CN110824250A - 一种测量大频率范围内电感l和esr的装置 - Google Patents

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姚凯
陈恺立
唐焕奇
李垒
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Abstract

本发明公开了一种测量大频率范围内电感L和ESR的装置。该装置包括方波产生电路、待测电感以及一只参数已知的功率负载电阻；方波产生电路中的反馈电阻选用10MΩ的电位器，通过调节电位器可改变方波的频率在50Hz～300kHz之间变化，产生的方波接入待测电感和功率负载电阻的串联电路中，然后测量负载电阻上的电压即可求得电感在不同频率下的感值L和等效串联电阻ESR。本发明能准确测出电感L和ESR的值，且电路结构简单，成本低，测量频率变化范围大。

Description

一种测量大频率范围内电感L和ESR的装置
技术领域
本发明属于电能变换装置中的测量技术领域，特别是一种测量大频率范围内电感L和ESR的装置。
背景技术
由于电路设计的需要，电感在电力电子设备中的应用十分广泛，且电感在电路中的设计和选取非常关键。LCR测试仪是测电感L、电容C、电阻R以及Q值的一种电子测量仪器，LCR测试仪的端接技术是影响测量结果的关键性技术，端接技术从简单到复杂主要有：两端式、三端式、四端式、五端式和四端对，目前的台式LCR大多采用四端式，因为四端式的LCR测试仪经济实用，其性能能够满足大多数测量的要求，因此被广泛采用。目前主流的LCR测试仪因为采用的是数字电桥原理，因此机箱体积大，价格昂贵，很不方便使用，不能得广泛的普及。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电路结构简单、成本低、测量频率范围大的测量大频率范围内电感L和ESR的装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种测量大频率范围内电感L和ESR的装置，包括方波产生电路、待测电感以及一只参数已知的功率负载电阻；
所述方波产生电路产生的方波接入待测电感和功率负载电阻的串联电路中，然后测量功率负载电阻上的电压，求得待测电感在不同频率下的感值L和等效串联电阻ESR。
进一步地，方波产生电路中的反馈电阻选用10MΩ的电位器，通过调节电位器改变方波的频率在50Hz～300kHz之间变化。
进一步地，所述的方波产生电路包括第一运算放大器A1、第一电容C1、反馈电阻Rf、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一稳压二极管DZ1、第二稳压二极管DZ2，其中第一电容C1的一端与第一运算放大器A1的负向输入端连接，另一端为参考电位零点，反馈电阻Rf的一端与第一运算放大器A1的负向输入端连接；第一电阻R1与第二电阻R2串联后，公共端与第一运算放大器A1的正向输入端连接，第一电阻R1的另一端同时与反馈电阻Rf和第三电阻R3连接，第二电阻R2与参考电位零点连接，第三电阻R3的另一端与第一运算放大器的输出端连接，第一稳压二极管DZ1和第二稳压二极管DZ2串联后，一端与第一电阻R1和第三电阻R3的公共点连接，另一端与参考电位零点连接。
进一步地，所述的待测电感包括电感Lm及其等效串联电阻ESR，其中电感Lm和等效串联电阻ESR串联后，一端与第一稳压二极管DZ1的阴极连接，另一端与功率负载电阻中的第四电阻R4的一端连接。
进一步地，所述的功率负载电阻包括第四电阻R4，第四电阻R4的一端与方波产生电路中的第二稳压二极管DZ2相连，另一端与待测电感中的等效串联电阻ESR连接。
进一步地，所述的功率负载电阻为0.5Ω精密电阻。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)可准确测量电感的ESR和L值；(2)电路结构简单、成本低，测量频率变化范围大。
附图说明
图1是本发明测量大频率范围内电感L和ESR的装置的电路结构图。
图2是本发明中方波产生电路的工作原理图。
图3是本发明中电感测量装置的简化示意图。
图4是频率为10kHz时功率负载电阻两端电压随时间变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方案对本发明作出进一步详细说明。
本发明设计一种测量大频率范围内电感L和ESR的装置。
1、理论推导：
图1是电感测量装置的电路结构图，图2是一个方波典型周期内，输出端及电容C1上的电压波形。设t＝0时，vc＝-FVz，则在半个周期内，电容C1上的电压vc将以指数规律由-FVz向+FVz方向变化，电容器端电压随时间变化规律为：
Figure BDA0001756491440000021
其中，vc1是电容C1两端的电压，Vz是稳压二极管的电压，F是电路的正反馈系数，且
Figure BDA0001756491440000022
设T为方波的周期，当t＝T/2时，vc(T/2)＝FVz，代入式(1)可得：
Figure BDA0001756491440000023
对T求解，可得：
Figure BDA0001756491440000031
选取R1＝R2＝1kΩ，C1＝0.01uF，Rf为10MΩ的电位器，通过调节电位器的阻值，可实现方波频率从50Hz变化到300kHz。
将方波发生电路简化为方波信号，得到电容测量装置的简化示意图，如图3所示。从电流的角度分析，根据基尔霍夫电流定律可知在0～T/2内有：
其中，vm表示方波信号的幅值，i(t)表示电路中的电流，ESR表示待测电感的等效串联电阻，R4表示功率负载电阻，Lm表示待测电感的感值，i(0)表示流过电感的初始电流且i(0)>0。
对式(4)的两边分别求导可得：
Figure BDA0001756491440000033
对式(5)的两边分别进行拉普拉斯变换，可得：
Figure BDA0001756491440000034
根据式(6)，有：
Figure BDA0001756491440000035
对式(7)求反拉普拉斯变换可得0～T/2内的电流表达式为：
Figure BDA0001756491440000036
同理可得T/2～T内的电流表达式为：
Figure BDA0001756491440000037
由于电感电流具有连续性，结合式(8)和式(9)可得：
Figure BDA0001756491440000041
由式(10)的方程组联立可以求得i(0)和i(T/2)的值为：
Figure BDA0001756491440000042
将i(0)的表达式代入式(8)并化简可得电流表达式为：
Figure BDA0001756491440000043
根据式(12)，可以求得负载电流R4两端的电压表达式为：
Figure BDA0001756491440000044
由表达式(13)可以看出，功率负载电阻R4两端的电压随时间的改变而改变，其中，R4、vm、T为已知量。图4给出了10kHz频率下电阻R4两端电压随时间变化曲线，通过测量R4两端的电压即可求得电感L和ESR的值。
2、本发明测量大频率范围内电感L和ESR的装置
结合图1，本发明测量大频率范围内电感L和ESR的装置，其特征在于，包括方波产生电路1、待测电感2以及一只参数已知的功率负载电阻3；
所述方波产生电路1产生的方波接入待测电感2和功率负载电阻3的串联电路中，然后测量功率负载电阻3上的电压，求得待测电感2在不同频率下的感值L和等效串联电阻ESR。
方波产生电路1中的反馈电阻选用10MΩ的电位器，通过调节电位器改变方波的频率在50Hz～300kHz之间变化。
所述的方波产生电路1包括第一运算放大器A1、第一电容C1、反馈电阻Rf、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一稳压二极管DZ1、第二稳压二极管DZ2，其中第一电容C1的一端与第一运算放大器A1的负向输入端连接，另一端为参考电位零点，反馈电阻Rf的一端与第一运算放大器A1的负向输入端连接；第一电阻R1与第二电阻R2串联后，公共端与第一运算放大器A1的正向输入端连接，第一电阻R1的另一端同时与反馈电阻Rf和第三电阻R3连接，第二电阻R2与参考电位零点连接，第三电阻R3的另一端与第一运算放大器的输出端连接，第一稳压二极管DZ1和第二稳压二极管DZ2串联后，一端与第一电阻R1和第三电阻R3的公共点连接，另一端与参考电位零点连接。
所述的待测电感2包括电感Lm及其等效串联电阻ESR，其中电感Lm和等效串联电阻ESR串联后，一端与第一稳压二极管DZ1的阴极连接，另一端与功率负载电阻3中的第四电阻R4的一端连接。
所述的功率负载电阻3包括第四电阻R4，第四电阻R4的一端与方波产生电路1中的第二稳压二极管DZ2相连，另一端与待测电感2中的等效串联电阻ESR连接。、
所述的功率负载电阻3为0.5Ω精密电阻。
综上所述，本发明的测量大频率范围内电感L和ESR的装置，具有设计简便、电路结构简单、成本低、测量频率范围大的优点。

Claims (6)

1.一种测量大频率范围内电感L和ESR的装置，其特征在于，包括方波产生电路(1)、待测电感(2)以及一只参数已知的功率负载电阻(3)；
所述方波产生电路(1)产生的方波接入待测电感(2)和功率负载电阻(3)的串联电路中，然后测量功率负载电阻(3)上的电压，求得待测电感(2)在不同频率下的感值L和等效串联电阻ESR。
2.根据权利要求1所述的测量大频率范围内电感L和ESR的装置，其特征在于，方波产生电路(1)中的反馈电阻选用10MΩ的电位器，通过调节电位器改变方波的频率在50Hz～300kHz之间变化。
3.根据权利要求2所述的测量大频率范围内电感L和ESR的装置，其特征在于，所述的方波产生电路(1)包括第一运算放大器A1、第一电容C1、反馈电阻Rf、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一稳压二极管DZ1、第二稳压二极管DZ2，其中第一电容C1的一端与第一运算放大器A1的负向输入端连接，另一端为参考电位零点，反馈电阻Rf的一端与第一运算放大器A1的负向输入端连接；第一电阻R1与第二电阻R2串联后，公共端与第一运算放大器A1的正向输入端连接，第一电阻R1的另一端同时与反馈电阻Rf和第三电阻R3连接，第二电阻R2与参考电位零点连接，第三电阻R3的另一端与第一运算放大器的输出端连接，第一稳压二极管DZ1和第二稳压二极管DZ2串联后，一端与第一电阻R1和第三电阻R3的公共点连接，另一端与参考电位零点连接。
4.根据权利要求3所述的测量大频率范围内电感L和ESR的装置，其特征在于，所述的待测电感(2)包括电感Lm及其等效串联电阻ESR，其中电感Lm和等效串联电阻ESR串联后，一端与第一稳压二极管DZ1的阴极连接，另一端与功率负载电阻(3)中的第四电阻R4的一端连接。
5.根据权利要求3或4所述的测量大频率范围内电感L和ESR的装置，其特征在于，所述的功率负载电阻(3)包括第四电阻R4，第四电阻R4的一端与方波产生电路(1)中的第二稳压二极管DZ2相连，另一端与待测电感(2)中的等效串联电阻ESR连接。
6.根据权利要求5所述的测量大频率范围内电感L和ESR的装置，其特征在于，所述的功率负载电阻(3)为0.5Ω精密电阻。
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