УЧ-Метод пособие ЭЛ ИЗМЕРЕНИЯ. Учебнометодическое пособие по учебной дисциплине электрические измерения
 Скачать 6.36 Mb.
|
индуктивности Измерение параметров конденсаторов Общие сведения Рисунок 3.12 - Конденсатор с переменной емкостью Рисунок 3.13 - Конденсатор с постоянной емкостью В электронных устройствах применяются конденсаторы многих типов и различных назначений. Возможные значения их ѐмкостей лежат примерно в пределах от 1 пФ до 1000 мкФ. В области высоких и сверхвысоких частот объектами измерений могут также явиться весьма малые межэлектродные ѐмкости электронных приборов и паразитные ѐмкости между различными элементами схемы (ѐмкости монтажа).Допустимая погрешность изменения ѐмкостей конденсаторов зависит от области применения последних. Ёмкостей конденсаторов, входящих в состав колебательных систем, должна определяться особенно тщательно, с погрешностью, по крайней мере, 1%. При выборе конденсаторов блокировочных, разделительных, связи и т.п. обычно допускается значительный (до 20-50%) разброс ѐмкостей и измерение их можно производить простейшими методами. Основными параметрами, характеризующими конденсаторы, являются их электрическая емкость и угол потерь - конденсатор с переменной емкость. - конденсатор с постоянной емкостью Для измерения параметров конденсаторов применяются методы: 1Метод вольтметра-амперметра; 2Метод непосредственного измерения при помощи микрофарадометров; 3Метод сравнения (замещения); 4Мостовой метод; 5Резонансный метод; Измерение ѐмкостей методом вольтметра-амперметра Метод вольтметра - амперметра применяют для измерения сравнительно больших ѐмкостей. Рисунок 3.14 - Схемы измерения ѐмкостей методом вольтметра-амперметра Схема измерений представлена в двух вариантах на рис. 3.14. Проверяемый конденсатор Сх включается в цепь переменного тока известной частоты F, и реостатом (или потенциометром) R устанавливают требуемое по условиям испытания либо удобное для отсчѐта значение тока I или напряжения U. По показаниям приборов переменного тока V и mА можно рассчитать полное сопротивление конденсатора. Z = (R2+X2)0,5=U/I , (109) где R и X = 1/(2*π*F*Cx) - соответственно его активная и реактивная составляющие. Если потери малы, т. е. R << X, то измеряемая ѐмкость определяется формулой. Cx = I/(2*π*F*U). (110) Схема на рис.3.14 а, даѐт достаточно точные результаты при измерении больших ѐмкостей, сопротивление которых X значительно меньше входного сопротивления вольтметра V. Схема на рис. 3.14б, применяется для измерения меньших ѐмкостей, сопротивление которых в десятки и более раз превышает сопротивление миллиамперметра mA. Метод непоследовательного измерения при помощи микрофарадометров Рисунок 3.15 - Микрофарадометр Приборы у которых оценка измеряется ѐмкостей производится непосредственно по шкале стрелочного измерителя, называется микрофарадметрами. Действие этих приборов может базироваться на использовании зависимости тока или напряжения в цепи, питаемой источником переменного тока, от значения измеряемой ѐмкости включѐнного в неѐ конденсатора. Для измерения емкостей широкое применение получили микрофарадометры электромагнитной системы типа ЭФ (электромагнитный фарадометр). Микрофарадометр ЭФ (рисунок 3.15) представляет собой электромагнитный логометр, состоящий из двух катушек и фигурного железного сердечника, насаженного на общую ось с указательной стрелкой. Рисунок 3.16 -Устройство микрофарадометра электромагнитной системы Последовательно одной катушке включена известная емкость С0, а последовательно другой – измеряемая емкость Сх. Обе катушки включаются в сеть параллельно и по ним будут проходить токи I0 и Ix. Под действием токов сердечник втягивается одной и второй катушками. Угол поворота его определяется отношением токов в катушках I0:Ix или емкостей С0:Сх. Следовательно, по углу отклонения указательной стрелки можно определить измеряемую емкость. Шкала прибора проградуирована непосредственно в микрофарадах. Аналогично устроен микрофарадометр электродинамической системы. Измерение ѐмкостей методом сравнения (замещения) Данный метод базируется на сравнении действия, оказываемого измеряемой ѐмкостью Сх и известной ѐмкостью Со на режим измерительной схемы. Рисунок 3.17 - Схема измерения емкости Простейшая схема измерений, в которой ѐмкости Сх и Со сравниваются по значению их сопротивления переменному току, приведена на рис. 3.17. При включении конденсатора Сx потенциометром R устанавливают в цепи ток, удобный для отсчѐта или контроля по миллиамперметру переменного тока mA или другому низкоомному индикатору. Затем вместо конденсатора Сx присоединяют к схеме магазин ѐмкостей или образцовый (опорный) конденсатор переменной ѐмкости и изменением его ѐмкости Со добиваются прежнего показания индикатора. Это будет иметь место при Со = Сx. Погрешность измерений зависит от чувствительности индикатора и погрешности отсчѐта ѐмкости Со; она может быть получена равной примерно 1% и менее. Мостовой метод измерения параметров конденсаторов Простейший магазинный мост, пригодный для измерения ѐмкостей в десятки и сотни пикофарад, может быть составлен из четырѐх конденсаторов: измеряемого, переменного со шкалой ѐмкостей (в смежном плече) и двух постоянных с одинаковой ѐмкостью (сотни пикофарад) Рисунок 3.18 - Схема многопредельного магазинного моста На рис. 3.18приведена схема многопредельного магазинного моста. Его уравновешивают с помощью конденсатора переменной ѐмкости С1 и переменного резистора R1. Применяя к данной схеме условие равновесия, получаем R2*( Rx2+ 1/(2*π*F*Cx)2 )0,5 = R3*( R12+1/(2*π*F*C1)2 )0,5 (111) При фиксированном отношении сопротивлений плеч R2/R3 конденсатор С1 и резистор R1 можно снабдить шкалами с отсчѐтом соответственно в значениях ѐмкостей Сх и сопротивлений потерь Rx. Расширение диапазона измерений достигается применением группы переключаемых резисторов R3 (или R2) различных номиналов, обычно различающихся в 10 раз. Также можно использовать мосты переменного тока Рисунок 3.19 - Схема мостов переменного тока Измерение параметров катушек индуктивности Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свѐрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ѐмкости и малом активном сопротивлении. Рисунок 3.20- Условно- графическое обозначение катушки индуктивности Катушка индуктивности в электрической цепи постоянного тока обладает постоянным сопротивлением, равным сопротивлению проводника из которого она изготовлена. Основным параметром катушки индуктивности является еѐ индуктивность, численно равная отношению создаваемого током потока магнитного поля, пронизывающего катушку к силе протекающего тока. Единица измерения генри [Гн]. Индуктивность катушки пропорциональна линейным размерам катушки, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков намотки. (112) Катушка индуктивности накапливает энергию в магнитном поле. При повышении внешней ЭДС катушка препятствует увеличению тока, при снижении ЭДС – поддерживает ток, отдавая накопленную энергию. В цепи синусоидального тока, ток в катушке по фазе отстаѐт от фазы напряжения на ней на π/2. Рисунок 3.21 Применение катушек индуктивности: - для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т.п.; - две и более индуктивно связанные катушки образуют трансформатор; - в качестве электромагнитов; - для радиосвязи — приѐма электромагнитных волн; - в индукционных печах; - как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах при перемещении ферромагнитного сердечника относительно обмотки; - катушка индуктивности используется в индукционных датчиках магнитного поля; - в динамиках и микрофонах. Терминология: 1. При использовании для подавления помех, сглаживания пульсаций электрического тока, изоляции по высокой частоте разных частей схемы и накопления энергии в магнитном поле сердечника часто называют дросселем. 2.В силовой электротехнике (для ограничения тока при,например, коротком замыкании ЛЭП) называют реактором. 3.Цилиндрическую катушку индуктивности, длина которой намного превышает диаметр, называют соленоидом. Кроме того, зачастую соленоидом называют устройство, выполняющее механическую работу за счѐт магнитного поля при втягивании ферромагнитного сердечника, или электромагнитом. 4. В электромагнитных реле называют обмоткой реле, реже — электромагнитом. 5. В установках индукционного нагрева нагревательный индуктор. Рисунок 3.22 – Катушки индуктивности Рисунок 3.23 - Эквивалентные схемы катушек индуктивности Каждая катушка, помимо индуктивности L, характеризуется также собственной (межвитковой) ѐмкостью C L и активным сопротивлением потерь R L распределѐнными по еѐ длине. Условно считают, что L, C L и R L сосредоточены и образуют замкнутую колебательную цепь (рис. 3.23, а) с собственной резонансной частотой f L = 1/(LC L ) 0,5 Вследствие влияния ѐмкости C L при измерении на высокой частоте f определяется не истинная индуктивность L, а действующее, или динамическое, значение индуктивности L д = L/(1-(2*π*f) 2 *LC L ) = L/(1-f 2 / f L 2 ) (113) которое может заметно отличаться от индуктивности L, измеренной на низких частотах. С повышением частоты возрастают потери в катушках индуктивности, обусловленные поверхностным эффектом, излучением энергии, токами смещения в изоляции обмотки и каркасе, вихревыми токами в сердечнике. Поэтому действующее активное сопротивление R д катушки может заметно превышать еѐ сопротивление R L , измеренное омметром или мостом постоянного тока. От частоты f зависит и добротность катушки: Q L = 2*π*f*L д /R д На рис. 3.23, б, представлена эквивалентная схема катушки индуктивности с учѐтом еѐ действующих параметров. Так как значения всех параметров зависят от частоты, то испытание катушек, особенно высокочастотных, желательно проводить при частоте колебаний источника питания, соответствующей их рабочему режиму. При определении результатов испытания индекс «д» обычно опускают. Методы измерения индуктивности катушек 1 Метод вольтметра-амперметра 2 Метод сравнения (замещения) 3 Мостовой метод 4 Резонансный метод Метод вольтметра – амперметра Метод вольтметра - амперметра применяется для измерения сравнительно больших индуктивностей при питании измерительной схемы от источника низкой частоты F = 50...1000 Гц. Схема измерений представлена на рис. 3.24, а. Полное сопротивление Z катушки индуктивности рассчитывается по формуле Z = ( + ) 0,5 = U/I (114) на основе показаний приборов переменного тока V и mA . Верхний (по схеме) вывод вольтметра присоединяют к точке а при Z << Z в и к точке б при Z >> Z a , где Z в и Z a - полные входные сопротивления соответственно вольтметра V и миллиамперметра mA . Если потери малы, т. е. R << X = 2*π*F*L x , то измеряемая индуктивность определяется формулой L x ≈ U/(2*π*F*I). (115) Рисунок 3.24 - Схемы для измерения индуктивности методом вольтметра- амперметра Мостовой метод Мосты, предназначенные для измерения параметров катушек индуктивности, формируются из двух плеч активного сопротивления, плеча с объектом измерений, сопротивление которого в общем случае является комплексным, и плеча с реактивным элементом - конденсатором или катушкой индуктивности. Рисунок 3.25 -Схема моста для измерения индуктивности и сопротивлений потерь В измерительных мостах магазинного типа в качестве реактивных элементов предпочитают использовать конденсаторы, поскольку в последних потери энергии могут быть сделаны пренебрежимо малыми, а это способствует более точному определению параметров исследуемых катушек. Схема такого моста представлена на рис. 3.25. Регулируемым элементом здесь является конденсатор С2 переменной ѐмкости (или магазин ѐмкостей), зашунтированный переменным резистором R2; последний служит для уравновешивания фазового сдвига, создаваемого сопротивлением потерь R x в катушке с индуктивностью L x . Применяя условие равновесия амплитуд (Z 4 Z 2 = Z 1 Z 3 ), находим: (R x 2 + (2*&pi*F*L x ) 2 ) 0,5 : ((1/R 2 ) 2 + (2*&pi*F*C 2 ) 2 ) 0,5 = R 1 R 3 . (116) Так как фазовые углы φ1 = φ3 = 0, то условие равновесия фаз (φ4 +φ2 =φ1 + φ3) можно записать в виде равенства φ4 + φ2 = 0, или φ4 = -φ2, или tg φ4 = -tg φ2. Учитывая, что для плеча с L x справедлива формула (tg φ =X/R), а для плеча с ѐмкостью С 2 - формула (tg φ =R/X) при отрицательном значении угла φ2, имеем 2*&pi*F*L x / R x = 2*&pi*F*C 2 R 2 Решая совместно приведѐнные выше уравнения, получим: L x = C 2 R 1 R 3 ; (117) R x = R 1 R 3 / R 2 . (118) Из последних формул следует, что конденсатор С2 и резистор R2 могут иметь шкалы для непосредственной оценки значений L x и R x , причѐм регулировки амплитуд и фаз, производимые ими, взаимо независимы, что позволяет быстро уравновешивать мост. Для расширения диапазона измеряемых величин один из резисторов R1 или R3 обычно выполняется в виде магазина сопротивлений. Резонансный метод Резонансные методы позволяют измерять параметры высокочастотных катушек индуктивности в диапазоне их рабочих частот. Схемы и способы измерений аналогичны применяемым при резонансных измерениях ѐмкостей конденсаторов с учѐтом, конечно, специфики объектов измерений. Рисунок 3.26 - Резонансная схема измерения индуктивности Исследуемая катушка индуктивности может включаться в высокочастотный генератор как элемент его колебательного контура; В этом случае индуктивность L x определяется на основе показаний частотомера, измеряющего частоту колебаний генератора. Метод сравнения (замещения) В этом случае непосредственно реализовать метод замещения не удается в связи с трудностью изготовления рабочих катушек с переменной индуктивностью. Однако могут быть рекомендованы схемы, существенно уменьшающие погрешность измерения. В этих схемах измеряемая индуктивность замещается емкостью рабочего конденсатора. Рисунок 3.27 - Схемы для измерения индуктивностей методом замещения а) схема для измерения малых индуктивностей; б) схема для измерения больших индуктивностей. Схема рисунок 3.27, а применяется для измерения малых индуктивностей. Первое измерение производят с короткозамыкающей перемычкой между зажимами а и б. Установив частоту генератора, равную рабочей частоте исследуемой катушки, включают известную индуктивность L 0 , соответствующую выбранному диапазону частот, и настраивают схему в резонанс изменением емкости рабочего конденсатора С 0 . Момент резонанса в схеме определяют по максимальному показанию вольтметра При резонансе частота генератора равна резонансной частоте контура (119) При втором измерении между зажимами а и. б включают неизвестную индуктивность L x . Регулируя емкость рабочего конденсатора (при неизменной частоте генератора), снова добиваются резонанса в схеме. При этом (120) Из выражений получим расчетную формулу (121) Если индуктивность катушки L n неизвестна, расчет индуктивности производят по формуле: (122) Тема 3.3 Измерение параметров полупроводниковых приборов и интегральных микросхем Измерение параметров полупроводниковых диодов Основные параметры диодов и стабилитронов малой мощности следующие: постоянное прямое напряжение диода Uпр при заданном постоянном прямом токе Iпр; постоянный обратный ток Iобр при заданном обратном напряжении Uобр; емкость диода и дифференциальное сопротивление. Схемы соединения приборов для измерения прямой и обратной ветвей ВАХ диодов показаны на рисунке 1.1. Рисунок 3.28 - Схемы соединения приборов для измерения прямой и обратной ветвей ВАХ диодов При оценке параметров прямой ветви от источника постоянного тока с внутренним сопротивлением задается определенная величина тока не зависящая от падения напряжения на испытуемом диоде. Дифференциальное сопротивление диода в различных точках ВАХ не одинаково: r диф . =ΔU:ΔI (123) При измерении параметров обратной ветви диодов необходимо чтобы источник напряжения имел малое внутреннее сопротивление, так как величина обратного тока невелика. В области пробоя сопротивление резко уменьшается и необходимо регулировать ток. Эту область необходимо исследовать осторожно во избежании повреждения диода. Измерение параметров транзисторов В зависимости от области использования, условий эксплуатации, схем включения транзисторы характеризуются большим числом параметров, которые указаны в ТУ и справочниках. 1. Параметры постоянного тока – определяют значение направляемых токов и зависят от температуры и приложенного напряжения: а) обратный ток коллектора (I КБО) – это ток через переход коллектор – база при отключѐнном эмиттере и заземлѐнном напряжении на коллекторе Рисунок 3.29- Схема измерения I КБО б) обратный ток эмиттера IЭБО –это ток через переход эмиттер-база при отключенном коллекторе и заземленном напряжении на эмиттере Рисунок 3.30 Схема измерения I ЭБО в) обратный ток коллектор-эмиттер Iкэ или начальный ток коллектора Iкн - это ток в цепи коллектора при короткозамкнутых выводах эмиттера и базы, т.е. при нулевом напряжении между базой и эмиттером и заданном обратном напряжении коллектор-эмиттер. Рисунок 3.31- схема измерения I Кн 2.Параметры малого сигнала- характеризуют работу транзисторов в усилительных схемах. h21 – коэффициент усиления (передачи) по току h21 = Iк2 – Iк1/ IБ2 – IБ1 (124) 3. Параметры большого сигнала они характеризуют работу транзистора на нелинейных режимах ; при которых токи и напряжения между его выводами изменяются в широких пределах. 4. Параметры предельных режимов работы- это максимально и минимально допустимые ток , напряжение и мощность 5. Тепловые параметры – характеризуют возможность работы транзистора в различном диапазоне температур. Измерение параметров ИМС Различают три метода испытаний: 1 Статические 2 Динамические 3 Стендовые Статические испытания Выполняются на постоянном токе, при этом измеряют статические параметры, которые характеризуют значения токов и напряжений на входах и выходах схемы, устойчивость ее к влиянию статических помех в установившемся режиме Динамические испытания Выполняются в импульсном режиме, измеряют динамические параметры, которые характеризуют быстродействие ИМС, ее устойчивость к воздействию импульсных помех. Эти параметры определяют по осциллограммам выходного напряжения при подаче на вход ИМС «идеального » прямоугольного импульса. Стендовые испытания Предусматривают такие испытания при которых максимально имитируются рабочие режимы. С помощью этих методов определяют работоспособность ИМС в нормальных условиях. |