Dnes je na trhu mnoho zařízení, která měří kapacitu a indukčnost, ale stojí několikanásobně více než čínský multimetr. Každý, kdo potřebuje každý den měřit kapacitu nebo indukčnost, si je jistě koupí pro sebe, ale co dělat, když se taková potřeba objeví velmi zřídka? V tomto případě můžete použít metodu popsanou níže.
Je známo, že pokud se na integrační RC řetězec přivede obdélníkový impuls, tvar impulsu se změní a bude stejný jako na obrázku.
Doba, za kterou napětí na kondenzátoru dosáhne 63 % přiváděného napětí, se nazývá tau. Vzorec, podle kterého se tau počítá, je znázorněn na obrázku.
V tomto případě říkají, že integrační řetězec vyhladil čela obdélníkového impulsu.
Je také známo, že pokud je na paralelní LC obvod přiveden obdélníkový impuls, objeví se v obvodu tlumené kmity, jejichž frekvence je rovna rezonanční frekvenci obvodu. Rezonanční kmitočet obvodu se zjistí pomocí Thomsonova vzorce, ze kterého lze vyjádřit indukčnost.
Obvod je zapojen přes malý kondenzátor, čím menší, tím lepší, který omezuje proud vstupující do obvodu. Podívejme se, jak malý kondenzátor omezuje proud.
Aby se kondenzátor nabil na jmenovité napětí, musí se na něj přenést určitý náboj. Čím menší je kapacita kondenzátoru, tím méně náboje potřebuje, aby napětí na deskách dosáhlo pulzního napětí. Když aplikujeme impuls, malý kondenzátor se velmi rychle nabije a napětí na deskách kondenzátoru se rovná napětí impulsu. Protože napětí kondenzátoru a pulsu jsou stejné, neexistuje žádný rozdíl potenciálů, a proto neprotéká žádný proud. Kromě toho může proud přestat protékat kondenzátorem po určité době od začátku pulzu a po zbytek doby pulzu nebude do obvodu dodávána žádná energie.
K provedení experimentu potřebujeme obdélníkový pulzní generátor s frekvencí 5-6KHz.
Můžete jej sestavit podle schématu na obrázku níže nebo použít generátor signálu, udělal jsem to oběma způsoby.
Nyní, když si pamatujeme, jak se chová integrující RC řetězec a paralelní LC obvod, když je aplikován obdélníkový impuls, pojďme sestavit jednoduchý obvod znázorněný na obrázku.
Nejprve změřme kapacitu kondenzátoru, místo jeho připojení ve schématu je označeno jako C?. Neměl jsem po ruce rezistor 1K, tak jsem použil 100 Ohm a místo kondenzátoru 10pF jsem použil kondenzátor 22pF. V zásadě můžete zvolit libovolnou hodnotu odporu, ale ne nižší než 50 Ohm, jinak napětí generátoru výrazně klesne.
V tomto experimentu použiji generátor signálu, jehož výstupní impedance je 50 Ohm. Zapneme generátor a nastavíme amplitudu na 4V, pokud generátor sestavíte podle obvodu, můžete amplitudu upravit změnou napájecího napětí.
Zapojme sondy osciloskopu paralelně s kondenzátorem. Na osciloskopu by se měl objevit následující obrázek.
Trochu to zvětšíme.
Změřme dobu, za kterou napětí na kondenzátoru dosáhne 63 % pulzního napětí neboli 2,52V.
To se rovná 14,8 uS. Vzhledem k tomu, že odpor generátoru je zapojen do série s naším řetězem, je třeba jej vzít v úvahu, ve výsledku je aktivní odpor roven 150 Ohm. Vydělme hodnotu tau (14,8 uS) odporem (150 Ohm) a najdeme kapacitu, ta se rovná 98,7 nF. Na kondenzátoru je napsáno, že kapacita je 100nF.
Nyní změříme indukčnost. Ve schématu je místo připojení tlumivky označeno L?. Připojíme cívku, zapneme generátor a paralelně k obvodu připojíme sondu osciloskopu. Na osciloskopu uvidíme následující obrázek.
Zvyšujeme skenování.
Vidíme, že perioda oscilace je 260 kHz.
Kapacita sondy je 100pF a v tomto případě je třeba s ní počítat, protože se jedná o 10% kapacity obvodu. Celková kapacita obvodu je 1,1nF. Nyní dosadíme kapacitu kondenzátoru (1,1 nF) a kmitočet oscilací (260 kHz) do tvaru, abychom našli indukčnost. Pro takové výpočty používám program Coil32.
Výsledek je 340,6uH; soudě podle označení je indukčnost 347uH a to je vynikající výsledek. Tato metoda umožňuje měřit indukčnost s chybou až 10 %.
Nyní víme, jak změřit kapacitu kondenzátoru a indukčnost cívky pomocí osciloskopu.
Zařízení pro přímé hodnocení a porovnávání
Mezi měřicí přístroje pro přímé posouzení hodnoty měřené kapacity patří mikrofaradmetry, jehož působení je založeno na závislosti proudu nebo napětí v obvodu střídavého proudu na hodnotě v něm obsažené. Hodnota kapacity se určuje pomocí stupnice číselníku.
Širší využití pro měření indukčností AC vyvážené můstky, což umožňuje získat malou chybu měření (až 1 %). Most je napájen generátory pracujícími na pevné frekvenci 400-1000 Hz. Jako indikátory se používají usměrňovače nebo elektronické milivoltmetry, stejně jako indikátory osciloskopu.
Měření se provádí vyvažováním můstku v důsledku střídavého seřizování jeho dvou ramen. Údaje se odečítají z ramen rukojetí těch paží, kterými je můstek vyvážen.
Jako příklad uvažujme měřicí můstky, které jsou základem měřiče indukčnosti EZ-3 (obr. 1) a měřiče kapacity E8-3 (obr. 2).
Rýže. 1. Můstkový obvod pro měření indukčnosti
Rýže. 2. Můstkový obvod pro měření kapacity s malými (a) a velkými (b) ztrátami
Při vyvážení můstku (obr. 1) se indukčnost cívky a její činitel jakosti určí podle vzorců Lx = R1R2C2; Qx = wR1C1.
Při vyvažování můstků (obr. 2) se naměřená kapacita a ztrátový odpor určí pomocí vzorců
Měření kapacity a indukčnosti metodou ampérmetr-voltmetr
Pro měření malých kapacit (ne více než 0,01 - 0,05 μF) a vysokofrekvenčních induktorů v rozsahu jejich pracovních frekvencí se široce používají rezonanční metody.Rezonanční obvod obvykle obsahuje vysokofrekvenční generátor, indukčně nebo přes kapacitu připojený k měřicí LC obvod. Jako indikátory rezonance se používají citlivá vysokofrekvenční zařízení, která reagují na proud nebo napětí.
Metoda ampérmetr-voltmetr měří poměrně velké kapacity a indukčnosti při napájení měřicího obvodu z nízkofrekvenčního zdroje 50 - 1000 Hz.
Pro měření můžete použít diagramy na Obr. 3.
Obrázek 3. Obvody pro měření velkých (a) a malých (b) odporů střídavého proudu
Podle údajů přístroje celkový odpor
Kde
z těchto výrazů lze určit
Když lze zanedbat aktivní ztráty v kondenzátoru nebo induktoru, použijte obvod na Obr. 4. V tomto případě
Rýže. 4. Schémata měření velkých (a) a malých (b) odporů metodou ampérmetr-voltmetr
Měření vzájemné indukčnosti dvou cívek
Nejjednodušší a pro radioamatéry nejdostupnější způsob měření indukčnosti nízkofrekvenční cívky (nízkofrekvenční induktor, vinutí transformátoru s ocelovým jádrem atd.) je následující:
1) sestavte obvod znázorněný na obr. ; jako zařízení, které měří napětí na proměnném rezistoru R a cívce L x použijte tester nebo samostatný AC voltmetr; maximální hodnota odporu rezistoru se ztrátovým výkonem 0,25-1-0,5W se volí v rozsahu 100-30000 Ohmů (v závislosti na očekávané hodnotě).
2.32. Měření indukčností nízkofrekvenčních cívek
2) instalované pomocí autotransformátoru NA napětí je 10 V a všimněte si odečítání U 1 voltmetr, tj. úbytek napětí na testované cívce;
3) přesuňte posuvný přepínač z polohy 1-3 do polohy 1-2 , čímž se paralelně s rezistorem zapojí voltmetr a zvolí se taková hodnota odporu R = R2, při kterém je úbytek napětí na rezistoru také roven U 1.
4) vypočítejte indukčnost cívky podle vzorce:
L" x = 0,00318 √ RR 2 Gn, (32)
Kde R 1 A R 2- odpor odporu (Ohm), když je jezdec přepínače v polohách 1-3 a 1-2.
V nepřítomnosti proměnného odporu se indukčnost cívky měří pomocí pevného odporu. Schéma a postup měření zůstávají stejné, ale vzorec pro výpočet L x- doplněno násobitelem U 1/U 2, to znamená, že má podobu:
L"" x = 0,00318 R(U 1 /U 2) Gn, (33)
Kde R- odpor odporu, Ohm,
U 1 A U 2- údaje voltmetru v polohách 1-3 a 1-2 jezdce přepínače.
Ve většině případů je indukční odpor vinutí mnohem vyšší než jejich aktivní odpor, takže výše uvedené vzorce poskytují poměrně přesné hodnoty indukčnosti.
Pokud je však počet závitů cívky malý a odpor proti stejnosměrnému (nebo střídavému) proudu je vysoký (několik desítek nebo stovek ohmů), pak L"x A L""x vypočítané pomocí jiných, přesnějších vzorců, jmenovitě:
Kde R- odpor rezistoru, když je jezdec přepínače v poloze 1-2; U- napětí přes sériové zapojení R A Lx; U 2- napětí na rezistoru se rovná napětí U 1 na cívce L x;
Lx" = 0,00318 R°/tan a,
Kde R- aktivní odpor vinutí;
α - úhel, který svírá strana BC trojúhelníku ABC () a odvěsna spuštěná z bodu B na pokračování strany LS.
Rýže. 2,40. Úhel vymezující napěťový trojúhelník α
Tangenta úhlu α najdou to takhle. Položte se na libovolnou přímku MN() úsečka AC, úměrné napětí U 2 na rezistoru R. Poté losujte z bodů A A S, oba od středů, s poloměry úměrnými napětí U napájení a napětí U 1 na vinutí dva oblouky. Připojte tečku V průsečík těchto oblouků s bodem S a upustit od bodu V kolmý BD přímo MN. Nakonec výšku prodlužte BD trojúhelník ABC až 100 mm (seg DK) a projděte bodem NA Přímo KP, rovnoběžně se stranou slunce trojúhelník ABC. Když vezmeme segment DK na jednotku, pak odřízněte na přímce MNúsečka P.D. a bude se číselně rovnat tečně úhlu α .
V případech, kdy stejnosměrný odpor cívky převyšuje její indukční reaktanci, proveďte měření Lx prováděny na jiné, vyšší frekvenci (například 400 nebo 800 Hz). Průběh napětí na výstupu zdroje napětí této zvýšené (audio) frekvence musí být sinusový.
Rýže. 2.41. K problematice hledání tečny úhlu α
Při přechodu na frekvenci nerovnající se 50 Hz zadejte místo koeficientu do vzorců (32) ~ (35) 0,00318 faktor 1/2π f napájecí obvod, kde F- frekvence napájení obvodu.
Drtivá většina amatérských měřičů indukčnosti na regulátorech měří frekvenci generátoru pracujícího na frekvencích asi 100 kHz, a přestože mají údajně rozlišení 0,01 μH, ve skutečnosti jsou s indukčnostmi 0,5 a nižšími dobrými generátory náhodných čísel. , nikoli zařízení. Vývojář radiofrekvenčních zařízení má tři způsoby:
- odlomit
- kupte si průmyslový měřič impedance a nějakou dobu rychle
- udělat něco více vysokofrekvenčního a širokopásmového.
Přítomnost mnoha online kalkulaček tento úkol radikálně zjednodušuje, vystačíte si s jedním generátorem připojeným k frekvenčnímu měřiči, aniž byste ztratili mnoho na pohodlí, ale získali na funkčnosti.
Nástavec dokáže měřit indukčnost od 0,05 μH. Výstupní napětí je cca 0,5V. Vlastní indukčnost svorek je 0,04 μH. Výstupní frekvenční rozsah: xs...77 MHz.
Širokopásmový generátor je vyroben podle známého dvoubodového obvodu a je málo citlivý na faktor kvality obvodu pro nastavení frekvence. 
Pro měření nejmenších indukčností byla zvolena kapacita 82pf, spolu se vstupní kapacitou je vypočtená hodnota (pro kalkulačku) asi 100pf (vhodnější jsou zaokrouhlená čísla) a max. generační frekvence je asi 80 MHz. Z obvodu je napětí přiváděno do opakovače vt2 az něj do emitoru vt1, čímž je implementován PIC. Někdy používané přímé zapojení hradla do obvodu vede k nestabilnímu provozu generátoru na frekvencích 20-30 MHz, proto je použit oddělovací kondenzátor c1. Tranzistor s efektem pole musí mít počáteční odběrový proud alespoň 5 mA, jinak musí být tranzistor mírně otevřen s odporem několika stovek kOhmů od kladného k bráně. Je lepší použít tranzistor s vysokou transkonduktancí, tím se zvýší výstupní napětí odebrané ze zdroje. Ačkoli samotný generátor je prakticky necitlivý na typy tranzistorů.
Pro výpočty se používají online kalkulačky
Nejpohodlnější
nejvíce nepohodlné
okouzlující, ale s charakterem
Kapacita nastavení v zařízení může být jakákoli, dokonce i čínská hlína. Je lepší mít referenční cívky a naměřenou kapacitu vložit do kalkulátoru, i když ve skutečnosti to není nutné.
Fólie na rubové straně slouží jako zástěna.
Vývody k cívce jsou vyrobeny ve formě pružných plochých opletených vývodů o délce 2 cm. s krokodýly.
http://edisk.ukr.net/get/377203737/%D0%B8%D0%BD%D0%B4.lay6
Vlastnosti použití.
Pro napájení je lepší zajistit odpovídající svorku na měřiči frekvence.
Vodiče k cívce by měly být pokud možno rovné, pokud jsou měřeny ultranízké indukčnosti. Od výsledku je třeba odečíst vlastní indukčnost svorek 0,04 μH. Minimální měřitelná indukčnost je přibližně stejná.
Pro měření indukčností do 100 μH je vhodná standardní kapacita, nad ní je lepší použít dodatečné kapacity od 1N, jinak bude chyba z mezizávitové kapacity cívky.
Chcete-li změřit mezizávitovou kapacitu, musíte změřit skutečnou hodnotu indukčnosti pomocí C 10-100n, poté změřit frekvenci se standardní kapacitou (100pf), zadat ji do kalkulátoru a poté vypočítat celkovou kapacitu, ze které je třeba odečíst 100pf.
Příklad. axiální induktor 3,8 mH, se standardní kapacitní frekvencí 228 kHz, celková kapacita 128 pF, otáčky 28.
Kapacity v obvodech se počítají stejným způsobem.
Pro měření tlumivek na nízkofrekvenčních magnetických obvodech nn musí mít dostatečně velký počet závitů, např. na kroužcích 2000NN minimálně 20, jinak může být frekvence vyšší než u nich pracovní frekvence (až 400 kHz), a generace bude v nejlepším případě přerušena a v nejhorším případě pulzována, jako v blokovacím generátoru, s frekvencí kilohertzů. U nízkootáčkových je potřeba dodatečná kapacita.
Hlavním parametrem charakterizujícím cívky smyčky, tlumivky a vinutí transformátoru je indukčnost L. Ve vysokofrekvenčních obvodech se používají cívky s indukčností od setin mikrohenry do desítek milihenrie; cívky používané v nízkofrekvenčních obvodech mají indukčnosti až stovky a tisíce henry. U vysokofrekvenčních cívek, které jsou součástí oscilačních systémů, je vhodné měřit indukčnost s chybou maximálně 5 %; ve většině ostatních případů je přijatelná chyba měření až 10-20 %.
Rýže. 1. Ekvivalentní obvody induktoru.
Každá cívka se kromě indukčnosti L vyznačuje také vlastní (mezizávitovou) kapacitou CL a aktivním ztrátovým odporem R L rozloženým po její délce. Obvykle se má za to, že L, CL a RL jsou koncentrované a tvoří uzavřený oscilační obvod (obr. 1, a) s vlastní rezonanční frekvencí
fL = 1/(LC L) 0,5
Vzhledem k vlivu kapacity CL při měření při vysoké frekvenci f se neurčuje skutečná indukčnost L, ale efektivní neboli dynamická hodnota indukčnosti.
Ld = L/(1-(2*π*f) 2 *LC L) = L/(1-f 2 / f L 2)
která se může výrazně lišit od indukčnosti L naměřené při nízkých frekvencích.
Se zvyšující se frekvencí se zvyšují ztráty v induktorech v důsledku povrchového efektu, energetického záření, předpětí v izolaci a rámu vinutí a vířivých proudů v jádře. Proto může efektivní činný odpor R d cívky výrazně převyšovat její odpor R L měřený ohmmetrem nebo stejnosměrným můstkem. Faktor kvality cívky také závisí na frekvenci f:
QL = 2*π*f*Ld/Rd.
Na Obr. 1, b, znázorňuje ekvivalentní obvod induktoru s přihlédnutím k jeho provozním parametrům. Vzhledem k tomu, že hodnoty všech parametrů závisí na frekvenci, je vhodné zkoušet cívky, zejména vysokofrekvenční, na frekvenci kmitání zdroje odpovídající jejich provoznímu režimu. Při určování výsledků testu se index „d“ obvykle vynechává.
Pro měření parametrů induktorů se používají hlavní metody voltmetr - ampérmetr, můstek a rezonance. Před měřením musí být induktor zkontrolován na přerušené obvody a zkratované závity. Přerušený obvod lze snadno detekovat pomocí jakéhokoli ohmmetru nebo sondy, zatímco identifikace zkratu vyžaduje speciální test.
Pro jednoduché zkoušky induktorů se někdy používají katodové osciloskopy.
Indikace zkratovaných zatáček
Kontrola nepřítomnosti zkratu se nejčastěji provádí umístěním zkušební cívky do blízkosti jiné cívky, která je součástí oscilačního obvodu autogenerátoru, přítomnost oscilací, ve kterých a jejich úroveň jsou řízeny pomocí telefonů, číselníku, elektronických světlo nebo jiný indikátor. Cívka se zkratovanými závity vnese do obvodu, který je k ní připojen, aktivní ztráty a reaktanci, čímž se sníží činitel jakosti a efektivní indukčnost obvodu; V důsledku toho oscilace vlastního oscilátoru zeslábnou nebo dokonce selžou.
Rýže. 2. Schéma měřiče rezonanční kapacity využívající jev absorpce.
Citlivým zařízením tohoto typu může být např. generátor vyrobený podle zapojení na Obr. 2. Cívka se zkratovanými závity, přivedená do blízkosti smyčkové cívky L1, způsobí znatelné zvýšení odečtů mikroampérmetru μA.
Testovací obvod může být sériový obvod naladěný na frekvenci napájecího zdroje (viz „Rádio“, 72-5-54); napětí na prvcích tohoto obvodu, sledované nějakým indikátorem, vlivem zkratovaných závitů zkoušené cívky poklesne v důsledku rozladění a rostoucích ztrát. Je možné použít i symetrický střídavý můstek, jehož jedním z ramen by v tomto případě měla být komunikační cívka (místo cívky L x); zkratované závity zkoušených cívek způsobí nerovnováhu v můstku.
Citlivost testovacího zařízení je závislá na míře propojení cívky měřicího obvodu a zkoušené cívky, pro její zvýšení je vhodné umístit obě cívky na společné jádro, které je v tomto případě otevřené.
Při absenci speciálních přístrojů lze pro testování vysokofrekvenčních cívek použít rádiový přijímač. Ten se naladí na nějakou dobře slyšitelnou stanici, načež se testovaná cívka umístí do blízkosti jedné z jejích cívek pracovní smyčky, například magnetické antény (nejlépe na stejné ose s ní). Pokud dojde ke zkratovaným otáčkám, hlasitost se znatelně sníží. Snížení hlasitosti může také nastat, pokud je frekvence ladění přijímače blízká vlastní frekvenci testované cívky. Aby se předešlo chybám, měl by se test opakovat při ladění přijímače na jinou stanici, dostatečně frekvenčně vzdálenou od první.
Měření indukčností metodou voltmetr-ampérmetr
Voltmetr - ampérmetrová metoda používá se pro měření relativně velkých indukčností při napájení měřicího obvodu z nízkofrekvenčního zdroje F = 50...1000 Hz.
Schéma měření je na Obr. 3, A. Impedance Z induktoru se vypočítá podle vzorce
Z = (R2+X2) 0,5 = U/I
na základě odečtů zařízení na střídavý proud V ~ a mA ~. Horní (podle schématu) svorka voltmetru je připojena k bodu A u Z<< Z в и к точке b u Z >> Z a, kde Zin a Z a jsou celkové vstupní odpory voltmetru V ~ a miliampérmetru mA ~, v daném pořadí. Pokud jsou ztráty malé, tj<< X = 2*π*F*L x , то измеряемая индуктивность определяется формулой
L x ≈ U/(2*π*F*I).
Aby se zmenšila jejich velikost, velké indukční cívky se obvykle vyrábějí s ocelovými jádry. Přítomnost posledně jmenovaného vede k nelineární závislosti magnetického toku na proudu protékajícím cívkou. Tento vztah se stává zvláště složitým u cívek pracujících s předpětím, jejichž vinutími protékají střídavý i stejnosměrný proud. Proto indukčnost cívek s ocelovými jádry závisí na hodnotě a charakteru proudu, který jimi protéká. Například při velké složce konstantního proudu dochází k magnetickému nasycení jádra a indukčnost cívky prudce klesá. Navíc propustnost jádra a indukčnost cívky závisí na frekvenci střídavého proudu. Z toho vyplývá, že měření indukčnosti cívek s ocelovými jádry musí být prováděno za podmínek blízkých jejich provozním podmínkám. Ve schématu na Obr. 3, A to je zajištěno doplněním stejnosměrným obvodem znázorněným čárkovaně. Požadovaný předpětí je nastaven reostatem R2 podle údajů stejnosměrného miliampérmetru mA. Oddělovací kondenzátor C a induktor Dr oddělují stejnosměrné a střídavé napájecí obvody, čímž se eliminuje vzájemné ovlivňování mezi nimi. AC zařízení použitá v tomto obvodu by neměla reagovat na přímé složky proudu nebo napětí, které měří; pro voltmetr V ~ toho lze snadno dosáhnout zapojením kondenzátoru s kapacitou několika mikrofaradů do série.
Rýže. 3. Schémata měření indukčnosti metodou voltmetr - ampérmetr.
Další verze měřicího obvodu, která umožňuje obejít se bez střídavého miliampérmetru, je znázorněna na Obr. 3, b. V tomto zapojení reostaty R1 a R2 (lze je nahradit potenciometry zapojenými paralelně se zdroji) nastavují požadovaný zkušební režim pro střídavý a stejnosměrný proud. V poloze spínače 1 V Voltmetr V ~ měří střídavé napětí U 1 na cívce L x. Při přepnutí přepínače do polohy 2 je hodnota střídavého proudu v obvodu ve skutečnosti řízena úbytkem napětí U 2 na referenčním rezistoru R o. Pokud jsou ztráty v cívce malé, tj<< 2*π*F*L x , то измеряемую индуктивность можно рассчитать по формуле
L x ≈ U1*R o /(2*π*F*U2).
Mostová metoda pro měření parametrů induktorů. Univerzální měřící můstky
Můstky určené pro měření parametrů induktorů jsou tvořeny dvěma aktivními odporovými rameny, ramenem s měřeným objektem, jehož odpor je obecně složitý, a ramenem s reaktivním prvkem - kondenzátorem nebo induktorem.
Rýže. 4. Obvod můstku pro měření indukčností a ztrátových odporů.
V měřicích můstcích typu store je preferováno použití kondenzátorů jako reaktivních prvků, protože v nich mohou být energetické ztráty zanedbatelné, což přispívá k přesnějšímu stanovení parametrů studovaných cívek. Schéma takového mostu je na Obr. 4. Nastavitelným prvkem je zde kondenzátor C2 s proměnnou kapacitou (nebo zásobník kapacit), bočníkem proměnným rezistorem R2; ten slouží k vyrovnání fázového posunu vytvořeného ztrátovým odporem Rx v indukční cívce Lx. Aplikováním podmínky amplitudové rovnováhy (Z 4 Z 2 = Z 1 Z 3) zjistíme:
(Rx2+ (2*&pi*F*Lx)2) 0,5: ((1/R2)2+ (2*&pi*F*C2)2) 0,5 = R1R3.
Protože fázové úhly jsou φ1 = φ3 = 0, lze podmínku fázové rovnováhy (φ4 + φ2 = φ1 + φ3) zapsat jako rovnost φ4 + φ2 = 0, nebo φ4 = -φ2, nebo tg φ4 = -tg φ2. Vzhledem k tomu, že pro rameno s L x platí vzorec (tg φ =X/R) a pro rameno s kapacitou C 2 platí vzorec (tg φ =R/X) pro zápornou hodnotu úhlu φ2 , my máme
2*&pi*F*L x / R x = 2*&pi*F*C 2 R 2
Když společně vyřešíme výše uvedené rovnice, dostaneme:
Lx = C2R1R3; (1)
Rx = R1R3/R2. (2)
Z posledních vzorců vyplývá, že kondenzátor C2 a rezistor R2 mohou mít stupnice pro přímé posouzení hodnot L x a R x a jimi prováděné úpravy amplitudy a fáze jsou vzájemně nezávislé, což umožňuje rychlé vyvážení můstku .
Pro rozšíření rozsahu měřených hodnot je jeden z rezistorů R1 nebo R3 obvykle vyroben ve formě odporového zásobníku.
Je-li třeba měřit parametry cívek s ocelovými jádry, můstkové schéma na Obr. 4 je doplněn zdrojem konstantního napětí U o, reostatem R o a stejnosměrným miliampérmetrem mA, které slouží k regulaci a řízení předpětí, dále induktor Dr a kondenzátor C, oddělující obvody střídavé a stejnosměrné složky.
Rýže. 5. Obvod můstku obchodu pro měření indukčností a činitelů jakosti
Na Obr. Obrázek 5 ukazuje schéma jiné verze můstku zásobníku, ve kterém má kondenzátor C2 konstantní kapacitu a rezistory R1 a R2 jsou brány jako proměnné. Rozšíření měřicího rozsahu se provádí začleněním rezistorů R3 různých jmenovitých hodnot do můstku. Ze vzorců (1) a (2) vyplývá, že úpravy amplitudy a fáze v tomto obvodu jsou vzájemně závislé, proto je vyvážení můstku dosaženo střídavou změnou odporů rezistorů R1 a R2. Indukčnost L x se posuzuje na stupnici rezistoru R1 s přihlédnutím k multiplikátoru určenému nastavením přepínače. V. Odečet na stupnici odporu R2 se obvykle provádí v hodnotách Q cívek
QL = 2*π*F*Lx/Rx = 2*π*F*C2R2.
na frekvenci F napájecího zdroje. Platnost posledního vzorce lze ověřit, pokud se levá a pravá strana rovnosti (1) rozdělí na odpovídající části rovnosti (2).
S údaji uvedenými na diagramu umožňuje měřicí můstek měřit indukčnosti přibližně od 20 μH do 1, 10, 100 mH; 1 a 10 H (bez ocelových jader) a činitel jakosti do Q L ≈ 60. Zdrojem energie je tranzistorový generátor s frekvencí kmitání F ≈ 1 kHz. Nesymetrické napětí je zesíleno tranzistorovým zesilovačem nabitým na TF telefonech. Dvojitý RC filtr ve tvaru T, naladěný na frekvenci 2F ≈ 2 kHz, potlačuje druhou harmonickou kmitání zdroje, což usnadňuje vyvážení můstku a snižuje chybu měření.
Můstkové měřiče indukčnosti, kapacity a aktivního odporu mají řadu shodných prvků. Proto jsou často kombinovány v jednom zařízení - univerzálním měřicím můstku. Univerzální vysoce přesné můstky jsou založeny na obvodech obchodů, jako jsou ty znázorněné na obr. 5. Obsahují zdroj konstantního napětí nebo usměrňovač (napájející obvod měření R x), nízkofrekvenční generátor s výstupním výkonem několika wattů, vícestupňový zesilovač nesymetrického napětí naložený na magnetoelektrický galvanometr; ten se při měření aktivních odporů započítává přímo do měřící úhlopříčky můstku. Požadovaný měřicí obvod je vytvořen pomocí poměrně složitého spínacího systému. V takových můstcích se někdy používají indikátory logaritmického typu, jejichž citlivost prudce klesá, pokud můstek není vyvážený.
Rýže. 6. Schéma univerzálního rheochordového můstku pro měření odporu, kapacity a indukčnosti
Mnohem jednodušší jsou univerzální můstky posuvného typu, které měří parametry rádiových součástek s chybou řádově 5-15 %. Možné schéma takového mostu je na Obr. 6. Pro všechny typy měření je můstek napájen napětím o frekvenci přibližně 1 kHz, které je buzeno tranzistorovým generátorem vyrobeným podle indukčního tříbodového obvodu. Indikátor vyvážení je vysokoimpedanční telefon TF. Rezistory R2 a R3 jsou nahrazeny drátěným rheochordem (nebo častěji běžným potenciometrem), který umožňuje vyvážení můstku plynulou změnou poměru odporu R2/R3. Tento poměr se měří na posuvné stupnici, jejíž rozsah odečtů je obvykle omezen na krajní hodnoty 0,1 a 10. Naměřená hodnota se určí s vyváženým můstkem jako součin odečtu na posuvné stupnici a multiplikátor určený nastavením přepínače B. Každému typu a meze měření odpovídá zařazení do můstkového obvodu odpovídajícího nosného prvku požadované jmenovité hodnoty - kondenzátor C o (C1), rezistor R o (R4) nebo induktor L o (L4). ).
Charakteristickým rysem uvažovaného schématu je, že měřené prvky R x a L x jsou zahrnuty v prvním rameni mostu (s nosnými prvky R o a L o umístěnými ve čtvrtém rameni), a C x naopak, ve čtvrté paži (s C o - v prvním rameni). Díky tomu se hodnocení všech měřených veličin provádí pomocí podobných vzorců jako
A X = Ao (R2/R3),
kde A x a A o jsou hodnoty odpovídajících měřených a referenčních prvků.
Proměnný rezistor R5 slouží ke kompenzaci fázových posunů a zlepšení vyvážení můstku při měření indukčností. Za stejným účelem je někdy do obvodu referenčního kondenzátoru C zařazen proměnný odpor s malým odporem o hranici měření velkých kapacit, které mají často znatelné ztráty.
Aby se vyloučil vliv ruky operátora, bývá motor šoupátka připojen k tělu zařízení.
Měřiče rezonanční indukčnosti
Rezonanční metody umožňují měřit parametry vysokofrekvenčních induktorů v rozsahu jejich pracovních frekvencí. Schémata a metody měření jsou podobné těm, které se používají pro rezonanční měření kapacit kondenzátorů, samozřejmě s přihlédnutím ke specifikům měřených objektů.
Rýže. 7. Rezonanční obvod pro měření indukčností s odečítáním na stupnici generátoru
Zkoumaný induktor může být zařazen do vysokofrekvenčního generátoru jako prvek jeho oscilačního obvodu; V tomto případě je indukčnost L x určena na základě údajů frekvenčního měřiče, který měří kmitočet oscilací generátoru.
Častěji se cívka L x připojuje k měřicímu obvodu napojenému na zdroj vysokofrekvenčních kmitů, například generátor (obr. 2) nebo vstupní obvod rozhlasového přijímače naladěného na frekvenci vysílací stanice (obr. 8). Předpokládejme, že měřicí obvod tvoří vazební cívka L s ladícím jádrem a proměnným kondenzátorem C o.
Rýže. 8. Schéma měření kapacit rezonanční metodou pomocí rádiového přijímače
Pak je použitelná následující technika měření. Měřicí obvod při maximální kapacitě C o1 kondenzátoru C se úpravou indukčnosti L nastaví na rezonanci se známou frekvencí f zdroje kmitů. Poté se cívka L x zapojí do obvodu sériově se svými prvky, načež se rezonance obnoví snížením kapacity Co na určitou hodnotu Co2. Naměřená indukčnost se vypočítá pomocí vzorce
Lx = * (C01-C02)/(C01C02).
U širokorozsahových rezonančních měřičů je měřicí obvod tvořen referenčním kondenzátorem CO a studovanou cívkou L x. Obvod je zapojen indukčně, nebo častěji přes malý kondenzátor C 1 (obr. 7 a 9) s vysokofrekvenčním generátorem. Je-li známa frekvence kmitání generátoru f 0, odpovídající rezonančnímu ladění obvodu, pak je naměřená indukčnost určena vzorcem
L x = 1/[(2*π*f o)2*Co]. (3)
Existují dvě možnosti konstrukce měřicích obvodů. V obvodech první možnosti (obr. 7) je kondenzátor C o odebírán s konstantní kapacitou a rezonance je dosaženo změnou nastavení generátoru pracujícího v hladkém frekvenčním rozsahu. Každá hodnota L x odpovídá určité rezonanční frekvenci
f 0 = 1/(2*π*(L x C x) 0,5), (4)
proto může být kondenzátor smyčky generátoru vybaven měřítkem v hodnotách L x. Při širokém rozsahu měřených indukčností musí mít generátor několik frekvenčních podrozsahů se samostatnými stupnicemi pro odhad L x v každém podrozsahu. Pokud zařízení používá generátor, který má frekvenční stupnici, lze sestavit tabulky nebo grafy pro určení L x z hodnot f 0 a C o.
Aby se eliminoval vliv vlastní kapacity C L cívky na výsledky měření, musí být kapacita C o velká; na druhé straně je žádoucí mít kapacitu Co malou, aby se při měření malých indukčností zajistil dostatečně velký poměr L x /C o, nezbytný pro získání znatelných hodnot indikátoru při rezonanci. V praxi berou C o = 500...1000 pF.
Pokud vysokofrekvenční generátor pracuje v omezeném frekvenčním rozsahu, který není rozdělen na podrozsahy, pak se k rozšíření mezí měření indukčnosti používá několik přepínatelných kondenzátorů C o; pokud se jejich kapacity liší o faktor 10, pak lze při všech mezích provést posouzení L x na stejné stupnici generátoru pomocí multiplikátorů, které jsou násobky 10. Takové schéma má však značné nevýhody.
Měření relativně velkých indukčností, které mají značnou vlastní kapacitu C L, nastává na hranici s malou kapacitou C o, a naopak měření malých indukčností se provádí na hranici s velkou kapacitou C o s nepříznivým poměr L x / C o a nízké rezonanční napětí na obvodu.
Rýže. 9. Rezonanční obvod pro měření indukčností s odečtem na stupnici referenčního kondenzátoru
V rezonančních měřičích, jejichž obvody jsou provedeny podle druhé možnosti (obr. 9), se indukčnosti měří při pevném kmitočtu generátoru f 0 . Měřicí obvod je naladěn do rezonance s frekvencí generátoru pomocí proměnného kondenzátoru C o, jehož stupnici lze podle vzorce (3) přímo odečítat v hodnotách L x. Označíme-li pomocí Cm a Cn maximální a počáteční kapacitu obvodu a pomocí Lm a Ln maximální a nejmenší hodnoty naměřených indukčností, pak budou meze měření zařízení omezeny poměr
Lm/Ln = Cm/Cn.
Typické kondenzátory s proměnnou kapacitou mají kapacitní překrytí přibližně 30. Aby se snížila chyba při měření velkých indukčností, je počáteční kapacita C n obvodu zvýšena zařazením přídavného kondenzátoru C d do obvodu, obvykle ladícího typu.
Označíme-li ΔС o největší změnu kapacity kondenzátoru C o, rovnou rozdílu jeho kapacit ve dvou krajních polohách rotoru, pak pro získání zvoleného poměru L m / L n musí mít obvod počáteční kapacita
Cn = AC°: (Lm/Ln-1). (5)
Například s AC o = 480 pF a poměrem L m / L n = 11 získáme C n = 48 pF. Pokud jsou hodnoty C n a L m / L n ve výpočtu výchozími údaji, pak je nutné použít kondenzátor C o, který má kapacitní rozdíl
ACo > Cn (Lm / Ln-1).
Pro velké hodnoty C n a L m / L n může být nutné použít dvojitý nebo trojitý blok proměnných kondenzátorů.
Frekvence f 0, na které musí generátor pracovat, je určena vzorcem (4) tak, že se do něj dosadí hodnoty L m a C n nebo L n a C m. Pro rozšíření celkového rozsahu měření je generátor provozován při několika přepínatelné pevné frekvence. Pokud se sousední frekvence generátoru liší faktorem 10 0,5 ≈ 3,16, pak při všech limitech můžete použít obecnou stupnici indukčnosti kondenzátoru C o s násobky, které jsou násobky 10 a určené nastavením přepínače frekvence (obr. 9). Hladké překrytí celého rozsahu měřených indukčností je zajištěno při poměru kapacit obvodu C m / C n ≥ 10. Pokud je kondenzátor Co logaritmického typu, pak je stupnice indukčnosti blízká lineární.
Místo generátoru s pevnou frekvencí lze použít měřicí generátor s plynulou změnou frekvence, která se nastavuje v závislosti na požadované hranici pro měření indukčností.
Rezonanční obvody pro měření indukčnosti a kapacity jsou často kombinovány v jednom zařízení, protože mají řadu identických prvků a podobnou techniku měření.
Příklad. Vypočítejte měřič rezonanční indukčnosti pracující podle zapojení na Obr. 9, pro rozsah měření 0,1 μH - 10 mH při použití duálního bloku proměnných kondenzátorů, u kterých je možné měnit kapacitu sekcí od 15 do 415 pF.
Řešení
1. Největší změna kapacity obvodu ΔС o = 2*(415-15) = 800 pF.
2. Zvolte poměr L m / L n = 11. Poté bude mít zařízení pět mezí měření: 0,1-1,1; 1-11; 10-110; 100-1100 uH a 1-11 mH.
3. Podle (5) musí mít obvod počáteční kapacitu C n = 800/10 = 80 pF. Vezmeme-li v úvahu počáteční kapacitu kondenzátorového bloku, rovnou 30 pF, zařadíme do obvodu ladicí kondenzátor C d s maximální kapacitou 50...80 pF.
4. Maximální kapacita obvodu C m = C n + ΔC o = 880 pF.
5. Podle (4) musí generátor při prvním limitu měření pracovat na frekvenci
f01 = 1/(2*π*(LnCm) 0,5) ≈ 0,16*(0,1*10^-6*880*10^-12) ≈ 17 MHz.
Pro ostatní meze měření zjistíme, v tomto pořadí: f 02 = 5,36 MHz; f03 = 1,7 MHz; f04 = 536 kHz; f05 = 170 kHz.
6. Provádíme stupnici indukčnosti pro mez měření 1-11 μH.
Q-metry (kumetry)
Přístroje určené k měření činitele kvality prvků vysokofrekvenčních obvodů se často nazývají kumetry. Působení komer je založeno na využití rezonančních jevů, což umožňuje kombinovat měření činitele jakosti s měřením indukčnosti, kapacity, vlastní rezonanční frekvence a řady dalších parametrů zkoušených prvků.
Kumeter, jehož zjednodušené schéma je znázorněno na Obr. 10, obsahuje tři hlavní součásti: vysokofrekvenční generátor, měřicí obvod a indikátor rezonance. Generátor pracuje v širokém, plynule se překrývajícím frekvenčním rozsahu, například od 50 kHz do 50 MHz; to umožňuje provádět mnoho měření při provozní frekvenci zkoušených prvků.
Zkoumaná tlumivka L x , R x přes svorky 1 a 2 je připojena k měřicímu obvodu sériově s referenčním kondenzátorem s proměnnou kapacitou Co a vazebním kondenzátorem C 2 ; kapacita posledně jmenovaného musí splňovat podmínku: C 2 >> C o.m, kde Co.m je maximální kapacita kondenzátoru Co. Přes kapacitní dělič C 1, C 2 s velkým dělicím koeficientem
N = (C2 + C1)/C1
Z generátoru je do obvodu zavedeno referenční napětí U o požadovaném vysokém kmitočtu f. Proud vznikající v obvodu vytváří na kondenzátoru C o úbytek napětí U C, který je měřen vysokofrekvenčním voltmetrem V2.
Vstupní odpor voltmetru V2 v rámci pracovních frekvencí měřiče musí být velmi vysoký. Pokud je citlivost dostatečně vysoká, připojí se voltmetr k měřicímu obvodu přes kapacitní dělič napětí, jehož vstupní kapacita je brána v úvahu jako složka počáteční kapacity kondenzátoru C o. Protože všechny kondenzátory, které jsou součástí měřicího obvodu, mají velmi malé ztráty, můžeme předpokládat, že aktivní odpor obvodu je určen především ztrátovým odporem R x studované cívky.
Rýže. 10. Zjednodušené schéma zapojení
Změnou kapacity kondenzátoru C o se měřicí obvod naladí do rezonance s frekvencí generátoru f podle maximálních odečtů voltmetru V2. V tomto případě bude obvodem protékat proud I p ≈ U o /R x, který vytvoří úbytek napětí na kondenzátoru
U C = I p /(2*π*f*C o) ≈ U o /(2*π*f*C o R x).
Uvážíme-li, že při rezonanci 1/(2*π*f*С о) = 2*&pi*f*L x , najdeme
UC ≈ U o (2*π*f*L x)/R x = U o Q L,
kde Q L = (2*π*f*L x)/R x je činitel jakosti cívky L x při frekvenci f. V důsledku toho jsou hodnoty voltmetru V2 úměrné faktoru kvality Q L. Při pevném napětí U o lze stupnici voltmetru lineárně kalibrovat v hodnotách Q L ≈ U C /U o. Například při U o = 0,04 V a mezní hodnotě měření voltmetru U p = 10 V budou napětí na vstupu voltmetru 2, 4, 6, 8 a 10 V odpovídat faktoru kvality Q L rovnému 50, 100 , 150, 200 a 250.
Jmenovité napětí U o se nastavuje úpravou režimu koncového stupně generátoru. Toto napětí je sledováno podle údajů vysokofrekvenčního voltmetru V1, který měří napětí U 1 = U o N na výstupu generátoru. Pokud je například stupnice činitele kvality voltmetru V2 vytvořena při napětí Uo = 0,04 V a dělicím koeficientu N = 20, pak musí být napětí na výstupu generátoru udržováno na U x = 0,04 * 20 = 0,8 V. Mez měření voltmetru V1 musí mírně překročit vypočtenou hodnotu napětí U 1 a rovná se například 1 V.
Zvýšení horní hranice pro měření jakostních faktorů se dosáhne snížením napětí U o na hodnotu několikanásobně nižší, než je jmenovitá hodnota. Předpokládejme, že při napětí U o = 0,04 V je zajištěn přímý odečet činitele jakosti na hodnotu Q L = 250. Snížíme-li napětí U o na polovinu, na 0,02 V, bude se ručička voltmetru V2 vychylovat. v plném rozsahu při faktoru kvality Q L = U p / U o = 10/0,02 = 500. Pro čtyřnásobné zvýšení horní meze měření na hodnotu Q L = 1000 by proto měla být měření prováděna při napětí U o = 40/4 = 10 mV.
Napětí U o lze snížit na požadovanou hodnotu dvěma způsoby: změnou dělicího koeficientu N spínáním kondenzátorů C 1 různých jmenovitých hodnot nebo úpravou výstupního napětí U 1 generátoru. Pro usnadnění měření vysoce kvalitních faktorů je voltmetr V1 (nebo přepínač dělicího faktoru) vybaven stupnicí (označením), na které je údaj, charakterizující stupeň snížení napětí U o ve srovnání s jeho jmenovitou hodnotou, násobitelem na stupnici faktoru kvality voltmetru V2.
Pro kontrolu činnosti měřidla a rozšíření jeho možností se používají podpůrné cívky L o se známou indukčností a činitelem jakosti. Obvykle bývá sada více výměnných cívek L o, které spolu s proměnným kondenzátorem C o zajišťují rezonanční ladění měřicího obvodu v celém rozsahu pracovních frekvencí generátoru.
Při měření faktor kvality induktorů Q L 10-15 minut před zahájením práce zapněte napájení zařízení a nalaďte generátor na požadovanou frekvenci. Po zahřátí jsou voltmetry V1 a V2 nastaveny na nulu. Zkoušená cívka je připojena na svorky 1 a 2. Postupným zvyšováním výstupního napětí generátoru se ručička voltmetru V1 vychyluje na jmenovitou úroveň. Kondenzátor Co ladí obvod do rezonance s frekvencí generátoru. Pokud současně ručička voltmetru V2 přesahuje stupnici, výstupní napětí generátoru se sníží. Hodnota činitele jakosti Q L se stanoví jako součin odečtů na stupnici činitele jakosti voltmetru V2 a na stupnici násobiče voltmetru V1.
Faktor jakosti oscilačního obvodu Q K se měří ve stejném pořadí připojením cívky obvodu ke svorkám 1 a 2 a jejího kondenzátoru ke svorkám 3 a 4. V tomto případě je kondenzátor C o nastaven do polohy minimální kapacity. Pokud má kondenzátor zkoumaného obvodu proměnnou kapacitu, pak se používá k naladění obvodu do rezonance na požadované frekvenci generátoru f; pokud je tento kondenzátor konstantní, pak se rezonanční ladění provádí změnou frekvence generátoru.
Měření metrem indukčnost cívky Lx se vyrábí způsobem diskutovaným výše ve spojení s diagramem na Obr. 9. Generátor je naladěn na referenční frekvenci, zvolenou podle tabulky v závislosti na očekávané hodnotě L x. Zkoušená cívka se připojí na svorky 1 a 2. Měřicí obvod se nastaví na rezonanci kondenzátorem C o, na jehož speciální stupnici se posuzuje hodnota L x s přihlédnutím k hodnotě dělení uvedené v tabulce. Zároveň lze změnou parametrů obrysu určit vlastní kapacita cívky CL . Pro dvě libovolné hodnoty kapacit C 01 a C 02 kondenzátoru C se změnou nastavení generátoru zjistí rezonanční frekvence obvodu f 1 a f 3. Požadovaná kapacita
CL = (C 02 f 4 2 -C 01 f 1 2): (f 1 2 - f 2 2)
Odměrné nádoby s měřidlem se provádí substituční metodou. Testovaný kondenzátor Cx je připojen ke svorkám 3 a 4 a jedna z podpůrných cívek Lo je připojena ke svorkám 1 a 2, což zajišťuje rezonanční ladění obvodu ve zvoleném frekvenčním rozsahu. Současně můžete určit ztrátovou tečnu (faktor kvality) kondenzátoru:
tan δ = 1/(2*π*f*C x Rp)
(kde R p je ztrátový odpor). Chcete-li to provést, se dvěma hodnotami kapacit C 01 a C 02, které odpovídají rezonančnímu nastavení obvodu bez kondenzátoru C x a když je tento připojen, najděte faktory kvality obvodu Q 1 a Q 2 a poté proveďte výpočet pomocí vzorce
tg δ = Q 1 Q 2 /(Q 1 -Q 2) * (C 01 - C 02)/C 01
V případě potřeby lze generátor kumeter použít jako měřicí generátor a elektronické voltmetry lze použít pro měření napětí v širokém frekvenčním rozsahu.
