uma face branca, que é a codificação de cores usual para ferro de baixa qualidade, mais barato, de alta permeabilidade e com redução de hidrogênio. Esses núcleos são amplamente utilizados em indutores de filtro em fontes de alimentação chaveadas e fazem um ótimo trabalho, em frequências de até algumas dezenas de quilohertz. Mas usar tal núcleo como elemento crítico em um instrumento de teste de alta precisão operando em frequências próximas a 1 MHz é um absurdo! Ele altera sua indutância conforme a frequência oscila de 700 kHz para baixo, bagunçando completamente os cálculos feitos na CPU!

Fotos na internet mostram que muitos medidores LC100-A, especialmente os mais antigos, vinham com um núcleo de ferrite de dois furos. E, de fato, a marcação serigrafada na placa de circuito impresso mostra exatamente o formato do núcleo, não um toroide! Portanto, é óbvio que a especificação original era para um núcleo de ferrite de furo duplo, e definitivamente não para um toroide de ferro fundido em pó de alta permeabilidade!

A partir de fotos da internet e da serigrafia, foi fácil determinar o tamanho do núcleo correto. O que não sei é de que material exato ele deveria ser feito. Existem muitos tipos diferentes de ferrite, com características dramaticamente diferentes. De qualquer forma, em meu estoque de peças, eu tinha esse tamanho de núcleo em apenas dois tipos diferentes de ferrite: aqueles com permeabilidades de 125 e 850.

Entre esses dois, o material com permeabilidade de 125 é muito mais estável, tanto contra mudanças de frequência quanto de temperatura, então usei esse. Calculei que precisava de 18 espiras para chegar perto da mesma indutância que a bobina toroidal original, e minha preocupação era como obter o valor exato correto, visto que adicionar ou remover uma única espira já alteraria a indutância em mais de 10%! Então, dei 20 espiras, como primeira tentativa, planejando remover espiras conforme necessário.

Enrolei minha bobina, soldei-a no circuito e tentei. Voilá, agora meu LC100-A estava quase totalmente preciso! Um capacitor de precisão de 300pF e 2,5% mediu 299,7pF, uma mica de prata de 1000pF e 2% exibiu 1001pF e assim por diante! Apenas os valores de capacitância mais altos, de várias dezenas de nanofarads para cima, mostraram erro crescente.

Problema principal resolvido! Mas isso cheirava estranho: como minhas 20 voltas em um núcleo selecionado por razões muito ventosas poderiam ter terminado com precisamente a indutância correta? Para descobrir, enrolei outro desses núcleos, com 22 voltas. Os resultados foram os mesmos, em termos de precisão, embora a frequência de oscilação fosse menor. Foi assim que aprendi que este medidor não precisa de uma indutância precisa para L1! Tudo o que ele precisa é de uma indutância que permaneça estável, enquanto a frequência muda muito. A função "zero" calculará o valor real da indutância de L1 e o utilizará, independentemente de qual seja, dentro de alguns limites razoáveis.

Mantive a bobina com as 20 voltas e colei-a com cola quente na placa de circuito para melhor estabilidade. O toroide amarelo instalado pela fábrica chinesa excessivamente preocupada com os custos foi para a minha caixa de sucata, para ser usado em um dos meus próximos reguladores de tensão de comutação.

A propósito, o núcleo exato que usei foi um Ferronics 12-360-K.

Então, voltei-me para o problema persistente do aumento do erro de medição à medida que a capacitância aumentava. Isso é bastante óbvio: o capacitor a ser medido está conectado em série com C12, um capacitor de 100 nF. Portanto, se o capacitor externo for muito pequeno, ele domina o valor da combinação em série, e qualquer desvio de C12 é irrelevante. Mas, à medida que a capacitância externa aumenta, a tolerância de C12 se torna mais importante. Quando o capacitor externo é de 100 nF, qualquer imprecisão de C12 aparecerá como a mesma imprecisão no valor medido. E se o capacitor externo se tornar grande, como alguns microfarads, então C12 domina totalmente, e mesmo uma pequena imprecisão de C12 causa um erro enorme no valor medido! Isso é o que estava acontecendo.

No meu LC100-A, a fábrica escolheu um capacitor de polipropileno tipo X (275 V CA) com tolerância de 10%. Vá entender por que eles fizeram isso! Eles são projetados para segurança e alta tensão, e definitivamente não para alta precisão! Acontece que o meu estava cerca de 3% alto, então estava muito bem dentro de sua classificação de 10%, mas impreciso demais para ser usado neste circuito. C12 precisa ser superpreciso, se quisermos que o LC100-A forneça leituras razoáveis para capacitores de alguns microfarads, na faixa de C baixo!

Todo eletricista com alguns anos de atividade tem centenas de capacitores de 100 nF variados em seu estoque de peças. Portanto, não foi difícil encontrar um que medisse um pouco abaixo de 100 nF nos meus multímetros e que apresentasse uma estabilidade térmica muito boa. Peguei esse e soldei-o ao circuito, no lugar do capacitor original em formato de "X" azul.

Como esperado, com esse valor ligeiramente baixo, as leituras para capacitores de alguns microfards ficaram muito baixas. Cerca de metade do valor correto, ou -50%!

Em seguida, adicionei outro capacitor em paralelo ao C12, para trazer o valor total o mais próximo possível de 100 nF, mas ainda abaixo dele. O resultado foi um capacitor de 2,2 nF. Com isso instalado, as leituras dos meus capacitores de teste na faixa de vários µF ficaram muito melhores, mas ainda não o suficiente. Então, adicionei mais um capacitor em paralelo, um de 560pF, o que elevou o valor total para perto o suficiente de 100nF, de modo que agora um capacitor de filme de 4,7µF, que mede 4,935µF em um multímetro e 4,94µF no outro, mede 4,93µF no meu LC100-A. Quase isso. Caso encerrado.

Se você precisar fazer esse tipo de ajuste sozinho e não tiver outro medidor de capacitância, nem capacitores de referência de precisão em uma faixa adequada, aqui vai uma ótima dica para descobrir se o seu C12 é preciso ou não: pegue dois capacitores quaisquer com valores na faixa de 220 nF a 470 nF ou algo assim. Meça cada um deles separadamente no LC100-A e, em seguida, meça ambos em paralelo. Obviamente, o valor medido para ambos em paralelo deve ser idêntico à soma dos valores individuais. Se isso acontecer, seu C12 está bom. Se, em vez disso, o valor medido para os capacitores em paralelo for muito diferente da soma de suas medições individuais, seu C12 é impreciso e precisa ser corrigido!

Gostaria de salientar que você precisa ser extremamente cuidadoso para zerar o instrumento corretamente ao fazer essas medições, porque medir capacitores de valor relativamente alto na faixa de C baixo é tão sensível ao valor de L1 quanto ao de C12! Se a bobina se desviar apenas 0,1% entre a última zeragem e a sua medição, o valor medido para um capacitor muito acima de 100 nF estará muito errado.

É claro que este circuito foi mal projetado, ou melhor, deixe-me dizer que é irrealista medir um capacitor grande em série com um interno muito menor. Na verdade, a faixa de C baixo do LC100-A deveria ter sido limitada a uma leitura máxima de 100 nF, ou no máximo 1 µF, mas nunca 10 µF. Ou um circuito diferente deveria ter sido usado, no qual o capacitor sendo medido não estivesse em série com um interno.

Enquanto eu estava ocupado ajustando C12, também removi C14 para verificar seu valor. Este é um capacitor com classificação de 5% na minha amostra e medido com alta precisão em meus multímetros, bem dentro de 1%, então o deixei no lugar. Suspeito que a fábrica o tenha escolhido a dedo, como o capacitor de calibração de 100 µF, e isso é uma coisa boa. Ou foi apenas sorte.

Observe que seria perfeitamente possível usar quaisquer capacitores para C12 e C14, com valores imprecisos, desde que estáveis, e medi-los no momento da produção e programar os valores reais no software. Mas duvido que a fábrica faça isso. Se fizer, não fizeram corretamente com o meu C12.

Contraste

O tipo de display de cristal líquido usado neste medidor possui um pino de entrada para ajustar o contraste. O contraste precisa ser ajustado individualmente, devido a tolerâncias de fabricação, tensão de alimentação, temperatura, etc. Mas os economizadores da fábrica decidiram NÃO fornecer um ajuste e, em vez disso, instalaram um resistor fixo. Provavelmente o display da bancada de testes deles apresentou excelente contraste com aquele valor de resistência - mas não o que me venderam! Estava mostrando os caracteres em preto sobre um fundo quase preto e era muito difícil de ler.

Não sou o único com esses problemas. Encontrei o site do VK4GHZ, que fornece instruções úteis para a instalação de um potenciômetro. Em vez de reinventar a roda, usei a roda dele... Só que eu tinha apenas alguns potenciômetros de 10kΩ, nenhum deles pequeno o suficiente, mas uma sacola cheia de de 5kΩ, então usei um desses.

Outra pequena mudança que fiz, visível nas fotos acima, foi remover o bloco de terminais de parafuso e soldar os fios de teste diretamente na placa.

Usando este medidor

Depois de todas as modificações, meu LC100-A agora funciona muito bem. O suficiente, aliás, para que eu possa colocá-lo em uma bela caixa de plástico preta para projetos e adicionar um regulador 7805! Mas isso pode esperar... há projetos mais importantes esperando.

É importante usar a função "zero" com frequência, basicamente antes de cada medição. Não é necessário salvar os valores todas as vezes – basta aguardar a exibição de "OK". Isso se aplica às faixas de C baixo e L baixo. A faixa de C alto não precisa de calibração frequente.

Ao medir capacitores, um bom ponto de transição entre a faixa baixa e a alta é de cerca de 0,2 a 0,5 µF.

Ao medir indutores de fonte de alimentação, geralmente é melhor usar a faixa "alta", para que o medidor use uma frequência 10 vezes menor, que geralmente é muito mais próxima da frequência de operação pretendida para esses indutores. Se a resolução nessa faixa não for suficiente, você pode usar o botão "função" para ver a frequência de oscilação, uma vez com os fios em curto e, em seguida, com o indutor conectado. Assim, você mesmo poderá fazer os cálculos e calcular a indutância com uma resolução maior. Além disso, certifique-se de sempre verificar a frequência de oscilação ao medir indutores com núcleos inadequados para RF. Se o LC100-A estiver usando uma frequência muito maior do que a frequência para a qual o indutor foi projetado, não confie na leitura. Embora a leitura provavelmente esteja correta, ela é válida nessa alta frequência, e a indutância da bobina na frequência da sua fonte de alimentação provavelmente é muito maior! Esta é a principal limitação da usabilidade deste medidor.

Pensamento final

Os gadgets chineses são simplesmente fantásticos. De que outra forma você conseguiria vários dias de entretenimento e educação por apenas 11 dólares, terminando com um medidor de LC que realmente funciona?

De volta ao homo ludens electronicus .

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