Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Jak to działa? - mierniki i przystawki do pomiaru indukcyjności

W numerze 3/2019 przedstawiony był, pokazany na rysunku B, prosty układ elektroniczny. Jest to miernik cewek. Pozwala nie tylko zmierzyć indukcyjność cewki, ale też uzyskać dodatkowe cenne informacje na temat innych jej właściwości.
Article Image

W Internecie można znaleźć wiele schematów bardziej i mniej skomplikowanych mierników i przystawek do pomiaru indukcyjności. Zdecydowana większość z nich daje informację tylko o indukcyjności L dołączonej cewki. Rzeczywiście jest to podstawowy, najważniejszy parametr. W warsztacie hobbysty nawet przyrząd pozwalający z grubsza ocenić indukcyjność może się okazać pożyteczny. Choćby tylko do rozróżnienia nieoznaczonych cewek.

Wykorzystuje się kilka sposobów pomiaru indukcyjności. Jeden z nich wykorzystuje fakt, że w obwodzie LC częstotliwość rezonansowa zależy od badanej indukcyjności L. Taki obwód rezonansowy jest częścią generatora i pomiar indukcyjności opiera się na pomiarze częstotliwości wytwarzanych drgań. Odmianami takiej metody zajmiemy się przy innej okazji.

Rys.B Miernik cewek - schemat
Rys.C Stary schemat miernika cewek wykorzystującego tranzystory

Inny prosty sposób polega na tym, że na badaną cewkę L podany jest za pośrednictwem rezystora R prostokątny impuls napięcia, co powinno też wywołać przepływ prądu. Jednak „cewka nie lubi zmian prądu”, więc wytwarza napięcie samoindukcji, przeciwstawiające się zmianom prądu. Prąd narasta więc powoli, a tuż po podaniu na cewkę napięcia wystąpi na niej dodatni impuls o czasie trwania proporcjonalnym do jej indukcyjności (t = L/R). Stopniowo napięcie na cewce zmniejszy się wykładniczo do znikomej wartości, natomiast po przerwaniu przepływu prądu cewka znów wytworzy impuls napięcia, tym razem ujemny.

I właśnie tak wytwarzane impulsy napięcia samoindukcji, dodatnie lub ujemne, mogą służyć do pomiaru indukcyjności. Wystarczy podać na cewkę falę prostokątną o określonej częstotliwości i badać czas dodatnich lub ujemnych impulsów samoindukcji, co w praktyce polega na uśrednianiu takich impulsów i pomiarze uśrednionego napięcia za pomocą zwykłego woltomierza prądu stałego.

Oto kilka przykładów. Rysunek C ze strony: https://www.homemade-circuits.com/homemade-inductance-meter-circuit/, pokazuje stary schemat układu wykorzystującego tranzystory, pochodzący najprawdopodobniej z „Elektora”.

Podobnie pracująca wersja przedstawiona jest na stronie: https://www.edn.com/design/analog/4424822/Measure-inductance---capacitance-over-a-wide-range.

Pochodzący ze starego czasopisma amerykańskiego rysunek D ukazuje wersję z bramkami 74HCT132, gdzie dodatkowy potencjometr pozwala skalibrować wskazanie równe zeru. Według strony: https://www.transkommunikation.ch/dateien/schaltungen/diverse_schaltungen/messgeraete_circuits/Inductance-Capacitance%20Meter.pdf, tego rodzaju przystawka na dwóch zakresach może mierzyć indukcyjność w zakresie 3uH…7mH.

Rys.D Schemat miernika cewek - wersja z bramkami 74HCT132
Rys.E Schemat miernika cewek

Rysunek E to schemat ze strony http://danyk.cz/lmetr_en.html. Podobne wersje omówione są na stronach: http://electronics-diy.com/inductance-meter.php http://zpostbox.ru/inductance_and_capacitance_meter_adapter_for_dvm.html

Rysunek F prezentuje pochodzące ze strony: https://www.edn.com/design/components-and-packaging/4370536/Use-a-transistor-and-an-ammeter-to-measure-inductance rozwiązanie z generatorem 555 i kluczami CMOS 4066.

Na rysunku G pokazana jest prosta przystawka z kostką 555, gdzie częstotliwość oscylacji jest zależna od indukcyjności.

Rys.F Schemat miernika cewek - rozwiązanie z generatorem 555 i kluczami CMOS 4066
Rys.G Przystawka z kostką 555

Inna metoda z wykorzystaniem mikroprocesora (np. Arduino) polega na pobudzeniu obwodu rezonansowego z badaną cewką do drgań gasnących, a potem zmierzeniu pierwszego okresu tych drgań rezonansowych (np. za pomocą funkcji pulsein() Arduino), co przy znajomości pojemności C pozwala obliczyć indukcyjność L. Rysunek H to przykład realizacji z komparatorem LM339.

Dość rozbudowana przystawka, przedstawiona na rysunku J, wykorzystująca spadek napięcia na indukcyjności przy przepływie przez nią prądu o przebiegu trójkątnym, omówiona jest na stronie: https://www.deeptronic.com/electronic-circuit-design/designing-an-inductance-meter-circuit/

Rys.H Realizacja z komparatorem LM339
Rys.J Rozbudowana przystawka do pomiaru indukcyjności

Miernik indukcyjności z... układem scalonym z lampki solarnej opisany jest na stronie: https://skootsone.yolasite.com/l-meter.php.

Rysunek K pokazuje schemat. Istnieją jeszcze inne rozwiązania, jednak większość prostych mierników i przystawek daje jedynie bardziej lub (najczęściej) mniej dokładną informację o indukcyjności. A każda rzeczywista cewka ma też inne ważne w praktyce parametry. I w praktyce często sama informacja o indukcyjności to za mało.

Na przykład w technice radiowej istotne znaczenie ma dobroć cewki, która zależy od strat. W podręcznikach zwykle sprawę dobroci wiąże się z szeregową rezystancją ESR (rysunek L) i określa dobroć jako stosunek reaktancji cewki XL i rezystancji ESR. Niestety, zagadnienie nie jest łatwe, ponieważ po pierwsze reaktancja cewki XL jest liniowo zależna od częstotliwości (XL = 2πfL), po drugie rezystancja ESR też nie jest stała.

Rys.K Miernik indukcyjności z układem scalonym z lampki solarnej
Rys.L Szeregowa rezystancja ESR

Rezystancja ESR na pewno nie jest równa rezystancji miedzianego drutu zmierzonej omomierzem, czyli przy prądzie stałym. Przy przebiegach wysokiej częstotliwości daje o sobie znać zjawisko naskórkowości, polegające na tym, że prądy w.cz. płyną tylko blisko powierzchni przewodnika. Czym wyższa częstotliwość, tym mniejsza jest głębokość wnikania prądu w głąb przewodu. Powoduje to wzrost omowej rezystancji drutu przy wzroście częstotliwości.

Oprócz tego w cewkach z rdzeniem ferromagnetycznym istnieją dwa dodatkowe źródła strat. Jedno związane jest z obecnością pętli histerezy. W każdym cyklu pracy (okresie drgań) rdzeń zostaje przemagnesowany zgodnie z pętlą histerezy, co związane jest z zamianą małej porcji energii na ciepło. Drugim powodem strat w rdzeniu jest fakt, że cewka wytwarza zmienne pole magnetyczne, które powoduje indukowanie napięć i przepływ prądów we wszystkich przewodzących elementach obejmowanych przez to pole.

Zazwyczaj rdzeń lepiej (np. blachy transformatorowe) albo gorzej (np. ferryty) przewodzi prąd, co powoduje przepływ większych lub mniejszych tzw. prądów wirowych (eddy currents) w rdzeniu, co oznacza straty cieplne Joule’a (P = I2R). Sumaryczne straty w każdym rdzeniu rosną wraz ze wzrostem częstotliwości, ale nie są to zmiany liniowe i mają inną specyfikę, zależnie głównie od materiału i konstrukcji rdzenia.

W kontekście większości prostych mierników/przystawek do pomiaru indukcyjności oznacza to, że po pierwsze prostymi sposobami nie można zmierzyć strat i istotnej w wielu zastosowaniach dobroci. Po drugie, obecność (rezystancji) strat może zafałszować wyniki pomiaru indukcyjności.

Owszem, istnieją metody dokładnego pomiaru zarówno indukcyjności, jak i aktualnej rezystancji strat. Można to zrealizować na przykład przez pomiar przesunięcia fazowego między prądem i napięciem przy danej częstotliwości pracy. Istnieją stosunkowo proste rozwiązania tego rodzaju, wykorzystujące kartę dźwiękową komputera i odpowiedni program. Pozwalają one na pomiary przy częstotliwościach akustycznych, jakie obsługuje karta dźwiękowa. Trudniejsze są pomiary przy wyższych częstotliwościach, ale to odrębne zagadnienie.

Analizowany schemat z rysunku B nie pozwala wprawdzie mierzyć dobroci i strat, jednak pozwala sprawdzić jeszcze inne parametry cewek z rdzeniem, bardzo ważne zwłaszcza w pzetwornicach. Otóż w cewkach bez rdzenia (powietrznych) prąd cewki może wzrastać w zasadzie bez ograniczeń, a właściwie ograniczeniem jest tylko grzanie się drutu pod wpływem przepływu prądu.

W cewkach z rdzeniem ferromagnetycznym prąd nie może dowolnie wzrastać. Rdzenie ferromagnetyczne stosujemy w celu zwiększenia indukcyjności, jednak przy pewnej wartości prądu rdzeń zacznie się nasycać, co oznacza zmniejszanie indukcyjności cewki do wartości takiej, jaką ma cewka bez rdzenia (powietrzna).

Analogicznie, tak jak każdy realny kondensator oprócz pojemności, ma określone napięcie maksymalne, którego przekroczenie powoduje przebicie izolacji, tak każda realna cewka z rdzeniem ferromagnetycznym ma oprócz indukcyjności określony maksymalny prąd, którego przekroczenie związane jest z nasycaniem rdzenia, zmniejszaniem indukcyjności, przez co cewka przestaje pełnić przewidzianą funkcję i co często oznacza gwałtowny, niepożądany, destrukcyjny wzrost prądu w układzie.

O ile na praktycznie każdym kondensatorze (przynajmniej na tych większych, przewlekanych) znajdziemy informację zarówno o pojemności, jak i napięciu maksymalnym, o tyle w przypadku cewek praktycznie nigdy nie znajdziemy na obudowie informacji o maksymalnym prądzie. Owszem, taka informacja może być dostępna w katalogu, jednak po pierwsze nie zawsze są dostępne pełne informacje, po drugie często hobbyści sami wykonują cewki i transformatory z wykorzystaniem rdzeni z odzysku, o nieznanych parametrach.

Rys.M Układ do pomiaru indukcyjności
Rys.N Układ do pomiaru indukcyjności

W każdym razie bardzo często potrzebna jest informacja nie tylko o indukcyjności danej cewki/transformatora, ale też o maksymalnym prądzie, jaki jeszcze nie spowoduje nasycenia rdzenia. Dotyczy to przede wszystkim przetwornic indukcyjnych, gdzie prąd nasycenia jest kluczowym parametrem, decydującym o właściwościach przetwornicy.

I właśnie prosty układ z rysunku B pozwala określić zarówno indukcyjność, jak i zmniejszanie się tej indukcyjności wraz ze wzrostem prądu. Jest to przystawka do oscyloskopu, która pozwala określić maksymalny prąd pracy danej cewki (przynajmniej w danej temperaturze pracy, bo w wyższych temperaturach dopuszczalny prąd jest mniejszy z uwagi na zmianę właściwości rdzenia).

Podobny układ zaproponowany jest na stronie https://www.dos4ever.com/flyback/flyback.html omawiającej przetwornice flyback – rysunek M.

Rysunek B jest „skompaktowaną” wersją oryginalnego schematu, pochodzącego ze strony: http://elm-chan.org/works/lchk/lchk_sch.png

Ta oryginalna wersja pokazana jest na rysunku N. Jeden ze stałych uczestników napisał:

Układ składa się z układu sterującego zbudowanego z dwóch układów czasowych na kościach 555, pierwszy multiwibrator wytwarzający impulsy o częstotliwości ok. 655Hz (dla R1=2.2M i C6=1nF), oraz przerzutnika monostabilnego, który wytwarza impulsy o długości zależnej od wartości VR1+R2 i C4/C5=4.7nF/470pF. W rezultacie są to powtarzające się impulsy 655Hz. W takt tych impulsów włączany jest MOSFET N, który steruje uzwojenie (...) podłączone do zacisków DUT. Dioda zabezpiecza MOSFET przed przepięciem.

W obwodzie drenu MOSFET-a włączony jest rezystor 0,01Ω, z którego odbiera się przebieg do oscyloskopu w celu obserwacji płynącego prądu przez uzwojenie (...). Jednocześnie z tego rezystora pobierane jest napięcie sterujące tranzystorem Q2, który podaje sygnał zerujący wyjściowy układ czasowy 555 w przypadku zbyt dużych prądów (...) Układ czasowy przestaje podawać sygnał sterujący i zapobiega uszkodzeniom.

Rys.O Charakterystyki cewek
Rys.P Charakterystyka cewki - wykres

Na stronie: http://elm-chan.org/works/lchk/report.html podane są dodatkowe informacje, w tym zmierzone tym przyrządem charakterystyki szeregu cewek – rysunek O. Jeden z wykresów pokazany jest w powiększeniu na rysunku P. Kształt przebiegu prądu pozwala określić indukcyjność, maksymalny prąd pracy oraz daje wyobrażenie o innych parametrach badanej cewki.

Tematyka materiału: indukcyjność
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich lipiec 2019
Udostępnij
Czytelnia kategorie
AI-Sztuczna Inteligencja
Aparatura
Arduino
Artykuły
Audio
Automatyka
Ciekawostki
CNC
DIY
Druk 3d
Elektromechanika Fotowoltaika
FPGA-CPLD-SPLD
GPS
IC-układy scalone
Interfejsy
IoT
Konkursy
Książki
Lasery
LED/LCD/OLED
Mechatronika
Mikrokontrolery (MCV,μC)
Moc Moduły
Narzędzia
Optoelektronika
PCB/Montaż Podstawy elektroniki
Podzespoły bierne
Półprzewodniki Pomiary i testy
Porady
Projektowanie
Raspberry Pi
Retro
RF
Robotyka
SBC-SIP-SoC-CoM
Sensory Silniki i serwo
Software
Sterowanie
Transformatory
Tranzystory
Wyświetlacze
Wywiady
Wzmacniacze Zasilanie
W tym numerze znajdziesz źródłową wersję artykułu publikowanego obok
Elektronika dla Wszystkich
lipiec 2019
Elektronika dla Wszystkich
Przejrzyj i kup
UK Logo