Предлагаемая приставка к частотомеру для определения расчетным путем индуктивности в диапазоне 0,2 мкГн… 4 Гн отличается от прототипов пониженным напряжением на измеряемой индуктивности (амплитуда не более 100 мВ), что снижает погрешность измерения для катушек на малогабаритных кольцевых и замкнутых магнитопроводах и дает возможность измерить с достаточной для практики точностью начальную магнитную проницаемость магнитопроводов. Кроме того, малое значение напряжения на контуре позволяет оценивать индуктивность катушки непосредственно в конструкции, без демонтажа.
Для многих начинающих радиолюбителей изготовление и оценка индуктивности катушек, дросселей, трансформаторов становится «камнем преткновения». Промышленные измерители малодоступны, самодельные законченные конструкции, как правило, сложны в повторении и при их настройке необходимы промышленные приборы. Поэтому особой популярностью пользуются простые приставки к частотомеру или осциллографу.
Описания и схемы подобных устройств были опубликованы в периодической литературе . Они просты в повторении, удобны в применении. Но сведения в статьях в части заявленных погрешностей и пределов измерения нередко приводят к ошибочным выводам и искаженным результатам. Так в указано, что приставка позволяет измерить индуктивность более 0,1 мкГн, а погрешность измерения зависит от подбора конденсатора, который в авторской конструкции имеет допустимое отклонение номинальной емкости не более ±1 %. И это при том, что на указанных на схеме транзисторах устойчивая генерация начинается с индуктивностью колебательного контура 0,15…0,2 мкГн (желающие легко могут проверить), а собственная индуктивность выводов от платы до разъема 30 мм оказывается равной 0,1…0,14 мкГн. В другой статье указывается погрешность до 1,5 % от верхнего предела (кстати, обратите внимание, нижний предел 0,5 мкГн с погрешностью 0,9 мкГн ― и это верно, иными словами измерение таких величин носит оценочный характер) как для маленьких, так и больших значений индуктивности, без учета собственной емкости катушек. А такая емкость может достигать соизмеримой с контурной величины и вносить дополнительную погрешность до 10…20 %.
В этой статье сделана попытка в какой-то мере восполнить отмеченный пробел и показать методы оценки погрешности измерений и способы применения действительно простой и полезной конструкции в лаборатории каждого радиолюбителя.
Предлагаемая приставка к частотомеру предназначена для оценки и измерения с достаточной для практики точностью индуктивности в диапазоне 0,2 мкГн… 4 Гн. Она отличается от прототипов пониженным напряжением на измеряемой индуктивности (амплитуда не более 100 мВ), что снижает погрешность измерения индуктивности на малогабаритных кольцевых и замкнутых магнитопроводах и дает возможность измерить начальную магнитную проницаемость магнитопроводов. Кроме того, малое значение напряжения на контуре позволяет оценивать индуктивность катушки непосредственно в конструкции, без демонтажа. Такую возможность оценят те, кому часто приходится заниматься ремонтом и настройкой аппаратуры при отсутствии схем и описаний.
Для работы с приставкой подходят любые самодельные или промышленные частотомеры, позволяющие измерять частоту до 3 МГц с точностью не менее 3х знаков. Если нет частотомера, подойдет и осциллограф. Точность измерения временных параметров у последних, как правило, порядка 7…10%, что и определит погрешность измерения индуктивности.
Принцип измерения индуктивности основан на известном соотношении, связующим параметры элементов колебательного контура с частотой его резонанса (формула Томсона)
Здесь и далее во всех формулах частота указана в мегагерцах, емкость ― в пикофарадах, индуктивность ― в микрогенри.
При емкости контура Ск = 25330 пФ, формула упрощается
, где Т ― период в микросекундах.
В приставке (ее схема показана на рис. 1 ) используется генератор с эмиттерной связью в
двухкаскадном усилителе, частота гармонических колебаний которого определяется емкостью конденсатора С1 и измеряемой индуктивностью Lx, подключаемой к пружинным зажимам Х1. Так как используется непосредственное соединение базы транзистора VT1 с коллектором VT2, то коэффициент петлевого усиления генератора высок, что обеспечивает устойчивую генерацию при изменении соотношения L/C в широком диапазоне. Коэффициент петлевого усиления пропорционален крутизне используемых транзисторов и может эффективно регулироваться изменением тока эмиттеров, для чего используется выпрямитель на диодах VD1, VD2 и управляющий транзистор VT3. Введение усилителя на транзисторе VT4 с КU= 8…9 позволило снизить амплитуду напряжения на контуре до уровня 80…90 мВ при выходной амплитуде 0,7 В. Эмиттерный повторитель обеспечивает работу на низкоомную нагрузку.
Устройство работоспособно при изменении напряжения питания в интервале 5…15 В, при этом вариации уровня выходного напряжения не превышают 20 %, а уход частоты F= 168,5 кГц (с катушкой высокой добротности, намотанной на сердечнике 50ВЧ при индуктивности L= 35 мкГн) не более 40 Гц!
В конструкции можно использовать в позициях VT1, VT2 транзисторы КТ361Б, КТ361Г, КТ 3107 с любым буквенным индексом, хотя несколько лучшие результаты достигаются с КТ326Б, КТ363; в позиции VT3 ― кремниевые транзисторы структуры р-n-р, например, КТ209В, КТ361Б, КТ361Г, КТ3107 с любым буквенным индексом. Для буферного усилителя (VT4, VT5) пригодно большинство высокочастотных транзисторов. Параметр h21Э для транзистора VT4 ― более 150, для остальных не менее 50.
Диоды VD, VD2 ― любые высокочастотные кремниевые, например, серий КД503, КД509, КД521, КД522.
Резисторы ― МЛТ-0,125 или аналогичные. Конденсаторы, кроме С1, ― малогабаритные соответственно керамические и электролитические, допустим разброс 1,5…2 раза.
Конденсатор С1 емкостью 25330 пФ определяет точность измерения, поэтому ее значение желательно подобрать с отклонением не более ±1 % (можно составить из нескольких термостабильных конденсаторов, например 10000+10000+5100+ 220пФ из группы КСО, К31. Если нет возможности точно подобрать емкость, можно воспользоваться описанной ниже методикой.
В качестве разъема Х1 удобно использовать пружинящие зажимы для «акустических» кабелей. Разъем Х3 для соединения с частотомером ― СР–50-73Ф.
Детали монтируют на печатной плате (рис. 2
) из односторонне фольгированного стеклотекстолита. 
Чертёж печатной платы в формате lay разработки П.Семина можно
Допустимо использовать навесной монтаж. В качестве корпуса для приставки можно применить любой подходящий по размерам коробок из любого материала. Разместить разъем Х1 необходимо так, чтобы обеспечить минимальную длину соединяющих его с платой проводников. На фото, для примера, показан аккуратно выполненная конструкция от Павла Семина.
После проверки правильности монтажа следует подать питание напряжением 12 В, не подключая катушки к разъему Х1. Напряжение на эмиттере VT5 должно быть примерно равным половине питающего напряжения; если отклонение больше, потребуется подбор резистора R4. Ток потребления окажется близким к 20 мА. Присоедините к разъему Х1 катушку Lx индуктивностью в пределах десятков―сотен микрогенри (точное значение некритично), а к разъему Х3 ― осциллограф или высокочастотный вольтметр. На выходе приставки должно быть переменное напряжение 0,45…0,5 В эфф (амплитудное значение 0,65…0,7 В). При необходимости его уровень можно установить в диапазоне 0,25…0,7 Вэфф подбором резистора R8.
Теперь можно приступить к калибровке приставки , подключив ее к частотомеру.
Это можно сделать несколькими методами.
Если есть возможность измерить с точностью не хуже 1 % катушку на незамкнутом магнитопроводе с индуктивностью порядка десятков-сотен мкГ, то используя ее как образцовую, подберите емкость конденсаторов С1 так, чтобы показания приставки совпали с требуемым значением.
Во втором случае понадобится один термостабильный эталонный конденсатор, емкость которого не менее 1000 пФ и известна с высокой точностью. В крайнем случае, если нет возможности точно измерить емкость, можно применить конденсаторы КСО, К31 с допуском ±2―5 %, смирившись с вероятным увеличением погрешности. Автор использовал конденсатор К31-17 с номинальной емкостью 5970 пФ ±0,5 %. Сначала по частотомеру фиксируем частоту F1 для катушки Lx без дополнительного внешнего конденсатора. Затем присоединяем параллельно катушке эталонный конденсатор Cэт и фиксируем частоту F2. Теперь можем определить реальную входную емкость собранной приставки и индуктивность катушки Lx по формулам
Чтобы можно было пользоваться приведенными в начале статьи упрощенными формулами, нужно подбором группы конденсаторов С1 установить емкость Свх равной 25330±250 пФ. После окончательной корректировки емкости конденсаторов С1 сделайте контрольный замер по приведенной выше методике, чтобы убедиться, что емкость С вх соответствует требуемой.Вручную делать многократные пересчеты долго, поэтому автор пользуется удачной программой расчетов MIX10
, разработанной А. Беспальчиком.
После этого приставка готова к работе. Попробуем оценить ее возможности; для этого проведем несколько опытов.
Выводы: высокая точность измерений обеспечивается для индуктивности более 5 мкГн. При значениях в интервале 0,5… 5 мкГн надо учитывать собственную индуктивность 0,1…0,14 мкГн. При индуктивности менее 0,5 мкГн измерения носят оценочный характер. Уверенно регистрируемая минимальное значение индуктивности 0,2 мкГн.
При проверке с эталонным конденсатором частота F2 = 0.15129 МГц соответствует индуктивности 35,09 мкГн. Погрешность ― менее 1 %.
Чтобы определить величину С ген, отключаем конденсаторы С1 и измеряем с используемой индуктивностью частоту F3. Теперь Сген можно рассчитать по формуле
В авторском варианте приставки с транзисторами КТ3107Б емкость Сген равна 85 пФ, а с транзисторами КТ326Б ― З9 пФ. По сравнению с требуемым значением 25330 пФ это меньше 0,4 %, что позволяет применять практически любые высокочастотные транзисторы без заметного влияния на точность измерения..
Так при измерении индуктивности катушки контура ПЧ (емкость контура не более 1000 пФ) непосредственно на плате транзисторного приемника получено значение 92,1 мкГн. При измерении индуктивности катушки, выпаянной из платы, расчетное значение оказалось меньше ― 88,7мкГн (погрешность менее 4 %).
Для подключения к катушкам индуктивности, размещенных на платах, автор использует щупы с соединительными проводами длиной 30 см, скрученных с шагом одна скрутка на сантиметр. Ими вносится дополнительная индуктивность 0,5…0,6 мкГн ― это важно знать при измерении малых величин, для оценки ее достаточно замкнуть щупы между собой.
В заключение еще несколько полезных советов .
Определить магнитную проницаемость кольцевого магнитопровода без маркировки можно по следующей методике. Намотать 10 витков провода, равномерно распределив его по кольцу, и измерить индуктивность обмотки, а полученное значение индуктивности подставить в формулу:
В практических расчетах удобно пользоваться упрощенной формулой для расчета числа витков на кольцевых магнитопроводах 
Значения коэффициента k для ряда широкораспространенных кольцевых магнитопроводов по данным В. Т. Полякова приведены в табл. 1 .
Таблица 1
| Типоразмер | К18х8х4 | К18х8х4 | К18х8х4 | К18х8х4 | К18х8х4 | К18х8х4 |
| Магнитная проницаемость | 3000 | 2000 | 1000 | 2000 | 1000 | 400 |
| k | 21 | 26 | 37 | 31 | 44 | 70 |
Для широко распространенных броневых магнитопроводов из карбонильного железа индуктивность удобнее рассчитывать в микрогенри, поэтому введем коэффициент m, и формула соответственно изменится: 
Некоторые значения для распространенных броневых магнитопроводов приведены в табл. 2 .
| Сердечник | СБ-9а | СБ-12а | СБ-23-17а | СБ23-11а |
| m | 7.1 | 6.7 | 4.5 | 4.0 |
Составить подобную таблицу для имеющихся у вас кольцевых и броневых магнитопроводов, воспользовавшись предлагаемой приставкой, не составит большого труда.
ЛИТЕРАТУРА
1.Гайдук П. Частотомер измеряет индуктивность. ― Радиолюбитель, 1996, № 6, с. 30.
С.Беленецкий, US5MSQ Луганск Украина Радио, 2005, №5, с.26-28
Обсудить статью, высказать свое мнение и предложения можно на форуме
При работе с любыми электроприборами или токопроводящими деталями, наличие измерительной аппаратуры является необходимым, будь то амперметр, вольтметр или омметр. Но для того чтобы не покупать все эти устройства, лучше обзавестись мультиметром.
Мультиметр является универсальным измерительным аппаратом, который позволяет измерить любую характеристику электричества. Мультиметры бывают аналоговые и цифровые.
Данный тип мультеметров отображает показания измерений при помощи стрелки, под которой установлено табло с различными шкалами значений. Каждая шкала отображает показания того или иного измерения, которые подписаны непосредственно на табло. Но для новичков такой мультиметр будет не самым лучшим выбором, поскольку разобраться во всех обозначениях, которые находятся на табло довольно трудно. Это может привести к не правильному пониманию результатов измерения.
В отличие от аналоговых, этот мультиметр позволяет с легкостью определять интересуемые величины, при этом его точность измерений гораздо выше по сравнению со стрелочными аппаратами. Также наличие переключателя между различными характеристиками электричества исключает возможность перепутать то или иное значение, поскольку пользователю не нужно разбираться в градации шкалы показаний. Результаты измерений отображаются на дисплее (в более ранних моделях – светодиодных, а в современных – жидкокристаллических). За счет этого цифровой мультиметр комфортен для профессионалов и прост и понятен в использовании для новичков.
Несмотря на то, что определять индуктивность при работе с электроникой приходится редко, это все же иногда необходимо, а мультиметры с измерением индуктивности найти достаточно трудно. В данной ситуации поможет специальная приставка к мультиметру, позволяющая измерить индуктивность.
Зачастую для подобной приставки используется цифровой мультиметр установленный на измерение напряжения с порогом точности измерения в 200 мВ, который можно приобрести в любом магазине электро и радиоаппаратуры в готовом виде. Это позволит сделать простую приставку к цифровому мультиметру.
Сборка платы приставки.
Собрать приставку-тестер к мультиметру для измерения индуктивности можно без особых проблем в домашних условиях, обладая базовыми знаниями и навыками в области радиотехники и пайки микросхем.
В схеме платы можно применять транзисторы КТ361Б, КТ361Г и КТ3701 с любыми буквенными маркерами, но для получения более точных измерений лучше использовать транзисторы с маркировкой КТ362Б и КТ363. Эти транзисторы устанавливаются на плате в позициях VT1 и VT2. На позиции VT3 необходимо установить кремневый транзистор со структурой p-n-p, например, КТ209В с любой буквенной маркировкой. Позиции VT4 и VT5 предназначены для буферных усилителей. Подойдет большинство высокочастотных транзисторов, с параметрами h21Э для одного не меньше 150, а для другого более 50.
Для позиций VD и VD2 подойдут любые высокочастотные кремневые диоды.
Резистор можно выбрать МЛТ 0,125 или аналогичный ему. Конденсатор С1 берется с номинальной емкостью 25330 пФ, поскольку он отвечает за точность измерений и ее значение стоит подбирать с отклонением не более 1%. Такой конденсатор можно сделать объединив термостабильные конденсаторы разной емкости (например, 2 на 10000 пФ, 1 на 5100 пФ и 1 на 220 пФ). Для остальных позиций подойдут любые малогабаритные электролитические и керамические конденсаторы с допустимым разбросом в 1,5-2 раза.
Контактные провода к плате (позиция Х1) можно припаять или подключать при помощи пружинящих зажимов для «акустических» проводов. Разъем Х3 предназначен для подключения приставки к .
Проводу к «бананам» и «крокодилам» лучше взять короче, что бы уменьшить влияние их собственной индуктивности на показания замеров. В месте припаивания проводов к плате, соединение стоит дополнительно зафиксировать каплей термоклея.
При необходимости регулирования диапазона измерений на плату можно добавить разъем для переключателя (например, на три диапазона).
Корпус можно сделать из уже готового короба подходящего размера или сделать короб самостоятельно. Материал можно выбрать любой, например, пластик или тонкий стеклотекстолит. Короб делается под размер платы, и в нем подготавливаются отверстия для ее крепления. Также делаются отверстия для подключения проводки. Все фиксируется небольшими шурупами.
Питание приставки осуществляется от сети при помощи блока питания с напряжением в 12 В.
Для того чтобы откалибровать приставку для измерения индуктивности понадобятся несколько индукционных катушек с известной индуктивность (например, 100 мкГн и 15 мкГн). Катушки по очереди подключаются к приставке и, в зависимости от индуктивности, движком подстроечного резистора на экране мультиметра выставляется значение 100,0 для катушки на 100 мкГн и 15 для катушки на 15 мкГн с точностью 5%. По такому же методу устройство настраивается и в других диапазонах. Важным фактором является то, что для точной калибровки приставки необходимы точные значение тестовых катушек индуктивности.
Альтернативным методом определения индуктивности является программа LIMP. Но этот способ требует некоторой подготовки и понимания работы программы.
Но как в первом, так и во втором случае точность подобных измерений индуктивности будет не очень высока. Для работы с высокоточным оборудованием данный измеритель индуктивности подходит плохо, а для домашних нужд или для радиолюбителей будет отличным помощником.
После сборки приставку к мультиметру необходимо протестировать. Есть несколько способов, как проверить устройство:
При подключении приставки непосредственно к катушкам расположенным на плате применяется проводка длиной 30 сантиметров с зажимами для фиксации или щупами. Провода скручиваются с расчетом один виток на сантиметр длины. В таком случае образуется индуктивность приставки в диапазоне 0,5 – 0,6 мкГн, которую также необходимо учитывать при измерениях индуктивности.
Radio Amator 2009 №1
В зарубежном радиолюбительском журнале было опубликовано две схемы приборов для измерения индуктивности. Учитывая то, что с 1991 года этот журнал не поступает в СНГ через систему Союзпечати, а схемы просты в повторении, целесообразно кратко ознакомить с ними читателей журнала. Уверен, что схемы представляют практический интерес для радиолюбителей.
Рис.1.
Схема прибора для измерения индуктивности
Во многих случаях практической деятельности радиолюбителей для них интересно, а в ряде случаев и необходимо, измерить индуктивность катушек индуктивности или аналогичных радиокомпонентов, которые они хотели бы применить в своих конструкциях. Простые промышленные приборы для этих целей в подавляющем большинстве случаев отсутствуют, а сложные и, соответственно, дорогие недоступны широкому кругу радиолюбителей. В обоих случаях индуктивность, как правило, измеряется косвенным методом. Она преобразуется в «эквивалентное» ей постоянное напряжение, как это сделано в схеме рис.1, или в частотно-зависимое от неё импульсное напряжение - рис.3. На элементе IC2-А выполнен задающий генератор схемы (рис.1). В качестве IC2 использовалась микросхема типа СD4584, содержащая в своём составе шесть триггеров Шмитта. Эта микросхема встречается на радиорынке, но, увы, в настоящее время у нас не очень распространена. Если возникнут затруднения с её приобретением, то целесообразно попытаться использовать отечественную микросхему 1564ТЛ2 или импортную 54НС14. Очень распространены микросхемы К561ТЛ1 (1561ТЛ1, 564ТЛ1), но они менее «ёмки» по количеству триггеров Шмитта в одном корпусе - их там всего четыре. Придётся применять два корпуса этих микросхем. Входы и выходы микросхем IC2-В-IC2-D запараллелены. Это сделано для умощнения выхода задающего генератора, поскольку он нагружен на низкоомную индуктивность Lк и резистор R2. Измеряемая индуктивность подключается к контактам 1-2 клеммной колодки К3. Через резистор RЗ напряжение с катушки индуктивности Lк подаётся на вход пары инверторов IC2-Е и IC2-F. Выход последнего из этих инверторов соединён с интегрирующей цепочкой R4C2. Эта цепочка сглаживает пульсации выходного напряжения IC2-F, так, что на контактах 1 -2 выходной колодки К2 получаем практически напряжение постоянного тока. К этой колодке (К2) подключается любой высокоомный вольтметр, например радиолюбительский тестер DТ830-В. Питающее все устройство напряжение 9 В подается на колодку К1. Далее оно стабилизируется на уровне 5 В микросхемой IC1 типа 78L05. Практически можно применить и другие типы стабилизаторов, имеющих и несколько большее выходное напряжение, например 7806 или 7808.
Авторы статьи посчитали целесообразным несколько увеличить потенциал нижней по схеме обкладки конденсатора С2 относительно корпуса схемы, приблизив его к потенциалу верхней обкладки конденсатора C2. Для этого использован потенциометр R2 и делитель напряжения R5R6.
Теперь несколько слов о параметрах измерителя индуктивности. Устройство предназначено для измерения индуктивности в диапазоне от 200 мкГн до 5 мГн. В том случае, когда радиолюбителю требуется измерить индуктивность, несколько отличающуюся от оговоренного диапазона, такая возможность, конечно, имеется. Достаточно иметь в своём запасе несколько катушек индуктивности с заранее замеренными параметрами. Например, имея индуктивность величиной 200 мкГн, можно включать последовательно с ней проверяемые индуктивности величинами до 200 мкГн и измерять суммарную индуктивность. Потом, отняв от полученного результата измерений 200 мкГн, узнаем величину неизвестной небольшой индуктивности. Если ожидаемая величина измеряемой индуктивности предполагается более 5 мГн, то при измерениях надо включить параллельно проверяемой калибровочный дроссель, например, величиной 5 мГн. Результат измерений будет менее 5 мГн, и по нему надо будет рассчитать величину проверяемой индуктивности. Известно, что общая индуктивность двух последовательно или параллельно соединенных катушек индуктивности изменяется аналогично как при соединении резисторов. Этот принцип «расширения» диапазона измерений описанного измерителя индуктивностей можно и надо использовать на практике. Потенциометром P1 при регулировке устройства добиваются показания 500 мВ тестера DMM, если к колодке КЗ подключить заранее измеренную и подобранную индуктивность 5 мГн. Если к прибору будет подключена индуктивность в 1 мГн, DMM покажет 100 мВ. Потенциометром P2 выставляют выходное напряжение устройства, измеряемое DMM, на уровне 0 В, если замкнуть выводы 1-2 К3.
Рис.2.
Печатная плата
На рис.2 показан рисунок печатной платы устройства и расположение деталей на нём. В том случае, если радиолюбитель не сможет приобрести микросхему типа CD4584 или заняться экспериментированием с заменой этой микросхемы, ему целесообразно выполнить схему измерителя индуктивностей по рис.3.
Рис.3.
Схема измерителя индуктивности
Для работы с этой схемой понадобится измеритель частоты - частотомер. Этот прибор не столь дефицитен, поскольку многие радиолюбители ранее увлекались изготовлением комбинированных устройств на базе электронных часов. Как раритет хранится у меня комбинированное устройство - часы / частотомер / счётчик импульсов / измеритель частоты входного сигнала радиоприёмника по частоте гетеродина. А размер «комбайна» не превышает двух пачек сигарет! Правда, без учета источника питания. В схеме рис.3 на микросхеме IC1 типа NE555 выполнен стабильный мультивибратор. Схема предельно проста. Диапазон измеряемых индуктивностей от 500 мкГн до 10 мГн. Входное питающее напряжение может быть, например, 9...12 В. Его стабилизирует микросхема IC2 типа 78L05 на уровне 5 В. Измеряемая индуктивность Lк подключается к клеммам 1-2 K1. Чем больше величина индуктивности, тем ниже частота генерации IC1. Если подключить индуктивность 500 мкГн, то частота генератора должна быть выставлена регулировкой P1 200 кГц. Следует учитывать, что для частот генерации более 200 кГц ухудшается линейность (точность) работы устройства. Если к устройству подключена измеряемая индуктивность, то её величина рассчитывается по формуле:
L = 200 кГц/f (измерений) х 500 мкГн.
Так, например, если частотомер показал частоту 27 кГц при подключении к схеме неизвестной индуктивности, то её расчетная величина будет следующей:
L = 200 кГц / 27 кГц х 500 мкГн = 3,704 мГн.
Средняя погрешность измерений в указанном диапазоне индуктивностей при качественной настройке схемы не превышает 4%.
Рис.4.
Печатная плата
На рис.4 показан рисунок печатной платы устройства и расположение радиокомпонентов на ней.
Литература
1. Pripravek pro mereni indukcnosti // Amaterske RADIO. - 2008. - №7. - S.15-16.
Е.Л. Яковлев, г. Ужгород
В радиолюбительской практике часто бывает необходимо измерить емкость конденсатора или индуктивность катушки. Особенно это актуально для SMD компонентов, на которых отсутствует маркировка. Функция измерения емкости есть во многих мультиметрах, но при измерении небольших емкостей, порядка единиц – десятков пФ, погрешность обычно бывает недопустимо велика.
Индуктивность могут измерять далеко не все мультиметры и, аналогично, в большинстве случаев, погрешность при измерении малых индуктивностей довольно большая. Есть, конечно, точные векторные измерители LC, но их стоимость начинается от 150 USD. Сумма для российского радиолюбителя не малая, особенно учитывая, что такой прибор нужен не каждый день.
Выход есть – собрать измеритель LC своими руками. Еще в 2004 году я разработал и изготовил такой прибор. Его описание было опубликовано в журнале «Радио» №7 за 2004 г. Более 10 лет этот измеритель LC исправно выполнял свои функции, но потом вышел из строя индикатор. В приборе был использован самый дешевый и доступный на момент разработки LCD индикатор типа KO-4B. В настоящее время он снят с производства и найти его почти невозможно.
Поэтому я решил собрать новый вариант измерителя LC на современной элементной базе. Принцип работы прибора остался тот же самый, он основан на измерении энергии, накапливаемой в электрическом поле конденсатора и магнитном поле катушки. При измерении не нужно манипулировать никакими органами управления, достаточно просто подключить измеряемый элемент и считать показания с индикатора.
Принципиальная схема прибора показана на рисунке. Сейчас стоимость платы Arduino практически равна стоимости установленного на ней контроллера, поэтому в качестве основы я использовал плату Arduino-Pro-Mini. Такие платы выпускаются в двух версиях – с напряжением питания 3,3 В и кварцем на 8 мГц, а также 5 В и 16 мГц. В данном случае подойдет только вторая версия – 5 В, 16 мГц. Индикатор – один из самых распространенных на сегодняшний день, WH1602A фирмы «Winstar» или его аналог. Он имеет две строки по 16 символов.
С целью упрощения схемы и конструкции я использовал операционный усилитель с однополярным питанием типа MCP6002, который допускает работу с уровнями напряжения от нуля до напряжения питания как по входу, так и по выходу. В англоязычных источниках это называется «Rail-to-Rail Input/Output». Возможная замена MCP6001, AD8541, AD8542 и другие, с минимальным потребляемым током, способные работать от однополярного источника 5 В. При поиске задавайте ключевые слова «rail-to-rail input output».
Если в корпусе более одного ОУ, отрицательные входы всех неиспользуемых усилителей нужно подключить к «земле», а положительные – к питанию +5 вольт.
Измерительная схема с незначительными изменениями взята из первого варианта прибора. Принцип измерения следующий. Сигнал возбуждающего напряжения прямоугольной формы с вывода D10 Arduino (порт PB1 микроконтроллера) поступает на измерительную часть схемы. Во время положительной полуволны измеряемый конденсатор заряжается через резистор R1 и диод VD4, а во время отрицательной - разряжается через R1 и VD3. Средний ток разряда, пропорциональный измеряемой емкости, преобразуется с помощью операционного усилителя DA1 в напряжение. Конденсаторы C1 и C2 сглаживают его пульсации.
При измерении индуктивности во время положительной полуволны ток в катушке нарастает до значения, определяемого номиналом резистора R2, а во время отрицательной - ток, создаваемый ЭДС самоиндукции через VD2 и R3, R4 также поступает на вход DA1. Таким образом, при постоянном напряжении питания и частоте сигнала, напряжение на выходе ОУ прямо пропорционально измеряемой емкости или индуктивности.
Но это справедливо только при условии, что емкость успевает полностью зарядиться в течение половины периода возбуждающего напряжения и полностью разрядиться в течение другой половины. Аналогично и для индуктивности. Ток в ней должен успевать нарастать до максимального значения и спадать до нуля. Это обеспечивается соответствующим выбором номиналов R1...R4 и частоты возбуждающего напряжения.
Напряжение, пропорциональное измеренному значению с выхода ОУ через фильтр R9, C4 подается на встроенный 10-и разрядный АЦП микроконтроллера – вывод A1 Arduino (порт PC1 контроллера). Рассчитанное значение индуктивности или емкости отображается на индикаторе. Кнопка SB1 служит для программной коррекции нуля, что компенсирует начальное смещение нуля ОУ, а также емкость и индуктивность клемм и переключателя SA1.
Для повышения точности прибор имеет 9 диапазонов измерения. Частота возбуждающего напряжения на первом диапазоне равна 1мГц. На такой частоте измеряется емкость до ~90 пФ и индуктивность до ~90 мкГн. На каждом последующем диапазоне частота снижается в 4 раза, соответственно во столько же раз расширяется предел измерения. На 9 диапазоне частота равна примерно 15 Гц, что обеспечивает измерение емкости до ~5 мкФ и индуктивности до ~5 Гн. Нужный диапазон выбирается автоматически, причем после включения питания измерение начинается с 9 диапазона.
В процессе переключения диапазонов частота возбуждающего напряжения и результат преобразования АЦП отображаются в нижней строке индикатора. Это справочная информация, которая может помочь оценить корректность измерения параметров. Через несколько секунд после стабилизации показаний эта строка индикатора очищается, чтобы не отвлекать внимание пользователя.
Результат измерения отображается в верхней строке. Измеренное значение напряжения с выхода ОУ интерпретируется как емкость или индуктивность в зависимости от положения переключателя SA1.
Стабилизатор напряжения, смонтированный на плате Arduino, очень маломощный. Чтобы не перегружать его, питание подсветки индикатора подается через резистор R11 непосредственно с блока питания прибора. В качестве блока питания используется стабилизированный сетевой адаптер на 9...12 В с допустимым током нагрузки не менее 100 мА. Диод VD6 защищает прибор от ошибочного подключения к блоку питания обратной полярности. Номинал резистора R11 определяется током светодиодов подсветки индикатора, т.е. необходимой яркостью его свечения.
Измерительный блок смонтирован на печатной плате размерами 40x18 мм. Ее чертеж показан на рисунке. Все постоянные резисторы и конденсаторы в корпусах для поверхностного монтажа типоразмера 1206. Конденсаторы C1 и C2 составлены из двух, включенных параллельно, по 22 мкФ. Диоды VD1...VD4 - высокочастотные с барьером Шоттки. Подстроечные резисторы R3, R5 и R10 малогабаритные типа СП3-19 или их импортные аналоги. DA1 типа MCP6002 в корпусе SOIC.
Номинал емкостей C1, C2 уменьшать не следует. Тумблер SA1 должен быть малогабаритным и с минимальной емкостью между контактами.
Плата Arduino, плата измерительного блока и индикатор монтируются на основной плате. На ней же установлены регулятор контрастности R10, диод VD6, резистор R11, конденсаторы C5, C6, гнездо питания и кнопка калибровки SB1. Индикатор и конденсаторы монтируются со стороны печатных проводников, все остальное – с противоположной стороны.
Все это размещается в корпусе размерами 120х45х35 мм, спаянном из фольгированного гетинакса. Клеммы для подключения измеряемого элемента и переключатель SA1 крепятся непосредственно на корпус. Проводники до SA1 и входных клемм должны быть минимально возможной длины.
Программа для контроллера написана на Си в среде CodeVisionAVR v2.05.0. Совсем не обязательно программировать Arduino в фирменной среде. В контроллер можно загрузить любой HEX файл без программатора с помощью программы XLoader. Однако на плате Arduino-Pro-Mini отсутствует конвертер USB-COM, поэтому придется использовать для программирования внешний конвертер. СтОит он не дорого, а в дальнейшем такой конвертер вам еще пригодится. Так что рекомендую заказать на Aliexpress вместе с платой Arduino-Pro-Mini (5 V, 16 mHz) и модуль USB-COM для ее программирования.
Скачиваем с сайта http://russemotto.com/xloader/ или по ссылке в конце этой странички с моего сайта программу и устанавливаем ее. Работа с программой проста и интуитивно понятна. Нужно выбрать тип платы - Nano(ATmega328) и номер виртуального COM порта. Скорость обмена 57600 установится сама, менять ее не нужно. Затем указываем путь к HEX файлу прошивки, который находится в папке «Exe» проекта: ...\Exe\lcmeter_2.hex . О FUSE битах можно не беспокоиться, они уже выставлены и возможности испортить их нет. После этого нажимаем кнопку «Upload» и ждем несколько секунд до окончания загрузки.
Разумеется, предварительно модуль USB-COM должен быть подключен к USB порту компьютера и для него должен быть установлен драйвер, так, чтобы виртуальный COM порт определился в системе. Разъем программирования на плате Arduino должен быть подключен к соответствующим выводам на плате модуля USB-COM. Внешнее питание на плату во время программирования можно не подавать, она его получит от USB порта компьютера.
Для наладки измерителя LC необходимо подобрать несколько катушек и конденсаторов в диапазоне измерения прибора, имеющих минимальный допуск по номиналу. Если есть возможность, их точные значения следует измерить с помощью промышленного измерителя LC. Учитывая, что шкала линейная, в принципе достаточно одного конденсатора и одной катушки. Но лучше проконтролировать весь диапазон. В качестве образцовых катушек подходят дроссели типа ДМ, ДП.
Устанавливаем движки резисторов R3 и R5 в среднее положение. Переводим SA1 в положение измерения емкости, подаем питание на прибор (к клеммам ничего не подключено) и контролируем результат преобразования АЦП на частоте 1мГц. Эта информация выводится в нижней строке индикатора. Должно быть не менее 15 и не более 30.
Через несколько секунд в верхней строке появится измеренное значение емкости. Если оно отличается от 0.0 pF, нажимаем кнопку коррекции нуля и вновь ждем несколько секунд.
После этого к входным клеммам подключаем образцовую емкость и, вращая движок R5, добиваемся соответствия показаний истинному значению емкости. Оптимально взять емкость номиналом в пределах 4700...5100 пФ.
Затем подключаем к клеммам конденсатор емкостью 2...3 пФ и контролируем точность измерения его емкости. Если измеренное значение меньше истинного более, чем на 0,5...1 пФ, следует увеличить смещение нуля ОУ. Для этого уменьшаем номинал резистора R7. Напряжение на выходе ОУ и результат АЦП должны увеличиться. Если использован операционный усилитель типа «Rail-to-Rail Input/Output» достаточно смещения нуля около 100 мВ, что соответствует результату преобразования АЦП около 20 (к входным клеммам ничего не подключено).
У меня номинал R7 получился 47 кОм, результат АЦП при этом равен 18...20.
При проведении калибровки обращайте внимание на результат преобразования АЦП, выводимый в нижней строке индикатора. Желательно в качестве эталонной использовать емкость такого номинала, чтобы результат АЦП был по возможности ближе к верхнему пределу измерения на данном диапазоне. Прибор переключается на следующий диапазон, когда результат АЦП превышает 900. Таким образом, для достижения максимально возможной точности измерения, калибровку следует проводить по эталонной емкости, для которой значение АЦП находится в пределах 700...850.
Затем необходимо проконтролировать весь диапазон и, при необходимости, уточнить положение движка R5, добиваясь точности не хуже +/- 2...3%.
Настроив прибор в режиме измерения емкости, следует перевести SA1 в нижнее по схеме положение, закоротить входные гнезда и нажать SB1. После коррекции нуля на вход подключается образцовая катушка и резистором R3 выставляются необходимые показания. Цена младшего разряда 0,1 мкГн. Если нужных показаний достичь не удается, следует изменить номинал R4.
Необходимо стремиться к тому, чтобы R2 и сумма (R3+R4) отличались не более, чем на 20%. Такая настройка обеспечит примерно одинаковую постоянную времени "заряда" и "разряда" катушки и, соответственно, минимальную погрешность измерения.
В результате воздействия всех этих факторов показания прибора при измерении индуктивности некоторых катушек могут существенно отличаться от того, что покажет векторный измеритель LC. Тут следует учитывать особенности принципа измерения. Для катушек без сердечника, для незамкнутых магнитопроводов и для ферромагнитных магнитопроводов с зазором точность измерения вполне удовлетворительна, если активное сопротивление катушки не превышает 20…30 Ом. А это значит, что индуктивность всех ВЧ катушек, дросселей, трансформаторов для импульсных источников питания и т.п. можно измерять достаточно точно.
А вот при измерении индуктивности малогабаритных катушек с большим количеством витков тонкого провода и замкнутым магнитопроводом без зазора, особенно из трансформаторной стали, будет большая погрешность. Но ведь в реальной схеме условия работы катушки могут и не соответствовать тому идеалу, который обеспечивается при измерении комплексного сопротивления. Так что еще неизвестно, показания какого прибора будут ближе к реальности.
Сегодня на рынке продается множество приборов, измеряющих емкость и индуктивность, только стоят они в несколько раз дороже китайского мультиметра. Тот кому каждый день необходимо производить замеры емкости или индуктивности непременно купит себе такой, а что делать если такая необходимость возникает крайне редко? В таком случае можно применить описанный ниже метод.
Известно, что если на интегрирующую RC цепочку подать прямоугольный импульс, то форма импульса изменится и будет такой как на картинке.
Время, за которое напряжение на конденсаторе достигнет 63% от подаваемого, называется тау. Формула по которой считается тау изображена на рисунке.
Теперь измерим индуктивность. На схеме место подключения катушки индуктивности обозначено L?. Подключаем катушку, включаем генератор и подключаем щуп осциллографа параллельно контуру. На осциллографе увидим такую картинку.
