Способ измерения параметров катушек индуктивности

Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к радиотехническим измерениям параметров катушек индуктивности, применяемых в радиотехнических устройствах различного назначения.

С наибольшим положительным эффектом изобретение может быть использовано при изготовлении катушек индуктивности для фильтров гармоник мощных высокочастотных радиопередатчиков, когда необходимо, чтобы катушки индуктивности обеспечивали прохождение через них большого тока с минимальными потерями, то есть имели бы высокую добротность, а также имели бы высокую точность получения заданной величины индуктивности - основного параметра катушек индуктивности. Повышенные требования к параметрам катушек индуктивности должны быть обеспечены соответствующими способами их измерений.

Существует множество методов измерений параметров катушек индуктивности. Из них самыми сложными и трудоемкими являются мостовые методы. Резонансный метод основан на известных зависимостях между такими параметрами LC-контура, как индуктивность L, емкость С, резонансная частота F₀, сопротивление потерь R и добротность Q. [1].

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения параметров катушек индуктивности при помощи измерителя добротности [2], включающий в себя установку катушки индуктивности в измерительную цепь с образованием LC-контура, подачу на вход измерительной цепи высокочастотного сигнала от генератора, настройку LC-контура в резонанс с частотой сигнала, измерение уровня сигнала на выходе измерительной цепи и проведение расчетов измеряемых параметров катушки индуктивности.

Существенный недостаток прототипа заключается в том, что известный способ измерения параметров катушек индуктивности не обеспечивает возможности измерения параметров катушек индуктивности в составе LC-фильтра и проведение во время настройки LC-фильтра экспресс-анализа установленных на нем L и С элементов.

Задача изобретения - обеспечение возможности измерения параметров катушек индуктивности в составе LC-фильтра и проведение во время настройки LC-фильтра экспресс-анализа установленных в его продольных плечах L и С элементов.

Указанная задача решается тем, что в способе измерения параметров катушки индуктивности, включающем в себя установку катушки индуктивности в измерительную цепь с образованием LC-контура, подачу на вход измерительной цепи высокочастотного сигнала от генератора, настройку LC-контура в резонанс с частотой сигнала, измерение уровня сигнала на выходе измерительной цепи и проведение расчетов измеряемых параметров катушки индуктивности, в качестве измерительной цепи используют LC-фильтр, а катушку индуктивности измеряют преимущественно в составе LC-фильтра уже установленной в одно из его продольных плеч и образующей вместе с емкостью этого плеча параллельный LC-контур, при этом LC-фильтр при помощи соединительных кабелей подключают к двум портам анализатора цепей, первый из которых представляет собой генератор высокочастотных сигналов, с внутренним сопротивлением R_Г, а второй порт является приемником сигнала и включает в себя сопротивление нагрузки R_Н, равное R_Г, при этом измерения параметров катушки индуктивности проводят в линейном режиме измерений комплексных коэффициентов передачи относительно номинального уровня напряжения U₀ на сопротивлении R_Н и вначале, по минимальному уровню напряжения на сопротивлении R_Н, определяют резонансную частоту F₀ LC-контура в составе LC-фильтра, после чего параллельно катушке индуктивности подключают конденсатор с емкостью С₁, при которой новая резонансная частота F₁ LC-контура находится в пределах полосы пропускания LC-фильтра, и определяют минимальный уровень напряжения U_Н на сопротивлении R_Н, затем, не изменяя частоту F₁ генератора, параллельно катушке индуктивности подключают сопротивление R₁ и определяют новый минимальный уровень напряжения U_Н1 на сопротивлении R_Н, после чего проводят расчет емкости LC-контура, индуктивности, сопротивления потерь и добротности катушки индуктивности по формулам:

при этом иногда вначале параллельно катушке индуктивности подключают дополнительный конденсатор с емкостью С₀₁ и определяют резонансную частоту F₀ LC-контура в составе LC-фильтра по минимальному уровню напряжения на сопротивлении R_Н, а затем уже параллельно катушке индуктивности подключают конденсатор с емкостью С₁, при которой новая резонансная частота F₁ LC-контура находится в пределах полосы пропускания LC-фильтра, причем во время проведения расчетов измеряемых параметров катушки индуктивности емкость С₀₁ входит в состав емкости С₀, причем, когда измеряемую катушку индуктивности подключают непосредственно к первому и второму портам анализатора цепей при помощи соединительных кабелей, то во время проведения расчетов измеряемых параметров катушки индуктивности измеряемая емкость С₀ представляет собой собственную емкость катушки индуктивности.

На фиг. 1 изображены соединенные между собой анализатор цепей и LC-фильтр с установленной в одном из его продольных плеч измеряемой катушкой индуктивности L, к которой подключены С₀, C₁, R₀ и R₁. При этом С₀ представляет собой сумму емкостей: емкости LC-фильтра в данном продольном плече, емкости монтажа и собственной емкости катушки индуктивности. С₁ - емкость конденсатора, подключаемого в процессе измерений к катушке индуктивности для перестройки LC-контура с частоты F₀ на частоту F₁ в полосе пропускания LC-фильтра. Пунктирной линией изображена емкость С₀₁ конденсатора, подключаемого к катушке индуктивности при малой величине С₀ и при дальнем расположении частоты F₀ в полосе задерживания LC-фильтра для повышения точности ее определения. R₀ - эквивалентное сопротивление потерь катушки индуктивности, для определения величины которого к катушке индуктивности подключается сопротивление R₁.

На фиг. 2 изображены соединенные между собой анализатор цепей и LC-контур с измеряемой катушкой индуктивности L, к которой подключены С₀, С₁ и R₀. При этом С₀ представляет собой собственную емкость катушки индуктивности, а С₁ - емкость конденсатора, подключаемого в процессе измерений к катушке индуктивности для перестройки LC-контура с частоты F₀ на рабочую частоту F₁ катушки индуктивности. R₀ - эквивалентное сопротивление потерь катушки индуктивности.

На фиг. 3-6 показаны электрические схемы LC-контуров, поясняющие вывод формул для расчета параметров катушки индуктивности.

Предлагаемый способ измерения параметров катушек индуктивности осуществляется следующим образом.

Так как предложено в качестве измерительной цепи использовать LC-фильтр, то катушку индуктивности измеряют в составе LC-фильтра уже установленной в одно из его продольных плеч и образующей вместе с емкостью этого плеча параллельный LC-контур, при этом LC-фильтр подключают при помощи соединительных кабелей к двум портам анализатора цепей, первый из которых представляет собой генератор высокочастотных сигналов, с внутренним сопротивлением R_Г, а второй порт является приемником сигнала и включает в себя сопротивление нагрузки R_Н, равное R_Г, причем измерения параметров катушки индуктивности проводят в линейном режиме измерений комплексных коэффициентов передачи относительно номинального уровня напряжения U₀ на сопротивлении R_Н. Вначале определяют резонансную частоту F₀ LC-контура в составе LC-фильтра по минимальному уровню напряжения на сопротивлении R_Н, после чего параллельно катушке индуктивности подключают конденсатор с емкостью С₁, при которой новая резонансная частота F₁ LC-контура находится в пределах полосы пропускания LC-фильтра, и определяют минимальный уровень напряжения U_Н на сопротивлении R_Н, затем, не изменяя частоту F₁ генератора, параллельно катушке индуктивности подключают сопротивление R₁ и определяют новый минимальный уровень напряжения U_Н1 на сопротивлении R_Н, относительно номинального уровня U₀, после чего проводят расчет емкости LC-контура, индуктивности, сопротивления потерь и добротности катушки индуктивности по формулам:

Иногда при малой величине С₀ и при дальнем расположении частоты F₀ в полосе задерживания LC-фильтра для повышения точности ее определения параллельно катушке индуктивности подключают дополнительный конденсатор с емкостью С₀₁ и определяют резонансную частоту F₀ LC-контура в составе LC-фильтра по минимальному уровню напряжения на сопротивлении R_Н, а затем уже параллельно катушке индуктивности подключают конденсатор с емкостью C₁, при которой новая резонансная частота F₁ LC-контура находится в пределах полосы пропускания LC-фильтра, причем во время проведения расчетов измеряемых параметров катушки индуктивности емкость С₀₁ входит в состав емкости С₀, а когда измеряемую катушку индуктивности подключают непосредственно к первому и второму портам анализатора цепей при помощи соединительных кабелей, то во время проведения расчетов измеряемых параметров катушки индуктивности измеряемая емкость С₀ представляет собой собственную емкость катушки индуктивности.

Формулы для расчета параметров катушки индуктивности были получены следующим образом.

На фиг. 3 представлена схема LC-контура, состоящего из двух элементов: индуктивности L и емкости С₀.

Чтобы перестроить LC-контур на рабочую частоту катушки индуктивности к этим двум элементам добавим емкость С₁, как показано на фиг. 4. Выражения для резонансных частот этих LC-контуров имеют следующий вид:

Разделим обе части равенства (1) на соответствующие части равенства (2) и получим формулу для начального значения емкости LC-контура:

Из (2) можно получить выражение для индуктивности:

На фиг. 5 изображен LC-контур с сопротивлением потерь R₀, включенный между генератором с внутренним сопротивлением R_Г и сопротивлением нагрузки R_Н. На резонансной частоте F₁ LC-контура выражения для тока, для напряжения U₀ на сопротивлении R_Н при отсутствии потерь и для напряжения U_Н при наличии потерь имеют следующий вид:

где R_Г=R_Н, Е - ЭДС.

Разделим обе части равенства (6) на соответствующие части равенства (7) и получим выражение для сопротивления потерь катушки индуктивности в составе LC-контура:

Для определения сопротивления потерь R₀ в случае одного LC-контура выражения (8) вполне достаточно. Но когда измеряемая катушка индуктивности установлена в LC-фильтр, у которого имеются поперечные плечи, уменьшающие величину U_Н, то для исключения этого влияния введем дополнительное сопротивление R₁, как показано на фиг. 6.

По аналогии с (8) для параллельного соединения R₀ и R₁ и с учетом нового значения U_Н1, запишем:

Разделим обе части равенства (8) на соответствующие части равенства (9) и получим выражение для сопротивления потерь катушки индуктивности в составе LC-фильтра:

В результате, добротность катушки индуктивности рассчитывается следующим образом:

Заявленный способ измерения параметров катушек индуктивности по сравнению с известными методами и по сравнению с прототипом обеспечивает возможность измерения параметров катушек индуктивности в составе LC-фильтра и проведение во время настройки LC-фильтра экспресс-анализа установленных в продольных плечах L и С элементов. При этом обеспечивается высокая точность получения заданной величины индуктивности, так как обычно имеется возможность изменить межвитковые зазоры у катушек индуктивности, то есть осуществить подстройку индуктивности. В итоге, экспериментальные характеристики настроенного LC-фильтра достаточно близки к расчетным.

Высокой эффективности проводимых работ по настройке LC-фильтров с одновременным измерением параметров катушек индуктивности, а также емкостей в продольных плечах LC-фильтров способствует применение такого анализатора цепей как «Измеритель комплексных коэффициентов передачи и отражения «Обзор TR1300/1» [3]. ИККПО «Обзор TR1300/1» состоит из измерительного блока и внешнего управляющего компьютера. Порт 1 измерительного блока является источником испытательного сигнала, который, пройдя через исследуемый LC-фильтр, поступает на порт 2, являющийся приемником сигнала (см. фиг. 1). Формулы для расчета параметров катушки индуктивности в предлагаемом способе измерений этих параметров реализованы в виде соответствующей программы управляющего компьютера, опробованной при настройке LC-фильтров различного типа и назначения.

Источники информации

1. Дворяшин Б.В., Кузнецов Л.И. Радиотехнические измерения. Учебное пособие для вузов. М., Сов. Радио, 1978, с. 274-282.

2. Дворяшин Б.В., Кузнецов Л.И. Радиотехнические измерения. Учебное пособие для вузов. М., Сов. Радио, 1978, с. 284-289, рис. 12.8.

3. Измеритель комплексных коэффициентов передачи и отражения «Обзор TR1300/1». Руководство по эксплуатации РЭ 6687-083-21477812-2010.