2.9C LCR híd mérőműszer kit dr. Le Hung

2.9C LCR híd mérőműszer kit – © dr. Le Hung

A 2.9C LCR híd mérőműszer kit (gyakran még RLC mérőnek is hívják, vagy más néven LC mérő, ellenállás mérő (R), egyben in-circuit ESR mérő) egy precíziós mérőműszer, mely tekercsek, kondenzátorok és ellenállások méréséhez használható. A mérések 3 különböző precíziós szinusz hullámú mérőfrekvencián (100Hz, 1kHz, 10kHz) végezhetők el. A fő mérési paraméterek (induktivitás: L, kapacitás: C, ellenállás: R) mellett a másodlagos jellemzők (impedancia: Z, soros ellenállás: Rs vagy ESR, reaktív impedancia: X, jósági tényező: Q, veszteségi tényező: D, fázis szög: θ) is meghatározhatók. A 2.9C LCR mérő működését egy AVR SMD mikroprocesszor biztosítja. Egy-egy készre szerelt mérő-készlet (kit) tartalmazz 1 db galvanizált, kétoldalas, professzionálisan gyártott PCB-n összeszerelt, tesztelt és kalibrált mérőt, a rajta rögzített és tesztelt LCD megjelenítőt, valamint 1 db 4 vezetékes jó minőségű Kelvin mérőkábelt. A szerelt, kalibrált mérő kit hobbi mennyiségben áll rendelkezésre.

• Honlap: lcr.is-best.net/hu • E-mail: [email protected]

1. Fényképek a 2.9C LCR híd mérőműszer kitről:

2.9C LCR mérőműszer a legújabb PCB nyákkal

4-vezetékes Kelvin mérő csipeszek

2.9C LCR mérő legújabb PCB nyákja 2. A 2.9C LCR híd mérőműszer kit jellemzői: •

Mért paraméterek: • L / C / R / Z / Rs / ESR / X / Q / D / θ • Áramkörben lévő (in-circuit) elektrolit kondenzátor (C és ESR) is mérhető (ld. video)

•

Az R / ESR mérési módban elemek, újratölthető akkumulátorok belső ellenállása is mérhető, mely alapján a megvizsgált elem aktuális állapotára, kapacitásától függetlenül tudunk következtetéseket vonni (pl. mennyire használódott el? Selejteznünk kellene?) A méréshez a mérőkábelre 2 db kis kondenzátort kell forrasztanunk a DC egyenáram blokkolására - ld. később

•

Mérési tartomány: • R ellenállás mérése esetén: 5mΩ – 10MΩ • C kapacitás mérése esetén: 1pF - 22000µF (ennél nagyobb kapacitást is mér, de ez nincs ellenőrizve) • L induktivitás mérése esetén: 0.5µH – 100H (ennél nagyobb induktivitást is mér, de ez nincs ellenőrizve)

•

Pontosság (ld. video. Többek között professzionális mérő mérési eredményeivel történő összehasonlítások is megtalálhatók): •

R ellenállás mérése esetén: Tartomány 5MΩ - 10MΩ 1MΩ - 4MΩ 10Ω – 1MΩ 1Ω - 10Ω 0.1Ω - 1Ω <0.1Ω Tartomány <100kΩ >100kΩ

•

Pontosság 5% 2% 0.5% 1% 5% +- 5mΩ NA Optimális mérési frekvencia 100Hz, 1kHz, 10kHz 100Hz

C kapacitás mérése, optimális mérési frekvencia használata esetén: Tartomány 1pF - 100pF 100pF - 100µF 100µF - 1000µF 1000µF - 4700µF >4700µF

Pontosság 1.5% +- 0.5pF 0.75% +- 1pF 1% 2% NA

Tartomány

Optimális mérési frekvencia 10kHz 1kHz 100Hz

< 1nF 1nF - 1µF >1µF

•

L induktivitás mérése optimális mérési frekvencia használata esetén: Tartomány 1µH – 20µH 20µH – 60µH 60µH - 100H <1µH

Pontosság 5% +- 0.2µH (*) 3% +- 0.3µH 1% +-0.4µH NA

Tartomány

Optimális mérési frekvencia 10kHz 1kHz 100Hz

<1mH 1mH – 1H >1H

(*) Megjegyzés: A 2.9C LCR mérővel a kis induktivitású vasmagos tekercsek is jól mérhetők. Viszont kis (kb. 30 µH induktivitásig terjedő) légtekercsek mérését illetően egy másik mérőm (4.5 LCFesR mérő) lehet a jobb választás, köszönhetően annak magasabb (több száz kHz - 1MHz) frekvenciájú rezonanciájának. Tehát akinek a kis légtekercsek mérése a fontos, annak érdemes megnéznie az 4.5 LCFesR mérőt (vagy link a honlapomon). Ugyanakkor kb. 60µH-nél nagyobb tekercseknél már a 2.9C LCR mérő teljesít jobban. A kis induktorok mérését a mérőkábel hosszúsága (impedanciája) befolyásolja, így minél rövidebb a használt mérőkábel, annál jobb. Szintén segít, ha mérőkábelként koax kábeleket használunk, és a következőt tesszük: a koax kábeleknek a csipeszekhez közel eső védő fémhálóit összekötjük – ezt hagyjuk így, ahogy van; a kábeleknek a konnektorhoz közel eső védő fémhálóit szintén összekötjük - ezt viszont a föld GND potenciálra tovább kötjük! •

• • • •

Mérési frekvencia: • Precíziós 100Hz / 1kHz / 10kHz szinusz hullámok alkalmazása • Fix mérési frekvencia használata: kézzel kiválasztható, hogy a mérés melyik frekvenciával történjen • Automatikus frekvencia-kiválasztás: a mérő a mérendő alkatrész számára automatikusan tudja kiválasztani a legoptimálisabb mérési frekvenciát, így legyen bármelyik tartományban is az alkatrész, a mérő meg tudja azt mérni anélkül, hogy kézzel kelljen kiválasztani a megfelelő frekvenciát hozzá – ez az alapértelmezett mérési mód. Mérési feszültség: • Mind a három 100Hz, 1kHz, 10kHz mérési frekvencia esetén: 0.5Vrms Mérési technika: automatikus kiegyenlítő híd (auto balancing bridge); külön-külön mérve az áramot és a feszültséget, 4 vezetékes mérőkábel használatával. Mérési mód: soros mód (megjegyzés: párhuzamos módbeli értékek a soros módban mért eredmények alapján képletek segítségével kiszámíthatók). Impedancia mérési tartományok: • 6 impedancia tartomány: • 0. tartomány: 333kΩ – 10MΩ • 1. tartomány: 33kΩ – 333kΩ

• • • •

•

•

• • • •

2. tartomány: 3.3kΩ – 33kΩ 3. tartomány: 265Ω – 3.3kΩ 4. tartomány: 15Ω – 265Ω 5. tartomány: 5mΩ – 15Ω • Automatikus impedancia tartomány-váltás a pontosabb mérési eredmények elérése érdekében Kompenzáció, kalibráció: • Kompenzáció nyitott mérőkábellel (a mérő elkészítése után megtörtént, de a használat során bármikor elvégezhető újból) • Kompenzáció zárt mérőkábellel (a mérő elkészítése után megtörtént, de a használat során bármikor elvégezhető újból) • Kalibráció 0.1% ellenállásokkal (a mérő elkészítése után megtörtént. Nem szükséges újból elvégezni!) Input-védelem: A 2.9C LCR mérő legújabb PCB nyákján be van építve az inputvédelem. A védelem egy gyári, több kis kapacitású TVS diódát tartalmazó IC-ből áll, mely az elektrosztatikus kisütés (ESD), az elektromos gyors tranziensek (EFT) és a villámlás által okozott túlfeszültségektől védi az érzékeny elektronikai alkatrészt. Az IC képes egy tp=8/20µs időtartamú 300W csúcs-teljesítményt, 12A erősségű csúcsáramot, 8kV kontakt-, 15kV lég-feszültséget elviselni. Hálózati környezet: választható az 50Hz (pl. EU) vagy 60Hz (pl. USA) hálózati környezet (ld. később). Áramellátás: 9-12V DC. Fogyasztás: kb. 30 mA (LCD háttér világítása mellett). A 2.9C LCR híd mérőműszer egy komplett mérőműszer. Használatához sem számítógépre, sem más áramkörre nincs szükség.

3. A 2.9C LCR híd mérőkit tartalma: • • • •

1 db szerelt, tesztelt PCB, input-védelemmel ellátva 1 db 2x16 karakteres LCD display, a PCB-n szerelve, rögzítve 1 db 20cm szilikon szigetelésű 4-vezetékes mérőkábel, jó minőségű Kelvin csipeszekkel Kompletten tesztelve, kalibrálva 0.1% ellenállásokkal

4. A 2.9C LCR híd mérőműszer kit működése, beállítása: A 2.9C LCR mérőműszer kit bekapcsolása után vagy a működése során az LCD display első sorában az aktuális mérő frekvencia (100Hz / 1kHz / 10kHz) és az elsődleges paraméter (L / C / R) értéke látható. A második sorban az aktuális impedancia tartomány - ez a korábban említett 0. és 5. tartomány között szerepelhet - és a másodlagos paraméterek (ESR / Rs / Z / X / Q / D / θ fázis szög) értékei megtalálhatók. Automatikus frekvencia-váltó mód: A mérő bekapcsolásakor C kondenzátor-mérési, illetve automatikus frekvencia-váltó módban dolgozik. Ezt a módot a 2. sor elején megjelenő „A” betű, mint „Automatikus frekvencia” jelzi. A mérő ilyenkor automatikusan megállapítja, hogy az adott kondenzátorra melyik frekvencia lesz a legoptimálisabb és azzal mérve megjeleníti az eredményt. Emellett természetesen a használt mérési frekvenciát is írja ki (ld. videó). A mérő ugyanígy működik az induktorok és az ellenállások mérésekor. Automatikus R mérési módban a 30Ω-100kΩ közti ellenállásokat 1kHz, a 100kΩ-nál nagyobb ellenállásokat 100Hz mérési jellel, a 30Ω-nál kisebb ellenállásokat viszont 10kHz mérési jellel mér. Ez abból a megfontolásból van, hogy az elektrolit kondenzátorok ESR értéke általában 30Ω-nál kisebb, és az ESR értékeket 10 kHz-es vagy annál nagyobb frekvenciával szokták mérni. Ezzel az automatikus váltással biztosítható, hogy a tényleges ellenállások mérése mellett a kondenzátorok 10kHz-el történő ESR mérését is lehessen automatikusan elvégezni. Ezt a módot tekinthetjük R/ESR mérési módnak. Az elektrolit kondenzátorok kapacitásának a méréséhez át kell kapcsolnunk a mérőt a kapacitás-mérési módra. Ebben az esetben a mérő automatikusan 100Hz-es mérési jellel fogja azt mérni, megadva a kapacitás értékét, illetve egyben megjeleníti a 100Hz-en mért ESR értékét. Azt kell megjegyeznünk, hogy az elektrolit kondenzátorok ESR értéke frekvencia-függő, így a különböző frekvencián mért értékek különböznek. Tehát annak ellenére, hogy általában az LCR mérő használata bonyolult, a 2.9C LCR mérő az „automatikus frekvencia-váltó” móddal a teljes mérési tartományt automatikusan kezelve nagyon kényelmesen használható. Az LCR mérő felhasználójának érdemes megjegyeznie, hogy az optimális mérési frekvencia a kondenzátorok mérése esetében az 1nF-ig a 10kHz, 1nF-1µF között az 1 kHz, 1uF felett a 100Hz, illetve az induktorok mérése esetében az 1mH-ig a 10kHz, 1mH-1H között az 1kHz, 1H felett a 100Hz (ld. táblázatot). Ugyanakkor a jól mérhető tartományok ezeknél egy-egy nagyságrenddel szélesebbek, egymást is átfedve: Mérési frekvencia

100Hz 1kHz 10kHz

Kondenzátor tartomány Optimálisan Jól mérhető mérhető >1µF >100nF 1nF-1µF 500pF-10µF <1nF <10nF

Induktor tartomány Optimálisan Jól mérhető mérhető >1H >100mH 1mH-1H 500µH-10H <1mH <10mH

Manuális frekvencia-váltó mód: A mérő jel a (jobb oldali) frekvencia-váltó gomb megnyomásával manuálisan ciklikusan megváltoztatható: automatikus -> 100Hz -> 1kHz -> 10kHz -> -> 100Hz -> automatikus stb.. A 2.9C LCR mérő a gomb-nyomást a következő szerint értelmezi: Ha csak egyszeri nyomást érzékel, akkor a sorban következő frekvenciára, azonban ha kétszeri gyors nyomást tapasztal, akkor a sorban következő frekvenciát kihagyva az utána következőre vált át (ld. videó). Különböző frekvenciával történő méréskor megfigyelhető, hogy vannak esetek, amikor a mért értékek még közel sem egyeznek meg. Itt egyrészt rögtön meg kell bizonyosodnunk, hogy az adott alkatrészre használható-e a kiválasztott frekvencia (pl. nem próbáltunk-e 10 kHz-zel mérni µF értékű kondenzátort), illetve tudnunk kell, hogy bizonyos induktivitások és kondenzátorok bizonyos frekvencia mellett nem viselkednek lineárisan, azaz az induktivitásuk, illetve a kapacitásuk ott már frekvencia-függő. Mérési mód-váltás, mérőkábel nullázása: A baloldali gomb az ún. mérési mód-váltó gomb. Amikor a mérő a gomb nyomását érzékeli attól függően, hogy a nyomás egyszeri vagy kétszeri - az L / C / R módok között a következő vagy a sorban 2. helyen következő módra kapcsol át (ld. videó). A gomboknak lehet más funkciójuk is. Ha a frekvencia-váltó gombot 3 mp-ig tartjuk lenyomva, és ezután felengedjük, akkor a 2.9C LCR mérő kit a „mérőkábel nullázó” módba kapcsol át. Ekkor követve a képernyőn megjelenő utasításokat (mint pl. nyisd a mérőkábelt, zárd a mérőkábelt, nyomd a baloldali gombot, mentsük az eredményt?), elvégezhető a mérőkábel nullázása. A mérőkábel nullázását úgy kell elvégezni, hogy a mérőcsipeszeket asztalra elhelyezve, egymás tetejére tegyük. Ezzel tudjuk biztosítani, hogy a 2 csipesz mérőpofája között akkora lesz a távolság (néhány cm), amekkorát egy tényleges kondenzátor mérésekor használunk. Ezáltal minimalizálni tudjuk a csipeszek szórt kapacitásának a hatását néhány pF értékű kondenzátorok mérésénél. Ugyanígy járjunk el, ha a mérőkábelek ZÉRÓ értékét akarjuk ellenőrizni. A pontosabb nullázás érdekében a 2.9C LCR mérő kit több mérést végez, és azután átlagolja azokat. A folyamat befejezésére türelmet kér a műszer. Amennyiben megengedjük, hogy a műszer a nullázáskor kapott értékeket mentse el a nem felejtő EEPROM memóriába, akkor a beállítás a mérő kikapcsolása után is meg fog maradni. A nullázást csak a mérő stabil működése elérésekor végezzük el! Ez kb. 15 perccel a bekapcsolás után várható. Hasonlóképpen, ha a mérési mód-váltó gombot 3 mp-ig tartjuk lenyomva, és ezután felengedjük, akkor a mérő a másodlagos paraméter-váltó módba kapcsol át. Ilyenkor a mérő az ESR / Rs – Z – X – D – Q – fázis szög értékeket mutatja meg az LCD megjelenítő 2. sorában. Ebbe a módba belépve az RCL mérő megvillogtatja az aktuális paraméter értékét, és várakozik a felhasználó beavatkozására. Ha ilyenkor a mód-váltó gombot (bal oldali gombot) megnyomjuk, akkor a 2.9C LCR mérő kit a sorban következő paraméter értékét megjeleníti, és azt szintén megvillogtatja. Ha a műszer nem érzékel gomb-nyomást néhány mp-ig, akkor a megvillogtatott paramétert kiválasztottnak tekinti, és kilép ebből a módból. Ezt követően ezt a másodlagos paramétert jeleníti meg folyamatosan. A mérőnek van átlagolt mérési módja is. Ez úgy működik, hogy a mérő 15 mp-ig sok mérést végez és az idő eltelte után azokat átlagolja és megjeleníti az eredményt. Ezáltal az eredmény stabilabb és pontosabb lesz (van, akinek van szüksége a sok mérés átlagára). Ahhoz, hogy ezt a mérési módot aktiváljuk, először be kell lépnünk a másodlagos paraméter-váltó módba (ld. fent), és amikor az LCD-n a másodlagos paraméter villog, ahelyett, hogy a baloldali nyomógombot nyomnánk, a jobboldali gombot nyomjuk meg! Ekkor a program az átlagolt mérési módba kapcsol át. Itt fontos megjegyeznünk, hogy ha egy új mérendő komponenst

becsipeszezünk, akkor az első mérési eredmény mindig pontatlan lesz, a mérés közbeni alkatrész-csere mivolta miatt. Mindig várjuk meg a 2., 3., stb. mérési eredményeket. Ezek nagyon hasonló eredmények lesznek. A normál (gyorsabb) mérési módba hasonló nyomógomb-kombinációval tudunk visszatérni, vagy egyszerűen kapcsoljuk ki és be a mérőt! Elemek, tölthető akkumulátorok belső ellenállásának mérése: A mérő R / ESR módban képes mérni 1.2V-12V közötti feszültséggel rendelkező elemek, akkumulátorok belső ellenállását. Ehhez az áramforrások DC egyenáramát blokkolni kell. Készíthetünk új mérőkábelt vagy a Kit-hez kapott mérőkábelhez be kellene forrasztanunk 2 db kondenzátort a következő séma szerint (a 47uF és 1 uF kondenzátor pontossága nem lényeges):

A belső ellenállás méréséhez be kell lépnünk az R / ESR mérési módba. Ezután vagy az automatikus frekvencia-váltó módot vagy manuálisan a 10 kHz frekvencia módot választhatjuk – a kettő ugyanazt eredményezi, mivel a mérő a belső ellenállás értéke (<30Ohm) miatt automatikusan ki fogja választani a 10kHz frekvenciát. A 10 kHz mérési frekvenciával történő méréseim szerint a jó állapotú AA akkumulátoraimnak a belső ellenállása 80-100 mOhm, míg az AAA akkumulátoroké 160-200 mOhm volt. A sokat használt akkumulátorok belső ellenállása a jókhoz képest viszont sokat megnövekedett, pl. a kétszeresére, a háromszorosára. Véleményem szerint, ha 4-szeres, 5-szörös vagy ennél nagyobb mértékű növekedést mérünk, akkor gondolkodhatunk az akkumulátor selejtezésében – ekkor ugyanis hiába próbáljuk feltölteni, az akkumulátor alig tudja befogadni a töltést és töltés után gyorsan le is merül. Figyelem! Az elemek, akkumulátorok mérése során a DC áram-blokkoló kondenzátorok feltöltődnek az elem feszültségére, így a mérés (mérések) során törekedjünk arra, hogy a mérőcsipeszek össze ne érintkezzenek, illetve az ilyen típusú mérést úgy fejezzük be, hogy egy 100kOhm ellenállást egy rövid ideig mérjünk. Ezzel tulajdonképpen kisütjük a kondikat. Az input-védelem minden esetre megvédi a mérőt, de ezekkel az óvintézkedésekkel megkímélhetjük azt.

Egyéb beállítás: A 2.9C LCR mérő kit alap működésében 50Hz (pl. EU) hálózati környezetre van beállítva, de ez bármikor megváltoztatható a 60Hz (pl. USA) hálózati környezetre. Ehhez a frekvenciaváltó gombot 10 mp-ig kell nyomva tartanunk. A beállítás a nem felejtő EEPROM-ba elmentődik, így a beállítás a mérő kikapcsolása után is megmarad. Természetesen újabb 10 mp-es gombnyomással az 50Hz hálózati környezet vissza is állítható! Ez a beállítás arra szolgál, hogy a mérőre hatott környezeti zaj hatását minimalizáljuk. A 60Hz-es beállítással a mérés ideje egy kevéssel meghosszabbítódik, így amennyiben a 60Hz környezetben a javulás nem számottevő (pl. a mérő környékén nagyon kicsi a zajhatás), akkor inkább maradjunk az 50Hz beállításnál! 5. A 2.9C LCR híd mérőműszer kit bekötése:

• Az áram bekötése: PCB-n lévő felirat szerint

• A mérőkábelek bekötése a kép szerint: Hc Lc Hp (Hc=High current, árammérés, + potenciál) (Lc=Low current, árammérés, - potenciál) (Hp=High potential, feszültségmérés, + potenciál) (Lp= Low potential, feszültségmérés, - potenciál)

Lp

6. A mérő használata során a következőkre érdemes figyelnünk: • A jobb minőségű mérőcsipeszek (különösen a Kelvin csipeszek) precízebb és stabilabb eredményt adnak. Az ilyen Kelvin csipeszek azért jók, mert: aranyozottak ezek jó vezetőképességgel bírnak; erős nyomórugóval rendelkeznek, így biztosítják az alkatrésszel való stabil érintkezést; egy-egy csipesznek a 2 fele egymástól elektromosan szigetelt, és csak ott vezetnek áramot, ahol a mérendő alkatrésszel érintkeznek, így nem rontják a mérés pontosságát. Viszont, ha könnyen szeretnénk vezetéket forrasztani hozzá, akkor egy csavarhúzó segítségével a rugó ellenében fel kell emelni az érintkezőt a helyéről, biztosítva a könnyebb hozzáférést és forrasztást. Amennyiben szeretnél Kelvin csipeszekkel 4-vezetékes mérőkábelt készíteni, akkor a forrasztást a következőképpen kellene tenned: a csipesznek az egyik forrpontjára közvetlenül forrasztod a rövid vezetéket. A hosszabb vezetéket ívesen átvezeted a csipeszben és forrasztod a másik forrpontra. Utána a 2 rövid vezetéket, illetve a 2 hosszú vezetéket összecsavarod. Az így készült mérő vezetékek nem csak esztétikailag szépek, hanem abban segítenek, hogy a mérések pontosabbak és stabilabbak legyenek. • A 2.9C LCR mérő és a hosszantartó védelem érdekében KONDENZÁTORT CSAK KISÜTÉSE UTÁN MÉRJÜNK! De nem kell túlságosan aggódnunk. Mi lenne a legrosszabb eset? Az input-védelem IC nem bírná a hosszabb ideig tartó kisütést (áramot), tönkre menne, ilyenkor az IC6 is tönkremehet. Ekkor sincsen nagy gond: ez a 2 IC könnyen beszerezhető és kicserélhető. Hungary, 2015.11.26 dr. Le Hung, [email protected]