Przystawka do precyzyjnego pomiaru impedancji

Artykuł jest przeznaczony głównie dla nieco bardziej zaawansowanych elektroników i pokazuje, jak za pomocą niedrogiej komputerowej karty dźwiękowej oraz prostej przystawki precyzyjnie mierzyć impedancję elementów i obwodów w zakresie częstotliwości od pojedynczych herców nawet do 100 kHz.

Wielu elektroników pyta, który tani miernik pozwoli dokładnie mierzyć pojemność i indukcyjność? Pytają, jaki miernik RLC (LCR) warto kupić?

W dwóch filmach: https://youtu.be/OMBYY3TpwxU oraz https://youtu.be/aKW_AestKBI, a zwłaszcza w czterech artykułach (Q027, M024, M025, M026) wyczerpująco przedstawiłem amatorskie testery i mierniki pojemności. Opisałem bardzo interesujące historie trzech rodzin przyrządów, które mogą mierzyć pojemność i indukcyjność. Podkreślałem też bardzo mocno, że są to konstrukcje amatorskie i mają liczne wady. Tymczasem wyobraźnię wielu hobbystów rozpala informacja, że niektóre chińskie przyrządy (np. XJW01) mogą mierzyć z dokładnością 0,3%, czyli rewelacyjną, jak na dokładność pomiaru pojemności i indukcyjności.

Owszem, jest to możliwe, ale pod kilkoma warunkami. Natomiast główny problem jest inny. Otóż naiwne jest wyobrażenie, że indukcyjność i pojemność realnych elementów jest stała. Powyższa fotografia tytułowa prezentuje pomiar impedancji elementów indukcyjnych i uzyskane na ekranie charakterystyki pokazują poważny problem z określeniem indukcyjności takich elementów.

Problem pomiarów indukcyjności i pojemności dokładniej sygnalizuje rysunek 1, pokazujący wynik pomiaru małej cewki – dławika o nominale 4,7 milihenra za pomocą zestawu widocznego na fotografii tytułowej.

Wykorzystałem opisywaną wcześniej kartę Behringer UMC202HD (w wersji nieprzerobionej), darmowy program komputerowy REW oraz swojej roboty przystawkę (czerwona płytka), której dwie inne wersje też widać na fotografii tytułowej (zielone płytki z lewej strony).

Na rysunku 1 niebieska linia to przebieg oporności – modułu impedancji w zakresie częstotliwości od 2 herców do około 90kHz. Naprawdę rewelacyjny program REW pozwala ustawić kursor (dwie skrzyżowane linie) w dowolnym punkcie charakterystyki i wtedy w okienku na dole z lewej strony ekranu można odczytać dodatkowe informacje, w tym indukcyjność lub pojemność przy wybranej częstotliwości. To nie jest artykuł dla zupełnie początkujących, więc nie będę tłumaczył, dlaczego w okienku tym wyświetlane są dwie kombinacje wartości (model szeregowy i równoległy). W każdym razie, jak wskazują zielone strzałki, przy częstotliwości 10 kHz element ten zachowuje się jak cewka o indukcyjności 5,999 milihenra o rezystancji szeregowej 23,24 oma, czyli o dobroci Q = 16,22. Tu wszystko pasuje!

Problem w tym, że każda cewka ma też jakąś pojemność własną i zachowuje się jak równoległy obwód rezonansowy. I to doskonale widać na rysunku 1! Dla mnóstwa osób zaskoczeniem może być fakt, że dla cewki o jednak niezbyt dużej indukcyjności 4,7 mH ten rezonans występuje przy częstotliwości nieco ponad 20 kiloherców. Wtedy jej oporność (moduł impedancji) osiąga maksimum, wskazane fioletowymi strzałkami i jest to czysta rezystancja. Przy większych częstotliwościach moduł impedancji maleje, ale co najważniejsze, wtedy dominuje pojemność własna cewki i jej impedancja nie jest już reaktancją indukcyjną, tylko reaktancją pojemnościową. Cewka zachowuje się jak… kondensator!

Z prawej strony rysunku 1 umieściłem fragment innego zrzutu ekranu, gdy kursor ustawiłem na częstotliwość 60,0 kHz. Czerwone strzałki pokazują, że cewka zachowuje się wtedy jak szeregowe połączenie rezystancji 11,27 Ω i pojemności 10,24 nF oraz jak równoległe połączenie rezystancji 5,957 kΩ i pojemności 10,22 nF.

Tak! Przy większych częstotliwościach realna cewka naprawdę zachowuje się jak kondensator! Świadczy też o tym fioletowa krzywa, która pokazuje przesunięcie fazowe (z jednostkami na osi z prawej strony rysunku). Poniżej rezonansu przesunięcie wynosi 90 stopni, czyli tak jak w indukcyjności. Dla rezonansu osiąga zero, czyli mamy wtedy czystą rezystancję, a powyżej rezonansu przesunięcie wynosi –90 stopni, co jest typowe dla pojemności.

Rysunek 1 świadczy o tym, że badany dławik prawidłowo pracuje w swojej roli tylko w zakresie częstotliwości mniej więcej od kilkuset herców do 20 kiloherców. Wtedy jego oporność rośnie – impedancja jest reaktancją indukcyjną. „Powyżej” zachowuje się jak kondensator, a dla częstotliwości poniżej 100 herców nie jest to cewka, tylko rezystor o wartości około 23 omów (to rezystancja drutu cewki).

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się we wrześniowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 9/2025). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite, gdzie dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 9/2025 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.