- Materiais requisitados
- Como funciona um circuito tanque?
- Configuração para medição de indutância e capacitância
- Como medir a frequência de ressonância com osciloscópio?
Resistores, indutores e capacitores são os componentes passivos mais comumente usados em quase todos os circuitos eletrônicos. Destes três, o valor dos resistores e capacitores são comumente marcados na parte superior, como código de cor do resistor ou como marcação numérica. Além disso, a resistência e a capacitância também podem ser medidas usando um multímetro normal. Mas a maioria dos indutores, especialmente os tubulares de ferrite e os tubulares de ar por algum motivo, não parecem ter nenhum tipo de marcação. Isso se torna muito irritante quando você tem que selecionar o valor certo de indutor para o projeto do seu circuito ou resgatou um de um PCB eletrônico antigo e quis saber o valor dele.
Uma solução direta para este problema é usar um medidor de LCR que pode medir o valor do indutor, capacitor ou resistor e exibi-lo diretamente. Mas nem todo mundo tem um medidor de LCR à mão, portanto, neste artigo vamos aprender como usar um osciloscópio para medir o valor do indutor ou capacitor usando um circuito simples e cálculos fáceis. Claro, se você precisar de uma maneira mais rápida e robusta de fazer isso, você também pode construir seu próprio medidor LC, que usa a mesma técnica junto com um MCU adicional para ler o valor no display.
Materiais requisitados
- Osciloscópio
- Gerador de sinal ou sinal PWM simples do Arduino ou outro MCU
- Diodo
- Capacitor conhecido (0,1uf, 0,01uf, 1uf)
- Resistor (560 ohm)
- Calculadora
Para medir o valor de um indutor ou capacitor desconhecido, precisamos construir um circuito simples chamado circuito tanque. Este circuito também pode ser chamado de circuito LC ou circuito ressonante ou circuito sintonizado. Um circuito tanque é um circuito no qual teremos um indutor e um capacitor conectados em paralelo um ao outro e, quando o circuito é energizado, a tensão e a corrente que passam por ele ressonam em uma frequência chamada frequência de ressonância. Vamos entender como isso acontece antes de seguirmos em frente.
Como funciona um circuito tanque?
Como dito anteriormente, um circuito tanque típico consiste apenas em um indutor e um capacitor conectados em paralelo. O capacitor é um dispositivo constituído por apenas duas placas paralelas capaz de armazenar energia em campo elétrico e um indutor é uma bobina enrolada sobre um material magnético que também é capaz de armazenar energia em campo magnético.
Quando o circuito é energizado, o capacitor é carregado e, quando a energia é removida, o capacitor descarrega sua energia no indutor. No momento em que o capacitor drena sua energia para o indutor, o indutor fica carregado e usaria sua energia para empurrar a corrente de volta para o capacitor em polaridade oposta para que o capacitor fosse carregado novamente. Lembre-se de que indutores e capacitores mudam de polaridade quando carregam e descarregam. Dessa forma, a voltagem e a corrente oscilam para frente e para trás, criando uma ressonância, conforme mostrado na imagem GIF acima.
Mas isso não pode acontecer para sempre porque, cada vez que o capacitor ou indutor carrega e descarrega alguma energia (voltagem) é perdida devido à resistência do fio ou como energia magnética e lentamente a magnitude da frequência de ressonância desapareceria, conforme mostrado abaixo forma de onda.
Assim que tivermos esse sinal em nosso osciloscópio, podemos medir a frequência desse sinal, que nada mais é do que a frequência ressonante, então podemos usar as fórmulas abaixo para calcular o valor do indutor ou capacitor.
FR = 1 / / 2π √LC
Nas fórmulas acima F R é a frequência ressonante, e então, se soubermos o valor do capacitor, podemos calcular o valor do indutor e, da mesma forma, sabemos o valor do indutor, podemos calcular o valor do capacitor.
Configuração para medição de indutância e capacitância
Chega de teoria, agora vamos construir o circuito em uma placa de ensaio. Aqui eu tenho um indutor cujo valor devo descobrir usando um valor conhecido de indutor. A configuração do circuito que estou usando aqui é mostrada abaixo
O capacitor C1 e o indutor L1 formam o circuito do tanque, o Diodo D1 é usado para evitar que a corrente entre de volta na fonte do sinal PWM e o resistor 560 ohms é usado para limitar a corrente através do circuito. Aqui, usei meu Arduino para gerar formas de onda PWM com frequência variável, você pode usar um gerador de função se tiver um ou simplesmente usar qualquer sinal PWM. O osciloscópio está conectado ao circuito do tanque. A configuração do meu hardware ficou assim quando o circuito foi concluído. Você também pode ver meu indutor de núcleo tórrido desconhecido aqui
Agora, ligue o circuito usando o sinal PWM e observe se há um sinal de ressonância no osciloscópio. Você pode tentar alterar o valor do capacitor se não obtiver um sinal de frequência de ressonância claro, normalmente o capacitor 0,1uF deve funcionar para a maioria dos indutores, mas você também pode tentar com valores mais baixos, como 0,01uF. Depois de obter a frequência de ressonância, ela deve se parecer com isso.
Como medir a frequência de ressonância com osciloscópio?
Para algumas pessoas, a curva aparecerá como tal; para outras, talvez seja necessário ajustar um pouco. Certifique-se de que a ponta de prova do osciloscópio esteja definida como 10x, pois precisamos do capacitor de desacoplamento. Defina também a divisão de tempo em 20us ou menos e diminua a magnitude para menos de 1V. Agora tente aumentar a frequência do sinal PWM, se você não tiver um gerador de forma de onda, tente diminuir o valor do capacitor até notar a frequência de ressonância. Depois de obter a frequência de ressonância, coloque o osciloscópio em uma seq. modo para obter uma forma de onda clara como a mostrada acima.
Depois de obter o sinal, temos que medir a frequência deste sinal. Como você pode ver, a magnitude do sinal diminui à medida que o tempo aumenta, então podemos selecionar qualquer ciclo completo do sinal. Alguns osciloscópios podem ter um modo de medição para fazer o mesmo, mas aqui vou mostrar como usar o cursor. Coloque a primeira linha do cursor no início da onda senoidal e o segundo cursor no final da onda senoidal, conforme mostrado abaixo, para medir o período da frequência. No meu caso, o período de tempo foi o destacado na imagem abaixo. Meu osciloscópio também exibe a frequência, mas para fins de aprendizagem, considere apenas o período de tempo. Você também pode usar as linhas do gráfico e o valor da divisão de tempo para encontrar o período de tempo, se seu osciloscópio não o exibir.
Medimos apenas o período de tempo do sinal, para saber a frequência podemos simplesmente usar as fórmulas
F = 1 / T
Portanto, em nosso caso, o valor do período de tempo é 29,5 µS, que é 29,5 × 10 -6. Portanto, o valor da frequência será
F = 1 / (29,5 × 10 -6) = 33,8 KHz
Agora temos a frequência ressonante como 33,8 × 10 3 Hz e o valor do capacitor como 0,1uF que é 0,1 × 10 -6 F substituindo tudo isso nas fórmulas que obtemos
FR = 1 / 2π √LC 33,8 × 10 3 = 1 / 2π √L (0,1 x 10 -6)
Resolvendo para L, obtemos
L = (1 / (2π x 33,8 x 10 3) 2 / 0,1 x 10 -6 = 2,219 x 10 -4 = 221 x 10 -6 L ~ = 220 uH
Portanto, o valor do indutor desconhecido é calculado em 220uH, da mesma forma, você também pode calcular o valor do capacitor usando um indutor conhecido. Eu também tentei com alguns outros valores de indutores conhecidos e eles parecem funcionar muito bem. Você também pode encontrar o trabalho completo no vídeo anexo abaixo.
Espero que você tenha entendido o artigo e aprendido algo novo. Se você tiver qualquer problema em fazer isso funcionar para você, deixe suas perguntas na seção de comentários ou use o fórum para obter mais ajuda técnica.