LCR meter tutorial

Gepost door Jeroen Vreuls op donderdag 4 juli 2013 22:13

Inleiding

Een LCR meter is een verzamelwoord voor een instrument om de volgende zaken te meten:

  • de zelfinductie van spoelen;
  • de capaciteit van condensators;
  • weerstand.

Maar sommige kunnen meer, zoals conductance ofwel geleiding, het omgekeerde van weerstand (G in mho of siemens). En de verschillende modes kunnen vaak ook meer parameters weergeven en zijn vaak reden voor verwarring of meetfouten.

Geschiedenis

Ik zal alle meest voorkomende eigenschappen kort behandelen maar eerst de basis, wat geschiedenis. Er zijn veel manieren om deze componenten te meten maar het meest bekend en langst gebruikt zijn meetbruggen. Nog steeds een van de beste manieren. Een goede brug van WK of GR verloopt nagenoeg niet. Ze zijn wel groot en arbeidsintensief in bediening.

Dit is een beroemde brug van General Radio, de GR1608A LCRG brug ontworpen door de beroemde Henry Hall:

General Radio GR1608A impedance bridgeGeneral Radio GR1608A impedance bridge

Vaak werkt een brug met een losse sinusgenerator en losse detector maar er zijn ook modellen zoals deze met ingebouwde detector en generator. Er zijn ook analoge meters geweest die met verschuiven van frequenties werkte. Dit wordt nu nog in veel moderne meters, vooral kitjes, gebruikt. De Tektronix 130 is een bekende LC meter die zo werkt.

Tektronix 130 LC meterTektronix 130 LC meter

Later kwamen de digitale meters. Van bench tot handheld. Tegenwoordig kunnen sommige erg veel. Een van de toppers is de IET DE-5000. IET is de doorstart van de brug afdeling van General Radio en ze maken nog steeds de GR1620, de brug die in calibratie labs wordt gebruikt.

IET DE-5000 LCR meterIET DE-5000 LCR meter

Er zijn echter diverse manieren om LCR te meten. Dit vereist verschillende meetsignalen en aansluitingen. Daar ga ik nog dieper op in.

Marconi Instruments TF1313A universal bridgeMarconi Instruments TF1313A universal bridge

Modes

Een LCR meter heeft meestal meerdere modes, bereiken, signaalbronnen. Met modes bedoel ik in dit geval de mogelijkheden die je hebt als je een hoofd functie kiest. Ik zal ze per functie behandelen.

Capaciteit

Hier zie je bij een goede meter twee modes. Cs (serie capaciteit) en Cp (parallel capaciteit). Beetje verwarrend maar het slaat op de combinatie van weerstand en capaciteit. Hieronder zie je het vervangende model van een elco. Cp is gelijk aan Cs als de ESR verwaarloosbaar is ten opzichte van de reactantie (1 / (2πfC)) maar als dat niet het geval is dan wijken ze van elkaar af.

Model van een elcoModel van een elco

Ik zal hier niet alle wiskundige formules behandelen. Maar ik zal ze wel hier wel geven:

C_s = C_p(D^2 + 1)
C_p = C_s\frac{1}{D^2 + 1}
R_s = \frac{D}{\omega C_s} = \frac{1}{\omega C_p} \cdot \frac{D}{D^2 + 1}
G_p = D \omega C_p = \omega C_S \frac{1}{D^2 + 1}

Een goede meter geeft ook D dus zo kun je de correctie uitvoeren. Een voorbeeld. Een 470 µF elco meet 200 µF op 1 kHz met een D van 1.15. Dat is zo op het eerste gezicht een veel te lage capaciteit, dus een beroerde condensator.

Als de meter nu Cs aangeeft is de capaciteit inderdaad behoorlijk afgenomen. De opdruk is namelijk altijd in Cs. Maar als er Cp op je display staat dan is Cs dus de echte capaciteit in dit geval 464 µF en dat is maar 1,2 % te laag. Fraai, nu weten we dus nog niet of die condensator goed is... Gelukkig weten we dat wel, zelfs zonder ESR meter. Maar dat komt verderop.

Condensators kunnen een behoorlijk voltage coëfficiënt hebben. Vooral X7R en X5R achtige ceramische condensators. Dus die 10 nF op je LCR meter gemaakt voor in-circuit metingen meet met 0,5 V 10 nF terwijl het ding bij de 12 V waarop hij werkt nog maar 1 nF blijkt te zijn. Meetbruggen voor capaciteit gaan daarom vaak tot hoge spanningen. De GR1620 kan bv tot 300 VAC meten.

Zelfinductie

Ook hier is er Ls en Lp. De reden is gelijk aan hier boven. Alleen is de hulp parameter hier Q. Q is gelijk aan 1/D. Spoelen meten is echter heel moeilijk. Ze zijn er gevoelig voor het oppikken van rotzooi uit de omgeving, worden be´nvloed door metaal in de buurt (eddy currents) en ze veranderen in zelfinductie ten gevolgen van de stroom. Een stroom coëfficiënt dus. Bij luchtspoelen nauwelijks meetbaar maar bij spoelen met kern een behoorlijk grote factor.

Ook verandert bij sommige spoel soorten de schijnbare zelfinductie erg met frequentie. Dit geldt ook voor condensators. Maar met die eigenschappen kan ik pagina's vol schrijven. Hier noem ik ze alleen. Het beste meet je een spoel op werk frequentie en bij werkstroom.

Weerstand

Hier is er soms de keus tussen AC of DC weerstand. De AC stand is eigenlijk niets meer dan een ESR meting. Dus als je meter RAC kan meten heb je feitelijk al een ESR meter. Ook kan je hiermee bijvoorbeeld de Ri van een batterij meten (zie manual, niet zomaar aan een accu hangen).

Andere parameters

Binnen de functies geeft een goede LCR meter nog meer aan. Er zijn grofweg twee soorten meters. De simpele geven de impedantie aan en rekenen dat om naar capaciteit of zelfinductie. Dat is leuk als indicatie maar verder tamelijk nutteloos als je naar mogelijke problemen in onderdelen zoekt.

Een condensator met een ESR van 2 Ω op 1 kHz die 100 µF is zal op zo'n "foute" meter 62 µF meten. Dat is een forse fout. Een eenvoudige test, zet 100 Ω in serie met je condensator. De capaciteit (in Cs) van je meter moet gelijk blijven. Maar bijna elke meter die echt de pure grootheid meet geeft wat secundaire waarden aan.

Bij capaciteit is dat in ieder geval D (Dissipation factor, DF) maar vaak ook de verlieshoek en de ESR. Echter met een van deze parameters kun je de andere berekenen. Ze hebben namelijk allemaal met ESR te maken.

De serie weerstand (ESR) zorgt namelijk voor verlies, en dat dissipeert vermogen, zie daar D, en die weerstand zorgt voor een faseverschuiving tussen stroom en spanning. Bij een ideale condensator 90 graden. Bij een ideale weerstand 0 graden. De combinatie van beide ergens tussen in. ESR = Xc x D en 90 – arctan D is de fasehoek. Dit is frequentie afhankelijk. Op mijn website vindt je alles over ESR.

Bij zelfinductie is dat meestal Q of Rs. Hier geldt het zelfde als bij condensators alleen is Q = 1/D. Q zegt dus wat over het "gebrek" aan verlies. Q = Xl / Rs. Q meten is ook moeilijk omdat het erg afhankelijk is van frequentie maar ook van de belasting van de spoel. Als de meter heel hoogohmig is zal de Q aardig richting onbelaste Q gaan, is de meter heel laagohmig dan zal hij een te lage Q geven. Tenzij hij op de juiste manier meet. Namelijk de fase verschuiving tussen spanning en stroom. Meters die Q, Rs en fase geven doe dit bijna altijd. Dat zijn echter meestal alleen de duurdere meters.

Bij weerstand zijn er in de AC mode vaak zelfinductie of capaciteit als secundaire parameters.

G of geleiding behandel ik hier niet. Dat zit op maar heel weing apparaten en is bedoeld om met AC heel hoge weerstanden te meten. Het wordt ook Rp genoemd. Z is impedantie en bestaat uit Rs en jX, het echte weerstandsdeel en de reactantie. De tegenhanger is Y welke uit G en B bestaat. G is de omgekeerde van Rs, dus Rp en B de omgekeerde van de reactantie. Z is een serie situatie, Y een parallel situatie. Let wel, van een component bij LCR meters. In Cp of Rp moet je dus niet een R en C parallel hangen. Dat kan wel maar dan moet je fors gaan rekenen. De Rp is namelijk de equivalente interne R van de condensator. Je kan namelijk als reken model een interne serie weerstand vervangen voor een parallel weerstand.

Overige zaken

Frequenties

LCR meters meten bijna altijd op een paar "standaard" frequenties. Dat was lange tijd 100 of 120 Hz (voor grote spoelen en condensators) en 1 kHz. Veel datasheets geven ook bij die frequentie de waarde. Dit omdat je dan weinig last van parasitaire eigenschappen hebt. Voor kleinere (µH) spoelen is vaak 10 kHz toegevoegd.

Tegenwoordig is het steeds meer standaard om ook 100 kHz toe te voegen. Dit om te kijken hoe componenten uit switch mode power supplies zich gedragen en om ESR te meten. Dit laatste is wat krom omdat de datasheets bij 100 kHz meestal de impedantie geven en juist de el cheapo ESR metertjes geven die impedantie maar noemen het onterecht ESR. De ESR wordt meestal als D opgegeven bij 1 kHz of 100/120 Hz. ESR op zich zelf is zonder overige parameters tamelijk nietszeggend.

Aansluitingen

Het laatste belangrijke punt is de manier van meten. Er zijn 2, 3, 4, 5 en meer draads metingen. Bij simpele meters heb je 2 draads. De weerstand, capaciteit en zelfinductie van de aansluitingen of fixture kun je vaak nog nullen maar ideaal is dat niet.

De betere meters hebben minimaal 3 draads aansluiting. Dat is tweedraads maar met een zogenaamde guarded sense of low aansluiting. De meter stuurt een AC signaal via de high of source terminal uit naar de DUT (device under test) en meet de stroom/spanning/fase na de DUT via een low of sense aansluiting. Die guard is een afscherming van in ieder geval de low waar op diverse manieren kan worden gezorgd dat de capaciteit tussen ground en low of tussen high en low wordt opgeheven. Hierdoor kan je bijvoorbeeld rustig 2 meter meetsnoer gebruiken om fF te meten. Bij een GR1620 is de capaciteit met open aansluiting na 1 meter coax daardoor een paar tiende fF.

De 4 draads of Kelvin meting wordt veel bij weerstand gebruikt. De generator van de meter voert via source high en low een signaal door de DUT. De high en low sense aansluitingen meten dan direct bij de DUT. Hierdoor schakel je de weerstand van de stroomvoerende draad uit. Je zit echter nog steeds met parasitaire capaciteit en zelfinductie. Dit is op te lossen met een 5 draad systeem. Daarbij wordt de sense low weer van guard voorzien. In het algemeen wordt dit echter bij LCR meters gewoon 4 draads genoemd. Ben daar voorzichtig mee, er duiken steeds meer unguarded 4 draads meters op. De gemiddelde doelgroep in die (lagere) prijsklasse heeft dat toch niet door en het scheelt in de kosten. Ook zijn sommige meters 4 draads maar op zo'n manier dat het tamelijk zinloos is, anders dan dat het goed staat in de folder. Guarding kan bij goede meters doorgevoerd worden naar een afgeschermde DUT houder.

Drie draads aansluitingDrie draads aansluiting

Dit is een drie draads aansluiting en plaatje over wat parasitaire zaken.

Multimeters als C meter

De meeste multimeters meten op een hele andere manier. Ze zetten DC op de condensator en meten de de tijd die nodig is hem tot een bepaald % te laden. Dat is in principe een bruikbare methode maar de accuraatheid van gebruikte stroombron of spanning plus weerstand, de V meet accuraatheid van de meter en de nauwkeurigheid van frequentie meten maken de uitkomst onzekerder.

Ook heeft een condensator vaak last van dielectric absorption, ze laden zichzelf weer op. Een goede meter ontlaadt dus eerst de condensator voor hij hem oplaadt.

Slotwoord

Verder gelden natuurlijk dezelfde zaken als bij scopen, multimeters en andere apparatuur. Hoe goed zijn de specs, hoe betrouwbaar, hoe gedraagt hij zich over langere tijd etc. Dit is voor een groot deel afhankelijk van de tijd. Je betaalt natuurlijk voor een merk naam maar dat is niet de naam maar het geen waar het voor staat. De kennis, goede ontwerp, ervaring, bouw, etc. en bij LCR meters vooral ook eventueel gebruikte referenties.

De meeste meters hebben intern een of meerdere referenties waar de rest uit herleid wordt. Zoals een voltmeter valt en staat met zijn Vref, heeft een LCR meter referentie condensators en/of weerstanden nodig. En goede stabiele versies zijn erg duur. Een 1 M draadgewonden referentie weerstand uit mijn GR1608 zou over de 100 Dollar zijn. Een moderne in specs vergelijkbare thick film versie was nog 35 euro. Dus verwacht niet te veel van een meter van 20 euro.

Veel goedkope meters werken echter anders. Ze hebben een oscillator en meten de frequentie shift als gevolg van de DUT. Dat rekenen ze om naar impedantie en zo weer naar C of L. Dat werkt prima zolang het gezonde goede componenten betreft. Voor reparatie werk is het niet zo zinvol anders dan kijken of de nieuwe condensator met vage opdruk wel de juiste is.

Wat, zover ik weet, alle LCR meters missen is een spoelverzadigingstest en condensator DC lekkage test. Sommige bruggen kunnen dit met wat hulpmiddelen maar vaak vrij omslachtig. Toch is DC lekkage een veel voorkomend probleem en bij switchers bouwen is verzadiging een belangrijke parameter.

Voor dit doel is er weinig verkrijgbaar maar zelfbouw is makkelijk. Op mijn site staat over beide ontwerpen nog veel meer.

© Fred (PA4TIM) juni 2013