Enkele metingen aan componenten voor een wisselfilter
Metingen aan enkele condensatoren
Hoe zijn de berekeningen gemaakt
Nee, dit is geen verhaal
over het ontwerpen van een wisselfilter, noch over het meten aan zulke filters. Het is dat ik betrokken raakte in
een discussie over filtercomponenten waar met grote letters "Audio" of
zoiets op
gestempeld staat en waaraan de fabrikant en/of de wederverkoper allerlei
gehoormatige claims toevoegen. In die discussie werd ik gewezen op metingen die
een zekere H. ooit eens aan een handvol filtercomponenten gedaan heeft, en
waaraan ik niet goed kon zien hoe die metingen precies gedaan waren en hoe er
geverifieerd was dat er geen onbewuste meetfouten gemaakt waren.
Misschien met een vredelievende gedachte in het hoofd (het was 1e kerstdag) heb
ik enkele van die metingen herhaald, ik heb toevallig net zo'n soort analyser in
huis als meneer H. gebruikte, meer om de meettechnische lastigheden te evalueren
dan om uitspraken over die componenten te doen.
Je maakt nl. heel gemakkelijk meetfouten, zeker als het om metingen over een zeer groot dynamisch bereik gaat. Een paar referentie metingen waarbij je erg goed kunt voorspellen wat er uit moet komen helpen dan heel veel.
Conclusies:
Wat je met deze methode meet zijn de effectieve serieweerstand en zelfinductie van een condensator, c.q. de weerstand van een spoel en een bovengrens voor de parasitaire capaciteit van een spoel.
De serie zelfinductie van de gemeten condensatoren blijkt overeen te komen met die van een stukje draad van dezelfde lengte; de condensator zelf draagt daar nauwelijks aan bij.
De vuistregel dat een enkele rechte draad een zelfinductie van ca. 1 uH per meter vertegenwoordigt wordt hier bevestigd, altans niet tegengesproken.
Het gaat allemaal keurig
volgens het boekje, en ondanks dat er op deze componenten geen "Audio"
gestempeld staat zie je geen gekke dingen.
Een referentie meting met open circuit om het nul- nivo te verifieren
Een referentie meting met een bekende weerstand om de schaalfactoren te verifieren
Een meting aan een polycarbonaat condensator van 10 uF met zo kort mogelijke aansluitdraden
Als 3/ met een 100 x grotere meetweerstand
Als 3/ met 10 cm meer draad van 0.5 mm diameter
Als 3/ met 10 cm meer draad van 2.5 mm2
Een meting aan een 100 uF / 100V aluminium elektrolyt zo kort mogelijk aangsloten
Als 7/, met de grootste draadlengte waarmee de condensator geleverd werd.
Voor de meting aan de spoel heb ik de serie weerstand vergroot naar 10 kOhm, omdat anders het gedrag bij hoge frequenties niet goed weergegeven werd. Je zou zo'n meting ook kunnen doen met een stroomprobe, maar ik beschik niet over zo'n ding dat ook goed werkt bij lage frequenties .
Een referentie meting met open circuit
Een meting met de onderhavige spoel
Idem, maar met de bronimpedantie 100 Ohm
De parallelschakeling van deze spoel met de condensator van 10 uF
Hoe is er gemeten
Ik heb de beschikking
over een Hewlet-Packard HP3577A Network Analyser. Je kunt daarmee elektrische
netwerken (filters, versterkers e.d.) doorfluiten van 5 Hz tot 200 MHz. Het ding
meet de amplitude / fase overdracht, c.q. impedanties in het frequentie domein. Je
kunt er geen intermodulatie vervorming e.d. mee meten.
In wezen is het een sinus-generator die in een sweep-mode door een bepaald
frequentie bereik gaat, en er zijn maar liefst drie ontvangers die de amplitude
en de fase van een signaal kunnen meten, "R", "A" en
"B", ieder met hetzelfde grote dynamische bereik.
Voor deze metingen heb ik de volgende configuratie gebruikt:
Generator: Signaal nivo
ca. -20 dB, omdat er anders bij de nul-metingen oversturing van de ontvangers
optrad. Uitgangs impedantie van de generator is 50 Ohm.
De zwaai door de frequenties gaat logarithmisch van 10 Hz tot 10 Mhz.
Ontvanger "R" meet het output signaal van de generator. (niet getoond op de foto's)
Ontvanger "A" meet de spanning over het te testen component. Ingangs impedantie 1 MegOhm. Schaalverdeling logarithmisch in dB. 10 dB/ hokje.
Voor metingen aan de condensatoren is een serie weerstand R1 van 50 Ohm gebruikt, zodat de totale bronimpedantie 100 Ohm bedroeg. Voor metingen aan zelfinducties is een serie weerstand van 10 kOhm gebruikt.
Om weinig last te hebben van de eigen ruis van de analyser is de meet-bandbreedte op 1 Hz gezet en de sweeptijd op 100 seconden.
Hier het schema van de meetopstelling, en hier een foto.
Let erop dat de meet-ontvanger met zo kort mogelijke draden aangesloten is op het te meten object. Let er ook op dat evt. overgangsweerstanden er niet toe kunnen leiden dat je meetfouten maakt.
Metingen aan enkele condensatoren.
Fig 1.
De referentie meting met de 100 Ohm serie weerstand, zonder component.Dit signaal nivo noem ik 0 dB in het verdere hier. De analyser heeft hier een stippellijn staan.
We zien een geringe vermindering bij 10 MHz. Berekening leert dat dat past bij het totaal van de kabelcapaciteiten en de ingangs capaciteit van de ontvangers.
Fig 2. De referentie meting met de 0.25 Ohm weerstand.
Bij lage frequenties is de verzwakking 52 dB, oftewel 400 keer. Dat klopt, want 100 Ohm naar 0.25 Ohm verzwakt 400 keer.
We zien een stijging boven 100 kHz. Dat is de zelfinductie van de 5 wikkelingen die deze weerstand heeft.
Het kantelpunt zit op 380 kHz. Dat geeft met 0.25 Ohm een zelfinductie van 0.1 uH, en dat past ook wel bij zo'n bij spoeltje.
Fig 3. De condensator van 10 uF, met zo kort mogelijke aansluit draden.
Beneden een paar 100 Hz loopt de curve vlak. Dat komt omdat de bronimpedantie van 100 Ohm te klein is om in dat gebied goed te meten.
10 uF heeft met 100 Ohm een kantelpunt op 160 Hz, en dat zien we hier terug.
Om aan te tonen dat die condensator het echt wel goed doet bij die lage frequenties heb ik de meetweerstand R verhoogd naar 10 kOhm. Zie fig 4.
De dip bij 288 kHz is de resonantie met de serie zelfinductie van de condensator. 10 uF en 288 kHz levert 30 nH op. Dat is de zelfinductie van een kort stukje draad, ongeveer net zo lang als de lengte van de condensator. Om dat aan te tonen heb ik dezelfde meting gedaan met een extra decimeter draad in serie met de condensator. Zie fig 5
Fig 4. Als fig 3, maar met de meetweerstand van 10 kOhm. Het laagfrequente gedrag is nu keurig recht.
Boven 10 kHz zien we onregelmatigheden. Dat is de ruis van de meet-ontvanger.
Het generator signaal (stippellijn) is ongeveer 40 milli volt. 80 dB dB daaronder is 4 uVolt, en dan zit je erg dicht bij de ruisgrens.
Fig 5. De condensator van 10 uF met 10 cm lange aansluitdraad 0.5 mm diameter.
De resonantie frequentie is gezakt naar 149 kHz. Daar hoort 114 nH bij. Het stukje draad dat hier toegevoegd is heeft de zelfinductie dus met maar liefst 80 nH doen toenemen!
Het is duidelijk dat de zelfinductie die we in fig. 4 zagen niet veel anders is dan de zelfinductie van een stukje draad, ongeveer zo lang als de condensator.
Dit past overigens bij de bouwwijze van dit type condensator. Het is een gewikkelde folie, maar van elke pool zijn alle wikkelingen doorverbonden met de aansluitdraad.
Een dergelijke bouwwijze wordt vrij algemeen toegepast bij foliecondensatoren, en garandeert ongeveer de kleinst denkbare zelfinductie.
Fig 6.
Als fig 6, maar nu heeft het extra stukje draad een doorsnede van 2.5 mm2.We zien dat de resonantie frequentie niet echt veranderd is, maar de dip is ongeveer 4 dB dieper.
Weer even rekenen: De dip van fig. 6 zit ongeveer 74 dB beneden de stippellijn. Dat wijst op een serieweerstand van 20 mOhm
Bij fig. 7 ongeveer 78 dB onder de stippellijn, Dat wijst op 12.5 mOhm.
Kijken we in de draadtabel dan zien voor draad met 0.5 mm diameter een weerstand van 8.90 Ohm per 100 meter. 1 dm heeft dus ongeveer 9 milliOhm. Dit past prima bij wat we hier zien.
Overigens, ook de dip in fig 4 (dus met de kortst mogelijke aansluitdraden) zit 78 dB onder de stippellijn.
Fig 7. De condensator van 100 uF zo kort mogelijk aangesloten.
De resonantie frequentie wijst hier op een serie zelfinductie van 37 nH, niet eens veel anders dan die van de 10 uF condensator, en vrijwel geheel te verklaren uit de lengte van de condensator.
De dip is minder nadrukkelijk op 70 dB onder de stippellijn, hetgeen wijst op 32 mOhm serieweerstand.
Fig 8. De condensator van 100 uF met z'n eigen langere aansluit draden,
zo'n 7 cm meer.
De resonantie frequentie verraadt nu 75 mH. Dit past ook weer bij wat we
hierboven gezien hebben.
Hieronder heb ik aan een zelfinductie van 1 mH / 0.74 Ohm gemeten.
(Die 0.74 Ohm is met een ander instrument gemeten)
Fig 9. Referentie meting met de 10 kOhm weerstand verraadt de ingangs capaciteit van de analyzer
Ik moet hier een veel grotere weerstand gebruiken om de resonantie te zien.
We zien hier een hoog-afval bij 928 kHz. Dat wijst op een capaciteit van 17 pF. Het handboek geeft "ongeveer 30 pF" op, dus er klopt iets niet helemaal, een meting als deze zou nauwkeuriger moeten zijn.
Fig 10. De zelfinductie van 1 mH (staat er op) De
resonantie frequentie verraadt een capaciteit van 27 pF, hetgeen beter
klopt met het handboek van de analyser.
Die 27 pF is dus vooral een capaciteit in de meetopstelling, en niet iets van de
spoel.
Die rommel beneden 1 kHz is ruis van het meetapparaat. Hieronder is die meting nog een keer gedaan met de 100 Ohm weerstand zodat het signaalnivo 100 x hoger ligt (40 dB)
Fig 11. Zelfinductie 1 mH/740 mOhm, met bronweerstand 100 Ohm.
Beneden 100 Hz loopt het bijna vlak, daar is de werstand van de spoel bepalend. Even controleren: We zitten daar 42 dB onder de stippellijn. Daaruit volgt een weerstand van 0.794 Ohm, goed in lijn met wat er met het andere instrument gemeten is.
De resonantie met de ingangs capaciteit is hier niet meer te zien, omdat de kring nu met 100 Ohm gedempt is.
Fig 12. Als laatste de parallel schakeling van de spoel en de condensator van 10 uF.We krijgen dan een resonantie piek.
Berekenen van de resonantie frequentie levert 1.59 kHz op. Dat klopt niet echt goed met de 1.78 kHz die de analyser aangeeft.
Een meting met een ander apparaat waarbij ik niet aan de frequentie nauwkeurigheid twijfel geeft 1.665 kHz aan. De waarheid ligt kennelijk weer eens in het midden.
De dip bij ongeveer 300 kHz is weer de serie resonantie van de condensator, of beter gezegd de lengte van de geleider die de condensator vormt.
Hoe zijn de berekeningen gemaakt
Vul de waardes in in Farad voor de condensator C, in Henry voor de zelfinductie L en in Hz voor de frequentie F.
Pi is 3.14.
Als de C en de resonantie frequentie bekend zijn bereken je de zelfinductie zo:
Als de L en de resonantie frequentie bekend zijn bereken je de capaciteit zo:
Als de L en de C bekend zijn bereken je de resonantie frequentie zo:
Om dB's om te rekenen in een spannings verhouding ga je als volgt te werk:
Deel het aantal dB's door 20, en verhef 10 tot die macht. Dus:
VoltageRatio = 10 (dB/20)
Fig 13. Schematische doorsnede van zo'n condensator.
Rood/groen de beide polen; Blauw het diëlectricum.
Ofschoon de folies opgerold zijn doet dat wikkelen niet mee voor de seriezelfinductie.
Fig 14. De componenten die bij deze metingen gebruikt zijn.
Let ook op de stukjes draad waardoor de zelfinductie flink toenam.
Fig 15. De HP3577A analyser.
De aansluitingen zijn v.l.n.r. Generator, en dan de onvangers R, A en B.
Fig 16. Detail van de aansluiting.
