Простой способ измерения индуктивности дросселя. Приставка для измерения индуктивности и ее применение в практике радиолюбителя. Проведение замеров индуктивности

Это очень точный измеритель индуктивности/емкости на базе микроконтроллера PIC16F628A. Идея реализована на примере точного измерителя индуктивности/емкости .Конструкция устройства немного отличается от аналогичных устройств, найденных в сети Интернет. Целью моего не легкого труда было предоставить простое решение, которое легко собрать с первой попытки. Большинство конструкций данного типа устройств работает не так, как описано в документации, или на них просто недостаточно справочной информации. Наиболее трудной частью проекта было запрограммировать весь математический код с плавающей запятой в память программ размером 2k микроконтроллера 16F628A.

Обычно измеритель индуктивности/емкости представляет собой измеритель частоты, имеющий в составе генератор колебаний, который генерирует колебания и измеряет величины L или C, после чего вычисляется конечный результат. Погрешность частоты составляет 1Гц. Для получения более подробной информации по измерению частоты с помощью синхронизирующих устройств, обратитесь к моей статье о цифровом частотомере.

Теоретические сведения : Внимательно посмотрите на схему; я не использовал язычковое реле, поскольку не нашел его на местном рынке радиокомпонентов. Поэтому я решил сначала использовать полевой МОП-транзистор вместо язычкового реле. Но наилучший результат я получил с помощью обычного NPN-транзистора, такого как BC547. Если вы не доверяете транзисторам, тогда вы сможете добавить язычковое реле самостоятельно. Я использовал внутренний компаратор контроллера для генератора и подсоединил его к источнику внешней синхронизации таймера Timer1 для вычисления частоты. Благодаря этому не понадобилось использовать внешний операционный усилитель Lm311. Реле RL1 использовалось для выбора режима измерения L и C. Измеритель работает на базе четырех основных уравнений, которые представлены ниже:

Для обеих неизвестных величин L и C, обычно применяется равенство 1 и 2. Средние значения F1 мы получаем с помощью LC колебательного контура, затем подсоединяем C cal параллельно колебательному контуру и получаем величину F2.
Сразу после этого,

1. Для емкости требуется F3 (уравнение 3), оставляя Cx параллельно колебательному контуру, затем вычисляется Cx из уравнения 4
2. Для индуктивности требуется F3 (уравнение 7), оставляя Lx последовательно колебательному контуру, и c затем вычисляется Lx из уравнения 8

Следовательно, как для индуктивности, так и для емкости, уравнения 1, 2, и уравнения 5, 6 одинаковы.
После получения приблизительных значений индуктивности или емкости, программа автоматически приведет значения к техническим единицам, которые отобразит на жидкокристаллическом дисплее разрешением 16x2.
Если вам тяжело осилить все математические вычисления, тогда лучше оставить их на время и перейти к аппаратным средствам. Для начала выполните процесс калибровки, который разъяснен в следующей главе.

Конструкция:
Точность измерения зависит от состояния ваших компонентов. Два конденсатора, емкостью 33пФ в генераторе должны быть танталовыми (для низкой серии сопротивлений/индуктивностей). Используйте C4, C5 (C cal) полистирольного типа, поскольку зеленые конденсаторы имеют слишком большое отклонение величины. Избегайте использования керамических конденсаторов. Некоторые из них имеют большие затухания.

1. Сначала проверьте, чтобы все компоненты отлично подходили на свои места в плате.
2. Запрограммируйте микросхему (16F628A) с помощью Hex файла, указанного ниже на данной странице. Если у вас нет программатора / загрузчика, тогда обратитесь к моей схеме . Его очень легко собрать самостоятельно.
3. Сначала подайте питание на схему без микросхемы, затем проверьте напряжение на выводе 5, 14 колодки ИС с помощью вольтметра. Если напряжение равно 5В, тогда все отлично.
4. Поместите микросхему в колодку ИС и подайте питание. Если на жидкокристаллическом дисплее будет повышенная контрастность, тогда увеличьте значение резистора R11 на несколько килоом.

Калибровка:

1. Закоротите два тестовых проводника и подайте питание на схему. При этом выполнится автоматическая калибровка. Устройство перейдет в режим по умолчанию – режим индуктивности. Дайте несколько минут на "разогрев", затем нажмите кнопку "zero" (нуль) для выполнения форсированной повторной калибровки. Теперь на дисплее должно отображаться значение ind = 0.00 uH (мкГн)
2. Теперь разомкните два тестовых проводника и подсоедините заранее известную индуктивность, например 10 мкГн или 100 мкГн. Измеритель индуктивности/емкости должен считать приблизительно аналогичное значение (допускается погрешность до +/- 10%).
3. После этого необходимо настроить измеритель для отображения результата с погрешностью около +/- 1%. Чтобы выполнить это, проверьте что в схеме установлены 4 джампера Jp1 ~ Jp4. Джамперы Jp1 и Jp2 предназначены для увеличения (+) и уменьшения (–) значений. Для увеличения значения сначала установите Jp1 и выполните шаги 1,2, для уменьшения значения установите Jp2 и выполните шаги 1,2.
4. Если на дисплее отображаются необходимые значения, тогда снимите джамперы. После этого микросхема запомнит калибровку, пока вы не заходите снова внести изменения.
5. Если у вас все еще не получается получить требуемое значение, установите джампер Jp3, чтобы увидеть величину F1. На дисплее отобразится значение около 503292 с индуктивностью 100мкГн и емкостью 1нФ. Или установите джампер Jp4, чтобы посмотреть значение F2. Если на дисплее ничего не появится, то это означает, что ваш генератор неправильно работает. Еще раз проверьте вашу плату.

Список радиоэлементов

Основным параметром, характеризующим контурные катушки, дроссели, обмотки трансформаторов является индуктивность L. В высокочастотных цепях применяются катушки с индуктивностью от сотых долей микрогенри до десятков миллигенри; катушки, используемые в низкочастотных цепях, имеют индуктивность до сотен и тысяч генри. Измерение индуктивности высокочастотных катушек, входящих в состав колебательных систем, желательно производить с погрешностью не более 5%; в большинстве других случаев допустима погрешность измерения до 10-20%.

Рис. 1. Эквивалентные схемы катушки индуктивности.

Каждая катушка, помимо индуктивности L, характеризуется также собственной (межвитковой) ёмкостью C L и активным сопротивлением потерь R L , распределёнными по её длине. Условно считают, что L, C L и R L сосредоточены и образуют замкнутую колебательную цепь (рис. 1, а) с собственной резонансной частотой

f L = 1/(LC L) 0,5

Вследствие влияния ёмкости C L при измерении на высокой частоте f определяется не истинная индуктивность L, а действующее, или динамическое, значение индуктивности

L д = L/(1-(2*π*f) 2 *LC L) = L/(1-f 2 / f L 2)

которое может заметно отличаться от индуктивности L, измеренной на низких частотах.

С повышением частоты возрастают потери в катушках индуктивности, обусловленные поверхностным эффектом, излучением энергии, токами смещения в изоляции обмотки и каркасе, вихревыми токами в сердечнике. Поэтому действующее активное сопротивление R д катушки может заметно превышать её сопротивление R L , измеренное омметром или мостом постоянного тока. От частоты f зависит и добротность катушки:

Q L = 2*π*f*L д /R д.

На рис. 1, б, представлена эквивалентная схема катушки индуктивности с учётом её действующих параметров. Так как значения всех параметров зависят от частоты, то испытание катушек, особенно высокочастотных, желательно проводить при частоте колебаний источника питания, соответствующей их рабочему режиму. При определении результатов испытания индекс «д» обычно опускают.

Для измерения параметров катушек индуктивности применяются в основном методы вольтметра - амперметра, мостовой и резонансный. Перед измерениями катушка индуктивности должна быть проверена на отсутствие в ней обрыва и короткозамкнутых витков. Обрыв легко обнаруживается с помощью любого омметра или пробника, тогда как выявление коротких замыканий требует проведения специального испытания.

Для простейших испытаний катушек индуктивности иногда используют электронно-лучевые осциллографы.

Индикация короткозамкнутых витков

Проверка на отсутствие короткого замыкания чаще всего производится помещением испытуемой катушки вблизи другой катушки, входящей в состав колебательного контура автогенератора, наличие колебаний в котором и их уровень контролируются с помощью телефонов, стрелочного, электронно-светового или иного индикатора. Катушка с короткозамкнутыми витками будет вносить в связанную с нею цепь активные потери и реактивное сопротивление, уменьшающие добротность и действующую индуктивность цепи; в результате произойдёт ослабление колебаний автогенератора или даже их срыв.

Рис. 2. Схема резонансного измерителя ёмкостей, использующего явление поглощения.

Чувствительным прибором подобного типа может служить, например, генератор, выполненный по схеме на рис. 2. Катушка с короткозамкнутыми витками, поднесённая к контурной катушке L1, будет вызывать заметное возрастание показаний микроамперметра μA.

Испытательная цепь может представлять собой настроенный на частоту источника питания последовательный контур (см. «Радио», 72-5-54); напряжение на элементах этого контура, контролируемое каким-либо индикатором, под влиянием короткозамкнутых витков проверяемой катушки будет уменьшаться вследствие расстройки и возрастания потерь. Возможно также использование уравновешенного моста переменного тока, одним из плеч которого в этом случае должна являться катушка связи (вместо катушки L x); короткозамкнутые витки испытуемых катушек будут вызывать нарушение равновесия моста.

Чувствительность испытательного прибора зависит от степени связи между катушкой измерительной цепи и проверяемой катушкой, с целью её повышения желательно обе катушки насаживать на общий сердечник, который в этом случае выполняется разомкнутым.

При отсутствии специальных приборов для проверки высокочастотных катушек можно использовать радиоприёмник. Последний настраивают на какую-либо хорошо слышимую станцию, после чего вблизи одной из его действующих контурных катушек, например магнитной антенны (желательно на одной оси с нею), помещают проверяемую катушку. При наличии короткозамкнутых витков громкость заметно уменьшится. Уменьшение громкости может иметь место и в том случае, если частота настройки приёмника окажется близкой к собственной частоте испытуемой катушки. Поэтому во избежание ошибки испытание следует повторить при настройке приёмника на другую станцию, достаточно удалённую от первой по частоте.

Измерение индуктивностей методом вольтметра - амперметра

Метод вольтметра - амперметра применяется для измерения сравнительно больших индуктивностей при питании измерительной схемы от источника низкой частоты F = 50...1000 Гц.

Схема измерений представлена на рис. 3, а . Полное сопротивление Z катушки индуктивности рассчитывается по формуле

Z = (R2+X2) 0,5 = U/I

на основе показаний приборов переменного тока V ~ и mA ~ . Верхний (по схеме) вывод вольтметра присоединяют к точке а при Z << Z в и к точке б при Z >> Z a , где Z в и Z a - полные входные сопротивления соответственно вольтметра V ~ и миллиамперметра mA ~ . Если потери малы, т. е. R << X = 2*π*F*L x , то измеряемая индуктивность определяется формулой

L x ≈ U/(2*π*F*I).

Катушки большой индуктивности с целью уменьшения их габаритов обычно изготовляются со стальными сердечниками. Наличие последних приводит к нелинейной зависимости магнитного потока от тока, протекающего через катушку. Эта зависимость становится особенно сложной для катушек, работающих с подмагничиванием, через обмотки которых протекают одновременно переменный и постоянный токи. Поэтому индуктивность катушек со стальными сердечниками зависит от значения и характера протекающего через них тока. Например, при большой постоянной составляющей тока происходит магнитное насыщение сердечника и индуктивность катушки резко уменьшается. Кроме того, проницаемость сердечника и индуктивность катушки зависят от частоты переменного тока. Отсюда следует, что измерение индуктивности катушек со стальными сердечниками необходимо проводить в условиях, близких к их рабочему режиму. В схеме на рис. 3, а это обеспечивается при дополнении её цепью постоянного тока, показанной штриховой линией. Необходимый ток подмагничивания устанавливается реостатом R2 по показаниям миллиамперметра постоянного тока mA . Разделительный конденсатор С и дроссель Др разделяют цепи питания постоянного и переменного тока, устраняя взаимное влияние между ними. Приборы переменного тока, применяемые в данной схеме, не должны реагировать на постоянные составляющие измеряемого ими тока или напряжения; для вольтметра V ~ это легко обеспечивается посредством включения последовательно с ним конденсатора ёмкостью в несколько микрофарад.

Рис. 3. Схемы измерения индуктивности методом вольтметра - амперметра.

Другой вариант измерительной схемы, позволяющий обойтись без миллиамперметра переменного тока, приведён на рис. 3, б . В этой схеме реостатами R1 и R2 (их можно заменить потенциометрами, включёнными параллельно источникам питания) устанавливают требуемый режим испытания по переменному и постоянному току. В положении 1 переключателя В вольтметр V ~ измеряет переменное напряжение U 1 на катушке L x . При переводе переключателя в положение 2 фактически контролируется значение переменного тока в цепи по падению напряжения U 2 на опорном резисторе R о. Если потери в катушке малы, т. е. R << 2*π*F*L x , то измеряемую индуктивность можно рассчитать по формуле

L x ≈ U1*R о /(2*π*F*U 2).

Мостовой метод измерения параметров катушек индуктивности. Универсальные измерительные мосты

Мосты, предназначенные для измерения параметров катушек индуктивности, формируются из двух плеч активного сопротивления, плеча с объектом измерений, сопротивление которого в общем случае является комплексным, и плеча с реактивным элементом - конденсатором или катушкой индуктивности.

Рис. 4. Схема магазинного моста для измерения индуктивностей и сопротивлений потерь.

В измерительных мостах магазинного типа в качестве реактивных элементов предпочитают использовать конденсаторы, поскольку в последних потери энергии могут быть сделаны пренебрежимо малыми, а это способствует более точному определению параметров исследуемых катушек. Схема такого моста представлена на рис. 4. Регулируемым элементом здесь является конденсатор С2 переменной ёмкости (или магазин ёмкостей), зашунтированный переменным резистором R2; последний служит для уравновешивания фазового сдвига, создаваемого сопротивлением потерь R x в катушке с индуктивностью L x . Применяя условие равновесия амплитуд (Z 4 Z 2 = Z 1 Z 3), находим:

(R x 2 + (2*&pi*F*L x) 2) 0,5: ((1/R 2) 2 + (2*&pi*F*C 2) 2) 0,5 = R 1 R 3 .

Так как фазовые углы φ1 = φ3 = 0, то условие равновесия фаз (φ4 +φ2 =φ1 + φ3) можно записать в виде равенства φ4 + φ2 = 0, или φ4 = -φ2, или tg φ4 = -tg φ2. Учитывая, что для плеча с L x справедлива формула (tg φ =X/R), а для плеча с ёмкостью С 2 - формула (tg φ =R/X) при отрицательном значении угла φ2, имеем

2*&pi*F*L x / R x = 2*&pi*F*C 2 R 2

Решая совместно приведённые выше уравнения, получим:

L x = C 2 R 1 R 3 ; (1)
R x = R 1 R 3 / R 2 . (2)

Из последних формул следует, что конденсатор С2 и резистор R2 могут иметь шкалы для непосредственной оценки значений L x и R x , причём регулировки амплитуд и фаз, производимые ими, взаимонезависимы, что позволяет быстро уравновешивать мост.

Для расширения диапазона измеряемых величин один из резисторов R1 или R3 обычно выполняется в виде магазина сопротивлений.

При необходимости измерения параметров катушек со стальными сердечниками схема моста на рис. 4 дополняется источником постоянного напряжения U о, реостатом R о и миллиамперметром постоянного тока mA , служащими для регулировки и контроля тока подмагничивания, а также дросселем Др и конденсатором С, разделяющими цепи переменной и постоянной составляющих тока.

Рис. 5. Схема магазинного моста для измерения индуктивностей и добротностей

На рис. 5 приведена схема другого варианта магазинного моста, в которой конденсатор С2 имеет постоянную ёмкость, а резисторы R1 и R2 взяты переменными. Расширение диапазона измерений осуществляется посредством включения в мост резисторов R3 различных номиналов. Из формул (1) и (2) следует, что регулировки амплитуд и фаз в этой схеме оказываются взаимозависимыми, поэтому уравновешивание моста достигается путём попеременного изменения сопротивлений резисторов R1 и R2. Оценка индуктивностей L x производится по шкале резистора R1 с учётом множителя, определяемого установкой переключателя В . Отсчёт по шкале резистора R2 обычно производится в значениях добротности катушек

Q L = 2*π*F*L x /R x = 2*π*F*C 2 R 2 .

при частоте F источника питания. В справедливости последней формулы можно убедиться, если левую и правую части равенства (1) разделить на соответствующие части равенства (2).

При указанных на схеме данных измерительный мост позволяет измерять индуктивности примерно от 20 мкГн до 1, 10, 100 мГн; 1 и 10 Гн (без стальных сердечников) и добротности до значения Q L ≈ 60. Источником питания служит транзисторный генератор с частотой колебаний F ≈ 1 кГц. Напряжение разбаланса усиливается транзисторным усилителем, нагруженным на телефоны Тф. Двойной Т-образный RC-фильтр, настроенный на частоту 2F ≈ 2 кГц, подавляет вторую гармонику колебаний источника, что облегчает уравновешивание моста и снижает погрешность измерений.

Мостовые измерители индуктивностей, ёмкостей и активных сопротивлений имеют ряд идентичных элементов. Поэтому они часто совмещаются в одном приборе - универсальном измерительном мосте. Универсальные мосты высокой точности базируются на магазинных схемах типа приведённых на рис. 5. Они содержат источник постоянного напряжения или выпрямитель (питающий схему измерения R x), генератор низкой частоты с выходной мощностью в несколько ватт, многокаскадный усилитель напряжения разбаланса, нагруженный на магнитоэлектрический гальванометр; последний при измерении активных сопротивлений включается непосредственно в измерительную диагональ моста. Требуемая схема измерений формируется с помощью довольно сложной системы коммутации. В таких мостах иногда применяют индикаторы логарифмического типа, чувствительность которых резко падает, если мост не уравновешен.

Рис. 6. Схема универсального реохордного моста для измерения сопротивлений, ёмкостей и индуктивностей

Значительно проще универсальные мосты реохордного типа, измеряющие параметры радиодеталей с погрешностью порядка 5-15%. Возможная схема такого моста представлена на рис. 6. Мост питается при всех видах измерений напряжением с частотой примерно 1 кГц, которое возбуждается транзисторным генератором, выполненным по схеме индуктивной трёхточки. Индикатором баланса служит высокоомный телефон Тф. Резисторы R2 и R3 заменены проволочным реохордом (или, чаще, обычным потенциометром), позволяющим уравновешивать мост плавным изменением отношения сопротивлений R2/R3. Это отношение отсчитывается по шкале реохорда, диапазон показаний которой обычно ограничивается крайними значениями 0,1 и 10. Измеряемая величина определяется при уравновешенном мосте как произведение отсчёта по шкале реохорда на множитель, определяемый установкой переключателя В. Каждому виду и пределу измерений отвечает включение в схему моста соответствующего опорного элемента требуемого номинала - конденсатора С о (С1), резистора R о (R4) или катушки индуктивности L о (L4).

Особенностью рассматриваемой схемы является то, что измеряемые элементы R x и L x включаются в первое плечо моста (при опорных элементах R о и L о, находящихся в четвёртом плече), а С х, наоборот, - в четвёртое плечо (при С о - в первом плече). Благодаря этому оценка всех измеряемых величин производится по аналогичным формулам типа

A X = A о (R2/R3),

где А х и А о - значения величин соответствующих измеряемого и опорного элементов.

Переменный резистор R5 служит для компенсации фазовых сдвигов и улучшения балансировки моста при измерении индуктивностей. С той же целью иногда включают переменный резистор небольшого сопротивления в цепь опорного конденсатора С о предела измерений больших ёмкостей, которые часто имеют заметные потери.

С целью исключения влияния руки оператора движок реохорда обычно соединяют с корпусом прибора.

Резонансные измерители индуктивностей

Резонансные методы позволяют измерять параметры высокочастотных катушек индуктивности в диапазоне их рабочих частот. Схемы и способы измерений аналогичны применяемым при резонансных измерениях ёмкостей конденсаторов с учётом, конечно, специфики объектов измерений.

Рис. 7. Резонансная схема измерения индуктивностей с отсчётом по шкале генератора

Исследуемая катушка индуктивности может включаться в высокочастотный генератор как элемент его колебательного контура; В этом случае индуктивность L x определяется на основе показаний частотомера, измеряющего частоту колебаний генератора.

Чаще катушку L x подключают к измерительному контуру, связанному с источником высокочастотных колебаний, например генератором (рис. 2) или входной цепью радиоприёмника, настроенного на частоту радиовещательной станции (рис. 8). Предположим, что измерительный контур состоит из катушки связи L с подстроечным сердечником и конденсатора переменной ёмкости С о.

Рис. 8. Схема измерения ёмкостей резонансным методом с помощью радиоприёмника

Тогда применима следующая методика измерений. Измерительный контур при максимальной ёмкости С о1 конденсатора С о регулировкой индуктивности L настраивают в резонанс с известной частотой f источника колебаний. Затем в контур последовательно с его элементами включают катушку L x , после чего резонанс восстанавливают уменьшением ёмкости Со до некоторого значения С о2 . Измеряемую индуктивность рассчитывают по формуле

L х = * (С о1 -С о2)/(С о1 С о2).

В широкодиапазонных резонансных измерителях измерительный контур составляется из опорного конденсатора С о и исследуемой катушки L x . Контур связывают индуктивно, а чаще через конденсатор С 1 небольшой ёмкости (рис. 7 и 9) с высокочастотным генератором. Если известна частота колебаний генератора f 0 , соответствующая резонансной настройке контура, то измеряемая индуктивность определяется формулой

L х = 1/[(2*π*f о) 2 *C о ]. (3)

Возможны два варианта построения измерительных схем. В схемах первого варианта (рис. 7) конденсатор С о берётся постоянной ёмкости, а резонанс достигается изменением настройки генератора, работающего в плавном диапазоне частот. Каждому значению L x отвечает определённая резонансная частота

f 0 = 1/(2*π*(L x C x) 0,5), (4)

поэтому контурный конденсатор генератора можно снабдить шкалой с отсчётом в значениях L x . При широком диапазоне измеряемых индуктивностей генератор должен иметь несколько частотных поддиапазонов с отдельными шкалами для оценки L x на каждом поддиапазоне. Если в приборе используется генератор, имеющий шкалу частот, то для определения L x по значениям f 0 и С о можно составить таблицы или графики.

Для исключения влияния собственной ёмкости C L катушки на результаты измерений ёмкость С о должна быть большой; с другой стороны, ёмкость С о желательно иметь малой, чтобы обеспечить при измерении малых индуктивностей достаточно большое отношение L x /C о, необходимое для получения заметных показаний индикатора при резонансе. Практически берут С о = 500...1000 пФ.

Если высокочастотный генератор работает в ограниченном диапазоне частот, не разбитом на поддиапазоны, то для расширения пределов измерения индуктивностей применяют несколько переключаемых конденсаторов С о; если их ёмкости различаются в 10 раз, то на всех пределах оценка L x может производиться по одной и той же шкале генератора с использованием множителей к ней, кратных 10. Однако такая схема имеет существенные недостатки.

Измерение относительно больших индуктивностей, имеющих значительную собственную ёмкость C L , происходит на пределе с малой ёмкостью С о, и, наоборот, измерение малых индуктивностей производится на пределе с большой ёмкостью С о при невыгодном отношении L x /C о и малом резонансном напряжении на контуре.

Рис. 9. Резонансная схема измерения индуктивностей с отсчётом по шкале опорного конденсатора

В резонансных измерителях, схемы которых выполнены по второму варианту (рис. 9), индуктивности измеряются при фиксированной частоте генератора f 0 . Измерительный контур настраивают в резонанс с частотой генератора с помощью конденсатора переменной ёмкости С о, отсчёт по шкале которого в соответствии с формулой (3) может производиться непосредственно в значениях L x . Если обозначить через С м и С н соответственно максимальную и начальную ёмкости контура, а через L м и L н - максимальное и наименьшее значения измеряемых индуктивностей, то пределы измерения прибора будут ограничиваться отношением

L м /L н = С м /С н.

Типовые конденсаторы переменной ёмкости имеют перекрытие по ёмкости, равное примерно 30. С целью уменьшения погрешности при измерении больших индуктивностей начальную ёмкость С н контура увеличивают посредством включения в контур дополнительного конденсатора С д, обычно подстроечного типа.

Если обозначить через ΔС о наибольшее изменение ёмкости конденсатора С о, равное разности его ёмкостей при двух крайних положениях ротора, то для получения выбранного отношения L м /L н контур должен иметь начальную ёмкость

C н = ΔC о: (L м /L н -1). (5)

Например, при ΔС о = 480 пФ и отношении L м /L н = 11 получаем С н = 48 пФ. Если значения С н и L м /L н при расчёте являются исходными данными, то необходимо применить конденсатор С о, имеющий разность ёмкостей

ΔC о ≥ C н (L м /L н -1).

При больших значениях С н и L м /L н может потребоваться применение сдвоенного или строенного блока конденсаторов переменной ёмкости.

Частота f 0 , на которой должен работать генератор, определяется формулой (4) при подстановке в неё значений L м и С н или L н и С м. Для расширения общего диапазона измерений предусматривают работу генератора на нескольких переключаемых фиксированных частотах. Если соседние частоты генератора различаются в 10 0,5 ≈ 3,16 раза, то на всех пределах можно использовать общую шкалу индуктивностей конденсатора С о с множителями к ней, кратными 10 и определяемыми установкой переключателя частот (рис. 9). Плавное перекрытие всего диапазона измеряемых индуктивностей обеспечивается при отношении ёмкостей контура C м /C н ≥ 10. Если конденсатор С о логарифмического типа, то шкала индуктивностей близка к линейной.

Вместо генератора фиксированных частот можно применить измерительный генератор с плавным изменением частоты, которую устанавливают в зависимости от требуемого предела измерения индуктивностей.

Резонансные схемы измерения индуктивностей и ёмкостей часто совмещаются в одном приборе, поскольку они имеют ряд идентичных элементов и сходную методику измерений.

Пример . Рассчитать резонансный измеритель индуктивностей, работающий по схеме на рис. 9, на диапазон измерений 0,1 мкГн - 10 мГн при использовании сдвоенного блока переменных конденсаторов, ёмкость секций которого можно изменять от 15 до 415 пФ.

Решение
1. Наибольшее изменение ёмкости контура ΔС о = 2*(415-15) = 800 пФ.

2. Выбираем отношение L м /L н = 11. Тогда прибор будет иметь пять пределов измерений: 0,1-1,1; 1-11; 10-110; 100-1100мкГ и 1-11 мГн.

3. Согласно (5) контур должен иметь начальную ёмкость С н = 800/10 = 80 пФ. Учитывая начальную ёмкость блока конденсаторов, равную 30 пФ, включаем в контур подстроечный конденсатор С д с максимальной ёмкостью 50...80 пФ.

4. Максимальная ёмкость контура С м = С н + ΔС о = 880 пФ.

5. Согласно (4) на первом пределе измерений генератор должен работать на частоте
f 01 = 1/(2*π*(L н C м) 0,5) ≈ 0,16*(0,1*10^-6*880*10^-12) ≈ 17 МГц.
Для других пределов измерений находим соответственно: f 02 = 5,36 МГц; f 03 = 1,7 МГц; f 04 = 536 кГц; f 05 = 170 кГц.

6. Шкалу индуктивностей выполняем для предела измерений 1-11 мкГн.

Измерители добротности (куметры)

Приборы, предназначенные для измерения добротности элементов высокочастотных цепей, часто называют куметрами. Действие куметров основано на использовании резонансных явлений, что позволяет измерение добротности сочетать с измерением индуктивности, ёмкости, собственной резонансной частоты и ряда других параметров испытуемых элементов.

Куметр, упрощённая схема которого приведена на рис. 10, содержит три основных компонента: генератор высокой частоты, измерительный контур и индикатор резонанса. Генератор работает в широком, плавно перекрываемом диапазоне частот, например от 50 кГц до 50 МГц; это позволяет многие измерения проводить на рабочей частоте испытуемых элементов.

Исследуемая катушка индуктивности L x , R x через зажимы 1 и 2 включается в измерительный контур последовательно с опорным конденсатором переменной ёмкости С о и конденсатором связи С 2 ; ёмкость последнего должна удовлетворять условию: С 2 >> С о.м, где С о.м - максимальная ёмкость конденсатора С о. Через ёмкостный делитель C 1 , С 2 с большим коэффициентом деления

N = (C 2 + C 1)/C 1

в контур вводится от генератора опорное напряжение U о требуемой высокой частоты f. Возникающий в контуре ток создаёт падение напряжения U С на конденсаторе С о, которое измеряется высокочастотным вольтметром V2.

Входное сопротивление вольтметра V2 в пределах рабочих частот куметра должно быть очень велико. При достаточно высокой чувствительности вольтметр подключают к измерительному контуру через ёмкостный делитель напряжения, входную ёмкость которого учитывают как компонент начальной ёмкости конденсатора С о. Поскольку все конденсаторы, входящие в состав измерительного контура, имеют весьма малые потери, то можно считать, что активное сопротивление контура в основном определяется сопротивлением потерь R x исследуемой катушки.

Рис. 10. Упрощённая схема куметра

Изменением ёмкости конденсатора С о измерительный контур настраивают в резонанс с частотой генератора f по максимальным показаниям вольтметра V2. При этом в контуре будет протекать ток I р ≈ U о /R x , создающий на конденсаторе падение напряжения

U C = I p /(2*π*f*C о) ≈ U о /(2*π*f*C о R x).

Учитывая, что при резонансе 1/(2*π*f*С о) = 2*&pi*f*L x , находим

UC ≈ U o (2*π*f*L x)/R x = U о Q L ,

где Q L = (2*π*f*L x)/R x есть добротность катушки L x при частоте f. Следовательно, показания вольтметра V2 пропорциональны добротности Q L . При фиксированном напряжении U о шкалу вольтметра можно линейно градуировать в значениях Q L ≈ U C /U о. Например, при U о = 0,04 В и пределе измерений вольтметра U п = 10 В напряжениям на входе вольтметра 2, 4, 6, 8 и 10 В будут соответствовать добротности Q L , равные 50, 100, 150, 200 и 250.

Номинальное напряжение U о устанавливают регулировкой режима выходного каскада генератора. Контроль этого напряжения осуществляют по показаниям высокочастотного вольтметра V1, измеряющего напряжение U 1 = U о N на выходе генератора. Например, если шкала добротностей вольтметра V2 выполнена при напряжении Uо = 0,04 В, а коэффициент деления N = 20, то на выходе генератора должно поддерживаться напряжение U x = 0,04*20 = 0,8 В. Предел измерений вольтметра V1 должен несколько превышать расчётное значение напряжения U 1 и равен, например, 1 В.

Повышение верхнего предела измерения добротностей достигается уменьшением напряжения U о до значения, в несколько раз меньшего номинального. Предположим, что при напряжении U о = 0,04 В обеспечивается непосредственный отсчёт добротностей до значения Q L = 250. Если же уменьшить напряжение U о в два раза, до 0,02 В, то стрелка вольтметра V2 будет отклоняться на всю шкалу при добротности Q L = U п /U о = 10/0,02 = 500. Соответственно для повышения верхнего предела измерений в четыре раза, до значения Q L = 1000, измерения следует проводить при напряжении U о = 40/4 = 10 мВ.

Уменьшить напряжение U о до требуемого значения можно двумя способами: изменением коэффициента деления N посредством переключения конденсаторов С 1 различных номиналов либо регулировкой выходного напряжения U 1 генератора. Для удобства измерения больших добротностей вольтметр V1 (или переключатель коэффициентов деления) снабжают шкалой (маркировкой), отсчёт по которой, характеризующий степень уменьшения напряжения U о по сравнению с его номинальным значением, является множителем к шкале добротностей вольтметра V2.

Для проверки работы куметра и расширения его возможностей используют опорные катушки L о с известными индуктивностью и добротностью. Обычно имеется комплект из нескольких сменных катушек L о, которые вместе с конденсатором переменной ёмкости С о обеспечивают резонансную настройку измерительного контура в пределах всего диапазона рабочих частот генератора.

При измерении добротности катушек индуктивности Q L за 10-15 мин до начала работы включают питание прибора и настраивают генератор на требуемую частоту. После прогрева производят установку нуля вольтметров V1 и V2. Испытуемую катушку подключают к зажимам 1 и 2. Постепенным повышением выходного напряжения генератора добиваются отклонения стрелки вольтметра V1 до отметки номинала. Конденсатором Со настраивают контур в резонанс с частотой генератора. Если при этом стрелка вольтметра V2 заходит за шкалу, выходное напряжение генератора уменьшают. Значение добротности Q L определяют как произведение отсчётов по шкале добротностей вольтметра V2 и по шкале множителей вольтметра V1.

Добротность колебательного контура Q K измеряют в том же порядке при подключении катушки контура к зажимам 1 и 2, а его конденсатора - к зажимам 3 и 4. При этом конденсатор С о устанавливают в положение минимальной ёмкости. Если конденсатор исследуемого контура имеет переменную ёмкость, то им производят настройку контура в резонанс на требуемую частоту генератора f; если этот конденсатор постоянный, то резонансную настройку осуществляют изменением частоты генератора.

Измерение куметром индуктивности катушек L x производят способом, рассмотренным выше в связи со схемой на рис. 9. Генератор настраивают на опорную частоту, выбираемую согласно таблице в зависимости от ожидаемого значения L x . Испытуемую катушку подключают к зажимам 1 и 2 Измерительный контур настраивают в резонанс конденсатором С о, по специальной шкале которого оценивают значение L x с учётом цены деления, указанной в таблице. Одновременно способом вариации параметров контура можно определить и собственную ёмкость катушки C L . При двух произвольных значениях ёмкостей С 01 и С 02 конденсатора С о изменением настройки генератора находят резонансные частоты контура f 1 и f 3 . Искомая ёмкость

C L = (C 02 f 4 2 -C 01 f 1 2) : (f 1 2 -f 2 2)

Измерение куметром ёмкостей выполняют методом замещения. Испытуемый конденсатор С х присоединяют к зажимам 3 и 4, а к зажимам 1 и 2 подключают одну из опорных катушек L о, обеспечивающую резонансную настройку контура в выбранном диапазоне частот. Одновременно можно определить и тангенс угла потерь (добротность) конденсатора:

tg δ = 1/(2*π*f*C x R п)

(где R п - сопротивление потерь). Для этого при двух значениях ёмкостей C 01 и С 02 , соответствующих резонансным настройкам контура без конденсатора С х и при подключении последнего, находят добротности контура Q 1 и Q 2 , а затем совершают вычисление по формуле

tg δ = Q 1 Q 2 /(Q 1 -Q 2) * (C 01 -C 02)/C 01

При необходимости генератор куметра можно использовать в качестве измерительного генератора, а электронные вольтметры - для измерения напряжений в широком диапазоне частот.

Приборы непосредственной оценки и сравнения

К измерительным приборам непосредственной оценки значения измеряемой емкости относятся микрофарадметры , действие которых базируется на зависимости тока или напряжения в цепи переменного тока от значения включенной в нее . Значение емкости определяют по шкале стрелочного измерителя.

Более широко для измерения и индуктивностей применяют уравновешенные мосты переменного тока , позволяющие получить малую погрешность измерения (до 1 %). Питание моста осуществляется от генераторов, работающих на фиксированной частоте 400-1000 Гц. В качестве индикаторов применяют выпрямительные или электронные милливольтметры, а также осциллографические индикаторы.

Измерение производят балансированием моста в результате попеременной подстройки двух его плеч. Отсчет показаний берется по лимбам рукояток тех плеч, которыми сбалансирован мост.

В качестве примера рассмотрим измерительные мосты, являющиеся основой измерителя индуктивности ЕЗ-3 (рис. 1) и измерителя емкости Е8-3 (рис. 2).

Рис. 1. Схема моста для измерения индуктивности

Рис. 2. Схема моста для измерения емкости с малыми (а) и большими (б) потерями

При балансе моста (рис. 1) индуктивность катушки и ее добротность определяют по формулам Lx = R1R2C2; Qx = wR1C1.

При балансе мостов (рис. 2) измеряемая емкость и сопротивление потерь определяют по формулам

Измерение емкости и индуктивности методом амперметра-вольметра

Для измерения малых емкостей (не более 0,01 - 0,05 мкФ) и высокочастотных катушек индуктивности в диапазоне их рабочих частот широко используют резонансные методы Резонансная схема обычно включает в себя генератор высокой частоты, индуктивно или через емкость связанный с измерительным LС-контуром. В качестве индикаторов резонанса применяют чувствительные высокочастотные приборы, реагирующие на ток или напряжение.

Методом амперметра-вольтметра измеряют сравнительно большие емкости и индуктивности при питании измерительной схемы от источника низкой частоты 50 - 1000 Гц.

Для измерения можно воспользоваться схемами рис. 3.

Рисунок 3. Схемы измерения больших (а) и малых (б) сопротивлений переменному току

По показаниям приборов полное сопротивление

где

из этих выражений можно определить

Когда можно пренебречь активными потерями в конденсаторе или катушке индуктивности, используют схему рис. 4. В этом случае

Рис. 4. Схемы измерения больших (а) и малых (б) сопротивлений методом амперметра - вольтметра

Измерение взаимной индуктивности двух катушек

Катушки индуктивности – это элементы, в маркировке которых параметры обыкновенно не указаны. К тому же, зачастую катушки наматывают независимо. В обоих случаях определить индуктивность катушки дозволено только путем ее измерения. Оно может быть осуществлено разными способами, полагающими использование разного по трудности оборудования. Некоторые из этих способов заботливы и требуют вычислений. Но прямопоказывающие LC-метры свободны от данных недостатков разрешают измерять индуктивность стремительно и без дополнительных рассчетов.

Вам понадобится

• Прямопоказывающий LC-метр либо мультиметр с функцией измерения индуктивности

Инструкция

1. Приобретите LC-метр. В большинстве случаев, они схожи на обыкновенные мультиметры. Существуют также мультиметры с функцией измерения индуктивности – такой прибор вам тоже подойдет. Всякий из этих приборов дозволено купить в специализированных магазинах, торгующих электронными компонентами.

2. Обесточьте плату, на которой находится катушка. При необходимости, разрядите конденсаторы на плате. Выпаяйте катушку, индуктивность которой требуется измерить, из платы (если этого не сделать, в измерение будет внесена приметная погрешность), а после этого подключите к входным гнездам прибора (к каким именно, указано в его инструкции). Переключите прибор на самый точный предел, обыкновенно обозначенный как “2 mH”. Если индуктивность катушки поменьше 2-х миллигенри, то она будет определена и показана на индикаторе, позже чего измерение дозволено считать завершенным. Если же она огромнее этой величины, прибор покажет перегрузку – в старшем разряде появится единица, а в остальных – пробелы.

3. В случае если измеритель показал перегрузку, переключите прибор на дальнейший, больше дерзкий предел – “20 mH”. Обратите внимание на то, что десятичная точка на индикаторе переместилась – изменился масштаб. Если измерение и в данный раз не увенчалось фурором, продолжайте переключать пределы в сторону больше дерзких до тех пор, пока перегрузка не исчезнет. Позже этого прочитайте итог. Посмотрев после этого на переключатель, вы узнаете, в каких единицах данный итог выражен: в генри либо в миллигенри.

4. Отключите катушку от входных гнезд прибора, позже чего впаяйте обратно в плату.

5. Если прибор показывает нуль даже на самом точном пределе, то катушка либо имеет дюже малую индуктивность , либо содержит короткозамкнутые витки. Если же даже на самом дерзком пределе индицируется перегрузка, катушка либо оборвана, либо имеет слишком огромную индуктивность , на измерение которой прибор не рассчитан.

Для того дабы измерить индуктивность катушки, используйте амперметр, вольтметр и частотометр (в том случае, если не вестима частота источника переменного тока), после этого снимите показания и вычислите индуктивность . В случае с соленоидом (катушка, длина которой гораздо огромнее ее диаметра), для определения индуктивности нужно замерить длину соленоида, площадь его поперечного сечения и число витков проводника.

Вам понадобится

• катушка индуктивности, тестер

Инструкция

1. Измерение индуктивности способом вольтметра-амперметра.Дабы обнаружить индуктивность проводника данным способом, используйте источник переменного тока с вестимой частотой. Если частота не знаменита, то измерьте ее частотометром, присоединив его к источнику. Присоедините к источнику тока катушку, индуктивность которой измеряется. Позже этого в цепь ступенчато включите амперметр, а к концам катушки параллельно – вольтметр. Пропустив ток через катушку, снимите показания приборов. Соответственно силы тока в амперах и напряжения в вольтах.

2. По этим данным рассчитайте значение индуктивности катушки. Для этого значение напряжения поделите ступенчато на 2, число 3.14, значения частоты тока и силы тока. Итогом будет значение индуктивности для данной катушки в Генри (Гн). Главное примечание: катушку присоединяйте только к источнику переменного тока. Энергичное сопротивление проводника, используемого в катушке должно быть пренебрежимо немного.

3. Измерение индуктивности соленоида.Для измерения индуктивности соленоида возьмите линейку либо иной инструмент для определения длин и расстояний, и определите длину и диаметр соленоида в метрах. Позже этого посчитайте число его витков.

4. После этого обнаружьте индуктивность соленоида. Для этого, возведите число его витков во вторую степень, полученный итог умножьте на 3.14, диаметр во 2-й степени и поделите итог на 4. Полученное число поделите на длину соленоида и умножьте на 0,0000012566 (1,2566*10-6). Это и будет значение индуктивности соленоида.

5. Если есть такая вероятность, для определения индуктивности данного проводника используйте особый прибор. В его основе лежит схема, именуемая мост переменного тока.

Катушка индуктивности способна накапливать магнитную энергию при протекании электрического тока. Основным параметром катушки является ее индуктивность . Индуктивность измеряется в Генри (Гн) и обозначается буквой L.

Вам понадобится

• Параметры катушки индуктивности

Инструкция

1. Индуктивность короткого проводника определяется по формуле: L = 2l(ln(4l/d)-1)*(10^-3), где l – длина провода в сантиметрах, а d – диаметр провода в сантиметрах. Если провод намотан на каркас, то образуется катушка индуктивности. Магнитный поток концентрируется, и, в итоге, величина индуктивности повышается.

2. Индуктивность катушки пропорциональна линейным размерам катушки, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков намотки. Индуктивность катушки, намотанной на тороидальном сердечнике, равна: L = ?0*?r*s*(N^2)/l. В этой формуле?0 - магнитная непрерывная, ?r - относительная магнитная проницаемость материала сердечника, зависящая от частоты), s - площадь сечения сердечника, l - длина средней линии сердечника, N - число витков катушки.

3. Индуктивность катушки индуктивности в мкГн дозволено рассчитать также по формуле: L = L0*(N^2)*D*(10^-3). Тут N – это число витков, D – диаметр катушки в сантиметрах. Показатель L0 зависит от отношения длины катушки к ее диаметру. Для однослойной катушки он равен: L0 = 1/(0,1*((l/D)+0,45)).

4. Если в цепи катушки объединены ступенчато, то их всеобщая индуктивность равна сумме индуктивностей всех катушек: L = (L1+L2+…+Ln)Если катушки объединены параллельно, то их всеобщая индуктивность равна: L = 1/((1/L1)+(1/L2)+…+(1/Ln)).Таким образом, формулы расчета индуктивности для разных схем соединения катушек индуктивности аналогичны формулам расчета сопротивления при сходственном соединении резисторов.

Видео по теме

Индуктивность катушки может быть измерена непринужденно либо косвенным методом. В первом случае понадобится прямопоказывающий либо мостовой прибор, а во втором придется воспользоваться генератором, вольтметром и миллиамперметром, а после этого осуществить ряд вычислений.

Вам понадобится

• – прямопоказывающий либо мостовой измеритель индуктивности;
• – генератор синусоидального напряжения;
• – вольтметр и миллиамперметр переменного тока;
• – частотомер;
• – ученый калькулятор.

Инструкция

1. Дабы измерить индуктивность прямопоказывающим прибором, подключите к нему катушку, а после этого, ступенчато выбирая пределы измерения переключателем, выберите такой из них, дабы итог находился приблизительно в середине диапазона. Прочитайте итог. Если измеритель имеет аналоговую шкалу, при считывании итога принимайте в расчет цену деления, а также показатель, указанный рядом с соответствующим расположением переключателя.

2. На мостовом приборе позже всего переключения диапазонов переведите ручку регулятора балансировки моста в всякое из крайних расположений, а после этого вращайте ее до упора в противоположном направлении. Обнаружьте такой диапазон, в котором этой ручкой дозволено сбалансировать мост. Добившись исчезновения звука в динамике либо наушниках либо уменьшения показаний стрелочного индикатора до нуля, прочитайте показания на шкале регулятора (но не стрелочного прибора). При этом, как и в предыдущем случае, рассматривайте цену деления и показатель, на тот, что следует умножать на данном диапазоне показания.

3. Для измерения индуктивности косвенным методом соберите измерительную цепь. Вольтметр переменного тока, переключенный на предел, при котором верхней границе диапазона соответствует напряжение в несколько вольт, подключите параллельно выходу генератора. Туда же подключите и частотомер. Также параллельно им присоедините последовательную цепь, состоящую из испытуемой катушки индуктивности, а также милиламперметра переменного тока. Оба прибора обязаны показывать действующие, а не амплитудные значения измеряемых величин, а также быть рассчитанными на синусоидальную форму колебаний.

4. На генераторе включите режим выработки напряжения синусоидальной формы. Добейтесь, дабы вольтметр показывал около 2-х вольт. Увеличивайте частоту до тех пор, пока показания миллиамперметра не начнут уменьшаться. Добейтесь их уменьшения приблизительно до половины изначального значения. Выберите на частотомере предел, соответствующие измеряемой частоте. Прочитайте показания всех 3 приборов, а после этого отключите генератор и разберите измерительную цепь.

5. Переведите показания приборов в единицы системы СИ. Поделите напряжение на силу тока. Получится индуктивное сопротивление катушки на той частоте, на которой осуществлялось измерение. Оно будет выражено в омах.

6. Индуктивность рассчитайте по формуле: L=X/(2?F), где L – частота, Г (генри), X – индуктивное сопротивление, Ом, F – частота, Гц. При необходимости переведите итог расчета в производные единицы (скажем, миллигенри, микрогенри).

Обратите внимание!
Не касайтесь элементов измерительной цепи, когда она находится под напряжением.

Видео по теме

Обратите внимание!
Никогда не подключайте LC-метр к схеме, находящейся под напряжением.

Полезный совет
Некоторые LC-метры имеют особую ручку для регулировки. Прочитайте в инструкции к прибору, как ей пользоваться. Без регулировки показания прибора будут неточными.

Предлагаемая приставка к частотомеру для определения расчетным путем индуктивности в диапазоне 0,2 мкГн… 4 Гн отличается от прототипов пониженным напряжением на измеряемой индуктивности (амплитуда не более 100 мВ), что снижает погрешность измерения для катушек на малогабаритных кольцевых и замкнутых магнитопроводах и дает возможность измерить с достаточной для практики точностью начальную магнитную проницаемость магнитопроводов. Кроме того, малое значение напряжения на контуре позволяет оценивать индуктивность катушки непосредственно в конструкции, без демонтажа.

Для многих начинающих радиолюбителей изготовление и оценка индуктивности катушек, дросселей, трансформаторов становится «камнем преткновения». Промышленные измерители малодоступны, самодельные законченные конструкции, как правило, сложны в повторении и при их настройке необходимы промышленные приборы. Поэтому особой популярностью пользуются простые приставки к частотомеру или осциллографу.

Описания и схемы подобных устройств были опубликованы в периодической литературе . Они просты в повторении, удобны в применении. Но сведения в статьях в части заявленных погрешностей и пределов измерения нередко приводят к ошибочным выводам и искаженным результатам. Так в указано, что приставка позволяет измерить индуктивность более 0,1 мкГн, а погрешность измерения зависит от подбора конденсатора, который в авторской конструкции имеет допустимое отклонение номинальной емкости не более ±1 %. И это при том, что на указанных на схеме транзисторах устойчивая генерация начинается с индуктивностью колебательного контура 0,15…0,2 мкГн (желающие легко могут проверить), а собственная индуктивность выводов от платы до разъема 30 мм оказывается равной 0,1…0,14 мкГн. В другой статье указывается погрешность до 1,5 % от верхнего предела (кстати, обратите внимание, нижний предел 0,5 мкГн с погрешностью 0,9 мкГн ― и это верно, иными словами измерение таких величин носит оценочный характер) как для маленьких, так и больших значений индуктивности, без учета собственной емкости катушек. А такая емкость может достигать соизмеримой с контурной величины и вносить дополнительную погрешность до 10…20 %.

В этой статье сделана попытка в какой-то мере восполнить отмеченный пробел и показать методы оценки погрешности измерений и способы применения действительно простой и полезной конструкции в лаборатории каждого радиолюбителя.

Предлагаемая приставка к частотомеру предназначена для оценки и измерения с достаточной для практики точностью индуктивности в диапазоне 0,2 мкГн… 4 Гн. Она отличается от прототипов пониженным напряжением на измеряемой индуктивности (амплитуда не более 100 мВ), что снижает погрешность измерения индуктивности на малогабаритных кольцевых и замкнутых магнитопроводах и дает возможность измерить начальную магнитную проницаемость магнитопроводов. Кроме того, малое значение напряжения на контуре позволяет оценивать индуктивность катушки непосредственно в конструкции, без демонтажа. Такую возможность оценят те, кому часто приходится заниматься ремонтом и настройкой аппаратуры при отсутствии схем и описаний.

Для работы с приставкой подходят любые самодельные или промышленные частотомеры, позволяющие измерять частоту до 3 МГц с точностью не менее 3х знаков. Если нет частотомера, подойдет и осциллограф. Точность измерения временных параметров у последних, как правило, порядка 7…10%, что и определит погрешность измерения индуктивности.

Принцип измерения индуктивности основан на известном соотношении, связующим параметры элементов колебательного контура с частотой его резонанса (формула Томсона)

Здесь и далее во всех формулах частота указана в мегагерцах, емкость ― в пикофарадах, индуктивность ― в микрогенри.

При емкости контура Ск = 25330 пФ, формула упрощается

, где Т ― период в микросекундах.

В приставке (ее схема показана на рис. 1 ) используется генератор с эмиттерной связью в

двухкаскадном усилителе, частота гармонических колебаний которого определяется емкостью конденсатора С1 и измеряемой индуктивностью Lx, подключаемой к пружинным зажимам Х1. Так как используется непосредственное соединение базы транзистора VT1 с коллектором VT2, то коэффициент петлевого усиления генератора высок, что обеспечивает устойчивую генерацию при изменении соотношения L/C в широком диапазоне. Коэффициент петлевого усиления пропорционален крутизне используемых транзисторов и может эффективно регулироваться изменением тока эмиттеров, для чего используется выпрямитель на диодах VD1, VD2 и управляющий транзистор VT3. Введение усилителя на транзисторе VT4 с КU= 8…9 позволило снизить амплитуду напряжения на контуре до уровня 80…90 мВ при выходной амплитуде 0,7 В. Эмиттерный повторитель обеспечивает работу на низкоомную нагрузку.

Устройство работоспособно при изменении напряжения питания в интервале 5…15 В, при этом вариации уровня выходного напряжения не превышают 20 %, а уход частоты F= 168,5 кГц (с катушкой высокой добротности, намотанной на сердечнике 50ВЧ при индуктивности L= 35 мкГн) не более 40 Гц!

В конструкции можно использовать в позициях VT1, VT2 транзисторы КТ361Б, КТ361Г, КТ 3107 с любым буквенным индексом, хотя несколько лучшие результаты достигаются с КТ326Б, КТ363; в позиции VT3 ― кремниевые транзисторы структуры р-n-р, например, КТ209В, КТ361Б, КТ361Г, КТ3107 с любым буквенным индексом. Для буферного усилителя (VT4, VT5) пригодно большинство высокочастотных транзисторов. Параметр h21Э для транзистора VT4 ― более 150, для остальных не менее 50.

Диоды VD, VD2 ― любые высокочастотные кремниевые, например, серий КД503, КД509, КД521, КД522.

Резисторы ― МЛТ-0,125 или аналогичные. Конденсаторы, кроме С1, ― малогабаритные соответственно керамические и электролитические, допустим разброс 1,5…2 раза.

Конденсатор С1 емкостью 25330 пФ определяет точность измерения, поэтому ее значение желательно подобрать с отклонением не более ±1 % (можно составить из нескольких термостабильных конденсаторов, например 10000+10000+5100+ 220пФ из группы КСО, К31. Если нет возможности точно подобрать емкость, можно воспользоваться описанной ниже методикой.

В качестве разъема Х1 удобно использовать пружинящие зажимы для «акустических» кабелей. Разъем Х3 для соединения с частотомером ― СР–50-73Ф.

Детали монтируют на печатной плате (рис. 2 ) из односторонне фольгированного стеклотекстолита.

Чертёж печатной платы в формате lay разработки П.Семина можно

Допустимо использовать навесной монтаж. В качестве корпуса для приставки можно применить любой подходящий по размерам коробок из любого материала. Разместить разъем Х1 необходимо так, чтобы обеспечить минимальную длину соединяющих его с платой проводников. На фото, для примера, показан аккуратно выполненная конструкция от Павла Семина.

После проверки правильности монтажа следует подать питание напряжением 12 В, не подключая катушки к разъему Х1. Напряжение на эмиттере VT5 должно быть примерно равным половине питающего напряжения; если отклонение больше, потребуется подбор резистора R4. Ток потребления окажется близким к 20 мА. Присоедините к разъему Х1 катушку Lx индуктивностью в пределах десятков―сотен микрогенри (точное значение некритично), а к разъему Х3 ― осциллограф или высокочастотный вольтметр. На выходе приставки должно быть переменное напряжение 0,45…0,5 В эфф (амплитудное значение 0,65…0,7 В). При необходимости его уровень можно установить в диапазоне 0,25…0,7 Вэфф подбором резистора R8.

Теперь можно приступить к калибровке приставки , подключив ее к частотомеру.

Это можно сделать несколькими методами.

Если есть возможность измерить с точностью не хуже 1 % катушку на незамкнутом магнитопроводе с индуктивностью порядка десятков-сотен мкГ, то используя ее как образцовую, подберите емкость конденсаторов С1 так, чтобы показания приставки совпали с требуемым значением.

Во втором случае понадобится один термостабильный эталонный конденсатор, емкость которого не менее 1000 пФ и известна с высокой точностью. В крайнем случае, если нет возможности точно измерить емкость, можно применить конденсаторы КСО, К31 с допуском ±2―5 %, смирившись с вероятным увеличением погрешности. Автор использовал конденсатор К31-17 с номинальной емкостью 5970 пФ ±0,5 %. Сначала по частотомеру фиксируем частоту F1 для катушки Lx без дополнительного внешнего конденсатора. Затем присоединяем параллельно катушке эталонный конденсатор Cэт и фиксируем частоту F2. Теперь можем определить реальную входную емкость собранной приставки и индуктивность катушки Lx по формулам

Чтобы можно было пользоваться приведенными в начале статьи упрощенными формулами, нужно подбором группы конденсаторов С1 установить емкость Свх равной 25330±250 пФ. После окончательной корректировки емкости конденсаторов С1 сделайте контрольный замер по приведенной выше методике, чтобы убедиться, что емкость С вх соответствует требуемой.Вручную делать многократные пересчеты долго, поэтому автор пользуется удачной программой расчетов MIX10 , разработанной А. Беспальчиком.

После этого приставка готова к работе. Попробуем оценить ее возможности; для этого проведем несколько опытов.

1. При измерении малых значений индуктивности большую погрешность вносит собственная индуктивность приставки, состоящая из индуктивности проводников, соединяющих разъем Х1 с платой, и индуктивности монтажа. Попробуем ее измерить. Сначала замкнем контакты разъема Х1 прямым коротким проводником. Скрученные провода, идущие к разъему Х1 длиной 30 мм, и перемычка длиной 30 мм образуют один виток катушки. Если в генераторе транзисторы КТ326Б, колебания возникают только при ударном возбуждении контура путем периодичного включения питания; при этом частота F1 = 2,675…2,73 МГц, что соответствует индуктивности 0,14 мкГн (с транзисторами КТ3107Б генерация совсем не возникает). Теперь сделаем из провода диаметром 0,5 мм кольцо диаметром 3 с расчетной индуктивностью около 0,08 мкГн и подключим к Х1. Для генератора на транзисторах КТ326Б частотомер показал значение 2,310 МГц, что соответствует индуктивности 0,19 мкГн. Вариант на транзисторах КТ3107Б генерировал только при ударном возбуждении контура. Таким образом, собственная индуктивность приставки оказалась в пределах 0,1…0,14 мкГн.

Выводы: высокая точность измерений обеспечивается для индуктивности более 5 мкГн. При значениях в интервале 0,5… 5 мкГн надо учитывать собственную индуктивность 0,1…0,14 мкГн. При индуктивности менее 0,5 мкГн измерения носят оценочный характер. Уверенно регистрируемая минимальное значение индуктивности 0,2 мкГн.

1. Измерение неизвестной индуктивности. Допустим, для нее частота F1= 0,16803 МГц, что по упрощенной формуле расчета индуктивности дает 35,42 мкГн.

При проверке с эталонным конденсатором частота F2 = 0.15129 МГц соответствует индуктивности 35,09 мкГн. Погрешность ― менее 1 %.

1. Используя измеренную индуктивность в качестве образцовой, можно оценить входную емкость генератора. Емкость контура состоит из емкости группы конденсаторов С1 и емкости Сген, состоящей из суммы емкости монтажа и емкости, вносимой транзисторами VT1, VT2, т. е. Свх= С1+С ген.

Чтобы определить величину С ген, отключаем конденсаторы С1 и измеряем с используемой индуктивностью частоту F3. Теперь Сген можно рассчитать по формуле

В авторском варианте приставки с транзисторами КТ3107Б емкость Сген равна 85 пФ, а с транзисторами КТ326Б ― З9 пФ. По сравнению с требуемым значением 25330 пФ это меньше 0,4 %, что позволяет применять практически любые высокочастотные транзисторы без заметного влияния на точность измерения..

1. Благодаря большой собственной емкости приставки, при измерении индуктивности до 0,1 Гн погрешность, вносимая собственной емкостью катушек, несущественна. Так при измерении индуктивности первичной обмотки выходного трансформатора от транзисторных приемников получилось значение L = 105,6 мГн. При дополнении колебательного контура эталонным конденсатором 5970 пФ получилось другое значение ― L=102 мГн, а собственная емкость обмотки Стр= Сизм– С1 = 25822 – 25330 = 392 пФ.
2. Амплитуда на измерительном колебательном контуре величиной 70…80 мВ оказывается меньше порога открывания кремниевых p-n переходов, что позволяет во многих случаях измерять индуктивность катушек и трансформаторов прямо в схеме (естественно, обесточенной). Благодаря большой собственной емкости приставки (25330 пФ), если емкость в измеряемой цепи не более 1200 пФ, погрешность измерения не превысит 5 %.

Так при измерении индуктивности катушки контура ПЧ (емкость контура не более 1000 пФ) непосредственно на плате транзисторного приемника получено значение 92,1 мкГн. При измерении индуктивности катушки, выпаянной из платы, расчетное значение оказалось меньше ― 88,7мкГн (погрешность менее 4 %).

Для подключения к катушкам индуктивности, размещенных на платах, автор использует щупы с соединительными проводами длиной 30 см, скрученных с шагом одна скрутка на сантиметр. Ими вносится дополнительная индуктивность 0,5…0,6 мкГн ― это важно знать при измерении малых величин, для оценки ее достаточно замкнуть щупы между собой.

В заключение еще несколько полезных советов .

Определить магнитную проницаемость кольцевого магнитопровода без маркировки можно по следующей методике. Намотать 10 витков провода, равномерно распределив его по кольцу, и измерить индуктивность обмотки, а полученное значение индуктивности подставить в формулу:

В практических расчетах удобно пользоваться упрощенной формулой для расчета числа витков на кольцевых магнитопроводах

Значения коэффициента k для ряда широкораспространенных кольцевых магнитопроводов по данным В. Т. Полякова приведены в табл. 1 .

Таблица 1

Для широко распространенных броневых магнитопроводов из карбонильного железа индуктивность удобнее рассчитывать в микрогенри, поэтому введем коэффициент m, и формула соответственно изменится:

Некоторые значения для распространенных броневых магнитопроводов приведены в табл. 2 .

Составить подобную таблицу для имеющихся у вас кольцевых и броневых магнитопроводов, воспользовавшись предлагаемой приставкой, не составит большого труда.

ЛИТЕРАТУРА

1.Гайдук П. Частотомер измеряет индуктивность. ― Радиолюбитель, 1996, № 6, с. 30.

1. L-метр с линейной шкалой. ― Радио, 1984, № 5, с. 58, 61.
2. Поляков В. Катушки индуктивности. ― Радио, 2003, № 1, с. 53.
3. Поляков В. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. ― М.: Патриот, 1990, с. 137, 138.
4. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя. /Терещук Р. М. и др./ ― Киев: Наукова думка, 1987, с. 104.

С.Беленецкий, US5MSQ Луганск Украина Радио, 2005, №5, с.26-28

Обсудить статью, высказать свое мнение и предложения можно на форуме