R&S®HM8118: Messung von Kondensatoren und Induktivitäten

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Ihre Anforderung

Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten sind Hauptbestandteile von elektrischen Schaltungen. Es muss sichergestellt werden, dass sie ordnungsgemäß und exakt arbeiten. Aus diesem Grund ist es notwendig, diese während der Schaltungsentwicklung gründlich zu testen. Üblicherweise verwendet man dazu LCR-Messgeräte, die für das Labor und die Produktion unverzichtbar sind. In dieser Application Card wird gezeigt, wie man grundlegende Messungen an Kondensatoren und Induktivitäten exakt und zuverlässig durchführt.

Prinzip der Impedanzmessung
Prinzip der Impedanzmessung
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Lösung von Rohde & Schwarz

Messgrundlagen

Die R&S®HM8118 LCR-Messbrücke unterscheidet sich von Messgeräten, die auf einer typischen Wien-, Maxwell- oder Thomson-Brücke basieren. Im Gegensatz zu anderen LCR-Messbrücken nutzt sie eine Wechselspannungsanregung, um die Impedanz Z und den Phasenwinkel Φ zu messen.

Bei der Durchführung von Messungen muss berücksichtigt werden, dass die Eigenschaften von elektrischen Bauelementen (z. B. Kondensatoren) in Abhängigkeit von bestimmten Parametern, insbesondere der Frequenz, variieren. Zu den weiteren Faktoren, die sich auf das Verhalten der Bauelemente auswirken, gehören Alterung, Temperatur, zusätzlicher Bias und die elektrische Belastung.

Das Ersatzschaltbild eines jeden Messobjekts enthält induktive, ohmsche und kapazitive Elemente. Beispielsweise besitzt ein Kondensator parasitäre induktive und ohmsche Elemente, eine Induktivität enthält parasitäre ohmsche und kapazitive Elemente. Das bedeutet, dass ein idealer Phasenwinkel Φ (90° = rein induktiv, 0° = rein ohmsch, –90° = rein kapazitiv) niemals erreicht wird. Bei beiden Bauelementetypen führen die parasitären Elemente zu einer Eigenresonanz bei einer bestimmten Frequenz.

Darüber hinaus muss man unbedingt erwähnen, dass jede Messung aufgrund der parasitären Elemente zu einem gewissen Grad ungenau ist und so zu einer systematischen Messabweichung führt.

R&S®HZ181 4-Draht-Testadapter
R&S®HZ181 4-Draht-Testadapter
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Prüfaufbau

Denken Sie immer daran, dass der Prüfaufbau wesentlichen Einfluss auf die Messungen haben kann. So hat beispielsweise bei Kondensatoren im Pikofarad-Bereich die Position der Klemmen einen beträchtlichen Einfluss auf das Messergebnis. Dies lässt sich anhand des folgenden Experiments mit den Standard-Kelvin-Klemmen, die im Lieferumfang des Geräts enthalten sind, einfach zeigen:

  • Drücken Sie zuerst [RECALL] [9], um das Messgerät auf die Werkseinstellungen zurückzusetzen und führen Sie eine SHORT-Kalibrierung durch, indem Sie die Klemmen kurzschließen und die [SHORT]-Taste drücken
  • Platzieren Sie im zweiten Schritt die Klemmen in einem Abstand von jeweils mindestens 20 cm und drücken Sie auf [OPEN], um eine OPEN-Kalibrierung durchzuführen. Wechseln Sie jetzt in den C-D-Modus und halten Sie die Klemmen so, dass deren Spitzen sich gerade nicht berühren. Sehen Sie sich jetzt das Messergebnis an. Es werden ungefähr 3 pF angezeigt, auch wenn keine zusätzlichen Bauelemente angeschlossen wurden und sich nur die Lage der Klemmen geändert hat.

Das Experiment zeigt, dass die Auswahl eines für Ihre Applikation geeigneten Testadapters von großer Bedeutung ist. Der R&S®HZ181 4-Draht-Testadapter ist eine gute Wahl für verdrahtete Bauelemente. Somit werden Probleme, die sich durch unterschiedliche Abstände ergeben, vermieden.

Kalibrierung des Testaufbaus

Um eine optimale Performance und Genauigkeit zu erzielen, ist es bei der Messung von unbekannten Geräten empfehlenswert, das Messgerät auf allen verfügbaren Frequenzen (20 Hz bis 200 kHz in 69 Schritten) zu kalibrieren. Nachdem man sich für einen geeigneten Testaufbau entschieden hat und das Messgerät mindestens 30 min aufwärmen konnte, führen Sie folgende Schritte für die Kalibrierung aus:

  • Drücken Sie [RECALL] [9], um das Messgerät auf die Werkseinstellungen zurückzusetzen. Um die Kalibrierung auf allen Frequenzen durchzuführen, drücken Sie [SELECT] [3], wechseln mit dem Drehknopf zu (Mode) und drücken auf den Knopf. Wechseln Sie nun von „SGL“ zu „All“. Drücken Sie erneut auf den Knopf und verlassen Sie das Menü mit einem Druck auf [ESC]
  • Nun können Sie eine SHORT-Kalibrierung durchführen, indem Sie zuerst die Klemmen kurzschließen und anschließend auf [SHORT] drücken. Die SHORT-Kalibrierung dauert maximal 2 min
  • Öffnen Sie anschließend die Klemmen (vergewissern Sie sich bei Kelvin-Klemmen, dass diese ungefähr die gleiche Position einnehmen wie bei den später durchzuführenden Messungen) und drücken Sie auf [OPEN], um eine OPEN-Kalibrierung durchzuführen. Diese nimmt maximal 2 min in Anspruch
Φ und Z in Abhängigkeit von der Frequenz für eine Standardspule mit 132 μH/Kupferlackdraht
Φ und Z in Abhängigkeit von der Frequenz für eine Standardspule mit 132 μH/Kupferlackdraht
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Messung einer unbekannten Induktivität

Hinweis: Induktivitäten, die ferromagnetisches Kernmaterial enthalten, sind üblicherweise für ein bestimmtes Frequenzband ausgelegt. Falls eine Induktivität mit einer Messfrequenz außerhalb dieses Bands getestet wird, können die Ergebnisse von der Spezifikation der Induktivität abweichen. Dies sollte im Vorfeld geprüft werden. Schalten Sie zuerst die Testsignal-Pegelanzeige ein:

  • Drücken Sie auf [SELECT] [2]
  • Wechseln Sie mit dem Drehknopf auf (Vm/Im)
  • Ändern Sie den Wert auf „ON“ und drücken Sie erneut auf den Knopf
  • Verlassen Sie das Menü mit [ESC]

Schließen Sie nun die unbekannte Induktivität am Messaufbau an und wechseln Sie zur Z/Φ-Messung, indem Sie auf [Z – Φ] drücken. Der Phasenwinkel sollte positiv sein.

Suchen Sie jetzt nach der besten Erfassungsfrequenz:

  • Drücken Sie auf [FREQ]
  • Ändern Sie die Frequenz mit dem Drehknopf, während Sie Φ möglichst nahe bei 90° halten
  • Drücken Sie auf [L – R]

Die Induktivität wird nun zusammen mit dem Serienwiderstand angezeigt. Stellen Sie sicher, dass die Spannung nicht zu stark abfällt (bis minimal 35 % der Nennspannung ist in Ordnung – in diesem Fall beträgt die Nennspannung 1 V; siehe Abschnitt „LEV“ im oberen linken Teil der Anzeige).

Phasenwinkel in Abhängigkeit der Frequenz (270 μF)
Phasenwinkel in Abhängigkeit der Frequenz (270 μF)
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Messung eines unbekannten Kondensators

Hinweis: Goldkondensatoren können mit R&S®HM8118 nicht gemessen werden, da das Material zu inert ist.

Schalten Sie die Testsignal-Pegelanzeige ein und schließen Sie den unbekannten Kondensator am Messaufbau an.

Wechseln Sie zur Z/Φ-Messung, indem Sie auf [Z – Φ] drücken (der Phasenwinkel sollte negativ sein). Suchen Sie jetzt nach der besten Erfassungsfrequenz:

  • Drücken Sie auf [FREQ]
  • Ändern Sie die Frequenz mit dem Drehknopf, während Sie Φ möglichst nahe bei –90° halten
  • Drücken Sie auf [C – D]

Die Kapazität wird nun zusammen mit dem Serienwiderstand angezeigt.

Stellen Sie sicher, dass die Spannung nicht zu stark abfällt (bis minimal 35 % der Nennspannung ist in Ordnung – in diesem Fall beträgt die Nennspannung 1 V; siehe Abschnitt „LEV“ im oberen linken Teil der Anzeige).

Weitere Informationen

Falls die Spannung unter 35 % des Nennwerts fällt, schalten Sie in den Konstantspannungsbetrieb. Die zuvor getätigte Kalibrierung bleibt gültig, wenn man in diese Betriebsart wechselt.

Falls der Konstantspannungsbetrieb aktiv ist (ON), wird der Quellwiderstand auf 25 Ω voreingestellt. Die am zu prüfenden Bauelement angelegte Spannung bleibt für alle Bauelemente mit einer Impedanz von deutlich mehr als 25 Ω nahezu konstant. Dies kann vor allem bei niedrigeren Induktivitätswerten zu besseren Ergebnissen führen. Beachten Sie unbedingt, dass die Genauigkeit um den Faktor 2 reduziert wird, wenn man in dieser Betriebsart arbeitet.

Es ist zudem möglich, die Eigenschaften des Prüflings mit der beabsichtigten Arbeitsfrequenz ohne Abstimmung zu ermitteln. Mit diesem Ansatz können Sie die Kalibrierung für genau diese Frequenz in der „SGL“-Betriebsart durchführen (Gerätemenü „CORR“ – „MODE: SGL“).

Referenzen

  • R&S®HM8118 Bedienhandbuch
  • R&S FAQ „Inbetriebnahme des HM8118 durch eine spezielle Kalibrierung“
  • R&S FAQ „HM8118 zeigt unterschiedliche Messergebnisse bei derselben Spule“
  • R&S FAQ „Umschaltung auf externe Vorspannung an der HM8118“