Jak zmierzyć wartość cewki lub kondensatora za pomocą oscyloskopu - metoda częstotliwości rezonansowej

Rezystory, cewki i kondensatory to najczęściej używane elementy pasywne w prawie każdym obwodzie elektronicznym. Spośród tych trzech wartości rezystorów i kondensatorów są zwykle oznaczane na górze albo jako kod koloru rezystora, albo jako oznaczenie numeryczne. Również rezystancję i pojemność można również zmierzyć za pomocą zwykłego multimetru. Ale większość cewek, szczególnie tych z rdzeniem ferrytowym i powietrznym, z jakiegoś powodu nie wydaje się mieć na sobie żadnych oznaczeń. Staje się to dość denerwujące, gdy musisz wybrać odpowiednią wartość cewki indukcyjnej do projektu obwodu lub uratowałeś ją ze starej elektronicznej płytki drukowanej i chcesz poznać jej wartość.

Otwartym rozwiązaniem tego problemu jest użycie miernika LCR, który mógłby mierzyć wartość cewki indukcyjnej, kondensatora lub rezystora i wyświetlać ją bezpośrednio. Ale nie każdy ma przy sobie miernik LCR, dlatego w tym artykule dowiemy się, jak za pomocą oscyloskopu zmierzyć wartość cewki lub kondensatora za pomocą prostego obwodu i łatwych obliczeń. Oczywiście, jeśli potrzebujesz szybszego i bardziej niezawodnego sposobu, możesz również zbudować własny miernik LC, który używa tej samej techniki wraz z dodatkowym MCU do odczytu wartości na wyświetlaczu.

Wymagane materiały

• Oscyloskop
• Generator sygnału lub prosty sygnał PWM z Arduino lub innego MCU
• Dioda
• Znany kondensator (0,1 uf, 0,01 uf, 1 uf)
• Rezystor (560 omów)
• Kalkulator

Aby zmierzyć wartość nieznanego induktora lub kondensatora, musimy zbudować prosty obwód zwany obwodem zbiornika. Obwód ten można również nazwać obwodem LC lub obwodem rezonansowym lub obwodem strojonym. Obwód zbiornika to obwód, w którym cewka indukcyjna i kondensator będą połączone równolegle ze sobą, a gdy obwód jest zasilany, napięcie i prąd w nim będą rezonować z częstotliwością zwaną częstotliwością rezonansową. Zrozummy, jak to się dzieje, zanim przejdziemy do przodu.

Jak działa obwód zbiornika?

Jak powiedziano wcześniej, typowy obwód zbiornika składa się po prostu z cewki indukcyjnej i kondensatora połączonych równolegle. Kondensator jest urządzeniem składającym się tylko z dwóch równoległych płytek, które są w stanie magazynować energię w polu elektrycznym, a cewka indukcyjna jest cewką nawiniętą na materiał magnetyczny, który jest również zdolny do magazynowania energii w polu magnetycznym.

Gdy obwód jest zasilany, kondensator jest ładowany, a po odłączeniu zasilania kondensator rozładowuje swoją energię do cewki indukcyjnej. Zanim kondensator odprowadzi swoją energię do cewki indukcyjnej, cewka zostanie naładowana i wykorzysta swoją energię do wypychania prądu z powrotem do kondensatora w odwrotnej polaryzacji, tak aby kondensator został ponownie naładowany. Pamiętaj, że cewki indukcyjne i kondensatory zmieniają polaryzację podczas ładowania i rozładowywania. W ten sposób napięcie i prąd będą się zmieniać, tworząc rezonans, jak pokazano na powyższym obrazku GIF.

Ale to nie może się zdarzyć w nieskończoność, ponieważ za każdym razem, gdy kondensator lub cewka indukcyjna ładuje się i wyładowuje, pewna energia (napięcie) jest tracona z powodu rezystancji drutu lub energii magnetycznej i powoli wielkość częstotliwości rezonansowej zanika, jak pokazano poniżej przebieg.

Kiedy otrzymamy ten sygnał w naszym zakresie, możemy zmierzyć częstotliwość tego sygnału, która jest niczym innym jak częstotliwością rezonansową, a następnie możemy użyć poniższych wzorów do obliczenia wartości cewki indukcyjnej lub kondensatora.

FR = 1 / / 2π √LC

W powyższych wzorach F _R jest częstotliwością rezonansową, a wtedy znając wartość kondensatora możemy obliczyć wartość cewki indukcyjnej i podobnie znając wartość cewki możemy obliczyć wartość kondensatora.

Konfiguracja do pomiaru indukcyjności i pojemności

Dość teorii, teraz zajmijmy się budowaniem obwodu na płytce stykowej. Tutaj mam cewkę indukcyjną, której wartość powinienem dowiedzieć się, używając znanej wartości induktora. Konfiguracja obwodu, której tutaj używam, jest pokazana poniżej

Kondensator C1 i cewka indukcyjna L1 tworzą obwód zbiornika, dioda D1 służy do zapobiegania przedostawaniu się prądu z powrotem do źródła sygnału PWM, a rezystor 560 omów służy do ograniczania prądu w obwodzie. Tutaj użyłem mojego Arduino do wygenerowania przebiegu PWM ze zmienną częstotliwością, możesz użyć generatora funkcji, jeśli go masz, lub po prostu użyć dowolnego sygnału PWM. Luneta jest podłączona do obwodu zbiornika. Po zakończeniu obwodu moja konfiguracja sprzętu wyglądała jak poniżej. Możesz również zobaczyć tutaj mój nieznany gorący cewkę rdzeniową

Teraz włącz obwód za pomocą sygnału PWM i obserwuj sygnał rezonansowy na oscyloskopie. Możesz spróbować zmienić wartość kondensatora, jeśli nie otrzymasz wyraźnego sygnału częstotliwości rezonansowej, zwykle kondensator 0,1 uF powinien działać dla większości cewek, ale możesz również spróbować z niższymi wartościami, takimi jak 0,01 uF. Gdy uzyskasz częstotliwość rezonansową, powinna ona wyglądać mniej więcej tak.

Jak zmierzyć częstotliwość rezonansu za pomocą oscyloskopu?

W przypadku niektórych osób krzywa będzie wyglądać tak, jak w przypadku innych osób, które mogą wymagać nieco poprawek. Upewnij się, że sonda oscyloskopu jest ustawiona na 10x, ponieważ potrzebujemy kondensatora odsprzęgającego. Ustaw także podział czasu na 20us lub mniej, a następnie zmniejsz wielkość do mniej niż 1V. Teraz spróbuj zwiększyć częstotliwość sygnału PWM, jeśli nie masz generatora przebiegów, spróbuj zmniejszyć wartość kondensatora, aż zauważysz częstotliwość rezonansową. Po uzyskaniu częstotliwości rezonansowej ustaw zakres w pojedynczej kolejności. tryb, aby uzyskać wyraźny przebieg, taki jak pokazany powyżej.

Po uzyskaniu sygnału musimy zmierzyć częstotliwość tego sygnału. Jak widać, wielkość sygnału zanika wraz ze wzrostem czasu, więc możemy wybrać jeden pełny cykl sygnału. Niektóre lunety mogą mieć tryb pomiaru, aby zrobić to samo, ale tutaj pokażę ci, jak używać kursora. Umieść pierwszą linię kursora na początku fali sinusoidalnej, a drugą na końcu fali sinusoidalnej, jak pokazano poniżej, aby zmierzyć okres częstotliwości. W moim przypadku okres czasu był taki, jak zaznaczono na poniższym obrazku. Mój oscyloskop wyświetla również częstotliwość, ale dla celów uczenia się po prostu weź pod uwagę okres, możesz również użyć linii wykresu i wartości podziału czasu, aby znaleźć okres, jeśli Twój zakres go nie wyświetla.

Zmierzyliśmy tylko okres czasu sygnału, aby poznać częstotliwość, możemy po prostu użyć wzorów

F = 1 / T

Zatem w naszym przypadku wartość okresu czasu wynosi 29,5uS, czyli 29,5 × ^10-6. Zatem wartość częstotliwości będzie wynosić

F = 1 / (29,5 × ^10-6) = 33,8 KHz

Teraz mamy częstotliwość rezonansową 33,8 × 10 ³ Hz, a wartość kondensatora 0,1 uF, czyli 0,1 × ^10-6 F, zastępując to wszystko we wzorach, które otrzymujemy

FR = 1 / 2π √LC 33,8 × 10 ³ = 1 / 2π √L (0,1 x ^10-6)

Rozwiązując L otrzymamy

L = (1 / (2π x 33,8 x 10 ³) ² / 0,1 × ^10-6 = 2,219 × ^10-4 = 221 × ^10-6 L ~ = 220 uH

Tak więc obliczona wartość nieznanego induktora wynosi 220uH, podobnie można obliczyć wartość kondensatora za pomocą znanego induktora. Wypróbowałem to również z kilkoma innymi znanymi wartościami induktora i wydaje się, że działają dobrze. Możesz również znaleźć całą pracę w załączonym filmie wideo.

Mam nadzieję, że zrozumiałeś artykuł i nauczyłeś się czegoś nowego. Jeśli masz jakiś problem z uruchomieniem tego dla siebie, zostaw swoje pytania w sekcji komentarzy lub skorzystaj z forum, aby uzyskać pomoc techniczną.