(AVR) Tester elementów elektronicznych

Spis treści

Tego mi brakowało...Podczas budowy urządzeń często zachodzi potrzeba sprawdzenia parametrów: tranzystorów, diod, oporników, kondensatorów, itd. Czasami by zweryfikować ich sprawność. Innym razem by wybrać "ten lepszy".

Dawniej zbudowanie lub zakup analogowego multimetru istotnie ułatwiało prace w warsztacie radioamatora.

Przyrządem, którego obecnie potrzebowałem był tester podzespołów elektronicznych. Wybór padł na ten oparty na ATmega8/168/328 opracowany przez Markusa Frejek, rozwinięty przez  Karla-Heinza Kübbeler.

Za Autorami projektu będę go nazywał testerem. Użyteczność przede wszystkim...O jego przydatności dobitnie świadczy fakt, iż pierwotny projekt był (często niezależnie) rozwijany przez wielu naśladowców. W dokumentacji projektu i sieci można znaleźć wiele tego dowodów.

Stosunkowo prosta (elektronicznie) konstrukcja oferuje duże możliwości. A jej podstawową zaletą jest (IMO) uniwersalność. Niska cena też jest warta zauważenia.

W tej dziedzinie to swoisty "scyzoryk". 

Możliwości AVRtestera

W pomiarach niezastąpiony...Przyrząd (z "wsadem" udostępnionym na avrtester.tode.cz) umożliwia następujące pomiary:

  • oporności: 0,01Ω - 50MΩ,
  • parametry kondensatorów: zakres pomiaru pojemności: 25pF - 100mF. Pomiar ESR tylko w przypadku wykorzystania w AVRtesterze ATmegi 168 lub 328 i dla pojemności > 0,18μF.
    W przypadku kondensatorów tantalowych konieczne jest przestrzeganie biegunowości: elektroda ujemna (minus, "-") na pole nr 1, a elektroda dodatnia (plus, "+") na pole nr 2 lub 3. Ewentualnie - na pole nr 2 elektroda dodatnia (plus, "+"), a elektroda ujemna (minus, "-") na pole nr 3.
    W innym przypadku wartość zmierzona może się różnić od rzeczywistej,
  • automatyczne rozpoznaje typy tranzystorów: bipolarnych (NPN, PNP), MOSFET (N-, P-kanałowy) , JFET. Podaje również podstawowe parametry pomiaru,
  • tyrystorów i triaków. Ponieważ pomiar odbywa się prądem 6 mA powoduje to to, iż pomiar będzie możliwy jedynie w przypadku odpowiednio "czułych" elementów,
  • diod i podwójnych diod,
  • cewek (tylko w przypadku wykorzystania w AVRtesterze ATmegi 168 lub 328): 10uH - 20H,
  • diod Zenera, ewentualnie LED do 50V (z wykorzystaniem przetwornicy napięcia). Gniazdo pomiarowe może być wykorzystane również do pomiaru napięcia (dodatniego) w zakresie 0-50V.
    Uwaga: podanie na nie napięcia przekraczającego 50V prowadzi do nieodwracalnego uszkodzenia uP!
  • Układ może być zasilany z: baterii 9V, zewnętrznego zasilacza 9-15V. Pobór prądu układu (bez aktywnej przetwornicy) to ok. 12mA (bez podświetlenia wyświetlacza), a ok. 23mA z podświetleniem.

Pełen opis testera można znaleźć na dokumentacji autorstwa Karl-Heinz Kübbeler (Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript., z 14.03.2016!!!) pt. "TransistorTester with AVR microcontroller and a little more Version 1.12k".

Niewątpliwie pomocny będzie również opis zawarty w dokumencie: Tester warsztatowy - Instrukcja montażu, autorstwa Kol. Sławka (SP7YC) oraz Kubę (SQ7OVV). W prezentowanym urządzeniu wykorzystałem przetwornicę napięcia przedstawioną w ich dokumencie.

Szeroka dyskusja o "blaskach i cieniach" tego (lub podobnych) testerów znajduje się również na portalu elektroda.pl. W jego wyszukiwarce należy podać frazę: "tester warsztatowy atmega".

Należy jednak podkreślić, że wiele z tych rozwiązań wprowadze "własne" modyfikacje nie tylko do pierwotnego układu, ale równie do tzw. firmware. Toteż niezbędnym było zweryfikowanie ich zgodności prezentowanych z "wsadem" udostępnionym na czeskiej stronie.

I bez mrówczej pracy, wymagającej "benedyktyńskiej" cierpliwości Kol. Jurka (SP4EIB sk) prezentowana konstrukcja nie powstałaby. Ale udało się. Dziękuję Wszystkim.


Konstrukcja przyrządu

SchematJak wspomniałem wcześniej różne wersje testera często "nie przystają" do siebie. Dlatego też by uniknąć błędów obok prezentuję schemat, który jest podstawą opisywanej konstrukcji. W stosunku do pierwowzoru wprowadziłem następujące zmiany:

  • wykorzystanie elementów SMD (wyjątkiem jest ATmega328P), tj.: przetwornica MC34063, SO8, stabilizatory, diody, R, C, itd.),
  • zmiana źródła referencyjnego (napięcia odniesienia) 2,5V na TL431 (w obudowie SO8, PCB umożliwia również bezproblemowe wlutowanie układu w obudowie SOT23),
  • dedykowany stabilizator +5V dla ATmegi328P to LM2936Z5 (SO8),PCB (od strony elementów SMD)
  • stabilizator +5V dla przetwornicy i wyświetlacza to układ 78M05 (DPACK),
  • zamiast diod 1N4148 diody Schotky - 1A: w przetwornicy (ważne napięcie przebicia) np. SS110, pozostałe mogą być na napięcie >25V np. SS14 (SOD80),
  • tranzystory: BC848C (NPN) i BC858C (PNP) SOT23,
  • wykorzystano 1% SMD 0805 rezystory: 680R i 470k w układzie pomiarowym uP oraz 1R1 (5 połączonych równolegle, wynikowa rezystacja R22) w obwodzie przetwornicy.

Prasowanka...Spowodowało to nie tylko zmniejszenie ilości wierconych otworów, ale i zmniejszenie płytki.

Chciałbym podkreślić, że w tym przypadku IMO wykorzystanie elementów SMD znacznie uprościło układ od strony montażowej. By dodatkowo nie komplikować układu płytka została zaprojektowana w wersji jednostronnie laminowanej (miedzią).Elementy "na górze" PCB...

Od strony elementów SMD niezbędne jest wykonanie dwóch zwor. Widok rozkładu elementów od strony wyświetlacza (góra) zaprezentowałem obok. Jak widać płytka od tej strony jest niemal pusta.

Istotne jest dobre połączenie głównych pól masy. Mostki częściowo wykonałem przy pomocy tzw. "zerówek" (rezystory SMD 0805, 1206 o rezystacji 0oma). Częściowo "srebrzanki" 0,6mm. Obok załączam gotową prasowankę dla chętnych do skorzystania z gotowego wzoru.

Uwagi konstrukcyjne

PCB "z lotu ptaka"Konstrukcja nie sprawia istotnych trudności montażowych. Należy jednak zwrócić uwagę na następujące aspekty:

  • wobec użycia uP w wersji "nóżkowej" (DIP28) zrezygnowałem z gniazda programowania na płytce. uP umieszczany jest w podstawce. Włóż go tam na końcu!

  • po sprawdzeniu poprawności połączeń na płytce montaż warto rozpocząć od obwodów zasilania (diody, stabilizatory, kondensatory filtrujące, itd.), z wyłączeniem przetwornicy.

    Dobrze, choć ciasno...Ze względu na fakt, iż stabilizator dla uP (LM2396) zasilany jest poprzez klucz tranzystorowy (T1 - BC858C) na wstępnym etapie zamiast tranzystora należy połączyć "mostkiem" (np. kynarem) pola emitera i kolektora,
  • po sprawdzeniu poprawności napięć należy wlutować elementy przetwornicy (MC34063). Pola przewidziane do równoległego wlutowania 5 rezystorów SMD 0805 1% o wartości 1R1 (1,1oma) umożliwiają odpowiednie ich wlutowanie (patrz zdjęcie po lewej).
    • Autor testera zdecydowanie rekomenduje by przetwornicę umieścić na oddzielnej płytce. Wrzuciłem na jedną. Tester jeszcze działa :) Ale trzeba pamiętać o tym, że....
    • Kondensatory C2 i C3 (47uF) muszą mieć napięcie pracy wyższe od 50V. U mnie (dalej będzie to w nawiasach) jest to 63V.
    • PCB od strony SMD...Kolejnym etapem jest wlutowanie pozostałych elementów przetwornicy, w tym  2 rezystorów R4 i R5 (SMD 1206 o wartości 47k (1%) oraz 43k (5%)) służących do ustawienia napięcia wyjściowego przetwornicy. Wraz z rezystorem R9 (2k2) tworzą one dzielnik napięcia. Należy też wlutować rezystory R1-R3.
      Widoczna płytka z prawej była prototypem, dlatego "mostków" jest jakby więcej :)
    • Maksymalnie 50V!Koniecznie sprawdź, czy w podstawce uP nie ma ATmegi
    • Po włączeniu zasilania należy sprawdzić napięcie na kondensatorach C2 i C3. Powinno wynosić ok. 50V (50,5V). Równolegle do R5 należy dolutować rezystor R6 o takiej wartości by napięcie spadło poniżej 50V (49,9-50V).
    • Następnie sprawdzamy wartość napięcia na rezystorze R3 (20k). Nie może być wyższe od 5V (4,99V).
    • Po uzyskaniu odpowiednich napięć można wlutować pozostałe elementy.Kluczowe elementy przetwornicy
  • uP (ATmega328P) została zaprogramowana przy pomocy programatora USBasp "wsadem" udostępnionym na czeskiej stronie z wykorzystanie procedury opisanej w artykule pt.: Mocna trójka: AVR, USBasp, avrdude. Proces przebiegł bez problemów.
  • pozostało jedynie wyregulowanie (potencjometr montażowy PR1) kontrastu na wyświetlaczu i uruchomienie testera.

Uruchomienie AVRtestera

Uruchomienie...Jeśli wszystkie elementy były sprawne, Atmega została poprawnie zaprogramowana to układ rusza bez problemu. Po podłączeniu zasilania z zewnętrznego zasilacza (nie w przypadku zasilania bateryjnego) zapala się dioda podświetlająca wyświetlacz i... to wszystko. :) I tak ma być. Wciśnij przycisk "Start" (dalej zwany po rostu przyciskiem). Ale niezbyt długo (<2s).

Po chwili wyświetlone zostaną odpowiednie komunikaty.

Uwaga: jeśli podłączyłeś odwrotnie diodę LED (po puszczeniu przycisku) nic się nie wyświetli. Ale jeśli wciśniesz i przytrzymasz przycisk tester przejdzie do "Menu" pozwalając wybrać kolejne opcje. Po puszczeniu przycisku wyświetlacz wygaśnie. Odwróć diodę.

Jeśli gniazdo pomiarowe (z lewej) jest puste: tester wyświetli komunikat, a po chwili automatycznie wygasi wyświetlacz. Jeśli wciśniesz przycisk na dłużej (>2s) pojawi się pozycja menu.

A jest w czym wybierać.

Kalibracja (1)

Etapy kalibracji...Zanim jednak zaczniemy wybierać opcje Menu niezbędnym jest skalibrowanie przyrządu.

Nawet gdybyśmy o tym zapomnieli tester wyświetli odpowiedni monit przypominający o jej konieczności.

By skalibrować przyrząd wystarczy:

  • zewrzeć ze sobą piny: 1, 2 i 3 gniazda pomiarowego,
  • włączyć tester, a następnie wcisnąć przycisk.
  • Po chwili pojawi się komunikat: "Tryb Auto-test?" (1). Trzeba potwierdzić opcję przyciskając przycisk (2). Tester rozpocznie test,
  • po pojawieniu się monitu: "Tryb Auto-test Rozlacz piny" (4) należy usunąc zwory. Test przejdzie do kolejnych etapów (5, 6), wyświetlając stosowne komunikaty,Spóźniłeś się...
  • Po zakończeniu kalibracji (7) tester wykona restart (8) i w przypadku braku elementów w gnieździe pomiarowym, wyświetli odpowiedni komunikat (9) i przejdzie w stan uśpienia.

Jeśli jednak przy potwierdzaniu trybu "Auto-testu" spóźnisz się (albo palec "się omsknie") zamiast oczekiwanej kalibracji zostanie przeprowadzony pomiar, którego wynik pojawi się na wyświetlaczu.

Kalibracja (2)

Kalibracja wywołana z Menu...Tryb "Auto-testu" można również wywołać poprzez wybór odpowiedniej pozycji "Menu".

Warto zwrócić uwagę, że ilość komunikatów jakie pojawiają się na ekranie jest zdecydowanie większa.

Wyjaśnienie ich znaczenia (w tym wartości) znajduje się w dokumentacji Karla H. Kübbelera.


Menu

Pozycje menu

By wywołać "Menu" należy nacisnąć przycisk na ok. 2s.

Ponieważ w prezentowanym testerze nie wykorzystuje się wszystkich opcji, niektóre z nich opisano głównie na podstawie opisu zawartego w dokumentacji Karla H. Kübbelera.

Mrugnie dioda LED i na wyświetlaczu pojawi się napis "Menu". Po chwili wyświetlona zostanie pierwsza (domyślna) z jego pozycji, tj. "Tranzystor".

Menu obejmuje następujące pozycje (przejście pomiędzy nimi następuje po krótkim wciśnięciu przycisku):

  • Tranzystor - Pomiar następuje po podłączeniu 3ch wyprowadzeń tranzystora do styków: TP1, TP2 i TP3 gniazda pomiarowego. Kolejność nie jest istotna.Pomiar tranzystorów...
       Tester automatycznie rozpozna ich rodzaj. Po naciśnięciu przycisku tester w 1szym wierszu pokazany zostanie typ tranzystora (dla bipolarnych: NPN lub PNP) oraz kolejność wyprowadzeń (np. 123=CBE).
       Dokładny opis wyświetlanych parametrów znajduje się w dokumentacji testera.
       Wyświetlenie znaku "+" na końcu wiersza oznacza, że nie wszystki dane zostały wyświetlone. Aby je wyświetlić należy na krótko (<2s) wcisnąć przycisk.
  • Czestotliwosc - pomiar częstotliwości możliwy jest dla wersji 1.10 wsadu. Obywa się poprzez zliczanie opadających zboczy sygnału podanego na pin PD4. W prezentowanej płytce nie ma dodano elementów pozwalających na bezpośrenie przeprowadzenie tego pomiaru. Więcej informacji można znależć w dokumentacji testera (s.  117),
  • f-Generator - Funkcję generatora uruchamia się poprzez długie (>2s) wciśnięcie przycisku. Układ generuje sygnał prostokątny.
       Prostokątny kształt sygnału dotyczy częstotliwości do ok. 100kHz, powyżej następuje widoczne zniekształcenie zmierzające (f>1MHz) do piły. Sygnał wyprowadzony jest (poprzez rezystor 680R) na styp TP2 gniazda pomiarowego. Masę układu można przyłączyć do masy gniazda pomiarowego napięciowego (diod Zenera).
       Domyślną wartością jest f=1MHz. Generator oferuje zestaw predefiniowanych częstotliwości w zakresie 1Hz do 2MHz, wybieranych poprzez krótkie wciśnięcie przycisku.
  • 10-bit PWM - Analogicznie ja w przypadku generatora sygnał wyprowadzony jest (poprzez rezystor 680R) na środkowy styk (TP2) gniazda pomiarowego. Port TP1 (poprzez rezystor (680R) pozostaje w stanie niskim (połączony z masą).
       Częstotliwość wyjściowa generatora jest wynikiem dzielenia częstotliwości zegaza uP przez 1024. Dla kwarcu 8MHz daje to częstotliwość 7812.5Hz. Zmianę wypełnienia (dodatniej połówki sygnału) uzyskuje się poprzez naciśnięcie przycisku (krótkie przyciśnięcie: do 99%, ze skokiem co 1%, dłuższe przycinięcie: skok co 10%).
       Po ustawieniu szerokości impulsu na 0% tester generuje bardzo wąski dodatni impuls.
  • C+ESR@TP1:3 - wybiera "szczególny" tryb pomiaru pojemności (podłączonych do pól pomiarowych TP: 1 i 3) połączony z pomiarem ESR (Equivalent Series Resistance).
       Kondensatory (o pojemności od 2μF do 50 mF) winny być mierzone właśnie w tym trybie.
       Pomiar odbywa się przy użyciu niewielkiego napięcia (ok. 300 mV) toteż w iększości przypadków kondensatory mogą być mierzone "w układzie" (bez demontażu).
       Pomiar wykonywany jest wielokrotnie (250) jednak może zostać w każdej chwili zakończony długim (>2s) wciśnięciem przycisku. Spowoduje to powrót do wyboru opcji "Menu".
  • Enkoder obrotowy - opcja pozwala na ustawienie enkodera, który wykorzystywany jest do wyboru (i zatwierdzania) opcji menu. Przygotowana przeze mnie płytka nie przewiduje wykorzystania enkodera, jednakże w opinii Karla H. Kübbelera dodanie tego nawet do istniejącego testera nie sprawi dużego kłopotu,
  • Auto-test - wywołanie trybu autokonfiguracji (kalibracji) opisanej w pkt. "Kalibracja (2)",

Pomiar napięcia (także diod Zenera)...

  • Napiecie - dodatkowa opcja dostępna z wykorzystaniem pinów ADC3 ATmega328P do pomiaru. Na wejściu znajduje się dzielnik napięcia 10:1 toteż ze względu na parametry ADC3 maksymalne(!) napięcie zewnętrzne doprowadzone do gniazda pomiarowego (diod Zenera) nie może przekroczyć 50V! 
       Na płytce znajduje się przetwornica napięcia 5V/50V umożliwiająca (po wciśnięciu przycisku) pomiar napięcia diod Zenera.
       Standardowo czas pomiaru napięcia ograniczony jest do 4 minut. Można go przerwać po długim (>4s) naciśnięciu przycisku.

Prezentacja danych testera...

  • Pokaz dane - prezentuje oprócz numeru wersji oprogramowania (firmware) testera wybrane dane po kalibracji. Wyświetlane są one w 3 "odsłonach", każda po 15s. Przejście do kolejnej strony następuje po upływie czasu lub (krótkim) wciśnięciu przycisku.
       Są to rezystacja wejścia (R0) sttków pomiarowych gniazda pomiarowego w relacji: 1:3, 2:3 oraz 1:2. Ponadto rezystancję portu w odniesieniu do potencjału 5V (Ri_Hi) oraz 0V (Ri_Lo).
       Analogicznie pokazane są wartości pojemności (C0) w odniesieniu do poszczególnych pól pomiarowych.
       Ponadto wyświetlane są wartości korekcji dla pomiarów: pojemności (REF_C) oraz rezystacji (REF_R).
  • Wylacz - wybranie tej funkcji (wciśnięcie przycisku na >2s) wyłącza tester.

Pomiary

Pomiar tranzystorów...Tester przewidziany jest do pomiaru wielu rodzaju pozdzespołów elektronicznych.

Opisanie zasad pomiaru oraz okolicznośći mogących mieć wpływ na wyświetlane wartości przekracza ramy niniejszego opracowania. Ze wszech miar sugeruję sięgnąć do dokumentacji Karla H. Kübbelera. To obszerne opracowanie zawiera nie tylko szczegółowe informacje o samym testerze, ale również omawia wykorzystane metodyki pomiarów.

Wspomniana dokumentacja dokumentacja K. H. Kübbelera zawiera również opisy sytuacji, gdy tester może błędnie zidentyfikować badany element.

Tym co mnie zachęciło do budowy testera były przede wszystkim pomiary tranzystorów. Już pobieżny rzut oka na zdjęcia z lewej wskazują na dużą przydatność informacji wyświetlanych na ekranie. Jak widać dotyczą one nie tylko samego tranzystora, ale również warunków pomiaru. Informacja dotycząca kolejności poszczególnych wyprowadzeń jest po prostu nieoceniana.Pomiary tranzystorów

Podobnie badanie (zakres: 1pF-100mF) kondensatorów (w tym również elektrolitycznych) dostarcza szeregu użytecznych informacji. Autorzy testera rekomendują pomiar kondensatorów poprzez ich przyłączenie do styków TP1 i TP3 gniazda pomiarowego. Oczywiście z wykorzystaniem odpowiedniej opcji Menu. 

Pomiar cewek...Nie mniej czytelne są wyniki pomiarów cewek i dławików. Nie mówimy tu o pomiarze jedynie indukcyjności. Najmniejsza mierzona wartość to 10uH. Rezystacja uzwojenia w niektórych przypadkach jest równie istotna.

Metodyka pomiaru została szczegółowo opisana przez K. H. Kübbelera.

Pomiar napięcia (w tym diod Zenera)...Opis zawiera informacje dotyczące nie tylko metodyki, ale wskazuje na przyczyny różnic wyników pomiarów.

I na koniec warto jeszcze wspomnieć o pomiarze napięcia przebicia (dalej będę je nazywał napięciem stabilizacji) diod Zenera. Jak wcześnie wspomniałem napięciowe gniazdo pomiarowe (z prawej strony przycisku) pozwala zmierzyć dodatnie napięcie (nie przekraczajace!!!) 50V. W tym celu w Menu należy wybrać opcję "Napiecie".

Z tego gniazda (poprzez dzielnik) jest ono podawane na wejście uP. Po wciśnięciu przycisku przetwornica testera podaje na gniazdo napięcie (50V) poprzez rezystor 10k. Jeśli w gnieździe umieściliśmy np. diodę Zenera wówczas po przyciśnięciu przycisku (i aktywnej opcji "Napięcie") na wyświetlaczu zostanie pokazana wartość napięcia stabilizacji.

Zakończenie

Już po krótkim okresie użytkowania testera przekonałem się o jego przydatności i uniwersalności. Jego konfrontacja z innymi przyrządami nie wypadła źle. Trudno nie dostrzec, że zdarzają się pomiary "z odchyleniem". Ale to mnie nie zaskakuje, ani dziwi. A konstrukcję oceniam (podobnie jak wielu przede mną) bardzo pozytywnie.

Mimo upływu kilku lat od jego powstania IMO należą się wielkie słowa uznania i podziękowania Markusowi Frejek oraz  Karlowi Heinzowi Kübbeler nie tylko za opracowanie testera. Ale również za jego udostępnienie (wraz z dokumentacją)

To właśnie ta konstrukcja spowodowała, że odczułem potrzebę zbliżenia się do "świata" AVR. Powoli apetyt rośnie. :)

Jeśli jesteś zainteresowany tym co jeszcze udało mi się zrobić z lutownicą w ręku zapraszam do Warsztatu krótkofalowca.

//