Обзор современных

измерителей импеданса (измерители RLC)

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:

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.

Окончание следует

Александр Дедюхин

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы