หลักการพื้นฐานของ LCR Meter

หลักการพื้นฐานของ LCR Meter

Link : LCR meter

LCR Meter เป็นเครื่องมือสำหรับวัดค่าความเหนี่ยวนำไฟฟ้า (Inductance), ค่าความจุไฟฟ้า (Capacitane) และค่าความต้านทานไฟฟ้า (Resistance) ของตัวอุปกรณ์พาสซีฟที่ใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์

มิเตอร์วัดค่า LCR มีหลากหลายแบบ ตั้งแต่แบบง่ายๆ ที่ใช้การวัดค่าอิมพีแดนซ์แล้วแปลงเป็นค่าความเหนี่ยวนำหรือความจุไฟฟ้า ส่วนแบบที่ซับซ้อนขึ้นจะใช้การวัดค่าความเหนี่ยวนำหรือค่าความจุได้โดยตรง และยังสามารถวัดค่าความต้านทานอนุกรมแฝง และค่า Q แฟกเตอร์ ของอุปกรณ์เหนี่ยวนำได้ ทำให้ทราบได้ถึงสมรรถนะหรือคุณภาพโดยรวมของตัวอุปกรณ์ได้

โดยการจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับให้แก่อุปกรณ์ที่กำลังทดสอบ เครื่องวัด LCR จะทำการวัดค่าแรงดันและกระแสที่ไหลผ่าน ค่าอิมพีแดนซ์ของวงจรจะคำนวณได้จากอัตราส่วนของปริมาณทั้งสองนั้น

เครื่องวัด LCR แบบดิจิตอล ใช้หลักการวัดอิมพีแดนซ์ของอุปกรณ์ที่กำลังทดสอบ โดยการวัดแรงดัน (V) ตกคร่อม, กระแส (I) ที่ไหลผ่าน และมุมเฟสที่แตกต่างระหว่างแรงดันและกระแส ซึ่งจะได้ค่าพารามิเตอร์อิมพีแดนซ์ทั้งหมดจากค่าทั้ง 3 แฟกเตอร์นี้

ดังนั้น เครื่องวัด LCR จึงสามารถวัดพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องของวงจรได้ดังต่อไปนี้

อุปกรณ์ LCR แบบต่างๆ   

• ค่าความเหนี่ยวนำไฟฟ้า (inductance)

• ค่าความจุไฟฟ้า (capacitance)

• ค่าความต้านทานไฟฟ้า (resistance)

• ค่าแฟกเตอร์ความสูญเสีย (dissipation factor)

• ค่าแฟกเตอร์คุณภาพ (quality factor)

• ค่ากระแสไฟฟ้า (current)

• ค่าแรงดันไฟฟ้า (voltage)

• ค่าความต่างเฟสของกระแสและแรงดัน (phase angle between the current and voltage)

• ค่าความนำไฟฟ้า (conductance)

• ค่าจินตภาพของค่าผกผันอิมพีแดนซ์ (susceptance)

อิมพีแดนซ์คืออะไร

อิมพีแดนซ์คือการต้านทานต่อการไหลของกระแสไฟฟ้าในวงจรทั้งไฟฟ้ากระแสตรงและกระแสสลับ ซึ่งเป็นผลรวมทางเวกเตอร์ของปริมาณสเกลล่าร์ 2 ตัว คือ ค่าความต้านทาน และค่ารีแอกแตนซ์ โดยค่ารีแอคแตนซ์นั้นเป็นความต้านทานต่อไฟฟ้ากระแสสลับที่เกิดจากค่าความเหนี่ยวนำและค่าความจุไฟฟ้าของอุปกรณ์

ชนิดของเครื่องวัด LCR

1.เครื่องวัดแบบมือถือ มีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา ถือได้ด้วยมือเดียว สะดวกในการพกพา เลือกความถี่ทดสอบได้หลายค่า สามารถส่งข้อมูลการวัดไปยังคอมพิวเตอร์ผ่านพอร์ต USB นิยมใช้ในงานภาคสนาม มีความแม่นยำ 0.2% ถึง 0.1% ความถี่ทดสอบมีตั้งแต่ 100 Hz, 120 Hz, 1 kHz, 10 kHz, และ 100 kHz

2.เครื่องวัดแบบตั้งโต๊ะ มีขนาดที่ใหญ่ ทำงานโดยโปรแกรมความถี่ได้ความแม่นยำ 0.01% ควบคุมการทำงานผ่านคอมพิวเตอร์ได้ ความถี่ทดสอบสูงกว่า 100kHz

ศัพท์บางคำที่ควรรู้

• ความถี่ทดสอบ (Test Frequency) เครื่องวัด LCR ทำงานในช่วงความถี่ตั้งแต่ 10Hz ถึง 2MHz อุปกรณ์ที่ถูกวัดนั้นจะถูกใช้งานที่ความถี่ของมันเอง ดังนั้น เครื่องวัดจึงจำเป็นต้องเลือกความถี่ให้เหมาะกับอุปกรณ์ที่ถูกวัด

• แรงดันทดสอบ (Test Voltage) แรงดัน AC ที่ใช้ในการทดสอบก็เช่นกัน จำเป็นต้องเลือกให้เหมาะกับอุปกรณ์ที่ถูกทดสอบ

• ความแม่นยำ (Accuracy) ถ้าต้องการความแม่นยำที่สูง เวลาที่เครื่องวัดใช้ในการวัดค่าจะนานขึ้น และความแม่นยำจะลดลงเมื่อใช้เวลาวัดที่สั้น เครื่องวัด LCR โดยทั่วไปจะมีความเร็วการวัดให้เลือก 3 ระดับ คือ ช้า ปานกลาง และเร็ว ซึ่งเราต้องพิจารณาเลือกเอาเองระหว่างความเร็วกับความแม่นยำในแต่ละการวัด

ทฤษฎีพื้นฐานที่ใช้ในเครื่องวัด LCR

การวัดค่า LCR ทำได้หลายวิธี ที่ใช้กันโดยทั่วไปคือ

-ใช้วงจรบริดจ์ (Bridge Method)

วิธีนี้เป็นการใช้วงจรบริดจ์ที่สมดุล หรือวงจร Wheatstone Bridge ใช้กับการวัดอุปกรณ์ใช้งานที่ความถี่ต่ำกว่า 100KHz เมื่ออุปกรณ์ที่ถูกทดสอบ ZD ต่ออยู่ในวงจรบริดจ์ โดยที่รู้ค่าอิมพีแดนซ์ ZB, ZC ที่แน่นอน เมื่อปรับอิมพีแดนซ์ของ ZA จนไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ZD ก็จะได้ค่าของอิมพีแดนซ์ ZD จากสมการ

ZD/ZA = ZC/ZB

หรือ ZD = (ZC/ZB)ZA

การวัดด้วยวงจรบริดจ์ง่ายๆ แบบนี้ มีใช้ในเครื่องวัด LCR ยุคแรกๆ ที่ต้องทำการปรับสมดุลวงจรด้วยตัวเอง ที่ทันสมัยขึ้นก็จะมีวงจรขยายสัญญาณและวงจรปรับสมดุลอัตโนมัติ

วงจร Wheatstone Bridge

-ใช้การวัดแรงดันและกระแส (Current-Voltage Technique)

วิธีนี้ใช้กับการวัดอุปกรณ์ที่ใช้ในงานความถี่สูง ให้ความแม่นยำสูง มีช่วงวัดที่กว้าง รู้จักกันในชื่อ RF I-V Measurement Method โดยการวัดกระแสและแรงดัน และความต่างเฟส เพื่อหาค่าอิมพีแดนซ์ของวงจร ซึ่งมีการจัดวงจรได้ 2 รูปแบบ สำหรับการวัดค่าอิมพีแดนซ์ต่ำ และสำหรับการวัดค่าอิมพีแดนซ์สูง

ค่ากระแส แรงดัน และความต่างเฟส จะถูกนำมาคำนวณหาค่าอิมพีแดนซ์ของอุปกรณ์ที่ถูกวัด โดยจะแสดงค่าความเหนี่ยวนำ ค่าความจุ และค่าความต้านทาน แยกออกมาพร้อมกันในทีเดียว

ในเครื่องวัดบางรุ่นอาจมีหม้อแปลไฟฟ้าเพื่อทำการไอโซเลตวงจรที่วัดออกจากกราวด์ แต่จะมีผลให้ใช้งานได้ที่ความถี่ต่ำลง

วงจรวัดค่าอิมพีแดนซ์ต่ำ

วงจรวัดค่าอิมพีแดนซ์สูง

เทคนิคการใช้งานเครื่องวัด LCR

ในการใช้เครื่องวัดให้มีประสิทธิภาพ มีข้อแนะนำดังนี้

* วัดค่าที่ความถี่ใช้งาน โดยเลือกความถี่ทดสอบที่ใกล้เคียงความถี่ที่อุปกรณ์นั้นใช้งานให้มากที่สุด ซึ่งจะช่วยลดผลของ stray effects หรือค่าที่เปลี่ยนแปลงตามความถี่

* ปรับความแรงสัญญาณทดสอบ เช่นเดียวกับการเลือกความถี่ให้ใกล้เคียงความถี่ใช้งานมากที่สุด ระดับสัญญาณทดสอบก็เช่นกัน เนื่องจากค่าของอุปกรณ์อาจเปลี่ยนแปลงตามความแรงสัญญาณที่จ่าย โดยเฉพาะตัวเหนี่ยวนำที่มีแกน เช่น เฟอร์ไรต์ จะมีการสูญเสียที่แกน ค่าจะแปรตามแอมปลิจูดสัญญาณ

* ผลจากความยาวของขาอุปกรณ์ ที่ความถี่สูงกว่า 1 MHz ความยาวของขาอุปกรณ์จะมีผลกระทบ โดยมีค่าความเหนี่ยวนำประมาณ 10nH ต่อเซนติเมตร

* คายประจุก่อนวัดค่า ตัวเก็บประจุบางตัวอาจยังมีประจุไฟฟ้าค้างอยู่ จึงควรทำการคายประจุตัวเก็บประจุก่อนการวัดค่าทุกครั้ง

 
Link สินค้าที่เกี่ยวข้อง : LCR meter แอลซีอาร์มิเตอร์

ขอขอบคุณที่มา :http://electronics.se-ed.com  เซมิคอนดักเตอร์ อิเล็กทรอนิกส์ พลัส 421 พฤศจิกายน 2558