Обзор современных измерителей импеданса (измерители RLC)

Є

Компоненты и технологии, № 3'2002 Технологии

Обзор современных

измерителей импеданса

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

Александр Дедюхин

prist@prist.com

Кроме измерения И, Ь и С, 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 И, Ь и С являются:

• Частотный диапазон тестового сигнала. Чем шире частотный диапазон, тем шире пределы измерения Ь и С 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 Ъ

состоит из двух компонентов: активного сопротивления И8 и реактивного сопротивления Х8.

Комплексное сопротивление Ъ определяется как:

М=-

1 1 /

при условии !Ъ!<д,

х = + їх = г

Из формулы 1 следует:

Активное сопротивление связано с комплексным сопротивлением как:

= \7, | • Со50

И, соответственно, реактивное сопротивление Х5 связано с комплексным сопротивлением как:

Х8 = • Біпд

(3),

где — угол между активным и комплексным сопротивлением.

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

\г \=т5+х8

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

Оь=2-п-/-Ь

(5),

е

Компоненты и технологии, № 3'2002

Технологии

0 =

1

2-л -/-С

(6),

где С (Ь) — значение емкости (индуктивности);

{ — 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 специальных методов 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:

бс =

1

1яп5

Єс =

1

1а.п5

= 27І/СЯ,

(7),

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

(9),

1 |*5 2п/Ь

1ап8 *5 я*

1 \*Р 1 ЯР

1ап5

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

В.І

в

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 ИЬС 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 ИЬС, 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 ИЬС 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 «ОЬ» 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 ИЬС MIC-4070D приведены в табл. 1.

Окончание следует

Рис.2

е

е

Компоненты и технологии, № 3'2002

Технологии

Таблица 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/ЬХ) на пределе 200 мкГн/.../200 мГн

±(2% + 20 ед + 2000/ЬХ) 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 31/2разряда, ЖК-индикаторы, индикатор разряда батареи

ОБЩИЕ ДАННЫЕ Условия эксплуатации 0 °С...40 °С

Напряжение питания Батарея 9 В

Габаритные размеры 88x177x40 мм

Масса 0,4 кг

Є~