R&S®HM8118: Misura di condensatori e induttori

Attività da eseguire

Le resistenze, i condensatori e gli induttori sono i componenti di base dei circuiti elettrici. Bisogna assicurarsi che funzionino correttamente e accuratamente. Pertanto, devono essere caratterizzati accuratamente durante la progettazione del circuito. Questa operazione si effettua di solito con i misuratori LCR, che sono diventati strumenti indispensabili in laboratorio e in produzione. Questa scheda applicativa mostra come eseguire misure di base su condensatori e induttori in modo accurato e affidabile.

Soluzione Rohde & Schwarz

Fondamenti di misura

Il ponte LCR R&S®HM8118 non è un tipico strumento basato sul ponte di Wien, Maxwell o Thomson. A differenza di altri ponti LCR, utilizza un segnale di stimolo in alternata per misurare l’impedenza Z e l’angolo di fase Φ.

Quando si eseguono le misure, si deve tener conto del fatto che le proprietà dei componenti elettrici (ad esempio i condensatori) variano in funzione di alcuni parametri, in particolare la frequenza. Altri fattori che influenzano il comportamento dei componenti sono l’invecchiamento, la temperatura, la polarizzazione aggiuntiva e lo stress elettrico.

Il circuito equivalente di ogni dispositivo in prova contiene elementi induttivi, ohmici e capacitivi. Per esempio, un condensatore avrà elementi induttivi e ohmici parassiti, e un induttore avrà elementi ohmici e capacitivi parassiti. Ciò significa che un angolo di fase ideale Φ (90° = puramente induttivo, 0° = puramente ohmico, -90° = puramente capacitivo) non sarà mai raggiunto. Gli elementi parassiti portano all’auto-risonanza a una certa frequenza per ognuna delle tipologie di componenti.

È anche importante notare che, a causa degli elementi parassiti, ogni misura sarà sempre affetta da una certa imprecisione, generando un errore di misura sistematico.

Sistema di misura

Tenere sempre presente che l'attrezzatura di prova può influenzare significativamente la misura. Per esempio, con condensatori nel campo dei picofarad, la posizione dei morsetti ha una notevole influenza sul risultato della misura. Ciò può essere facilmente dimostrato con il seguente esperimento utilizzando i morsetti Kelvin standard forniti con lo strumento:

• In primo luogo, premere [RECALL] [9] per impostare lo strumento ai valori predefiniti di fabbrica ed eseguire una calibrazione SHORT mettendo in corto i morsetti e premendo il pulsante [SHORT]
• In secondo luogo, posizionare i morsetti ad almeno 20 cm l’uno dall’altro e premere [OPEN] per eseguire una calibrazione APERTA. Ora passate alla modalità C-D e tenere i morsetti in modo che le loro punte non si tocchino per poco e osservate il risultato della misura. Mostrerà circa 3 pF, anche se non sono stati collegati componenti aggiuntivi e sono state cambiate solo le posizioni dei morsetti.

L’esperimento dimostra che è molto importante scegliere la giusta attrezzatura di prova per la propria applicazione. L'attrezzatura di prova R&S®HZ181 a 4 terminali è una buona scelta per i componenti cablati ed evita i problemi di distanza.

Calibrazione della struttura di prova

Per ottenere prestazioni e accuratezza ottimali, si consiglia di calibrare lo strumento su tutte le frequenze disponibili (da 20 Hz a 200 kHz in 69 passaggi) quando si misurano dispositivi sconosciuti. Dopo aver scelto la struttura di prova e aver lasciato riscaldare lo strumento per almeno 30 minuti, attuare questi passaggi per eseguire la calibrazione:

• Premere [RECALL] [9] per impostare lo strumento ai valori predefiniti di fabbrica. Per calibrare su tutte le frequenze, premere [SELECT] [3], passare su (Mode) usando la manopola e premere quest'ultima. Ora passare da "SGL" ad "All", premere di nuovo la manopola e uscire dal menu premendo [ESC]
• Ora è possibile eseguire una calibrazione BREVE mettendo prima in corto i morsetti e premendo [SHORT]. La calibrazione BREVE durerà meno di 2 minuti
• Poi aprire i morsetti (se si usano i morsetti Kelvin, assicurarsi che questi siano all’incirca nella stessa posizione delle misure previste) e premere [OPEN] per eseguire una calibrazione APERTA. L'operazione richiederà meno di 2 minuti

Misura di un induttore sconosciuto

Nota: gli induttori che contengono materiale del nucleo ferromagnetico sono solitamente specificati per una determinata banda di frequenza. Se un induttore viene provato con una frequenza di misura al di fuori di questa banda, i risultati possono differire dalla specifica dell’induttore. Questo fatto va controllato precedentemente. Per prima cosa, accendere l’indicatore del livello del segnale di prova:

• Premere [SELECT] [2]
• Passare a (Vm/Im) utilizzando la manopola
• Cambiare il valore in "ON" e premere nuovamente la manopola
• Uscire dal menu utilizzando [ESC]

Ora collegare l’induttore sconosciuto alla struttura di prova e passare alla misura di Z/Φ premendo [Z - Φ]. L’angolo di fase dovrebbe essere positivo.

Ora cercare la migliore frequenza di acquisizione:

• Premere [FREQ]
• Utilizzare la manopola per cambiare la frequenza mantenendo Φ il più vicino possibile a 90°
• Premere [L - R]

L’induttanza è ora visualizzata insieme alla resistenza in serie. Assicurarsi che la tensione non scenda troppo (fino al 35% della tensione nominale è accettabile, in questo caso la tensione nominale è 1 V; vedere la sezione "LEV" in alto a sinistra del display).

Misura di un condensatore sconosciuto

Nota: i condensatori in oro non possono essere misurati con lo strumento R&S®HM8118 perché il materiale è troppo inerte.

Accendere l’indicatore del livello del segnale di prova e collegare il condensatore sconosciuto alla struttura di prova.

Passare alla misura Z/Φ premendo [Z - Φ] (l’angolo di fase dovrebbe essere negativo). Ora cercare la migliore frequenza di acquisizione:

• Premere [FREQ]
• Utilizzare la manopola per cambiare la frequenza mantenendo Φ il più vicino possibile a -90°
• Premere [C - D]

La capacità è ora visualizzata insieme alla resistenza in serie.

Assicurarsi che la tensione non scenda troppo (fino al 35% della tensione nominale è accettabile, in questo caso la tensione nominale è 1 V; vedere la sezione "LEV" in alto a sinistra del display).

Ulteriori informazioni

Se la tensione scende al di sotto del 35% del valore nominale, attivare la modalità a tensione costante. La calibrazione fatta prima rimane valida quando si passa a questa modalità.

Se la modalità a tensione costante è attiva (ON), la resistenza sorgente è preimpostata a 25 Ω. La tensione applicata al componente in prova sarà quasi costante per tutti i componenti con impedenza sostanzialmente superiore a 25 Ω. Ciò può migliorare i risultati soprattutto per valori di induttanza più bassi. È importante notare che l’accuratezza è ridotta di un fattore 2 quando si lavora in questa modalità.

È anche possibile determinare le caratteristiche del dispositivo in prova utilizzando la frequenza di lavoro prevista senza sintonizzazione. Con questo approccio, è possibile eseguire la calibrazione solo per questa frequenza, utilizzando la modalità "SGL" (menu del dispositivo "CORR" - "MODE: SGL").

Riferimenti

• R&S®HM8118 - Manuale d’uso
• FAQ R&S “Come avviare il proprio HM8118 utilizzando una calibrazione specifica”
• FAQ R&S “HM8118 - Risultati di misura diversi per la stessa bobina”
• FAQ R&S “Utilizzo della polarizzazione esterna (BIAS) con HM8118”