So gelingen präzise LCR-Messungen
Wie verwendet man ein LCR-Meter?
Die meisten LCR-Messgeräte erlauben Messungen mit wählbarer Testfrequenz, einstellbarem Ersatzschaltbild-Messmodus (d. h. Serie und parallel) und vielen anderen Parametern. Die Auswahl der richtigen Parameter kann oft verwirrend sein. Bei einigen Messungen können falsch gewählte Einstellungen zu einer schlechten Messgenauigkeit führen.
Messfrequenz bei der LCR-Messung
Gängige LCR-Meter verwenden Wechselstromsignale, um die Impedanz von Bauteilen zu messen. Da der Blindwiderstand eine Funktion der Frequenz ist, sollte die Wahl der Messfrequenz die Frequenz in der Anwendung des Bauteils widerspiegeln. Kondensatoren mit größeren Werten (einige Dutzend bis Hunderte von µF oder mehr) werden häufig zur Filterung von Stromversorgungen verwendet und sollten daher mit der doppelten Netzfrequenz getestet werden. Kleinere Kondensatoren (Bruchteile eines µF) werden in der Regel bei höheren Frequenzen verwendet und sollten daher bei 1 kHz oder mehr getestet werden. Eine ähnliche Überlegung gilt für Induktivitäten. Kleinere Induktivitäten (unter ca. 1 mH) sollten bei 1 kHz oder höher gemessen werden, da sie häufig in Audio- oder HF-Anwendungen eingesetzt werden. Größere Induktivitäten werden in der Regel als Drosseln verwendet und können nahe der Netzfrequenz gemessen werden.
Messpegel bei der LCR-Messung
Auch hier gilt, dass die Anwendung des Bauteils die Prüfbedingungen widerspiegeln sollte - der gemessene Wert kann vom Spannungspegel über dem Bauteil abhängen.
Ersatzschaltbilder bei der LCR-Messung
Komponenten werden mit einem der beiden folgenden Ersatzschaltbilder modelliert:
wobei X der Blindwiderstand/Reaktanz des Bauteils, Rs der Serienwiderstand und Rp der Parallelwiderstand ist. Wenn die Reaktanz groß ist, kann der Serienwiderstand vernachlässigbar sein, so dass das parallele Modell eine bessere Lösung darstellt. Ist die Reaktanz hingegen klein, kann der Parallelwiderstand vernachlässigbar sein, so dass Sie das Reihenmodell verwenden sollten. Daher sollte man bei kleinen Kondensatoren eher das parallele Schaltungsmodell und bei großen Kondensatoren das Reihenmodell verwenden.
Umgekehrt sollten Sie für große Induktivitäten eher das parallele Schaltungsmodell und für kleine Induktivitäten eher das Reihenmodell verwenden. Denken Sie daran, dass es sich bei diesen Schaltungen um Modelle eines Bauteils handelt, die das tatsächliche Verhalten bei steigender Frequenz möglicherweise nicht mehr gut abbilden, da das Modell mit pauschalen Parametern möglicherweise nicht mehr geeignet ist.
Bedeutung von D oder Q bei der LCR-Messung
D wird als Verlustfaktor bezeichnet und ist der Realteil der Impedanz geteilt durch die Reaktanz (Imaginärteil der Impedanz). Q wird als Qualitätsfaktor bezeichnet und ist der Kehrwert von D. Wenn D sehr klein (oder Q groß) ist, ist das Bauteil im Wesentlichen ein reiner Blindwiderstand.
Diskrepanzen bei der Kapazitätsgenauigkeit
Die Messgenauigkeit kann beeinträchtigt werden durch die Wahl der falschen Messfrequenz, des falschen Messmodells oder durch den Versuch, ein Bauteil zu messen, dessen Wert außerhalb des Messbereichs des Messgeräts liegt. Kleine Kondensatoren mit niedrigen D-Werten lassen sich im Allgemeinen gut mit dem Parallelmodell messen. Größere Elektrolytkondensatoren müssen bei niedrigen Frequenzen und mit dem Serienmodell gemessen werden. Der Realteil der Impedanz des Serienmodells wird gewöhnlich als ESR (äquivalenter Serienwiderstand) bezeichnet. Je nach Kondensatortyp kann der ESR mit der Frequenz zu- oder abnehmen. Der ESR von Elektrolytkondensatoren neigt zum Beispiel dazu, mit der Zeit und bei höheren Temperaturen zuzunehmen.
Unstimmigkeiten bei der Induktionsgenauigkeit
Einige Induktivitäten sind für den Betrieb mit einer Gleichstromvorspannung (DC Bias) vorgesehen. Sofern im Handbuch des Messgeräts nicht angegeben, dass ein solcher Betrieb zulässig ist, sollten Sie nicht mit einer zusätzlichen Gleichstromvorspannung prüfen. Daher entspricht allerdings der von Ihnen gemessene Wert dann möglicherweise nicht dem, was in einer Betriebsschaltung anzutreffen ist.
Diskrepanzen bei der Widerstandsgenauigkeit
Es gibt zwei Arten von Widerstandsmessungen: Messung von Gleichstromwiderstand und Wechselstromwiderstand. Das LCR-Messgerät kann beide Arten von Messungen durchführen. Die Wechselstrommessungen bei höheren Frequenzen können aufgrund von parasitären Effekten (z. B. die Induktivität eines drahtgewickelten Widerstands) höhere Widerstandswerte als ein Gleichstromwiderstand anzeigen. Achten Sie beim Vergleich von Widerstandswerten darauf, dass nur die gleichen Arten von Messungen verglichen werden.
Tipps für die LCR-Messung
- Wenn Ihr LCR-Messgerät es zulässt, messen Sie die Impedanz bei der Anwendungsfrequenz. Die Anzeige der Impedanz in Ohm hilft Ihnen, Ihre Intuition zu nutzen - und der Phasenwinkel zeigt Ihnen schnell, ob es sich um eine reine Reaktanz oder eine Mischung aus Widerstand und Reaktanz handelt.
- Sie können die Leitungsinduktivität mit 10 nH pro cm Leitungslänge abschätzen. Bei typischen Leitungen sollte die Leitungsinduktivität bei Frequenzen unter etwa 1 MHz nicht relevant werden.
- Überprüfen Sie die Genauigkeitsspezifikationen im Handbuch Ihres LCR-Messgeräts. Dadurch werden Sie auch mit den Messbereichen vertraut. Versuchen Sie nicht, Kondensatoren oder Induktivitäten zu messen, die größer sind als der Messbereich des Geräts. Beachten Sie auch, dass Temperaturschwankungen die Werte und Messungen von Bauteilen beeinflussen können.
- Legen Sie sich einen Vorrat an Bauteilen an, die Sie als Messstandards verwenden können, um zu prüfen, ob Ihr Messgerät richtig misst. Diese Standards können Ihnen auch bei der Wahl der Testfrequenz, der Testamplitude und des Schaltungsmodells helfen.
- Wenn Sie Messleitungen verwenden, messen Sie diese zuerst und subtrahieren Sie ihre Beiträge.
- Stellen Sie sicher, dass die Kondensatoren vor der Messung entladen sind (beachten Sie auch, dass die dielektrische Absorption Ihre Messungen beeinträchtigen kann).
(Nach Infos von B+K Precision)
