Der gemessene Q-Faktor des LC-Kreises stimmt nicht mit dem berechneten und simulierten überein

Immer noch ein Problem mit dem gemessenen Wert des Q-Faktors der parallelen LC-Schaltung. Mein Messaufbau sieht wie auf dem Bild unten aus. Ich verwende den Funktionsgenerator SFG-1003 und das Oszilloskop Rohde-Schwarz RTB2002.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Meine LC-Schaltung besteht aus:

L= 33,4 uH R= 0,3 Ω C=32,63 nF

Unter Verwendung der Gleichung erhalten wir einen Q-Faktor von 106.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich habe auch meine LC-Schaltung simuliert und eine Gleichung verwendet

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den Q-Faktor von 101 erhalten.

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Aber das Problem ist mit meinen Messungen. Ich habe dieses Ring-Down-Tutorial befolgt, um einen Q-Faktor zu erhalten: https://www.giangrandi.ch/electronics/ringdownq/ringdownq.shtml

aber meine Ergebnisse geben mir den Q-Faktor fast nichts. Ich habe auch versucht, mit meinem Signalgenerator auf die Resonanzfrequenz zu kommen, und Messungen der Bandbreite durchgeführt (0,707 multipliziert mit der Amplitude), aber es ist dasselbe wie bei der Ring-Down-Methode. Ich habe meine Ergebnisse angehängt.

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Meiner Meinung nach liegt das Problem nur im Messaufbau, aber ich weiß nicht, wie man einen Funktionsgenerator für LC-Schaltungen mit variabler Impedanz verwendet. In einem parallelen LC-Kreis ist die Impedanz in Resonanz ziemlich hoch. Wie kann ich also den Q-Faktor des LC-Kreises korrekt messen? Eine Idee kam mir in den Sinn, einen Operationsverstärker zu verwenden, um ein Problem mit der Impedanzanpassung zu lösen. Oder ist das Problem etwas anderes?

Danke

!!!BEARBEITEN!!!

Ich habe meine Schaltung bearbeitet. Setzen Sie eine weitere Spule auf die Primärseite mit Generator. Dann platzierte ich die Sekundärspule mit dem Kondensator (wo ich den Q-Faktor messe) in der Nähe, um ein locker gekoppeltes System (10 cm) zu haben. Die Induktivität der Primärspule beträgt 3,5 uH und die Induktivität der Sekundärspule 187 uH. Ich habe einige Messungen mit unterschiedlichen Kondensatorwerten durchgeführt, um Resonanzfrequenzen (60 kHz - 300 kHz) zu erhalten.

Mit diesem Messaufbau habe ich die gleichen Experimente durchgeführt (Ring-Down-Methode + Verhältnis von Resonanzfrequenz und Bandbreite). Ich habe die unten angehängten Ergebnisse erhalten:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Verwendete Kondensatoren [32 nF 13,3 nF 5,6 nF 1,5 nF] Wie Sie die gemessenen Werte des Q-Faktors und die dann berechneten Werte des Q-Faktors sehen können, verwenden Sie NUR den Gleichstromwiderstand der Spule (2,1 Ohm). Mit zunehmender Resonanzfrequenz nimmt auch die Differenz zwischen berechneten und gemessenen Werten zu. Dies ist wahrscheinlich ein Beweis für AC-Widerstand (verursacht durch Skin-Effekt, Proximity-Effekt usw.)

Spule mit 187uH, Länge=6m, Durchmesser=0,3mm, Kupferdraht, 3 Lagen.

Ich habe einen anderen Messaufbau gemacht, wie im Bild unten gezeigt. Mit L=187uH und C=1,5nF. Es gibt eine Resonanzfrequenz von etwa 300 kHz. Der Signalgenerator wurde auf 300 kHz abgestimmt. Und ich habe VPP2 und VPP1 gemessen.

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Wenn die Reaktanz von Spule und Kondensator gleich groß ist, ist der parallele LC-Kreis in Resonanz rein resistiv. Wenn ich also auf meinem Oszilloskop VPP2=2*VPP1 (2* wegen der Impedanzanpassung) sehe, dann bekomme ich den Parallelwiderstand des LC-Kreises Rp.

Mein Widerstand wurde auf 9,9 kOhm eingestellt. Unter Verwendung der Gleichung (parallele RLC-Schaltung) Q = R * sqrt (C / L) ergibt sich Q = 28 (gemessener Wert unter Verwendung der Bandbreitenmethode war Q = 30)

Meiner Meinung nach waren die Spulen lose gekoppelt, so dass der Dämpfungseffekt der Primärspule nicht so signifikant war. Glauben Sie, dass der AC-Widerstand des LC-Schaltkreises bei Frequenzen um 300 kHz 5-mal höher sein kann als der DC-Widerstand?

wahrscheinlich nicht Ihr Problem, aber der von Ihnen verwendete Signalgenerator hat eine ziemlich langsame Anstiegszeit - <100 ns sagt das Datenblatt. Wenn Sie einige Hochgeschwindigkeits-CMOS-Treiber verwendet haben, sollten Sie in der Lage sein, <10 ns zu erreichen und auch die Quellenimpedanz ein wenig zu reduzieren. gwinstek.com/en-global/products/downloadSeriesDownNew/5826/490
Definitiv, das stimmt. Die ansteigende Flanke ist nicht perfekt gerade und die Zeitkonstante der ansteigenden Flanke des Signalgenerators ist ziemlich hoch. Das ist auch ein weiterer Effekt auf den Dämpfungsnachweis. Danke

Antworten (4)

Der Widerstand von 0,3 Ohm ist bei höheren Frequenzen aufgrund des Skin-Effekts möglicherweise nicht zutreffend. Allerdings sollte die Verbindung zum Signalgenerator sehr locker gehalten werden, damit seine 50 Ohm das Ergebnis nicht beeinflussen. Fügen Sie einen Kondensator in Reihe mit dem Signalgenerator ein. Probieren Sie einen aus, der im interessanten Frequenzbereich eine 100-mal größere Reaktanz als die LC-Teile im Resonanzkreis hat. Ich denke, Sie können ungefähr 150 pF verwenden.

Sie können versuchen, ein Ende des 36,2-nF-Kondensators zu trennen, die Kappe mit Gleichstrom aufzuladen und sie dann mit einem Quecksilberschalter oder einer anderen nicht rückprallenden Methode wieder anzuschließen. Die Spannung des LC-Kreises (=abfallender Sinus) kann auf einem Oszilloskop gespeichert werden. Sie können die tatsächliche Resonanzfrequenz und Q aus dem abklingenden Sinus bestimmen.

HINZUFÜGEN, nachdem Sie die Drahtstärke und -länge der Spule erhalten haben : Es ist kein Skin-Effekt, der das Q nach unten zieht. Unter der Annahme, dass die Messung ordnungsgemäß durchgeführt wird, verbleiben "andere Verluste". Ich denke, Ihre Spule ist zu nahe an verlustbehaftetem Material. Versuchen Sie, alles weit weg zu halten, einschließlich Papier, Holz, unbekannte Kunststoffe usw. Lassen Sie es in der Luft hängen.

Danke für deinen Rat. Ich habe es mit einem Kondensator von 22 pF und einem Abstand zwischen LC-Schaltung und Generatorsonden von mehr als 5 cm versucht ... gemessener Q-Faktor von weniger als 100 ... viel niedriger als berechnet ...
Eine sehr lockere induktive Kopplung bewirkt dasselbe wie eine Kopplung mit einem kleinen Kondensator. Ich denke, Ihre Spule hat viel mehr Widerstand als 300 mOhm. Wie groß ist der Widerstand Ihrer Spule bei 152 kHz? (= spezifischer Widerstand des Drahtmaterials, wie dicker Draht, die Länge des Drahtes und der Skin-Effekt werden berücksichtigt)
Der gemessene Gleichstromwiderstand der Spule beträgt R = 0,3 Ohm. Der berechnete AC-Widerstand (157 kHz, D = 0,67 mm, L = 3) beträgt etwa 0,145 Ohm. Der berechnete Q-Faktor ist immer noch viel höher als gemessen, mehr als 10 Mal.
Ich habe das mit vielen Spulen versucht, aber immer im Bereich der Resonanzfrequenz (50kHz - 150kHz). immer noch das gleiche Problem.
L=3? ist diese Drahtlänge. Was ist die Einheit?
Entschuldigung, 3 Meter ... ungefähr zwischen 2,5 und 3 m
OK, der Skin-Effekt ist nicht die Ursache. Es war eine schlechte Vermutung.
Vielen Dank, Sie hatten wahrscheinlich Recht mit "anderen Verlierern". Nicht durch Gegenstände in der Nähe verursacht, aber wahrscheinlich durch andere Lockerungen wie Skin-Effekt, Näherungseffekt usw. Ich habe meine Ergebnisse aktualisiert und es gibt eindeutige Hinweise auf eine Erhöhung des Widerstands. Ich bin einfach nicht in der Lage, diese Lockerungen zu klassifizieren, ich glaube nicht, dass der Hauteffekt den Widerstand so signifikant erhöhen würde.

Meine LC-Schaltung besteht aus:

L= 33,4 uH R= 0,3 Ω C=32,63 nF

Nicht ganz richtig; Hinzu kommt die 50-Ohm-Impedanz des Signalgenerators, der den LC parallel lädt. Sie müssten diese Schaltung anders ansteuern, dh mit einer Stromquelle, wenn Sie den Q-Faktor messen möchten: -

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Die Resonanzfrequenz liegt bei 152,524 kHz und der 3-dB-Punkt bei 153,241 kHz. Die obere und untere 3-dB-Bandbreite beträgt daher 1,434 kHz und Q ist die Mittenfrequenz dividiert durch die Bandbreite: -

152.524 1.434 = 106.36

Meiner Meinung nach liegt das Problem nur im Messaufbau, aber ich weiß nicht, wie man einen Funktionsgenerator für LC-Schaltungen mit variabler Impedanz verwendet.

Richtig.

Danke für deinen Rat. Heute habe ich einige Experimente mit Gleichspannungsquelle und Transistor versucht, um mehr Leistung für das System zu liefern. Also verbinde ich meine LC-Schaltung mit der Quelle des Transistors und ich habe den richtigen Q-Faktor-Wert erhalten, aber mit einer 10-mal höheren Frequenz. Wie auch immer, ich werde einige Experimente mit Stromquelle machen.
Bei welcher Frequenz haben Sie gemessen und bei welcher Frequenz haben Sie die Resonanz berechnet?
Gemessene Frequenz: 1,6 MHz Gemessener Q-Faktor: 59 Berechnete Frequenz: 157 kHz Berechneter Q-Faktor: 66,2
Nun, vielleicht hatten Sie einen falschen Induktivitätswert, weil er ungefähr 150 kHz betragen sollte. Ich würde mich darauf konzentrieren, dies zu lösen, bevor ich fortfahre.
Danke, aber glaube nicht, dass das Problem der Induktivitätswert wäre, nach meinen vorherigen Werten beträgt die berechnete Resonanzfrequenz 152 kHz und die gemessene Resonanzfrequenz ca. 160 kHz. Der Unterschied beträgt weniger als 10 Prozent. Die Auswirkung auf den berechneten Wert des Q-Faktors wäre minimal. Und ich habe das gleiche Experiment mit vielen Spulen gemacht und alle sind gleich. Wie gesagt, das Problem liegt wahrscheinlich am Messaufbau...
Nun, wenn Sie mit dieser Frage fertig sind, ziehen Sie bitte in Betracht, die Antwort, die am besten geeignet ist, formell zu akzeptieren.
Bist du diesem Problem auf den Grund gegangen @Kols
Ich habe alle Messeinstellungen befolgt, die ich oben gepostet habe, und alle haben mir das gleiche Ergebnis des Q-Faktors geliefert. Es scheint, dass die Dämpfungskonstante von LC hoch ist ... wichtig ist, dass der Q-Faktor der LC-Schaltung durch den Q-Faktor der Spule begrenzt ist.
Aber Ihre grundlegende Frage zur Verwendung des Signalgenerators über der Spule wurde in meiner Antwort ja angesprochen?
Ja. Sie können einen Signalgenerator mit einer Impedanz von 50 Ohm nicht direkt an der LC-Schaltung verwenden, wenn Sie den Q-Faktor messen möchten. Dann wird der Q-Faktor durch die Eingangsimpedanz beeinflusst.
Nun, es sieht so aus, als hätten Sie Ihre Frage ziemlich erweitert, seit Sie sie zum ersten Mal gestellt haben, aber wenn Sie der Meinung sind, dass das ursprüngliche zugrunde liegende Problem angesprochen wurde, sollten Sie erwägen, die richtige Antwort offiziell zu wählen oder eine eigene Antwort zu hinterlassen, die erklärt, was die Lösung war .

Drei Dinge zu beachten

  1. Komponententoleranzen. Die von Ihnen ausgewählten Werte sind möglicherweise physisch nicht diese Werte. Es können leicht +-10% sein
  2. Der Induktor hat einen Widerstand, um die Schwingung zu dämpfen
  3. Bei der Ring-Down-Methode müssen Sie die Schaltung mit ihrer Resonanzfrequenz anregen. Ihr LC hat eine Resonanz bei 1,6 MHz, während Sie es bei ~ 40 kHz angeregt haben
Vielen Dank für Ihren Kommentar, der Gleichstromwiderstand der Spule ist Teil meiner Schaltung R = 0,3 Ohm, und ich denke, bei relativ niedrigen Frequenzen (1-100 kHz) wirkt sich der Skin-Effekt nicht so stark aus, um den berechneten Widerstand erheblich zu ändern. Wie kann ich den Dämpfungseffekt sehen, wenn ich auf die Resonanzfrequenz komme? Meine LC-Schaltung hat eine Resonanz um 160 kHz und eine Anregungsschaltung mit einem 1-kHz-Signal gibt mir einen Überblick über das logarithmische Dekrement der gedämpften LC-Schaltung, das in der Resonanzfrequenz nicht zu sehen ist.
nein, Sie erregen die Schaltung mit einer viel geringeren Frequenz als fo - die 40 kHz sind in Ordnung. Die Kante macht die Schaltung zum Klingen, die Frequenz der Rechteckwelle dient nur dazu, sie auf einem analogen Oszilloskop gut sichtbar zu machen.
@danmcb weiß nicht, was du meinst. Ich erregte Schaltung mit Rechteckwelle mit einer Frequenz von 1 kHz. Genau aus dem Grund, es auf dem Oszilloskop deutlich zu sehen.
und hier liegt WARUM ich gesagt habe, was ich getan habe. Die Ring-Down-Methode besagt ausdrücklich, dass Sie den LRC bei seiner Resonanz anregen müssen, "zuerst müssen Sie den Resonator irgendwie "schütteln", damit er bei seiner Eigenfrequenz schwingt". Das Papier trifft mit einer Rechteckwelle darauf und enthält somit die Harmonischen. Das OP hat jedoch angegeben, dass er mit einer Rechteckwelle aufregend ist, tatsächlich ist fig3 eine Sinuswelle. Wenn das OP mit einer Rechteckwelle trifft, dann in Ordnung
@Kols mein Kommentar richtet sich an Punkt 3 von JonRBs Antwort
@ JonRB OK, das ist in der Tat ein guter Punkt.

Es gibt 3 getrennte Probleme. Zuerst der erwähnte 50Ohm Generatorwiderstand. Zweitens bewerten Sie den Wert von Reihen-Q und messen Parallel-Q. Wenn schließlich die Generatorkantengeschwindigkeit langsamer als 0,35/FR ist, fügt dies auch einen Dämpfungseffekt hinzu.

Vielleicht sehen Sie meinen Artikel hier, da es sich um ein ähnliches Problem handelt

https://www.signalintegrityjournal.com/blogs/8-for-good-measure/post/1288-measuring-a-scope-probe-requires-two-oscilloscope-channels-and-a-very-flat-signal- Quelle

Vielen Dank für Ihren Kommentar, ja, ich versuche, das Impedanzproblem zu lösen. Warum denkst du, ich sollte die Formel für parallel verwenden? Wiki sagt: In einer parallelen LC-Schaltung, in der der Hauptverlust der Widerstand der Induktivität R in Reihe mit der Induktivität L ist, ist Q wie in der Reihenschaltung. Dies ist ein üblicher Umstand für Resonatoren, bei denen die Begrenzung des Widerstands des Induktors zur Verbesserung von Q und zur Einengung der Bandbreite das gewünschte Ergebnis ist. Außerdem hat LtSpice eine Simulation, die auch der Formel für Reihenschaltung entspricht.
Der gemessene Q-Faktor des LC-Kreises stimmt nicht mit dem berechneten und simulierten überein
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