Laboratorium Półprzewodniki Dielektryki Magnetyki Ćwiczenie nr 12 Pomiary dielektryków i magnetyków metodami klasycznymi

Transkrypt

1 Laboratorium Półprzewodniki Dielektryki Magnetyki Ćwiczenie nr 1 Pomiary dielektryków i magnetyków metodami klasycznymi I. Zagadnienia do przygotowania: 1. definicje parametrów materiałowych i ich jednostki: przenikalności elektrycznej (ε), magnetycznej (μ) konduktywności (σ), współczynnika stratności (tg δ) i dobroci (Q). metody pomiaru elementów elektronicznych: mostkowe i rezonansowe 3. sposób wyznaczania parametrów materiałowych:ε(ω), σ(ω),ρ(ω), m(ω) z pomiarów impedancji lub admitancji 4. sposób wyznaczania parametrów:µ, µ i Q z pomiarów impedancji lub admitancji 5. wpływ parametrów materiałowych na parametry elektryczne rezystorów, kondensatorów i induktorów 6. elektryczne układy zastępcze rzeczywistych rezystorów, kondensatorów oraz induktorów 7. liczby zespolone (sposoby zapisu, prezentacja graficzna, podstawowe działania) II. Program ćwiczenia: 1. zaznajomienie się z aparaturą do pomiaru właściwości zmiennoprądowych materiałów metodami mostkowymi i rezonansowymi. pomiar charakterystyk częstotliwościowych podzespołów elektronicznych 3. wyznaczanie parametrów materiałowych dielektryków i magnetyków: ε, μ, σ, tg δ, Q 4. porównanie otrzymanych wyników z danymi katalogowymi. III. Literatura: 1. wykład Dielektryki i magnetyki Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki 1

2 1. Automatyczny mostek RLC Agilent 463B [1] Rysunek 1: Płyta czołowa mostka RLC 1 - wyświetlacz, - kursory, 3 - klawiatura numeryczna, 4 - enter, 5 - mierzony parametr (Meas Prmtr), 6 częstotliwość (Freq), 7 - amplituda sygnału (Level), 9 - złącza pomiarowe Podstawowe parametry pomiaru ustawia się przyciskami kursorów, klawiszem ENTER oraz: Meas Prmtr umożliwia wybór parametrów, które podlegają pomiarowi. Wyboru dokonuje się za pomocą strzałek i potwierdza przyciskiem Enter, Level pozwala na ustawienie odpowiedniego poziomu napięcia pomiarowego, Freq służy do wyboru częstotliwości sygnału pomiarowego Ogólna teoria pomiaru impedancji mostkiem 463B [1] Mostek 493B mierzy impedancję obiektu badanego (DUT) w następujący sposób: Rysunek. Uproszczony model pomiaru impedancji Rysunek pokazuje uproszczony model pomiaru impedancji w mostku 493B. Vs to poziom sinusoidalnego sygnału pobudzającego, Rs to rezystancja źródła. Jeśli prąd płynący przez DUT wynosi I w czasie gdy napięcie pobudzające wynosi V, wtedy impedancja jest określona zależnością: V Z = I Impedancja Z jest liczbą zespoloną, zawiera części rzeczywiste i urojone. Na

3 rysunku przedstawiono wektorowy zapis impedancji, w którym R [Ω] (rezystancja) to część rzeczywista impedancji, X [Ω] (reaktancja) to część urojona impedancji, Z [Ω] to moduł impedancji, θ to faza impedancji, wyrażana w stopniach bądź radianach. Rysunek 3. Wektorowe przedstawienie impedancji. Impedancję Z da się również przeliczyć na admitancję Y w następujący sposób: 1 Y = Z Rysunek 4. Zależności pomiędzy impedancją a admitancją. Admitancja jest wygodniejsza od impedancji do opisywania właściwości równoległych połączeń elementów, co widać na rysunku 4. Rysunek 5. Wektorowe przedstawienie admitancji. Wielkości na rysunu 5: G [S] to konduktancja, B [S] to admitancja a Y [S] to moduł admitancji. Uwaga: z wyjątkiem szczególnych przypadków R G -1, X B -1. Przeliczenia pomiędzy tymi wielkościami są możliwe wyłącznie poprzez zastosowanie zależności z rys. 3, 4 i 5. Mostek 463B umożliwia przedstawienie mierzonej impedancji bądź impedancji w postaci ich składowych rzeczywistej i urojonej albo modułu i fazy. Dodatkowo, możliwe jest wyliczenie wartości szeregowych lub równoległych układów zastępczych (rysunek 6), gdzie: - Ls [H] szeregowa indukcyjność równoważna - Lp [H] równoległa indukcyjność równoważna - Cs [F] szeregowa pojemność równoważna - Cp[F] równoległa pojemność równoważna - Q dobroć - D współczynnik strat (również nazywany tg δ) 3

4 Rysunek 6. Zależności pomiędzy mierzonymi parametrami. 1.. Sposób pomiaru: 1. umieścić element mierzony w klamrach pomiarowych,. wybrać żądany parametr elementu (np. Z i φ), 3. ustawić poziom napięcia pomiarowego na 50 mv dla kondensatora elektrolitycznego, bądź wyższe, wskazane przez prowadzącego, dla innych elementów, 4. Zmierzyć impedancję dla różnych częstotliwości (0.1, 1, 10, 100 khz) bądź częstotliwości podanej przez prowadzącego. Q-metr Marconi Instruments TF 145, 3. zaciski obwodu m.cz. 4. zaciski obwodu w.cz. 6. wejście generatora 7. lampka kontrolna zasilania 8. wyłącznik zasilania 9. zerowanie Q 10. wskaźnik mnożnika Q 11. przełącznik zakresów Q 1. diagram konwersji C-L 13. miernik Q i δq 14. gniazdo śruby mocującej przystawkę do dielektryków 15. regulacja zera δq 16. główne i pomocnicze pokrętło kondensatora strojonego Rysunek 7: Płyta czołowa Q-metru 4

5 .1. Pomiar parametrów elementów indukcyjnych za pomocą Q-metru metoda bezpośrednia Wartości indukcyjności pomiędzy 40 nh i 100 mh mogą być zmierzone przez bezpośrednie przyłączenie do zacisków obwodu. Indukcyjność jest mierzona w momencie doprowadzenia do rezonansu cewki i kondensatora strojonego. W takim przypadku indukcyjność może być określona przy pomocy diagramów umieszczonych na górnej pokrywie Q-metru Wykonanie pomiaru 1. Dołączyć mierzony induktor do wejść HI I i LO obwodu m.cz... Ustawić amplitudę generatora (Output level) na taką, która powoduje najbardziej zbliżony do 1 odczyt mnożnika (Q Multipier). W przypadku niektórych induktorów najlepszy możliwy do uzyskania mnożnik może się znacznie różnić od Korzystając z tabeli umieszczonej na górnej pokrywie Q-metru, wybrać częstotliwość, która odnosi się do spodziewanej wartości indukcyjności. Częstotliwości testowe z tabeli są oznaczone kropkami na tarczy generatora. 4. Ustawić pokrętło pomocnicze kondensatora strojonego, służące do precyzyjnego ustawienia pojemności, w pozycji Doprowadzić obwód do rezonansu (maksymalna wartość Q) za pomocą kondensatora strojonego. Strojenia pojemności rezonansowej dokonywać powoli. 6. Ustawić pokrętło główne kondensatora strojonego na najbliższej pełnej podziałce. 7. Za pomocą pokrętła strojenia precyzyjnego doprowadzić układ do rezonansu. Ruch pokrętła strojenia precyzyjnego powoduje precyzyjny obrót pokrętła głównego. 8. Zanotować ustawioną pojemność (czerwona skala na obu pokrętłach) jako C ind. 9. Zamienić pojemność C ind na indukcyjność przez skorelowanie wartości C ind i L ind ze skali "A" lub "B" (górna pokrywa przyrządu). Indukcyjność przy danej częstotliwości może być również oszacowana wyrażeniem: L 1 ind = ω C (1) 10. Wprowadzić poprawkę wynikającą z pojemności własnej mierzonego induktora. Należy użyć wyrażenia wyrażenia: L x = L ind ind Cind Cind Dla małych wartości mierzonej indukcyjności (mniejszych od 100 nh) należy od wyniku odjąć resztkową indukcyjność obwodu. Dla małych częstotliwości wynosi ona 9,8 nh, dla dużych,8 nh... Pomiar parametrów materiałów dielektrycznych za pomocą Q-metru Do pomiarów przenikalności (stałej dielektrycznej) materiałów izolacyjnych używa się przystawki TJ 155C/1 (Dielectric Loss Test Jig). Głowicę włącza się w obwód niskich częstotliwości poprzez końcówki HI i E obwodu m.cz. (rys. 1: 5,6). Mocowana dokonuje się za pomocą śruby wkręcanej do odpowiedniego gniazda w przyrządzie (rys. 1: 15). Pokrętła przystawki powinny być skierowane ku górze. Śruba mocująca przechodzi przez otwór wykonany w izolatorze pomiędzy pokrętłami mikrometrycznymi. Kondensator mikrometryczny po lewej stronie ma charakterystykę liniową i jest używany do określenia szerokości pasma częstotliwości. Kondensator po prawej jest kondensatorem płaskim z elektrodami przytrzymującym mierzoną próbkę. C 0 ( ) 5

6 ..1. Wykonanie pomiarów. Procedura opisana poniżej jest podstawową i zalecaną metodą pomiaru. 1. Ustawić pokrętło główne kondensatora strojonego na minimum pojemności.. Podłączyć głowicę TJ 155C/1 do końcówek HI I i E układu niskiej częstotliwości. 3. Podłączyć odpowiednią cewkę rezonansową do końcówek LO i HI obwodu m.cz. Należy użyć adaptera przesuwającego cewkę względem zacisków zakładanego na jedno z wyprowadzeń. 4. Włożyć próbkę pomiędzy płaskie elektrody kondensatora i zmierzyć jej grubość D 1. Używać pokrętła ze sprzęgłem umieszczonego na samym końcu regulatora (kręcić tylko do zadziałania sprzęgła!). 5. Ustawić kondensator liniowy na 1,5 mm. 6. Doprowadzić do rezonansu obwód pomiarowy. W rezonansie wskazówka Q osiąga maksymalne wychylenie. Częstotliwości należy zmieniać wybierając kolejno zakresy generatora i regulując powoli częstotliwość dla każdego zakresu. W razie potrzeby zmienić zakres miernika Q. Tak ustalonej częstotliwości nie należy zmieniać. 7. Wyregulować amplitudę generatora tak, aby wskazówka Q wychyliła się do maksimum wybranego zakresu (jeśli to możliwe). 8. Rozstrajając tylko kondensator liniowy zanotować jego odczyt mikrometryczny powyżej i poniżej rezonansu, kiedy odczytane wskazanie Q jest połową wartości w rezonansie. Niech całkowita zmiana odczytana na mikrometrze (od wartości poniżej rezonansu do wartości powyżej rezonansu) będzie oznaczona jako M Nastawić kondensator liniowy z powrotem na rezonans (1,5mm). 10. Usunąć próbkę i bez zmiany częstotliwości generatora doprowadzić ponownie do rezonansu przestrajając obwód kondensatorem płaskim. Nowe ustawienie kondensatora płaskiego oznaczyć jako D. Ponownie wyregulować amplitudę generatora (patrz p. 7) 11. Rozstroić kondensator liniowy i zanotować jego odczyt mikrometryczny powyżej i poniżej rezonansu, kiedy odczyt wskazanego Q spada do połowy wartości w rezonansie dla obwodu bez dielektryka. Niech całkowita zmiana odczytana na mikrometrze (od wartości poniżej rezonansu do wartości powyżej rezonansu) będzie oznaczona jako M.... Obliczenia. Przenikalność dielektryczna próbki jest dana przez: D1 ε ' = k D (3) Wzór ten daje dokładność wyników na poziomie 5%. Tangens strat próbki określony jest zależnością: P( M1 M ) tgδ x = D 15,5 (5) gdzie: D 1, D wartości podane w milimetrach; P współczynnik dla liniowego kondensatora podany na pokrywce pudełka od głowicy; Zarówno przenikalność jak i współczynnik strat można wyznaczyć z lepszą dokładnością korzystając z poprawek wynikających z krzywych kalibracyjnych Q-metru, zawartych w instrukcji do urządzenia. 6

7 .3. Ilustracja graficzna rezonansowych metod pomiaru elementów LC i dielektryków. L Hi Lo C o pojemność własna cewki C o= 6 pf Lo Hi Uproszczony schemat układu pomiarowego Cewka wzorcowa L 1. Pomiar cewek powietrznych i z rdzeniem magnetycznym L 1 x = Qx C, ω. Pomiary kondensatorów (C< 500 pf) C X = C 1 C C tgδ = C 1 x N Q1 Q Q1Q 3. Pomiary materiałów dielektrycznych U M, D ω r M 1, D 1 ω Charakterystyka przestrajania obwodu rezonansowego Pomiar szerokości połówkowej krzywej rezonansowej kondensatora z dielektrykiem: badanym (D 1,M 1 ) powietrznym (D,M ) D1 ε = D P (M1 M ) tgδ = D 15.5 gdzie: P = 0.36 ε = ε tgδ 7

8 3. Przebieg ćwiczenia 1. Dokonać pomiarów geometrii wskazanego przez prowadzącego induktora lub kondensatora oraz wskazanego parametru elektrycznego (impedancji lub admitancji) przy zadanej częstotliwości. Obliczyć parametry materiału użytego do konstrukcji badanego elementu.. Przygotować cewkę z drutu nawojowego o wskazanej przez prowadzącego indukcyjności i dokonać pomiaru jej indukcyjności za pomocą Q-metru. 3. Dokonać pomiaru materiału dielektrycznego przy pomocy Q-metru. Wyznaczyć wszystkie wskazane parametry Sposób wyznaczania parametrów materiałowych z pomiarów zmiennoprądowych ε,σ S d ρ, m d S ε ( ω )= C( ω) d/s σ ( ω )= Y( ω ) d/s m( ω )= M( ω ) S/d ρ ( ω )= Z( ω ) S/d ρ(ω) odωρotność σ(ω) S/d d/s Z(ω) odωρotność Y(ω) jω 1/jω 1/jω jω m(ω) odωρotność ε(ω) S/d d/s M(ω) odωρotność C(ω) 4. Referencje [1] Agilent 463B LCR Meter Operation Manual, Agilent Technologies, 6 th edition 8