วิธีการวัดค่าของตัวเหนี่ยวนำหรือตัวเก็บประจุโดยใช้ออสซิลโลสโคป - วิธีความถี่เรโซแนนซ์

ตัวต้านทานตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเป็นส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่ใช้กันมากที่สุดในเกือบทุกวงจรอิเล็กทรอนิกส์ จากทั้งสามนี้ค่าของตัวต้านทานและตัวเก็บประจุมักถูกทำเครื่องหมายไว้ที่ด้านบนไม่ว่าจะเป็นรหัสสีของตัวต้านทานหรือเป็นเครื่องหมายตัวเลข นอกจากนี้ยังสามารถวัดความต้านทานและความจุได้โดยใช้ Multimeter ปกติ แต่ตัวเหนี่ยวนำส่วนใหญ่โดยเฉพาะเฟอร์ไรต์ cored และ air cored ด้วยเหตุผลบางประการดูเหมือนจะไม่มีเครื่องหมายใด ๆ สิ่งนี้ค่อนข้างน่ารำคาญเมื่อคุณต้องเลือกค่าที่เหมาะสมของตัวเหนี่ยวนำสำหรับการออกแบบวงจรของคุณหรือกู้คืนจาก PCB อิเล็กทรอนิกส์เก่าและต้องการทราบมูลค่าของมัน

วิธีแก้ปัญหาอย่างตรงไปตรงมาสำหรับปัญหานี้คือการใช้เครื่องวัด LCR ​​ซึ่งสามารถวัดค่าของตัวเหนี่ยวนำตัวเก็บประจุหรือตัวต้านทานและแสดงได้โดยตรง แต่ไม่ใช่ทุกคนที่มีเครื่องวัด LCR ​​ติดตัวไปด้วยดังนั้นในบทความนี้จะให้เราเรียนรู้วิธีใช้ออสซิลโลสโคปเพื่อวัดค่าของตัวเหนี่ยวนำหรือตัวเก็บประจุโดยใช้วงจรอย่างง่ายและการคำนวณอย่างง่าย แน่นอนว่าหากคุณต้องการวิธีที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพมากขึ้นคุณยังสามารถสร้างเครื่องวัด LC ของคุณเองซึ่งใช้เทคนิคเดียวกันพร้อมกับ MCU เพิ่มเติมเพื่ออ่านค่าที่แสดง

วัสดุที่จำเป็น

• ออสซิลโลสโคป
• Signal Generator หรือสัญญาณ PWM อย่างง่ายจาก Arduino หรือ MCU อื่น ๆ
• ไดโอด
• ตัวเก็บประจุที่รู้จัก (0.1uf, 0.01uf, 1uf)
• ตัวต้านทาน (560 โอห์ม)
• เครื่องคิดเลข

ในการวัดค่าของตัวเหนี่ยวนำหรือตัวเก็บประจุที่ไม่รู้จักเราจำเป็นต้องสร้างวงจรง่ายๆที่เรียกว่าวงจรถัง วงจรนี้สามารถเรียกได้ว่าเป็นวงจร LC หรือวงจรเรโซแนนซ์หรือวงจรจูน วงจรถังคือวงจรที่เราจะมีตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเชื่อมต่อแบบขนานซึ่งกันและกันและเมื่อวงจรขับเคลื่อนแรงดันและกระแสข้ามมันจะเรโซแนนซ์ที่ความถี่ที่เรียกว่าความถี่เรโซแนต มาทำความเข้าใจว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไรก่อนที่เราจะก้าวต่อไป

Tank Circuit ทำงานอย่างไร?

อย่างที่บอกไปก่อนหน้านี้วงจรรถถังทั่วไปประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อแบบขนาน ตัวเก็บประจุเป็นอุปกรณ์ที่ประกอบด้วยแผ่นขนานสองแผ่นซึ่งสามารถกักเก็บพลังงานในสนามไฟฟ้าและตัวเหนี่ยวนำเป็นขดลวดที่พันทับวัสดุแม่เหล็กซึ่งสามารถกักเก็บพลังงานในสนามแม่เหล็กได้

เมื่อวงจรขับเคลื่อนตัวเก็บประจุจะถูกชาร์จจากนั้นเมื่อถอดกระแสไฟออกตัวเก็บประจุจะปล่อยพลังงานลงในตัวเหนี่ยวนำ เมื่อถึงเวลาที่ตัวเก็บประจุระบายพลังงานไปยังตัวเหนี่ยวนำตัวเหนี่ยวนำจะถูกชาร์จและจะใช้พลังงานเพื่อดันกระแสกลับเข้าไปในตัวเก็บประจุในขั้วตรงข้ามเพื่อให้ตัวเก็บประจุได้รับการชาร์จอีกครั้ง โปรดจำไว้ว่าตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเปลี่ยนขั้วเมื่อชาร์จและคายประจุ วิธีนี้แรงดันและกระแสจะแกว่งไปมาเพื่อสร้างเสียงสะท้อนดังที่แสดงในภาพ GIF ด้านบน

แต่สิ่งนี้ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ตลอดไปเพราะทุกครั้งที่ตัวเก็บประจุหรือตัวเหนี่ยวนำประจุและปล่อยพลังงานบางส่วน (แรงดันไฟฟ้า) จะสูญเสียไปเนื่องจากความต้านทานของเส้นลวดหรือเป็นพลังงานแม่เหล็กและอย่างช้าๆขนาดของความถี่เรโซแนนซ์จะจางหายไปดังแสดงในด้านล่าง รูปคลื่น

เมื่อเราได้รับสัญญาณนี้ในขอบเขตของเราเราสามารถวัดความถี่ของสัญญาณนี้ซึ่งไม่มีอะไรเลยนอกจากความถี่เรโซแนนซ์แล้วเราสามารถใช้สูตรด้านล่างเพื่อคำนวณค่าของตัวเหนี่ยวนำหรือตัวเก็บประจุ

FR = 1 / / 2π√LC

ในสูตรข้างต้น F _Rคือความถี่เรโซแนนซ์จากนั้นถ้าเรารู้ค่าของตัวเก็บประจุเราสามารถคำนวณค่าของตัวเหนี่ยวนำได้และในทำนองเดียวกันเรารู้ค่าของตัวเหนี่ยวนำเราสามารถคำนวณค่าของตัวเก็บประจุได้

การตั้งค่าสำหรับการวัดความเหนี่ยวนำและความจุ

ทฤษฎีเพียงพอตอนนี้เรามาสร้างวงจรบนเขียงหั่นขนม ที่นี่ฉันมีตัวเหนี่ยวนำที่มีค่าที่ฉันควรหาโดยใช้ค่าที่ทราบของตัวเหนี่ยวนำ การตั้งค่าวงจรที่ฉันใช้ที่นี่แสดงอยู่ด้านล่าง

ตัวเก็บประจุ C1 และตัวเหนี่ยวนำ L1 สร้างวงจรถังไดโอด D1 ใช้เพื่อป้องกันไม่ให้กระแสไหลย้อนกลับไปยังแหล่งสัญญาณ PWM และตัวต้านทาน 560 โอห์มใช้สำหรับ จำกัด กระแสผ่านวงจร ที่นี่ฉันได้ใช้Arduinoของฉันเพื่อสร้างรูปคลื่น PWMด้วยความถี่ตัวแปรคุณสามารถใช้ตัวสร้างฟังก์ชันได้หากคุณมีสัญญาณ PWM อย่างใดอย่างหนึ่งหรือเพียงแค่ใช้ ขอบเขตเชื่อมต่อผ่านวงจรถัง การตั้งค่าฮาร์ดแวร์ของฉันดูเหมือนด้านล่างเมื่อวงจรเสร็จสมบูรณ์ คุณยังสามารถดูตัวเหนี่ยวนำแกนร้อนที่ไม่รู้จักของฉันได้ที่นี่

ตอนนี้เปิดวงจรโดยใช้สัญญาณ PWM และสังเกตสัญญาณเรโซแนนซ์ในขอบเขต คุณสามารถลองเปลี่ยนค่าของตัวเก็บประจุหากคุณไม่ได้รับสัญญาณความถี่เรโซแนนซ์ที่ชัดเจนโดยทั่วไปแล้วตัวเก็บประจุ 0.1uF ควรใช้กับตัวเหนี่ยวนำส่วนใหญ่แต่คุณสามารถลองใช้ค่าที่ต่ำกว่าเช่น 0.01uF ได้ เมื่อคุณได้ความถี่เรโซแนนซ์แล้วควรมีลักษณะดังนี้

จะวัดความถี่เรโซแนนซ์ด้วยออสซิลโลสโคปได้อย่างไร?

สำหรับบางคนเส้นโค้งจะปรากฏในลักษณะนี้สำหรับบางคนคุณอาจต้องปรับแต่งเล็กน้อย ตรวจสอบให้แน่ใจว่าโพรบขอบเขตตั้งค่าเป็น 10x เนื่องจากเราต้องการตัวเก็บประจุแบบแยกส่วน ตั้งค่าการแบ่งเวลาไว้ที่ 20us หรือน้อยกว่าแล้วลดขนาดให้น้อยกว่า 1V ตอนนี้ลองเพิ่มความถี่ของสัญญาณ PWM หากคุณไม่มีเครื่องกำเนิดรูปคลื่นให้ลองลดค่าของตัวเก็บประจุจนกว่าคุณจะสังเกตเห็นความถี่เรโซแนนซ์ เมื่อคุณได้รับความถี่เรโซแนนซ์แล้วให้วางขอบเขตใน seq เดียว เพื่อให้ได้รูปคลื่นที่ชัดเจนเช่นเดียวกับที่แสดงด้านบน

หลังจากได้สัญญาณแล้วเราต้องวัดความถี่ของสัญญาณนี้ ดังที่คุณเห็นขนาดของสัญญาณหมดไปเมื่อเวลาเพิ่มขึ้นเราจึงสามารถเลือกรอบใดก็ได้ของสัญญาณที่สมบูรณ์ บางขอบเขตอาจมีโหมดการวัดให้ทำเช่นเดียวกัน แต่ที่นี่ฉันจะแสดงวิธีใช้เคอร์เซอร์ วางเส้นเคอร์เซอร์แรกที่จุดเริ่มต้นของคลื่นไซน์และเคอร์เซอร์ที่สองที่จุดสิ้นสุดของคลื่นไซน์ดังที่แสดงด้านล่างเพื่อวัดช่วงเวลาของความถี่ ในกรณีของฉันช่วงเวลาที่เป็นไฮไลต์ในภาพด้านล่างขอบเขตของฉันยังแสดงความถี่ แต่เพื่อจุดประสงค์ในการเรียนรู้เพียงพิจารณาช่วงเวลาคุณยังสามารถใช้เส้นกราฟและค่าการแบ่งเวลาเพื่อค้นหาช่วงเวลาได้หากขอบเขตของคุณไม่แสดง

เราได้วัดเฉพาะช่วงเวลาของสัญญาณเพื่อให้ทราบความถี่ที่เราสามารถใช้สูตรได้

F = 1 / T

ดังนั้นในกรณีของเราค่าของช่วงเวลาที่เป็น 29.5uS ซึ่งเป็น 29.5 × 10 -6 ดังนั้นค่าของความถี่จะเป็น

F = 1 / (29.5 × 10 ^-6) = 33.8 กิโลเฮิร์ตซ์

ตอนนี้เรามีความถี่เรโซแนนซ์เท่ากับ 33.8 × 10 ³ Hz และค่าของตัวเก็บประจุเท่ากับ 0.1uF ซึ่งเป็น 0.1 × 10 ^-6 F แทนทั้งหมดนี้ในสูตรที่เราได้รับ

FR = 1 / 2π√LC 33.8 × 10 ³ = 1 / 2π√L (0.1 x 10 ^-6)

เราได้รับการแก้ปัญหาสำหรับ L

L = (1 / (2π x 33.8 x 10 ³) ² / 0.1 × 10 ^-6 = 2.219 × 10 ^-4 = 221 × 10 ^-6 L ~ = 220 uH

ดังนั้นค่าของตัวเหนี่ยวนำที่ไม่รู้จักจะคำนวณเป็น 220uH ในทำนองเดียวกันคุณสามารถคำนวณค่าของตัวเก็บประจุได้โดยใช้ตัวเหนี่ยวนำที่รู้จัก ฉันลองใช้กับค่าตัวเหนี่ยวนำอื่น ๆ ที่เป็นที่รู้จักและดูเหมือนว่าจะทำงานได้ดี นอกจากนี้คุณยังสามารถพบการทำงานที่สมบูรณ์แบบในวิดีโอแนบมาด้านล่าง

หวังว่าคุณจะเข้าใจบทความและเรียนรู้สิ่งใหม่ ๆ หากคุณมีปัญหาในการทำให้สิ่งนี้ใช้ได้ผลโปรดทิ้งคำถามไว้ในส่วนความคิดเห็นหรือใช้ฟอรัมเพื่อขอความช่วยเหลือด้านเทคนิคเพิ่มเติม