Atmega8 ve LCD ekran ile Kondansatör metre

Giriş
Elektroniğin vazgeçilmez elemanlarından kondansatörlerin çoğunlukla üzerlerinde değerleri ve toleransları belirtilmiştir. Bazen bu değerler konusunda emin olamayabiliriz. Örneğin uzun süre kullanılan elektrolitik kondansatörlerin değerlerinin değiştiği (azalma yönünde) bilinir. Hele ki giderek daha yaygınlaşan yüzey montaj teknolojisinde ise durum daha da içler acısı. Çünkü normal kondansatörlerin üzerinde değerleri belirtilmemekte.

Bir kondansatörün değerini nasıl bulacağız? Bu iş için hazır bir kondansatörmetre alabiliriz. Kişinin kendi tercihidir. Bu projede bir kondansatörmetreyi Atmega8 işlemcisi ve LCD ekran ile gerçeleştirmeye çalışacağız.

Not: Bu projenin orjinali "Lars Ole Pontoppidan" tarafından 2006 yılında gerçeleştirilmiş. "http://pontoppidan.info/lars/index.php?proj=capmeter" web adresinden ulaşılabilir. Aşağı yukarı aynı kaynağı gösteren değişik web adresleride var.
Kondansatör

Şekil-1 :Bazı kondansatör örnekleri
Kondansatörün gelişimi temelde elektrostatik deneylerine kadar dayanır. Elektrostatik deneylerle ilgilenenler bilirler leydi şişesi adı verilen bir araç vardır. Bu içi ve dışı iletkenle kaplı ve iç sıvı ile dolu bir şişedir. Şişenin kapağında bir tıkaç üzerinde içindeki suya temas eden bir iletken bulunur. Normalde bu iletkene statik elektrik yüklü bir malzeme temas ettiğinde yüklenir. Ve bir iletkenle dokunulduğunda yükünü boşaltır. En basit kondansatör denebilecek bir araç.

Elektronikte kondansatör bir yalıtkan ile ayrılmış iki iletken levhadır. Yalıtkan malzeme olarak seramik, plastik ve cam gibi yapılardır. Aslında kondansatörler genellikle bu yalıtkan malzemelere göre adlandırılmaktadırlar. (seramik kondansatör, tantal kondansatör, polyester kondansatör, mika kondansatör veya elektrolitik kondansatör gibi) Elektrolitik kondansatörler normal kondansatörlere göre biraz farklıdır. Aslında küçük bir akü gibi davranırlar. (Göreceli olarak akülere çok büyük kapasiteli kondansatör gözüyle de bakılalabilir).

Kondansatörün değer birim olarak Farad kullanılır. Tabii ki bu büyüklükte pek pratik kullanımı olmadığından daha çok ast katlarının kullanımı daha yaygındır: Milifarad(MF), mikrofarad(µF), Nanofarad(nF) ve pikofarad(pF) (Hatta Milifarad yerine mikrofarad daha fazla kullanılmaktadır. Örneğin 1000µF, 2200µF ve 4700µF gibi. Bunun için kondansatörlerin üzerine bakmak yeterlidir.)

Bir kondansatörün değerini, ilekenler arasındaki yalıtkanın dielektrik sabiti, iletkenlerin büyüklüğü ve iletkenler arasındaki mesafe belirler.

Şekil-2 :Basit bir kondansatör yapısı.
Bunu formülle belirtilirse:

formül-1 :Basit bir kondansatör hesabı.
Alanlar ve uzaklık metre cinsindan belirtildiğinde kondansatörün değeride Farad cinsinden ortaya çıkacaktır.

Doğrusal şekilli olan kondansatörler olduğu gibi (mercimek kondonsatör-seramik, hesaplaması daha kolaydır), doğrusal olmayan polyester kondansatörlerde (veya elektrolitik kondansatörler) oldukça karmaşık bir hesaplama gerektirebilir. Çünkü katlar birbiri üzerine rulo halinde sarılır.

Bu noktada göz önünde bulundurulması gereken bir konu da yalıtkan malzemenin kalınlığı. Tamam yalıtkan malzeme kalınlığı azaldıkça kondansatörün kapasitesi artıyor. Ama uygulanacak gerilim çok önemlidir. Delinme gerilimi diye adlandırılan parametre işin içine giriyor. Yani kondansatörün çalışacağı maksimum gerilim iletkenler arasındaki yalıtkan malzemeye bağlıdır. Maksimum çalışma gerilimini aştığında genellikle iletkenler arasında elektrik boşalmaları meydana gelir, yalıtkan malzeme delinir ve kısa devreye neden olarak en kötü ihtimalle kondansatör patlar.
Kondansatörün ölçümü
Kondansatör ölçümündeki en basit yöntem 555 gibi bir entegre kullanarak kondansatörün değerini frekansa çevirmek ve üretilen frekansla kondansatörü ilişkilendirerek kondansatörün değerini hesaplamaktır. Tabi bu yöntem ölçüm aralığının dar olması anlamını ve farklı aralıktaki kondansatörleri için komutatör anahtarı kullanımını getirebilir.

Bu projede biraz farklı bir yöntemle ile kondansatörün değerinin ölçümü yoluna gidildi.

Şekil-3 :Kondansatör dolma eğrisi.
Kondansatör kendine has bir boşalma ve dolma eğrisi vardır. Kondansatörün boşalma eğrisi biraz daha fazla matematik istediğinden, kondansatörün dolma eğrisi üzerinden ölçümü üzerinde duracağız.

Şekil-4 :Temel kondansatör ölçme devresi.
Bir kondansatör sabit bir akım üzerinden (burada bu akım kaynağı direnç oluyor) doldurulduğunda bir eğri oluşturur. Bu kondansatörün kapasitesini bağlı bir şekilde değişecektir.

Biraz daha teknik olarak ele alırsak ;Kondansatör bir R direnci üzerinden şarj olurken(sabit akım) , uçlarındaki gerilimin, besleme geriliminin % 63,2'sine çıkması için geçen zamana bir zaman sabitesi denir. Aynı şekilde, dolu bir kondansatörün uçları arasındaki gerilimin, boşalma esnasında ilk gerilim değerinin % 36,8'ine düşmesi için geçen zamana bir zaman sabitesi adı verilir.

Tamam işte bu noktada bu eğrinin belirli bir bölgesinde eğirinin eğimini ölçerek (ölçülen birim zamandır) kondansatörün kapasitesi hesaplanabilir.

formül-2 :Kondansatör dolma hesabı.
Tabii ki burada Vc zaman sabitesi gerilimi, V besleme gerilimi, t zaman, R akım akıtılan direnç ve burada bizim ihtiyacımız olan ölçülecek kondansatörün kapasitesi.

Buradan t değerini çekersek;


formül-3 :Zamana bağlı kondansatör dolma hesabı.
şeklinde bir ifade ortaya çıkar ki buradan zaman ile kondansatörün arasında bir ilişki olduğu kolaylıkla görülür. Çünkü diğer değerlerin tamamı en azından kullanılan sistem için sabittir.


formül-4 :kondansatörün dolma gerilimi ve zamana bağlı hesabı.
Normalde büyük kapasiteli (özellikle elektrolitik) kondansatörlerin tamamen boşalmadığı göz önüne alınarak ölçme işlemine belirli bir gerilimden başlanarak kondansatörün tamamen boşalmasa bile ölçme işleminde olmasını sağlar.

Formül 4'den görüldüğü üzeri R değeri biliniyor(en azından belirledik) Vc ve V besleme gerilimi biliniyor. Geriye kalan C değeri zamanın bir fonksiyonu olarak karşımıza çıkar.
Devre
Devre olarak bakıldığında işlemci sayesinde derli toplu, neredeyse yok denecek kadar az bir elemanla gerçekleştirilmiş. Kullanıcı açısından etkileşimli bölümü buton ve ekranı. Zaten problar ölçülecek kondansatörün uçlarına takılıyor. Buton ölçme seçenekleri ve kalibrasyon için menü seçeminde kullanılıyor. Ekran ise hem menü işlevinde hem de ölçüm sonuçlarının görüntülenmesinde kullanılıyor. Sistemde 2x20 LCD karakter ekran kullanıldı. Ekran bilgi yerleşimleri 2x16 LCD karakter ekrana izin vermektedir. Devre pil ile kullanılabildiği gibi 9V'luk bir adaptör ile de kullanılabilmektedir.

Şekil-5 :Kalibrasyonu yapılmış devre boşta çalıştığında

Şekil-6 :Kalibrasyonu yapılmış devre boşta çalıştığında ekranda görüntülenen
Ekran karta 10'lu şerit kablo ile bağlanmakta. LCD ekran 4 bit modunda ve W/R ucu kullanılmaksızın sürekli W durumunda.Devrenin ölçüm yaptığı ise bir LED üzerinden izlenebilmektedir.

Şekil-7 :Kartın üstten görünümü

Şekil-8 :Kablosu takılmış LCD ekran
Şema
Devre IC1 Atmega8 işlemcisi üzerine kurulu. İşlemci tüm işlemcleri yerine getiriyor. İşlemcinin saat ihtiyacını C1,C2 ve XT1 elemanları karşılıyor. IC1'in ADC girişlerine gerilim bölücü olarak bağlı R5,R6,R7 ve R8 analog karşılaştırıcının referens gerilimlerini üretiyor. Bu dirençlere bağlı C3,C4 ve C5 parazit sinyallere karşı filtre görevini görüyor.

R3 ölçme devresindeki R elemanı olarak çalışırken, R2 ekstra kademe seçme için R direncini oluşturuyor. Ve R1 direnci üzerinden kondansatörün gerilimi işlemcinin analog karşılaştırıcı girişine uygulanıyor.

D1 ve R4 LED sistemini ve akım sınırlam elemanını oluşturuyor. S1 butonu ise kalibrasyon ve ölçüm seçenekleri için menü erişim olanaklarını sağlıyor.

IC2 işlemci ve ekran için 5V besleme gerilimini sağlıyor. R9 LCD ekran için kontrast ayarını sunuyor. P1 besleme, P2 konnektör ölçme bağlantısıdır. P3 LCD ekran konnektörüdür. ISP işlemcinin programlama konnektörüdür. Geri kalan kondansatörler filtre elemanlarıdır

Şekil-9 :Devrenin blok şeması

Şekil-10 :Devrenin şeması
Devre Yapımı
Devre yapılındaki en kritik veya uğraştıracak eleman LCD ekrandır. Çünkü yassı kablonun bir ucu konnektörlüde olsa, diğer ucunun kabloları tek tek LCD konnektörüne lehimlenmesi gerekiyor. Sadece dikkate edilecek nokta dirençlerin %1 toleransa veya daha düşük toleransa sahip olmasıdır.

Pil ile kullanmak isteyenlerin pil uçlarından birisi üzerine bir anahtar eklenmesi yerinde olacaktır

Şekil-11:Devrenin baskı devresi şekli(üstten görünüm)

Şekil-12:Devrenin yerleşim planı

Şekil-13:Kartın eleman ve yollarla birlikte yerleşim planı.
Devre Elemanları

220R %1	R1
1K8 %1	R2
1M8 %1	R3
1K veya 470R	R4
27K %1	R5
10K %1	R6, R7, R8
10K Trimpot	R9
10µF/25V	C6,C10
22pF	C1,C2
100nF	C3,C4,C5,C7,C8,C9
Atmega8	IC1
7805	IC2
3mm LED	D1
16Mhz kristal	XT1
10P konnektör	P3
Klemens	P2,P1
6'li header	isp
2x20 LCD(PCM200D)	LCD modül
Bas-bırak buton	S1
10'lu kablo	-

Malzeme listesi. Burada işlemci için soket ve 9V adaptör verilmemiştir. Kaliteli 20 ve 16 bacaklı soket oluşabilecek problemlerin önüne geçecektir. Kondansatörün bacaklarının bağlanacağı timsah ağzı kıskaçların kullanılması yerinde olacaktır.

Şekil-14:Kart üzernideki P3 konnektörünün bacak bağlantıları (eleman yüzünden).
Ayarlar
İşlemci programlandıktan sonra ölçüm işlemlerinden önce sistemin kalibrasyonunun yapılması gerekir.

Öncelikle R9 üzerinden LCD ekranın kontrastının ayarlanması yerinde olacaktır.Ekranda nasıl bir görünüm isteyeceğiniz sizin tercinize kalmış.

İkinci aşama olarak ölçüm uçlarına bir kondansatör bağlamadan butona basılır. LCD ekran üzerinde "Ayar: Sıfır" mesajı görünene kadar butonu basılı tut. Ayar:sıfır mesajı göründüğünde butonu bırak. LCD ekran birkez yanıp söner ve ekran mesajları çıktığında ekran 0pF değeri görüntülenir.

Şekil-15:Sıfırlama ayarı yapıldığında ekranda görülen bilgi.
Üçüncü aşama olarak;bir tane 1uF kondansatöre ihtiyaç var. Bu kondansatörün önemi büyük. Çünkü sistemin ölçme doğruluğu kondansatörün tolerasına bağlı. Bu nedenle düşük toleranslı bir kondansatör kullanmanız önerilir. Kondansatörü ölçü timsah ağzı kıskaçlarına bağladıktan sonra butona bas ve basılı tut. LCD ekran üzerinde "Ayar: 1uF" menüsü görüne kadar bekle ve menü göründüğünde butonu bırak. Ekran bir kez yanıp söner ve işlemi yerine getirir.

Şekil-16:Kalibrasyondan sonraki ölçüm.
Son aşama yapılan ayarın kaydedilmesi. Yine butona bas va basılı tut. "Ayarı kaydet" menüsü gelene kadar bekle ve menü geldiğinde butonu bırak. Bu işlemden sonra cihazın her açılışında kalibrasyon yapılması gerekmez.

Tüm işlemler yerine getirildikten sonra artık cihaz ölzüm için kullanılabilir. Bu şekilde kullanım yeterli olmayabileceğinden bir kutuya konulması yerinde olacaktır.
Çalışması

Şekil-17:Kalibrasyondan sonraki ölçüm.
Sisteme besleme uyguladıktan sonra tek yapılması gereken ölçüm uçlarına kondansatörün bağlanması. Sonrasını devre yerine getiriyor.

Ölçüm için sistem "Oto." seçeneğinde ise takılan kondansatöre göre kendisi sınıfını belirleyip ölçüyor.

Sistem "dar" seçeneğinde ise sadece küçük değerlik kondansatörleri ölçmeye çalışıyor. Belirli bir değerin üzerindeki kondansatörlere doğrudan "hata" olarak görüyor.

Şekil-18:Küçük değerli kondansatörlerin ölçümü seçilmiş(27pF).
Sistem "geniş" seçeneğinde ise bu sefer büyük değerli kondansatörleri ölçmeye çalışıyor.

Şekil-19:Büyük değerli kondansatörlerin ölçümü seçilmiş(330uF).
Her sistemin bir sınırı vardır. Ölçebileceği en küçük kondansatör 1pF ve ölçebileceği maksimum kapasite 10000uF dır. En uzun ölçüm süresine sahip kondansatördür

Şekil-20:10000uF kondansatörün ölçümü.
İşlemci programı
İşlemci için program gcc (C üzerinde yazılmış), bu devre üzerinde derleyici olarak AVR GCC kullanıldığından (program farklı bir derleyici veya farklı bir sürüm için yazılmış olabilir) zamanlayıcı konusunda bazı sorunlar yaşanılsa da zamanlayıcı satırına eklenen birkaç kod ile problemler aşıldı.

Orjinal programda sadece bu zamanlayıcı ile ilgili bölüm değiştirildi.

Ek olarak ekran mesajları ile ilgili olarak Türkçe karakter kullanabilmek ve mesajları Türkçeleştirebilmek için bazı eklemeler ve değişiklikler yapıldı. Bunlar;

-LCD ekrana Türkçe karakter eklemek için CGRAM için komut ve Türkçe karakter verileri eklerdi. (ı,ğ,ş,ç,ö,ü)

-Menülere ve ekran mesajları ile ilgili kod satırları Türkçe menü öğeleri ve mesajları ile değiştirildi.

Not: C derleyici konusunda acemi olduğumdan C kodlarında bazı acemice hatalar olabilir, ama program işlemciye yüklendiğinde çalışıyor.

Kutulama
Elektronik devre ile uğraşanların genellikle göz ardı ettiği bir konu vardır, o da kutulama.

Şekil-21:Kutulanmış kondansatör metre çalışırken.
Bir cihaz yaptınız, ne kadar iyi olursa olsun, kutulanmadıktan sonra sadece bir devredir. Bir kutunun içine girdi mi, bir cihaz olur. Çünkü açıkta olan bir devre her zaman için çevresel etkilere açıktır.

Devrede kullanılan LCD'nin kablosu en azından bazı kişilerin dikkatini çekmiştir. Ne yazık ki kabloya zamanında sıkılmayan sıcak silikon yüzünden kablolardan biri koptu. Tabii ki haliyle havyaya iş düştü.

Şekil-22:Kutulanmış kondonsatörmetre ölçüm yaparken.

Biraz gayretle kondansatör metre devresi oldu bir kondansatör metre. Devre böylece çevresel şartlardan en azından korunmuş oldu.


Film:Menüler



Ekler:

ATmega8 hakkında ayrıntılı bilgi için

"M8 ve LCD ekran ile Kondansatör metre" için dosyalar- birleşik

Bu devrenin yapım sorumluluğu size aittir. Devre yapıldı ve çalışıyor. K.A...

---