Способ измерения параметров катушек индуктивности
METHOD FOR MEASURING PARAMETERS OF INDUCTANCE COILS

Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к радиотехническим измерениям параметров катушек индуктивности, применяемых в радиотехнических устройствах различного назначения.
С наибольшим положительным эффектом изобретение может быть использовано при изготовлении катушек индуктивности для фильтров гармоник мощных высокочастотных радиопередатчиков, когда необходимо, чтобы катушки индуктивности обеспечивали прохождение через них большого тока с минимальными потерями, то есть имели бы высокую добротность, а также имели бы высокую точность получения заданной величины индуктивности - основного параметра катушек индуктивности. Повышенные требования к параметрам катушек индуктивности должны быть обеспечены соответствующими способами их измерений.
0
Существует множество методов измерений параметров катушек индуктивности. Из них самыми сложными и трудоемкими являются мостовые методы. Резонансный метод основан на известных зависимостях между такими параметрами LC-контура, как индуктивность L, емкость С, резонансная частота F, сопротивление потерь R и добротность Q. [1].
Наиболее близким к заявляемому является способ измерения параметров катушек индуктивности при помощи измерителя добротности [2], включающий в себя установку катушки индуктивности в измерительную цепь с образованием LC-контура, подачу на вход измерительной цепи высокочастотного сигнала от генератора, настройку LC-контура в резонанс с частотой сигнала, измерение уровня сигнала на выходе измерительной цепи и проведение расчетов измеряемых параметров катушки индуктивности.
Существенный недостаток прототипа заключается в том, что известный способ измерения параметров катушек индуктивности не обеспечивает возможности измерения параметров катушек индуктивности в составе LC-фильтра и проведение во время настройки LC-фильтра экспресс-анализа установленных на нем L и С элементов.
Задача изобретения - обеспечение возможности измерения параметров катушек индуктивности в составе LC-фильтра и проведение во время настройки LC-фильтра экспресс-анализа установленных в его продольных плечах L и С элементов.
Г
Н
Г
0
Н
Н
0
1
1
Н
Н
1
1
Н1
Н
Указанная задача решается тем, что в способе измерения параметров катушки индуктивности, включающем в себя установку катушки индуктивности в измерительную цепь с образованием LC-контура, подачу на вход измерительной цепи высокочастотного сигнала от генератора, настройку LC-контура в резонанс с частотой сигнала, измерение уровня сигнала на выходе измерительной цепи и проведение расчетов измеряемых параметров катушки индуктивности, в качестве измерительной цепи используют LC-фильтр, а катушку индуктивности измеряют преимущественно в составе LC-фильтра уже установленной в одно из его продольных плеч и образующей вместе с емкостью этого плеча параллельный LC-контур, при этом LC-фильтр при помощи соединительных кабелей подключают к двум портам анализатора цепей, первый из которых представляет собой генератор высокочастотных сигналов, с внутренним сопротивлением R, а второй порт является приемником сигнала и включает в себя сопротивление нагрузки R, равное R, при этом измерения параметров катушки индуктивности проводят в линейном режиме измерений комплексных коэффициентов передачи относительно номинального уровня напряжения U на сопротивлении R и вначале, по минимальному уровню напряжения на сопротивлении R, определяют резонансную частоту F LC-контура в составе LC-фильтра, после чего параллельно катушке индуктивности подключают конденсатор с емкостью С, при которой новая резонансная частота F LC-контура находится в пределах полосы пропускания LC-фильтра, и определяют минимальный уровень напряжения U на сопротивлении R, затем, не изменяя частоту F генератора, параллельно катушке индуктивности подключают сопротивление R и определяют новый минимальный уровень напряжения U на сопротивлении R, после чего проводят расчет емкости LC-контура, индуктивности, сопротивления потерь и добротности катушки индуктивности по формулам:
01
0
Н
1
1
01
0
0
при этом иногда вначале параллельно катушке индуктивности подключают дополнительный конденсатор с емкостью С и определяют резонансную частоту F LC-контура в составе LC-фильтра по минимальному уровню напряжения на сопротивлении R, а затем уже параллельно катушке индуктивности подключают конденсатор с емкостью С, при которой новая резонансная частота F LC-контура находится в пределах полосы пропускания LC-фильтра, причем во время проведения расчетов измеряемых параметров катушки индуктивности емкость С входит в состав емкости С, причем, когда измеряемую катушку индуктивности подключают непосредственно к первому и второму портам анализатора цепей при помощи соединительных кабелей, то во время проведения расчетов измеряемых параметров катушки индуктивности измеряемая емкость С представляет собой собственную емкость катушки индуктивности.
0
1
0
1
0
1
0
1
01
0
0
0
1
На фиг. 1 изображены соединенные между собой анализатор цепей и LC-фильтр с установленной в одном из его продольных плеч измеряемой катушкой индуктивности L, к которой подключены С, C, R и R. При этом С представляет собой сумму емкостей: емкости LC-фильтра в данном продольном плече, емкости монтажа и собственной емкости катушки индуктивности. С - емкость конденсатора, подключаемого в процессе измерений к катушке индуктивности для перестройки LC-контура с частоты F на частоту F в полосе пропускания LC-фильтра. Пунктирной линией изображена емкость С конденсатора, подключаемого к катушке индуктивности при малой величине С и при дальнем расположении частоты F в полосе задерживания LC-фильтра для повышения точности ее определения. R - эквивалентное сопротивление потерь катушки индуктивности, для определения величины которого к катушке индуктивности подключается сопротивление R.
0
1
0
0
1
0
1
0
На фиг. 2 изображены соединенные между собой анализатор цепей и LC-контур с измеряемой катушкой индуктивности L, к которой подключены С, С и R. При этом С представляет собой собственную емкость катушки индуктивности, а С - емкость конденсатора, подключаемого в процессе измерений к катушке индуктивности для перестройки LC-контура с частоты F на рабочую частоту F катушки индуктивности. R - эквивалентное сопротивление потерь катушки индуктивности.
На фиг. 3-6 показаны электрические схемы LC-контуров, поясняющие вывод формул для расчета параметров катушки индуктивности.
Предлагаемый способ измерения параметров катушек индуктивности осуществляется следующим образом.
Г
Н
Г
0
Н
0
Н
1
1
Н
Н
1
1
Н1
Н
0
Так как предложено в качестве измерительной цепи использовать LC-фильтр, то катушку индуктивности измеряют в составе LC-фильтра уже установленной в одно из его продольных плеч и образующей вместе с емкостью этого плеча параллельный LC-контур, при этом LC-фильтр подключают при помощи соединительных кабелей к двум портам анализатора цепей, первый из которых представляет собой генератор высокочастотных сигналов, с внутренним сопротивлением R, а второй порт является приемником сигнала и включает в себя сопротивление нагрузки R, равное R, причем измерения параметров катушки индуктивности проводят в линейном режиме измерений комплексных коэффициентов передачи относительно номинального уровня напряжения U на сопротивлении R. Вначале определяют резонансную частоту F LC-контура в составе LC-фильтра по минимальному уровню напряжения на сопротивлении R, после чего параллельно катушке индуктивности подключают конденсатор с емкостью С, при которой новая резонансная частота F LC-контура находится в пределах полосы пропускания LC-фильтра, и определяют минимальный уровень напряжения U на сопротивлении R, затем, не изменяя частоту F генератора, параллельно катушке индуктивности подключают сопротивление R и определяют новый минимальный уровень напряжения U на сопротивлении R, относительно номинального уровня U, после чего проводят расчет емкости LC-контура, индуктивности, сопротивления потерь и добротности катушки индуктивности по формулам:
0
0
01
0
Н
1
1
01
0
0
Иногда при малой величине С и при дальнем расположении частоты F в полосе задерживания LC-фильтра для повышения точности ее определения параллельно катушке индуктивности подключают дополнительный конденсатор с емкостью С и определяют резонансную частоту F LC-контура в составе LC-фильтра по минимальному уровню напряжения на сопротивлении R, а затем уже параллельно катушке индуктивности подключают конденсатор с емкостью C, при которой новая резонансная частота F LC-контура находится в пределах полосы пропускания LC-фильтра, причем во время проведения расчетов измеряемых параметров катушки индуктивности емкость С входит в состав емкости С, а когда измеряемую катушку индуктивности подключают непосредственно к первому и второму портам анализатора цепей при помощи соединительных кабелей, то во время проведения расчетов измеряемых параметров катушки индуктивности измеряемая емкость С представляет собой собственную емкость катушки индуктивности.
Формулы для расчета параметров катушки индуктивности были получены следующим образом.
0
На фиг. 3 представлена схема LC-контура, состоящего из двух элементов: индуктивности L и емкости С.
1
Чтобы перестроить LC-контур на рабочую частоту катушки индуктивности к этим двум элементам добавим емкость С, как показано на фиг. 4. Выражения для резонансных частот этих LC-контуров имеют следующий вид:
Разделим обе части равенства (1) на соответствующие части равенства (2) и получим формулу для начального значения емкости LC-контура:
Из (2) можно получить выражение для индуктивности:
0
Г
Н
1
0
Н
Н
На фиг. 5 изображен LC-контур с сопротивлением потерь R, включенный между генератором с внутренним сопротивлением R и сопротивлением нагрузки R. На резонансной частоте F LC-контура выражения для тока, для напряжения U на сопротивлении R при отсутствии потерь и для напряжения U при наличии потерь имеют следующий вид:
Г
Н
где R=R, Е - ЭДС.
Разделим обе части равенства (6) на соответствующие части равенства (7) и получим выражение для сопротивления потерь катушки индуктивности в составе LC-контура:
0
Н
1
Для определения сопротивления потерь R в случае одного LC-контура выражения (8) вполне достаточно. Но когда измеряемая катушка индуктивности установлена в LC-фильтр, у которого имеются поперечные плечи, уменьшающие величину U, то для исключения этого влияния введем дополнительное сопротивление R, как показано на фиг. 6.
0
1
Н1
По аналогии с (8) для параллельного соединения R и R и с учетом нового значения U, запишем:
Разделим обе части равенства (8) на соответствующие части равенства (9) и получим выражение для сопротивления потерь катушки индуктивности в составе LC-фильтра:
В результате, добротность катушки индуктивности рассчитывается следующим образом:
Заявленный способ измерения параметров катушек индуктивности по сравнению с известными методами и по сравнению с прототипом обеспечивает возможность измерения параметров катушек индуктивности в составе LC-фильтра и проведение во время настройки LC-фильтра экспресс-анализа установленных в продольных плечах L и С элементов. При этом обеспечивается высокая точность получения заданной величины индуктивности, так как обычно имеется возможность изменить межвитковые зазоры у катушек индуктивности, то есть осуществить подстройку индуктивности. В итоге, экспериментальные характеристики настроенного LC-фильтра достаточно близки к расчетным.
Высокой эффективности проводимых работ по настройке LC-фильтров с одновременным измерением параметров катушек индуктивности, а также емкостей в продольных плечах LC-фильтров способствует применение такого анализатора цепей как «Измеритель комплексных коэффициентов передачи и отражения «Обзор TR1300/1» [3]. ИККПО «Обзор TR1300/1» состоит из измерительного блока и внешнего управляющего компьютера. Порт 1 измерительного блока является источником испытательного сигнала, который, пройдя через исследуемый LC-фильтр, поступает на порт 2, являющийся приемником сигнала (см. фиг. 1). Формулы для расчета параметров катушки индуктивности в предлагаемом способе измерений этих параметров реализованы в виде соответствующей программы управляющего компьютера, опробованной при настройке LC-фильтров различного типа и назначения.
Источники информации
1. Дворяшин Б.В., Кузнецов Л.И. Радиотехнические измерения. Учебное пособие для вузов. М., Сов. Радио, 1978, с. 274-282.
2. Дворяшин Б.В., Кузнецов Л.И. Радиотехнические измерения. Учебное пособие для вузов. М., Сов. Радио, 1978, с. 284-289, рис. 12.8.
3. Измеритель комплексных коэффициентов передачи и отражения «Обзор TR1300/1». Руководство по эксплуатации РЭ 6687-083-21477812-2010.