Un inductancemètre numérique de 0,1 μH à 300 mH

Cet instrument de mesure de la valeur inductive (ou inductance) des selfs est un appareil professionnel avec son afficheur LCD à dix chiffres et sa portée étendue (jusque 300 000 μH soit 300 mH).



Cette très large étendue de mesure rend notre appareil capable d’évaluer aussi bien l’inductance des selfs à air VHF de quelques spires espacées que celle des grosses bobines en nid d’abeilles sur noyaux ou en pots de ferrite des alimentations à découpage et ce avec une précision élevée.

Le principe de fonctionnement
Il est fort simple : l’appareil comporte un étage oscillateur utilisant un circuit accordé qui détermine sa fréquence de travail au moyen des deux paramètres que sont l’inductance de JAF1 et la capacité de C1 (voir figure 1). Le schéma électrique de cet oscillateur, figure 3, met en oeuvre un amplificateur opérationnel IC1 LM311. JAF1 a une valeur inductive (ou inductance) de 100 μH et C1 une capacité de 3,3 nF (3 300 pF). Quand le circuit oscille, il le fait sur la fréquence que donne la formule :

F en Hz = 159 000 000 : √C1 en pF x JAF1 en μH

Si nous insérons dans la formule la valeur de C1 et celle de JAF1, nous obtenons la fréquence :
159 000 000 : √3 300 x 100 = 276 783,47 Hz

Cette fréquence est obtenue quand les deux douilles d’entrée sont court-circuitées, comme le montre la figure 1.
Cette fréquence est mémorisée par le microcontrôleur IC3 qui l’utilise ensuite pour trouver la valeur inductive d’une self inconnue L1, comme le montre la figure 2.
L’un des avantages de cet instrument de mesure tient à son insensibilité aux variations de température comme aux tolérances de JAF1 et C1 (la fréquence étant déjà mémorisée).
Premier exemple : supposons qu’on ait mémorisé dans IC3 la fréquence 276 783,47 Hz produite par JAF1+C1, en mettant en série JAF1 (100 μH) et L1 (2 200 μH), comme le montre la figure 2, nous obtenons une valeur de :
2 200 + 100 = 2 300 μH (L1+JAF1)

Avec cette nouvelle valeur inductive, l’oscillateur produit une fréquence de :
159 000 000 : √3 300 x 2 300 = 57 713,34 Hz

Pour faire apparaître sur l’afficheur LCD l’inductance de la self L1 mise en série avec JAF1, le microcontrôleur IC3 exécute les opérations mathématiques suivantes :
1. Il divise la fréquence produite par JAF1+C1, soit 276 783 Hz, déjà mémorisée, par la nouvelle fréquence de 57 713 Hz obtenue en mettant en série avec JAF1 une L1 de 2 200 μH :
276 783 : 57 713 = 4,79585188

2. Il élève ce nombre au carré :
4,79585188 x 4,79585188 = 23,0001.

3. Il soustrait de ce nombre le nombre 1 et multiplie le résultat obtenu par 100, obtenant tout de suite l’inductance de L1, en effet : (23,0001 – 1) x 100 = 2 200,01 μH.
4. Donc l’afficheur LCD visualise le nombre : 2 200,01 Hz.
Deuxième exemple : mettons en série avec JAF1 une self L1 de 47 μH (voir figure 2), nous obtenons ainsi une valeur totale de :
100 + 47 = 147 μH (JAF1 + L1)

Avec cette nouvelle valeur l’oscillateur produit une fréquence de :
159 000 000 : √3 300 x 147 = 228 287 Hz

Connaissant la valeur de la nouvelle fréquence, le microcontrôleur réexécute les opérations pour lesquelles il a été programmé et donc :
1. Il divise la fréquence produite par JAF1+C1, soit 276 783 Hz, déjà mémorisée, par la nouvelle fréquence de 228 287 Hz obtenue en mettant en série à JAF1 une L1 de 47 μH :
276 783 : 228 287 = 1,21243434

2. Il élève ce nombre au carré :
1,21243434 x 1,21243434 = 1,469997

3. Il soustrait de ce nombre le nombre 1 et multiplie le résultat obtenu par 100, obtenant tout de suite l’inductance de L1, en effet : (1,469997–1) x 100 = 46,999 μH.

Note : le microcontrôleur IC3 visualise 47 μH et non 46,999 car nous n’avons pas pris en compte toutes les décimales.

Troisième exemple : en série avec JAF1, L1 a cette fois une inductance très faible, 3,3 μH, ce qui fait au total :
3,3 + 100 = 103,3 μH (L1 + JAF1)

Et une fréquence de :
159 000 000 : √3 300 x 103,3 = 272 326 Hz

1. Le microcontrôleur divise la fréquence produite par JAF1+C1, soit 276 783 Hz, déjà mémorisée, par la nouvelle fréquence de 272 326 Hz obtenue en mettant en série à JAF1 une L1 de 3,3 μH :
276 783 : 272 326 = 1,0163664

2. Il élève ce nombre au carré :
1,0163664 x 1,0163664 = 1,033000

3. Il soustrait de ce nombre le nombre 1 et multiplie le résultat obtenu par 100, obtenant tout de suite l’inductance de L1, en effet :
(1,033000 – 1) x 100 = 3,3 μH

Quatrième exemple : pour vous montrer à quel point cet inductancemètre numérique est précis, prenons enfin L1 = 0,47 μH, cela fait une inductance totale de :
100 + 0,47 = 100,47 μH (JAF1 + L1)

Et une fréquence de :
159 000 000 : √3 300 x 100,47 = 276 135 Hz

1. Le microcontrôleur divise la fréquence produite par JAF1+C1, soit 276 783 Hz, déjà mémorisée, par la nouvelle fréquence de 276 135 Hz obtenue en mettant en série à JAF1 une L1 de 0,47 μH :
276 783 : 276 135 = 1,002346678

2. Il élève ce nombre au carré :
1,002346678 x 1,002346678 = 1,0046988

3. Il soustrait de ce nombre le nombre 1 et multiplie le résultat obtenu par 100, obtenant tout de suite l’inductance de L1, en effet :
(1,0046988 – 1) x 100 0,46988 μH


Note : là encore, le microcontrôleur IC3 visualise 0,47 μH car nous n’avons pas pris en compte toutes les décimales.

Le schéma électrique
Analysons maintenant le schéma électrique de la figure 3 en commençant par l’amplificateur opérationnel IC1 LM311 : cet amplificateur opérationnel est monté en oscillateur fournissant un signal carré dont la fréquence est déterminée par les valeurs de JAF1 et C1 quand les deux douilles d’entrée sont court-circuitées.
Si on applique sur ces douilles une self, ou tout autre enroulement (voir figure 2), la fréquence produite par l’oscillateur est déterminée cette fois par la valeur inductive de la somme JAF1+L1 et la valeur capacitive de C1. La fréquence du signal carré disponible sur la broche 7 de IC1 est appliquée sur la broche 9 de la NAND IC2/C qui la transfère, à travers la deuxième NAND IC2/D, sur la broche 2 du microcontrôleur IC3. De la broche 19 de ce dernier, sort une impulsion durant précisément 0,2 seconde, laquelle, passant à travers les deux NAND IC2/B et IC2/A, atteint la broche 10 de la NAND IC2/C montée en porte gâchette de telle façon que, uniquement pendant cette durée, le signal produit par IC1 arrive sur la broche 2 du microcontrôleur afin que la fréquence soit mesurée.
Le logiciel du microcontrôleur prélève cette fréquence et la divise par celle produite par JAF1 et C1 préalablement mémorisée. Il exécute ensuite toutes les opérations précédemment évoquées et servant à trouver la valeur inductive (ou inductance) de la self inconnue L1, exprimée en μH, que l’afficheur LCD visualisera enfin.
TR1, entre la broche 8 de IC3 et la broche 15 du LCD, sert à faire clignoter la rétro-illumination du LCD pendant la phase de mémorisation de la fréquence produite par JAF1+C1, obtenue en pressant P1 et bien sûr en court-circuitant les douilles d’entrée (voir figure 10). Le curseur du trimmer R8 relié à la broche 3 de l’afficheur LCD sert à en régler la luminosité et le contraste en fonction de la lumière ambiante.
Sur le connecteur J1, monté sur la broche 9 de IC3, il faut mettre le cavalier court-circuitant à la masse cette broche : ce connecteur à cavalier sert seulement au labo pour vérifier qu’aucune erreur de montage n’a été commise. Si vous ôtez le cavalier, l’afficheur LCD visualise la fréquence que le microcontrôleur va mémoriser.
Cet inductancemètre numérique est alimenté avec une petite alimentation secteur 230 V EN1526 fournissant le +5 V nécessaire : son schéma électrique est visible figure 11, ainsi que la liste des composants.

Figure 1 : IC1 est utilisé dans cet inductancemètre numérique comme étage oscillateur. Si l’on court-circuite les deux douilles d’entrée, le circuit oscille sur une fréquence déterminée par l’inductance de JAF1 et la capacité de C1.

Figure 2 : Si on insère entre les douilles une self L1 d’inductance inconnue, étant en série avec JAF1, elle modifi era la fréquence d’oscillation du circuit, fréquence déterminée cette fois par l’inductance de L1+JAF1 et la capacité de C1.

Figure 3 : Schéma électrique de l’inductancemètre numérique mesurant des inductances de 0,1 à 300 000 μH.

Figure 4 : Brochages des circuits intégrés vus de dessus et repère-détrompeurs en U vers le haut ou vers la gauche et du transistor vu de dessous.

Figure 5 : Côté soudures du circuit imprimé de l’inductancemètre numérique sont montés l’affi cheur LCD, son connecteur femelle et P1. L’affi cheur LCD est solidarisé de la platine par quatre entretoises plastiques.

Figure 6a : Schéma d’implantation des composants de la platine de l’inductancemètre numérique EN1576. Le connecteur J1 reçoit ensuite son cavalier de court-circuit.

Figure 6b-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de la platine de l’inductancemètre numérique, côté composants.

Figure 6b-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de la platine de l’inductancemètre numérique, côté soudures.

Liste des composants de l’inductancemètre numérique EN1576
R1 ............ 100 kΩ 1 %
R2 ............ 100 kΩ 1 %
R3 ............ 100 kΩ 1 %
R4 ............ 49,9 kΩ 1 %
R5 ............ 10 Ω
R6 ............ 1 kΩ 1 %
R7 ............ 15 kΩ
R8 ............ 10 kΩ trimmer
R9 ............ 10 kΩ
R10 ........... 4,7 kΩ
R11 ........... 10 kΩ
C1 ............ 3,3 nF polyester
C2 ............ 10 μF électrolytique
C3 ............ 100 nF polyester
C4 ............ 10 μF électrolytique
C5 ............ 10 μF électrolytique
C6 ............ 100 nF polyester
C7 ............ 100 μF électrolytique
C8 ............ 100 nF polyester
C9 ............ 100 nF polyester
C10 ........... 100 nF polyester
C11 ........... 22 pF céramique
C12 ........... 22 pF céramique
C13 ........... 1 μF électrolytique
C14 ........... 100 nF polyester
XTAL .......... quartz 8 MHz
JAF1 .......... self 100 μH
DS1 ........... 1N4007
DS2 ........... 1N4148
TR1 ........... ZTX653
IC1 ........... LM311
IC2 ........... 74HC132
IC3 ........... EP1576 déjà programmé en usine
AFFICH ........ affi cheur LCD CMC116L01
J1 ............ cavalier
P1 ............ poussoir
Sauf spécifi cation contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.


Figure 7 : Photo d’un des prototypes de la platine de l’inductancemètre numérique.

Figure 8 : Assemblage de l’affi cheur LCD et de la platine de l’inductancemètre numérique (l’affi cheur, son connecteur et le poussoir sont montés côté soudures).

Figure 9 : Montage dans un boîtier plastique approprié (avant face avant et panneau arrière en aluminium) de la platine de l’inductancemètre numérique associée à l’affi cheur LCD EN1576 et de la platine d’alimentation EN1526. Les interconnexions et les connexions avec les deux panneaux sont réduites au strict minimum.

Figure 10 : Pour mémoriser dans le microcontrôleur IC3 la fréquence produite par JAF1 et C1, il suffi t de presser pendant quelques secondes P1 et, quand l’affi cheur LCD cesse de clignoter et que cette indication apparaît, la fréquence est mémorisée.

Figure 11 : Schéma électrique de l’alimentation secteur 230 V EN1526 pour l’inductancemètre numérique et brochage du régulateur IC1 vu de face.

Figure 12a : Schéma d’implantation des composants de l’alimentation EN1526 pour l’inductancemètre numérique.

Figure 12b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de l’alimentation EN1526 pour l’inductancemètre numérique.

Liste des composants
C1 ............ 100 nF céramique
C2 ............ 100 nF céramique
C3 ............ 100 nF céramique
C4 ............ 100 nF céramique
C5 ............ 1 000 μF électrolytique
C6 ............ 100 nF polyester
C7 ............ 100 nF polyester
C8 ............ 470 μF électrolytique
RS1 ........... pont 100 V 1 A
IC1 ........... L7805
T1 ............ transfo. 230 V / 8 V 0,5 A (4 VA)
S1 ............ interrupteur
Sauf spécifi cation contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.


Figure 13 : Dans les seize trous de l’affi cheur LCD, soudez les seize picots du connecteur double mâle.

Figure 14 : Soudez les seize picots du connecteur femelle côté soudure du circuit imprimé…

Figure 15 : … et insérez dans ce connecteur les picots libres du double connecteur de l’affi cheur LCD. N’oubliez pas d’enfi ler la rondelle isolante plastique dans le fût fi leté des douilles avant de visser l’écrou plat.

Figure 16 : Enfi lez les extrémités du fût des douilles dans les trous du circuit imprimé et soudez-les aux pastilles de cuivre prévues pour cela (voir fi gures 5 à 8).

La réalisation pratique
Pour réaliser cet inductancemètre numérique, il vous faut deux circuits imprimés : celui de la platine principale EN1576 (où l’afficheur LCD vient prendre place) est un double face à trous métallisés et celui de l’alimentation EN1526 est un simple face. Si vous voulez les réaliser, les figures 6b-1 et 2 (pour la platine principale) et 12b (pour la platine alimentation) vous en donnent les dessins à l’échelle 1.
Si vous observez bien les figures 5 à 16, en particulier les figures 6a, 12a et 9 et les listes des composants, vous n’aurez aucune difficulté à monter cet inductancemètre numérique et son alimentation.
Accordez beaucoup d’attention à l’assemblage de la platine principale, de l’afficheur et de la face avant (voir figures 13 à 16).
Enfin, installez dans le boîtier prévu à cet effet les deux platines et réalisez les interconnexions et les liaisons à la face avant et au panneau arrière, comme le montrent les figures 9 et 12.
Seul réglage requis : avec le trimmer R8 vous pourrez régler la luminosité (et le contraste) de l’afficheur LCD en fonction de la lumière ambiante.

Comment utiliser l’inductancemètre numérique
L’utilisation de cet instrument de mesure est très facile : insérez le cavalier de court-circuit sur le connecteur J1 et mémorisez dans le microcontrôleur IC3 la fréquence produite par JAF1+C1.
Pour cela, il suffit de court-circuiter les deux crocos reliées aux douilles d’entrée (voir figure 1) et de presser ensuite P1 pendant une seconde au moins (l’afficheur LCD clignote alors puis l’indication zero 0,00 μH apparaît, voir figure10).
L’afficheur LCD reste allumé pour indiquer que l’appareil est prêt à servir.
Important : pour une précision de mesure maximale, chaque fois que vous allumez l’appareil, répétez l’opération de mémorisation de la fréquence de JAF1+C1 en court-circuitant les deux douilles d’entrée et en pressant P1.

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