R&S®HM8118: 커패시터 및 유도체 측정

목표

레지스터, 커패시터, 유도체는 전기 회로에서 가장 기본적인 구성요소입니다. 이러한 구성요소는 반드시 올바르고 정확한 작동이 보장되어야 합니다. 따라서 회로 설계 시 철저한 테스트가 필요합니다. 테스트는 일반적으로 LCR 미터로 수행하므로 연구소와 생산 설비에서는 LCR 미터가 필수적인 장치가 되었습니다. 이 애플리케이션 카드는 기본적인 커패시터 및 유도체 측정을 정확하게 수행하는 방법을 살펴봅니다.

로데슈바르즈 솔루션

측정의 기본

R&S®HM8118 LCR Bridge는 통상적인 Wien, Maxwell 또는 Thomson 브릿지 기반 기기가 아닙니다. 다른 LCR 브릿지와 달리, 이 브릿지는 AC 자극 신호를 사용하여 임피던스 Z와 위상각 Φ를 측정합니다.

측정을 수행할 때에는 전기적 구성요소(예: 커패시터)의 특성이 특정 매개변수, 특히 주파수의 함수로 변동한다는 점을 고려해야 합니다. 구성요소 동작에 영향을 미치는 기타 요소로는 노후화, 온도, 추가적 바이어스와 전기적 응력이 있습니다.

각 DUT와 등가 회로에는 유도성, 저항성, 정전성 소자가 포함되어 있습니다. 예를 들어 커패시터는 비여진 유도성, 저항성 소자를 포함하며 유도체는 비여진 저항성, 정전성 소자를 포함하게 됩니다. 즉, 이상적 위상각 Φ (90° = 순수한 유도성, 0° = 순수한 저항성, –90° = 순수한 정전성)에는 절대 도달할 수 없다는 의미입니다. 기생 소자는 컴포넌트의 유형과 관계없이, 특정 주파수에서 자기 공진을 유도합니다.

또한 각 측정값은 기생 소자로 인해 특정한 각도에서 부정확하게 측정되므로, 시스템 측정 오류가 발생한다는 점을 기억해야 합니다.

테스트 어셈블리

테스트 어셈블리는 측정값에 큰 영향을 미칠 수 있다는 점을 항상 기억하십시오. 예를 들어 Picofarad 범위의 커패시터를 사용할 경우 클램프 위치는 측정 결과에 큰 영향을 미칩니다. 이 현상은 기기와 함께 제공된 표준 Kelvin 클램프를 이용하는 다음 실험으로 쉽게 보여줄 수 있습니다.

• 1. [RECALL] [9]를 눌러 출고 시 기본설정으로 기기를 초기화한 후, 클램프를 단락하고 [SHORT] 버튼을 눌러 SHORT 교정을 수행합니다
• 2. 클램프를 서로 20 cm 이상 간격으로 배치하고 [OPEN]을 눌러 OPEN 교정을 수행합니다. 이제 C-D 모드로 전환하고 클램프의 팁이 닿지 않을 정도로 잡은 상태에서 측정 결과를 확인합니다. 추가 구성요소를 연결하지 않고 클램프 위치만 변경해도 약 3 pF가 표시됩니다.

이 실험은 애플리케이션에 적합한 테스트 어댑터를 선택하는 것이 매우 중요함을 보여줍니다. R&S®HZ181 4-터미널 테스트 장치는 유선 구성요소에 적합하며 거리 문제가 발생하지 않는 구조입니다.

테스트 스트럭쳐 교정

알려지지 않은 기기를 측정할 때에는 최적의 성능 및 정확도를 달성할 수 있도록 기기를 가용한 모든 주파수(20 Hz부터 200 kHz까지 69단계)에서 교정하는 것이 좋습니다. 적절한 테스트 어셈블리를 선택하고 기기를 30분 이상 예열한 후 아래 단계에 따라 교정을 수행합니다.

• [RECALL] [9]를 눌러 기기를 출고시 기본설정으로 초기화합니다. 모든 주파수에서 교정하려면 [SELECT] [3]을 누르고 로터리 노브를 사용하여 (Mode)로 변경하고 노브를 누릅니다. 이제 "SGL"을 "All"로 변경하고 노브를 다시 누른 다음 [ESC]를 눌러 메뉴를 닫습니다
• 이제 클램프를 단락하고 [SHORT]를 눌러 SHORT 교정을 수행할 수 있습니다. 2분 미만 동안 SHORT 교정이 실행됩니다
• 그런 다음 클램프를 열고(Kelvin 클램프를 사용할 경우 측정 목적에 따라 대략적으로 동일한 위치인지 확인) [OPEN]을 눌러 OPEN 교정을 수행합니다. 이 작업은 2분 미만이 소요됩니다

알려지지 않은 유도체 측정

참고: 강자성 코어 소재가 함유된 유도체는 일반적으로 특정 주파수 대역에 대해 지정됩니다. 유도체를 이 대역 밖의 측정 주파수로 테스트할 경우 결과가 유도체 사양과 다를 수 있습니다. 이 점은 미리 점검해야 합니다. 가장 먼저 테스트 신호 레벨 표시등을 켭니다.

• [SELECT] [2]를 누릅니다
• 로터리 노브를 사용하여 (Vm/Im)으로 변경합니다
• 값을 "ON"으로 변경하고 노브를 다시 누릅니다
• [ESC]를 사용하여 메뉴를 닫습니다

이제 알려지지 않은 유도체를 테스트 구조에 연결하고 [Z – Φ]를 눌러 Z/Φ 측정으로 변경합니다. 위상각은 양의 값이어야 합니다.

이제 최선의 획득 주파수를 검색합니다.

• [FREQ]를 누릅니다
• Φ를 최대한 90°와 가깝게 유지한 상태에서 노터리 노브를 사용하여 주파수를 변경합니다
• [L – R]를 누릅니다

이제 인덕턴스가 직렬 저항과 함께 표시됩니다. 전압이 크게 강하하지 않는지 확인합니다(공칭 전압의 35%까지 강하 허용 - 이 경우 공칭 전압은 1V. 디스플레이 왼쪽 상단의 "LEV" 섹션 확인).

알려지지 않은 커패시터 측정

참고: 금 커패시터의 경우 비활성 소재이므로 R&S®HM8118을 사용하여 측정할 수 없습니다.

테스트 신호 레벨 표시등을 켜고 알려지지 않은 커패시터를 테스트 구조에 연결합니다.

[Z – Φ]를 눌러 Z/Φ 측정으로 변경합니다(위상각은 음의 값이어야 함). 이제 최선의 획득 주파수를 검색합니다.

• [FREQ]를 누릅니다
• Φ를 최대한 –90°와 가깝게 유지한 상태에서 노터리 노브를 사용하여 주파수를 변경합니다
• [C – D]를 누릅니다

이제 커패시턴스가 직렬 저항과 함께 표시됩니다.

전압이 크게 강하하지 않는지 확인합니다(공칭 전압의 35%까지 강하 허용 - 이 경우 공칭 전압은 1V. 디스플레이 왼쪽 상단의 "LEV" 섹션 확인).

추가 정보

전압이 공칭값의 35% 미만으로 강하할 경우 정전압 모드로 전환합니다. 이 모드로 변경할 때에는 이전에 수행한 교정이 유효합니다.

정전압 모드가 유효한 경우(ON) 소스 저항이 25 Ω으로 사전 설정됩니다. 테스트 대상 구성요소에 적용된 전압은 임피던스가 25 Ω보다 훨씬 높은 모든 구성요소에 대해 거의 일정합니다. 이 경우 이보다 낮은 인덕턴스 값에서 대부분 결과가 향상될 수 있습니다. 이 모드에서 작업할 경우 정확도가 2배로 감소한다는 점을 참고하는 것이 중요합니다.

또한 튜닝하지 않고도 의도한 작동 주파수를 사용하여 DUT의 특성을 확인할 수 있습니다. 이 방식에서는 "SGL" 모드(기기 메뉴 "CORR" – "MODE: SGL")를 사용하여 이 주파수에 대해서만 교정을 수행할 수 있습니다.

참조자료

• R&S®HM8118 사용자 매뉴얼
• R&S FAQ "특정 교정을 사용하여 HM8118을 시작하는 방법"
• R&S FAQ "HM8118 동일 코일에서의 다른 측정 결과"
• R&S FAQ "외부 BIAS를 사용하기 위한 HM8118"