Wie man die Impedanz passiver Bauteile misst

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Messung passiver Bauteile über verschiedene Testfrequenzen hinweg

Die Messung passiver Bauelemente charakterisiert Widerstand, Kapazität und Induktivität als frequenzabhängige Impedanzgrößen, anstatt die Bauelemente als ideale Elemente mit einem festen Wert zu behandeln. Für die Messung werden ein LCR-Meter (Induktivitäts-, Kapazitäts- und Widerstandsmessgerät), geeignete Messleitungen oder eine Bauteilhalterung sowie das zu prüfende Bauteil mit kurzen, reproduzierbaren elektrischen Verbindungen benötigt. Vor der Messung sind die passende Prüffrequenz, die Messfunktion und die Ersatzschaltung für die erwartete Impedanz des Bauelements auszuwählen. Ein LCR-Meter legt ein Wechselstrom-Prüfsignal an das Bauelement an und wertet die resultierende Spannungs-Strom-Kennlinie aus, um die elektrische Impedanz zu bestimmen. Die Impedanz setzt sich aus einem Realteil, der primär dem Widerstand entspricht, und einem Imaginärteil, der mit der kapazitiven oder induktiven Reaktanz zusammenhängt, zusammen. Aus diesen Messwerten berechnet das Gerät Parameter wie Widerstand, Kapazität, Induktivität, Impedanzbetrag, Phasenwinkel, äquivalenten Serienwiderstand, Verlustfaktor und Gütefaktor. Bei der Widerstandsmessung repräsentiert der primäre Messwert den ohmschen Anteil des Bauelements, während sekundäre Parameter das reaktive Verhalten aufzeigen können, das bei höheren Frequenzen an Bedeutung gewinnt. Bei der Kapazitätsmessung ermittelt das Gerät die kapazitive Reaktanz und wandelt die gemessene Impedanz mithilfe der gewählten Testfrequenz und des Schaltungsmodells in einen äquivalenten Kapazitätswert um. Bei der Induktivitätsmessung wird analog dazu die induktive Reaktanz zur Berechnung eines äquivalenten Induktivitätswerts verwendet. Die Impedanzmessung bei verschiedenen Frequenzen ermöglicht es, das Verhalten der einzelnen Komponenten bei Reaktanzänderungen systematisch zu beobachten. Ein Widerstand kann über den Messbereich relativ konstant bleiben, während die kapazitive Reaktanz im Allgemeinen abnimmt und die induktive Reaktanz mit steigender Frequenz zunimmt. Die Messung dieser Änderungen zusammen mit Phasen- und Sekundärparametern bietet eine konsistente Methode zum Vergleich des tatsächlichen Komponentenverhaltens mit der erwarteten Serien- oder Parallelschaltungsantwort.

Der Messaufbau muss auch elektrische Einflüsse berücksichtigen, die durch die Verbindung zwischen LCR-Meter und Prüfling entstehen. Messleitungen, Kabel, Adapter, Vorrichtungen, Kontaktwiderstand, Streukapazität und Restinduktivität können Teil der gemessenen Impedanz werden, sofern ihre Auswirkungen nicht minimiert oder kompensiert werden. Die Verbindungen sollten kurz, mechanisch stabil und zwischen den Messungen konsistent sein. Die gewählte Vorrichtung sollte zum Bauteilgehäuse und dem erwarteten Impedanzbereich passen. Verfügt das Messsystem über Funktionen zur Kompensation von Unterbrechungen, Kurzschlüssen oder anderen Störungen, führen Sie die entsprechende Korrektur mit der Vorrichtung in der gleichen Konfiguration durch, die auch für das Bauteil verwendet wird. Die Unterbrechungskompensation kann den Einfluss von Streuadmittanzen, wie z. B. der Vorrichtungskapazität, reduzieren, während die Kurzschlusskompensation die Restserienimpedanz von Leitungen, Kontakten und Vorrichtungsleitern verringern kann. Schließen Sie nach der Kompensation das Bauteil an, ohne die Geometrie der Vorrichtung zu verändern, wählen Sie die erforderliche Frequenz und die Messparameter und notieren Sie den primären Widerstand, die Kapazität oder die Induktivität zusammen mit den für die Auswertung benötigten sekundären Größen. Werden Messungen über einen Frequenzbereich wiederholt, lassen sich Änderungen der Impedanzamplitude, des Phasenwinkels, des Verlustfaktors, des Gütefaktors oder des äquivalenten Serienwiderstands mit dem erwarteten Verhalten des Ersatzschaltbilds vergleichen. Reale Kondensatoren können Serienwiderstand und parasitäre Induktivität aufweisen, während reale Induktivitäten Wicklungswiderstand und parasitäre Kapazität besitzen können. Daher können die Messwerte mit der Frequenz vom Nennwert des Bauteils abweichen. Ein vollständiger Arbeitsablauf für ein LCR-Messgerät kombiniert daher Widerstands-, Kapazitäts-, Induktivitäts- und Impedanzmessung unter kontrollierten Testbedingungen. Durch die konsequente Beibehaltung der Messfrequenz, der Prüfvorrichtung, des Kompensationszustands, der Anschlussmethode und der Auswahl des Ersatzschaltbilds können die Ergebnisse einzelner Bauteile, Bauteilwerte, Serienmuster oder wiederholter Messungen am Prüfstand verglichen werden, wobei die elektrischen Bedingungen, unter denen jede Messung durchgeführt wurde, erhalten bleiben.

Lösung zur Impedanzmessung passiver Bauelemente

Die Impedanzmessung passiver Bauelemente erfordert das Anlegen kontrollierter Wechselstrom-Testsignale mit definierten Frequenzen, den Anschluss des Prüflings über eine geeignete Messvorrichtung oder Messleitung, die Kompensation der Messschnittstelle und die Messung der elektrischen Parameter, die Widerstand, Kapazität, Induktivität und Impedanzverhalten beschreiben. Die tragbaren Kapazitäts- und LCR-Messgeräte der Keysight ZA1-Klasse bieten die notwendigen Funktionen zur Widerstands-, Kapazitäts-, Induktivitäts- und Impedanzmessung bei wählbaren Testfrequenzen von 100 Hz, 120 Hz, 1 kHz und 10 kHz. Diese Frequenzeinstellungen ermöglichen es Ingenieuren, das Verhalten von Bauelementen unter verschiedenen Anregungsbedingungen zu vergleichen und Änderungen aufgrund von kapazitiver und induktiver Reaktanz sowie parasitären Effekten zu beobachten. Die Lösung unterstützt sowohl primäre Bauelementmessungen als auch sekundäre Parameter wie Impedanz, äquivalenter Serienwiderstand, Verlustfaktor, Gütefaktor und Phasenwinkel. Die automatische Identifizierung wählt die passende L-, C- oder R-Messfunktion in Verbindung mit dem sekundären Parameter und den Serien- oder Parallelmessmodus für das angeschlossene Bauelement aus. Für reproduzierbare Ergebnisse sollte die Messschnittstelle vor der Prüfung kompensiert werden. Die Verbindungen müssen kurz, stabil und konsistent sein, um den Einfluss von Restwiderstand, Streukapazität und Zuleitungsinduktivität zu minimieren. Ingenieure können dann Primär- und Sekundärmessungen über den gesamten Frequenzbereich vergleichen, um zu beurteilen, wie genau ein Bauteil dem erwarteten Verhalten des Ersatzschaltbilds entspricht. Diese Lösung zur Impedanzmessung passiver Bauteile unterstützt die kontrollierte Charakterisierung, Fehlersuche, Wareneingangsprüfung und Funktionsprüfung von Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten.
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Blockdiagramm einer Lösung zur Impedanzmessung passiver Bauelemente

Wie man die Impedanz passiver Bauelemente misst – Blockdiagramm

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