Обзор современных измерителей импеданса (измерители RLC)

№ 3’2002
PDF версия
Для измерения комплексных параметров цепей на различных частотах или комплексного сопротивления рпедназначены приборы, которые называются измерители импеданса.

Для измерения комплексных параметров цепей на различных частотах или комплексного сопротивления рпедназначены приборы, которые называются измерители импеданса. Измеритель иммитанса — прибор, измеряющий комплесную проводимость. Чаще всего эти приборы называют измерители RLC, хотя это название не отражает реального функционального назначения этих средств измерения.

Кроме измерения R, L и C, в зависимости от типа, эти приборы позволяют измерять такие параметры как:

  • добротность цепи или электронного компонента;
  • тангенс угла потерь;
  • комплексное сопротивление на различных частотах;
  • фазовый сдвиг между током и напряжением в цепи;
  • активное сопротивление постоянному току.

Основными характеристикам измерителей импеданса, кроме диапазона и погрешности измерения R, L и C являются:

  • Частотный диапазон тестового сигнала. Чем шире частотный диапазон, тем шире пределы измерения L и C прибора. Для измерения малых емкостей и индуктивностей необходима как можно более высокая частота тестового сигнала.
  • Пределы изменения уровня тестового сигнала и возможность его стабилизации при изменении сопротивления измеряемой цепи.
  • Наличие внутреннего и внешнего смещения тестового сигнала постоянным напряжением (например, необходимо для измерения емкости варикапов).
  • Возможность связи прибора с персональным компьютером для документирования результатов измерения или программной обработки результатов измерения (например, построение графиков зависимости емкости или индуктивности от температуры в реальном масштабе времени и т. п.);
  • Возможность программирования прибора для сортировки и отбраковки компонентов на производстве; возможность подключения механического манипулятора.

Принцип измерения всех измерителей импеданса (иммитанса) основан на анализе прохождения тестового сигнала с заданной частотой через цепь, обладающую комплексным сопротивлением и последующим сравнением с опорным напряжением.

Напряжение рабочей частоты с внутреннего генератора подается на измеряемый объект и на объекте измеряется напряжение. Ток, протекающий через объект, с помощью внутреннего преобразователя ток-напряжение преобразуется в напряжение. Измерение отношения этих двух напряжений и дает полное сопротивление цепи.

Графическое представление полного сопротивления изображено на рис. 1. Полное сопротивление Z состоит из двух компонентов: активного сопротивления RS и реактивного сопротивления XS.

Комплексное сопротивление Z определяется как:

при условии |Z|<q,

Из формулы 1 следует:

Активное сопротивление RS связано с комплексным сопротивлением как:

И, соответственно, реактивное сопротивление XS связано с комплексным сопротивлением как:

где — угол между активным и комплексным сопротивлением.

Из рис. 1 также следует, что комплексное сопротивление связано с активным и реактивным как:

Существуют два типа реактивного сопротивления: емкостное XС и индуктивное XL. Исходя из параметров емкости или индуктивности и частоты, он определяются как:

где C (L) — значение емкости (индуктивности);

f — частота на которой измеряется реактивное сопротивление.

Из практики измерения известно, что наиболее оптимальным с точки зрения погрешности измерения является измерение сопротивлений в пределах от 0,1 Ом до 10 МОм. Измерение сопротивления ниже 0,1 Ом требует применения специальныхметодов с большими токами, а измерение сопротивления выше 10 МОм требует более высокого напряжения. Из формул 5 и 6 следует, что для измерения малых индуктивностей и емкостей следует использовать более высокие частоты, а для измерения больших емкостей и больших индуктивностей, наоборот, более низкие.

Формулы 5 и 6 определяют значение реактивных сопротивлений для идеальных емкостей и индуктивностей. Реально каждая емкость имеет свое внутреннее конечное сопротивление между пластинами, которое приводит к возникновению внутренних утечек. Это сопротивление зависит от частоты.

Очевидно, что чем меньше это сопротивление, тем лучше емкость. Также и любая индуктивность имеет активное сопротивление витков, магнитный поток рассеивания и другие параметры, влияющие на отклонение идеальной индуктивности от реальной.

Для оценки степени внутренних потерь в емкостях и индуктивностях вводят параметр тангенс угла потерь (или тангенс угла диэлектрических потерь). Для последовательной схемы замещения (понятие последовательной и параллельной схемы замещения следует ниже) определяется как:

Для параллельной схемы замещения, формулы расчета тангенса потерь имеют обратный вид:

Существует второй параметр, определяющий потери в реактивных элементах — это добротность. Добротность, величина обратная тангенсу угла потерь:


Исторически сложилось так, что потери в емкости оценивают по тангенсу угла потерь, а в индуктивности — по величине добротности. Хотя величины являются обратными друг другу и для емкости возможно понятие добротность, так же как и для индуктивности возможно понятие тангенса угла потерь.

Формулы 1–11 определяют основные понятия и взаимосвязи из области измерения комплексных и реактивных сопротивлений.

В практике измерения комплексных сопротивлений также существуют понятия параллельной или последовательной схемы замещения. Она представляет собой схему, на которой отражены все возможные сопротивления (активные и реактивные), оказывающие влияние на полное сопротивление цепи или компонента. Выбор схемы замещения зависит от частоты сигнала в цепи и учитывает, какое реактивное сопротивление при этой частоте оказывает большее влияние. Так, например, для емкости схема замещения включает последовательное сопротивление выводов, обладающих как активным, так и индуктивным характером,собственно емкость, а также параллельное обкладкам емкости паразитное сопротивление. При достаточно большой емкости и небольшой частоте паразитная индуктивность выводов не оказывает практически никакого влияния на комплексное сопротивление (см. формулу 5), но при увеличении частоты, когда реактивное сопротивление емкости уменьшается (см. формулу 6), а реактивное сопротивление индуктивности увеличивается, характер сопротивления, а, следовательно, и результат измерения емкости может быть существенно искажен.

Из сказанного выше следует, что при проведении измерений с помощью измерителя RLC необходимо учитывать следующее:

  1. Выбор частоты измерения емкости и индуктивности должен осуществляться с учетом величин этих элементов. Для достижения наиболее низкой погрешности измерения, малые значения индуктивности (мкГн) и емкости (пФ) следует измерять на более высоких частотах, а большие значения индуктивности (Гн) и емкости (мФ) — на более низких частотах.
  2. Также корректно должна быть выбрана и схема замещения. При больших значениях индуктивности (Гн) и емкости (мФ) следует выбрать параллельную схему замещения. При малых значениях индуктивности (мкГн) и емкости (пФ) следует выбирать последовательную схему замещения.

Пренебрежение этими правилами значительно искажает достоверность измерения.

В настоящий момент на рынке средств измерения присутствует достаточное количество измерителей RLC, отличающихся как ценой, так и функциональными возможностями. Обзор и анализ возможностей начнем с наиболее простых моделей.

Измеритель RLC MIC-4070D компании MOTECH, Тайвань. Включен в Госреестр средств измерения. Это наиболее простой и дешевый измеритель RLC из существующих на рынке. Внешний вид прибора представлен на рис. 2.

Выбор пределов измерения производится с помощью поворотного переключателя. Контроль правильности выбора предела измерения контролируется оператором по показаниям на ЖК-индикаторе: надпись «OL» на индикаторе означает низкий предел измерения, высокий — значение измеряемой величины будет иметь низкое значение. Выбор частоты измерения и схемы замещения выбирается прибором автоматически, исходя из установленного предела измерения. Это позволяет исключить ошибку оператора, что может исказить результат измерения.

Прибор позволяет измерять добротность для индуктивности и тангенс угла потерь для емкости. Переключение с измерения реактивного сопротивления на измерение добротности (тангенса потерь) осуществляется ползунковым переключателем и одновременная индикация величины реактивного сопротивления и вспомогательных параметров невозможна.

Достоинства MIC-4070D:

  • небольшие массогабариты;
  • низкая стоимость;
  • автономное питание;
  • достаточно широкий диапазон измерения;
  • автоматический выбор частоты измерения и схемы замещения;
  • возможность измерения SMD-компонентов.

Недостатки:

  • только две частоты измерения — 120 Гц и 1 КГц;
  • индикация только одного измеряемого параметра;
  • невозможность изменения уровня тест-сигнала;
  • нет связи с ПК.

Технические характеристики измерителя RLC MIC-4070D приведены в табл. 1.

Характеристики Параметры Значения
ЕМКОСТЬ Диапазон емкостей 0,1пФ…20 мФ
Предел измерения 200 пФ/2 нФ/20 нФ/200 нФ/2 мкФ/20 мкФ/200 мкФ/2 мФ/20 мФ
Дискретность измерения 0,1пФ/1 пФ/10 пФ/100 пФ/1000 пФ/0.01 мкФ/0.1 мкФ/1 мкФ/10 мкФ
Погрешность измерения ±(1% + 2 ед.) на пределе 200 пФ/…/200 мкФ
±(2% + 10 ед.) на пределе 2 мФ/20 мФ
Схема измерения Параллельная схема на пределе 200 пФ/…/2 мкФ
Последовательная схема на пределе 20 мкФ/…/20 мФ
Тест-сигнал 0,5 Вср.кв/1 кГц на пределе 200 пФ/…/2 мкФ ; 1 мАср.кв./120 Гц на пределе 20 мкФ; 10 мАср.кв./120Гц на пределе 200 мкФ/…/20 мФ
ТАНГЕНС УГЛА ПОТЕРЬ Диапазон 0–1,999
Погрешность измерения ±(1% + 10 ед + 2000/СХ) на пределе 2 нФ/…/2 мкФ
±(2% + 20 ед + 2000/СХ) на пределе 20 мкФ/…/2 мФ
Не нормируется на пределе 200 пФ, 20 мФ
ИНДУКТИВНОСТЬ Диапазон индуктивностей 0,1 мкГн..–200 Гн
Предел измерения 200 мкГн/2 мГн/20 мГн/200 мГн/2 Гн/20 Гн/200 Гн
Дискретность измерения 0,1 мкГн/1 мкГн/10 мкГн/100 мкГн/1 мГн/10 мГн/100 мГн
Погрешность измерения ±(2% + 2 ед.) на пределе 200 мкГн, 2 Гн/20 Гн; ±(1% + 2 ед.) на пределе 2 мГн/…/200 мГн; ±(3% + 2 ед.) на пределе 200 Гн
Схема измерения Последовательная схема на пределе 200 мкГн/?/200 мГн; Параллельная схема на пределе 2 Гн/…/200 Гн
Тест-сигнал 10 мАср.кв./1 кГц на пределе 200 мкГн/2 мГн; 1 мАср.кв./1 кГц на пределе 20 мГн ; 0,1 мАср.кв./1 кГц на пределе 200 мГн;0,5 Вср.кв/120 Гц на пределе 2 Гн/…/200 Гн
ДОБРОТНОСТЬ Диапазон 0–1,999
Погрешность измерения ±(1% + 10 ед + 2000/LХ) на пределе 200 мкГн/…/200 мГн
±(2% + 20 ед + 2000/LХ) на пределе 2 Гн/…/200 Гн
СОПРОТИВЛЕНИЕ Диапазон сопротивлений 1 мОм–20 МОм
Предел измерения 2 Ом/20 Ом/200 Ом/2 кОм/20 кОм/200 кОм/2 МОм/20 МОм
Дискретность измерения 1 мОм/10 мОм/100 мОм/1 Ом/10 Ом/100 Ом/1 кОм/10 кОм
Погрешность измерения ±(1% + 5 ед) на пределе 2 Ом; ±(1% + 2 ед) на пределе 20 Ом–200 кОм ; ±(2% + 2 ед) на пределе 2 МОм/20 Мом
Схема измерения Последовательная схема на пределе 2 Ом….200 кОм ; Параллельная схема на пределе 2 МОм/20 Мом
Тест-сигнал 10 мАср.кв./1 кГц на пределе 2 Ом/20 Ом; 1 мАср.кв./1 кГц на пределе 200 Ом; 0,1 мАср.кв./1 кГц на пределе 2 кОм; 10 мкАср.кв./1 кГц на пределе 20 кОм; 1 мкАср.кв./1 кГц на пределе 200 кОм; 0,5 Вср.кв/1 кГц на пределе 2 МОм/20 МОм
ДИСПЛЕЙ Формат индикации 31/2 разряда, ЖК-индикаторы, индикатор разряда батареи
ОБЩИЕ ДАННЫЕ Условия эксплуатации 0 °С…40 °С
Напряжение питания Батарея 9 В
Габаритные размеры 88х177х40 мм
Масса 0,4 кг

Окончание следует

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *