Arduino: Costruire un tester per condensatori

Nelle guide precedenti si sono create le basi per utilizzare diversi tipi di componenti elettronici, come a esempio i led, sensori di vario genere e potenziometri. Abbiamo anche visto alcuni accenni sull'Internet Of Things, oltre ad altri svariati argomenti. Ora è giunto il momento di parlare di un altro componente molto importante in elettronica: il condensatore. In particolare vedremo come costruire passo a passo un misuratore di amperaggio per condensatori.

Prima di parlare del funzionamento del tester per condensatori è bene però spendere due parole sul funzionamento del componente stesso.
Il condensatore, come molti di voi sapranno, è uno dei componenti elettronici più utilizzati in assoluto, infatti è presente sulla maggior parte delle schede elettroniche in commercio e di conseguenza è parte integrante degli oggetti che utilizziamo tutti i giorni. Lo scopo di questo componente è quello di accumulare energia in un campo elettrostatico, inoltre è in grado di mantenere la carica e l’energia, capacità che lo hanno reso molto popolare, anche grazie alle versatilità dei condensatori nella teoria dei circuiti questi vengono considerati dei componenti ideali.

Sono disponibili diversi tipi di condensatori, che differiscono nei materiali e nelle caratteristiche generali, alcuni sono:

• Condensatori ceramici
• Condensatori ceramici SMD
• Condensatori con dielettrico di carta
• Condensatori con dielettrico di vetro
• Condensatori elettrolitici ad alluminio
• Condensatori elettrolitici al tantalio

Ne esistono ancora altri di natura diversa ma quelli elencati sono tra quelli maggiormente utilizzati. Il tester che descriveremo permetterà di misurare la maggior parte dei condensatori in commercio in maniera semplice ed efficace visualizzando direttamente a monitor l’amperaggio del componente. Il tester è molto utile nei casi un cui bisogna misurare molti condensatori e risulta essere molto più comodo di un multimetro nella misurazione del suddetto componente (senza nulla togliere a questo fantastico strumento).
Ma veniamo al dunque, come funziona esattamente un tester per condensatori?
La risposta è molto più semplice di quello che si potrebbe immaginare: basta sfruttare la costante di tempo del condensatore, in pratica è sufficiente far misurare ad Arduino il tempo necessario al condensatore per arrivare al 63,2% della sua carica massima. In parole povere un condensatore dalla capacità elettrica più grande rispetto ad un altro richiede più tempo per venire misurato quindi ne deriva che una volta misurato il tempo si può facilmente risalire all’effettivo amperaggio. Il tempo viene misurato in millisecondi e darà una risposta a monitor in microFarads o in nanoFarads (in base alla misura utilizzata dal condensatore che verrà testato). Adesso che si conosce il principio alla base di questo tester possiamo passare al montaggio dei componenti necessari.

Assemblare il circuito

La costruzione di questo tester può essere considerata “low-cost” e può variare da pochissimi euro a qualche decina di euro, questo in base alla qualità del materiale che si deciderà di utilizzare, alla provenienza (per esempio utilizzando un clone arduino e comprando tutto direttamente dalla Cina la spesa può aggirarsi sui 5/7 euro), e soprattutto al tipo di Arduino che si utilizzerà. In questo progetto viene utilizzato un Arduino UNO, ma va bene un Arduino qualsiasi, dato che verranno utilizzate solamente una uscita analogica e due uscite digitali. Optare per un Arduino Nano è sicuramente la soluzione più economica e anche quella di minor ingombro (soprattutto in combinazione con una Mini-Breadboard), permettendo così di avere un tester per condensatori molto più pratico, portatile e miniaturizzato.

Lista dei componenti necessari:

• Arduino a scelta (UNO, Nano, cloni, ecc.)
• Breadboard (o Mini-Breadboard)
• Resistenza da 10k ohm
• Resistenza da 220 ohm
• Cavetti jumper (ma vanno bene anche dei normali cavetti elettrici)
• Morsetti a coccodrillo (opzionali, ma consigliati in quanto rendono molto più agevole la fase di test de componenti)

Una volta recuperati tutti i componenti elettronici è sufficiente collegare Arduino alla Breadboard seguendo il seguente schema:
 

I collegamenti sono così concepiti:

GND	va collegato ad uno dei due poli negativi della breadboard
A0	va collegato ai due pin delle resistenze adiacenti
11	va collegato all’estremità della resistenza da 220 ohm
13	va collegato all’estremità della resistenza da 10k ohm

 

Bisogna poi collegare le due estremità negative della breadboard (il cavetto nero in basso) e infine basta collegare il condensatore dal lato positivo ai due pin delle resistenze adiacenti, mentre il lato negativo va collegato all’altro polo negativo della breadboard (quello blu contrassegnato con il segno “-“).
In realtà la resistenza da 220 ohm non è strettamente necessaria, è comunque consigliabile inserirla nel circuito in quanto velocizza il processo di scarica del condensatore. Prima di utilizzare  il tester è importante essere certi di aver inserito condensatore nel verso giusto (negativo con negativo) e non al contrario. La parte hardware è quindi terminata e non occorrono ulteriori passaggi, si può quindi passare alla parte software senza ulteriori indugi.

Parte software

Non resta quindi che occuparsi del codice, che come detto sopra non dovrà far altro che caricare e scaricare il condensatore, misurandone nel frattempo la risposta in millisecondi nonché fornendo come risposta l’amperaggio effettivo del componente misurato (espresso in microFardas o nanoFarads).
Questo semplice progetto non richiede librerie esterne di alcun tipo, basterà semplicemente creare il classico file .ino e copia/incollare al suo interno il seguente codice:

//Inizializza i pin int analog
Pin = 0;
int chargePin = 13;
int dischargePin = 11;
// Inizializza il condensatore
int resistorValue = 10000;
// Inizializza il timer
unsigned long startTime;
unsigned long elapsedTime;
// Inizializza le variabili del condensatore
float microFarads;
float nanoFarads;
void setup()
{
pinMode(chargePin, OUTPUT);
digitalWrite(chargePin, LOW);
Serial.begin(9600);
}
void loop() { digitalWrite(chargePin, HIGH);  // Comincia il ciclo di carica del condensatore
startTime = millis(); // Comincia il TIMER
while(analogRead(analogPin) < 648)
{
// resta in attesa finchè il condensatore raggiunge 63.2% del voltaggio complessivo
}
elapsedTime= millis() – startTime; // determina quanto tempo è stato impiegato per caricare il condensatore
microFarads = ((float)elapsedTime / resistorValue) * 1000;
Serial.print(elapsedTime);
Serial.print(” mS “);
if (microFarads > 1)
{
Serial.print((long)microFarads);
Serial.println(” microFarads”);
}
else
{
nanoFarads = microFarads * 1000.0;
Serial.print((long)nanoFarads);
Serial.println(” nanoFarads”);
delay(500);
}
digitalWrite(chargePin, LOW); // ferma la carica del condensatore
pinMode(dischargePin, OUTPUT);
digitalWrite(dischargePin, LOW); // lascia che il condensatore si scarichi while(analogRead(analogPin) > 0)
{
// resta in attesa finchè il condensatore è completamente scarico
}
pinMode(dischargePin, INPUT); // non permette al condensatore di scaricarsi
}
terminale da replicare a testo

Questo codice è commentato e di semplice comprensione, soprattutto dopo che se ne conosce il funzionamento, come nel nostro caso. Una volta caricato il codice su Arduino basta premere la combinazione di tasti Ctrl+Shift+M per far apparire il monitor seriale in cui si potranno consultare le informazioni sullo stato del componente. Potete raggiungere il "monitor" anche seguendo il seguente percorso: Strumenti–Monitor Seriale. Ricordo che il delay può variare molto quindi per condensatori molto grandi il tempo di risposta potrebbe essere anche di alcuni secondi, a esempio un condensatore da 1000uf, a pieno carico, impiega esattamente 10 secondi (10000 millisecondi) prima di restituire a monitor la misurazione richiesta.

Se tutto è andato a buon fine dovreste visualizzare un risultato simile a questo:

Infine se desiderate ottimizzare il circuito rendendolo più comodo è consigliabile collegare due cavetti jumper al posto del negativo e del positivo del condensatore e a questi due morsetti, come è possibile vedere nella foto sottostante:

Una volta ultimato il circuito sarà possibile effettuare misurazioni precise e veloci. Ricordate di cestinare i condensatori che non rispettino l’amperaggio di +/– 10% (a esempio un condensatore da 1000 uf può essere considerato valido se la misurazione è nel range 900/1100 uf).

E’ tutto, avete appreso le basi sul funzionamento di un tester per condensatori. Nelle prossime lezioni vedremo come costruire altri tester e altri dispositivi di vario genere sempre legati al mondo dei microcontrollori e dell’elettronica in generale.