Het meten van de Q factor van LC kringen
Het bepalen van de Q factor gaat in theorie als volgt:
Stap 1:
Koppel een hoogfrequent signaal generator aan de LC kring.
De koppeling tussen de generator en de kring moet zeer licht zijn, anders zal de
uitgangsweerstand van de generator de kring teveel belasten en meten we een te
lage Q.
Stap 2:
Stel de signaalgenerator in op de frequentie waarbij we de Q
willen bepalen.
Stel de LC kring in (draai aan afstemcondensator) zodat de spanning
over de kring zo hoog mogelijk is, de kring is nu in resonantie, deze frequentie
is de resonantie frequentie van de kring (f.res).
Stap 3:
Meet de spanning over de kring bij de resonantie frequentie (f.res).
Stap 4:
Varieer de frequentie van de generator iets boven en onder de resonantie
frequentie en bepaal de twee frequenties waarbij de spanning over de kring is
afgenomen tot 0,707 maal de waarde bij f.res.
Een spanningafname tot 0,707 maal, noemen we een -3 dB punt.
Eén -3 dB punt ligt iets onder f.res, die frequentie noemen we fl.
het andere -3dB punt ligt iets boven f.res, die frequentie noemen we fh.
Stap 5:
Bereken de bandbreedte BW (bandwidth) BW= fh - fl.
Bereken nu de Q als volgt: Q= f.res / BW
Voor het uitvoeren van deze 5 stappen kunnen de volgende meetopstellingen gebruikt worden:
Meet opstelling 1 Het meten van de Q factor met een signaal generator en een probe.
In het bovenstaande schema zien we van links naar rechts de volgende componenten:
Een signaal generator
Een koppelspoel
De LC kring
Een 1:100 oscilloscoop probe
Een oscilloscoop.
Verbind de uitgang van de signaalgenerator met een koppelspoel van b.v 50
windingen, plaats deze koppelspoel op ongeveer 20 cm van de te meten spoel van de LC
kring.
De koppelspoel hoeft geen hoge Q factor te hebben.
Door de 20 cm afstand tussen de spoelen ontstaat een lichte koppeling tussen de
spoelen.
Verbind de meetprobe met de LC kring.
De aardeverbinding van de probe komt altijd aan de behuizing van de
afstemcondensator.
De meetprobe is aangesloten aan de oscilloscoop.
De meetprobe zorgt ervoor dat de LC kring slechts weinig wordt belast, waardoor
de Q factor niet veel wordt beïnvloed.
Er zijn ook 1:1 en 1:10 meetprobes, maar die vormen een te grote belasting voor
de LC kring.
De door mij gebruikte 1:100 probe heeft een ingangsweerstand van 100 M.Ohm, en
een ingangscapaciteit van 4 pF.
De uitgangsspanning uit de generator moet zo hoog worden gezet, dat de scoop
een duidelijk beeld geeft van het hoogfrequent signaal.
Vanwege de 100 maal verzwakking welke de probe geeft, moet de signaalgenerator
een vrij grote uitgangsspanning hebben.
Tijdens het meten van kringen met een lage Q factor moest ik de signaalgenerator
uitsturen tot zijn maximum van 20 Volt top-top.
Voor het meten van de Q: voer de 5 stappen uit zoals hierboven beschreven.
Het instellen van de frequentie gebeurt handmatig door aan de frequentieknop
van de signaal generator te draaien.
Meetopstelling 2 Het meten van de Q factor met een sweep generator en een probe.
In dit schema zien we van links naar rechts de volgende componenten:
Een sweep signaal generator
Een koppelspoel
De LC kring
Een 1:100 oscilloscoop probe.
Een oscilloscoop
Deze methode maakt gebruik van een sweep generator, dat is een
signaalgenerator waarvan de frequentie continu varieert tussen
twee ingestelde waarden.
Ik gebruik een sweep function generator van het merk Hung Chang
met modelnummer G305, deze kan signalen opwekken tot 10 MHz, hij
heeft een "sweep out" uitgang waar een spanning uit
komt welke op en neer gaat met het "sweepen".
De "sweep out" wordt verbonden met de X ingang van de oscilloscoop, de oscilloscoop zetten we in de stand X-Y.
Het lichtpuntje op het oscilloscoop scherm gaat nu van links naar
rechts en weer terug, en dit vormt een frequentieschaal, met
links de startfrequentie en rechts de stopfrequentie van de sweep
generator.
De sweep frequentie zetten we op ongeveer 10 Hertz, dat wil zeggen dat de
frequentie 10 keer per seconde van startfrequentie naar stopfrequentie loopt en
weer terug.
De Y ingang van de oscilloscoop verbinden we via de 1:100 probe met de LC kring.
De signaal uitgang van de sweep generator verbinden we met de koppelspoel welke we op ongeveer 20 cm afstand van de spoel uit de LC kring houden.
 |
Boven: sweep signaal generator. Onder: oscilloscoop met de curve van de LC kring op het scherm. |
Als we aan de afstemcondensator draaien, zullen we de curve van de LC kring
op het scherm te zien krijgen.
Regel met de amplitudeknop van de sweep generator de hoogte van de top van de
curve af op 2,83 cm.
(De afstand van top-top is dan 2 x 2,83= 5,66 cm).
Bepaal de breedte van de curve op een hoogte van 2 cm, dat is het -3dB punt ( want 2,83 x 0,707= 2).
Bereken de bandbreedte:
BW= (stopfrequentie-startfrequentie)x breedte curve bij -3 dB / totale
schermbreedte.
En de Q factor: Q= f.res / BW
Het grote voordeel van deze meetmethode is dat veranderingen in de resonantie
frequentie van de LC kring direct te zien zijn op het scherm.
Ook veranderingen in Q factor zijn direct te zien doordat de hoogte van de top
dan zal veranderen.
Bij kringen met een hoge Q zien we de hoogte van de top b.v halveren als we de
(geïsoleerde) litzedraad met onze vingers aanraken.
Meetopstelling 3 Het meten van de Q factor met een sweep generator en een versterker.
In dit schema zien we van links naar rechts de volgende componenten:
Een sweep signaal generator
Een koppelspoel
De LC kring
Een versterker
Een oscilloscoop
Bij het gebruik van de 1:100 probe tussen LC kring en oscilloscoop zijn er twee problemen.
a- Vanwege de verzwakking van 100 maal zal de amplitude op de oscilloscoop
vaak een zeer kleine waarde hebben.
b- De probe kan diëlectrische verliezen hebben waardoor de Q factor van de
kring vermindert.
Om deze twee problemen op te lossen heb ik de probe vervangen door een
zelfgebouwde versterker met een
versterking van 1x.
Hierdoor zal amplitude op de oscilloscoop 100 keer groter zijn dan bij de 1:100
probe.
De ingang van de versterker gebruikt een FET (Field Effect Transistor) en
een capacitive spanningsdeler welke de kring slechts zeer weinig belast.
Een compleet schema van de versterker vindt je hier
Verder is de meetopstelling gelijk aan meetopstelling 2.
Meetopstelling 4 Het meten van de Q factor met een DDS generator en een versterker.
In dit schema zien we van links naar rechts:
Een DDS signaal generator
Een koppelspoel
De LC kring
Een versterker
Een oscilloscoop
DDS betekent "Direct Digital Synthesis".
Het uitgangssignaal wordt bij een DDS generator op een digitale manier
opgewekt.
Het grote voordeel van dit soort generator is de grote nauwkeurigheid waarmee
de uitgangsfrequentie kan worden ingesteld.
Ook heeft de uitgangsspanning een zeer lage vervorming.
De door mij gebruikte DDS generator is een bouwpakket van de firma ELV
.
Je kunt hem ook als compleet gebouwde en geteste print kopen.
De specificaties zijn:
Uitgangsfrequentie: 0,1 Hz -- 20 MHz.
Uitgangsspanning: 0 -- 4Volt top-top (onbelast).
Uitgangsimpedantie: 50 Ohm.
Frequentie instelling in stappen van minimaal 0,1 Hz (tot 10 MHz
uitgangsfrequentie).
Frequentie instelling in stappen van minimaal 1 Hz (10 tot 20 MHz uitgangsfrequentie).
Je kunt ook een ander stapgrootte instellen, b.v 10Hz, 100Hz, 1KHz enz.
|
|
| Printplaat van de DDS generator. | DDS Generator in een behuizing gebouwd. |
Ik gebruik nu de DDS generator omdat de hiervoor gebruikte sweep generator
niet nauwkeurig genoeg kon worden ingesteld op de frequentie.
Bovendien veranderde de waarde van de start en stop frequentie tijdens de
meting.
Foto van de meetopstelling.
De spoel welke op de tafel ligt is de koppelspoel welke met de DDS generator is
verbonden.
De FET versterker is via korte draadjes met afstemcondensator verbonden.
De spoel van de LC kring is bovenop een dun houten stokje geplaatst, zodat er
weinig invloed op de Q is door omliggende obstakels
Doordat de
windingen van de spoel in een horizontaal vlak liggen, pikt de spoel weinig
signaal op van radiozenders, zodat deze de meting niet beïnvloeden.
Tijdens het meten aan kringen met een hoge Q stel ik de frequentie van de DDS
generator in in stapjes van 10 Hz.
Met deze meetopstelling is naar mijn mening een betrouwbare meting mogelijk van
de Q factor
Tips voor het meten van de Q factor:
Kom tijdens de meting niet met je handen in de buurt van de LC kring, dit
heeft namelijk invloed op de afstemfrequentie van de kring en ook op de Q
factor.
Houd een minimale afstand aan van 20 cm.
Leg de spoel van de LC kring tijdens de meting niet op tafel, maar plaats hem op minstens 20 cm afstand van houten of metalen voorwerpen.