วิธีวัดค่าความเหนี่ยวนำและลักษณะอื่นๆ ของขดลวดหรือตัวเหนี่ยวนำ
บทความนี้จะให้คำแนะนำเชิงทฤษฎีและเชิงปฏิบัติเกี่ยวกับวิธีการวัดค่าความเหนี่ยวนำของขดลวดหรือตัวเหนี่ยวนำ แม้ว่าบทความนี้จะกล่าวถึงฟังก์ชันและข้อมูลจำเพาะโดยอ้างอิงจากเครื่องวัด LCR และเครื่องวิเคราะห์อิมพีแดนซ์ของ Hioki ที่ระบุไว้ด้านล่าง แต่คำแนะนำส่วนใหญ่ก็สามารถนำไปใช้กับผลิตภัณฑ์ที่คล้ายคลึงกันได้เช่นกัน
ตารางที่ 1: การใช้งานในการผลิตจำนวนมาก
| แบบอย่าง | ความถี่ในการวัด | คุณสมบัติ |
|---|---|---|
| IM3533 | DC, 40 Hz ถึง 200 kHz | ฟังก์ชันแก้ไขอุณหภูมิของถ |
| IM3536 | กระแสตรง 4 Hz ถึง 8 MHz | เครื่องวิเคราะห์รุ่นมาตรฐาน ความเร็วสูง ความเสถียรสูง และคุ้มค่า |
| IM7581 | 100 กิโลเฮิรตซ์ ถึง 300 เมกะเฮิรตซ์ | การวัดขดลวดด้วยความเร็วสูงสำหรับความถี่สูง |
ตารางที่ 2: การวิจัยและพัฒนา
| แบบอย่าง | ความถี่ในการวัด | คุณสมบัติ |
|---|---|---|
| IM3570 | กระแสตรง, 4 Hz ถึง 5 MHz | การกวาดความถี่ด้วยโหมดวิเคราะห์ |
ก่อนที่เราจะเริ่มต้น ... ประเด็นหลัก
ก่อนที่เราจะพูดถึงวิธีการวัดคอยล์หรือตัวเหนี่ยวนำ มีความแตกต่างที่สำคัญอย่างหนึ่งของประเภทคอยล์ที่ต้องกล่าวถึง นั่นคือ "ปัญหาหลัก" ซึ่งอาจกล่าวได้ การอภิปรายนี้มีความสำคัญเนื่องจากประเภทคอยล์ตามที่อ้างถึงแกนกลางมีอิทธิพลอย่างชัดเจนต่อการวัด ขดลวดอาจไม่มีแกน (มี "แกนอากาศ" หรือแกนที่ทำจากวัสดุที่ไม่ใช่แม่เหล็ก) หรืออาจมีแกนที่ทำจากวัสดุแม่เหล็ก เช่น เฟอร์ไรต์หรือเหล็ก เมื่อทำการวัดค่าความเหนี่ยวนำ การทราบประเภทของแกนเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากปริมาณของกระแสที่ไหลผ่านขดลวดจะส่งผลต่อค่าความเหนี่ยวนำของทั้งสองชนิดแตกต่างกัน
ตัวอย่างการตั้งค่าการวัด
ด้านล่างนี้คือตัวอย่างการตั้งค่าของมิเตอร์ LCR เมื่อตั้งค่าด้วยตนเองสำหรับการวัดค่าความเหนี่ยวนำของขดลวดทั่วไป (การตั้งค่าที่เหมาะสมที่สุดจะแตกต่างกันไปตามขดลวด)
ตารางที่ 3: การตั้งค่าการวัด
| พารามิเตอร์ | Ls, Q, ถ |
|---|---|
| ความถี่ | ความถี่สะท้อนในตัวเองหรือน้อยกว่า |
| DC อคติ | ปิด (ไม่สามารถวัดได้เมื่อตั้งค่าเป็นเปิด) |
| ระดับสัญญาณ | โหมด CC (กระแสคงที่) พิกัดกระแสหรือน้อยกว่า |
| ช่วงการวัด | อัตโนมัติ |
| ความเร็ว | ช้า2 |
| โหมด LowZ | ปิด |
การตั้งค่าความถี่การวัด
ปรากฏการณ์ของ LC resonance กับตัวเหนี่ยวนำและความจุของกาฝากของขดลวดเรียกว่า self-resonance ความถี่ที่เกิดเสียงสะท้อนในตัวเองเรียกว่า "ความถี่เสียงสะท้อนในตัวเอง" เมื่อประเมินคอยล์ อย่าลืมหาความถี่ในตัวเองและวัด L และ Q ที่ความถี่ที่ต่ำกว่าความถี่ในตัวเองพอสมควร ความถี่นี้สามารถกำหนดได้โดยทำการวัดจริงและหาความถี่ตั้งแต่เส้นแบนของตัวเหนี่ยวนำ (ดูรูปที่ 1)
อิมพีแดนซ์ของขดลวดซึ่งโดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ สามารถคำนวณได้โดยใช้สมการต่อไปนี้:
Z = j2πfL
หากต้องการวัดค่าความเหนี่ยวนำอย่างมีประสิทธิภาพในขณะที่เปลี่ยนความถี่ ให้ตั้งค่าช่วงการวัดเป็น AUTO อย่างไรก็ตาม วิธีที่ดีที่สุดในการวัดค่าความเหนี่ยวนำด้วยระดับความแม่นยำที่สูงขึ้น ให้ตั้งค่าความถี่ในช่วงความถี่ดังกล่าวซึ่งค่าความเหนี่ยวนำสอดคล้องกัน
การตั้งค่าระดับกระแสการวัด
กระแสการวัดสามารถคำนวณได้จากแรงดันที่ขั้วต่อเปิด อิมพีแดนซ์เอาต์พุตของเครื่องมือ และอิมพีแดนซ์ของเป้าหมายการวัด ในการคำนวณนี้ เราสามารถใช้ค่าประมาณของอิมพีแดนซ์ของขดลวดได้
- *1: อิมพีแดนซ์เอาต์พุตแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับรุ่นของมิเตอร์ LCR และขึ้นอยู่กับว่าเปิดใช้งานโหมดความแม่นยำสูงอิมพีแดนซ์ต่ำหรือไม่ โปรดดูข้อมูลจำเพาะของผลิตภัณฑ์ในคู่มือการใช้งาน
สิ่งสำคัญอีกอย่างคือการตั้งค่าแรงดันการวัดเพื่อไม่ให้เกินกระแสที่กำหนดของขดลวด
เมื่อวัดขดลวดที่แสดงการพึ่งพากระแส (เช่น ขดลวดที่มีแกนแม่เหล็ก) จะต้องตั้งค่าเครื่องมือให้ส่งออกระดับกระแสในลักษณะที่แกนแม่เหล็กไม่อิ่มตัว เราสามารถกำหนดระดับกระแสที่ถูกต้องได้โดยการวัดค่าความเหนี่ยวนำ แต่คราวนี้เปลี่ยนระดับปัจจุบัน ระดับปัจจุบันที่เส้นแบนของตัวเหนี่ยวนำเป็นระดับที่ควรจะใช้อีกครั้ง
เมื่อวัดคอยล์ที่ไม่แสดงการพึ่งพากระแสไฟฟ้า (เช่น คอยล์อากาศหรือคอยล์ที่ไม่ใช่แม่เหล็ก) ขอแนะนำให้ตั้งค่าเครื่องมือไปที่ระดับปัจจุบันด้วยความแม่นยำที่ดีที่สุด สำหรับ IM3500 ซีรีส์ ความแม่นยำที่ดีที่สุดเกิดขึ้นได้จากการตั้งค่า 1 V ของโหมด V ด้วย IM7580 ซีรีส์ ระดับสัญญาณการวัดคือการตั้งค่าที่มีความแม่นยำดีที่สุดคือ +1 dBm
เมื่อวัดขดลวดที่มีแกนแม่เหล็กหรือขดลวดที่มีกระแสไฟต่ำ โหมด CC (กระแสคงที่) ของ IM3500 ซีรีส์จะสะดวก กระแสการวัดจะถูกควบคุมผ่านซอฟต์แวร์เพื่อให้คงที่
การเลือก Ls หรือ Lp
โดยทั่วไป โหมดวงจรสมมูลแบบอนุกรม (Ls) จะใช้เมื่อวัดองค์ประกอบที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำ (ประมาณ 100 Ω หรือน้อยกว่า) และโหมดวงจรสมมูลแบบขนาน (Lp) จะใช้เมื่อวัดองค์ประกอบที่มีอิมพีแดนซ์สูง (ประมาณ 10 kΩ หรือมากกว่า ). รูปที่ 4 แสดงภาพ ball-park ของวงจรสมมูลที่จะใช้ (เมื่อปัจจัยการกระจายตัวของคอยล์ D มีขนาดเล็กเพียงพอ) เมื่อโหมดวงจรสมมูลที่เหมาะสมไม่ชัดเจน เช่น เมื่อวัดตัวอย่างที่มีอิมพีแดนซ์ตั้งแต่ประมาณ 100 Ω ถึง 10 kΩ ให้ตรวจสอบกับผู้ผลิตส่วนประกอบนั้น
รูปที่ 4: อิมพีแดนซ์ตามความถี่
ขดลวดเหนี่ยวนำต่ำ: สามารถละเว้น Rp ได้เนื่องจากอิมพีแดนซ์ต่ำ เลือกโหมดวงจรสมมูลแบบอนุกรม
ขดลวดเหนี่ยวนำสูง: สามารถมองข้าม Rs ได้เนื่องจากอิมพีแดนซ์สูง เลือกโหมดวงจรสมมูลแบบอนุกรม
ตัวเหนี่ยวนำจะทำงานราวกับว่าการสูญเสียทองแดงของขดลวด Rs และการสูญเสียแกน Rp เชื่อมต่อกับตัวเหนี่ยวนำ L ในอุดมคติ รีแอกแตนซ์ของขดลวดในอุดมคติ (XL) สามารถคำนวณได้ดังนี้: XL = j2πfL แม้ว่าจะขึ้นอยู่กับขนาดของ Rs และ Rp แต่ก็สามารถระบุได้โดยทั่วไปว่าขดลวดที่มีความเหนี่ยวนำต่ำนั้นมีลักษณะเป็น XL ขนาดเล็ก ทำให้อิมพีแดนซ์เมื่อวาง Rp และ L ขนานกันเพื่อให้ถือว่าเทียบเท่ากับ XL โดยประมาณ ไม่สามารถละเลย Rs ได้เนื่องจาก Ls มีขนาดเล็ก การติดตั้งจึงถือเป็นวงจรสมมูลแบบอนุกรมได้ ในทางตรงกันข้าม เมื่ออิมพีแดนซ์สูง Rp ไม่สามารถละเลยได้ แต่ Rs สามารถละเลยได้ ดังนั้นการตั้งค่าจึงถือเป็นวงจรสมมูลแบบขนาน
ถ.มาตรวัด
ในการประเมินคอยล์ วัดค่าความเหนี่ยวนำ L ปัจจัยด้านคุณภาพ Q และความต้านทาน DC Rdc เครื่องมือเช่น IM3533 และ IM3536 สามารถวัด L, Q และ Rdc โดยไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์อื่นใด หลังจากวัดค่า L และ Q ด้วยสัญญาณ AC แล้ว ก็จะวัดค่า Rdc ด้วยสัญญาณ DC (ดูรูปที่ 5)
*(Rs และ Rp ไม่เท่ากับ Rdc Rs และ Rp คือค่าความต้านทานที่วัดด้วยสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งรวมถึงส่วนประกอบต่างๆ เช่น การสูญเสียขดลวดและความต้านทานการพัน ซึ่งเพิ่มขึ้นเนื่องจากผลกระทบจากผิวตัวนำและผลกระทบจากความใกล้เคียง)
เมื่อวัสดุที่คดเคี้ยวมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิมาก Rdc จะแปรผันตามอุณหภูมิ IM3533 มีฟังก์ชันการแก้ไขอุณหภูมิสำหรับ Rdc
การตั้งเวลาหน่วง
เพื่อลดข้อผิดพลาดในการวัดระหว่างการวัด Rdc เครื่องวัด ฮิโอกิ LCR จะหมุนเวียนเปิดและปิดแรงดันไฟฟ้าที่สร้างขึ้นเพื่อยกเลิกการชดเชยภายใน (ฟังก์ชันการปรับ DC) ดูรูปที่ 6
เมื่อแรงดันที่ใช้กับตัวเหนี่ยวนำเปลี่ยนแปลง ความต้านทานเอาต์พุตและความต้านทานอนุกรมที่เทียบเท่าของตัวเหนี่ยวนำทำให้เกิดปรากฏการณ์ชั่วคราว (ดูรูปที่ 7) ตั้งเวลาหน่วงให้นานเพียงพอระหว่างการวัด Rdc เพื่อให้แน่ใจว่าผลลัพธ์การวัดจะไม่ได้รับผลกระทบจากปรากฏการณ์เหล่านี้ ชื่อที่กำหนดให้กับการตั้งค่าเวลาหน่วงจะแตกต่างกันไปตามรุ่น เช่นเดียวกับการวัดเวลา สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม โปรดดูคู่มือการใช้งานสำหรับรุ่นที่คุณต้องการใช้ หากคุณไม่แน่ใจเกี่ยวกับเวลาหน่วงเวลาที่เหมาะสม ให้ตั้งเวลาหน่วงเวลาให้นานที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ จากนั้นค่อยๆ ลดเวลาหน่วงให้สั้นลงในขณะที่ตรวจสอบว่าค่าที่วัดได้ไม่แสดงความแปรปรวนใดๆ
ลักษณะการซ้อนทับ DC
คุณลักษณะของขดลวดประเภทหนึ่งคือลักษณะการซ้อนทับของกระแสตรง ซึ่งบ่งชี้ขอบเขตที่ความเหนี่ยวนำลดลงเมื่อเทียบกับกระแสตรง สิ่งนี้กลายเป็นรายการประเมินที่สำคัญสำหรับขดลวดที่ใช้ในวงจรที่จัดการกระแสขนาดใหญ่ เช่น วงจรแหล่งจ่ายไฟ (ดูรูปที่ 8) แม้ว่ามิเตอร์ LCR เช่น มิเตอร์ ฮิโอกิ LCR จะมีฟังก์ชันการประยุกต์ใช้แรงดันไบแอส DC แต่ไม่สามารถใช้กระแส DC ที่จำเป็นในการวัดนี้ได้ เนื่องจากฟังก์ชันนี้ออกแบบมาเพื่อใช้ในการวัดตัวเก็บประจุ ในการซ้อนสัญญาณ DC ให้ใช้ DC Bias Current Unit 9269 (หรือ 9269-10) และแหล่งจ่ายไฟภายนอก หรือสร้างวงจรของคุณเองตามวัตถุประสงค์
ในที่สุด
ด้วยวิธีนี้ มีหลายปัจจัยและความรู้พื้นฐานที่จำเป็นในการวัดคุณลักษณะทางไฟฟ้าของขดลวดหรือตัวเหนี่ยวนำ เราหวังว่าบทความนี้จะเป็นประโยชน์กับผู้อ่านและขอให้พวกเขาเข้าร่วมกับ ฮิโอกิ เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีเพื่ออนาคตที่ทำกำไรและยั่งยืนมากขึ้น
ผลิตภัณฑ์ ที่เกี่ยวข้อง
เครื่องวิเคราะห์อิมพีแดนซ์ IM7581
เครื่องวัดแอลซีอาร์ IM3533
เครื่องวัดแอลซีอาร์ IM3536
เครื่องวิเคราะห์อิมพีแดนซ์ IM3570