Ihr Leitfaden für LCR-Messgeräte

LCR-Messgeräte messen Induktivität (L), Kapazität (C) und Widerstand (R) – daher der Name. LCR-Messgeräte können leistungsstarke Werkzeuge zur Unterstützung der Entwicklung elektronischer Schaltungen sein. Um jedoch das Beste aus Ihrem Messgerät herauszuholen, müssen Sie genau verstehen, wie sie funktionieren und welche Vorteile sie für den Entwicklungsprozess bringen.

In diesem Artikel werden wir uns ansehen, wie LCR-Messgeräte funktionieren, wie Sie das beste Messgerät für Ihre Bedürfnisse auswählen und welche Vorteile sie Ihnen bieten können, während Sie Ihre elektronischen Geräte entwerfen und testen.

Was ist ein LCR-Messgerät

Auf grundlegender Ebene sind dies leistungsstarke Instrumente zur Messung der Induktivität, Kapazität und des Widerstands eines Schaltkreises mit Präzision und Geschwindigkeit. Sie erreichen diese Funktion, indem sie den Stromfluss durch die Komponente oder den Schaltkreis, den Sie testen, die Spannung darüber und den Phasenwinkel zwischen den beiden Messungen messen. Das Messgerät berechnet dann die Impedanzwerte aus diesen drei Messungen. Ihre Anwendung geht jedoch über einfache Messungen hinaus, um die Präzisionsbewertung und -validierung von Komponenten zur Optimierung Ihres Designs zu unterstützen.

Ein gutes LCR-Messgerät kann Induktivität, Kapazität und Widerstand zusammen mit komplexeren Parametern messen, einschließlich Phasenwinkel, Verlustfaktor, Reaktanz und Leitfähigkeit. Diese Messungen sind entscheidend für die Charakterisierung der realen Impedanz, Präzision und Leistung von Komponenten, wenn sie in Ihr Schaltungsdesign integriert werden.

LCR-Messgeräte gehen über die Fähigkeiten typischer digitaler Multimeter hinaus, indem sie genauere und präzisere Messungen über breitere Frequenzbereiche liefern. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass diese höhere Frequenzleistung es Ihnen ermöglicht, Komponenten in situ auf einer Leiterplatte bei ihren vorgesehenen Betriebsfrequenzen zu testen, um ihre Leistung unter realen Bedingungen zu validieren. In dieser Anwendung unterstützt das LCR-Messgerät die Testphase iterativer Entwicklungsprozesse zur Optimierung der Geräteleistung.

Es ist jedoch wichtig zu erkennen, dass LCR-Messgeräte in verschiedenen Formfaktoren und Preispunkten erhältlich sind. Daher erfordert die Auswahl des geeigneten Messgeräts für Ihre Anwendung das Verständnis der Vor- und Nachteile jedes Typs.

LCR-Messgerät Optionen

Leistung

Die Leistung kann sich erheblich zwischen den verschiedenen verfügbaren LCR-Messgeräten unterscheiden. Die Schlüsselmerkmale, auf die Sie achten sollten, sind die Testspannung, der Frequenzbereich und die Reaktionszeit.

Die Testspannung des vom Messgerät erzeugten Signals sollte idealerweise einstellbar sein, um der tatsächlichen Spannung, bei der Ihre zu testende Schaltung im normalen Betrieb arbeitet, zu entsprechen und repräsentative Ergebnisse zu liefern. Die Genauigkeit und Stabilität der Testspannung variiert zwischen den verschiedenen Messgerätoptionen.

Der Frequenzbereich ist der minimale bis maximale Testsignal-Frequenzbereich, in dem das Messgerät arbeiten kann. Idealerweise sollte dieser Bereich über den Frequenzbereich Ihrer elektronischen Geräte hinausgehen, um den maximalen Nutzen aus Ihrem Messgerät zu ziehen. Testfrequenzbereich sowie die Genauigkeit und Stabilität des Signals sind die Hauptunterscheidungsmerkmale zwischen kostengünstigeren und teureren Messgerätoptionen.

Die Reaktionszeit ist der Zeitraum, den das Messgerät benötigt, um nach Einleitung der Messung einen stabilen Wert anzuzeigen. Eine verlängerte Reaktionszeit kann das Testen zeitaufwendig machen, wenn Sie zahlreiche Messungen durchführen. Hersteller erreichen jedoch typischerweise schnellere Reaktionszeiten, indem sie die Genauigkeit einschränken, daher ist es entscheidend, diese Anforderungen bei der Auswahl Ihres Messgeräts auszugleichen.

Messoptionen

Während alle LCR-Messgeräte Messungen von Induktivität, Kapazität und Widerstand anbieten, bieten hochwertigere Messgeräte auch zusätzliche Messungen. Diese Optionen umfassen typischerweise Impedanz (Z), Phasenwinkel (θ), Leitwert (G), Suszeptanz (B), Verlustfaktor (D), Gütefaktor (Q) und äquivalenten Serienwiderstand (ESR).

Messungsinitiierung

LCR-Messgeräte sind verfügbar, die Messungen als Reaktion auf ein vom Bediener initiiertes Ereignis durchführen, wie zum Beispiel einen Knopfdruck und automatische Optionen. Letztere umfassen Fernauslösung, typischerweise in computergesteuerten automatischen Testgeräten, oder einen eigenständigen, zyklisch ausgelösten Betrieb.

Anzeigen für Bediener

LCR-Messgeräte verfügen über verschiedene Anzeigetypen, von analogen Zeigern bis zu digitalen Anzeigen. Die Klarheit der Anzeige und die Anzahl der angezeigten Ziffern sind wesentliche Überlegungen bei der Auswahl eines geeigneten Messgeräts. Beachten Sie jedoch, dass digitale Anzeigen, die Messwerte mit einer großen Anzahl von Ziffern rechts vom Dezimalpunkt anzeigen, nicht unbedingt bedeuten, dass die Messung so genau ist, wie die Anzeige impliziert.

Form des Messgeräts

Handgehaltene und tragbare LCR-Messgeräte bieten eine kompakte, in der Regel kostengünstige Lösung, wenn Tragbarkeit ein entscheidendes Auswahlkriterium ist. Diese Messgeräte eignen sich ideal für Feldtests und Wartungsarbeiten, bei denen die höhere Genauigkeit und Frequenzbereiche, die von Tisch-LCR-Messgeräten geboten werden, nicht erforderlich sind.

Manuell betriebene Tisch-LCR-Messgeräte bieten eine höhere Präzision und mehr Messmöglichkeiten als handgehaltene Messgeräte. Sie bieten auch wahrscheinlich eine höhere maximale Testfrequenz.

Warum LCR-Messgeräte nützlich sind

Schauen Sie sich das begleitende Video zu diesem Artikel an, um eine praktische Demonstration der Verwendung eines LCR-Messgeräts zur Messung diskreter Komponenten zu sehen.

Induktivität von Widerständen

Um die Nützlichkeit von LCR-Messgeräten zu demonstrieren, betrachten Sie das Beispiel der Messung des Stromverbrauchs eines Schaltkreises mit einem Stromshunt, der im begleitenden Video vorgestellt wird. Bei niedrigen Frequenzen wird die gemessene Impedanz dieselbe sein wie der spezifizierte Widerstand des Stromshunts. Allerdings wird sich die Impedanz dramatisch ändern, wenn der Schaltkreis bei höheren Frequenzen arbeitet. Zum Beispiel wird bei 200kHz die Impedanz 10% größer sein als der spezifizierte Widerstand. Bei 1MHz wird die Impedanz mehr als doppelt so hoch sein wie der Widerstand.

Diese Änderung der Impedanz mit der Frequenz ist auf die Induktivität des Widerstands zurückzuführen, ein Parameter, der durch die Konstruktionsmethode bestimmt wird, die zur Herstellung der resistiven Komponente verwendet wird. Das Hinzufügen eines Strombias wird ebenfalls die Messung beeinflussen. Das Video zeigt, dass nur 200mA Strom zu einer Impedanz führen, die dreimal so hoch ist wie der Widerstand.

Im Gegensatz dazu zeigt das Video, dass der Strommesswiderstand nur eine Impedanz aufweist, die 10% höher ist als der angegebene Widerstand bei 1MHz, aufgrund der geringeren inhärenten Induktivität der Komponente.

Diese Unterschiede zwischen Widerstand und Impedanz bei verschiedenen Biasströmen und Frequenzen können erhebliche Herausforderungen bei der Messung höherer Frequenzen darstellen. Darüber hinaus verschärft ein Mangel an detaillierten Informationen in den Datenblättern der resistiven Komponenten oft diese Herausforderung. Diese Probleme behindern die Vorhersage der Auswirkungen der Komponenteninduktivität auf die Schaltungsleistung. Die Fähigkeit, die Impedanz bei den erforderlichen Betriebsfrequenzen mit einem LCR-Messgerät zu messen, ermöglicht es Ihnen, die Effekte zu quantifizieren und die beste Komponente für Ihre Anwendung auszuwählen.

Kapazitiver Widerstand

Ein weiteres Beispiel für die Nützlichkeit von LCR-Messgeräten ist die Betrachtung des inhärenten Widerstands verschiedener Kondensatortypen. Das Video zeigt die Messung der Eigenschaften von drei verschiedenen Kondensatortypen, die bei der typischen Gleichrichtungsfrequenz für die AC-DC-Umwandlung in Nordamerika betrieben werden.

Ein Aluminium-Elektrolytkondensator hat einen hohen Serienwiderstand und eine geringere als erwartete Kapazität für seine angegebene Bewertung. Im Gegensatz dazu liefert ein Aluminium-Polymer-Kondensator derselben Bewertung bei derselben Frequenz eine bessere Leistung. Bei höheren Betriebsfrequenzen bietet der Polymerkondensator jedoch einen deutlich geringeren Serienwiderstand als der Polymerkondensator, was die Schaltungsoperationen beeinflusst, und die Nennkapazität nimmt mit steigender Frequenz ab.

Schließlich zeigt die Demonstration, dass ein Tantalkondensator eine bessere Hochfrequenzleistung bietet als die Aluminium-Elektrolyt- und Polymeräquivalente.

Ein LCR-Messgerät richtig verwenden

Das Beste aus Ihrem LCR-Messgerät herauszuholen, erfordert mehr Vorbereitung und Aufmerksamkeit für Details als die Verwendung eines digitalen Multimeters.

Zunächst sollte das Messgerät seine normale Betriebstemperatur erreichen, bevor Messungen durchgeführt werden. Diese Praxis stellt sicher, dass die internen Komponenten stabilisiert sind, was Ihre Messungen so genau wie möglich macht.

Zweitens wird die Genauigkeit der Testvorrichtungen die Messungen direkt beeinflussen, einschließlich Flugleitungen und Verbindern zwischen dem Messgerät und der Komponente oder Schaltung unter Test. Folglich wird das Messgerät eine Kompensation für die parasitäre Kapazität und Induktivität der Testvorrichtungen vornehmen müssen, bevor Messungen durchgeführt werden, um die Genauigkeit der Ergebnisse zu maximieren. Dieser Kompensationsprozess ist wesentlich beim Messen von Hochimpedanzkomponenten oder Tests bei hohen Frequenzen, wo die Effekte die Präzision erheblich beeinflussen können.

Sie sollten Ihre Testfrequenzen sorgfältig auswählen, um zu verhindern, dass das Verhalten der Komponente die Ergebnisse negativ beeinflusst und zu einer falschen Interpretation führt.

Bevor Sie ein LCR-Messgerät verwenden, müssen Sie die Unterschiede zwischen Messparametern wie Widerstand, Impedanz, Kapazität und Induktivität verstehen, damit Sie die richtigen Parameter für Ihre spezielle Anwendung messen.

Verwenden Sie immer das höchstmögliche Testsignalniveau Ihres LCR-Messgeräts, um die beste Messgenauigkeit und Auflösung zu erzielen. Das Niveau muss jedoch innerhalb der Grenzen Ihres Schaltkreises und der Einschränkungen des Testaufbaus liegen. Dieser Rat ist besonders wichtig, wenn Sie mit Hochimpedanzkomponenten arbeiten.

Schließlich verwenden Sie hochwertige Vorrichtungen, Testleitungen und Steckverbinder und überprüfen Sie deren Zustand, bevor Sie sie verwenden. Jegliche Elemente von schlechter Qualität oder beschädigte sowie schmutzige, korrodierte oder lose Verbindungen können Signalrauschen einführen und Messfehler erzeugen, wodurch die Genauigkeit der Messungen reduziert wird.

Fazit

LCR-Messgeräte sind unerlässlich, um die elektrischen Eigenschaften von Komponenten unter Betriebsbedingungen genau zu messen. Die Verwendung eines LCR-Messgeräts zur Bewertung diskreter Komponenten, bevor sie in einen kritischen Schaltkreis eingebaut werden, ermöglicht es Ihnen, sicherzustellen, dass Ihre Platine wie erwartet funktioniert und ermöglicht es Ihnen, ihre Leistung zu optimieren, bevor Sie sich zur Herstellung verpflichten.