Измерение индуктивности с помощью осциллографа
Недавно подбирал дроссель фильтра питания и решил посмотреть, что нового изобрели в области измерения индуктивности с помощью осциллографа. Ничего нового не изобрели, а в приборах без осциллографа добавляют к старым схемам микропроцессоры, что конечно современно, но не нужно. На практике измерений индуктивности с точностью 5-7-10% достаточно, остальное особые случаи, требующие приборов заводского изготовления. Даже в профессиональной деятельности такие приборы используются только в узкоспециализированных разработках, а для того, чтобы определить индуктивность дросселя на ферритовом сердечнике строить монстрообразный прибор по крайней мере неразумно, особенно при наличии осциллографа. Однако и приставки к осциллографам показались мне слишком сложными, обычно на основе всякого рода генераторах, с последующим расчетам индуктивности по достаточно сложным формулам. Поэтому предлагаю свой старый способ и несложную приставку к осциллографу.
Сначала обратимся к известной формуле расчета индуктивности в резонансном контуре.
В результате для вычисления индуктивности остается измерить период колебаний резонансного контура в микросекундах и возвести в квадрат, получим значение в микрогенри.
Принцип измерения индуктивности показан на схеме.
Стабилитрон VD1 устанавливается в случае использования низковольтного транзистора, для ограничения первого импульса, амплитуда которого может достигать несколько десятков вольт. R1 используется для защиты источника питания в случае пробоя транзистора. Осциллограф должен иметь входной делитель с низкой входной емкостью. Если его нет, тогда можно в цепь эмиттера установить резистор 10-100 ом и снимать сигнал с эмиттера.
Емкость С1 должна быть точной и высокостабильной, подобные конденсаторы встречаются в старой связной аппаратуре, их емкость имеет точность 0,5-1%, например К31-7-2. Эти конденсаторы можно приобрести в Интернете. Если найти такой конденсатор не удается, то можно сделать набор из стабильных конденсаторов, желательно слюдяных, и измерить емкость с помощью хорошего прибора, сейчас есть мультиметры, измеряющие емкости с точностью 1-2%, например китайский прибор UT61E дает значение емкости для конденсатора К31-7-2 10000 пф 0,5% равное 10065 пф.
Схема приставки для измерения индуктивности
Окончательная схема показана на рисунке. Сборка выполнена на монтажной плате максимально короткими проводниками. Диод D1 — диод Шоттки. Транзистор VT1 следует выбирать с большим допустимым напряжением Uкэ, лучше применить 2Т842А. Для указанных номиналов деталей генератора период импульсов равен
200 мксек, длительность импульса
Далее показаны осциллограммы испытаний приставки с дросселем ДМ-01, 500 мкГн. Шкала осциллографа по напряжению 5 вольт на деление, по времени 50 мксек. Для точного измерения времени следует растянуть изображение и измерить период синусоиды.
Период синусоиды равен
23,7 мксек, точнее не измерить, нужен цифровой осциллограф. Возводим в квадрат и получаем величину индуктивности 561 мкГн. На моем образце приставки с конденсатором 25300 0,5% и осциллографом С1-118 была достигнута точность измерения в 4-6% в диапазоне 75 — 500 мкГн. Измеряемые индуктивности имели точность 5%. Учитывая допуск измеряемых индуктивностей и погрешность измерения периода сигнала осциллографом, это хороший результат для такой примитивной приставки. В диапазоне индуктивностей 12 — 75 мкГн и 500 — 1500 мкГн точность измерений снижалась до 8-12%.
Для повышения точности в этих диазонах следует уменьшать/увеличивать емкость, если это нужно и пересчитывать формулу. Вряд ли это необходимо.
Если подать на контур постоянный ток подмагничивания, то значение индуктивности уменьшается, а осциллограмма искажается. Для тока подмагничивания 12 ма осциллограмма показана ниже.
Можно добиться получения практически точной синусоиды без затухания амплитуды напряжения. Для этого следует уменьшать период следования импульсов генератора и уменьшить длительность импульса. Ниже показана осциллограмма для такого случая. Получился генератор синусоиды с амплитудой напряжения в 35 вольт.
Измерение индуктивности с помощью осциллографа
Измерение индуктивности (например, индуктивности контурной катушки), когда для этих целей нет специальных приборов, а имеется осциллограф и генератор сигнала соответствующего диапазона, поступают следующим образом. На параллельный колебательный контур через конденсатор С1 небольшой емкости (10—20 пФ) подают сигнал от генератора. Через аналогичный конденсатор С2 подключают «Вход Y » осциллографа (рис.). Выходной сигнал генератора и чувствительность осциллографа устанавливают такими, чтобы на экране можно было наблюдать изображение сигнала. Горизонтальную развертку лучше отключить, тогда на экране будет вертикальная линия, по размаху которой удобнее вести настройку.
Приставка для измерения индуктивности
Перестраивая генератор, добиваются наибольшего размаха отклонения луча. При этом частота сигнала генератора будет равна резонансной частоте колебательного контура. Отсчитав по шкале генератора значение частоты, определяют индуктивность катушки (в микрогенри) по формуле
где f — частота генератора, МГц; Ск — емкость, пФ.
Точность измерений индуктивности этим методом тем выше, чем меньше емкость, вносимая в контур генератором, осциллографом и соединительными кабелями. Уменьшить вносимые емкости позволяют конденсаторы, связи С1 и С2. Причем если емкость конденсаторов С1+С2<<Ск, можно не учитывать емкость, вносимую в контур, в том числе емкость конденсаторов связи. Однако необходимо иметь в виду, что уменьшение емкости конденсаторов связи требует увеличения выходного напряжения генератора или (и) чувствительности осциллографа.
Как измерить ёмкость и индуктивность с помощью генератора и осциллографа + online-калькулятор
Для многих любителей электроники актуальной является задача измерения емкостей конденсаторов и индуктивностей дросселей, поскольку, в отличие от резисторов, эти компоненты нередко бывают не промаркированы (особенно SMD). Между тем, имея генератор синусоидальных колебаний и осциллограф (приборы, которые должны быть в любой радиолюбительской лаборатории), эта задача довольно просто решается. Всё, что для этого нужно — это вспомнить начальный курс электротехники.
Рассмотрим простейшую схему — последовательно соединённые резистор и конденсатор. Пусть эта схема подключена к источнику синусоидальных колебаний. Запишем уравнения для напряжений на элементах нашей схемы в операторной форме: UR = I * R, UC = -j * I / ωC. Из этих уравнений очевидно, что амплитудные значения напряжений будут относится следующим образом: UR / UC = R * ωC (конечно, напряжения будут сдвинуты по фазе, но нас это в данном случае не волнует, нас волнуют
только амплитуды).
Думаю, что многие уже догадались к чему я клоню. Да-да, из последнего уравнения довольно просто вычисляется ёмкость:
Итак, алгоритм простой: подключаем последовательно с измеряемой ёмкостью резистор, подключаем к этой схеме генератор синусоидальных колебаний и осциллографом измеряем амплитуды напряжений на нашем конденсаторе и резисторе. Изменяя частоту, добиваемся, чтобы амплитуда напряжений на обоих элементах была примерно одинаковой (так измерение получится точнее). Далее, подставляя измеренные значения амплитуд в формулу (1), находим искомую ёмкость конденсатора.
Аналогично можно вывести формулу для подсчета индуктивности:
Таким образом, имея генератор синусоидальных колебаний и осциллограф, с помощью формул (1) и (2) оказывается довольно просто вычислить неизвестную ёмкость или индуктивность (благо резисторы практически всегда имеют маркировку).
Алгоритм действий следующий:
1) Собираем схему из последовательно соединённых резистора известного номинала и исследуемой ёмкости (индуктивности).
2) Подключаем эту схему к генератору синусоидальных колебаний и изменением частоты добиваемся того, чтобы амплитуды напряжений на обоих элементах схемы были примерно одинаковы.
3) По формуле (1) или (2) вычисляем номинал исследуемой ёмкости или индуктивности.
Несмотря на то, что наши элементы не идеальные, есть допуск на номинал резистора и всегда есть некоторые погрешности измерений, результат получается довольно точным (по крайней мере можно без труда идентифицировать ёмкость в стандартном ряду). Пусть у меня при измерении ёмкости получилась величина 1,036 нФ. Очевидно, что на исследуемом конденсаторе должна была быть нанесена маркировка 1 нФ.
Для того, чтобы вам легче было сориентироваться с номиналами резисторов, приведу некоторые примеры:
— для ёмкости 15 пФ в схеме с резистором 200 кОм амплитуды напряжений будут примерно равны на частоте 53 кГц;
— для ёмкости 1 нФ в схеме с резистором 10 кОм амплитуды напряжений будут примерно равны на частоте 15,9 кГц;
— для ёмкости 0,1 мкФ в схеме с резистором 680 Ом амплитуды напряжений будут примерно равны на частоте 2,34 кГц;
— для индуктивности 3 мкГн в схеме с резистором 120 Ом амплитуды напряжений будут примерно равны на частоте 6,3 МГц;
— для индуктивности 100 мкГн в схеме с резистором 120 Ом амплитуды напряжений будут примерно равны на частоте 190 кГц.
Таким образом, диапазон измеряемых емкостей и индуктивностей зависит только от диапазона частот, с которыми могут работать ваши генератор и осциллограф.
На основе этого метода можно изготовить прибор для автоматического измерения емкостей и индуктивностей.
Online-калькулятор для расчёта емкостей и индуктивностей:
(для правильности расчётов используйте в качестве десятичной точки точку, а не запятую)
Как измерить емкость и индуктивность с помощью осциллографа.
Оно равно 14,8uS. Так как сопротивление генератора включено последовательно с нашей цепочкой его необходимо учесть, в итоге активное сопротивление равно 150 Ohm. Разделим значение тау(14,8 uS) на сопротивления(150 Om) и найдем емкость, она равна 98,7 nF . На конденсаторе написано, что емкость равна 100nF.
Теперь измерим индуктивность. На схеме место подключения катушки индуктивности обозначено L?. Подключаем катушку, включаем генератор и подключаем щуп осциллографа параллельно контуру. На осциллографе увидим такую картинку.