Меню

Как измерить резонансную частоту конденсатора



Измерения, проводимые гетеродинным измерителем резонанса

С помощью ГИРа производят множество измерений. В основном они сводятся к определению резонансной частоты контуров. Для того, чтобы произвести измерение, в прибор вставляют катушку соответствующего диапазона (иногда сменяют несколько катушек, когда порядок частоты измеряемого контура не известен). Катушку прибора индуктивно связывают с исследуемым контуром. Наблюдая за стрелочным прибором, вращают ручку конденсатора переменной емкости. Резонанс фиксируют по резкому понижению сеточного тока, то есть по уменьшению показания прибора.

Характер изменения показания прибора зависит от добротности катушки и степени связи измеряемого кон тура с катушкой ГИРа Чем выше добротность контура, тем больше будет снижение показаний прибора. Если катушка зашунтирована малым сопротивлением, как, например, в контурах телевизора, то при поднесении катушки ГИРа к такому контуру наблюдается общее понижение показания прибора.

При настройке вначале трудно определить резонансную частоту контура, так как иногда понижение показаний прибора при резонансе незначительное Нужно быть внимательным при определении резонансной частоты. В случае невозможности определения резонансной частоты контура, отпаивают сопротивление, шунтирующее контур Если к катушке контура поднести катушку ГИРа невозможно, то катушки связывают при помощи катушек связи и свитого провода или фидера Для этого из изолированного провода делают 6—8 витков для катушек 1, 2 и 3 и I—2 витка для катушек 4, 5 и 6. Соединяют катушку контура со свитым проводом или фидером длиною не более 40—50 см, а на другом конце катушки делают точно такое же количество витков, что и ранее.

Одну катушку индуктивно связывают с катушкой гетеродина, другую с исследуемой катушкой и обычным способом определяют резонансную частоту.

Измерение коэффициента связи между двумя катушками

С помощью ГИРа довольно точно измеряют коэффициент связи между катушками. Делают это так. К од« ной из катушек, лучше всего к катушке с наибольшей индуктивностью L1 подключают конденсатор постоянной емкости небольшой величины, порядка 20—100 пф (рис. 34), Дважды измеряют резонансную частоту полученного контура при разомкнутой катушке L2 н при замыкании катушки L2 коротким проводом. При измерении получают две частоты f1 и f2. Коэффициент связи между катушками определяется по формуле:

Этим методом можно измерять коэффициент связи от 0,1 до 0,7 Меньший коэффициент связи измерить очень трудно, так как разница между частотами f1 и f2 очень мала В результате этого, отсчет по шкале ГИРа очень затруднен При коэффициенте более 0,7 резко падает добротность при втором измерении из-за шунтирующего действия катушки L2 на катушку L1 и точно определить резонанс частоты трудно.

Определение частоты генерации генератора

Для определения частоты генерации генератора, в том числе и маломощного, как гетеродина, сопротивлением R2 срывают высокочастотные колебания ГИРа Катушку ГИРа подносят к катушке генератора, частоту которого нужно определить Вращая ручку конденсатора переменной емкости, добиваются наибольшего отклонения стрелки прибора. Если показания прибора очень малы, то, поворачивая переменное сопротивление ГИРа, получает небольшое показание прибора, то есть очень небольшую амплитуду генерации Поворачивая снова конденсатор переменной емкости, добиваются наибольшего показания прибора.

Добившись резонанса, частоту генерации определяют по шкале ГИРа. При этом связь катушки ГИРа с генератором ослабляют до минимума, так как чем меньше эта связь, тем точнее будет определена резонансная частота, то есть частота генерации генератора.

Частоты генерации в генераторах, мощность которых превышает 1 вт, проверяют очень осторожно, чтобы не повредить прибор, так как при сильной связи катушки ГИРа с катушкой генератора сеточный ток достигает больших значений и прибор может выйти из строя Для мощных генераторов достаточно приблизить катушку генератора к катушке ГИРа не ближе 20—40 мм По мере настройки ГИРа в резонанс с частотой генератора катушку ГИРа относят от катушки генератора все дальше и дальше. Это необходимо для предупреждения прибора от повреждения и для более точного отсчета частоты.

Определение резонансных частот конденсатора

В конденсаторах часто возникают резонансные явления, которые вызываются наличием распределенной индуктивности пластин и выводов конденсатора (индуктивность составляет сотые доли мкгн). Резонансные частоты принимают во внимание Достаточно привести такой пример резонансная частота бумажного конденсатора на 0,05 мкф составляет порядка 3 мгц, а при длинных проводах она может быть и еще ниже.

Для измерения резонансной частоты конденсатора замыкают концы конденсатора на коротко и при помощи получившейся петли связывают индуктивно с катушкой ГИРа (рис. 35). Если конденсатор стоит в схеме, то с катушкой прибора его связывают при помощи небольшой петли, соединенной с выводами конденсатора.
Проверяют резонансные частоты при работе в УКВ диапазоне, так как именно в этом диапазоне частот чаще всего бывают паразитные колебания из-за резонансных свойств конденсаторов.

Резонансные явления в конденсаторе ни в коем случае не должны происходить в рабочем диапазоне частот передатчика или приемника. Избавиться от паразитных колебаний почти невозможно.

Измерение индуктивности катушки

Для измерения индуктивности катушки собирают колебательный контур, состоящий из катушки, которую нужно измерить, и емкости конденсатора. Емкость конденсатора известна. Измеряют резонансную частоту получившегося контура и индуктивность неизвестной катушки определяют по формуле:

где Lx —измеряемая индуктивность в миллигенри (мги), Сэ — известная емкость конденсатора в пикофарадах (пф). f0 — резонансная частота, получившаяся при измерении ГИРом.
Если измеряют индуктивность катушки с большим числом витков, то берут емкость 150—300 пф. Для УКВ катушек емкость должна быть 25—30 пф. Для всех ос-тальных катушек для расчета пользуются конденсатором в 100 пф.

Измерение емкости конденсатора

Если имеются эталонные катушки, они вполне пригодны для измерения емкости конденсатора. Вместо готовой катушки с известной индуктивностью можно намотать катушку самому и замерить ее индуктивность способом, указанным выше. Для самодельной катушки индуктивность должна быть в пределах от 10 до 200 мгн. Измерение емкости производится так же, как и измерение индуктивности катушки. Разница в том, что эталоном является не емкость, а индуктивность, величина которой заранее известна.
Отмечая точку резонанса, определяют емкость конденсатора по той же формуле только емкость и индуктивность меняют местами, то есть:

Читайте также:  Информатика единица измерения что такое информатика

где Сх— измеряемая емкость,
Lэ— индуктивность известной катушки, f0—резонансная частота.
Этим способом измеряют емкость конденсатора от 10 до 1500 пф.
Емкость конденсатора можно измерить и другим способом, например, описанным в журнале «Радио» № 10 за 1957 год.

Настройка антенны
Гетеродинный измеритель резонанса незаменим при настройке антенн, особенно, если антенна установлена на подвижном предмете и резонансную ее частоту необходимо знать в рабочих условиях.

Для измерения резонансной частоты антенны применяют индуктивную (рис. 36) или емкостную (рис. 37) связь антенны с ГИРом.

Выбор места связи антенны с ГИРом и вид связи (емкостная или индуктивная) имеют значение при измерении резонансной частоты антенны.

Для точного измерения резонансной частоты антенны нужно знать» хотя бы приблизительно, частоту, на которой будет работать антенна Коэффициент связи антенны с ГИРом должен быть более сильным, чем при определении резонансной частоты контура Особенно большая связь антенны с ГИРом должна быть на более низких частотах, порядка I —10 мгц.

Если длина антенны более 112 длины волны, например 1 X и более, то применяют емкостную евязь с ГИРом Емкость конденсатора должна быть порядка 5—15 пф При длине антенны менее к пользуются индуктивной связью.

При настройке полуволновых вибраторов место разреза вибратора соединяют проводом так, чтобы образовался виток связи, который при настройке подносят к ГИРу (рис.38). При помощи ГИРа можно согласовать антенну с фидером, а фидер с выходом передатчика Для этого имеется очень простой способ при правильном согласовании антенны с фидером, а фидера с передатчиком резонансная частота антенны при присоединении фидера не должна изменяться. Поэтому, изменяя связь фидера с передатчиком и размеры симметрирующих элементов, добиваются, чтобы частота ГИРа, при отключении антенны от фидера или фидера от передатчика, почти не изменялась.

Измерение волнового сопротивления коаксиальных кабелей

Для измерения волнового сопротивления кабеля (Z) берут кусок кабеля с неизвестным волновым сопротивлением длиною несколько меньше, чем X, го есть Длина волны , на чо« торой производят измерения. Делают два измерения резонансных частот. Первое при эталонной индуктивности и емкости между жилой и оплеткой кабеля (рис. 39) и второе — при эталонной емкости конденсатора и индуктивности кабеля (рис. 40).

По резонансным частотам определяют емкость кабеля С и индуктивность кабеля L.
Волновое сопротивление кабеля определяют по формуле:

При измерении кабелей с малым волновым сопротивлением учитывают, что индуктивность кабеля очень мала (доли микрогенри) и поэтому определение резонансных частот проводят тщательно.

Источник

Измерения, проводимые гетеродинным измерителем резонанса

С помощью ГИРа производят множество измерений. В основном они сводятся к определению резонансной частоты контуров. Для того, чтобы произвести измерение, в прибор вставляют катушку соответствующего диапазона (иногда сменяют несколько катушек, когда порядок частоты измеряемого контура не известен). Катушку прибора индуктивно связывают с исследуемым контуром. Наблюдая за стрелочным прибором, вращают ручку конденсатора переменной емкости. Резонанс фиксируют по резкому понижению сеточного тока, то есть по уменьшению показания прибора.

Характер изменения показания прибора зависит от добротности катушки и степени связи измеряемого кон тура с катушкой ГИРа Чем выше добротность контура, тем больше будет снижение показаний прибора. Если катушка зашунтирована малым сопротивлением, как, например, в контурах телевизора, то при поднесении катушки ГИРа к такому контуру наблюдается общее понижение показания прибора.

При настройке вначале трудно определить резонансную частоту контура, так как иногда понижение показаний прибора при резонансе незначительное Нужно быть внимательным при определении резонансной частоты. В случае невозможности определения резонансной частоты контура, отпаивают сопротивление, шунтирующее контур Если к катушке контура поднести катушку ГИРа невозможно, то катушки связывают при помощи катушек связи и свитого провода или фидера Для этого из изолированного провода делают 6—8 витков для катушек 1, 2 и 3 и I—2 витка для катушек 4, 5 и 6. Соединяют катушку контура со свитым проводом или фидером длиною не более 40—50 см, а на другом конце катушки делают точно такое же количество витков, что и ранее.

Одну катушку индуктивно связывают с катушкой гетеродина, другую с исследуемой катушкой и обычным способом определяют резонансную частоту.

Измерение коэффициента связи между двумя катушками

С помощью ГИРа довольно точно измеряют коэффициент связи между катушками. Делают это так. К од« ной из катушек, лучше всего к катушке с наибольшей индуктивностью L1 подключают конденсатор постоянной емкости небольшой величины, порядка 20—100 пф (рис. 34), Дважды измеряют резонансную частоту полученного контура при разомкнутой катушке L2 н при замыкании катушки L2 коротким проводом. При измерении получают две частоты f1 и f2. Коэффициент связи между катушками определяется по формуле:

Этим методом можно измерять коэффициент связи от 0,1 до 0,7 Меньший коэффициент связи измерить очень трудно, так как разница между частотами f1 и f2 очень мала В результате этого, отсчет по шкале ГИРа очень затруднен При коэффициенте более 0,7 резко падает добротность при втором измерении из-за шунтирующего действия катушки L2 на катушку L1 и точно определить резонанс частоты трудно.

Определение частоты генерации генератора

Для определения частоты генерации генератора, в том числе и маломощного, как гетеродина, сопротивлением R2 срывают высокочастотные колебания ГИРа Катушку ГИРа подносят к катушке генератора, частоту которого нужно определить Вращая ручку конденсатора переменной емкости, добиваются наибольшего отклонения стрелки прибора. Если показания прибора очень малы, то, поворачивая переменное сопротивление ГИРа, получает небольшое показание прибора, то есть очень небольшую амплитуду генерации Поворачивая снова конденсатор переменной емкости, добиваются наибольшего показания прибора.

Читайте также:  Приборы для измерения релейной защиты

Добившись резонанса, частоту генерации определяют по шкале ГИРа. При этом связь катушки ГИРа с генератором ослабляют до минимума, так как чем меньше эта связь, тем точнее будет определена резонансная частота, то есть частота генерации генератора.

Частоты генерации в генераторах, мощность которых превышает 1 вт, проверяют очень осторожно, чтобы не повредить прибор, так как при сильной связи катушки ГИРа с катушкой генератора сеточный ток достигает больших значений и прибор может выйти из строя Для мощных генераторов достаточно приблизить катушку генератора к катушке ГИРа не ближе 20—40 мм По мере настройки ГИРа в резонанс с частотой генератора катушку ГИРа относят от катушки генератора все дальше и дальше. Это необходимо для предупреждения прибора от повреждения и для более точного отсчета частоты.

Определение резонансных частот конденсатора

В конденсаторах часто возникают резонансные явления, которые вызываются наличием распределенной индуктивности пластин и выводов конденсатора (индуктивность составляет сотые доли мкгн). Резонансные частоты принимают во внимание Достаточно привести такой пример резонансная частота бумажного конденсатора на 0,05 мкф составляет порядка 3 мгц, а при длинных проводах она может быть и еще ниже.

Для измерения резонансной частоты конденсатора замыкают концы конденсатора на коротко и при помощи получившейся петли связывают индуктивно с катушкой ГИРа (рис. 35). Если конденсатор стоит в схеме, то с катушкой прибора его связывают при помощи небольшой петли, соединенной с выводами конденсатора.
Проверяют резонансные частоты при работе в УКВ диапазоне, так как именно в этом диапазоне частот чаще всего бывают паразитные колебания из-за резонансных свойств конденсаторов.

Резонансные явления в конденсаторе ни в коем случае не должны происходить в рабочем диапазоне частот передатчика или приемника. Избавиться от паразитных колебаний почти невозможно.

Измерение индуктивности катушки

Для измерения индуктивности катушки собирают колебательный контур, состоящий из катушки, которую нужно измерить, и емкости конденсатора. Емкость конденсатора известна. Измеряют резонансную частоту получившегося контура и индуктивность неизвестной катушки определяют по формуле:

где Lx —измеряемая индуктивность в миллигенри (мги), Сэ — известная емкость конденсатора в пикофарадах (пф). f0 — резонансная частота, получившаяся при измерении ГИРом.
Если измеряют индуктивность катушки с большим числом витков, то берут емкость 150—300 пф. Для УКВ катушек емкость должна быть 25—30 пф. Для всех ос-тальных катушек для расчета пользуются конденсатором в 100 пф.

Измерение емкости конденсатора

Если имеются эталонные катушки, они вполне пригодны для измерения емкости конденсатора. Вместо готовой катушки с известной индуктивностью можно намотать катушку самому и замерить ее индуктивность способом, указанным выше. Для самодельной катушки индуктивность должна быть в пределах от 10 до 200 мгн. Измерение емкости производится так же, как и измерение индуктивности катушки. Разница в том, что эталоном является не емкость, а индуктивность, величина которой заранее известна.
Отмечая точку резонанса, определяют емкость конденсатора по той же формуле только емкость и индуктивность меняют местами, то есть:

где Сх— измеряемая емкость,
Lэ— индуктивность известной катушки, f0—резонансная частота.
Этим способом измеряют емкость конденсатора от 10 до 1500 пф.
Емкость конденсатора можно измерить и другим способом, например, описанным в журнале «Радио» № 10 за 1957 год.

Настройка антенны
Гетеродинный измеритель резонанса незаменим при настройке антенн, особенно, если антенна установлена на подвижном предмете и резонансную ее частоту необходимо знать в рабочих условиях.

Для измерения резонансной частоты антенны применяют индуктивную (рис. 36) или емкостную (рис. 37) связь антенны с ГИРом.

Выбор места связи антенны с ГИРом и вид связи (емкостная или индуктивная) имеют значение при измерении резонансной частоты антенны.

Для точного измерения резонансной частоты антенны нужно знать» хотя бы приблизительно, частоту, на которой будет работать антенна Коэффициент связи антенны с ГИРом должен быть более сильным, чем при определении резонансной частоты контура Особенно большая связь антенны с ГИРом должна быть на более низких частотах, порядка I —10 мгц.

Если длина антенны более 112 длины волны, например 1 X и более, то применяют емкостную евязь с ГИРом Емкость конденсатора должна быть порядка 5—15 пф При длине антенны менее к пользуются индуктивной связью.

При настройке полуволновых вибраторов место разреза вибратора соединяют проводом так, чтобы образовался виток связи, который при настройке подносят к ГИРу (рис.38). При помощи ГИРа можно согласовать антенну с фидером, а фидер с выходом передатчика Для этого имеется очень простой способ при правильном согласовании антенны с фидером, а фидера с передатчиком резонансная частота антенны при присоединении фидера не должна изменяться. Поэтому, изменяя связь фидера с передатчиком и размеры симметрирующих элементов, добиваются, чтобы частота ГИРа, при отключении антенны от фидера или фидера от передатчика, почти не изменялась.

Измерение волнового сопротивления коаксиальных кабелей

Для измерения волнового сопротивления кабеля (Z) берут кусок кабеля с неизвестным волновым сопротивлением длиною несколько меньше, чем X, го есть Длина волны , на чо« торой производят измерения. Делают два измерения резонансных частот. Первое при эталонной индуктивности и емкости между жилой и оплеткой кабеля (рис. 39) и второе — при эталонной емкости конденсатора и индуктивности кабеля (рис. 40).

По резонансным частотам определяют емкость кабеля С и индуктивность кабеля L.
Волновое сопротивление кабеля определяют по формуле:

При измерении кабелей с малым волновым сопротивлением учитывают, что индуктивность кабеля очень мала (доли микрогенри) и поэтому определение резонансных частот проводят тщательно.

Источник

Введение

Частотные характеристики конденсаторов являются важными параметрами, которые необходимы для разработки схем. Понимание частотных характеристик конденсатора позволит вам определить, например, какие шумы может подавлять конденсатор или какие флуктуации напряжения цепи питания он может контролировать. Эта статья описывает два типа частотных характеристик: |Z| (импеданс или полное сопротивление) и ESR (эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора).

Читайте также:  Средства дистанционного автоматического измерения

Частотные характеристики конденсаторов

Импеданс Z идеального конденсатора определяется формулой 1, где ω — угловая частота, а C — емкость конденсатора.

Рисунок 1. Идеальный конденсатор

(1)

Из формулы 1 видно, что с увеличением частоты импеданс конденсатора уменьшается. Это показано на рисунке 1. В идеальном конденсаторе нет потерь и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) равно нулю.

Рисунок 2. Частотная характеристика идеального конденсатора

В реальном конденсаторе (рис. 3) существует некоторое сопротивление (ESR), вызванное диэлектрическими потерями, потерями на сопротивлении обкладок конденсатора и потерями связанные с сопротивлением утечки, а также паразитная индуктивность (ESL) выводов и обкладок конденсатора. В результате частотная характеристика импеданса принимает V образную форму (или U образную в зависимости от типа конденсатора), как показано на рисунке 4.Также на рисунке показана частотная характеристика ESR.

Рисунок 3. Реальный конденсатор

Рисунок 4. Пример частотной характеристики реального конденсатора

Причина, по которой графики |Z| и ESR имеют такой вид как на рисунке 4, можно объяснить следующим образом.

Низкочастотная область

|Z| в этой области уменьшается обратно пропорционально частоте, как и в идеальном конденсаторе. Значение ESR определяется диэлектрическими потерями в конденсаторе.

Область резонанса

При повышении частоты ESR, в результате паразитной индуктивности, сопротивления электродов и других факторов, вызывает отклонение |Z| от идеальной характеристики (красная пунктирная линия) и достигает минимального значения. Частота, на которой |Z| достигает минимума, называется собственной резонансной частотой и на этой частоте |Z| = ESR. После превышения собственной частоты резонанса, характеристика элемента меняется с емкостной на индуктивную и |Z| начинает повышаться. Область ниже собственной резонансной частоты называется емкостной областью, а область выше — индуктивной.
В области резонанса к диэлектрическим потерям добавляются потери на электродах.

Высокочастотная область

При дальнейшем увеличении частоты характеристика |Z| определяется паразитной индуктивностью конденсатора. В высокочастотной области |Z| увеличивается пропорционально частоте, согласно формуле 2. Что касается ESR, в этой области начинают проявляться скин-эффект , эффект близости и другие.

(2)

Итак, мы рассмотрели частотную характеристику реального конденсатора. Здесь важно запомнить, что c повышением частоты ESR и ESL уже нельзя игнорировать. Поскольку существуют большое количество приложений, в которых конденсаторы используются на высоких частотах, ESR и ESL становятся важными параметрами, характеризующими конденсатор помимо значения его емкости.

Частотные характеристики конденсаторов различных типов

Паразитные составляющие реальных конденсаторов имеют различное значение в зависимости от их типа. Давайте посмотрим на частотные характеристики разных конденсаторов. На рисунке 5 показаны графики |Z| и ESR для конденсаторов емкостью 10 мкФ. Все конденсаторы, кроме пленочных, планарные (SMD).

Рисунок 5. Частотные характеристики конденсаторов разных типов.

Для всех типов конденсаторов |Z| ведет себя одинаково до частоты 1 кГц. После 1 кГц импеданс увеличивается сильнее в алюминиевых и танталовых электролитических конденсаторах, чем в монолитных керамических и пленочных конденсаторах.
Это происходит из-за того, что алюминиевые и танталовые конденсаторы имеют высокое удельное сопротивление электролита и большое ESR. В пленочных и монолитных керамических конденсаторах используются металлические материалы для электродов и, следовательно, они обладают очень маленьким ESR.
Монолитные керамические конденсаторы и пленочные показывают примерно одинаковые характеристики до точки собственного резонанса, но у монолитных керамических конденсаторов резонансная частота выше, а |Z| в индуктивной области ниже.
Эти результаты показывают, что импеданс монолитных керамических конденсаторов SMD типа в широком диапазоне частот имеет небольшое значение. Это делает их наиболее подходящими для высокочастотных приложений.

Частотные характеристики монолитных керамических конденсаторов

Существует также несколько типов монолитных керамических конденсаторов, изготовленных из различных материалов и имеющих различную форму. Давайте посмотрим, как эти факторы влияют на частотные характеристики.

ESR

ESR в емкостной области зависит от диэлектрических потерь, вызванных материалом диэлектрика. 2-й класс диэлектрических материалов на основе сегнетоэлектриков имеет высокую диэлектрическую постоянную и, как правило, высокое ESR. 1-ый класс материалов — температурно-компенсированные материалы на основе параэлектриков — имеют низкие диэлектрические потери и низкое ESR.
На высоких частотах в области резонанса и индуктивной области, в дополнение к сопротивлению материала электродов, их форме и количеству слоев, ESR зависит от скин-эффекта и эффекта близости. Электроды часто делают из Ni, но для дешевых конденсаторов иногда применяют Cu, который тоже имеет низкое сопротивление.

ESL

ESL монолитных керамических конденсаторов сильно зависит от внутренней структуры электродов. Если размеры внутренних электродов задаются длиной, шириной и толщиной, то индуктивность ESL может быть определена математически. Значение ESL уменьшается, когда электроды конденсатора короче, шире и тоньше.
На рисунке 6 показана связь между номинальной емкостью и резонансной частотой различных типов монолитных керамических конденсаторов. Вы можете видеть, что при уменьшении размеров конденсатора собственная резонансная частота увеличивается, а ESL уменьшается для одинаковых значений емкости. Это означает, что небольшие конденсаторы короткой длины лучше подходят для высокочастотных приложений.


Рисунок 6.

На рисунке 7 показан обратный LW конденсатор с короткой длиной L и большой шириной W. Из частотных характеристик, показанных на рисунке 8, можно увидеть, что LW конденсатор имеет меньший импеданс и лучшие характеристики, чем обычный конденсатор такой же емкости. С помощью LW конденсаторов можно достичь тех же характеристик, как у обычных конденсаторов, но меньшим числом компонентов. Уменьшение числа компонентов, позволяет сократить расходы и уменьшить монтажное пространство.

Рисунок 7. Внешний вид обратного LW конденсатора.

Рисунок 8. |Z| и ESR обратного LW конденсатора и конденсатора общего назначения

Источник