Het meten van de Q factor van LC kringen

Terug naar de index

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.
EÚn -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 (bandwidthBW= 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 be´nvloed.
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 (ge´soleerde) 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 diŰlectrische 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 be´nvloeden.

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.

Terug naar de index