Широкодиапазонный измеритель малых индуктивностей

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: Измерители LCR

Опубликовано: 18.03.2017 11:42

Просмотров: 5460

А. Алексенцев, г. Львов
Принцип действия прибора
В измерителе L, С, R и полных сопротивлений Ф4320 нет диапазонов измерения индуктивностей 10 мкГн, 30 мкГн, 100 мкГн, 300 мкГн. Диапазоны 1 мГн и 3 мГн есть в Ф4320, но их также представляется целесообразным ввести в новый прибор.
После анализа и испытаний ряда известных схем автор пришел к выводу, что, при малых значениях L и необходимости повышения частоты измерительного сигнала, весьма трудно сохранить форму меандра измерительного сигнала из-за завалов его фронтов и спадов, что и приводит к увеличению погрешности и нелинейности измерений.

Поэтому был выбран метод, когда задающий генератор (ЗГ) вырабатывает напряжение одной фиксированной частоты синусоидальной формы и работает в режиме "генератора тока", т.е режима, при котором ток, протекающий через измеряемую индуктивность Lx, практически не зависит от значения ее индуктивности. При этом напряжение на индуктивности Lx прямо пропорционально ее величине: Ux = I const XL,
где XL = ω Lx = 2 я f3Г LX,
Если принять ω =105, то частота задающего генератора будет соответствовать:
f3r= ω 2я = 105/2я = 15915,5Гц, f3r = 15,916 кГц, и верхние пределы Lx измеряемых индуктивностей будут соответствовать величинам  Lx, приведенным в табл.

Если катушки и дроссели намотаны медными проводами, их активное сопротивление невелико, следовательно, и полное сопротивление будет близким к XL, поэтому для калибровки измерительной части прибора вместо образцовых катушек индуктивности можно использовать резисторы и производить измерения с приемлемой для радиолюбителей погрешностью.
Рассмотрим блок-схему прибора (рис. 1).
Задающий генератор ЗГ определяет частоту и форму сигнала, поступающего через регулятор уровня РУ на усилитель мощности УМ, необходимый для работы на низкоомную нагрузку. С него напряжение поступает на подключенный к переключателю S резистор R, величина которого в 40 раз больше значения величины образцового резистора R0. Поскольку значение XL равно или меньше значения R0, ток через катушку Lx практически не зависит от ее индуктивности, т.е. усилитель мощности УМ с резистором R является генератором тока ГТ для Lx. Если на образцовом резисторе R0 с помощью регулятора уровня РУ выставить максимальное значение показания миливольтметра MB, то его шкала окажется проградуированной в значениях индуктивности. Например, если R0 = 1 Ом, f3Г = 15,916 кГц, то максимальное значение шкалы MB 10 мкГн. При нажатии кнопки S2 вместо образцового резистора R0 подключается катушка и по MB производят отсчет величины Lx.

Технические данные прибора.
1. Диапазон измерений - 10 мкГн, 30 мкГн,  100 мкГн, 300 мкГн,1 мГ, 3 мГн.
2.  Питание   прибора:   безтрансформаторное,   от   сети 220 В, 50 гц.
3.  Потребляемая мощность 14,0 ВА.
4.  Напряжение питания по постоянному току -12,6В.
5.  Потребляемый ток - 50 мА.
6.  Частота измерительного сигнала - 15,916 кГц.
7.  Форма колебаний измерительного сигнала - синусоидальная.

Описание принципиальной схемы
Принципиальная электрическая схема приведена на рис. 2.
Задающий генератор (ЗГ) собран на операционном усилителе (ОУ) К140УД1А (DA1) по схеме с однополярным питанием. Частота генерации определяется Г-образным фильтром 3-го порядка R4, R6, R8, С4, С6, С8, который включен между нагрузкой R12 эмиттерного повторителя VT2 на транзисторе ВС238 и инверсным входом DA1. Параллельно этому фильтру включена цепочка из встречно-парралельных диодов VD2 и VD4 и резистора R7, отмеченного на схеме звездочкой *, необходимого для подбора максимальной амплитуды колебаний ЗГ и синусоидальной формы сигнала. Эта же цепочка способствует независимости выходного напряжения от температуры окружающей среды. С нагрузки эмиттерного повторителя R12 через конденсатор С11 сигнал от ЗГ подается на двойной делитель напряжения R13, R20 и R21, R24, R14 и, с потенциометра R24, на вход усилителя мощности УМ DA2 типа LM386 (вывод 3). Потенциометр R24 служит для установки стрелки стрелочного индикатора U1 М4248 на отметку "100", а величина резистора R21* подбирается такой,
чтобы получить отметку "100" в среднем положении ручки потенциометра R24. Цепочки R27, С13 и R33, С15 на входе и выходе DA2 служат, с одной стороны, для подавления паразитных колебаний в УМ, с другой стороны, R33, С15 уравнивают нагрузку генератора тока (ГТ), которая изменяется более чем в 300 раз по всему диапазону измерений. В ГТ образцовые резисторы R16, R19, R23, R26, R29, R31 питаются от УМ через резисторы R15, R18, R22, R25, R28, R30, величины которых значительно больше образцовых, что обеспечивает практически неизменный ток через измеряемую индуктивность на каждом диапазоне. Переключение с образцового резистора на измеряемую катушку Lx происходит через нефиксируемую кнопку S2, от которой сигнал идет через конденсатор С17 на милливольтметр (MB). Милливольтметр собран на операционном усилителе DA3 К140УД1А по схеме однополярного питания. На вход 10 DA3 подается измеряемый сигнал, а резисторы R34, R35 и R36 создают на этом же входе напряжение смещения, равное половине напряжения питания. Выход ОУ нагружен на диодный мост по схеме Греца, который, в свою очередь, подключен к инвертирующему входу 6 усилителя, создавая отрицательную обратную связь и линеаризируя выпрямленное выходное напряжение с катодов диодов VD7 и VD9 (+) и анодов VD8 и VD10 (-). К выходу моста подключен стрелочный микроамперметр U1 на 100 мкА, зашунтированный конденсатором С22 и резистором R39. По его шкале производится отсчет значения индуктивности. Конденсатор и резистор защищают миллиамперметр от бросков тока при переключении диапазонов.
Резистор R37 и сопротивление моста по переменному току определяют чувствительность милливольтметра. Резисторы R32, R34 и конденсаторы С18, С19 являются развязывающимися фильтрами для предотвращения самовозбуждения между DA2 и DA3. Цепочки C7R9 и C20R38 - это цепочки коррекции ОУ DA1 и DA3. Через резистор R17 подключен светодиодный индикатор включения прибора. Питание измерителя малых индуктивностей осуществляется по бестрансформаторной схеме. От сети 220 В 50 Гц через вилку Х1, выключатель S1 и предохранитель FU1, конденсаторы С9 и СЮ, зашунтованные резисторами R10 и R11, напряжение попадает на диодную силовую сборку КС407А (VD5), выпрямляется,

ограничивается стабилитроном VD3 и сглаживается конденсатором С5. Далее, постоянное напряжение поступает на простейший стабилизатор напряжения, собранный на транзисторе VT1, стабилитроне VD1, резисторах R1 и R5 конденсаторе С2. Значение стабилизированного напряжения 12 ... 13В. Наладка самой схемы измерителя малых индуктивностей сводится к следующему:
1.   Отключается блок питания от схемы, а вместо этого подключается либо трансформаторный источник напряжения 12,5 В, либо набор батареек на это же напряжение.
2.  К резистору R12 эмиттерного повторителя VT2 подсоединяют осциллограф любого типа и с помощью резистора R7 устанавливают максимальное выходное напряжение синусоидальной  формы.  Добившись этого, проверяют прохождение сигнала синусоидальной формы через УМ (вывод 5 DA2). После этого на выходе УМ производят измерение частоты сигнала, которая должна быть 15,916 кГц.
Если частота завышена или занижена, подбирают резистор R4, изменяя его в небольших пределах до заданного значения частоты.
3. Предварительно подобрав резисторы R16, R19, R23, R26, R29, R31 с точностью до 1% подключают милливольтметр MB и, если схема собрана правильно, микроамперметр U1 покажет 100 делений, если потенциометр R24 выведен приблизительно в среднее положение. Если это не происходит, необходимо подобрать резистор R21 до желаемого результата. Переводя переключатель S3 с диапазона на диапазон, можно проконтролировать возможность установки стрелки на 100 делений для каждого диапазона. После этого к клеммам подсоединяется известная индуктивность (дроссель, катушка), нажимается кнопка S2 и по шкале определяется значение индуктивности в мкГн. Для диапазонов 3 мкГн, 30 мкГн, 300 мкГн и 3 мГн значение показаний стрелки умножается на три. На этом наладка заканчивается
и подсоединяется сетевой блок питания.
О замене деталей
Микросхемы DA1 и DA3 можно заменить на микросхемы К140УД7, К140УД6, К153УД2, К553УД2, LM301, а также К157УД2 и К157УДЗ, которые в одном корпусе имеют 2 ОУ. В этом случае плюс питания на оба ОУ подают после R32, как на милливольтметре на DA3, при этом соблюдая типовые схемы коррекции.
Микросхему DA2 LM386 с любым индексом можно заменить на К174УН4, К174УН5, К174УН7, К174УН8, подбирая соответствующие режимы. Транзистор VT1 можно заменить на КТ815, КТ602, КТ603 и т. д. с р > 100. Наконец, можно вместо S3 применить фиксирующие кнопки и расширить пределы измерений Lx до нужной величины. При больших значениях образцовых резисторов необходимо ввести истоковый повторитель на полевом транзисторе КПЗОЗ или КП307 перед DA3 для согласования сопротивлений S3 и DA3.