Com es mesura el valor de l’inductor o del condensador mitjançant el mètode de la freqüència de ressonància de l’oscil·loscopi

Les resistències, els inductors i els condensadors són els components passius més utilitzats en gairebé tots els circuits electrònics. D’aquests tres, el valor de les resistències i els condensadors es marca habitualment al damunt, ja sigui com a codi de color de la resistència o com a marcatge numèric. També es pot mesurar la resistència i la capacitat mitjançant un multímetre normal. Però la majoria dels inductors, especialment els de nucli de ferrita i els de nucli d’aire, per alguna raó, no semblen tenir cap tipus de marcatge. Això es torna força molest quan heu de seleccionar el valor correcte de l’inductor per al disseny del vostre circuit o si n’heu recuperat un d’un PCB electrònic antic i voleu saber-ne el valor.

Una solució directa per a aquest problema és utilitzar un mesurador LCR que pugui mesurar el valor de l’inductor, del condensador o de la resistència i mostrar-lo directament. Però no tothom té un mesurador de LCR a la mà, de manera que en aquest article ens podem aprendre a utilitzar un oscil·loscopi per mesurar el valor de l’inductor o del condensador mitjançant un circuit senzill i càlculs senzills. Per descomptat, si necessiteu una manera més ràpida i robusta de fer-ho, també podeu construir el vostre propi comptador LC que utilitzi la mateixa tècnica juntament amb un MCU addicional per llegir el valor de la pantalla.

Materials necessaris

• Oscil·loscopi
• Generador de senyal o senyal PWM senzill d'Arduino o d'un altre MCU
• Diodo
• Condensador conegut (0.1uf, 0.01uf, 1uf)
• Resistència (560 ohm)
• Calculadora

Per mesurar el valor de l’inductor o condensador desconegut, hem de construir un circuit senzill anomenat circuit del tanc. Aquest circuit també es pot anomenar circuit LC o circuit ressonant o circuit sintonitzat. Un circuit de tanc és un circuit en el qual tindrem un inductor i un condensador connectats paral·lelament entre si i quan el circuit s’alimenta, el voltatge i el corrent a través d’ell ressonaran a una freqüència anomenada freqüència de ressonància. Anem a entendre com passa això abans de seguir endavant.

Com funciona un circuit de tancs?

Com es va dir anteriorment, un circuit de tanc típic només consisteix en un inductor i un condensador connectats en paral·lel. El condensador és un dispositiu format per només dues plaques paral·leles capaç d’emmagatzemar energia en camp elèctric i un inductor és una bobina enrotllada sobre un material magnètic que també és capaç d’emmagatzemar energia en camp magnètic.

Quan el circuit s’alimenta, el condensador es carrega i, quan s’elimina la potència, el condensador descarrega la seva energia a l’inductor. Quan el condensador drena la seva energia cap a l’inductor, l’inductor es carrega i faria servir la seva energia per empènyer el corrent cap al condensador en polaritat oposada de manera que el condensador es carregui de nou. Recordeu que els inductors i condensadors canvien de polaritat quan es carreguen i es descarreguen. D'aquesta manera, el voltatge i el corrent oscil·larien cap endavant i cap enrere creant una ressonància tal com es mostra a la imatge GIF anterior.

Però això no pot passar per sempre perquè, cada vegada que el condensador o l’inductor es carrega i descarrega una mica d’energia (voltatge) a causa de la resistència del cable o com a energia magnètica i lentament la magnitud de la freqüència de ressonància s’esvairà com es mostra a continuació forma d'ona.

Un cop aconseguim aquest senyal al nostre abast, podem mesurar la freqüència d’aquest senyal, que no és altra cosa que la freqüència de ressonància, llavors podem utilitzar les fórmules següents per calcular el valor de l’inductor o del condensador.

FR = 1 / / 2π √LC

A les fórmules anteriors F _R és la freqüència de ressonància i, si coneixem el valor del condensador, podem calcular el valor de l’inductor i, de manera similar, sabem el valor de l’inductor, podem calcular el valor del condensador.

Configuració per mesurar la inductància i la capacitat

Prou teoria, ara anem a construir el circuit sobre una taula de treball. Aquí tinc un inductor el valor del qual hauria de conèixer utilitzant un valor conegut d’inductor. A continuació es mostra la configuració del circuit que faig servir aquí

El condensador C1 i l’inductor L1 formen el circuit del tanc, el díode D1 s’utilitza per evitar que el corrent entri de nou a la font de senyal PWM i la resistència de 560 ohms s’utilitza per limitar el corrent a través del circuit. Aquí he utilitzat el meu Arduino per generar forma d' ona PWM amb freqüència variable, podeu utilitzar un generador de funcions si en teniu un o simplement utilitzeu qualsevol senyal PWM. L'abast està connectat a través del circuit del tanc. La configuració del maquinari semblava a continuació un cop completat el circuit. Aquí també podeu veure el meu inductor de nucli tòrrid desconegut

Ara engegueu el circuit mitjançant el senyal PWM i observeu si hi ha un senyal de ressonància a l’objectiu. Podeu provar de canviar el valor del condensador si no obteniu un senyal de freqüència de ressonància clar, normalment el condensador de 0,1uF hauria de funcionar per a la majoria d’inductors, però també podeu provar amb valors més baixos com 0,01uF. Un cop obtingueu la freqüència de ressonància, hauria de ser semblant a això.

Com es mesura la freqüència de ressonància amb l’oscil·loscopi?

Per a algunes persones, la corba apareixerà com a tal, per a altres potser haureu de modificar una mica. Assegureu-vos que la sonda d’abast estigui fixada en 10 vegades, ja que necessitem el condensador de desacoblament. També definiu la divisió horària a 20us o menys i després reduïu la magnitud a menys d’1V. Ara intenteu augmentar la freqüència del senyal PWM, si no teniu un generador de formes d'ona, proveu de reduir el valor del condensador fins que noteu la freqüència de ressonància. Un cop obtingueu la freqüència de ressonància, poseu l'abast en una seqüència única. per obtenir una forma d’ona clara com la que es mostra a dalt.

Després d’obtenir el senyal hem de mesurar la freqüència d’aquest senyal. Com podeu veure, la magnitud del senyal s'esvaeix a mesura que augmenta el temps, de manera que podem seleccionar qualsevol cicle complet del senyal. Alguns àmbits poden tenir un mode de mesura per fer el mateix, però aquí us mostraré com utilitzar el cursor. Col·loqueu la primera línia del cursor a l'inici de l'ona sinusoïdal i el segon cursor al final de l'ona sinusoïdal, tal com es mostra a continuació, per mesurar el període de la freqüència. En el meu cas, el període de temps va ser el ressaltat a la imatge següent. El meu abast també mostra la freqüència, però a efectes d’aprenentatge només cal tenir en compte el període de temps, també podeu utilitzar les línies de gràfics i el valor de la divisió de temps per trobar el període de temps si l’abast no el mostra.

Hem mesurat només el període de temps del senyal, per conèixer la freqüència podem utilitzar simplement les fórmules

F = 1 / T

Per tant, en el nostre cas, el valor del període de temps és 29,5uS, que és 29,5 × 10 ^-6. Per tant, el valor de la freqüència serà

F = 1 / (29,5 × 10 ^-6) = 33,8 KHz

Ara tenim la freqüència de ressonància com a 33,8 × 10 ³ Hz i el valor del condensador com a 0,1uF que és 0,1 × 10 ^-6 F substituint tot això a les fórmules que obtenim

FR = 1 / 2π √LC 33,8 × 10 ³ = 1 / 2π √L (0,1 x 10 ^-6)

Resolent per L obtenim

L = (1 / (2π x 33,8 x 10 ³) ² / 0,1 × 10 ^-6 = 2.219 × 10 ^-4 = 221 × 10 ^-6 L ~ = 220 uH

Per tant, el valor de l’inductor desconegut es calcula com a 220uH, de manera similar també podeu calcular el valor del condensador mitjançant un inductor conegut. També ho vaig provar amb pocs altres valors d’inductor coneguts i sembla que funcionen bé. També podeu trobar el treball complet al vídeo adjunt a continuació.

Espero que hàgiu entès l'article i que hàgiu après alguna cosa nova. Si teniu algun problema per aconseguir que això us funcioni, deixeu les vostres preguntes a la secció de comentaris o utilitzeu el fòrum per obtenir més ajuda tècnica.