Artikelen
Een Twee in Eén L/C-Tester
door Wolfgang Holtmann
Het meten van stroom, spanning een weerstand is met de moderne multimeters geen
enkel probleem meer. De capaciteit van condensatoren is al vele malen moeilijker te bepalen, tenzij je beschikt
over meetapparatuur hiervoor. Gelukkig zijn bij de meeste C's de waardes vermeld. Geheel anders is de situatie
bij inductiviteiten, in welke vorm dan ook. De kenner kan weliswaar met het oog een vage inschatting maken, maar
daar blijft het ook bij. Hier nu een voorstel om met (bij velen van ons) voorhanden meet- en testapparatuur dit
gat op te vullen.
Eigenschappen
M.b.v. een LF-generator (sinus, 25Hz tot 250kHz) plus een LF-voltmeter laat zich volgens methode A de zelfinductiecoëfficiënt van LG- en MG-spoelen bepalen. Bovendien kan de relatieve(!) 'kwaliteit' van inductiviteiten, maar ook die van condensatoren beoordeeld worden.
Meetbereik L: 0,01mH...100mH. Zelfinductiecoëfficiënten kleiner dan 10µH (KG-spoelen b.v.) vallen buiten de mogelijkheden.
Meetbereik C: 1nF...10µF.
Inductiviteiten met ijzerkern zoals afvlaksmoorspoelen en uitgangstransformatoren tonen onder invloed van de meestal aanwezige gelijkstroom een geheel ander gedrag. Met methode B wordt m.b.v. een MOS-FET (op koellichaam) deze gelijkstroomcomponent plus de wisselspanningscomponent op de te meten spoel gegeven.
Meetbereik: 0,01H...100H
Met S1 kan men tussen beide methodes kiezen.
Meetprincipe methode A
Bij de meetopstelling maken wij gebruik van de 'serieresonantie' van een kring bestaande -bij L-meting- uit een referentiecondensator (C1= 0,04µF) een de te meten spoel. Bij C-meting het zelfde verhaal, alleen is dan de spoel (L1= 4H) de referentieïnductiviteit en de condensator het te meten object.
De theorie zegt, dat bij afstemming op de resonantiefrequentie, de impedantie van het geheel tot een minimum wordt gereduceerd. In wezen blijft alleen nog de Ohmse verliesweerstand (Rverl.) over.
De inwendige weerstand (bronimpedantie) van de LF-generator (+- 600 Ohm) plus de genoemde verliesweerstand vormen een spanningsdeler, waarbij over de laatste de overgebleven spanning wordt gemeten (inregelen op spannings m i n i m u m !). Nu wordt ook duidelijk, dat een LF-generator met een Ri veel lager (maar ook niet veel hoger) dan 600 Ohm niet geschikt is voor deze toepassing.
Meetprincipe methode B
Zoals reeds aangeduid veroorzaakt de gelijkstroom een meer of minder sterke 'magnetische verzadiging' in een spoel met ijzerkern. Dit heeft een terugloop van de zelfinductiecoëfficiënt tot gevolg. Met een kleine luchtspleet in het ijzerpakket is het mogelijk, dit verzadigingspunt naar hogere stroomsterktes te verplaatsen. In het schema met de MOS-FET is de te meten spoel samen met de referentiecondensator C2 in het drain-circuit opgenomen. Wij hebben het -in tegenstelling met methode A- te maken met een zogeheten 'parallelkring', welke bij resonantie een spannings m a x i m u m oplevert!
De stroom door Lx is met het 10k-potmeter in te stellen en laat zich aan het mA-meter in de (externe) voeding aflezen. Men kan ook bei punt X een aparte meter inbouwen. De gestabiliseerde gelijkspanning mag tussen de 30V en 60V bedragen, afhankelijk van de weerstand van de te meten wikkelingen.
Bij lf-smoorspoelen met veel toeren van dunne draad komt nog een ander probleem om de hoek kijken: de capaciteit van de wikkeling. Om de meetafwijkingen hierdoor te kunnen verwaarlozen, heb ik voor een tien keer grotere referentiecondensator gekozen (C2= 0,4µF).
Tips voor het in bedrijf nemen
Opvallend in het schema zijn de kromme waardes van de referentie C's en de referentie spoel. De reden
hiervoor zit in de indeling van de frequentiebereiken met de bijbehorende meetbereiken. Mijn sinusgenerator
heeft een indeling als volgt:
|
25...250Hz |
250...2500Hz |
2,5...25kHz |
25...250kHz |
S1= A; S2= L |
- |
- |
100...1mH |
1...0,01mH |
S1= A; S2= C |
10...0,1µF |
0,1...0,001µF |
- |
- |
S1= B |
100...1H |
1...0,01H |
- |
- |
Om niet iedere keer opnieuw een berekening volgens de afgeleide trillingsformule (Thomson) te moeten maken, is een toegevoegde indeling op de schaal van de LF-generator heel handig. Deze is dan voor alle(!) bereiken van toepassing, maakt niet uit, L of C meting. Voor het gemak bekijken wij het bereik 25...250Hz bij stand S1= B.
Bij 25Hz wordt een streep met het cijfer 100 erbij gezet. Bij 250Hz zetten wij een streep met het cijfer 1, wat in dit voorbeeld overeenkomt met een zelfinductiecoëfficiënt van 100 cq. 1Henry. Volgens de formule is in beide gevallen een referentiecondensator(C2) van 0,40528µF vereist. Ik heb er maar 0,4µF van gemaakt die je uit een parallelschakeling van 0,18µF en 0,22µF kan samenstellen. C1 ( 0,04µF) wordt gevormd uit 0,018µF met 0,022µF. Het mag duidelijk zijn, dat de nauwkeurigheid van de metingen o.a. van de referentie C en L als ook van de ingestelde frequentie wordt bepaald. Het spreekt van zelf dat alleen C's van hoge kwaliteit worden gebruikt. Om ook de tussenindeling te verkrijgen, is het raadzaam zo veel mogelijk 'streepjes' 'kwaliteit' te zetten door de frequenties voor de andere L-waardes te berekenen. Dus 90H zal uitkomen op (afgerond) 27Hz. Enz. enz.
Vaak zie je LF-generatoren met een frequentie indeling van b.v. 20Hz...200Hz enz. Hoe lossen wij dit op? Simpel, wij zetten nu de basismarkering bij 20Hz en bij 200Hz. Alleen moeten de referentie C's en L aangepast worden. Dus bij 200Hz en 1Henry hoort een C2 van 0,63325µF. Met 0,47µF + 0,18µF komen wij al heel dicht in de buurt, rekeninghoudend met de toleranties. De andere capaciteit (C1) wordt gevormd uit 0,047µF + 0,018µF. De referentieïnductiviteit (L1) moet dan eveneens veranderen naar 6,3H! Deze kan men het beste achteraf plaatsen. Met de reeds werkende L-tester is het nu mogelijk een passende spoel te maken! Voor de goede werking van de C-meting, is een ferriet(!)potkern met draad van voldoende sterkte noodzakelijk. Een koperweerstand onder de 100 Ohm is wenselijk!
Toepassing in de praktijk
Een voorbeeld: men kan gerust de afstem-C (550pF) laten zitten om de zelfinductiecoëfficiënt van de MG-spoel in(!) het toestel volgens methode A te meten. Er mag natuurlijk geen antenne o.i.d. de kring belasten. Omdat de 'kwaliteit' van een spoel door de verhouding inductieve weerstand / verliesweerstand wordt bepaald, kan men zich aan de diepte van het minimum een relatief oordeel hierover vormen. Erg handig is in dit verband een mV-meter met een in dB's geijkte schaal.
En zo gaan wij te werk:
Eerst wordt het juiste frequentiebereik van de LF-generator geselecteerd en de spanning zodanig ingeregeld, dat het mV-meter 0dB (meestal 0,775V) aanwijst. Nu sluiten wij de te meten inductiviteit aan (poort A) en zoeken de frequentie op, waar de meter naar een m i n i m u m terugloopt. M.b.v. de nieuwe indeling, laat zich nu de L-waarde aflezen. Met de bereikschakelaar van het mV-meter een paar standen naar beneden te zetten, kan men nu de 'diepte' van het minimum in dB's aflezen. Een goede MG-spoel b.v. komt op -40 tot -45dB! Is het verschil minder, zou een slechte omschakelcontact de oorzaak kunnen zijn of de draadsterkte van de spoel zelf is aan de dunne kant, wat overigens voor een LG-spoel vrij normaal is.
Met S2 in stand C laten zich capaciteiten van 1nF...10µF meten. Ook hierbij kan men zich een goed beeld van de relatieve verliezen vormen. Het beste, men pakt uit de 'grote doos' een aantaal C's in diverse uitvoeringen maar wél allemaal met dezelfde capaciteitswaarde. Je zult verrast opkijken van de grote verschillen in de terugloop van de wijzer! Dit zegt meer dan honderd woorden!
Nog een voorbeeld: Met methode B willen wij de werkelijke(!) zelfinductiecoëfficiënt bij een gegeven stroomsterkte van een afvlaksmoorspoel bepalen. Normaliter hoort er op te staan b.v. 10H bij 50mA.
Met S1 in stand B wordt de LF-generator en het LF-meter aan de schakeling rond de MOS-FET gelegd. De smoorspoel wordt aan poort B aangesloten en wij regelen -met het 10k-potmeter- de stroom op 20mA. Het is nu zaak, de LF-generator uitgangsspanning zodanig in te regelen dat bij resonantie (= spannings m a x i m u m) het LF-voltmeter +- 3V~ aanwijst! Nu kunnen wij de L-waarde aflezen. Je zult opmerken, dat (in ons voorbeeld) misschien 13H i.p.v. 10H wordt aangewezen. Dat is te verwachten, want verhoog je de gelijkstroom door de spoel naar 50mA, gaat de zelfinductiecoëfficiënt op de nominale waarde teruglopen. Boven de 50mA raakt de kern al gauw in de verzadiging, wat een drastische vermindering van de L-waarde tot gevolg heeft! Om het ingewikkelder te maken: ook de hoogte van de wisselspanning over de te meten spoel heeft invloed op de zelfinductiecoëfficiënt!
Overigens: Ik heb de genoemde 3V~ maar zelf bepaald, omdat mij dat een goede benadering van de daadwerkelijke situatie leek. Ondanks enig speurwerk heb ik nog n e r g e n s een 'gestandaardiseerde' meetprocedure kunnen vinden die op dit punt helder is! Wie kan hierover meer vertellen?
Tenslotte: voedingstransformatoren worden met ca. 10mA gemeten. Omdat bij dit soort een luchtspleet ontbreekt, zal bij een hogere (meet)gelijkstroom de zelfinductiecoëfficiënt sterk veranderen!
Reacties (via het forum) over dit 'project' zijn van harte welkom!
Wolfgang Holtmann