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LC-Meter und Eigenkapazität von Spulen

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Rudolf Drabek
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21.Mar.16 11:29

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Der  Beitrag #20 von Hrn. Knoll ist eine Fundgrube zu diesem Thema. Der ganze Thread ist ist schon sehr lang, das Thema aber von Bedeutung.

Es ist möglich die vielen LC-Meter, die mit µC's ausgestattet sind so zu erweitern, dass auch die Eigenkapatität von Spulen ermittelt werden kann. Die "Paulimethode" oder Pauligerade" ist ein guter Ausgangspunkt.

In der Anlage eine pdf-Datei, in der das Prinzipschaltbild rechts oben zu sehen ist und darunter auch das Bild einer  LT-Spice Simulation. Die Formel ist fast ident zur Paulimethode. Jeder Term dort wird erweitert mit den Termen n1 und n2. Der Nennner der Formel wird um das Produkt n1*n2 ergänzt. Diese Terme entstehen durch die Anwesenheit der Referenzinduktivität, die als "eigenkapazitätsfrei" angenommen wird. Die Formel würde sonst sehr komlex und ausgeweitet werden. Zur Güte ist im Thread von Herrn Knoll schon alles gesagt.

Zur Kontrolle der errechneten Werte wurde zunächst das Ergebnis aus der Spicesimulation verwendet. Die Ablesegenauigkeit ist jedoch mangelhaft, sodass auch die Resonanzfrequenzen abgeleitet wurden. Es ergab sich eine quadr. Gleichung, wie das Ergebnis im LTspicebild es schon vorher zeigte. Die Kontrollrechnung von Lx und Cx zeigt nun die Ergebnisse ohne Fehler.

Das LC-Meter ohne Kalibrierroutine wird entsprechend angepasst, wie folgt.

Bisher: Nullungsmessung der Eigenfrequenz fo1 = Lref mit C1 und danach Messung f1 mit unbekanntem C, bzw unbekanntem L. Beim Algorithmus für die C-Messung ändert sich nichts.

Bei der Lx Cx Messung, wird, wie bei der Paulimethode, ein zweites Frequenzpaar fo2 und f2 mit einem Referenzkondensator C2 gemessen und aus diesen 2 Frequenzpaaren zuerst Cx und dann bei nun bekanntem Cx auch Lx berechnet.

Bisher habe ich Fixkommaarithmetik verwendet, aber es ist noch offen, ob mit Hilfe meiner Kollegen vom DDS Generator, das Programm auf C umgestellt wird, was die Berechnung vereinfachen würde.

Da es jedoch viele billige LC-Messgeräte gibt, ergibt isch die Frage, ob so ein zusätzliches Messgerät überhaupt interessant wäre. Siehe auch den angezogenen Beitrag.

Lg R.Drabek

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Adalbert Gebhart
 
 
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21.Mar.16 13:06

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Hallo Herr Drabek

obwohl die "Resonanzmessmethode" für L und C technisch irgendwie faszinierend ist, scheint es mir doch mittlerweile so, dass die meisten kommerziell angebotenen Geräte auf einer "simplen" Strom- und Spannungsmessung mit sinusförmigen Grössen und definierter Frequenz beruhen.

Und soweit ich gesehen habe, kann man dann bei diesen Geräten zwischen 2 oder drei verschiedenen Frequenzen wählen. 

Dadurch, dass Messungen bei verschiedenen Frequenzen (z.B. 1kHz, 15kHz, 200kHz s.u.) unterschiedliche Ergebnisse ergeben (oder eben auch nicht) wird man zum Mitdenken gezwungen, und der Hersteller muss nicht mühsam versuchen, mit einem Automatismus alle erdenklichen Fälle abzudecken, was dann vielleicht doch nicht immer voll gelingt und dadurch zu Unklarheiten führt.

Vielleicht hat sich deshalb die Resonanzmethode doch nicht so durchgesetzt, aber vielleicht täusche ich mich da auch. Ich habe schliesslich keine systematische Marktanalyse gemacht.

Dieses Gerät von Peaktech für ca 110 Euro ist m.E. ein Vertreter dieses Gerätetyps:

 

Rudolf Drabek
Rudolf Drabek
 
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21.Mar.16 14:00

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Hallo Herr Gebhart

Die Unterlagen, die ich von Herrn Krüger und Pius erhalten habe deuten ja auch in diese Richtung der Impedanzmessung bei wählbaren Frequenzen..

Ein sehr interessantes Gerät. Nur die Auflösung bei Spulen beträgt  100-200 nHy. Solche Werte kommen im UKW Bereich oft vor. Dafür sind wiederum große Werte am anderen Ende leicht zu messen.

Wenn man den Verlustwinkel messen will, so denke ich, braucht man einen IQ Detektor. Aber wie gesagt ich habe das noch nicht genau studiert. Vielleicht hat das einer der kompetenten Herren im Forum getan und kann uns allen ein wenig Licht in der Sache bringen.

Ein Verlustwinkel  von 1%o ist  schon schwierig zu messen. Da genügt schon ein winziger 90° Fehler der beiden Phasen. Ein ADC mit mindestens 10 bit ist auch von Nöten. Auch der Aufbau ist dann schon kritisch.

Die in RMorg verfügbaren Schaltbilder zeigen dies ja auch. Die Preise sind entsprechend.

So ein verbessertes auf Resonanz basierendes Gerätchen bleibt dagegen in der 20 Euro Materialgegend. Vielleicht hat jemand dieses, von Ihnen gepostete Gerät schon erprobt?

Lg R.Drabek

Ergänzung:  Danke für ihren Kommentar. Nachdem die Methode zur Eigenkapaziztätsberechnung mit LC-Oszillatorprinzip theoretisch gelöst ist und nur Arbeit wartet, werde ich noch überlegen, wie ich die vermutete IQ Signalquelle bei der Peaktech  Messvariante  vermeiden kann. Mit einem Stromsummierpunkt, der zwischen Impedanz und nur Reaktanz unterscheiden kann. Da kann ja dann auch schon der Phasenwinkel herausgerechnet werden. Das wäre auch eine recht genaue Methode zur Ermittlung des Phasenwinkels. Ist aber nur eine erster Ansatz. Man wird sehen.

Bei der Tabelle in den Prospektwerten in ihrem Beitrag ist schön zu unterscheiden zwischen dem ohm'schen Anteil und dem Realanteil der Impedanz bei 200 kHz Messfrequenz. Auch die Angabe des Vektors stimmt ganz gut mit der Anzeige des mittleren Bildes zusammen.

Bei dem Impedanzmessgerät kann es bei kritischen Werten der Induktivität zu Problemen der Messung der Eigenkapazität von Spulen kommen, wenn bei zu niedriger Messfrequenz, was ja die Eigenkapazität unbedeutend machen würde, keinen verwendbarer L-Wert zusammenkommt.

Ziel wäre ein Gerätchen das auch nur einen Materialwert von etwa < 30 Euro benötigen würde.

Lg RD

This article was edited 21.Mar.16 20:22 by Rudolf Drabek .

Jochen Bauer
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24.Mar.16 22:08

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Hallo Herr Drabek, Herr Gebhart

Die Verwendung eines LC Oszillators zur Messung der Komponentenwerte von L und C mit Hilfe der
Oszillatorfrequenz, wie hier vorgestellt hat zwei gravierende Probleme.

Das Hauptproblem ist die Tatsache, dass die Oszillatorfrequenz von der Eigenfrequenz

\omega_0=\sqrt{\frac{1}{LC}}

des Schwingkreises abweicht. Diese Abweichung hat zwei Gründe:

Einerseits kommen in praktischen Aufbauten unvermeidliche parasitäre Kapazitäten (und in kleinerem Umfang auch Induktivitäten) ins Spiel. Die dadurch hervorgerufene Abweichung lässt sich aber mit einer geeigneten "Nullpunktskallibrierung" wie in dem oben verlinktem Thread ausführlich dargestellt aus dem Messergebnis heraus rechnen.

Andererseits führen eben Phasenverschiebungen bei der Rückkopplung, also Abweichungen von der idealen 0° bzw. 360° Rückkopplung zum Auftreten von frequenzabhängigen virtuellen Blindwiderstän- den im Schwingkreis, die diesen verstimmen. Und da diese virtuellen Blindwiderstände auch noch vom Gütefaktor Q des Schwingkreises, bzw. von der benötigten Verstärkung abhängen, können sie im Gegensatz zu den festen parasitären Kapazitäten nicht einfach durch eine Nullpunktskallibrierung heraus gerechnet werden.

Das ganze Thema wird in diesem Artikel ausführlich behandelt. Das Problem ist einfach, dass nun z.B. die zu messende Induktivität den Gütefaktor des gesamten Schwingkreises und damit die Ab- weichung der Oszillatorfrequenz stark verändern kann. Nehmen wir z.B. an, die im Messgerät einge- baute Induktivität hat einen Gütefaktor von Q=100 und sie schließen eine HF-Drossel mit Q=10 als Messobjekt an...

Die Verwendung von Integrierten Schaltkreisen (in diesem Fall der LM311 Komparator) zur Rückkop- plung ist in diesem Licht besonders kritisch zu sehen, da Komparator-ICs meist eine nicht vernach-lässigbare Signallaufzeit zwischen Ein- und Ausgang haben und damit eine größere Phasenverschie- bung verursachen, was die Frequenzabweichung des Oszillators vergrößert. Als Beispiel: Der LM311 schiebt bei 600kHz bereits mit 34°!  

Im Ergebnis haben sie eine nicht einfach zu erfassende systematische Fehlerquelle in den L-C Mes- sungen, die problemlos im Prozentbereich liegen kann und die angestrebte Genauigkeit natürlich kom- plett in Frage stellt.

Das zweite Problem dieser Messmethode sind bei bestimmten zu messenden Bauteilwerten auftre- tende parasitäre Schwingungen. Dieses wurde ja ebenfalls bereits im vorherigen Thread in Post #34 von ihnen berichtet. Diese entstehen dadurch, dass in der Schaltung parasitäre Resonanzen auf
Frequenzen liegen, bei der die Phasenverschiebung zwischen Ein- und Ausgang des Rückkopplungs- bauteils zwischen 270° bis 450°, 630° bis 810°, usw... liegt und außerdem für die entsprechenden Frequenzen die Verstärkung noch hinreichend groß ist. Auch dieses Thema wird im oben genannten Artikel ausführlich behandelt.

Solche parasitären Schwingungen können natürlich durch geeignete Wahl der Verstärkung des Rück- kopplungsteils vermieden werden. Diese darf nur so groß sein, dass im primären Oszillationsfre-quenzbereich die Schwingbedingung erfüllt ist, im darüber liegenden ersten parasitären Oszillations-frequenzbereich aber schon nicht mehr.

Das Problem dabei ist dann natürlich wieder, dass bei dem LC-meter der Oszillator unter allen Um- ständen, d.h. für alle zu messenden Bauteilwerte und Gütefaktoren noch schwingen muss. In den bisher gezeigten Schaltungen wird der zur Rückkopplung verwendete Spannungskomparator daher mit der vollen Leerlaufverstärkung (ca. 200000 beim LM311) betrieben, was die Schaltung natürlich hoch- gradig anfällig für parasitäre Schwingungen und damit verbundene unsinnige Messergebnisse macht. Die einzige Lösung dafür wäre eine (allerdings mehr oder weniger aufwendige) automatische Verstär-kungsregelung für die Rückkopplung.

Fazit: Der Eindruck von Herrn Gebhart, dass die Oszillatormethode bei kommerziellen Geräten wenig verwendet wird hat durchaus handfeste technische Hintergründe.


Gruß Jochen Bauer

 

This article was edited 24.Mar.16 22:16 by Jochen Bauer .

Rudolf Drabek
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S.g. Herr Bauer

Vielen Dank für ihre Ausführungen und Reaktion. Die Oszillatorfrequenz ist, wie sie schreiben, sowohl vom Comparator als auch der Güte der Bauteile abhängig. Bei hoher Güte wird dies vergleichsweise weniger Einfluss haben. Da hat der Comparator dann ggfs. den größten Anteil.

Genau und exakt gemessen, wenn man darauf Wert legt, kann  nur unter den realen Betriebsbedingungen werden. So entwickelt man aber Geräte der Braunware nicht. Zumindest wir haben es nicht so getan. Darum wird ja oft abgeglichen.

Zu hohen Anforderungen allg: Im VCR-Bereich war die Intermodulation zwischen Farb- und Tonträger, bei System BG mit 1,1 MHz mit -60 dB bezogen auf den Syncpegel des HF-Signales der kritischeste elektronische Wert überhaupt. Sie bildet eine Streifigkeit im Bild, die stört. Das war nicht abgleichbar und musste entwicklungstechnisch gelöst werden.Andere mechanische Werte im VCR waren auch sehr eng spezifiziert: Trommeldurchmesser bei V2000  65,000 mm  -0 +5 µ in Massenfertigung.

Im Moment denke ich gerade über das ELV LCR-Messgerät nach, was schon vor einigen Jahren beschrieben wurde. Aber die FFT Technik  ist mir bis jetzt nicht untergekommen. Die Ressource Zeit ist limitiert.

Lg R. Drabek

Jochen Bauer
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Hallo Herr Drabek

Ich glaube, ich habe das in der Zusammenfassung nicht eindeutig herausgearbeitet. Die Güte des
Schwingkreises beeinflusst die Frequenzabweichung nach folgendem Prinzip: Jeder Eingriff des
Rückkopplungsteils (also des Komparators) in den Schwingkreis führt wegen der Phasenverschiebung
am Komparator zu einer Frequenzabweichung der Oszillatorfrequenz. D.h. je mehr der Komparator
eingriffen muss, desto stärker ist die Frequenzabweichung.

Wenn der Schwingkreis eine sehr hohe Güte hat, dann muss der Komparator zur Aufrechterhaltung der Schwingungen nur sehr schwach eingreifen und sein verstimmender Einfluss ist deshalb entsprechend gering. Wenn der Schwingkreis aber eine sehr schlechte Güte hat, dann muss der Komparator viel stärker eingreifen um die Schwingungen aufrecht zu erhalten und entsprechend stark ist die Verstim- mung.

Bei Rückkopplungsteilen mit sehr hoher Verstärkung (also wie in den hier bisher vorgestellten Schal-tungen) läuft die Rückkopplung übrigens darauf hinaus, dass das Rückkopplungsteil nur jede Halb- periode einmal kurz eingreift und die verlorene Energie im Schwingkreis auffüllt, siehe dazu auch das letzte Bild im Post #4 im folgendem Thread.

Gruß Jochen Bauer

 

This article was edited 25.Mar.16 12:29 by Jochen Bauer .

Rudolf Drabek
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25.Mar.16 18:54

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Noch 2 Bilder zur Ergänzung. Bei der C-Messung von 700nF sieht man schon flache Flanken der Schwingung und die parasitären Begleiter so um die 20 MHz. Die Frequenzunsicherheit am AT2313 ist dann beträchtlich. Bei L-Messung treten "Parasiten" nicht auf.

 

Oszillogramme am Ausgang des LM311. Frequenzen siehe im Bild. ~ 600 kHz ist die Leerlauffrequenz bei L und C.

  
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