【導(dǎo)讀】與所有非理想電氣元器件一樣,部件套件中提供的電感并不完美。圖1為常見的實(shí)際電感簡化模型電路圖。除了所需的電感L之外,實(shí)際元件還會(huì)有損耗(建模為串聯(lián)電阻,在圖中以R表示)和并聯(lián)寄生電容(以C表示)。電阻越小(接近0 Ω),電容越?。ń咏? F),電感就越理想。
目標(biāo)
本實(shí)驗(yàn)室活動(dòng)的目標(biāo)是測量電感的自諧振頻率(SRF),并根據(jù)測量數(shù)據(jù)確定寄生電容。
背景知識
與所有非理想電氣元器件一樣,部件套件中提供的電感并不完美。圖1為常見的實(shí)際電感簡化模型電路圖。除了所需的電感L之外,實(shí)際元件還會(huì)有損耗(建模為串聯(lián)電阻,在圖中以R表示)和并聯(lián)寄生電容(以C表示)。電阻越小(接近0 Ω),電容越?。ń咏? F),電感就越理想。
圖1.3元件LRC電感模型。
繞組間電容與自諧振頻率
C通常表示電感的匝間分布電容(以及匝間與磁芯之間的電容等)。在特定頻率(SRF)下,該匝間電容將與電感L形成并聯(lián)諧振,使電感變?yōu)檎{(diào)諧電路。
3元件LRC模型阻抗與頻率
在低于SRF的頻率下,模型呈電感性。在高于SRF的頻率下,模型呈電容性,在SRF頻率下,模型呈電阻性,因?yàn)楦锌购腿菘沟拇笮∠嗟?,相位相反,因此相互抵消?/p>
在電感的SRF下,滿足以下所有條件:
輸入阻抗處于峰值。
輸入阻抗的相位角為零,從正值(感性)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值(容性)。
由于相位角為零,因此Q也為零。
有效電感為零,因?yàn)樨?fù)容抗(XC = 1/jωC)剛好抵消了正感抗(XL = jωL)。
2端口插入損耗(S21 dB)達(dá)到最大值,對應(yīng)于頻率與S21 dB圖中的最小值。
2端口相位(S21角)為零,從較低頻率下的負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高頻率下的正值。
公式1表示電感模型電路中SRF與電感和電容的關(guān)系。
其中:
L為電感,單位為H
Cp為寄生電容,單位為F
公式1清楚地表明,提高電感或電容會(huì)降低測量的SRF值,而降低電感或電容則會(huì)提高SRF值。
3元件LRC電感模型的實(shí)驗(yàn)室前仿真
圖2為3元件LRC電感模型的仿真測試電路。L、R和CP用于對電感進(jìn)行建模。V1是理想的交流測試電壓源,電阻RS表示V1的源電阻。CL和RL是負(fù)載元件,其中CL設(shè)置為ADALM2000示波器輸入通道的典型輸入電容。RL可以設(shè)置為RS,也可以設(shè)置為更高的值,例如示波器通道的1 MΩ輸入電阻。
圖2.仿真原理圖。
在實(shí)際構(gòu)建電感測試電路之前,您應(yīng)使用圖2所示電路進(jìn)行仿真。
如圖3所示,以1 mH電感L為例,我們進(jìn)行了兩次頻率掃描仿真,頻率范圍為10 kHz至10 MHz,其中CP設(shè)置為15 pF,R設(shè)置為100 mΩ。紅色曲線表示RL設(shè)置為與RS相同的200 Ω。當(dāng)電感阻抗達(dá)到最大值時(shí),RL處測得的幅度在SRF時(shí)急劇下降。藍(lán)色曲線表示RL設(shè)置為示波器輸入的1 MΩ。同樣,當(dāng)阻抗達(dá)到最大值時(shí),我們觀察到急劇下降的零點(diǎn)。我們還看到RL的幅度出現(xiàn)明顯的尖峰,大約在陷波下方一個(gè)倍頻程處。當(dāng)源電阻和負(fù)載電阻不匹配時(shí),就會(huì)出現(xiàn)這種峰值。
圖3.仿真結(jié)果:紅色曲線RL = 200 Ω,藍(lán)色曲線RL = 1 MΩ。
材料
ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊
無焊試驗(yàn)板和跳線套件
一個(gè)1 mH電感
其他不同數(shù)值的電感
兩個(gè)200 Ω電阻(可由兩個(gè)100 Ω電阻串聯(lián)而成)
說明
在無焊試驗(yàn)板上構(gòu)建如圖4所示的電感測試電路。藍(lán)色方塊表示連接ADALM2000 AWG和示波器通道的位置。
圖4.電感測試電路。
硬件設(shè)置
ADALM2000 AWG輸出和示波器通道輸入的連接方式如圖4藍(lán)色框所示。部件套件中應(yīng)包含多個(gè)不同數(shù)值的電感。將電感逐個(gè)插入測試電路。
程序步驟
在Scopy窗口打開網(wǎng)絡(luò)分析儀軟件工具。配置掃描范圍,起始頻率為100 kHz,停止頻率為30 MHz。將幅度設(shè)置為1 V,偏移設(shè)置為0 V,將伯德圖的幅度范圍設(shè)置為–60 dB至+40 dB。將最大相位設(shè)置為+180°,最小相位設(shè)置為–180。在通道選項(xiàng)中,點(diǎn)擊通道1,將其設(shè)為參考通道。將步驟數(shù)設(shè)為100。
對部件套件中的每個(gè)電感運(yùn)行單次掃描。您應(yīng)該會(huì)看到,幅度和相位與頻率的關(guān)系曲線和仿真結(jié)果非常相似。將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到.csv文件,以便采用Excel或MATLAB?進(jìn)行深入分析。
圖5.電感測試電路試驗(yàn)板連接
圖6.Scopy截圖,L = 100 μH,RL = 200 Ω。
圖7.Scopy截圖,L = 100 μH,RL = 1 MΩ。
問題:
使用SRF公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)裝置中使用的電感的匝間寄生電容值。
您可以在學(xué)子專區(qū)論壇上找到問題答案。
附加實(shí)驗(yàn)
若要進(jìn)一步探索這種諧振現(xiàn)象,請將外部39 pF和/或100 pF電容與電感并聯(lián),然后重新測量頻率響應(yīng)。這樣就能獲得更多的諧振頻率數(shù)據(jù),同樣可以使用諧振公式來計(jì)算和確認(rèn)簡化模型中的電感L和CP。
(來源:ADI公司,作者:Antoniu Miclaus,系統(tǒng)應(yīng)用工程師;Doug Mercer,RPI ECSE系的駐校工程師)
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