Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Budowa przystawki do pomiaru indukcyjności - działanie, schematy, montaż

Przystawka jest dodatkiem do woltomierza, służy do pomiaru indukcyjności. Jest zbudowana z zastosowaniem klasycznej elektroniki cyfrowej.
Article Image

Do czego to służy? - przystawka do pomiaru indukcyjności

Często elektronik hobbysta ma w zasobach różne cewki, dławiki czy transformatorki ferrytowe o nieznanej indukcyjności, które można byłoby wykorzystać w różnych projektach. Aby tak się stało, elektronik musi znać indukcyjność tych elementów. Również czasami sami nawijamy elementy indukcyjnie i dobrze jest sprawdzić, jaką mają rzeczywistą indukcyjność. Tylko nieliczne multimetry mierzą indukcyjność. Podłączając element indukcyjny oraz woltomierz do opisywanej przystawki, możemy z dokładnością techniczną pomierzyć, jaka jest ich indukcyjność.

Właściwości przystawki do pomiaru indukcyjności:

  1. Pięć zakresów pomiarowych: od 200μH do 2H.
  2. Zakresy wybierane przyciskami, sygnalizacja diodami LED.
  3. Prosty sposób obliczania indukcyjności.
Przystawka do pomiaru indukcyjności

Jak działa przystawka do pomiaru indukcyjności?

Opis dotyczy schematu zbiorczego pokazanego na rysunku 1. Urządzenie składa się z trzech bloków. Zasilacza stabilizowanego, w skład którego wchodzi zasilacz wtyczkowy, a w nim transformator Tr 1, dwie diody prostownicze D10, D11 oraz filtry pojemnościowe C14 i C15. Pozostała część zasilacza znajduje się na płytce przystawki: kondensator C11, stabilizator U7, kondensatory C12, C13, rezystor R24 ograniczający prąd diody D12, sygnalizującej włączone zasilanie.

Rys.1 Przystawka do pomiaru indukcyjności - schemat zbiorczy

Drugim blokiem jest generator przebiegu prostokątnego o wypełnieniu 50%, zbudowany na kostce U4 HCF4047. Jest to typowa aplikacja zalecana przez katalog. Wybór padł na ten układ scalony, ponieważ można z niego uzyskać przebiegi o równym wypełnieniu, bardziej stabilne niż z generatorów zbudowanych na bramkach. Generator ten jest typu RC. Pracuje z kondensatorem C10 i z rezystorami R13, R14, R15 oraz dołączanymi za pomocą kluczy analogowych U5.1–U5.4 gałęziami rezystorowymi R16, R17, PR1 lub R18, PR2, lub PR3, lub PR4. Skokowo zmieniana częstotliwość przebiegu pojawia się na nóżce 10 U4 i jest oznaczona FQ.

Przebieg ten podawany jest na wejścia bramek U6.1(1) i U6.2(4). Są to bramki z histerezą SN74HC132. Pracują równolegle, aby zwielokrotnić prąd na ich wyjściu. Wejścia 2 i 5 są w stanie wysokim, podłączone do napięcia zasilania Vcc. Mierzona cewka Lx jest ładowana prądem ograniczonym przez R19. Rezystor ten z cewką tworzy układ różniczkujący.

W danym zakresie pomiarowym odpowiednia szerokość impulsu, z układu U4(10), która pojawia się na wyjściu bramek U6.1(3) i U6.2(6), ładuje cewkę, a opadające zbocze powoduje rozładowanie cewki i pojawienie się ujemnego impulsu. Dla dwóch dławików jest to pokazane jako zapis obrazu oscylogramu na rysunku 2 (10uH) i rysunku 3 (100uH).

Rys.2 Zapis obrazu oscylogramu
Opis1

Czerwony górny przebieg to wyjścia bramek U6.1(3) i U6.2(6) oraz nałożony na niego żółty przebieg zróżniczkowanego napięcia na cewce w punkcie L1. Czas trwania impulsu zróżniczkowanego zależy od indukcyjności cewki Lx, gdyż rezystor R19 jest stały. Drugi koniec cewki podłączony jest do źródła napięcia odniesienia, zbudowanego z rezystora R20 i diod D8 i D9. Kondensatory C6 i C7 fi ltrują napięcie zróżniczkowane.

To źródło napięcia odniesienia, około 1,4V, podbija do góry cały przebieg zróżniczkowany, co widać na oscylogramie. To tak dla pewności, aby wszystkie przebiegi zróżniczkowane, dla różnych indukcyjności, miały wyraźne poziomy TTL. Następnie przebieg ten trafi a na wejścia bramek U6.3(9) i U6.4(12). Na tych bramkach jest on porównywany ze stanem wysokim na nóżkach 10 i 13.

Tak więc na nóżkach 8 i 11 bramek U6 otrzymujemy przebieg prostokątny zależny od szerokości zróżniczkowanego impulsu, porównanego z poziomem wysokim, oraz od szerokości histerezy bramek. Dla dławików 10uH i 100uH jest to pokazane na oscylogramach na rysunku 4 (10uH) i rysunku 5 (100uH). U góry jest przebieg na wyjściu bramek U6.3(8) i U6.4(11), a dolny to przebieg z punktu L1. Oba przebiegi są rozsunięte dla lepszej widoczności.

Opis1
Opis1

Elementy R21, C8, R22 i C9 stanowią filtr uśredniający napięcie z wyjścia bramek. Woltomierz multimetru, pracujący na zakresie 2V lub 200mV, wskazuje różnicę napięcia w odniesieniu do Vcc. Jak widać z rysunków, im mniejsza indukcyjność dławika, tym większego napięcia należy się spodziewać w punkcie pomiarowym V–. Woltomierz V mierzy różnicę między uśrednionym napięciem na V– a napięciem jakie jest na suwaku PR5, czyli na V+. W mojej przystawce napięcie na suwaku jest równe +5V.

A więc reasumując: im mniejsza indukcyjność, tym większe napięcie na zacisku V–, a wskazanie woltomierza V, w odniesieniu do napięcie suwaka PR5, będzie mniejsze.

Ostatnim blokiem w przystawce jest układ elektronicznego wybierania podzakresów. Pracują tu dwa generatory przebiegów prostokątnych uruchamiane przyciskami +S i –S. Są one odpowiednio zbudowane na bramkach U1.1 oraz U1.2, bramki koniecznie z histerezą.Tu też zastosowano SN74HC132. Elementy R3, C2 decydują o częstotliwości pracy generatora. Okres przebiegów generatorów to około 550 ms.

Gdy przycisk +S nie jest wciśnięty, rezystor R2 podaje stan niski, blokuje pracę generatora na bramce U1.1(1), powodując, że na jego wyjściu jest stan wysoki, U1.1(3). Analogiczny opis dotyczy bramki U1.2. Oba generatory służą do zmiany stanu na wyjściach licznika U2 HEF40193. Jest to licznik liczący do 16 o ograniczonym cyklu liczenia.

W czasie gdy nie wciskamy +S ani –S, na wejściach CPU nóżka 5 i CPD nóżka 4 układu U2 jest stan wysoki, tak jak to zaleca katalog. Po włączeniu zasilania do wyjścia licznika U2 wpisana jest wartość początkowa. Na wejście programujące D2 (nóżka 10) podany jest stan wysoki, na pozostałe D0, D1 i D3 stan niski. Ten stan jest przepisany na wyjścia Q0–Q3 narastającym zboczem na nóżce 11 – wejściu PL. A więc na wyjściu licznika mamy początkowy stan binarny równy 4, czyli na nóżce 6 – wyjście Q2 jest stan wysoki.

Wciskając przycisk +S, podajemy impulsy, które zwiększają stan licznika na wyjściach binarnych Q0–Q3, a przycisk –S zmniejsza stan na tych wyjściach. Wyjściowe stany licznika U2 pojawiają się na wyjściach dekodera 1 z 10, czyli na U3 (układ 4028).

Przystawka do pomiaru indukcyjności - płytka z elementami

Początkowo po włączeniu zasilania jest stan wysoki na Q4. Stan ten wybiera pierwszy zakres pomiarowy, jest też podawany na bramkę U1.4(12,13), na jej wyjściu jest wtedy stan niski. Stan ten blokuje przycisk –S, aby dalsze jego wciskanie nie powodowało zmiany na wyjściach licznika U2. Gdy w tym czasie wciśniemy –S, rezystor R6 ograniczy prąd wpływający przez diodę separującą D2 do wyjścia bramki U1.4(11). Na wejściu bramki U1.2(5) będzie stan niski, blokujący pracę generatora.

Podobną sytuację mamy, gdy przyciskiem +S ustawimy stan wysoki na Q0 (nóżka 3) układu U3. Również bramka U1.3 zablokuje pracę generatora na U1.1 i dalsze sterowanie licznikiem U2. Zabezpieczenia te poprawiają komfort wybierania zakresów przystawki.

Wciskając +S lub –S, na jednym z wyjść układu U3 Q0–Q4 otrzymujemy stan wysoki. Stan ten powoduje zaświecenie się jednej z diod D3–D7, która sygnalizuje wybrany zakres oraz włącza jeden z kluczy elektronicznych U5.1–U5.4 układu CD4066. Tylko stan wysoki na Q0 U3 nie włącza klucza, a jedynie sygnalizuje, włączając diodę LED D3, największy piąty zakres pomiarowy. Pojawia się wtedy, gdy na wejściach U3, czyli na A, B, C, D, są same zera logiczne.

Montaż i uruchomienie przystawki do pomiaru indukcyjności

Elementy przystawki zostały zmontowane na dwustronnej płytce, której obie strony są pokazane na rysunku 6 oraz na fotografiach. Montaż nie wymaga wyjaśnień. Płytki te to tylko przykład, są one dopasowane do obudowy, jaką dysponowałem.

Rys.6 Dwustronna płytka do montażu przystawki do pomiaru indukcyjności - rysunek

Zerowanie wskazań woltomierza: Jeśli zaciski L1 i L2 zewrzemy, to za pomocą potencjometru wieloobrotowego PR5 możemy wyzerować wskazanie woltomierza. Dlatego napięcie odniesienia na diodach D8 i D9 jest ustawione zdecydowanie niżej niż próg przełączaniu bramek, który przy napięciu zasilania +5V jest na poziomie ok. 2,5V. Wtedy na zwartych L1 i L2 mamy napięcie 1,2V…1,4V, na wyjściach bramek U6.1(3) i U6.2(6) przebieg prostokątny FQ, a na wyjściu bramek U6.3(8) i U6.4(11) stan wysoki. W takiej sytuacji możemy wyzerować wskazanie woltomierza.

Strojenie przystawki: Zaczynamy od najwyższego zakresu pomiarowego, czyli pomiar do 2H. Należy przygotować sobie dławik o jak największej znanej indukcyjności, nieprzekraczającej 2H, podłączyć go do L1 i L2, i tak dobrać rezystory R13, R14, i R15, aby wskazanie w [mV] woltomierza pomnożone przez współczynnik (w tym przypadku k = 1000) odpowiadało znanej indukcyjności mierzonego dławika. Współczynnik dla k = 1000 sam wychodzi eksperymentalnie tak, aby mnożąc przez niego napięcie wskazane przez woltomierz, otrzymać właściwą wartość w [μH].

Następnie przyciskiem –S wybieramy zakres pomiarowy 4, tu już włącza się klucz U5.1, który łączy R16, R17 i PR1 z układem U4, rezystory z zakresu 5 nadal są włączone. Tu również dołączamy mierzoną cewkę o znanej indukcyjności, nieprzekraczającej 200mH i stroimy za pomocą PR1 tak, aby już przy współczynniku k = 100 (bo chcemy mieć skok między zakresami ×10) wskazanie woltomierza było jak najbardziej zgodne ze znaną wartością cewki. Czynność tę powtarzamy aż do zakresu 1, mierzącego do 200uH. Tu dla dokładniejszego pomiaru możemy przełączyć woltomierz na zakres 200mV. Na tym zakresie współczynnik k = 0,1. Takie działanie możemy powtórzyć kilka razy dla dokładniejszego zestrojenia wszystkich podzakresów.

Dwustronna płytka do montażu przystawki do pomiaru indukcyjności

Zasada ustalenia indukcyjności mierzonej cewki jest prosta: Zawsze odczytujemy z woltomierza wartość napięcia w miliwoltach bez względu na to, czy mamy ustawiony zakres woltomierza na 200mV, czy na 2V. Następnie mnożymy przez współczynnik k dla danego zakresu, wynik zawsze wychodzi w mikrohenrach.

A oto kilka przykładów pomiarów fabrycznych dławików o znanej indukcyjności:

  • Miniaturowy dławik 10μH
    Pomiar na zakresie 1 /do 200μH, k = 0,1/ woltomierz na zakresie 200mV – wskazanie woltomierza: 105mV × 0,1 = 10,5μH
    Pomiar na zakresie 2 /do 2mH, k = 1/ woltomierz na zakresie 200mV – wskazanie woltomierza: 11,2mV × 1 = 11,2μH
    Pomiar na zakresie 3 /do 20mH, k = 10/ woltomierz na zakresie 200mV – wskazanie woltomierza: 0,9mV × 10 = 9μH
  • Dławik 680μH
    Pomiar w zakresie 2 /do 2mH, k = 1/ woltomierz na zakresie 2V – wskazanie woltomierza: 674 mV × 1 = 674μH
  • Dławik 5,6mH
    Pomiar na zakresie 3 /do 20mH, k = 10/ woltomierz na zakresie 2V – wskazanie woltomierza: 534mV×10 = 5340μH = 5,34mH
  • Dławik (3,3mH + 3,3mH) połączone szeregowo
    Pomiar na zakresie 4 /do 200mH, k = 100/ woltomierz na zakresie 200mV – wskazanie woltomierza: 62,4mV×100 = 6240μH = 6,24mH

Częstotliwość, przy których pracują poszczególne podzakresy mojej przystawki podane są na rysunku 1. Jeśli w czasie pomiaru woltomierz wskazuje napięcie powyżej 2V, należy podwyższyć zakres pomiarowy przystawki. A jeśli dla wybranego zakresu pomiarowego woltomierz wskazuje ułamki mV, należy zmniejszyć zakres pomiarowy. W Elportalu wśród materiałów dodatkowych do tego numeru można znaleźć oryginały rysunków i fotografii.

Do pobrania
Download icon Budowa przystawki do pomiaru indukcyjności - działanie, schematy, montaż
Tematyka materiału: indukcyjność
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich wrzesień 2020
Udostępnij
UK Logo