Вимірювач LCR, брат-близнюк мультиметра

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest(R) з номенклатурою мультиметрів, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї Розділу

Характеристик импеданса рассчитываются согласно формулы 1. Из этой формулы мы можем узнать роль трех пассивных компонентов, влияющих на импеданс. Действительная часть импеданса — это сопротивление, а мнимая часть — реактивное сопротивление, включающее в себя емкость и индуктивность. Величины пассивных компонентов в реальной среде подвержены различного рода воздействиям, тем самым говорить об идеальной ситуации, при которой они остаются неизменны, не приходится. Чистое сопротивление, чистая индуктивность и чистая емкость появляются могут быть только при идеальных ситуациях, что возможно лишь теоретически. В реальной же жизни необходимо учитывать неидеальные условия, вызванные паразитными компонентами, поскольку паразитные компоненты вызывают наличие индуктивности в емкости и ёмкости в индуктивности. Характеристики реактивного сопротивления изменяются после появления резонансной частоты. Следовательно, важно понимать и измерять резонансную частоту.

(Formula 1)

Формула реактивного сопротивления емкости показана в формуле 2. По мере увеличения частоты f реактивное сопротивление XC станет меньше. Емкость пропускает высокие частоты и блокирует низкие частоты. Для постоянного тока конденсатор представляет собой разомкнутую цепь.

(Formula 2)

Формула реактивного сопротивления индуктивности показана в формуле 3. По мере увеличения частоты f реактивное сопротивление XL возрастает. Индуктивность пропускает низкие частоты и блокирует высокие частоты. Для постоянного тока индуктор представляет собой короткое замыкание.

 (Formula 3)

1. Что такое резонанс и резонансная частота?

В цепи присутствуют емкость и индуктивность. Когда индуктивное реактивное сопротивление равно емкостному реактивному сопротивлению, это называется резонансом (формула 4). С помощью этого определения можно рассчитать резонансную частоту (формула 5):

*Процесс деривации выглядит следующим образом:

 2. Почему резонансная частота важна для измерения характеристик пассивных компонентов?

Можно сказать, что когда частота, соотнесённая к конкретному компоненту, ниже резонансной частоты, то этот компонент обычно проявляет свои характеристики в соответствии с идеальными характеристиками компонента. Однако, как только приложенная частота превышает резонансную частоту, то компонент  будет проявлять противоположные характеристики, то есть емкостное реактивное сопротивление станет индуктивным реактивным сопротивлением и наоборот.

В качестве примера возьмем рисунок А, который представляет собой диаграмму частотной характеристики конденсатора. Горизонтальная ось — это приложенная частота, а вертикальная ось — реактивное сопротивление, соответствующее компоненту. Красная прямая диагональная линия — идеальная характеристика компонента. Чем выше частота, тем меньше реактивное сопротивление (можно рассчитать по формуле 2). Но на самом деле, когда частота выше резонансной, то реактивное сопротивление с ростом частоты вместо того, чтобы падать, возрастает, то есть начинает проявлять реверсивные характеристики.

Рисунок A: Сравнение кривой импеданса идеального конденсатора и реальных характеристик до и после резонансной частоты

Тогда почему реактивное сопротивление растет, а не падает? На рисунке B/C вы можете увидеть паразитную индуктивность, включенную последовательно на конденсаторе. Когда она выше резонансной частоты, реактивное сопротивление, создаваемое паразитной индуктивностью, больше, чем реактивное сопротивление емкости. Поскольку паразитная индуктивность последовательно соединена, эквивалентное реактивное сопротивление увеличится. Другими словами, паразитная индуктивность в это время становится основным игроком, поэтому появятся АЧХ индуктивности.

Рисунок B: Эквивалентная схема конденсатора SMD

Рисунок C: Эквивалентная схема свинцового конденсатора.

Если взять рисунок D в качестве примера, то это частотная характеристика индуктивной составляющей. Красная прямая диагональная линия — идеальная характеристика дросселя. Чем выше частота, тем больше реактивное сопротивление (можно рассчитать по формуле 3). Но на самом деле при увеличении частоты до резонансной, реактивное сопротивление не увеличивается, а уменьшается с ростом частоты, то есть начинает проявлять реверсивные характеристики.

Рисунок D: Сравнение кривой импеданса идеального дросселя и реальных характеристик до и после резонансной частоты.

Почему реактивное сопротивление начинает уменьшаться, а не расти? Причина та же, что и выше. Вы можете увидеть паразитную емкость индуктора на рисунке E. Когда она выше резонансной частоты, реактивное сопротивление, создаваемое паразитной емкостью, меньше реактивного сопротивления индуктора, и ток будет течь в место с наименьшим сопротивлением. , поэтому ток отводится на путь паразитной емкости. Короче говоря, паразитная емкость в это время становится основным игроком, поэтому появляются частотные характеристики конденсатора.

Рисунок E: Эквивалентная схема дросселя (без сердечника)

3. Как анализировать резонансную частоту?

Характеристики компонентов относятся к собственным в конкретных условиях (коммерческие спецификации, автомобильные спецификации, военные спецификации), поэтому условия измерения должны быть выше или равны фактическим условиям применения. Реактивные характеристики катушек индуктивности и конденсаторов на разных частотах различны. Хотя процесс производства компонентов из одной партии весьма последователен, все же имеются небольшие различия в значениях паразитных компонентов. Также необходимо подтвердить, работают ли компоненты после резонансной частоты (из-за изменения характеристик реактивного сопротивления). Для вышеуказанного требования обычный измеритель LCR для измерения частоты в одной точке не может удовлетворить спрос. Раньше измерения, которые можно было выполнить с помощью развертки по частоте, были доступны только на дорогих анализаторах импеданса.

Современный измеритель LCR был усовершенствован и теперь имеет возможность качания частоты и оценки паразитных составляющих анализатора импеданса. На рисунке F показан результат развертки частоты емкостного компонента, измеренный GW Instek LCR-8200A. Диапазон частот развертки составляет от 1 МГц до 27,5 МГц. Результат развертки показывает соответствующее значение импеданса Z и изменение фазы в частотном диапазоне. Горизонтальная ось — приложенная частота.

Следует отметить, что здесь обычно используется логарифмический масштаб. Вертикальная ось — импеданс и фаза, соответствующие компоненту; желтая линия — изменение значения импеданса в логарифмическом масштабе, а зеленая линия — изменение фазы в линейном масштабе. Из значения импеданса при обратном изменении видно, что резонансная частота этого компонента составляет около 18 МГц. То есть характеристики компонентов конденсатора сохраняются при частоте 18 МГц. За пределами 18 МГц он переключится на индуктивную характеристику (измененную на преобладание паразитной индуктивности).

Рисунок F: Пример применения сдвига характеристической кривой

Если вы хотите провести дальнейший анализ, вы можете использовать функцию анализа модели эквивалентной схемы (Анализ эквивалентной схемы). Функция анализа модели эквивалентной схемы заключается в вызове модели, полученной на основе теоретического значения, и сравнении ее посредством аппроксимации кривой. Когда измеренное значение приближается к теоретическому значению, можно получить значение паразитной составляющей.

Как показано на рисунке G, вы можете сначала вызвать модель эквивалентной схемы D (L1 C1 R1 соединены последовательно), и появится теоретически выведенная кривая модели. Затем вы можете медленно отрегулировать параметры модели эквивалентной схемы L1 C1 R1, чтобы приблизить фактическое значение измерения. Когда теоретическая кривая практически идентична кривой реального результата, L1 R1 в этот момент наиболее близки к значению паразитного элемента. Это близко к функции анализатора импеданса.

Рисунок G: Оценка паразитного компонента

Магазин Gtest® - авторизований постачальник мультиметрів до України: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/multimetry